新型芳香聚酮类天然产物ABX的生物合成研究

Type II polyketides are a large class of aromatic natural products with a diverse range of biological activities. Although their memberships are huge, the types of scaffold are rather few and mostly belong to consecutive aromatic system. ABXs,a small group of type II polyketides diplay an array of excellent bioactivities,such as anti-bacterial activity and cholesterol-lowering activity. The scaffold of ABX is unprecedented, featuring a unique chiral oxo-bridged ring system, a rare non-consecutive aromatic system and an unusual chlorinated dimethyl anthraquinone moiety that is a highly potent bacterial FAS II inhibitor pharmacophore. So far, the biosynthesis of ABX has not been reported.In this proposal, we plan to elucidate the biosynthetic pathway of ABX, and uncover the novel enzymatic reactions for constructing the rare structural architecture. Meanwhile, we will try generating novel FAS II inhibitors by combinatorial biosynthesis and biotransformation.Our study will provide a critical opportunity to expand the knowledge for the biosynthesis of novel type II polyketide scaffold and set the solid stage to create scaffold diversity by genetic manipulation.

II型聚酮类化合物是一大类具有众多优良活性的芳香型天然产物，然而，尽管成员众多，但其芳环基础骨架类型却很少，多为连续共轭的芳环。ABX是一小类结构新颖、活性优良的II型聚酮化合物，其具有两个罕见的芳环骨架，包括一个非连续共轭的苯环和一个手性氧杂桥环骨架，此外，该类化合物还具有一个独特的（氯化）偕二甲基蒽醌结构，该结构是一类新型的高效抑制细菌FAS II蛋白的药效基团。迄今为止，有关ABX的生物合成研究未见报道。本项目将以ABX作为研究对象，阐明包括形成非共轭芳环骨架、手性氧杂桥环骨架以及氯化偕二甲基蒽醌基团在内的一系列酶催化反应机制，这将对发现新型II型聚酮芳环骨架折叠方式、创造芳环骨架的多样性和解析缩酮环化酶的催化机制具有十分重要的意义。同时，我们还将尝试利用组合生物合成和生物转化的手段获得氯化偕二甲基蒽醌类的FAS II抑制剂类似物，用于筛选活性更强、毒性更低的抗菌先导化合物。

本项目中，我们围绕新型聚酮化合物(-)-ABX和(+)-ABX的生物合成展开系统的研究。我们首先克隆了(-)-ABX，(+)-ABX的生物合成途径，通过基因敲除和异源表达方法确定了(-)-ABX完整生物合成基因簇及分布在染色体上的(+)-ABX的多个生物合成基因。随后通过中间体的分离鉴定，从(-)-ABX产生菌种分离鉴定了6个新化合物，揭示了特殊的氯化偕二甲基蒽醌基团的形成机制，证实了AbxI和O负责了蒽醌的偕二甲基化；在此基础上通过体外实验，进一步证实了甲基转移酶AbxP负责了角上三位羟基的甲基化，AbxF负责了10，12位的氯化。之后我们通过体内和体外以及结构生物学的手段，揭示了AbxJ负责了(-)-ABX中特殊的缩酮氧桥结构的形成，而在(+)-ABX中则由酮基还原酶负责形成。这两类完全不同缩酮氧桥形成机制的揭示，对天然产物的生物合成理论形成了较大的突破。最后我们通过将氯化酶AbxF导入到(+)-ABX中，获得了带有氯化偕二甲基蒽醌基团的两个(+)-ABX，验证了这类氯化酶用于FASII抑制剂药效团的生物合成。通过本项目的实施，我们较好的完成了既定目标，项目实施过程中已发表包括J Am Chem Soc在内的学术论文6篇，专利3项，另有多篇论文正在投稿和整理过程中。本研究成果为理解II型聚酮基础骨架的生物合成，结构多样化奠定了较坚实的基础。