组合生物转化鬼臼毒素产物分子多样性

随着高通量筛选技术的发展，从现有天然药物资源中越来越难以发现分子结构新颖并有药用价值的先导化合物，本项目旨开展组合生物转化天然活性先导化合物产物分子多样性研究，为寻找和发现结构新颖并有药用价值先导化合物提供资源。本项目拟以分子结构复杂、立体构型丰富及含有多种官能团的鬼臼毒素为研究模型，根据鬼臼毒素分子结构特征和构效关系，设计结构修饰的有效位点和方向。利用具有糖基化，去甲基，酰胺基、芳氨基、烷氨基、烷氧基和烷硫基取代等功能的生物催化剂对鬼臼毒素进行组合生物转化，使鬼臼毒素与多样化的功能模块进行随机组合，构建不同的分子骨架，涵盖尽可能多的分子多样性(包括密集的手性官能团、丰富的立体化学结构和多样性的化合物骨架)，建立分子多样和结构新颖的"类天然活性先导化合物库"。本项目研究将为天然活性先导化合物分子结构修饰提供新思路，同时有助于进一步探索组合生物转化修饰天然活性先导化合物的分子机理。

本项目以分子结构复杂、立体构型丰富及含有多种官能团的鬼臼毒素作为天然活性先导化合物研究模型，开展组合生物转化修饰鬼臼毒素分子产物多样性的研究。首先，根据构效关系，设计了烷硫基取代、芳氨基取代、烷氨基取代、酰胺基取代、烷氧基取代、水解开环和去甲基等7种修饰方向，确定了生物转化反应类型。其次，采用生物催化剂高效筛选策略，获得了具有碳硫连接、碳氮连接、碳氧连接、去甲基等催化功能的微生物，实现了鬼臼毒素C-4位烷硫基取代、C-4位芳氨基取代、C-4位羟基脱氢氧化、E-4′位去甲基等生物催化反应。进一步将反应类型多样的单一生物转化过程进行组合，实现多位点、多方向分子结构的多轮修饰和改造，构建分子多样和结构新颖的“类天然活性化合物库”，从而建立了生物转化反应类型多样、反应途径多样的组合生物转化修饰鬼臼毒素分子结构的新方法。通过开展细胞毒性、周期阻滞、诱导凋亡、靶蛋白抑制等活性评价，从中筛选到具有成药前景的新化合物4-MP-PTOX和4-TG-PTOX。与鬼臼类抗肿瘤药物“依托泊苷”相比，4-MP-PTOX和4-TG-PTOX对人胃癌细胞株的抑制活性分别提高了121倍和91倍，对人正常肾小管细胞毒性分别降低了19倍和17倍，水溶性分别提高了300%和124%，与微管蛋白靶向结合能力均提高了近100%，有望开发为新型微管蛋白聚合抑制性抗肿瘤新药。研究结果为缓解药物资源匮乏的局面提供新方法、新思路。.在Appl. Environ. Microbiol.、Curr. Med. Chem.、Bioresour Technol.等学术期刊上发表SCI论文24篇。申请美国专利1项，中国发明专利6项。培养研究生14名，3人获湖北省优秀硕士论文。应邀出任Biopro Biosyst Eng (Springer)副主编(Associate Editor)，在Asian Congress on Biotechnology等国际学术会议上做主旨报告2次。获湖北省自然科学二等奖1项。享受国务院政府津贴，入选“教育部新世纪优秀人才支持计划”和“新世纪百千万人才工程”国家级人选。