中科院PNAS揭示抗癌藥物谷田霉素生物合成機制研究進展

來自中國科學院上海有機化學研究所生命有機化學國家重點實驗室的研究人員發(fā)表了題為“Hijacking a hydroxyethyl unit from a central metabolic ketose into a nonribosomal peptide assembly line”的文章，經(jīng)過幾年的努力，通過體內(nèi)相關基因敲除-回補以及體外酶催化反應等多種實驗手段相結合的方式，闡明了二碳單元的*生源合成機制，相關成果公布在《美國國家科學院院刊》（PNAS）雜志上。

領導這一研究的是生命有機化學國家重點實驗室唐功利研究員，這一課題得到國家自然科學基金委、科技部和中國科學院的資助。

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*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，典型的結構特征是吡咯吲哚環(huán)上的環(huán)丙烷結構。

為了闡明其*的生物合成機制，唐功利課題組利用全基因組掃描技術定位其生物合成基因簇，通過基因敲除結合生物信息學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的結構，并結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的*報道。這一階段性結果為下一步闡明YTM結構中zui重要的環(huán)丙烷部分生物合成途徑奠定了基礎。

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*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*的二碳單元結構，其生物合成來源問題一直沒有得到解決。
這種將基礎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)中是報道，該研究結果也有助于揭示海洋藥物ET-743*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。

對結構*、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角度理解自然界“全合成”的生物-化學過程。唐功利課題組多年來致力于復雜抗腫瘤天然產(chǎn)物的生物合成研究，這些研究突破將有助于抗腫瘤天然產(chǎn)物的研發(fā)。

為了揭示這一謎團，唐功利課題組又在克隆了NDM和QNC生物合成基因簇的基礎上，通過前體喂養(yǎng)標記、體內(nèi)相關基因敲除-回補以及體外酶催化反應等多種實驗手段相結合的方式，闡明了二碳單元的*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)酮醇酶的復合體，它們負責催化二碳單元由酮糖轉(zhuǎn)移至?；休d蛋白（ACP）上，而后經(jīng)過非核糖體蛋白合成（NRPS）途經(jīng)進入到zui終的化合物中。