细菌中发现一种不需要腐胺和腺苷甲硫氨酸的亚精胺合成途径

  亚精胺是一种存在于几乎所有生物中的小分子化合物，它有三个氨基，带有正电荷。亚精胺在细胞中有很多重要的功能，比如调节基因表达、促进细胞分裂和适应各种压力等，亚精胺也被认为是生命最早出现的代谢物之一。

  目前已知有两种主要的亚精胺合成途径，它们都是通过在另一种小分子化合物腐胺上加上一个氨丙基来实现的。氨丙基是由三个碳原子和一个氨基组成的一个基团。其中一种途径是通过从腺苷甲硫氨酸(AdoMet)上剪下一个氨丙基，然后转移到腐胺上，形成亚精胺。这个过程需要两种酶的参与，分别是腺苷甲硫氨酸脱羧酶和亚精胺合酶。这种途径在真核生物、古菌和大部分细菌中都有分布。

  然而，也有一些细菌并没有亚精胺合酶的基因，它们是怎么合成亚精胺的呢?一种途径是通过从天冬氨酸半醛(ASA)上剪下一个氨丙基，然后转移到腐胺上，形成亚精胺。这个过程也需要两种酶的参与，分别是羧亚精胺脱羧酶和羧亚精胺合酶，这种途径只在少数细菌中发现过。

  最近，中国科学院分子植物科学卓越创新中心的杨琛研究组发现了一种新的亚精胺合成途径，它不需要腐胺和AdoMet作为原料，而是以另一种小分子化合物胍丁胺为起点1。他们利用了模式蓝细菌集胞藻Synechocystis sp. PCC 6803作为研究对象，通过结合稳定同位素示踪、代谢组学、遗传学和生化学等手段，揭示了这条新途径的反应步骤和酶催化机制。

  这条新途径被命名为CAPA途径，因为它涉及到一个之前未知的中间产物——羧氨丙基胍丁胺(CAPA)。CAPA途径的第一步是由NADPH依赖的CAPA脱氢酶催化，它将胍丁胺和ASA通过还原缩合反应连接起来，形成CAPA。第二步是由CAPA脱羧酶催化，它将CAPA去掉一个二氧化碳分子，形成氨丙基胍丁胺(APA)。第三步是由APA尿素水解酶催化，它将APA的尿素部分水解掉，形成亚精胺。

  CAPA途径与已知的两种亚精胺合成途径有很大的不同。首先，它不需要腐胺作为直接底物，而是以胍丁胺为起点。胍丁胺是一种含有四个氨基的小分子化合物，它在细菌中可以由精氨酸经过脱羧和水解反应生成。其次，它不需要AdoMet作为氨丙基的供体，而是以ASA为供体。ASA是一种参与天冬氨酸和赖氨酸合成的中间产物，它可以由天冬氨酸经过去氨基反应生成。因此，CAPA途径相比于经典的亚精胺合成途径，所需的能量更少，且避免了复杂的副产物回用过程。

  杨琛研究组还通过基因组学和宏基因组学分析发现，CAPA途径的基因在细菌中广泛分布，涵盖了15个门类，包括蓝细菌门、变形菌门、厚壁菌门和拟杆菌门等。这些细菌分布于各种生态系统，包括动物消化道、土壤、海洋、淡水和沉积物等。这说明CAPA途径是一种古老而多样的亚精胺合成途径，对细菌的生理功能和适应性有重要作用。

  CAPA途径的发现，为人工调控细菌中多胺介导的生理功能提供了理论基础，为多胺及其衍生物的生物合成提供了新的策略，对理解初级代谢的进化和多样性具有重要意义。

  参考文献：

  Xi H, Nie X, Gao F, et al. A bacterial spermidine biosynthetic pathway via carboxyaminopropylagmatine[J]. Science Advances, 2023, 9(43): eadj9075.