海洋所破解免疫抑制劑霉酚酸生物合成機制
近日,中國科學(xué)院海洋研究所海洋生物制造團隊在真菌源免疫抑制劑霉酚酸(Mycophenolic acid, MPA)的生物合成機制研究中取得重大突破,破解了百年天然產(chǎn)物生物合成之謎,為高效生物制造提供新策略。該研究首次系統(tǒng)解析了MPA生物合成中類β-氧化途徑的多酶級聯(lián)過程,揭開了這一具有百余年歷史的天然產(chǎn)物在合成途徑上的最后謎團,為通過代謝工程提升藥物產(chǎn)量提供了全新理論和技術(shù)支撐。相關(guān)成果已發(fā)表于Advanced Science。
霉酚酸于1893年被首次分離并結(jié)晶,是歷史上第一個被發(fā)現(xiàn)的抗生素,具有里程碑式的天然產(chǎn)物地位。作為免疫抑制劑藥物嗎替麥考酚酯和麥考酚鈉的活性成分,MPA被廣泛用于器官移植和自身免疫性疾病的臨床治療。盡管其歷史意義重大,但一個多世紀以來,MPA的生物合成遺傳機制與酶催化基礎(chǔ)一直未被完全闡明。
經(jīng)過12年的系統(tǒng)研究,團隊從一株短密青霉NRRL864(Pb864)中成功捕獲了MPA生物合成基因簇(ChemBioChem. 2015),并綜合運用基因敲除、異源表達、前體飼喂、體外酶活驗證與亞細胞定位等多項技術(shù),在國際上首次完整解析出MPA的生物合成途徑,揭示其獨特的“合成-降解耦合”機制及多細胞區(qū)室協(xié)同參與過程(PNAS. 2019),并先后解析了關(guān)鍵酶MpaH'(酰基輔酶A水解酶)和MpaG'(O-甲基轉(zhuǎn)移酶)的晶體結(jié)構(gòu)(FEBSJ. 2021; Protein Sci. 2024)。
本研究首次系統(tǒng)闡釋了位于過氧化物酶體內(nèi)的類β-氧化酶催化級聯(lián)反應(yīng),該反應(yīng)通過連續(xù)的氧化、脫水、還原、異構(gòu)和逆克萊森縮合等步驟,完成兩次側(cè)鏈縮短循環(huán),最終生成霉酚酸(圖1)。研究新鑒定出多個?;o酶A連接酶,其中PbACL75顯示更高的催化效率與底物寬泛性,顯著優(yōu)化了合成途徑中的代謝流強度。進一步通過啟動子工程對關(guān)鍵基因(包括過氧化物酶體限速酶PbACOX323、過氧化物酶體生因子PbPex337及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位氧化酶MpaB')進行整合過表達,成功將霉酚酸產(chǎn)量從0.77 g/L提升至1.15 g/L,增幅近50%,充分展示了β-氧化途徑工程在天然產(chǎn)物產(chǎn)量提升中的巨大潛力。

霉酚酸的完整區(qū)室化生物合成(圖源自Advanced Science)
該研究不僅揭示自然界將經(jīng)典的降解代謝β-氧化途徑重編程以用于高值次級代謝產(chǎn)物合成的進化創(chuàng)新機制,也為通過區(qū)室化工程優(yōu)化天然產(chǎn)物的生物合成系統(tǒng)提供了理論依據(jù)與工程藍圖。
中國科學(xué)院海洋研究所張偉研究員和山東大學(xué)微生物技術(shù)研究院李盛英教授為論文共同通訊作者,博士生范保強為第一作者。研究獲得了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、山東省自然科學(xué)基金和深圳市基礎(chǔ)研究計劃等項目的支持。
論文信息:
B. Fan, Y. Liu, L. Chi, C. Yang, S. Li*, and W. Zhang*, Enhancing the β-Oxidation-Like Pathway for the Optimal Production of the Immunosuppressant Mycophenolic Acid.Adv. Sci. (2025): e08826.
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