植物类型III聚酮合酶超家族晶体结构与功能

植物类型Ⅲ聚酮化合物合酶(PKS)催化合成多种植物次生代谢产物的基本分子骨架,参与植物体许多重要生物学功能的行使,一直是研究蛋白结构与功能关系、基于结构进行分子改造的重要模式分子家族。目前在蛋白质数据库(PDB)中有超过80个不同种属来源的类型Ⅲ PKS的三维结构被报道,其中包括了研究最为透彻的查尔酮合酶在内的7种酶的晶体结构,这些结构的发表对于阐明该类酶复杂多变的底物专一性、链延伸和不同的环化反应机制奠定了结构基础。三维空间结构解析以及基于定点突变的结构功能分析是进行酶工程、基因工程的基础。以下系统综述了植物类型Ⅲ PKS超家族晶体结构和功能的研究进展。     

真菌聚酮化合物生物合成研究进展

具有广泛生物活性的真菌聚酮化合物因具有复杂的化学结构,其生物合成途径一般包含多样且新颖的酶催化反应。文中主要综述了2013-2016年来源于还原性聚酮合成酶(HR-PKSs)、非还原性聚酮合成酶(NR-PKSs)、聚酮-非核糖体多肽合成酶(PKS-NRPSs)和还原性-非还原性聚酮合成酶(HR-NR PKSs)杂合型等四大类型的真菌聚酮类化合物的生物合成研究进展。众多真菌聚酮类化合物生物机理的阐明,为未来新型真菌聚酮类天然产物生物合成基因簇的挖掘、新结构化合物的发现及其类似物的研究提供了方向和理论基础。     

植物类型Ⅲ聚酮合酶超家族基因结构、功能及代谢产物

植物聚酮类化合物主要包括酚类、芪类及类黄酮化合物等,在植物花色、防止紫外线伤害、预防病原菌、昆虫危害以及作为植物与环境互作信号分子方面行使着重要的生物学功能。该类化合物具有显著多样的生物学活性,对人体保健及疾病治疗有显著意义。植物类型Ⅲ聚酮化合物合酶(PKS)在该类化合物生物合成起始反应中行使着关键作用,决定该类化合物基本分子骨架建成和代谢途径碳硫走向,为合成途径关键酶和限速酶。以查尔酮合酶为原型酶的植物类型Ⅲ PKS超家族是研究系统进化和蛋白结构与功能关系的模式分子家族,目前已经分离得到14种植物类型Ⅲ PKS基因,这些同祖同源基因及其表达产物既有共性,也表现出许多独特个性,这些个性赋予此类次生代谢产物结构上的多样性。以下综述了植物类型Ⅲ PKS超家族基因结构、功能及代谢产物研究进展。     

聚酮类化合物生物合成基因簇与药物筛选

由微生物和植物产生的聚酮类化合物的数量极其庞大,是一大类结构多样化和生物活性多样性的天然产物,已经成为新药的重要来源.介绍了3种类型聚酮类化合物生物合成基因簇的特点,即以模块形式存在的I型聚酮合酶,包含一套可重复使用结构域的Ⅱ型聚酮合酶以及不需要ACP参与,以植物中的查耳酮合酶为代表的Ⅲ型聚酮合酶.同时,还介绍了基于3种类型聚酮类化合物生物合成基因的特点,利用分子生物学方法构建筛选探针,进行当前药物基因筛选的进展.     

