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蛋白質(zhì)的糖基化修飾普遍存在于真核生物細(xì)胞中。糖基化會(huì)影響蛋白質(zhì)正確折疊、分泌、亞基的聚合和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等，從而在很多生物過(guò)程中發(fā)揮重要作用。然而，目前關(guān)于糖基化對(duì)生物合成酶催化功能的影響還不清楚。

在這項(xiàng)研究中，作者首次揭示了糖基化對(duì)天然產(chǎn)物生物合成酶催化活性的分子調(diào)控機(jī)制。該論文報(bào)道了糖基化蛋白EupfF及其同源蛋白PycR1分別催化串聯(lián)[4+2]環(huán)化反應(yīng)，參與強(qiáng)效抗腫瘤天然產(chǎn)物eupenifeldin和pycnidione的生物合成。這兩個(gè)分子是分別由制藥公司百時(shí)美施寶和默克從真菌中發(fā)現(xiàn)的納摩爾級(jí)抗腫瘤天然產(chǎn)物，因其復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)和連續(xù)的手性中心，使其化學(xué)全合成一直未被攻破。在前期工作中，研究團(tuán)隊(duì)利用大腸桿菌表達(dá)的非糖基化蛋白EupF實(shí)現(xiàn)了eupenifeldin生源前體neosetophomone B的生物合成（JACS, 2019）。但是該非糖基化蛋白僅能實(shí)現(xiàn)單次[4+2]環(huán)化反應(yīng)，且催化效率較低，始終無(wú)法合成結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的eupenifeldin及其類似物。為了解決這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)利用真核表達(dá)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了EupfF及同源蛋白PycR1的異源表達(dá)，并通過(guò)生物信息學(xué)分析、底物飼喂、綠色熒光蛋白標(biāo)記亞細(xì)胞定位、蛋白質(zhì)譜、過(guò)典酸雪夫染色和體外生化實(shí)驗(yàn)等，確定了EupfF和PycR1是糖基化修飾的蛋白，并且呈現(xiàn)鈣離子依賴性。它們均可催化罕見(jiàn)的串聯(lián)[4+2]環(huán)化反應(yīng)。為了研究糖基化對(duì)蛋白催化功能的影響，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)高分辨的蛋白-底物復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)、量子力學(xué)計(jì)算模擬以及點(diǎn)突變實(shí)驗(yàn)確定了酶的完整催化機(jī)理，并發(fā)現(xiàn)糖基化調(diào)控酶催化活性的新機(jī)制。具體而言，糖基化顯著提升蛋白對(duì)催化中心鈣離子的親和性，而鈣離子既有催化作用又有重要的結(jié)構(gòu)性作用，二者協(xié)同調(diào)控酶的催化中心，極大提高酶的催化效率。同時(shí)，利用真核異源表達(dá)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了eupenifeldin和pycnidione的生物合成，為這兩個(gè)資源有限的活性分子的成藥性研究提供了物質(zhì)保障。

該研究揭示了翻譯后修飾對(duì)生物合成酶催化功能的顯著影響。發(fā)現(xiàn)糖基化修飾的生物合成酶不但易于分泌，而且具有更強(qiáng)更完整的催化功能，這為生物合成酶的設(shè)計(jì)與改造提供了新的思路；而串聯(lián)4+2環(huán)化酶的發(fā)現(xiàn)和催化機(jī)制的闡明為復(fù)雜藥用天然產(chǎn)物的酶法合成帶來(lái)新的啟示。

藥物所胡友財(cái)研究員、深圳先進(jìn)院周佳海研究員和加州大學(xué)洛杉磯分校K N. HouK教授為本論文的共同通訊作者。藥物所已畢業(yè)博士生劉家旺（入選2022年協(xié)和青年學(xué)者支持計(jì)劃）、助理研究員張晨，上海有機(jī)所博士生陸佳燕和UCLA博士生周青揚(yáng)為共同第一作者。該工作獲得國(guó)家杰出青年科學(xué)基金（No. 82225042），中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)與健康科技創(chuàng)新工程（CIFMS, No. 2021-I2M-1-029），中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（No. 2022-RC350-05）等項(xiàng)目資助。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41557-023-01260-8