基于酰基转移酶结构的聚酮理性设计
批准号:
32070040
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
郑舰艇
依托单位:
学科分类:
微生物生理与生化
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
郑舰艇
中文摘要
聚酮是小分子药物的重要来源,合成前体的多样性是产生其复杂结构的重要原因。生物合成研究揭示模块化聚酮合酶(mPKS)的酰基转移酶(AT)结构域在聚酮延伸中负责选择合成前体。前期工作中,我们解析了多个AT的晶体结构,通过改造酰基结合口袋切换了AT对丙二酰和甲基、乙基丙二酰辅酶A(CoA)的特异性,并发现突变参与CoA结合的保守精氨酸降低对CoA前体的活性,但不影响对喂养实验中常用的乙酰半胱胺(SNAC)前体的活性。本研究将以上述体外结构和酶学分析的结果为基础理性设计mPKS,工程菌株发酵合成新聚酮产物:1)突变酰基口袋切换AT对酰基的特异性,改变聚酮的甲基、乙基取代模式;2)突变AT中结合CoA的保守精氨酸,抑制前体喂养中内源CoA前体的竞争,提高外源添加SNAC前体的利用效率。此外进一步解析AT与更复杂前体的复合物结构,鉴定参与识别的位点,指导AT理性设计,在更大范围内实现底物特异性的切换。
英文摘要
Polyketides are important source of small molecular drugs. The diversity of biosynthetic precursors results in the structural complexity of polyketides. During the elongation of polyketides, acyltransferase (AT) domains of modular polyketide synthases (mPKSs) control the choice of precursors. Previously, we solved crystal structures of several AT domains, switched substrate specificity of an AT for malonyl-, methylmalonyl- and ethylmalonyl-coenzyme A (CoA) by engineering the acyl binding pocket. It is also revealed that mutating the conserved arginine involved in CoA binding decreases activity toward CoA derived precursors, but does not affect activity toward N-acetylcysteamine (SNAC) derived precursors that are widely used in feeding experiments. In this proposal, we'll design mPKSs rationally based on the aforementioned in vitro structural and enzymatic results to generate novel polyketide products by fermentation of engineered strains. Our research will focus on 1) switching specificity of AT for acyl groups by mutating acyl binding pockets to alter the profiles of methyl- and ethyl-substituents of polyketides; 2) increasing the utilization efficiency of exogenously added SNAC derived precursors in feed experiments by inhibiting competition of endogenous CoA precursors in microbial cells through mutating the conserved arginine binding CoA. In addition, we will solve complex structures of AT with more complicated precursors to identify residues involved in substrate recognition and switch specificity of ATs for more substrates by rational design.
聚酮天然产物是小分子药物的重要来源,合成前体的多样性是形成其复杂多变化学结构的重要原因。在聚酮生物合成中,酰基转移酶(acyltransferase,AT)的功能主要包括识别加载辅酶A(coenzyme A,CoA)底物以及将酰基单元转移给酰基载体蛋白(acylcarrier protein,ACP)。聚酮合酶(polyketide synthase,PKS)延伸模块AT识别的底物主要包括丙二酰-CoA(malonyl-CoA,MCoA)、甲基丙二酰-CoA(methylmalonyl-CoA,MMCoA)和乙基丙二酰-CoA(ethylmalonyl-CoA,EMCoA)等,因此AT是决定聚酮骨架化学结构的关键因素之一。AT选择合成前体并将其转移给 ACP,因此AT和ACP之间的蛋白质相互作用是影响PKS催化效率的重要因素,但这种瞬时的弱相互作用难以捕捉分析。本项目利用盐霉素(salinomycin)PKS模块9中的SalAT9和SalACP9探究AT和ACP的相互作用。双马来酰亚胺交联成功得到SalAT-ACP9的稳定复合物,通过X-射线衍射得到2.6 Å的复合物晶体结构,定点突变验证了界面氨基酸对AT-ACP相互作用的重要性。SalAT14对天然底物EMCoA有着良好的催化活性,对非天然底物MCoA以及MMCoA在体外实验中也有微弱活性,但影响SalAT14底物特异性的具体机制并不明确。因此,本项目通过分子动力学模拟和QM/MM计算探索了SalAT14催化底物的反应路径以及影响其底物特异性的关键因素。最后获得到了分辨率2.5 Å的泰乐菌素(tylosin)PKS模块5中AT(TylAT5)和分辨率3.26 Å的多杀菌素(spinosyns)PKS模块8中AT(SpnAT8)的晶体结构。基于结构信息,通过分子对接和MD模拟揭示了MCoA、MMCoA和EMCoA结合TylAT5和SpnAT8的过程,确定了与底物酰基部分互作的关键残基,利用定点突变将TylAT5(天然识别EMCoA)和SpnAT8(天然同时识别MMCoA和MCoA)的底物特异性改造为MCoA。这些结果从分子水平揭示了AT结构域底物识别的机制,为通过理性设计AT引入特定合成前体到聚酮化合物奠定了基础。
酮基还原酶和酰基载体蛋白在聚酮合成中的相互作用解析
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批准号:31770068
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项目类别:面上项目
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资助金额:60.0万元
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批准年份:2017
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负责人:郑舰艇
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依托单位:
聚酮合成起始单元选择的分子机制研究
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批准号:31570056
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项目类别:面上项目
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资助金额:68.0万元
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批准年份:2015
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负责人:郑舰艇
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依托单位:
I型聚酮手性中心形成的分子机制研究
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批准号:31370101
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项目类别:面上项目
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资助金额:84.0万元
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批准年份:2013
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负责人:郑舰艇
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依托单位:
国内基金
海外基金