抗腫瘤天然產(chǎn)物生物合成研究獲進展

日期：2012-07-06 08:13:30

對結(jié)構(gòu)獨特、活性顯著的天然產(chǎn)物進行生物合成研究是從基因簇、生物合成途徑及酶催化反應(yīng)角度理解自然界“全合成”的生物-化學(xué)過程。中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所生命有機化學(xué)國家重點實驗室唐功利課題組多年來致力于復(fù)雜抗腫瘤天然產(chǎn)物的生物合成研究，經(jīng)過幾年的努力，該課題組最近在兩個課題上均取得突破。

抗生素谷田霉素（Yatakemycin，YTM）可以抑制致病真菌，且對腫瘤細胞表現(xiàn)出極強的毒性（比抗腫瘤藥物絲裂霉素的活性高約1000倍）；該家族化合物屬于DNA烷基化試劑，典型的結(jié)構(gòu)特征是吡咯吲哚環(huán)上的環(huán)丙烷結(jié)構(gòu)。為了闡明其獨特的生物合成機制，課題組利用全基因組掃描技術(shù)定位其生物合成基因簇，通過基因敲除結(jié)合生物信息學(xué)分析確定了基因簇邊界。在對突變株的發(fā)酵檢測中成功分離鑒定了中間體YTM-T的結(jié)構(gòu)，并結(jié)合體外生化實驗揭示了一類同源于糞卟啉原III-氧化酶（Coproporphyrinogen III oxidase）的甲基化酶以自由基機理催化YTM-T發(fā)生C-甲基化（J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 8831-8840），這是此類蛋白催化自由基甲基化反應(yīng)的首例報道。這一階段性結(jié)果為下一步闡明YTM結(jié)構(gòu)中最重要的環(huán)丙烷部分生物合成途徑奠定了基礎(chǔ)。

萘啶霉素(Naphthyridinomycin，NDM)、奎諾卡星(Quinocarcin，QNC)及Ecteinascidin 743 (ET-743)均屬于四氫異喹啉生物堿家族化合物，它們都具有顯著的抗腫瘤活性，其中ET-743已發(fā)展為第一例海洋天然產(chǎn)物來源的抗腫瘤新藥。這三種化合物都具有一個獨特的二碳單元結(jié)構(gòu)，其生物合成來源問題一直沒有得到解決。為了揭示這一謎團，唐功利課題組在克隆了NDM和QNC生物合成基因簇的基礎(chǔ)上，通過前體喂養(yǎng)標記、體內(nèi)相關(guān)基因敲除-回補以及體外酶催化反應(yīng)等多種實驗手段相結(jié)合的方式，闡明了二碳單元的獨特生源合成機制：NapB/D及QncN/L在催化功能上均屬于丙酮酸脫氫酶及轉(zhuǎn)酮醇酶的復(fù)合體，它們負責(zé)催化二碳單元由酮糖轉(zhuǎn)移至酰基承載蛋白（ACP）上，而后經(jīng)過非核糖體蛋白合成（NRPS）途經(jīng)進入到最終的化合物中。這一結(jié)果發(fā)表在美國《國家科學(xué)院院刊》(Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2012, 109, 8540-8545)上。這種將基礎(chǔ)代謝中的酮糖直接轉(zhuǎn)化為次級代謝所需要的二碳單元在非核糖體肽合成途經(jīng)中是首次報道，該研究結(jié)果也有助于揭示海洋藥物ET-743獨特的二碳單元生物合成來源，為非核糖體聚肽類天然產(chǎn)物的組合生物合成帶來新的前體單元。