虎杖苯亚甲基丙酮合酶PcPKS2的表达纯化和晶体生长

植物类型Ⅲ聚酮合酶超家族(PKSs),又称查尔酮合酶(Chalcone synthase,CHS)超家族,催化合成多种植物次生代谢产物的分子骨架。苯亚甲基丙酮合酶(Benzalacetone synthase,BAS)催化4-香豆酰辅酶A与丙二酰辅酶A通过一步脱羧缩合反应生成苯亚甲基丙酮,是一系列具有重要生物学活性苯丁烷类化合物及其衍生物的前体化合物。前期工作从虎杖中分离出苯亚甲基丙酮合酶BAS(PcPKS2)和1个具有CHS和BAS活性的双功能酶(PcPKS1)。两者与超家族其他成员序列经比较,在包括门卫氨基酸Phe215和Phe265在内的重要氨基酸序列存在一定差异。已有蛋白晶体学研究结果表明,PKSs家族不同成员的功能多样性来自于酶催化位点的非常微小的构象变化。为了能够从结构上比较PcPKS2和Pc PKS1双功能酶活性差异可能产生的机制,以确定其高效BAS活性的分子机理,研究利用了大肠杆菌原核表达系统过量表达了C-端融合有His6标签的重组蛋白,经纯化得到了高纯度蛋白。经过对其晶体生长条件进行摸索和优化,得到了能用于X-射线衍射的单晶,为其结构解析、催化机理研究、了解虎杖聚酮类化合物生物合成机制和该类酶在基因工程中的应用提供了基础。     

植物类型III聚酮合酶超家族基因结构、功能及代谢产物

植物聚酮类化合物主要包括酚类、芪类及类黄酮化合物等,在植物花色、防止紫外线伤害、预防病原菌、昆虫危害以及作为植物与环境互作信号分子方面行使着重要的生物学功能。该类化合物具有显著多样的生物学活性,对人体保健及疾病治疗有显著意义。植物类型III 聚酮化合物合酶 (PKS) 在该类化合物生物合成起始反应中行使着关键作用,决定该类化合物基本分子骨架建成和代谢途径碳硫走向,为合成途径关键酶和限速酶。以查尔酮合酶为原型酶的植物类型III PKS超家族是研究系统进化和蛋白结构与功能关系的模式分子家族,目前已经分离得到14种植物类型III PKS基因,这些同祖同源基因及其表达产物既有共性,也表现出许多独特个性,这些个性赋予此类次生代谢产物结构上的多样性。以下综述了植物类型III PKS超家族基因结构、功能及代谢产物研究进展。     

安丝菌素聚酮合酶模块2中脱水酶结构域的生化功能

[目的]I型聚酮合酶(Polyketide synthase,PKS)模块中不同的修饰是聚酮类化合物结构多样性的重要原因之一.抗癌药物安丝菌素化学结构中C11-C14区域存在特殊的双键迁移结构,可能与聚酮合酶模块2或者3中脱水酶结构域(Dehydratase,DH)的催化密切相关,本研究通过探究聚酮合酶模块2中DH结构...     

非典型角蒽环聚酮氧化开环酶的功能与进化

非典型角蒽环聚酮化合物是一类经过氧化重排反应形成的具有独特骨架结构的芳香聚酮类化合物。近年来的研究表明,尽管此类化合物具有多种多样的骨架结构,它们都是由共同的生物合成中间体Dehydrorabelomycin生成的。一个独特的加氧酶家族(称为非典型角蒽环氧化开环酶)催化了Dehydrorabelomycin的氧化碳-碳键断裂与重排反应。尽管这些酶属于同一个蛋白质家族,催化相同的底物发生氧化开环反应,但是通过不同的重排方式形成了对应于各自生物合成终产物的骨架结构,对这类化合物最终结构的形成起到了关键作用。对这一家族的加氧酶进行深入的催化功能与反应机理研究,不仅有助于对已知芳香聚酮的结构改造与新颖骨架结构芳香聚酮的发现,也有助于加深对于蛋白质序列进化与功能演化的认识。     

地衣型真菌皮革肾岛衣中1个Ⅲ型聚酮合酶基因的克隆与鉴定

该研究通过对皮革肾岛衣地衣型真菌转录组数据的分析,利用RT-PCR技术,首次克隆得到1个Ⅲ型聚酮合酶基因(NpPKS3),并分析该基因在不同培养基上的表达,以选择皮革肾岛衣地衣型真菌的最佳培养基,为研究NpPKS3基因功能奠定基础,并为异源表达皮革肾岛衣地衣型真菌的聚酮类化合物提供研究材料。结果表明:(1)NpPKS3基因(GenBank登录号MF351559)全长1 335bp,编码444个氨基酸,其产物为NpPKS3蛋白,在细胞质基质中发挥功能。(2)系统进化分析显示,NpPKS3基因编码的氨基酸序列与Ⅲ型聚酮合酶的csyB亚组聚为一支,推测该基因编码csyB类酶蛋白。(3)采用"一菌多产物"策略研究发现,NpPKS3基因在BMG培养基中表达能力最强,在BD培养基上表达能力最弱。     

