生物素（Biotin）作为水溶性必需维生素，是脂肪酸合成及多种代谢反应关键酶的辅基，通过介导蛋白质翻译后修饰调控脂肪合成、糖异生及氨基酸分解代谢过程。其中，其催化的蛋白质生物素化修饰（如乙酰辅酶A羧化酶的生物素化）是脂肪酸合成通路的核心步骤。由于哺乳动物无法从头合成生物素，细菌特有的生物素合成途径相关酶已成为结核分枝杆菌、鲍曼不动杆菌等病原体的潜在抗菌药物靶点。

生物素合成过程分为早期和晚期两个阶段，晚期阶段由BioF、BioA、BioD、BioB等保守酶介导；而合成前体庚二酰-CoA/ACP的途径则呈现显著的物种特异性，目前已明确三条核心途径：大肠杆菌的BioC-BioH途径、枯草芽孢杆菌的BioI-BioW途径及农杆菌的BioZ途径。本团队近期在多重耐药伊丽莎白菌属（Elizabethkingia）及金黄杆菌属（Chryseobacterium）中鉴定出第四条途径——BioE依赖型途径，但其作为非血红素双铁加氧酶的功能演化机制尚未完全阐明。

近日，杭州师范大学基础医学院徐勇昌课题组联合浙江大学附属邵逸夫医院阮陟团队在Advanced Science发表题为Balanced Expression of the Diiron Oxygenase BioE Is Essential for Biotin Homeostasis in Elizabethkingia meningoseptica的研究论文。该研究证实，BioE作为非血红素双铁加氧酶，可催化长链酰基底物裂解生成庚二酰类产物；其表达受MocR家族转录因子BioL的负向调控——BioL通过感知生物素合成中间产物AON启动调控过程，形成独特的代谢反馈环路。此外，研究团队通过基于结构的虚拟筛选，发现小分子化合物422689是高效的EmBioE抑制剂，对伊丽莎白菌属菌株具有剂量依赖性抗菌活性。该研究为多重耐药伊丽莎白菌属等难治性病原体感染的治疗提供了全新策略，也为生物素绿色生物合成技术的开发奠定了理论基础。

研究人员以EmBioE为模板在NCBI数据库中进行筛选与分析，结果显示：BioE不仅广泛分布于威克斯氏菌科（Weeksellaceae）、黄杆菌科等多个科属，还存在于衣原体科（Chlamydiaceae）的寄生菌种中。对衣原体科的深入研究发现，其多数菌种均含BioE编码基因，但沙眼衣原体除外；比较基因组分析证实，沙眼衣原体天然缺失生物素合成基因簇。对8种不同宿主来源的衣原体进行基因组比较分析发现，大多数衣原体基因组不仅保留了从头生物素合成途径，还保守存在Fas II途径及生物素转运途径，这些途径可能为寄生性衣原体赋予宿主内生存优势。进一步对比7种衣原体与脑膜败血伊丽莎白菌的遗传背景发现，衣原体属虽保留生物素合成基因簇，但缺失转录调控因子BioL。

BioL属于MocR家族调节子，由N端HTH DNA结合域、连接区及C端PLP依赖的氨基转移酶结构域组成，可调控生物素合成基因的表达；机制研究进一步证实，EmBioL是伊丽莎白菌属生物素合成的主要负调控因子。生化功能分析表明，EmBioE以同源二聚体形式发挥作用，可识别结合长链酰基-ACP与酰基-CoA；而衣原体来源的CpBioE则以单体形式存在，且仅能结合酰基-ACP。实验表明CpBioE和EmBioE都可以在无生物素的M9培养基中回补大肠杆菌ΔBioH的生长。但是，在野生型大肠杆菌MG1655中过表达EmBioE会造成菌株生长迟缓等现象，并且共聚焦显微镜显示过表达，EmBioE后死亡细胞显著增加， 然而在CpBioE过表达时并没有观察到这种影响。

综上所述，本研究证明BioE是一类催化长链酰基C7-C8键裂解、生成生物素前体的新型非血红素双铁加氧酶，其编码基因广泛分布于包括衣原体在内的多种细菌中。伊丽莎白菌EmBioE与衣原体CpBioE在结构及生化特征上存在显著差异，体现了BioE家族的遗传多样性——EmBioE兼具促进生物素合成以维持生长、过表达引发代谢适应成本的双重作用，需借助BioL调控以平衡生物素合成与脂质代谢；而衣原体因CpBioE底物专一性特征，丢失了BioL调控因子，从而减少对脂质代谢的扰动。此外，BioE途径是潜在的新型抗菌靶点，小分子抑制剂466982可有效抑制其活性并发挥抗菌作用，有望成为抗多重耐药脑膜败血伊丽莎白菌感染的候选先导化合物。

该研究受到国家自然科学基金以及杭州师范大学人才科研启动经费的支持。杭州师范大学基础医学院徐勇昌副教授和浙江大学医学院附属邵逸夫医院阮陟研究员为共同通讯作者。基础医学院硕士研究生张孟、付莹莹、杨晓强和覃秋莹为共同第一作者，杭州师范大学基础医学院康艳华老师，同济大学附属东方医院主管技师何清雯为本论文做出重要贡献。