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中国科学院微生物研究所刘宏伟研究员团队阐明抗老年痴呆猴头菇二萜生物合成网络，构建“非天然”活性二萜工

2021-10-21作者：来源：中国科学院微生物研究所责任编辑：食品界字体A+AA-

鸟巢烷型二萜化合物具有独特的5-6-7三环骨架的物质，这类物质具有广泛的生物学活性，包括抗病毒、抗炎、肿瘤细胞毒活性等，其中最为引人关注的是这类物质的神经营养作用。鸟巢烷型二萜在自然界中仅发现于少数几个属的大型真菌中，包括猴头菌属Hericium、鸟巢菌属Cyathus、肉齿菌属Sarcodon等。发现于猴头菌中的erinacine A被证明可以抑制ROS介导的神经炎症、激活神经生存的信号通路、促进神经生长因子的合成和神经细胞突触的生长。鸟巢烷型二萜有望开发成为治疗神经退行性疾病的新型药物。然而鸟巢烷二萜的获取阻碍了针对这类分子的深入成药性评价，合成生物学的发展为其大规模制备提供了可能性。

中国科学院微生物研究所刘宏伟研究团队长期致力于活性鸟巢烷二萜的发现，活性机制和生物合成研究，相关研究成果发表在Angew. Chem. Int. Ed.、J. Biol. Chem.、Eur. J. Med. Chem.、J. Antibio.、Food Chem等刊物。在揭示了鸟巢烷二萜生物合成基因簇及鸟巢烷二萜环化酶EriG的功能的基础上，本文实现了在酿酒酵母中重新构筑鸟巢烷二萜的生物合成途径，完成了22个不同结构鸟巢烷二萜的产生菌株构建，产率最高可达112.1 mg/L；以同源基因簇的对比分析为线索，发现并阐明了三个簇外相关基因（eriM、eriO和eriP）的功能；揭示了由FAD依赖的氧化酶EriM催化形成烯丙醛的过程，烯丙醛的形成触发串联迈克尔加成-消除反应进而形成了具有显著神经营养活性的分子erinacine A。随后还原酶EriB作用于自发反应中间体erinacine B而形成还原产物erinacine C。

同时，基于糖基转移酶EriJ、脱氢酶EriH和FAD依赖的氧化酶EriM的底物杂泛性，设计构建了产生新结构“非天然”类似物的菌株。新结构物质也展现出对PC12细胞的神经营养活性，这些新结构物质的发现也将为构效关系分析提供物质基础，为新药开发提供了先导分子。

上述研究成果已于2021年9月在药学一区TOP期刊Acta Pharmaceutica Sinica B上发表，题目为《Reconstitution of biosynthetic pathway for mushroom-derived cyathane diterpenes in yeast and generation of new “non-natural” analogues》，中国科学院微生物研究所真菌学国家重点实验室博士生马柯（现北京大学博士后）为该论文的第一作者，刘宏伟研究员为该论文的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划课题等项目的经费支持。

摘要原文

Reconstitution of biosynthetic pathway for mushroom-derived cyathane diterpenes in yeast and generation of new “non-natural” analogues

Ke Ma, Yuting Zhang, Cui Guo, Yanlong Yang, Junjie Han, Bo Yu, Wenbing Yin, Hongwei Liu

Abstract
Mushroom-derived cyathane-type diterpenes possess unusual chemical skeleton and diverse bioactivities. To efficiently supply bioactive cyathanes for deep studies and explore their structural diversity, de novo synthesis of cyathane diterpenes in a geranylgeranyl pyrophosphate engineered Saccharomyces cerevisiae is investigated. Aided by homologous analyses, one new unclustered FAD-dependent oxidase EriM accounting for the formation of allyl aldehyde and three new NADP(H)-dependent reductases in the biosynthesis of cyathanes are identified and elucidated. By combinatorial biosynthetic strategy, S. cerevisiae strains generating twenty-two cyathane-type diterpenes, including seven “unnatural” cyathane xylosides (12, 13, 14a, 14b, 19, 20, and 22) are established. Compounds 12–14, 19, and 20 show significant neurotrophic effects on PC12 cells in the dose of 6.3–25.0 μmol/L. These studies provide new insights into the divergent biosynthesis of mushroom-originated cyathanes and a straightforward approach to produce bioactive cyathane-type diterpenes.