萘醌-氧吲哚类生物碱Coprisidins的生物合成机制研究

The structural novelty and biological acitivity of metabolites produced by insect microbes play important role in nature as chemical sources for biomedical purpose. Coprisidins are structually unique naphthoquinone-oxindole alkaloids from a gut-associated bacterium in the Dung Bettle, which can inhibit the action of Na+/K+-ATPase or induce NAD(P)H:quinone oxidoreductase. As we all known, the structures of coprisidins were dtermined to be the first examples of natural napthoquinone-oxindole alkaloids, however, the detailed biosynthetic mechanism still remains unclear. With the whole genome sequencing, bioinformatics analysis, genetic and biochemical approaches in vivo and in vitro, we aim to identify the gene cluster of coprisidins, to clarify the biosynthetic mechanism of naphthoquinone and oxindole, to analyze the natural biosynthesis pathway of coprisidins. It is benefical for further understanding the bisoynthesis of the naphthoquinone-oxindole alkaloids, exploring the novel catalysis mechanism of enzymes and synthesizing the coprisidins dervatives.

昆虫共生菌生存环境特殊，其次级代谢产物化学结构新颖、种类繁多，是新活性先导化合物的重要来源。Coprisidins是由韩国济州岛来源的蜣螂共生菌Streptomyces sp. SNU607产生的萘醌-氧吲哚类生物碱，化学结构新颖，是迄今为止首例含有萘醌结构的氧吲哚类天然产物，具有抑制Na+/K+-ATPase活性功能、诱导NAD(P)H依赖的醌氧化还原酶活性作用，是预防癌变的潜在靶点，具有重要的研究价值和应用前景。Coprisidins化学结构新颖，可能蕴藏着独特的生物合成机制，但其生物合成机理尚未阐明。本项目拟通过全基因组测序、生物信息学分析、体内遗传学和体外生化反应实验，确定Coprisidins生物合成基因簇，阐明萘醌、氧吲哚结构的生物合成机制，解析Coprisidins生物合成途径，不仅加深对萘醌-氧吲哚类天然产物生物合成途径的理解，也为探索新酶催化机制、新药开发提供新的机遇。

新颖结构的天然萘醌-氧吲哚类生物碱coprisidins(A和B)分离自昆虫肠道相关链霉菌，具有预防癌症的活性。作为首例具有萘醌-氧吲哚骨架的生物碱，对其独特生物合成机理的研究可为II型聚酮类化合物生物合成途径提供新的认知。项目研究过程中，通过开展如下工作，对coprisidin的生物合成机制进行深入解析：. 对coprisidins的产生菌Streptomyces sp. SNU607进行全基因组测序，并根据测序结果的生物信息学分析初步定位coprisidins的生物合成基因簇；通过基因敲除以及异源表达手段确定coprisidins的生物合成基因簇；基于体内遗传学实验与生物信息学分析初步推导 coprisidins的生物合成途径。Coprisidins的萘醌-吲哚结构是由II 型聚酮合酶催化形成，丁酰CoA是coprisidins聚酮骨架的起始单元，在最小PKS、聚酮酶、环化酶的催化下先形成类似蒽环的四环系统，随后在后修饰酶与氧化重排的作用下生成萘醌-氧吲哚骨架。本研究为进一步探究萘醌-氧吲哚类生物碱的生物合成机制奠定了基础，同时增加了II型聚酮天然产物的结构多样性，丰富了微生物生物碱次级代谢产物生物合成的理论。