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化学生物学与酶学研究组

研究组长:肖友利,研究员

个人网页http://sippe.ac.cn/ylxiao/index.html

主要研究方向及内容:
课题组主要从事生物学与化学方面的交叉学科研究,旨在利用化学生物学的策略探索蛋白质与化学小分子或者代谢物的相互作用,以及天然产物转化 (分解和合成)的代谢途径和分子酶学反应机制。主要课题研究方向包括:(1)基于多组学方法的天然产物合成生物学研究;(2)酶催化反应机制研究;(3)活性天然产物等小分子的化学蛋白质组学研究。

研究队伍:
工作人员:周怡青(副研究员)、吴世文(助理研究员)、李伟超(助理研究员)
博士后:Amit Jaisi
研究生:雷永兴、平羽、徐宝福、尤文静、杨盟权、范震、李国强、董尚志、魏文苹、陈鑫
联合培养生:王强(上海师范大学)、史勤洁(华东理工大学)、季园园(华东理工大学)、郑妍(河南大学)、梁宇琛(河南大学)

年度研究进展:

(1)蛇足石杉中哌啶甲酸的生物合成机制研究
中国传统草药千层塔(蛇足石杉)是含有最丰富种类石松类生物碱的典型植物,以石杉碱甲为代表的该类生物碱具有丰富的生物活性,是乙酰胆碱酯酶的有效抑制剂,临床上用于预防和治疗治疗阿尔兹海默症(认知障碍症)。石松类生物碱分子骨架中含有标志性的六元氮杂环-哌啶环,解析该类分子模块的形成机制是突破石松类生物碱复杂骨架生物合成的关键。虽然哌啶环的生物合成在原核链霉菌中有详细报道单个酶负责完成,在真菌及动植物中也推测需要两步酶反应,但是相应的分子机制仍不清晰。通过整合分析转录组与代谢组数据,我们鉴定了两个可能参与哌啶甲酸的合成基因,HsAld1和HsSard4. 通过一系列的生物化学实验表明,HsAld1首先将L-赖氨酸的α位氨基转移给丙酮酸,生成L-丙氨酸和KAC(?-amino-α-ketocaproic acid),KAC会自发缩合形成席夫碱型的酮胺1,2-DP(1,2-dehydropipecolic acid),1,2-DP在水相中又可以进一步异构化为烯胺2,3-DP。之前曾有报道拟南芥中还原酶Sard4会以2,3-DP为直接生理底物,还原生成Pip。然而,本研究发现,HsSard4特异性的选择1,2-DP为底物还原生成Pip,并且高立体选择性的引入手性合成天然的“L”型。此外,作者通过细致的氢氘交换实验,证明了可能的几个中间体(KAC,1,2-DP和2,3-DP)在生理条件下以动态平衡相互转化形式的存在。相关工作已在Organic Letters发表。


图1. 蛇足石杉中哌啶环形成机制(推测)
Fig. 1. Proposed mechanism of piperidine ring formation catalyzed by HsAld1 and HsSard4

(2)活性分子探针导向的定量化学蛋白质组学策略解析植物天然产物的生物合成途径
植物天然产物经过长期的分子进化,以其多样独特的分子结构,在生命活动中扮演着重要的角色,不仅在其宿主内源中发挥着信号传导、营养、抗逆和防御等生理作用,而且在异源也具有各种药理活性,是药物研发的重要来源。但是一些具有生物活性的植物次生代谢产物(特殊营养成分)往往在植物中含量极少;而且生物合成途径的缺失,极大阻碍了这些重要活性化合物通过现代合成生物学的方法进行规模化的生物制造。不同于原核天然产物合成基因的成簇形式,植物天然产物合成途径相关的基因元件相对离散性的分布在植物染色体上,极大地限制了利用基因敲除和突变的传统策略进行植物天然产物合同途径解析的效率。而随着高通量新一代测序技术的高速发展,植物基因组和转录组数据得到快速富集,远远超出天然产物合成途径相关功能基因组的解析速度。
针对这一不对等的数据信息积累和发展,为获得植物天然产物的合成途径高效解析和新元件挖掘,肖友利研究组致力于发展功能分子探针进行合成途径相关蛋白酶和代谢物解析的新策略。作为一个案例初探,该课题组李伟超博士、周怡青副研究员、尤文静和杨盟权同学等首先利用活性分子探针导向的定量化学蛋白质组学策略,以二萜贝壳杉稀骨架衍生的甜菊醇(steviol)为基本结构设计化学小分子探针,分别实现在非模式植物的富产甜菊糖苷同源宿主(甜叶菊)和不产该类化合物异源(拟南芥)模式植物的活性蛋白质组中简单快捷的标记目标作用蛋白,从与甜菊醇骨架结合的蛋白中筛选具有特定催化活性的糖基转移酶。同时他们还基于非模式植物的转录组数据构建了蛋白质组数据库,从而依托成熟的质谱技术解析蛋白质序列,高通量获取甜菊糖苷生物合成途径中的多种转糖酶元件。该研究发现,甜叶菊来源的UGT73E1、UGT76G3和拟南芥来源的UGT73C1等糖基转移酶可以作为潜在的生物合成元件获得新颖的代谢产物。进一步利用光亲和探针标记技术,他们还成功解析了各转糖酶的底物结合位点,结合分子对接模拟计算对二萜化合物的糖基转移酶的底物专一性识别机制进行了解析。同时基于分子探针的设计,通过先活性反应对代谢合成物富集然后解离代谢组分析的策略获得关键代谢相关信息。以上两方面相关功能蛋白酶和代谢物的解析信息实现了合成途径的成功绘制。综上,肖友利研究组通过以贝壳杉烯骨架糖苷类化合物为模型的植物次生代谢产物糖基化研究,建立了研究植物天然产物生物合成途径解析和元件挖掘的通用模型。


