真菌能产生丰富的活性天然产物（natural products, NPs），是临床药物的重要来源，例如青霉素、洛伐他汀等。众多研究报道，真菌基因组编码的合成酶能高效催化合成结构多样的真菌NPs。

对于真菌自身而言，NPs具有调节生产者生理状态、保护生产者免受捕食者伤害、拮抗其他物种或宿主的生长等功能，以竞争稀缺的环境营养。在活性NPs高效合成的同时，包括真菌在内的微生物生产者进化出了巧妙的解毒策略来避免NPs对自身造成伤害。但是真菌NPs的高效生物合成与解毒之间的协同调控机制目前尚无报道。

2022年12月3日，浙江大学基础医学院毛旭明教授联合浙江大学医学院附属第一医院赵青威教授在《Angewandte Chemie International Edition》上发表题为“Coordination of Polyketide Release and Multiple Detoxification Pathways for Tolerable Production of Fungal Mycotoxins”的研究论文，以真菌NPs aurovertins生物合成为模型，发现了一种上述的协同调控机制。

前期研究发现（图1a），真菌NPs aurovertins及其类似物的生物合成基因簇（Biosynthetic gene cluster, BGC）中的聚酮合酶（Polyketide synthase, PKS）上都缺少了负责催化产物水解释放和成环的硫酯酶（Thioesterase, TE）结构域。而基因簇内几乎都存在一个属于核转录因子2（Nuclear Transcription factor 2, NTF2）超家族的SnoaL-2蛋白。进化树分析发现（图1b），这类NTF2蛋白序列与细菌来源的聚酮/酯环化酶具有最高相似性。

图1 a. aurovertin生物合成基因簇及其类似物asteltoxin、citreoviridin生物合成基因簇

b. 相似的四个NTF2蛋白进化树分析

首先，研究通过体内外实验证明了这类真菌NTF-2蛋白是一种聚酮环化酶，能够显著提高聚酮骨架5的合成速率（图2a）。此外，研究还发现来源于asteltoxin生物合成的NTF2蛋白具有独特的信号肽，可以特异性地在体内与聚酮合酶进行共定位（图2b），从而更加高效地催化聚酮骨架的合成。图2 a.体外生化实验PKS与NTF-2蛋白共孵育与单PKS组化合物5的产量对比 

b.酿酒酵母体内PKS与NTF-2蛋白荧光共定位

研究进一步将NTF-2基因在体内进行高表达，发现终产物并没有随着前体的合成效率提高而提高产量，而是出现了一个从未发现的旁路代谢产物7，该化合物可以在体外自发转化成途径产物1以及旁路产物8-10（图3）。

图3 推测的aurovertins和asteltoxin的生物合成途径及旁路代谢途径

研究发现1对于生产菌具有较大毒性，但1的酰基化产物2和3对生产菌毒性降低。说明旁路代谢产物7的合成可以避免毒性产物1的大量积累，从而缓冲了对生产菌的毒性；同时，7在体外可以转化为1，保留了毒性产物合成的能力；此外，在正常合成情况下，酰基化酶是生产菌主要的解毒元件。

综上，研究表征了一类真菌源NTF2蛋白高效催化真菌聚酮化合物环化的功能，揭示了生产菌中一种隐秘的解毒机制（图4）。本研究也为真菌活性NPs的高效合成提供了潜在的合成生物学元件，为工业合成高价值NPs提供了理论参考。

图4 真菌NPs的高效生物合成与解毒之间的协同调控过程

文章的第一作者是浙江大学基础医学院曹菲博士和浙江工业大学药学院马列峰博士。本研究受到了国家重点研发计划“合成生物学”专项，国家自然科学基金和浙江省“领雁”计划等项目资助。