聚酮类化合物异源表达研究进展

聚酮化合物具有抗感染、抗真菌、抗肿瘤、免疫抑制等生物活性,在临床上应用非常广泛。我们简要介绍了3种聚酮合酶的基因簇特点,即以模块形式存在的Ⅰ型聚酮合酶、包含重复使用结构域的Ⅱ型聚酮合酶和以查尔酮酶为代表的Ⅲ型聚酮合酶,以及大环内酯类、四环素类、葸环类、聚醚类聚酮化合物异源表达研究现状,综述了异源表达宿主在不同聚酮化合物的表达方面存在的优势及其挑战。     

植物Ⅲ型聚酮合酶基因家族的分子进化分析

Ⅲ型聚酮合酶(type Ⅲ polyketide synthase,PKSⅢ)广泛存在于细菌、真菌和植物中,目前数据库中已积累了大量的序列资料。为了进一步了解植物Ⅲ型聚酮合酶基因家族的分子进化,以及其作为系统进化研究材料的可能性,选取了75条来自不同植物物种包括苔藓类植物、蕨类植物、裸子植物、单子叶植物和双子叶植物的PKSⅢ蛋白序列,用CLUSTAL X软件对其氨基酸序列进行了比对,并用邻位相接法构建了系统进化树。结果表明,尽管不同来源的PKSⅢ序列表现了很大的差异,但保守结构域CHS-like所包含的主要功能位点半胱氨酸(Cys184)、苯丙氨酸残基(Phe236和Phe286)、组氨酸残基(His335)、天冬酰氨残基(Asn369)在各植物物种中具有很好的保守性;同时发现,在植物PKSⅢ序列中多数的Cys位点均具有较好的保守性,而且蕨类植物PKSⅢ和单子叶植物PKSⅢ在Cys保守位点有很好的相似性;进一步构建分子进化树表明,PKSⅢ基因基本上首先根据功能而聚类,明显地划分为CHSs和non-CHSs两类,其次按照不同的植物物种聚类。     

白色链霉菌DSM 41398中洋橄榄菌素和放线吡喃酮的发现及其生物合成途径分析

【目的】从菌株Streptomyces albus DSM 41398的发酵产物中发掘结构多样的由I型聚酮合酶催化形成的化合物,以期找到具有新颖结构或强生物活性的化合物。在结构鉴定的基础上,对其生物合成途径进行分析。【方法】利用HPLC分析方法,通过系统比较野生型菌株S.albus DSM 41398与I型聚酮合酶编码基因簇失活突变株的发酵产物差异,实现目标化合物的定向分离。然后,利用~1H-和~(13)C-NMR以及HR-ESI-MS进行化合物的结构鉴定。最后,利用生物信息学等方法对化合物的生物合成途径进行推测和分析。【结果】从5 L的S.albus DSM 41398发酵产物中,分离得到了2个具有抗肿瘤活性的聚酮类化合物放线吡喃酮和洋橄榄菌素,分别定位了它们的生物合成基因簇,并分别对其生物合成途径进行了推导。其中,放线吡喃酮的生物合成基因簇为首次报道。【结论】本研究一方面为基因组发掘S.albus DSM 41398中其他由I型聚酮合酶催化形成的化合物提供参考,另一方面也为相关化合物的结构修饰改造奠定了良好的基础。     

