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蛋白質的糖基化修飾普遍存在于真核生物細胞中。糖基化會影響蛋白質正確折疊、分泌、亞基的聚合和信號轉導等，從而在很多生物過程中發揮重要作用。然而，目前關于糖基化對生物合成酶催化功能的影響還不清楚。

在這項研究中，作者首次揭示了糖基化對天然產物生物合成酶催化活性的分子調控機制。該論文報道了糖基化蛋白EupfF及其同源蛋白PycR1分別催化串聯[4+2]環化反應，參與強效抗腫瘤天然產物eupenifeldin和pycnidione的生物合成。這兩個分子是分別由制藥公司百時美施寶和默克從真菌中發現的納摩爾級抗腫瘤天然產物，因其復雜的化學結構和連續的手性中心，使其化學全合成一直未被攻破。在前期工作中，研究團隊利用大腸桿菌表達的非糖基化蛋白EupF實現了eupenifeldin生源前體neosetophomone B的生物合成（JACS, 2019）。但是該非糖基化蛋白僅能實現單次[4+2]環化反應，且催化效率較低，始終無法合成結構更復雜的eupenifeldin及其類似物。為了解決這一問題，研究團隊利用真核表達系統實現了EupfF及同源蛋白PycR1的異源表達，并通過生物信息學分析、底物飼喂、綠色熒光蛋白標記亞細胞定位、蛋白質譜、過典酸雪夫染色和體外生化實驗等，確定了EupfF和PycR1是糖基化修飾的蛋白，并且呈現鈣離子依賴性。它們均可催化罕見的串聯[4+2]環化反應。為了研究糖基化對蛋白催化功能的影響，研究團隊通過高分辨的蛋白-底物復合物晶體結構、量子力學計算模擬以及點突變實驗確定了酶的完整催化機理，并發現糖基化調控酶催化活性的新機制。具體而言，糖基化顯著提升蛋白對催化中心鈣離子的親和性，而鈣離子既有催化作用又有重要的結構性作用，二者協同調控酶的催化中心，極大提高酶的催化效率。同時，利用真核異源表達系統實現了eupenifeldin和pycnidione的生物合成，為這兩個資源有限的活性分子的成藥性研究提供了物質保障。

該研究揭示了翻譯后修飾對生物合成酶催化功能的顯著影響。發現糖基化修飾的生物合成酶不但易于分泌，而且具有更強更完整的催化功能，這為生物合成酶的設計與改造提供了新的思路；而串聯4+2環化酶的發現和催化機制的闡明為復雜藥用天然產物的酶法合成帶來新的啟示。

藥物所胡友財研究員、深圳先進院周佳海研究員和加州大學洛杉磯分校K N. HouK教授為本論文的共同通訊作者。藥物所已畢業博士生劉家旺（入選2022年協和青年學者支持計劃）、助理研究員張晨，上海有機所博士生陸佳燕和UCLA博士生周青揚為共同第一作者。該工作獲得國家杰出青年科學基金（No. 82225042），中國醫學科學院醫學與健康科技創新工程（CIFMS, No. 2021-I2M-1-029），中國醫學科學院基本科研業務費（No. 2022-RC350-05）等項目資助。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41557-023-01260-8