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天然产物(除了某些肽类分子)中硫原子的引入机制研究很少,而硫原子往往对含硫天然产物的生物活性至关重要。Leinamycin是链霉菌Streptomyces atroolivaceus S-140中产生的含硫聚酮类天然产物,它具有独特的化学结构:含有噻唑片段的十八元内酰胺环螺合一个二硫戊环。Leinamycin具有独特的抗肿瘤机制:其C-3位硫原子在细胞内硫醇分子的进攻下发生分子内重排反应生成一个环硫鎓中间体,这个环硫鎓中间体可以烷基化DNA而造成DNA裂解,最终导致肿瘤细胞死亡。在leinamycin生物合成基因簇中的27个基因中,通过生物信息学的分析,还未有明确的基因被预测催化C-3位硫原子的引入。我们通过分析发现,在聚酮合酶LnmJ的最后一个模块中含有两个功能未知的功能域:LnmJ-DUF和LnmJ-SH。其中LnmJ-SH与酪氨酸酚裂解酶(TPL)和色氨酸吲哚裂解酶(TIL)具有序列相似性。TPL和TIL是磷酸吡哆醛(PLP)依赖的蛋白质,分别催化酪氨酸和色氨酸的裂解。我们将lnmJ-SH基因在大肠杆菌中进行了克隆和表达,对LnmJ-SH蛋白进行了纯化,并发现LnmJ-SH蛋白与TPL和TIL类似呈现黄色,是PLP依赖的功能域。体外酶活实验结果显示LnmJ-SH不能催化酪氨酸或色氨酸的裂解,但却催化L-半胱氨酸中碳硫键的断裂。通过合成一系列L-半胱氨酸硫取代衍生物作为底物,我们发现LnmJ-SH均可以催化这些衍生物中L-半胱氨酸片段中碳硫键的断裂,从而产生一个游离的巯基。这些结果揭示了leinamycin中C-3位硫原子来源于L-半胱氨酸,并且其引入机制经历了LnmJ-SH功能域催化的碳硫键断裂的过程。生物进化树分析显示,LnmJ-SH与来源于不同细菌、功能未知的一大类聚酮合酶功能域形成了一个独立的分支,它们与初级代谢中催化半胱氨酸降解的蛋白如半胱氨酸脱硫酶(cysteine desulfurase)等,以及其它天然产物生物合成中催化硫原子引入的蛋白如植物大蒜中具有刺激性气味的含硫天然产物生物合成中的alliinases等,不具有序列相似性并处于不同的分支。因此本研究揭示了一类以LnmJ-SH为代表的聚酮合酶功能域在天然产物硫原子引入中的催化功能,并为利用它们的催化机制在天然产物中人工引入硫原子提供了科学依据。