近日，植物保护学院周立刚/赖道万团队在《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）在线发表了题为《Palmarumycin螺二萘生物合成的阐明揭示一系列未被发现的氧化还原酶》（Elucidation of palmarumycin spirobisnaphthalene biosynthesis reveals a set of previously unrecognized oxidases and reductases）的研究论文。该研究首次揭示了具有广泛生物活性的Palmarumycin螺二萘的生物合成途径，阐明了四个新颖的氧化还原酶的作用机制，为活性螺二萘的生物合成、绿色制造奠定了基础。

螺二萘（Spirobisnaphthalene）是一类由两分子1, 8-二羟基萘（DHN）通过螺缩酮键连接而成的、高度氧化的天然产物。自1989年发现首个螺二萘以来，至今已有超过170个结构被发现。该类化合物具有复杂而独特的结构，并具有抗真菌、抗细菌、杀幼、细胞毒、抗肿瘤等多种生物活性。关于螺二萘的化学全合成已有较多研究，但其生物合成机制尚未被揭示。

团队前期从内生真菌Berkleasmium sp. Dzf12中分离鉴定了25个螺二萘类化合物，其中包括具有抗真菌、抗细菌、杀幼活性的Palmarumycin C12、Palmarumycin B6等（Shan et al., 2014, J. Nat. Prod.）。从分子生物学水平来阐明螺二萘的生物合成，将有助于螺二萘活性物质的挖掘、开发与利用。

该研究首先基于全基因组测序及转录组分析，结合基因敲除、米曲霉异源重构生物合成途径等手段，从Berkleasmium sp. Dzf12中鉴定到参与螺二萘生物合成的、位于不同染色体上的2个生物合成基因簇（BGC），分别为DHN BGC及pal BGC（图1）。

图1 参与Palmarumycin螺二萘生物合成的基因簇及其功能

对于DHN如何二聚化形成螺缩酮键这一关键步骤，研究人员通过关键中间体的化学合成、细胞色素P450酶PalA的蛋白表达以及体外反应，揭示了一个特殊的、多功能P450酶PalA负责催化螺缩酮键的形成，阐明了PalA先催化两分子DHN形成二萘醚中间体19，再经过连续的氧化产生螺二萘Palmarumycin C2的过程（图2A-B）。进一步，通过蛋白结构预测、分子对接及点突变实验，揭示了PalA的关键活性位点（图2C-D）。

图2 P450酶PalA的功能验证。（A）PalA与不同底物的体外反应；（B）二萘醚中间体19的化学合成；（C）预测的PalA的蛋白结构；（D）PalA及其点突变蛋白的催化活性测定。

此外，该研究将参与Palmarumycin生物合成的其他氧化还原酶（PalB~PalD）在米曲霉及酵母中进行异源表达，并开展了不同螺二萘的底物饲喂实验。研究结果揭示了Palmarumycin螺二萘的复杂生物合成途径（图3）；阐明了P450酶PalB催化萘环C-5位的羟基化；短链脱氢酶/还原酶PalC催化C-1酮基还原及其可逆的1-脱氢氧化、2,3-环氧键还原；FAD依赖的氧化酶PalD催化1-羟基氧化为1-酮基。

图3 Palmarumycin螺二萘的复杂生物合成途径

中国农业大学植物保护学院在读博士研究生赵思霁为论文第一作者，赖道万副教授为通讯作者，已毕业硕士研究生申振、在读博士研究生翟梓琪、尹儒雅及博士后徐丹参与了这项研究。中国农业大学理学院王明安教授、植物保护学院周立刚教授、彭友良教授、王琦教授对该研究给予了大力支持。该研究得到了国家自然科学基金（No. 31872623, 31071710）的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202401979