Nature子刊 | 杜艺岭组发文揭示细菌来源的新型5-羟色氨酸生物合成途径并实现在细菌中从头合成人体激素褪黑素

色氨酸是生物体内众多生理活性小分子的代谢前体，其中包括了人体内的重要神经递质血清素（5-羟色胺，5-HT）、植物生长激素吲哚乙酸和细菌信息分子吲哚等。在人体内的5-HT生物合成途径中，色氨酸羟化酶（TPH1或TPH2）首先催化色氨酸吲哚环的C5位羟基化反应生成5-羟色氨酸，后者再发生脱羧反应得到5-HT。由色氨酸羟化酶催化的吲哚羟基化反应也是整个5-HT生物合成过程的限速步骤。5-HT在人体内广泛参与调节情绪、认知、记忆和其他生理过程，还可进一步转化为具有调节睡眠作用的褪黑素（Melatonin）。

人体等真核生物来源的色氨酸羟化酶属于芳香氨基酸羟化酶家族，该家族酶类以四氢生物蝶呤（tetrahydrobiopterin，BH4）和Fe2+作为辅因子，催化反应时涉及辅因子BH4的循环再生过程。真核色氨酸羟化酶也是自然界目前为止所知的唯一能够催化游离色氨酸吲哚环上羟基化反应的酶家族。虽然前期有研究发现5-羟色氨酸也是多个细菌来源的活性次级代谢产物分子的结构前体，但细菌中的5-羟色氨酸生物合成过程至今仍然是一个迷。

图1.真核生物和细菌来源（本研究）的5-羟基色氨酸合成途径的比较

2023年8月31日，国际化学生物学领域权威刊物《Nature Chemical Biology》（《自然化学生物学》）杂志在线发表了来自浙江大学医学院基础医学系和附属第四医院杜艺岭课题组的研究论文“Hydroxytryptophan biosynthesis by a family of heme-dependent enzymes in bacteria”。在这项工作究中，研究人员首次发现了细菌来源的5-羟色氨酸生物合成途径。有意思的是，细菌中的色氨酸羟化酶家族是一类血红素依赖型单氧化酶，能够利用氧气或过氧化氢作为氧化剂催化色氨酸的吲哚羟基化反应（图1）。与真核色氨酸羟化酶相比，细菌色氨酸羟化酶无论在氨基酸序列、辅因子和催化机理方面都完全不同。研究人员还进一步通过蛋白质数据库挖掘和酶催化活性表征，筛选到了一系列能够对色氨酸吲哚环进行高度区位选择性羟化反应（regioselective hydroxylation）的该酶家族成员，分别得到4-羟基、5-羟基和6-羟基色氨酸作为反应产物（图2）。同时，该研究也揭示了多个细菌来源的活性次级代谢产物（如抗胆酰酯酶药物毒扁豆碱）分子结构中羟基色氨酸单元的来源之谜，显示了这种血红素依赖型的色氨酸羟基化反应是细菌用于获取羟基色氨酸的保守生物合成策略。

图2.细菌来源的色氨酸羟化酶的发现、活性表征和催化机理推测

本研究报道的细菌色氨酸羟化酶家族的催化反应体系相比于真核生物途径更为精简，且成员具有高度区位选择性（C4、C5和C6位），暗示着该酶家族有望成为一种具有广泛应用前景的合成生物学生物催化元件，用于含有羟基吲哚结构基团的药物或化学品（如褪黑素和赛洛西宾等等）的合成生物学绿色制造。褪黑素具有改善睡眠、调节免疫力、抗衰老等多种用途和百亿级的全球市场规模，目前来源方式多为化学合成。作为概念论证，本研究人员设计了一条全新的褪黑素人工合成途径用于在工程化细菌中实现褪黑素的高效从头合成（de novo biosynthesis）（图3）。

图3.基于细菌色氨酸羟化酶的褪黑素人工从头合成途径

综上，本研究首次揭示了细菌中负责羟基色氨酸生物合成的酶家族，该家族显著区别于真核生物来源的色氨酸羟化酶。该研究成果不仅解决了长期以来细菌中羟基色氨酸的来源之谜，也为相关活性分子的合成生物学制造提供了一个宝贵的生物催化元件工具箱。