抗肿瘤多环天然产物的生物合成与调控研究

Natural products are a class of organic compounds with complex structures and diverse biological activities, produced by the secondary metabolism of organisms. Natural products are the very important resources for drug discovery and development, as well as one of the most important tools for the study of biological functions and interactions of biomolecules. Natural products are synthesized in vivo by a series of ordered enzyme-catalyzed chemical reactions. In this project, several polycyclic natural products with significant anti-tumor activity will be chosen as the research targets. We will systematically investigate the enzymatic reactions involved in the biosynthesis of these natural products and clarify the enzymatic mechanism of the novel enzymatic reactions at the molecular level. The regulatory mechanism of how these enzymatic reactions can coordinately and orderly function will also be thoroughly studied in this project. In addition, based on the understanding of the biosynthetic mechanism, we will create the “non-natural” natural products with their structures modified that can be produced with excellent yield through the rational manipulation of their biosynthetic pathways. Our studies can theoretically reveal biochemical reactions and enzymatic mechanisms existing in nature, and on the other hand can make full use of biotechnology to generate the structural derivatives of these natural products for drug screening, as well as provide biosynthetic model for the synthesis of compounds with complex structure by designed biosynthetic pathway and promote applications of synthetic biology in the manufacture of small molecule drugs.

天然产物是由生物在次级代谢过程中形成的结构复杂、生物活性多样的有机化合物，是现代药物发现与发展的重要来源，也是研究生物大分子的生物功能及相互作用的重要工具之一。天然产物在生物体内是由一系列有序的酶催化的化学反应组装合成的。本项目拟以具有显著抗肿瘤活性的多环天然产物为研究对象，系统研究负责这些天然产物合成的酶催化反应，在分子水平上阐明其中新颖的酶催化反应的酶学机理，深入揭示这些酶催化反应能够协同有序工作的调控机制，并在生物合成机制的指导下，对生物合成途径进行合理的调控与改造，实现对这些天然产物的结构修饰和高产优产。通过这些研究，一方面可以在理论上揭示自然界存在的全新生物化学反应及酶学机理，另一方面可以充分利用生物技术对天然产物进行结构改造，为新药筛选提供优质化合物资源，同时为人工设计生物合成途径合成结构复杂化合物提供模型，推动合成生物学在小分子药物合成中的应用。

天然产物是药物的重要来源，据统计约50%的药物来源于天然产物，特别是抗肿瘤和抗感染药物，这个比例超过60%。尽管天然产物生物活性优异，但是结构复杂，难以通过化学方法进行结构改造和大量生产，以满足药物的需求。天然产物生物合成为解决这些问题提供了基础。. 本项目针对具有显著抗肿瘤活性、结构上含有多环的复杂天然产物开展生物合成研究。通过基因组测序和克隆同源基因的方法，分别克隆了苯并双吡咯家族生物碱CC-1065和谷田霉素、甲基色氨酸来源的链黑菌素和迈瑞霉素、II型聚酮来源的LL-D49194a1（LLD）和云雀霉素的生物合成基因簇。通过前体物喂养和基因敲除及回补研究推导了这些天然产物结构与基因之间的对映关系，利用体外生物化学和结构生物学的研究分别阐明了CC-1065和谷田霉素的环丙烷单元、迈瑞霉素的2-氧吲哚单元、链黑菌素的Beta-咔啉碱单元、LLD多元芳香环等这些官能团形成的酶学机制，以及包括糖基化、甲基化等后修饰过程的酶催化机制。天然产物生物合成需要酶催化的反应协同有序地进行，那么需要底物的摄取、酶表达的时序、产生菌的自身抗性以及产物的外排过程，因此本项目还阐明了谷田霉素和CC-1065生物合成的特殊自抗性机制，利用一个特殊的水解酶催化古田霉素和CC-1065的环丙烷结构单元的断裂从而解除这些化合物对生产者自身的伤害；此外在链黑菌素生物合成途径中发现了一种特殊的保护机制，是利用四个羧甲基转移酶催化合成中间体的羧基甲酯化，从而达到对羧基的化学保护和对宿主的保护，并且通过细胞膜结合的水解酶与转运蛋白偶联，确保合成完整的链黑菌素释放到细胞外。在理解生物合成机制的基础上，利用途径工程和基因工程的技术手段，对LLD和阿克拉霉素A进行结构改造，获得结构简化且活性高于LLD的化合物和异阿克拉霉素。通过本项目的研究揭示了自然界合成结构复杂天然产物的规律和模式，为合成生物学构建人工生物合成途径提供了模板和催化及调控元件。相关成果在JACS、Nat Commun、ACS Catal.等期刊发表论文21篇。