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今天推荐一篇发表在Nature Chemical Biology上的文章：An isotopic labeling approach linking natural products with biosynthetic gene clusters，通讯作者是来自加拿大西蒙弗雷泽大学化学系的Roger G. Linington教授，研究方向是代谢组学、高含量筛选设计与开发、药物发现和化学生物学。
基因组测序和大规模生物合成基因簇 (BGC) 分析的重大进展推动了由基因组挖掘驱动的天然产物发现时代，但将分子连接到它们的同源 BGC 是这种方法的一个重要瓶颈。目前用于整合代谢组学和基因组数据集的许多方法都是基于串联质谱 (MS/MS) 碎片谱，但BGC产生的复杂化学表型可能包括十几种或更多化合物，类似物之间存在的微小结构变化可能会导致碎片模式出现意想不到的差异。此外，目前的稳定同位素标记平台不能直接确定样品中每种代谢物的最大标记程度，也不能在使用各种不同的稳定同位素标记的实验之间比对化合物。本文中，作者以期开发一个新的分析平台来解决上述问题。
首先，在微量滴定板中进行平行稳定同位素标记(SIL)。 [1- 13C]醋酸盐用于标记广泛的天然产物类别，[1- 13 C]丙酸主要用于鉴定聚酮化合物途径，[甲基- 13 C]甲硫氨酸标记被S-腺苷甲硫氨酸(SAM)甲基化的化合物，[1- 15 N]谷氨酸标记所有含有氮原子的产物。
图 1：IsoAnalyst 工作流程概述
接着，通过在红霉素A中掺入SIL，以预测BGC起源(图2)。对红霉素A的MS数据的初步观察显示在所有预期条件下都有明显的标记。为了系统地确定在MS代谢组学数据中检测到的每个特征的标记程度，作者开发了一种新算法来确定SIL并入MS特征的统计置信度。IsoAnalyst 通过比较未标记数据集中第一个同位素体峰（一个13 C；M1）和单同位素质量（全部为12 C；M0）与连续峰对（例如，M1与M0，M2与M1等）在标记的数据集中。BGC底物分析结果与红霉素A [M+H] +离子的IsoAnalyst结果的比较揭示了观察到的标记与除 [1- 13 C] 乙酸盐之外的每个 SIL 条件下的预测标记相匹配。IsoAnalyst不仅可以在多种条件下准确检测 MS 特征中的 SIL 掺入，还可以对源自相同化合物的加合物和片段进行分组，从而简化复杂样品标记数据的解释。
图 2：红霉素 A的 IsoAnalyst 结果概述
其次，作者预测了SIL在S. erythraea BGCs产物中的掺入的结果。使用antiSMASH对完整的S.erythraea NRRL 2338 基因组进行了BGC挖掘。然后通过整合来自策划的antiSMASH输出表和底物标记表的数据，创建了基因组中所有BGC的预测前体标记表（表1）。作者利用S. erythraea中的SIL揭示了来自两种不同BGC的化合物(图3)。在培养条件下，能够检测到来自S. erythraea的两个主要化合物家族：红霉素和红螯素，这两个预测都与先前确定的生物合成起源相匹配，从而验证了 IsoAnalyst 方法。
表 1： S. erythraea 的生物合成基因簇标记预测
图 3：在S.erythraea代谢组中检测到的选定标记离子的 SIL 掺入和结构
然后，作者研究了IsoAnalyst在环境小单孢菌（Micromonospora sp）中的应用（图4）。使用 IsoAnalyst 管道进行MS 分析和数据处理，确定了 246 个在两个或多个 SIL 条件下标记的MS 特征，这些基于色谱峰形状和信号强度被进一步过滤为100 个 MS 特征，据同位素标记模式分为两个主要的化合物类别，这两者都可以可靠地与它们各自的 BGC 相关联。结果表明该菌株可以产生大量的去铁胺衍生物，并且这些离子可以通过使用 IsoAnalyst 平台检测到的相关SIL模式轻松组合在一起。作者总共鉴定了七种由去铁胺BGC 产生的化合物，包括不寻常的去铁胺类似物微铁胺E 。
图 4：在小单孢菌属代谢组中检测到的选定标记离子的 SIL 掺入和结构
最后，作者使用IsoAnalyst 发现了lobosamide D（图5）。研究过程中分离出一个具有 [M+H] + MS 特征的代表性分子，其特征为 500.3012，计算分子式为C29H41NO6。结合使用1D 和 2D NMR 实验，将这种新代谢物的平面结构确定为16的5-5-6稠环系统变体，并将其命名为lobosamide D。
图 5：叶苷结构和生物合成的比较
总结：IsoAnalyst平台使用纳入各种 BGC 底物的通用前体，可以直接突出色谱图中源自特殊代谢的主要成分。IsoAnalyst优先生物合成相关性的基础上的发现，而不是MS / MS分析或生物活性，这两者都可以提供补充信息，但基本上也可以跨越与生物合成有关的化合物家族变化。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41589-021-00949-6
文章题目：An isotopic labeling approach linking natural products with biosynthetic gene clusters
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