苦马豆素的生物合成研究

Swainsonine (SW) is belongs to the family of polyhydroxy indolizine alkaloids isolated from the wild grass and its endogenous fungi. Due to its significant anti-cancer bioactivities, it has entered the phase II clinical trial in Switzerland and Japan as anti-cancer agent. However, due to its low yield in plants and fungi, difficulty in extraction and separation, high cost for chemical synthesis, the development of SW as drug has been greatly restricted. We identified a candidate gene cluster for SW biosynthesis in a fungus strain by bioinformatics analysis. We intended express the gene cluster by heterologous expression the whole gene cluster in Aspergillus nidulans, and elucidate the biosynthetic pathway of SW. Based on this, the biosynthetic pathway of SW will be modified to produce a series of SW analogs. This project will not only solve the problem of limit resources of SW, but also obtain lead compounds and discover new biosynthetic mechanism.

苦马豆素(swainsonine, SW) 是来自疯草或其内生菌的一种多羟基吲哚烷类生物碱。由于SW显著的抗肿瘤活性，其在瑞士和日本已作为抗癌药进入临床II期研究。然而SW在植物和真菌中的含量很低、提取分离难度大、化学合成成本高等因素制约了其药用研发的速度。前期从一株真菌基因组中鉴定了一个SW生物合成基因簇，拟利用构巢曲霉异源表达系统表达该基因簇，获得SW的高产菌株；同时阐明SW的生物合成途径，并在此基础上对其生物合成途径进行改造，获得一系列SW类似物。本项目的开展不仅可解决SW的来源问题，还有望获得新的先导化合物，发现新的合成机制。

苦马豆素（swainsonine, SW）是一类多羟基吲哚烷类生物碱，其因具有显著的抗肿瘤活性已进入II期临床研究；但是SW在植物和真菌中的含量很低、提取分离难度大、化学合成成本高的问题严重制约了新药开发速度。采用合成生物法对解决该类化合物的来源问题具有重要意义。本项目首次通过真菌异源表达策略实现了从赖氨酸（或者L-哌啶酸）到SW的生物合成，具有继续改造成工程菌株实现大量生产的可能。.截至目前，对于SW的生物合成途径仍存在很多悬而未决的问题。本项目通过异源表达、基因敲除、生物信息学分析、酶反应等多种手段较为全面的揭示了SW的生物合成途径。即具有特殊起始单元NRPS-PKS（swnK）催化L-哌啶酸生成亚胺生物碱，两个α-KG依赖的氧化酶基因swnH2、swnH1分别催化中间体亚胺生物碱2位和8位的羟基化反应，最后再在两个氧化还原酶swnN和swnR连续催化作用下实现终产物SW的8a位氢的立体构型变化。本项目还对特殊起始单元的NRPS-PKS进行了蛋白表达及酶催化产物分析，对揭示该类酶的酶学机制奠定基础。此外，SW及衍生物的对α-甘露糖苷酶均有抑制活性。.本项研究从基因-蛋白水平系统揭示了SW的生物合成机制，以上发现对于采用生物合成法高效、绿色地合成SW类天然产物开辟新的途径。