图2. 活性分子探针导向的定量化学蛋白质组学策略解析(A)甜叶菊和(B)拟南芥中天然产物的生物合成途径。
Fig. 2. Application of affinity-based quantitative chemical proteomic strategy in plant (A: Stevia; B: Arabidopsis thaliana) natural products biosynthesis enzyme discocory.

年度代表性论文:

  1. Dorothea Droll#, Guiying Wei#, Gangqiang Guo, Yanting Fan, Sebastian Baumgarten, Yiqing Zhou, Youli Xiao, Artur Scherf*, Qingfeng Zhang*. Disruption of the RNA exosome reveals the hidden face of the malaria parasite transcriptome. RNA Biology. 2018. 15(9):1206-1214.
  2. Scott C. Farrow, Mohamed O. Kamileen, Jessica Meades, Belinda Ameyaw, Youli Xiao, Sarah E O’Connor*. Cytochrome P450 and O-methyltransferase catalyze the final steps in the biosynthesis of the anti-addictive alkaloid ibogaine from Tabernanthe iboga. Journal Biol Chemi. 2018. 293(36):13821-13833.
  3. 吴世文#, 杨盟权#, 肖友利* (Shiwen Wu#, Mengquan Yang#, Youli Xiao*). 单萜吲哚生物碱的合成生物学研究进展(Synthetic Biology Studies of Monoterpene Indole Alkaloids). 有机化学(Chinese Journal of Organic Chemistry). 2018. 38, 2249-2258.
  4. Weichao Li, Yiqing Zhou, Guanghui Tang, Nai-Kei Wong, Mengquan Yang, Dan Tan and Youli Xiao*. Chemoproteomics Reveals the Antiproliferative Potential of Parkinson's Disease Kinase Inhibitor LRRK2-IN-1 by Targeting PCNA Protein. Molecular pharmaceutics, 2018, 15, 3252-3259.
  5. Chengshuai Yang#, Weichao Li#, Chen Li#, Zhihua Zhou*, Youli Xiao*, Xing Yan*. Metabolism of ganoderic acids by a Ganoderma lucidum cytochrome P450 and the 3-keto sterol reductase ERG27 from yeast. Phytochemistry, 2018, 155, 83-92.
  6. Feifei Qi#, Chao Lei#, Fengwei Li, Xingwang Zhang, Jin Wang, Wei Zhang, Zhen Fan, Weichao Li, Gong-Li Tang, Youli Xiao*, Guoping Zhao, Shengying Li*. Deciphering the late steps of rifamycin biosynthesis. Nature Communications. 2018, 9, 2342.
  7. Yiqing Zhou, Weichao Li, Wenjing You, Zhengao Di, Mingli Wang, Haiyan Zhou, Shuguang Yuan, Nai-Kei Wong, Youli Xiao*. Discovery of Arabidopsis UGT73C1 as a steviol-catalyzing UDP-glycosyltransferase with chemical probes. Chem Commun. 2018, 54, 7179-7182.
  8. Weichao Li#, Yiqing Zhou#, Wenjing You#, Mengquan Yang, Yanrong Ma, Mingli Wang, Yong Wang, Shuguang Yuan, Youli Xiao*. Development of Photoaffinity Probe for the Discovery of Steviol Glycosides Biosynthesis Pathway in Stevia rebuadiana and Rapid Substrate Screening. ACS Chem Biol. 2018, 13, 1944-1949.
  9. Baofu Xu, Zhen Fan, Yongxing Lei, Yu Ping, Amit Jaisi, Youli Xiao*. Insights into Pipecolic Acid Biosynthesis in Huperzia serrata. Organic Letters. 2018, 20, 2195-2198.
  10. 周怡青, 肖友利* (Yiqing Zhou, Youli Xiao*). 活性天然产物靶标蛋白的鉴定(Target Identification of Bioactive Natural Products). 化学学报(Acta Chimica Sinica). 2018, 76, 177-189.
  11. Shiwen Wu, Zhen Fan, Youli Xiao*. Comprehensive relative quantitative metabolomics analysis of lycopodium alkaloids in different tissues of Huperzia serrata. Synthetic and Systems Biotechnology. 2018, 3, 44-55.
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