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依據(jù)所合成聚酮產(chǎn)物骨架結(jié)構(gòu)的還原程度，真菌PKSs被分為三大類，即高度還原型聚酮合酶（highly reducing PKSs, HRPKSs）、部分還原型聚酮合酶（partially reducing PKSs, PRPKSs）和非還原型聚酮合酶（nonreducing PKSs, NRPKSs）。其中，HRPKSs催化合成高度還原的聚酮化合物，而NRPKSs和PRPKSs則催化合成芳香類聚酮化合物。然而，近期有文獻(xiàn)表明，HRPKS基因簇可以合成水楊醛類芳香聚酮化合物，雖然其合成機(jī)制尚不明確，但仍然超出了人們對(duì)HRPKSs的預(yù)期。基因組生物信息學(xué)分析結(jié)果揭示，真菌基因組中存在大量功能未知的HRPKSs編碼基因及相關(guān)的天然產(chǎn)物生物合成基因簇。因此，擴(kuò)展對(duì)HRPKSs功能以及HRPKS基因簇所編碼合成天然產(chǎn)物化學(xué)多樣性的認(rèn)知具有重要意義。 

最近，研究人員通過基因組挖掘，證實(shí)來源于生防菌Trichoderma virens 的一個(gè)HRPKS基因簇（vir基因簇）負(fù)責(zé)合成環(huán)氧環(huán)己醇類新天然產(chǎn)物trichoxide（化合物1）。在研究該化合物的生物合成過程中，解析了一種合成芳香類聚酮化合物的新策略（圖1）：由HRPKS負(fù)責(zé)合成高度還原的線性聚酮產(chǎn)物，然后經(jīng)由不同短鏈脫氫酶家族蛋白催化特定位置β-羥基的選擇性氧化重新轉(zhuǎn)變成β-酮，從而實(shí)現(xiàn)分子內(nèi)的縮合環(huán)化，并最終芳構(gòu)化形成6-取代水楊醛（化合物4）。

圖1. 芳香類聚酮化合物的生物合成新策略 

 研究人員首先利用負(fù)責(zé)合成6-取代水楊醛sordarial的srd基因簇為模板對(duì)已測序真菌基因組進(jìn)行生物信息學(xué)分析，搜尋到一個(gè)在許多木霉屬真菌中保守的HRPKS基因簇，并選取了來自Trichoderma virens中的vir基因簇作為研究對(duì)象（圖2）。通過在構(gòu)巢曲霉（Aspergillus nidulans）中異源表達(dá)，確定了vir基因簇負(fù)責(zé)合成環(huán)氧環(huán)己醇類化合物1?；钚詼y試結(jié)果顯示，1具有較好的抗白色念珠菌活性。同時(shí)，vir基因簇的異源表達(dá)還產(chǎn)了1的生物合成中間體，即芳香類化合物2-4。 

為揭示2-4的生物合成機(jī)制，研究人員先表征了HRPKS VirA的功能，其負(fù)責(zé)合成含有多羥基結(jié)構(gòu)的線性聚酮化合物5（圖2）。進(jìn)一步，他們通過不同后修飾基因與virA的組合，先后確定了參與將5轉(zhuǎn)變成4的基因，即virB和virD。體內(nèi)共表達(dá)實(shí)驗(yàn)以及體外的生化實(shí)驗(yàn)均證實(shí)，VirB催化5中7-位羥基的選擇性氧化形成7-位羰基化合物6，而VirD則催化6中3-位羥基的選擇性氧化，形成化合物8，并經(jīng)分子內(nèi)aldol縮合與脫水，生成6-取代水楊醛4（圖2）。有趣的是，VirD在有還原性輔因子NADH存在下可以快速將6還原成7。 (記得關(guān)注標(biāo)題下方公眾號(hào):化學(xué)加)

圖2. Trichoxide 1的生物合成 

在此基礎(chǔ)上，研究人員也對(duì)vir基因簇中其他基因的功能展開了相應(yīng)的研究，并證實(shí)短鏈脫氫酶VirG負(fù)責(zé)4到3的轉(zhuǎn)化，細(xì)胞色素P450 VirE負(fù)責(zé)3中苯環(huán)上的羥化形成2，而其他氧化還原酶VirH/I/K/L則負(fù)責(zé)2的去芳構(gòu)化并將其轉(zhuǎn)化成最終產(chǎn)物1。 

該研究成果，不僅展示了一種全新的經(jīng)由高度還原的線性聚酮化合物前體合成芳香類聚酮化合物的生物合成邏輯，而且也擴(kuò)展了經(jīng)由HRPKS途徑可獲得的天然產(chǎn)物的化學(xué)空間。 　　

該工作主要由中科院微生物所真菌室劉玲研究員完成，美國加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的唐奕教授和上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院的唐滿成副教授為共同通訊作者。