科研工作者发现参与土壤微生物C-糖苷代谢的糖苷3-氧化酶的机理

科研工作者发现参与土壤微生物C-糖苷代谢的糖苷3-氧化酶的机理

近日，科学家们对C-糖苷的生物转化与分解代谢过程有了新的发现，这一成果对于更好地理解自然界中顽固性C-糖苷的降解过程，以及为制药、农业和食品工业提供新的应用前景具有重大意义。
C-糖苷代表了一大类天然产物，其中葡萄糖的异构碳通过碳-碳键直接连接到苷元部分。这些化合物是由植物和微生物产生的次生代谢产物，具有很大的结构多样性、广泛的天然分布和显着的生物活性。其中，葛根苷（黄豆苷元8-C-β-D-葡萄糖苷）等几种C-糖苷类药物已成为临床药物的前体，并且生物技术策略已经优化，可通过异源表达系统大规模生产植物C-糖苷。
然而，C-糖苷的化学和酶处理的稳定性极高，因此，其生物转化与分解代谢过程一直被认为是非常困难的问题。过去十年中，科学家们已经确定了将C-糖苷生物转化为具有有益健康影响的糖苷元的肠道微生物群。然而，最近的研究发现，自然界中普遍存在C-C键断裂反应的过程。与其他糖苷相比，C-糖苷对化学和酶处理的稳定性要高得多。正因为如此，C-糖苷不会被糖苷水解酶（即所谓的糖苷酶）去糖基化。相反，它们的微生物分解代谢途径包括催化氧化步骤的酶，然后是C-C键断裂。
来自土壤细菌的G3Ox，例如Microbacterium sp. 5-2b CarA、Arthrobacter globiformis NBRC12137 AgCarA和Microbacterium trichothecenolyticum NBRC15077 MtCarA不表现出可检测的葡萄糖活性，而是在C6处氧化C-糖苷，如胭脂酸、芒果苷和C3-糖基化类黄酮，以及O-糖苷，但速率显着降低，形成相应的3-酮糖苷。在来自犬链霉菌的细菌ScP2Ox中观察到类似的底物偏好，与单糖相比，其对C-糖苷葛根素氧化的酶活性高100至1000倍。
这一研究发现了一种新的氧化糖部分C3的C-糖苷-3-氧化酶的初始氧化步骤是由肠道微生物中的NAD（H）厌氧氧化还原酶催化的。后一种酶与吡喃糖氧化酶（POx，吡喃糖：氧60-氧化还原酶；EC 2.1.1.3）来自葡萄糖-甲醇-胆碱（GMC）酶超家族。来自POx家族的FAD依赖性G3Oxs是在C2位置氧化葡萄糖的酶的祖先，即吡喃糖2-氧化酶（P2Oxs）。真菌P2Oxs很可能是通过细菌的水平基因转移获得的，并且可能随着时间的推移而进化和特化，以氧化木质纤维素衍生的糖，如d-葡萄糖、d-木糖或D-半乳糖。真菌P2Ox分泌到细胞外空间，参与木材腐烂和回收。它们是研究最广泛的POx，特别是来自Tramete multicolor、Peniophora sp和Phanerochaete chrysosporium。它们包括一个高度保守的黄素结合结构域和一个底物结合结构域，该结构域具有FAD共价结合的Rossman样折叠。P2Ox是同源四聚体，对活性位点的访问受到四个通道的限制，这些通道将底物从酶表面路由到活性位点腔。细菌G3Ox、MtCarA和ScP2Ox的结构表征揭示了这些酶的一些结构和功能方面。然而，仍然存在许多基本问题，特别是不同底物特异性背后的机制。
这一新研究主要关注了C-糖苷在肠道微生物群中的生物转化与分解代谢过程。然而，自然界中仍有许多关于这一过程的未解之谜。未来的研究将进一步探索这一过程中的详细机制，包括微生物群落的组成、代谢途径、以及与环境因素的相互作用等。此外，对于这些关键分解代谢酶的催化机制及其在自然界中的进化和特化过程仍需深入探讨。这些研究将有助于我们更好地理解自然界中顽固性C-糖苷的降解过程，并可能为制药、农业和食品工业提供新的应用前景。