糖在生命活動中起著舉足輕重的作用，不同的糖基可以聚合在一起形成細(xì)胞壁等細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)，也可以修飾蛋白和不同的小分子化合物，賦予它們不同的特性。糖基化是自然界中普遍存在且十分重要的生命過程。許多重要的生物分子如核酸、多糖、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)以及次級代謝產(chǎn)物都有糖基化修飾。糖綴合物功能多樣，能夠參與細(xì)胞內(nèi)信息的儲存與轉(zhuǎn)移、維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)的完整性、介導(dǎo)分子間的識別與信號傳導(dǎo)，還與細(xì)菌的毒力作用以及化學(xué)防衛(wèi)等相關(guān)。在次級代謝中，糖基化往往能夠改善微生物天然產(chǎn)物的溶解性、穩(wěn)定性，增強(qiáng)其生物活性，極大地促進(jìn)天然產(chǎn)物的成藥性。
庚糖作為細(xì)菌脂多糖LPS的重要組成部分，對革蘭氏陰性細(xì)菌細(xì)胞壁組成、細(xì)菌感染和免疫識別至關(guān)重要。在細(xì)菌天然產(chǎn)物中，至今已經(jīng)發(fā)現(xiàn)100多個(gè)含庚糖結(jié)構(gòu)單元的化合物，擁有抗細(xì)菌、抗真菌、抗寄生蟲、抗腫瘤和抗神經(jīng)痛等豐富多樣的生物活性。結(jié)構(gòu)分析表明庚糖單元不僅可以作為是糖基修飾基團(tuán)，而且很多天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)中庚糖單元更是核心的骨架結(jié)構(gòu)，這意味著庚糖單元很可能直接決定了天然產(chǎn)物的活性功能。
庚糖殺菌素（Septacidin）是革蘭氏陽性細(xì)菌所產(chǎn)的次級代謝產(chǎn)物，結(jié)構(gòu)中含有L-型吡喃庚糖結(jié)構(gòu)單元，具有抗真菌和抗腫瘤活性，近年來發(fā)現(xiàn)還具有誘發(fā)細(xì)胞免疫原性死亡的活性。這類化合物的衍生物KRN5500已經(jīng)分別作為抗腫瘤藥物和疼痛抑制劑進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段。潮霉素B及其抗性基因是實(shí)驗(yàn)室常用的篩選系統(tǒng)。同時(shí)，潮霉素B在家禽和家畜飼養(yǎng)中用作抗寄生蟲的獸藥。在潮霉素B的結(jié)構(gòu)中含有特殊的D-吡喃庚糖結(jié)構(gòu)。陳義華研究組在前期研究中發(fā)現(xiàn)了庚糖殺菌素中L-吡喃庚糖合成與革蘭氏陰性細(xì)菌的初級代謝共享了庚糖合成途徑；在潮霉素B生物合成研究中發(fā)現(xiàn)了一種全新的ADP-阿卓庚糖。（PNAS， 2018，115（11）， 2818-2823.）
2020年，研究組證明了庚糖殺菌素中N6-糖基化腺嘌呤結(jié)構(gòu)由特殊的Fe（II）依賴的糖基轉(zhuǎn)移酶SepE催化形成，同時(shí)證明SepF是一種新穎的糖苷酶，可水解庚糖殺菌素前體化合物的C-N糖苷鍵生成中間體SEP-328。有趣的是，糖基轉(zhuǎn)移酶SepE呈現(xiàn)非常罕見的褐色，通過紫外可見光譜和ICP-OES/MS分析發(fā)現(xiàn)SepE分子中含有一個(gè)二價(jià)亞鐵離子。點(diǎn)突變分析發(fā)現(xiàn)SepE中亞鐵離子在AMP結(jié)合中起到重要作用。上述研究通過體內(nèi)敲除、產(chǎn)物結(jié)構(gòu)鑒定和體外酶學(xué)實(shí)驗(yàn)闡明了庚糖殺菌素生物合成中關(guān)鍵的一步，同時(shí)推導(dǎo)了整個(gè)合成途徑，加深了對L-吡喃庚糖類天然產(chǎn)物生物合成機(jī)制的理解。研究成果發(fā)表在期刊《Organic Letters》。
圖1. 庚糖殺菌素生物合成中SepE 和SepF催化生成中間體SEP-328（8）
近期，研究組受天然產(chǎn)物權(quán)威綜述期刊《Natural Products Reports》邀請撰寫的綜述《Heptose-containing bacterial natural products: structures, bioactivities, and biosyntheses》在線發(fā)表。該綜述以庚糖單元的重要生理意義為出發(fā)點(diǎn)，分析了細(xì)菌來源的天然產(chǎn)物中的庚糖并將它們按結(jié)構(gòu)分為四類：呋喃型庚糖、 高度還原的吡喃型庚糖、 L-型吡喃庚糖和 D-型吡喃庚糖。按照結(jié)構(gòu)分組，全文描述了至今發(fā)現(xiàn)的100多種含有庚糖結(jié)構(gòu)的細(xì)菌來源天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)特征和相關(guān)的生物活性；歸納了它們的生物合成機(jī)制的規(guī)律和研究進(jìn)展，重點(diǎn)闡述了庚糖結(jié)構(gòu)單元的生物合成機(jī)制。最后，還簡述了細(xì)菌初級代謝中庚糖單元的結(jié)構(gòu)特征和生物合成研究進(jìn)展。
糖基單元改變可以顯著影響天然產(chǎn)物的藥理性質(zhì)。至今，已有很多通過生物工程的方法改變天然產(chǎn)物糖基單元的成功案例。而這些案例成功的前提都需要深入理解含糖化合物的生物合成機(jī)制。在過去的幾十年里，關(guān)于含庚糖天然產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)、活性和生物合成機(jī)制已有很多報(bào)道。但是，一直以來并沒有相關(guān)的綜述予以總結(jié)。該綜述系統(tǒng)的總結(jié)了相關(guān)研究，為含庚糖天然產(chǎn)物的生物合成和合成生物學(xué)研究提供了支撐。
圖2. 重要的含庚糖結(jié)構(gòu)的細(xì)菌天然產(chǎn)物
關(guān)于庚糖殺菌素中N6-糖基化腺嘌呤結(jié)構(gòu)形成機(jī)制的解析工作，中國科學(xué)院微生物研究所陳義華研究組唐偉博士為第一作者，郭正彥副研究員和陳義華研究員為共同通訊作者。關(guān)于含有庚糖結(jié)構(gòu)的細(xì)菌天然產(chǎn)物的綜述工作，郭正彥副研究員為第一作者，陳義華研究員為論文通訊作者。研究工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委杰出青年基金和面上項(xiàng)目、以及中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會項(xiàng)目的資助。
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