近日，唐啸宇课题组在国际综合期刊Advanced Science （中科院一区TOP期刊）发表了题为“Unveiling a CAAX protease-like protein involved in didemnin drug maturation and secretion”的最新研究论文，该研究解析了著名海洋天然药物膜海鞘素（didemnin）前药合成、运输、释放机制。膜海鞘素在生物合成和运输过程中首先通过脂酰化将前药化合物运输到胞外，然后再通过和去脂酰化的方式将成熟的活性环肽释放到胞外（图1）。这一发现不仅拓宽了我们对非核糖体肽类天然产物组装后激活机制的进一步认识，而且还揭示了 CAAX 家族水解酶的一类新功能。


脂酰化是一类重要的蛋白翻译后修饰方式，在这一过程中脂质基团被共价附加到蛋白质上，显著增加了蛋白质的亲疏水性，导致其构象、稳定性、与膜的结合、定位、运输和与辅因子的结合亲和性发生改变。除了蛋白质能被脂酰化以外，在许多小分子天然产物也发现具有脂酰化修饰的特征。脂酰化修饰赋予天然产物穿越生物膜的能力，这些分子往往通过主动或被动地输送到生物膜外，在细胞外发挥生物活性作用。在小分子药物开发过程中，脂酰化修饰往往被用来微调候选药物的药代动力学和/或药效学特性。深圳湾实验室化学生物学研究所唐啸宇课题组长期致力于微生物天然产物脂酰化修饰在生物互作中作用和功能的研究。在前期的研究中，课题组发现致龋齿变异链球菌可以通过产生一类脂酰化的tetramate小分子抑制口腔中的正常菌群的生长，从而获得优势生态位（ACS Infect. Dis. 6 (4), 563-571, 2020）。在另一项研究中，中科院微生物所陈义华课题组发现去脂酰化tetramates可能具有帮助变异链球菌抵抗宿主的免疫攻击的生物功能（Nat. Commun. 10, 3665, 2019），随后他们还发现这类化合物可以抑制口腔假丝酵母的菌丝体生长（Virulence 13, 542-557, 2022）。随后两个课题组合作，共同发现变异链球菌可以通过一个定位在细胞膜上的去脂酰化蛋白将脂酰化的tetramate去脂酰化，这一机制也被许多人体微生物（特别是口腔微生物）习得，推测可能是公司细菌为应对脂酰化tetramates生长环境产生的一种环境适应机制（Microbiome 11 (1), 1-16, 2023）。在另外一项研究中，唐啸宇课题组与合作者从生殖道和肠道来源的细菌中发现了一类具有产生具有免疫调节活性的脂质类分子Sulfonolipids （ACS Chem. Biol. 17 (5), 1197-1206, 2022），该类天然分子由capnine（报道可抑制人体抗菌肽合成）通过脂酰化衍生获得，目前这类天然分子可能具有调节人体肠道免疫的功能，但是具体的生物功能还未被揭示。

近日，唐啸宇课题组在国际综合期刊Advanced Science （中科院一区TOP期刊）发表了题为“Unveiling a CAAX protease-like protein involved in didemnin drug maturation and secretion”的最新研究论文，该研究解析了著名海洋天然药物膜海鞘素（didemnin）前药合成、运输、释放机制。膜海鞘素在生物合成和运输过程中首先通过脂酰化将前药化合物运输到胞外，然后再通过和去脂酰化的方式将成熟的活性环肽释放到胞外（图1）。这一发现不仅拓宽了我们对非核糖体肽类天然产物组装后激活机制的进一步认识，而且还揭示了 CAAX 家族水解酶的一类新功能。



图1 膜海鞘素前药合成、运输、释放机制

作者首先通过体内遗传操作和体外生化重组手段开展研究，确定了非核糖体肽合成酶DidA在装配线中负责对膜海鞘素的N端进行脂酰聚谷氨酰胺化修饰。随后，作者成功表征了一个新的CAAX 蛋白家族的膜蛋白水解酶，并命名为 DidK。该酶负责将N-脂酰聚谷氨酰胺化的前药分子膜海鞘素X水解成为具有活性的膜海鞘素B分子。通过可视化质谱（图2），作者在平板上观察到这一水解过程在膜海鞘素向胞外运输中不可或缺。鉴于 DidK 同源蛋白与其他未知的非核糖体肽合成酶成簇存在于其他细菌基因组中，作者预测这类前药释放机制可应用于基因组挖掘方法的设计，以发现采用类似策略生物合成的活性天然产物。



图2 可视化质谱捕捉膜海鞘素前药合成、运输、释放过程

本研究得到国家自然科学基金面上项目、深圳湾实验室和深圳市科创委项目的大力支持。深圳湾实验室和香港大学联合培养的博士生邹小林和博士生惠真（深圳湾实验室和香港科技大学联合培养）为本文共同第一作者，深圳湾实验室化学生物学研究所唐啸宇特聘研究员为本文通讯作者。本研究得到了深圳先进技术研究院的周佳海团队和加州大学Laura Sanchez团队和Bradley Moore教授的大力支持。


原文信息：

Unveiling a CAAX Protease-Like Protein Involved in Didemnin Drug Maturation and Secretion