萘醌-氧吲哚生物碱coprisidins生物合成途径的研究（英文）

【目的】新颖结构的天然萘醌-氧吲哚类生物碱coprisidins(A和B)分离自昆虫肠道相关链霉菌,具有预防癌症的活性。作为首例具有萘醌-氧吲哚骨架的生物碱,对其独特生物合成机理的研究可为Ⅱ型聚酮类化合物生物合成途径提供新的认知。【方法】本研究对coprisidins的产生菌Streptomycessp.SNU607进行全基因组测序,并根据测序结果的生物信息学分析初步定位coprisidins的生物合成基因簇;通过基因敲除以及异源表达手段确定coprisidins的生物合成基因簇;基于体内遗传学实验与生物信息学分析初步推导coprisidins的生物合成途径。【结果】Streptomyces sp. SNU607中有23个基因簇可能参与次级代谢,其中4个基因簇与聚酮合酶(PKS)相关;通过基因敲除与异源表达实验,本研究证实1个Ⅱ型PKS负责coprisidins的生物合成;基于生物信息学分析,我们推测copH/I/M/O/N构成了1个基因盒,并负责起始单元丁酰CoA的合成;KSβ(Cop B)的序列比对表明coprisidins的Ⅱ型PKS系统更倾向于合成C20的初始聚酮链。【结论】Coprisidins的萘醌-吲哚结构是由Ⅱ型PKSs催化形成,我们推测丁酰Co A是coprisidins聚酮骨架的起始单元,在最小PKS、聚酮酶、环化酶的催化下先形成类似蒽环的四环系统,随后在后修饰酶与氧化重排的作用下生成萘醌-氧吲哚骨架。本研究为进一步探究萘醌-氧吲哚类生物碱的生物合成机制奠定了基础,同时增加了Ⅱ型PKSs合成产物的结构多样性。     

萘醌-氧吲哚生物碱coprisidins生物合成途径的研究

[目的] 新颖结构的天然萘醌-氧吲哚类生物碱coprisidins（A和B）分离自昆虫肠道相关链霉菌,具有预防癌症的活性。作为首例具有萘醌-氧吲哚骨架的生物碱,对其独特生物合成机理的研究可为II型聚酮类化合物生物合成途径提供新的认知。[方法] 本研究对coprisidins的产生菌Streptomyces sp.SNU607进行全基因组测序,并根据测序结果的生物信息学分析初步定位coprisidins的生物合成基因簇;通过基因敲除以及异源表达手段确定coprisidins的生物合成基因簇;基于体内遗传学实验与生物信息学分析初步推导coprisidins的生物合成途径。[结果] Streptomyces sp.SNU607中有23个基因簇可能参与次级代谢,其中4个基因簇与聚酮合酶（PKS）相关;通过基因敲除与异源表达实验,本研究证实1个II型PKS负责coprisidins的生物合成;基于生物信息学分析,我们推测copH/I/M/O/N构成了1个基因盒,并负责起始单元丁酰CoA的合成;KS_β（CopB）的序列比对表明coprisidins的II型PKS系统更倾向于合成C20的初始聚酮链。[结论] Coprisidins的萘醌-吲哚结构是由II型PKSs催化形成,我们推测丁酰CoA是coprisidins聚酮骨架的起始单元,在最小PKS、聚酮酶、环化酶的催化下先形成类似蒽环的四环系统,随后在后修饰酶与氧化重排的作用下生成萘醌-氧吲哚骨架。本研究为进一步探究萘醌-氧吲哚类生物碱的生物合成机制奠定了基础,同时增加了II型PKSs合成产物的结构多样性。     

Streptomyces pulveraceus突变株中福司曲星类似物的分离鉴定及其生物合成途经初探(英文)

福司曲星是一种从Streptomyces pulveraceus分离得到的磷酸酯类、聚酮类抗生素。本文从其突变株(ΔfosJ)分离得到一系列新的福司曲星结构类似物(10～14)。结合各种波谱方法,我们对其结构进行鉴定。由于这些化合物的结构特殊性,初步推断这些化合物可能来自于异常的PKS组合生物合成。     

