一类抗幽门螺旋杆菌大环内酯化合物的生物合成研究

Streptoseoulmycin (1), deminacimin (2), luminamicin (3), nodusmicin (4), and nargenicin (5) are five macrolactones produced by five different actinomycetes. The skeleton of these complicated macrolactones with polycyclic rings is different to the other macrolactones, representing a new family of macrolactone. More importantly, compounds 1-3 showed very potent anti-Helicobacter pylori activity in vitro. The similar structural features of compounds 1-5 suggested their biosynthetic gene cluster are highly conserved. So, in this project, we will carry out comparative biosynthetic studies to discover the biosynthetic gene clusters, to understand the function of some key proteins, to elucidate the whole biosynthetic pathway, and to generate “unnatural” natural products by combinatorial biosynthesis for anti-Helicobacter pylori assay.

Streptoseoulmycin（1）、deminacimin（2）、luminamicin（3）、nodusmicin（4）和nargenicin（5）是由五株不同放线菌产生的五个结构相近的大环内酯。这些化合物结构复杂、环系众多，骨架特征有别于其它的化合物，代表着一类新结构类型的大环内酯，其中化合物1-3还有很强的抗幽门螺旋杆菌活性。这类化合物诸多相似的结构特征暗示与它们生物合成相关的基因也高度同源。本课题将通过对它们生物合成途径的比较研究，揭示这五个分子的生物合成基因簇，了解关键蛋白的功能和作用机制，推导出完整的生物合成路线，并经组合生物合成构建“非天然”产物化合物库，筛选出活性更强的抗幽门螺旋杆菌化合物。

幽门螺旋杆菌是与人类健康密切相关的一类微需氧病原菌。Streptoseomycin（1）、deminacimin（2）、luminamicin（3）、nodusmicin（4）和nargenicin（5）是由五株不同放线菌产生的五个结构相近的大环内酯天然产物，这些化合物结构复杂、骨架特征有别于其它化合物，代表着一类新结构类型的大环内酯，其中化合物1-3还有很强的抗幽门螺旋杆菌活性。本项目聚焦汉城霉素（Streptoseomycin）的生物合成过程，采用比较生物学手段阐明这类大环内酯类化合物生物合成途径，重点研究其中蕴涵的新型酶学机制，通过组合生物学手段对相关基因和蛋白进行改造，从而产生活性显著的抗幽门螺旋杆菌药源小分子。目前取得的研究成果具体如下：首次发现汉城霉素并通过异源表达鉴定其生物合成基因簇；通过生物信息学分析，结合体内基因敲除、体外生化、量子化学计算、分子动力学模拟和蛋白晶体学等研究，表征了自然界首例可催化[6+4]/[4+2]环加成反应的酶StmD，该工作拓展了人们对周环反应酶的认识，启发科学家利用和改造周环反应酶来实现有价值的分子转化；对汉城霉素基因簇上的三个氧化还原酶StmO1O2、StmK进行了研究，该工作揭示了自然界是综合利用酶促与非酶促反应，准确经济地合成天然产物；在项目研究期间，我们运用基因挖掘手段从该菌株中发现一条可能负责安莎霉素类天然产物生物合成基因簇，通过异源表达成功发现了一类新型安莎霉素类化合物。