抗生素的滥用导致了耐药菌的出现，对全球公共卫生安全构成了巨大挑战，寻找新的抗菌靶点、发现新的抑菌机制成为解决这一问题的迫切需求。生物素又被称为维生素B7，是一类含硫的脂肪酸衍生物，作为生物体内许多关键酶的辅因子，参与生物体内多种物质代谢，如脂肪酸代谢、糖代谢等。生物素是所有生命形式所必需的营养物质，近年来研究发现生物素代谢与致病菌的致病力密切相关，学术界广泛认同“生物素作为限制性/营养性毒力因子”这一科学假说。因此，生物素代谢途径中的关键酶是极具潜力的新型抗菌药物的靶标。
微生物从头合成生物素主要分为两个阶段，第一阶段为庚二酸单酰ACP（CoA）的合成，第二阶段为生物素双杂环的合成。与第一阶段相比，第二阶段较为保守，主要由BioF、BioA、BioD及BioB四个酶催化合成。到目前为止，研究发现第一阶段主要有三条途径：BioC-BioH途径、BioI-BioW途径以及BioZ途径。到目前为止，BioC-BioH途径和BioI-BioW途径研究得较为清楚。2019年，浙江大学医学院冯友军课题组和福建师范大学生命科学学院欧阳松应课题组合作在iScience上发表关于生物素合成基因BioJ的工作，加深了我们对BioC-BioH途径的认知。然而我们对BioZ途径如何合成庚二酸单酰ACP却依然知之甚少。
近日，欧阳松应课题组和冯友军课题组再次合作，在关于BioZ的生物素合成代谢途径研究中取得重大突破。该研究发表在Nature Communications杂志上，题为Biochemical and structural characterization of the BioZ enzyme engaged in bacterial biotin synthesis pathway。该论文报告了根癌农杆菌BioZ（AtBioZ）蛋白1.9 Å的晶体结构，并发现AtBioZ的结构与大肠杆菌（Escherichia coli）的β-酮酰基ACP合酶Ⅲ（FabH）的结构相似，两者的rmsd值为1.6 Å（如图1所示）。蛋白质的空间结构决定其功能，由此猜测BioZ与FabH可能具有相似的底物，或者相似的催化机理。
图1 BioZ与ACP聚合酶家族成员的结构
为了鉴定出BioZ的底物，作者在体外构建了脂肪酸合成体系。用不同碳链长度的CoA和丙二酸单酰ACP与BioZ反应。结果显示BioZ可以催化戊二酸单酰辅酶A和丙二酸单酰ACP生成5-酮基庚二酸单酰ACP。通过生物信息学分析，发现BioZ属于ACP聚合酶家族。这一类酶反应机制为乒乓反应，为了确定BioZ与两个底物结合的先后顺序，作者分别测定了BioZ与戊二酸单酰辅酶A和丙二酸单酰ACP的亲和力。结果显示BioZ与戊二酸单酰辅酶A亲和力较高。说明BioZ先催化戊二酸单酰辅酶A，进而再催化丙二酸单酰ACP形成5-酮基庚二酸单酰ACP（如图2所示）。
该研究采用了结构生物学、生物信息学、生物化学等手段揭示了BioZ的底物为戊二酸单酰辅酶A和丙二酸单酰ACP，并揭示了BioZ的催化机理。BioZ途径合成生物素虽然在20多年前就已经提出，但BioZ的底物一直不清楚，该研究填补了这一空白。BioJ和BioZ的研究工作不仅为绿色生产生物素提供新的思路，也为抗菌药物的研究提供新型靶点。
图2 微生物从头合成生物素途径
该工作福建师范大学为第一单位，由福建师范大学生命科学学院欧阳松应教授和浙江大学医学院冯友军教授为共同通讯作者，福建师范大学南方生物医学研究中心研究生张思韬以及生科院青年教师关洪鑫与合作者共同完成。本研究得到国家自然科学基金委、福建省科技厅、教育厅、财政厅及福建师范大学等经费的支持。
全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-22360-4