【顾谦群课题组】---萜环化酶MacJ在环己烯酮类杂萜生物合成过程中的功能研究

杂萜类化合物（Meroterpenoids）广泛存在于真菌、海洋无脊椎动物以及高等植物中，以其多样结构和生物活性而受到药学、化学、和生物学等相关研究领域学者的高度关注。环己烯酮类杂萜作为其中的一个重要类别，其结构特征主要是分子内含有环己烯酮结构单元以及连接在该结构单元上的异戊烯基侧链。在常见的环己烯酮类杂萜化合物中，异戊烯基侧链一般为含有十五个碳原子的法尼基，以链状或者环状形式存在。虽然含有链状法尼基的环己烯酮类杂萜yanuthones的生物合成机制在之前已有其他课题组进行了相关研究并被报道，但具有环状异戊烯基侧链的环己烯酮类杂萜的生物合成机制却并不清楚。

图1. A，yanuthone和macrophorin的生物合成基因簇；B，MacJ的功能示意图。

中国海洋大学顾谦群教授课题组李德海教授同美国加州大学洛杉矶分校Yi Tang教授课题组合作，在对一株海洋来源真菌Penicillium terrestris LM2 进行基因组挖掘（Genome Mining）的过程中，发现了一个沉默的mac基因簇。生物信息学分析显示，该基因簇所编码的大部分基因与已知的yanuthones生物合成相关基因高度同源，但mac基因簇中还编码了一个整合膜蛋白（integral membrane protein）MacJ, 与吲哚二萜类化合物生物合成中的萜环化酶具有一定的同源性，表明mac基因簇可能负责编码产生具有环状异戊烯基侧链的环己烯酮类杂萜。由于mac基因簇在常规实验条件下处于沉默的不表达状态，研究人员通过对该基因簇中转录因子的过量表达，成功激活了mac基因簇，分离得到一系列具有环状异戊烯基侧链的环己烯酮类杂萜化合物macrophorins，从而应证了相关的生物信息学分析结果。进一步的基因敲除实验确证了该基因簇所编码基因负责macrophorins的生物合成；同时，将macJ敲除后，突变株积累了一系列具有链状法尼基的yanuthones。以yanuthones作为测试底物，利用酵母表达产生的MacJ蛋白，该研究团队成功在体外证实了MacJ的功能，即催化yanuthones中链状法尼基的直接环化转化成drimane结构单元。在目前已知的杂萜类化合物生物合成过程中，链状异戊烯基的环化一般需要先在异戊烯基的一个双键上引入环氧结构，然后才能在相应的II-型萜环化酶(一般为整合膜蛋白)的催化下，通过环氧开环的方式引发一系列环化反应从而构建环状骨架结构。而作为整合膜蛋白II-型萜环化酶中的一员，MacJ是第一例被证实可以直接通过双键质子化引发异戊烯基侧链环化反应的蛋白。另外，底物拓展实验表明MacJ具有较好的底物容忍性，可以作为一种潜在的酶催化剂应用于macrophorin结构类似物的合成中。本研究成果不仅对其他杂萜类化合物的生物合成研究具有重要的启示意义，同时也对通过基因组挖掘的方式去发现新型杂萜类化合物具有重要的参考价值。

该成果近期发表在一区期刊Organic Letters（IF = 6.579）上（Org. Lett. 2017, DOI: 10.1021/acs.orglett.7b02653），其中加州大学洛杉矶分校唐满成博士和威廉希尔2015级硕士生崔小清为共同第一作者。