利用氨基酸侧链修饰聚酮碳骨架的方法研究

Polyketides are an important resources of drug candidates. Structural modification is pivot for drug development, and extender units engineering is the most efficient approach for their carbon scaffold modification. However, this scope is currently restricted to simple aliphatic groups, due to 1) limited variety of CoA-linked extender units, which lack aromatic structures and chemical reactivity, and 2) narrow acyltransferase (AT) specificity, which is limited to aliphatic CoA-linked extender units. In order to challenge this bottleneck, we mined and uncovered a biosynthetic pathway which consists of an ammonia lyase, a CoA ligase and a crotonyl-CoA reductive carboxylase to covert phenylalanine into its CoA-linked extender unit. By a promiscuous AT domain this pathway can further introduce the extender unit into the splenocin carbon scaffold. In this project, we will continue to investigate the introduction of other amino acids’ sider groups into polyketide carbon scaffold based on this system. By coupling the ammonia lyase of tyrosine, histidine and aspartic, or deammonia/decarboxylation degradation pathway of lysine, orthinine, arginine and methionine with above CoA ligase/crotonyl-CoA reductive carboxylase and splenocin polyketide synthase, we wish to develop methods for introduction of these amino acids’ sider groups into polyketide carbon scaffold. The success of this study will not only benefit splenocin structural diversification, but also provides a systematic breakthrough towards current knowledge of polyketide scaffold engineering and facilitate further polyketide drug develop.

聚酮是新药的重要来源，其结构改造一直是研究的热点。改变生物合成延伸单元，是改造聚酮碳骨架的唯一高效方法。然而，当前其范围被局限在了简单烷基取代基，主要原因在于：作为合成砌块的延伸单元（辅酶A承载）均来自脂肪酸，其侧链都为简单烷基、负责其上载的AT模块的选择性也局限于简单烷基。针对该瓶颈，我们前期在splenocin途径中，揭示了一条基于氨基裂解酶/连接酶/巴豆酰还原羧化酶的途径，其可以将苯丙氨酸转化成延伸单元，并依靠一个具有广泛选择性的AT模块，将该延伸单元侧链引入到碳骨架中。本项目中，我们将基于该途径，研究酪氨酸，天冬氨酸、组氨酸氨基裂解酶与连接酶/巴豆酰还原羧化酶的对接；对赖氨酸，鸟氨酸、精氨酸和甲硫氨酸等没有裂解酶的氨基酸，设计了脱胺脱羧降解途径与上述途径的对接，发展将氨基酸侧链引入到聚酮碳骨架的方法。这些方法的建立，将极大的丰富聚酮结构的改造手段，对聚酮药物开发起到积极的促进作用。

本项目中，我们以九元双内酯类天然产物Antimycin和UK-2A为研究体系，对氨基酸类延伸单元的生物合成以及改造聚通碳骨架进行了研究。我们首先阐明了UK-2A的生物合成途径，发现了其合成途径具有极为宽泛的底物选择性并建立了UK-2A的体外生物全合成体系，获得了14种新结构的UK-2A类似物。其次，我们发掘和改造了一个底物选择性高度宽泛的高效CoA ligase UkaQ，并用其合成了各种脂肪酸和芳香酸类的酰基CoA。再次，我们解析了一类底物选择性非常宽的AT与底物的复合物晶体结构；阐明了AT底物选择性的保守机制，并成功改造了红霉素AT的底物选择性。通过组合CoA ligase，CCR我们之后成功的建立了含有邻，间，对位取代的氯代，溴代苄基丙二酸延伸单元的合成途径，并通过与UK-2A和Antimycin途径整合将这些单元成功引入到了聚酮碳骨架中。最后，我们对赖氨酸，半胱氨酸和鸟氨酸，酪氨酸，色氨酸和组氨酸来源的羧酸底物合成延伸单元进行了研究，发现赖氨酸，半胱氨酸和鸟氨酸末端的活泼官能团会导致CoA底物自发成环，而酪氨酸，色氨酸和组氨酸来源的丙二酰单酰辅酶A不能被AT识别，因此对这些底物的末端活泼官能团和PKS的AT功能域进行了改造，目前这部分工作还在进行中。通过本项目的实施，我们较好的完成了绝大部分的既定目标以及超额完成了拓展任务，项目实施过程中已发表包括Nature Comm, Angew Chem Int Ed在内的SCI学术论文8篇，专利1项，另有多篇论文正在投稿和整理过程中。本研究成果为建立多元化的延伸单元生物合成途径以及聚通骨架的改造奠定了较坚实的基础。