上海有機(jī)所在手性螺環(huán)天然產(chǎn)物的形成和修飾研究方面獲重要發(fā)現(xiàn)
阿維菌素（Avermectins，AVEs）是一類產(chǎn)生于除蟲鏈霉菌、包含8個(gè)天然組分的16元大環(huán)內(nèi)酯類抗生素。具有相似骨架的抗生素還包括米爾倍霉素（Milbemycins，MILs）、梅嶺霉素（Meilingmycins，MEIs）和奈馬克?。?/span>Nemadectins，NEMs），結(jié)構(gòu)上均擁有一個(gè)與大環(huán)內(nèi)酯偶聯(lián)的特征性6,6-螺環(huán)單元。這類天然產(chǎn)物的發(fā)現(xiàn)，是抗蟲藥物發(fā)展歷史上的一個(gè)重要里程碑。阿維菌素選擇性作用于線蟲細(xì)胞的氯離子通道，對(duì)人畜毒副作用低，在家畜寄生蟲感染的治療和農(nóng)業(yè)病蟲害防治方面均有廣泛的應(yīng)用；特別是其22,23-位發(fā)生氫化的衍生物伊維菌素，被認(rèn)為是過去30年間用于人畜衛(wèi)生保健最為成功的抗蟲藥物之一。
阿維菌素的生物合成研究始于20年前。大量的前期研究數(shù)據(jù)表明，一組復(fù)雜的I型聚酮合成酶負(fù)責(zé)了糖苷部分碳鏈骨架的構(gòu)建；隨后，包括氧化還原、糖基轉(zhuǎn)移等一系列化學(xué)反應(yīng)形成了成熟的活性分子。但是，關(guān)于其特征性的6,6-螺環(huán)單元合成的分子機(jī)制一直不清楚：是否存在特定的酶催化了單一構(gòu)象的螺環(huán)形成？催化螺環(huán)上22,23-位的脫水反應(yīng)、決定“a”和“b”系列組分走向的控制因素是什么？這一基礎(chǔ)科學(xué)問題也長(zhǎng)期困擾了工業(yè)用阿維菌素生產(chǎn)菌株的生物技術(shù)改造，如何簡(jiǎn)化組分構(gòu)成、提高有效成分的比例缺乏可信賴的理論依據(jù)。
上海有機(jī)所生命有機(jī)化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉文課題組孫鵬博士、趙群飛副研究員等經(jīng)過艱苦努力，最近解開了這個(gè)謎團(tuán)（J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 1540-1548）。他們從分離入手，表征了極不穩(wěn)定的中間產(chǎn)物，闡明了以C17,C25-雙羥基-C21-酮基的線性基團(tuán)是6,6-螺環(huán)的直接前體；尤其是結(jié)合大量的體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)具有雙重功能的新型蛋白AveC，負(fù)責(zé)6,6-螺環(huán)單元的形成和修飾。首先，AveC是一個(gè)螺環(huán)合成酶，它以底物C21-位的酮基為中心，通過脫水環(huán)化立體專一性地催化了單一R-構(gòu)型的6,6-螺環(huán)單元生成。在缺乏該酶活性的條件下，不穩(wěn)定的中間產(chǎn)物將發(fā)生自發(fā)環(huán)化，形成S-和R-兩種構(gòu)型的產(chǎn)物，而S-構(gòu)型的類似螺環(huán)化合物在自然界中并不存在。其次，AveC還是一個(gè)脫水酶，區(qū)域選擇性地催化C23-位羥基的脫除并在C22-C23位形成雙鍵。值得注意的是，AveC的脫水活性和螺環(huán)合成活性既相互獨(dú)立，又相互競(jìng)爭(zhēng)同一個(gè)線性前體。其螺環(huán)合成活性顯然具有較高的容忍性，能夠同時(shí)接受C23-為羥基和C22-C23位為雙鍵的兩種底物，從而催化形成6,6-螺環(huán)單元上存在不同修飾的兩種產(chǎn)物。這是阿維菌素“a”和“b”系列組分產(chǎn)生的根源所在。
AveC螺環(huán)形成和脫水雙重功能的揭示具有重要的理論研究?jī)r(jià)值。阿維菌素的結(jié)構(gòu)類似物米爾倍霉素、梅嶺霉素和奈馬克丁的生物合成中均具有與AveC同源的蛋白負(fù)責(zé)6,6-螺環(huán)單元的合成；不同的是，這些同源蛋白喪失了脫水活性，后者的功能轉(zhuǎn)而由I型聚酮合成酶的脫水結(jié)構(gòu)域所替代、發(fā)生在碳鏈骨架聚合的過程中?？股?/span>Reveromycin的生物合成中也存在一個(gè)螺環(huán)合成酶RevJ，以相同的分子機(jī)制負(fù)責(zé)單一手性的6,6-螺環(huán)單元合成；然而，RevJ和上述AveC類蛋白在氨基酸序列上卻沒有任何同源性。這一有趣的現(xiàn)象表明，螺環(huán)合成酶在立體專一性控制螺環(huán)天然產(chǎn)物的形成方面具有普遍意義，其功能的進(jìn)化是受分子結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)而非以序列的同源性為基礎(chǔ)。
阿維菌素螺環(huán)形成和修飾的分子機(jī)制的發(fā)現(xiàn)具有重要的潛在應(yīng)用研究?jī)r(jià)值。劉文課題組在此基礎(chǔ)上，采用蛋白進(jìn)化技術(shù)調(diào)控了AveC的脫水活性，結(jié)合前期的代謝途徑遺傳修飾改造，實(shí)現(xiàn)了阿維菌素某單一活性組分的制備。所構(gòu)建的重組菌株在“中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所湖州生物制造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心”進(jìn)行了優(yōu)化和放大，達(dá)到了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的要求，并轉(zhuǎn)讓至國(guó)內(nèi)阿維菌素產(chǎn)品的主要生產(chǎn)廠家之一——浙江升華拜克藥業(yè)公司（目前，該公司正就阿維菌素單組份作為農(nóng)用殺蟲抗生素藥物進(jìn)行申報(bào)）。如能順利投產(chǎn)，將是單組份生物農(nóng)藥工業(yè)化生產(chǎn)和使用的重要突破，在生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)化、產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)化以及減少有機(jī)試劑使用和緩解與之相關(guān)的環(huán)境污染等方面具有廣闊的前景。
上述研究成果受到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、上海市科委和中國(guó)科學(xué)院的大力資助。
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