冯友军课题组Nat Commun发文在生物素代谢研究中取得新进展

浙江大学基础医学院

2021年4月6日，浙江大学基础医学院冯友军课题组与福建师范大学欧阳松应教授合作，在细菌脂肪酸C7衍生物--生物素的合成机制方面取得了新进展，在Nat Commun杂志发表题为“Biochemical and structural characterization of the BioZ enzyme engaged in bacterial biotin synthesis pathway”的研究长文。

生物素(维生素H或辅酶R)，结构上属于一类具有7个碳原子骨架的含硫脂肪酸衍生物。在生物体内，生物素多以蛋白修饰的形式存在，参与糖、蛋白质和脂肪酸在内的系列重要代谢过程。从能量消耗的角度而言，生物素亦是一类高耗能的生物小分子，因此其合成途径通常受到精密的调控。这一点，在分枝杆菌的研究中得到了证实。该课题组揭示了BioQ执行蛋白所负责的生物素感应机制（MM,2014a & MM,2018）。通常而言，只有植物、真菌和一些细菌(包括病原细菌)具备生物素的合成能力，而哺乳动物在进化中丧失了该能力，只能依赖肠道菌群的从头合成或从食物中摄取该微营养因子。鉴于病原细菌的生物素代谢过程对其致病机制至关重要，近年来“生物素作为限制性/营养性毒力因子”这一科学假说得到了学术界的广泛认同。在结核分枝杆菌领域，生物素代谢已被发展为一个潜在的抗TB靶标。因此，生物素代谢的机制研究，将为缓解当下“病原菌的多重耐药/泛耐药”的这一严峻形势提供独特视角/解决方案(图1)。

图1: 生物素代谢与细菌毒力

细菌的生物素代谢途径可划分为三个步骤/阶段：转运/吸收、从头合成与利用(图1)。在上亿年的进化过程中，微生物世界的生物素合成能力/方式表现出一定的分化态势。生物素合成的晚期步骤相对保守，皆由BioF/BioA/BioD/BioB这4个酶依次催化完成。然而，不同细菌在生物素合成过程中，其执行早期步骤的酶系却表现出一定的差异性/多样性。以大肠杆菌为例，生物素从头合成系采用“BioC-BioH”途径合成其“庚二酸单酰-ACP”前体分子。在芽孢杆菌中，则进化了完全不一样的“BioI-BioW”途径用于生成“庚二酸单酰-辅酶A”这一前体分子(图1)。此外，不同细菌亦可能编码BioH的同工酶。冯友军课题组曾率先报了弗朗西斯细菌BioJ系BioH的同工酶，并与细菌成功定植密切相关（MM,2014b）。该课题组还发现弗朗西斯细菌的2个生物素连接酶Bpl & BirA的分工不同：BirA 仅参与生物素的合成控制调节，而Bpl负责生物素化修饰并参与细菌的致病机制（MM,2015）。通过与欧阳松应教授合作，课题组进一步阐明了BioJ去甲基化酶的分子与生化基础（iScience,2019）。

图2: 变形菌属BioBFDA/Z生物素合成基因簇的功能表征

a. BioBFDA的基因环境；b-d. Bio基因簇与生物素合成相关

在对布鲁氏菌/农杆菌为代表的α-变形细菌的代谢研究中，冯友军博士曾率先阐明了一套独特的生物素感应机制，即“BirA-BioR”二元系统(MM,2013 & JB,2013)。α-变形细菌尽管具有生物素合成能力，但其基因组既不携带“BioC-BioH”途径，也不编码“BioI-BioW”通路。部分变形细菌却进化了一个独特的BioBFDA/Z基因簇（图2），且该基因簇受到“BirA-BioR”二元系统的负调控。其中，BioZ乃归属于β-酮酰基-ACP缩合酶家族。这提示BioZ很可能代表了一类以前未知的“生物素前体分子庚二酸合成机制”。通过系统进化分析，指出了BioZ系源自于脂肪酸合成酶大家族的FabH分支；利用结构生物学手段获得了其高分辨率的晶体结构（图3），并探明了BioZ酶活性功能域/底物结合口袋的结构基础；整合生物化学与化学生物学等研究手段，阐明了BioZ直接缩合戊二酸-辅酶A与丙二酸单酰-ACP这2种底物，生成5-酮基-庚二酸单酰-ACP的酶学催化机制。该底物分子通过一轮FASII脂肪酸循环转变成较为稳定的庚二酸单酰-ACP，进而进入生物素的晚期合成途径（图3）。

图3：BioZ代表了生物素合成的第三类机制

a. BioZ生物素合成途径的工作模型; b. BioZ的晶体结构；c.生物素合成前体分子庚二酸单酰ACP的结构示意图

值得注意的是，该研究提出了BioZ这一缩合酶进化了3个独特的功能性氨基酸残基（S84,R147&S287），并推测其主要负责中和戊二酸辅酶A这一非寻常底物分子的自由极性羧基（图4）。同期，美国Cronan教授研究组通过大量遗传学研究亦夯实了BioZ参与构成生物素合成通路，同时指出了戊二酸-辅酶A生理上源自于细菌的赖氨酸水解过程。这2项在Nat Commun发表的独立研究不仅回答了BioZ为何可以规避/取代经典的生物素合成的前期步骤，而且代表了第三类“生物素前体庚二酸分子的合成途径”。