上海有機所在抗腫瘤天然產(chǎn)物絲裂霉素的生物合成研究方面取得進展
絲裂霉素是上世紀60年代于土壤鏈霉菌中分離得到的一類活性天然產(chǎn)物，大多數(shù)成員擁有吲哚醌并吡咯并氮丙啶的特征性6/5/5/3稠環(huán)骨架，化學(xué)合成十分困難。還原后的絲裂霉素具有高親電性，可導(dǎo)致細胞中DNA的烷基化。絲裂霉素具有良好的抗腫瘤活性，其中成員C對多種癌癥有效，臨床應(yīng)用已有半個多世紀。早期的同位素標記實驗表明，絲裂霉素來源于3-氨基-5-羥基苯甲酸（AHBA）、D-氨基葡萄糖（GlcN）和S-腺苷-L-甲硫氨酸（SAM）等生物前體。1999年，Sherman等人報道了絲裂霉素的生物合成基因簇。此后，SAM參與的骨架甲基化修飾以及AHBA和乙?；腉lcN前體（AHBA-GlcNc）在酰基載體蛋白（ACP）上的偶聯(lián)先后得以證實。如何進一步處理偶聯(lián)產(chǎn)物AHBA-GlcNAc以構(gòu)筑絲裂霉素特有的稠環(huán)骨架，過去20多年來知之甚少，很大程度上源于載體蛋白上代謝中間體的檢測與表征困難。深入研究絲裂霉素的生物合成機制，對絲裂霉素的工業(yè)生產(chǎn)、發(fā)酵菌種改造以及具有生理活性的類似天然產(chǎn)物的發(fā)現(xiàn)具有重要意義。
近期，中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所劉文課題組發(fā)展了一種基于基因工程的內(nèi)源表達體系，用于追蹤掛載在載體蛋白上的絲裂霉素中間體。結(jié)合生物信息學(xué)、基因敲除和代謝分析等手段，鎖定了脫乙酰酶MitF、自由基SAM酶MitD和NADPH依賴的還原酶MitF三個蛋白參與了糖苷前體AHBA-GlcNAc的處理與轉(zhuǎn)化。
課題組在載體蛋白上重構(gòu)了糖苷中間體AHBA-GlcN，在此過程中驗證了MitC的脫乙酰酶活性；以AHBA-GlcN為底物，證實了MitD和MitF以一種罕見的協(xié)作模式，共同負責(zé)末端為環(huán)氧的線性氨基糖中間體的形成。首先，還原酶MitF將載體蛋白上的底物AHBA-GlcN還原為線性的氨基糖。該反應(yīng)涉及半縮醛的互變異構(gòu)和NADPH參與的亞胺還原，在缺乏下游酶驅(qū)動的進一步轉(zhuǎn)化時并不容易發(fā)生。隨后， MitD利用SAM的均裂產(chǎn)生5'-脫氧腺苷自由基，攫取線性氨基糖上的氫原子，從而啟動一個由自由基介導(dǎo)、氧化還原凈結(jié)果為中性的脫水過程。產(chǎn)生的線性氨基糖中間體，為在載體蛋白上構(gòu)筑絲裂霉素特征性的稠環(huán)骨架提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
這一工作為絲裂霉素骨架構(gòu)筑過程的解析提供了新的見解，拓展了發(fā)生在載體蛋白水平上的生物合成研究，有望在合成生物學(xué)領(lǐng)域得以應(yīng)用，以設(shè)計和開發(fā)具有臨床應(yīng)用潛力的高張力稠環(huán)化合物。上述工作已經(jīng)在J. Am. Chem. Soc.上在線發(fā)表（DOI: 10.1021/jacs.2c06969），上海有機所劉文課題組王思禮博士為論文第一作者，該工作得到國家自然科學(xué)基金委的資助。
圖 絲裂霉素的生物合成機制研究進展