定点突变提高虎杖聚酮合酶的苯亚甲基丙酮合酶活性北大核心CSCD

虎杖(Polygonum cuspidatum)聚酮合酶(polyketide synthase 1,PcPKS1)同时具有查尔酮合酶(chalcone synthase,CHS)及苯亚甲基丙酮合酶(benzylidene acetone synthase,BAS)催化活性,能够催化生成聚酮类化合物柚皮素查尔酮和苯亚甲基丙酮,进而催化合成黄酮类或覆盆子酮等具有多种生物学活性的化合物。本研究通过分析虎杖PcPKS1与掌叶大黄(Rheum palmatum)BAS、拟南芥(Arabidopsis thaliana)CHS等家族成员的序列以及酶催化位点的构象,确定可能影响酶功能的3个氨基酸位点:Thr133、Ser134、Ser339。采用定点突变对PcPKS1进行分子修饰,成功获得2个突变体并进行相关体外酶促反应,高效液相色谱(high performance liquid chromatography,HPLC)产物分析结果表明,在pH 7.0和pH 9.0的体外酶促条件下,突变体T133LS134A和S339V维持BAS和CHS双功能活性,且BAS活性显著高于原PcPKS1。本研究为利用PcPKS1进行基因工程调节黄酮类和覆盆子酮化合物的生物合成提供理论依据。     

聚酮化合物β-酮酰-ACP合酶的计算机对比分析与组合生物合成

为了合理地设计新的聚酮化合物提高组合生物合成的效率,本文使用ClustalW、Mega4.0分析了26种来自不同聚酮合酶的β-酮酰-ACP合酶结构域的序列特征,并用ProtParam、Phdsec、Swiss-Model等工具对其中9种具有不同底物专一性的β-酮酰-ACP合酶的一级结构、二级结构和三级结构及活性位点进行了分析与预测。发现它们结构上的相似性大于序列上的相似性;活性位点都富含丝氨酸;底物含有2个羧酸基团的β-酮酰-ACP合酶的理论pI均小于5.0且其形式电荷总量也偏低;序列V303ELHGTGTPLGDPIEAGA320是这26种β-酮酰-ACP合酶的一段保守序列,但它并不与活性位点相邻。这些研究对进行聚酮合酶的模块或结构域替换以及定点突变具有重要的指导意义,也为探讨其的进化机制提供了参考。     

顺式和反式-AT型聚酮合酶研究进展及应用

聚酮类化合物因广泛应用于医药等方面而被大家所熟知,Ⅰ型聚酮合酶（Polyketide Synthase,PKS）在催化聚酮类化合物的生物合成中起着重要的作用。根据不同的酰基转移酶（Acyltransferase,AT）结构域,I型PKS可分为顺式-AT （cis-Acyltransferase,cis-AT）型PKS和反式-AT （trans-Acyltransferase,trans-AT）型PKS,目前cis-AT型PKS研究得比较透彻,trans-AT型PKS相关研究成为当今热点。本文总结了cis-AT型PKS和trans-AT型PKS的联系与区别、工程进展、相关应用以及目前存在的问题,以期为了解cis-AT型PKS和trans-AT型PKS在聚酮化合物合成中的作用提供参考。     

植物Ⅲ型聚酮合酶的分子机制与应用前景

植物III型聚酮合酶能催化生成一系列结构各异、具有不同生理活性、包含查耳酮合酶基本骨架的植物次生代谢产物,这类次生代谢产物不仅使植物体本身的抗逆性提高,并且对人类健康医疗有很好的应用前景。以下综述了近年来从植物中克隆、鉴定III型聚酮合酶的研究进展,着重论述了其分子结构、催化反应的类型和机制、表达调控及其在转基因工程方面的研究和应用前景。这些研究将为有效地对其进行基因改造,合成一些难以化学合成的新型天然化合物奠定基础,并且为将来进一步开展III型聚酮合酶的转基因工程提供了参考。     

利用人工锌指蛋白核酸酶进行植物基因定点突变和置换

基因定点突变技术在基因组原位改变基因特定序列,避免常规转基因过程中位置效应和插入失活。定点突变生物体不含转基因或标记基因,降低风险性。高等植物基因定点突变研究初见端倪,将可能为基因原位功能研究、作物遗传改良和分子设计提供有效策略。利用锌指蛋白核酸酶（Zinc Finger Nucleases, ZFN）引入DNA定点断裂（Double-Strand Breaks, DSBs）可以高效介导基因定点突变,使得ZFN在基因定点突变中倍受关注。文章综述了植物基因定点突变的一般策略,重点介绍了锌指蛋白的结构、原理、应用,特别是ZFN介导的植物基因定点突变与置换研究进展,并对ZFN介导的植物基因定点突变与置换应用前景进行了讨论。