越野他汀生物合成与抗肿瘤蒽环抗生素组合生物合成研究

Anthracycline family natural products are characterized with a rigid planar tetracyclic structure with adjacent quinine and hydroquinone moieties, rank among the most effective anticancer drugs. We are interested in the biosynthetic studies of kosinostation, which was isolated from the marine Micromonospora sp. TP-A0468 and featured a pyrrolopyrrole moiety spirally jointed to a five-membered ring of an anthraquinone framework glycosylated with a ?-branched octose. Based on the gene cluster and proposed biosynthetic pathway, we will focus on the elucidation of several novel enzymatic reactions and unique biosynthetic mechanisms by in vivo genetic and in vitro biochemical methods. Next, we will pay attentions to produce novel anthracyclines by combinatorial biosynthesis and chembiological strategies using the biosynthetic gene cluster of kosinostatin and daunorubicin. The future goal of this project is to obtain new anthracycline antibiotics with reduced cardiotoxicity and set the stage for discovery and development of novel anticancer drugs.

蒽环类天然产物具有特征的共轭并芳香环分子结构，家族中许多成员是重要的临床抗肿瘤药物。我们以该家族中海洋小单孢菌产生的具有特殊螺环和罕见糖基的抗肿瘤抗生素越野他汀为目标分子，在已获得生物合成基因簇、初步阐明其生物合成途径的基础上，进一步采取体内遗传重组与体外生化结合的方法深入探讨该化合物生物合成途径中几个新奇的酶催化反应机制；同时与柔红霉素、阿霉素等临床抗肿瘤药物的生物合成相结合，针对其毒副作用的缺陷，通过组合生物合成、体外化学-酶催化相结合的策略产生蒽环结构类似物，为新的蒽环类抗肿瘤药物发现及阿霉素的升级改造奠定基础。

本项目以蒽环天然产物家族中具有特殊螺环和罕见糖基的抗肿瘤抗生素越野他汀为目标分子，采用体内遗传与体外生化结合的方法探讨其生物合成途径中新奇的酶催化反应和机制；同时与其他蒽环抗肿瘤抗生素的生物合成相结合，通过组合生物合成、化学-酶催化相结合产生新的结构类似物。在发表论文6篇，其中SCI论文5篇（包括1篇PNAS和1篇Chem. Sci.）；申请专利2项（其中1项获得了授权）；培养博士研究生和硕士研究生各2名。.越野他汀（KST）是由海洋小单孢菌产生的、具有独特螺环结构的蒽环天然产物，具有显著的抗肿瘤活性。其生物合成中包含了一个芳环的C-4到C-1的羟基区域异构反应。通体内遗传结合体外生化，关键去芳香化酶KstA11与底物和辅因子复合物的结构解析成功揭示了自然界如何实现蒽环上芳环的羟基区域异构化问题。首先双酶体系KstA15/A16催化4-OH蒽环中间体的对位羟化产生1,4-双羟基化合物；在KstA11作用下异构，随后发生H的1,4还原加成；随后在KstA10的催化下4位C=O还原及脱水重新芳构化得到化合物1-OH蒽环中间体。该四酶协同体系依次催化蒽环区域选择性羟化-不对称还原去芳香化-区域选择性还原脱水重新芳构化。基于该体系开展的抗肿瘤药物阿克拉霉素的组合生物合成已经获得蒽环羟基易位的类似物，目前正在进行化合物的积累与活性评价。.三欣卡辛（TXN）是链霉菌产生的、同家族结构特殊的氧杂多环并芳环天然产物，具有显著的抗肿瘤活性。我们克隆了其完整的生物合成基因簇，通过同位素标记前体喂养实验确定了核心骨架的碳链走向，鉴定了独特的由异亮氨酸衍生的五碳单元作为PKS-II的起始单元；通过对氧化还原、糖基等其他后修饰单元相关的基因的敲除我们获得了系列突变菌株，经发酵、新化合物分离与结构鉴定得到了若干新结构类似物；通过对衍生物的抗肿瘤活性测试初步对TXN的结构活性关系进行了初步探讨，获得了两个有进一步开发潜力（抗肿瘤活性nM数量级）的新蒽环衍生物；这些阶段性成果为下一步深入的生物合成机制和相关药物研究奠定了基础。