微生物來源的非核糖體肽類化合物（nonribosamal peptides, NRPs）具有結構複雜、活性廣泛的特點，是抗菌，抗炎，免疫抑制，抗病毒等藥物的重要來源，代表化合物有環孢菌素A，萬古黴素，達托黴素等等。其中許多非核糖體肽類化合物的N端有着不同程度的修飾，這對于保護N端不被降解或調節特定性質是很重要的。因此，從細菌基因組中挖掘N端含稀有基團的非核糖體肽類的潛在的生物合成基因簇并對這些基因簇進行激活是發現 新型活性肽類的有效手段。
近日，伟徳国际官网登录入口、醫藥生物技術國家重點實驗室的戈惠明和譚仁祥教授研究團隊在使用基因組挖掘發現活性新型活性肽類和生物合成研究中取得重要進展，相關成果“Genome mining and biosynthesis of kitacinnamycins as a STING activator”2019年4月在線發表于英國皇家化學會旗艦刊物Chemical Science ，論文鍊接為http://dx.doi.org/10.1039/C9SC00815B 。博士生史淨與碩士生劉程麗為該論文共同第一作者，譚仁祥和戈惠明教授是該論文的共同通訊作者。
圖1 以II型 PKS 和NRPS為探針進行基因組挖掘并鑒定出新型糖肽化合物kitacinnamycins
該研究組發現含肉桂酰的非核糖體肽類結構複雜、活性強勁且肉桂酰部分的生物合成蛋白序列保守。經過詳細的生物信息學分析後，發現KSα和KR在多烯II型PKS中較為保守在聚類分析上課與其他類型的PKS分開。因此，研究人員 鎖定 KS α 、KR在基因組數據庫中進行同源性檢索，最終得到51條潛在的合成含肉桂酰非核糖體肽的基因簇。為了進一步注釋這些基因簇并對它們進行優先排序，研究人員生成了一個基因組相似性網絡(genome neighborhood network, GNN)，該網絡由這51條基因簇中的3196個蛋白組成。
圖2 基因組相似性網絡（GNN）
GNN顯示，除去兩條與已知化合物的生物合成基因簇高度相似的基因簇外，剩餘的49個基因簇是不同的，并且具有許多功能不同的酶，表明這些菌株是潛在的新的含肉桂酰非核糖體肽的生産者。對GNN仔細分析後，研究人員優先選擇了含有糖基轉移酶的 Kitasatospora sp. CGMCC 16924進行研究。
經過對Kitasatospora sp. CGMCC 16924培養條件的優化篩選，研究人員成功激活了該基因簇并分離得到14個結構新穎的含肉桂酰的非核糖體肽類化合物kitacinnamycins A–N（1-14 ），其中化合物8是幹擾素激活蛋白（stimulator of interferon genes，STING)信号途徑的活化劑。
進一步通過基因敲除、體外生化反應并結合蛋白晶體結構揭示了其生物合成過程：首先三個NPRS合成酶Kcn21、22、23負責識别并裝載特定的氨基酸形成九肽骨架，在硫酯酶結構域作用下從裝配線上水解下來；接着P450單加氧酶Kcn27催化連續的三步氧化，将肉桂酰基團的末端從-CH3 氧化成-COOH；由糖基轉移酶Kcn28催化肉桂酰基團上的糖基化反應，最終形成糖肽類化合物1 、2 、3 、4 、13 和14 。Kcn28具有底物寬泛性，不僅能在末端是-COOH的化合物5 和6 上轉移兩分子的葡萄糖，還能在末端是-OH的中間體9 和10 上轉移一分子乙酰葡萄糖胺或兩分子葡萄糖。
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圖3 kitacinnamycins生物合成過程
該工作得到生科院徐強教授課題組和南京中醫藥大學朱家鵬教授的支持，并且得到了國家自然科學基金委優青項目、重點項目、科技部以及中央高校基本科研業務費等的資助。