中科院PNAS揭示抗癌藥物谷田霉素生物合成機(jī)制研究進(jìn)展

來(lái)自中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所生命有機(jī)化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guò)幾年的努力，通過(guò)體內(nèi)相關(guān)基因敲除-回補(bǔ)以及體外酶催化反應(yīng)等多種實(shí)驗(yàn)手段相結(jié)合的方式，闡明了二碳單元的*生源合成機(jī)制，相關(guān)成果公布在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）雜志上。

領(lǐng)導(dǎo)這一研究的是生命有機(jī)化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室唐功利研究員，這一課題得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部和中國(guó)科學(xué)院的資助。

抗生素谷田霉素（Yatakemycin，YTM）可以抑制致病真菌，且對(duì)腫瘤細(xì)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(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*的生物合成機(jī)制，唐功利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(guò)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(duì)突變株的發(fā)酵檢測(cè)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(shí)驗(yàn)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(jī)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*報(bào)道。這一階段性結(jié)果為下一步闡明YTM結(jié)構(gòu)中zui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*例海洋天然產(chǎn)物來(lái)源的抗腫瘤新藥。這三種化合物都具有一個(gè)*的二碳單元結(jié)構(gòu)，其生物合成來(lái)源問(wèn)題一直沒(méi)有得到解決。
這種將基礎(chǔ)代謝中的酮糖直接轉(zhuǎn)化為次級(jí)代謝所需要的二碳單元在非核糖體肽合成途經(jīng)中是報(bào)道，該研究結(jié)果也有助于揭示海洋藥物ET-743*的二碳單元生物合成來(lái)源，為非核糖體聚肽類天然產(chǎn)物的組合生物合成帶來(lái)新的前體單元。

對(duì)結(jié)構(gòu)*、活性顯著的天然產(chǎn)物進(jìn)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(guò)程。唐功利課題組多年來(lái)致力于復(fù)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(tuán)，唐功利課題組又在克隆了NDM和QNC生物合成基因簇的基礎(chǔ)上，通過(guò)前體喂養(yǎng)標(biāo)記、體內(nèi)相關(guān)基因敲除-回補(bǔ)以及體外酶催化反應(yīng)等多種實(shí)驗(yàn)手段相結(jié)合的方式，闡明了二碳單元的*生源合成機(jī)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(fù)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(guò)非核糖體蛋白合成（NRPS）途經(jīng)進(jìn)入到zui終的化合物中。