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本研究通过基因组学方法，在植物病原菌Rhodococcus fascians中发现 Lydia 霉素生物合成基因簇，修正其结构为含罕见 2 - 戊基琥珀酰基团的大环五肽，证实其靶向抑制细菌肽脱甲酰基酶（PDF），并揭示其在植物定殖中的竞争优势，为抗生素发现提供新策略。
研究背景与目的
天然产物在医药和农业领域具有重要价值，如放线菌素（Actinonin）和马替 astatin（Matlystatin）含 N - 羟基 - 2 - 戊基琥珀酰胺基（HPS）基团，可螯合金属并抑制金属蛋白酶。其中，Actinonin 是肽脱甲酰基酶（PDF）的强效抑制剂，通过干扰蛋白质合成发挥抗菌和除草活性。本研究旨在利用基因组学方法，识别含 HPS 类似基团的天然产物生物合成基因簇（BGCs），并解析其结构、功能及生态作用。
关键发现：Lydia 霉素生物合成基因簇的鉴定
通过对放线菌突变酶的系统发育分析，研究团队在植物病原菌Rhodococcus fascians的致病性巨型质粒（pFiD188）上发现一个非核糖体肽合成酶（NRPS）基因簇lyd，预测其编码含金属蛋白酶抑制剂。代谢组学分析显示，野生型R. fasciansD188 可产生与已知抗生素 Lydia 霉素 A 分子量一致的化合物（[M + H]+ m/z 664.3680），而lyd基因簇缺失突变株（Δlyd）不产生该物质，证实lyd负责 Lydia 霉素 A 的合成。这是首次在非链霉菌中鉴定 Lydia 霉素 A 的生物合成基因簇。
结构修正：从传统认知到 HPS 类似基团的发现
传统 Lydia 霉素 A 结构被认为是含戊基琥珀酸尾的大环五肽，但与 Actinonin 和 Matlystatin 的生物合成逻辑存在差异。通过核磁共振（NMR）和 X 射线晶体学分析，研究团队发现 Lydia 霉素 A 实际含有罕见的（R）-2 - 戊基琥珀酰基团，其碳骨架与 HPS 类似，修正了原有结构模型。关键证据包括 HMBC 谱中 C23 与 H19 的相关性，以及 1,1-ADEQUATE NMR 证实的碳连接方式，结合苯基甘氨酸甲酯（PGME）衍生化实验，确定了 C24 位点的R构型。
分子机制：靶向 PDF 及其自我免疫机制
Lydia 霉素 A 虽缺乏 Actinonin 的异羟肟酸基团，但其 2 - 戊基琥珀酰基团的羧酸功能仍可结合 PDF 活性位点。体外实验显示，Lydia 霉素 A 对E. coli PDF 的 IC50为 6 μM，表现出剂量依赖性抑制。值得注意的是，lyd基因簇边缘的lydA基因编码的 PDF 可赋予宿主对 Lydia 霉素 A 的抗性。在Mycobacterium smegmatis中过表达lydA可恢复菌株在 Lydia 霉素 A 存在下的生长，而野生型R. fasciansD188 对药物的敏感性显著低于质粒缺失株（D188-5），表明lydA是一种罕见的自我免疫基因。
生态功能：植物定殖中的微生物竞争优势
尽管 Lydia 霉素 A 不直接参与R. fascians引发的植物叶瘿病形成，但其在植物体内的表达分析显示，感染过程中可稳定产生该化合物。竞争实验表明，野生型菌株在与质粒缺失株（D188-5）共接种时，表现出显著的定殖优势，而 Δlyd突变株的竞争力明显下降。这提示 Lydia 霉素 A 可能通过抑制共栖细菌的生长，帮助R. fascians在植物微生物组中占据生态位，体现了抗生素在微生物竞争中的关键作用。
讨论与展望
本研究通过 “突变酶引导的基因组挖掘” 策略，整合生物信息学、结构生物学和功能验证，不仅修正了 Lydia 霉素 A 的结构，揭示了其作用靶点和生态功能，还为天然产物的发现提供了新范式。例如，结合生物合成基因簇与靶点基因的共定位分析，可高效预测抗生素的分子机制。此外，Lydia 霉素 A 的非异羟肟酸金属螯合模式，可能为开发低毒 PDF 抑制剂提供新方向，避免传统异羟肟酸类化合物的潜在毒性问题。未来研究可进一步探索lyd基因簇的代谢多样性，以及 Lydia 霉素在复杂微生物群落中的长期生态效应。
