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微生物所陳義華研究組成功構建NAD+從頭合成的新途徑

作者: 發布時間:2021.03.02 文章來源:

  煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+,輔酶I,維生素B3的活性形式)是所有細胞都必須的基本生命分子之一。NAD+和其相應的還原形態NADH作為質子的受體或者供體參與各種氧化還原過程(如:糖酵解、檸檬酸循環、氧化磷酸化等)。另外,在細胞的生長、分化、調節等非氧化還原過程中,NAD作為反應底物參與核酸、蛋白質等大分子的修飾,(如:NAD+參與的DNARNA修飾、NAD+依賴的組蛋白去乙酰化、NAD+依賴的泛素化等)。NAD+由腺苷一磷酸(AMP)和煙酰胺單核苷酸(NMN)組成。在生物體內,NAD+的合成包括從頭合成途徑和利用煙酰胺類前體的補救合成途徑。現在已經發現了兩條NAD+的從頭合成途徑:天冬氨酸途徑(Pathway I和色氨酸-犬尿酸途徑Pathway II)。 

 

圖1  NAD+的人工合成途徑(C3N途徑)與自然界中NAD+的從頭合成途徑

 

  近日,中國科學院微生物研究所陳義華課題組在鏈霉菌次級代謝產物保羅霉素生物合成的啟發下,設計創建了從分支酸到NAD+的人工合成途徑—C3N途徑。在C3N途徑中,研究人員首先利用參與吩嗪類化合物(PhzEPhzD)和保羅霉素(Pau20)生物合成的酶與芳香族化合物降解酶(NbaC)完成了從分支酸到喹啉酸的轉化;進一步利用NAD+合成途徑中的后三步反應,實現了NAD+分子的合成。為了驗證這一途徑,研究人員將C3N途徑構建到NAD+從頭合成缺陷的大腸桿菌中,證明了C3N途徑可以獨立地高效合成NAD+,保障大腸桿菌的正常生長。 

  人工設計的C3N途徑突破了細胞固有的代謝網絡調控限制,還解除了NAD+與蛋白質合成間的耦聯。經過一系列優化后,在大腸桿菌中實現了極高水平的NAD(H)積累。隨后,研究人員以重要的藥物中間體2,5-二甲基吡嗪和手性胺的制備為例,證明了在高水平的NAD(H)底盤細胞中,NAD(H)依賴的氧化還原酶的反應效率得到了顯著提升,C3N途徑可以方便地應用于高值化合物的高效生產等領域。由于C3N途徑的前體分支酸廣泛分布于細菌、古菌、真菌和植物中,這一途徑在理論上具有廣泛的應用潛力。 

 

圖2   基于C3N途徑構建的高效NAD(H)依賴型細胞工廠示意圖

 

  人工設計的C3N途徑是利用合成生物學手段探索NAD+從頭合成問題的一個解答,不僅為研究NAD+這類重要分子合成的基礎科學問題提供了新思路,還將有力促進涉及NAD(H)的應用研究。該研究以“Construction of an alternative NAD+ de novo biosynthesis pathway”為題,202132日在線發表于Advanced Science。中國科學院微生物研究所陳義華組博士生丁勇和李心利為論文并列第一作者,陳義華研究員為論文通訊作者。加拿大勞里埃大學Horsman教授;微生物研究所陶勇研究員、吳邊研究員為該工作完成提供了重要的指導和幫助。研究工作得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金委杰出青年基金和面上項目的資助。 

  文章鏈接:https://doi.org/10.1002/advs.202004632 

    

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