Rubratoxin B 等酸酐类真菌天然产物的生物合成研究

Rubratoxin B family compounds are nonadride natural products with anhydride moiety, isolated from endophytic fungus Penicillium dangeardii Pitt. Due to their daunting structural framework and potential as pharmaceuticals, they have inspired numerous chemical and biologic studies. However, the genetic and biochemical basis of rubratoxins biosynthesis has remained unexplored. Herein, we try to identify and characterize of the rubratoxin (rub) biosynthetic gene cluster from Penicillium dangeardii. Gene knockout, chemical complement, protein expression and biochemical reaction will be used to investigate the biosynthetic pathway of rubratoxin B. The study on the biosynthesis of rubratoxin B is expected to discover some remarkable enzymes with special functions.

Rubratoxin B等是我所从植物内生真菌Penicillium dangeardii分离得到的nonadride类天然产物。这类化合物中特征性的马来酸酐和环壬烷基团的存在预示着独特的生物合成机制。通过对Penicillium dangeardii的全基因组测序，结合生物信息学分析，以及基因敲除实验确定了rubratoxin B的生物合成基因簇并初步确定若干后修饰基因的功能。拟利用基因敲除、化学回补、表达蛋白并进行体内外生化实验从基因-蛋白水平揭示rubratoxin B等的生物合成途径，重点研究环壬烷的形成机制及多个氧化酶的催化机制。本项研究有望发现催化酸酐合成、环壬烷形成等特殊反应的罕见酶和新的催化机制，为化学方法合成具有挑战的nonadride类天然产物开辟新的途径，并有望发现活性优于rubratoxin B的分子。

Rubratoxins A‒B等是我所从植物内生真菌Penicillium dangeardii分离得到的nonadride类天然产物，具有显著的生物活性。这类化合物中特征性的马来酸酐和环壬烷基团的存在以及复杂的氧化还原修饰预示着独特的生物合成机制。通过对P. dangeardii的全基因组测序，生物信息学分析，以及基因敲除实验确定了rubratoxins A-B的生物合成基因簇rbt。利用系统的基因敲除、中间体或类似物的分离鉴定以及化学回补实验，推测了相应基因的功能。根据基因敲除结果，发现烷基柠檬酸合酶RbtL和烷基柠檬酸脱水酶RbtK与马来酸酐的形成有关，而酮甾体异构酶RbtR和两个磷脂酰乙醇胺结合蛋白（RbtO和RbtM）共同参与了环壬烷基团的形成。通过将这些基因在酵母及构巢曲霉异源系统中共表达，实现了马来酸酐以及具有环壬烷结构的二聚酸酐类似物的异源合成，并推测了它们的形成机制。通过基因克隆、蛋白异源表达以及体内外生化实验，发现了6个特殊功能的氧化还原酶，包括一个首例酸酐还原酶（RbtH）和一个罕见的双功能α-KG/Fe(II)依赖的双加氧酶（RbtB）。综合分析上述结果，系统阐明了rubratoxin A的生物合成途径，即简单二聚酸酐前体通过4个α-KG/Fe(II)依赖的双加氧酶的区域选择性羟化和1个黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)依赖的脱氢酶的氧化而产生rubrotoxin B，最终在1个铁还原酶的作用下选择性地将其中一个马来酸酐的羰基还原形成γ-羟基丁烯酸内酯，从而生成rubratoxin A。.利用单个基因敲除、理性的组合基因敲除和基因组挖掘等生物技术或酶的生物催化产生结构多样性的类似物/衍生物。通过多种色谱与波谱技术，从P. dangeardii的突变株、Pleosporales sp.以及催化产物中分离鉴定rubratoxins、phomoidrides类似物或马来酸酐衍生物共59个，其中新骨架化合物1个，新化合物46个。生物活性评价显示，具有肿瘤细胞毒活性的化合物3个，具有蛋白磷酸酶2A抑制活性的化合物2个，为该类天然产物新药候选化合物的发现奠定基础。.本项研究从基因-蛋白水平系统揭示了rubratoxin A的生物合成机制，为高效、绿色地合成nonadride类天然产物开辟新的途径，为新药候选化合物的发现提供新的策略与方式。