Dpk類抗癌藥物合成基因挖掘與驗證

以DKP支架為特徵的天然產品結構多樣，細菌，真菌，植物和動物中都廣泛存在。目前主要作用如下：

1、心DKP支架使這些特殊結構抵抗蛋白水解，並能夠穿過腸屏障和血腦屏障（BBB）

2、於天然存在的DKP的各種化合物最近引起了很多關注，並且目前正在研究作為潛在的抗癌藥物，抗生素和抗炎劑，例如普林布林（NPI-2358），苯丙氨綸和雙環黴素等。

而DKP-環系統通過兩種α-氨基酸的雙縮合形成，基本上有兩種途徑：非核糖體肽合成酶（NRPS）和環二肽合酶（CDPS）。與使用遊離氨基酸激活腺苷酸化的NRPS不同，CDPS在翻譯過程中主要使用氨基醯基-tRNA（aa-tRNA）。

CDPS基本上來自三種細菌門（Actinobacteria，Firmicutes和Proteobacteria），儘管其序列同一性很低，但仍可以分為兩個不同的亞家族，即NYH和XYP。迄今為止表徵的CDPS，都能特異性催化20種蛋白質氨基酸中的18種（Lys和Asp除外）和26種非常規氨基酸組合，產生不同的DKP。CDPS晶體學結構以及誘變研究揭示兩個aa-tRNA在不同的底物結合位點結合：口袋P1和口袋P2。第一個aa-tRNA的特異性取決於其氨醯基部分，相反，第二個aa-tRNA的特異性取決於氨基醯基部分及其tRNA序列。然而，P2中殘基的誘變以及P1和P2之間的相互作用的影響仍然是模糊的。與標準的NRPS途徑相比，CDPS途徑仍未得到充分研究。

在本文中，通過基因組挖掘揭示了Streptomyces youssoufiensis OUC6819（以前稱為鏈黴菌屬物種CHQ-6422）中含有三基因CDPS的基因座（命名為dmt1）。同時對GenBank中鏈黴菌基因組的計算機分析揭示了另外兩個含有CDPS的基因座，證明其與來自鏈黴菌屬（Streptomyces sp.）的dmt1同源。 NRRL F-5123（命名為dmt2）和Streptomyces aidingensis CGMCC 4.5739（命名為dmt3）。如圖一是其基因同源比對結果。

而系統發育分析表明，這三種CDPS（命名為DmtB1-3）屬於NYH亞家族的cWX形成組。如圖二乃預測的蛋白質的功能。文章針對這三種蛋白做了大量的工作，預測其結構，誘變活性位點氨基酸以研究其催化機理和針對不同底物時的反應，具體內容請參考原文章(Yao, Liu et al. 2018)

原文章：Yao, T., et al. (2018). "Genome mining of cyclodipeptide synthases unravels unusual tRNA-dependent diketopiperazine-terpene biosynthetic machinery." Nat Commun 9(1): 4091.

Cyclodipeptide synthases (CDPSs) can catalyze the formation of two successive peptide bonds by hijacking aminoacyl-tRNAs from the ribosomal machinery resulting in diketopiperazines (DKPs). Here, three CDPS-containing loci (dmt1-3) are discovered by genome mining and comparative genome analysis of Streptomyces strains. Among them, CDPS DmtB1, encoded by the gene of dmt1 locus, can synthesize cyclo(L-Trp-L-Xaa) (with Xaa being Val, Pro, Leu, Ile, or Ala). Systematic mutagenesis experiments demonstrate the importance of the residues constituting substrate-binding pocket P1 for the incorporation of the second aa-tRNA in DmtB1. Characterization of dmt1-3 unravels that CDPS-dependent machinery is involved in CDPS-synthesized DKP formation followed by tailoring steps of prenylation and cyclization to afford terpenylated DKP compounds drimentines. A phytoene-synthase-like family prenyltransferase (DmtC1) and a membrane terpene cyclase (DmtA1) are required for drimentines biosynthesis. These results set the foundation for further increasing the natural diversity of complex DKP derivatives.

推薦閱讀：