https://doi.org/10.1038/s41589-023-01416-0)

色氨酸是人体合成蛋白质所必需的氨基酸之一,而色氨酸的吲哚侧链又赋予了它独特的化学性质,因此除了参与蛋白质的合成外,色氨酸也会成为多种重要信号分子的代谢前体,如人的神经递质、褪黑素和植物的生长激素等。而在色氨酸在各种代谢途径中,吲哚侧链上的羟基化修饰非常普遍,但大多都发生在合成的后期,目前已知的、在游离色氨酸上催化吲哚侧链羟基化的酶很少,尤其是细菌催化色氨酸吲哚羟基化的机制仍然不清楚。

因此,来自浙大医学院的杜艺岭等在Nature Chemical Biology上发表了一篇名为《Hydroxytryptophan biosynthesis by a family of heme-dependent enzymes in bacteria》的研究发现了一类参与细菌代谢途径的色氨酸羟化酶,这些酶利用组氨酸连接的血红素因子催化色氨酸吲哚侧链区域选择性羟基化,之后通过基因比对,还确定了可以在其他位置羟基化色氨酸吲哚环的成员。该项研究结果不仅揭示了细菌中催化合成5-HTP的保守方法,而且为合成某些细菌代谢产物途径的构建提供了新的思路。

为了探究参与细菌代谢途径的色氨酸羟化酶,作者做了以下几项工作:

首先作者通过查阅文献,提出猜想并通过基因敲除制造突变体,然后分别通过遗传互补,高效液相色谱分析代谢产物等实验验证了猜想,即吕宋肽菌素(luzopeptins)的生物合成基因簇luzBGC中,基因luz15可能是色氨酸5-羟化酶,luz16可能是5-羟色氨酸甲基转移酶。

 

 

接着,作者为了进一步确定luz15、luz16的作用,作者又在大肠杆菌中表达并分离了两种蛋白,重建了它们的催化反应。这些结果也明确了luz15类似于血红素结合酶,在细菌中具有色氨酸5-羟化酶的作用。根据已确定的luz15基因,作者又通过GeneBank等数据库来检索序列相似的、具有色氨酸5-羟化酶作用的其他基因,得到了序列相似性网络,从其中选取了多种基因用于验证色氨酸羟基化的区域选择性(C4C5C6位)以及催化机制研究。

最后作者根据已明确的luz15基因功能机制在白色链霉菌中设计了褪黑素的从头合成途径。作者敲除了宿主菌中与色氨酸5-羟化酶相关功能的两个基因,并将编码5-HTP的相关基因luz15、luz16和5-HTP脱羧酶PsmH23合成操纵子引入缺陷宿主菌株,由一个强启动子启动,最终宿主菌成功产生褪黑素,其褪黑素滴度达到238±29 mg /L,显示了细菌色氨酸羟化酶在合成生物学应用中作为高效生物催化剂的潜力。

 

 

作者通过以上工作确定了一类细菌色氨酸羟化酶家族,可以催化游离色氨酸的吲哚环羟基化,该项研究结果不仅解决了细菌如何产生用于特殊代谢的羟基色氨酸的机制,而且为生物合成催化提供了一个有价值的酶工具箱。

 

(梁尹摘译)


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