研究揭示萘啶黴素生物合成途徑中的自抗性機制

細菌通過次級代謝產生具有生物活性的抗生素從而清除異己，爭奪環境中的資源，那抗生素產生菌如何避免抗生素對自身產生傷害呢？近期，中國科學院上海有機化學研究所生命有機化學國家重點實驗室研究員唐功利課題組在高活性天然產物萘啶黴素（NDM）的生物合成研究過程中，發現了一個分泌型、FAD依賴的氧化還原酶NapU在胞外氧化無活性前體生成具有生物活性的萘啶黴素，隨後還可以進一步氧化萘啶黴素使其失活。相關成果近期發表在《美國國家科學院院刊》上（PNAS2018,115:11232-11237）。

萘啶黴素屬於四氫異喹啉家族天然產物，該家族抗生素因其良好的抗腫瘤和抗菌活性備受研究者們的關注。它們均具有藥效官能團——半縮醛胺，其中羥基通過質子化脫水，伴隨氮原子給出孤對電子形成親電性亞胺物種，形成亞胺的碳原子易被鳥嘌呤中的N-2位親核進攻從而有效地烷基化DNA。

基因敲除發現基因napU失活的突變株發酵產生無半縮醛胺羥基的中間體5。體外酶活測試表明NapU能迅速氧化化合物5生成NDM (1)；而隨著反應時間的延長，NDM緩慢地轉化為具有醯胺結構的化合物7。通過對野生型萘啶黴素產生菌的發酵產物進行時間梯度監測，發現發酵產物NDM和化合物7的產量變化與體外酶活測試結果一致。以大腸桿菌作為測試菌，發現化合物5和7的活性遠遠低於NDM。基於這些實驗結果，該團隊提出這種胞外氧化活化產生抗生素和進一步氧化失活過程可能是產生菌的一種自抗性機制。隨後結合突變和標記實驗提出了可能的反應機理；通過Western-Blot和蛋白質譜方法對野生型菌株表達的分泌蛋白NapU進行捕捉和定量，質譜成像顯示與中間體及產物存在顯著時空相關性；而表達NapU的大腸桿菌對NDM顯示明顯的抗性。該研究揭示了一種原核生物罕見的「胞內藥效團失活-前葯外泌與成熟-胞外藥效團再生-宿主周邊活性抗生素濃度調控」複雜而精巧的時空隔離自抗性機制，進一步暗示了鏈黴菌富含複雜多樣的胞外生理與生化。

上述成果主要由唐功利課題組博士張玥和博士生溫萬紅等人完成。這一工作得到國家自然科學基金委、上海市科委和中科院戰略性先導科技專項（B類）等的大力資助。

萘啶黴素烷基化DNA的機理、萘啶黴素的生物合成途徑和胞外活化-失活

來源：中國科學院上海有機化學研究所

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