隨著耐藥性問題日益加劇，新型先導(dǎo)化合物的需求持續(xù)增長。DNA作為關(guān)鍵藥物靶點(diǎn)，其靶向化合物在抗菌、抗瘧和抗癌等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。能夠與DNA發(fā)生共價(jià)結(jié)合的DNA烷基化天然產(chǎn)物，因其獨(dú)特的作用機(jī)制展現(xiàn)出顯著的生物活性，在抗癌和抗菌方面展現(xiàn)出巨大潛力。當(dāng)前已知的此類天然產(chǎn)物數(shù)量有限，仍需持續(xù)深入挖掘以拓展其結(jié)構(gòu)與功能多樣性，并為新型先導(dǎo)藥物的開發(fā)提供分子基礎(chǔ)。由于DNA烷基化天然產(chǎn)物對宿主自身具有較強(qiáng)毒性，相關(guān)微生物通常依靠獨(dú)特的自抗性機(jī)制來避免產(chǎn)生化合物時(shí)對自身可能帶來的傷害。研究表明，HEAT-like repeat或HTH-42超家族DNA糖苷酶成員可通過堿基切除修復(fù)（BER）通路清除DNA中被烷基化的堿基加合物，從而降低化合物對宿主的毒性。生命過程小分子調(diào)控全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室唐功利課題組長期致力于抗生素自抗性機(jī)制研究，已在萘啶霉素、CC1065、三欣卡辛和LL-D49194等經(jīng)典DNA烷基化天然產(chǎn)物的生物合成和自抗性機(jī)制方面取得系列進(jìn)展。
近日，該課題組在《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）發(fā)表了題為“Targeted Discovery and Characterization of Type-II PKS-NRPS Hybrid DNA-Alkylating Antibiotics”的研究論文（DOI: 10.1002/anie.202512820）。在該研究中，團(tuán)隊(duì)以HTH-42超家族自抗性基因?yàn)樘结?，定向挖掘出一個(gè)沉默生物合成基因簇xhn。通過激活該基因簇，研究者們從星海鏈霉菌（Streptomyces xinghaiensis）中分離并鑒定出一類結(jié)構(gòu)獨(dú)特的DNA烷基化天然產(chǎn)物——星?？ㄐ粒?/span>xinghaicarcins）。該類化合物具有一個(gè)復(fù)雜的環(huán)氧螺環(huán)螺縮酮七環(huán)骨架，并攜帶一個(gè)甲基哌啶酸邊鏈（圖1），顯示出其在結(jié)構(gòu)上的獨(dú)特性。
圖1.?星海卡辛的發(fā)現(xiàn)和鑒定
在對星?？ㄐ令惢衔锏纳锖铣蓹C(jī)制研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)該類化合物由II型聚酮合酶-非核糖體肽合成酶（PKS-II-NRPS）雜合體系協(xié)同組裝而成。轉(zhuǎn)氨還原雙功能酶?XhnB1、NRPS模塊蛋白?XhnB2?以及KSIII型酶?XhnA6?共同參與L-哌啶酸結(jié)構(gòu)單元的生物合成與上載，從而構(gòu)建聚酮–非核糖體肽類核心骨架。后續(xù)由甲基轉(zhuǎn)移酶?XhnM?催化完成N-甲基哌啶酸單元的形成。隨后，研究人員通過解析XhnM與星海卡辛-堿基加合物的共晶結(jié)構(gòu)，明確了星海卡辛中六個(gè)手性中心的立體構(gòu)型，為其立體化學(xué)確證提供了堅(jiān)實(shí)依據(jù)，并為不穩(wěn)定天然產(chǎn)物的立體化學(xué)解析提供了新思路。
圖2.?星海卡辛的生合成研究及立體構(gòu)型解析
含有環(huán)氧結(jié)構(gòu)的星?？ㄐ翆Χ嘀啬退幘?，包括金黃色葡萄球菌MRSA和表皮葡萄球菌MRSE，展現(xiàn)出顯著的抗菌活性。它們對多種癌細(xì)胞系亦表現(xiàn)出強(qiáng)效的細(xì)胞毒性。此外，研究者們進(jìn)一步揭示了星海卡辛的DNA烷基化機(jī)制：星?？ㄐ恋沫h(huán)氧結(jié)構(gòu)可被鳥嘌呤進(jìn)攻從而形成DNA-星?？ㄐ恋膹?fù)合物。最后，研究者們還發(fā)現(xiàn)HTH-42超家族蛋白XhnU2能夠解離DNA-化合物加合物，從而緩解星?？ㄐ恋亩拘?，進(jìn)一步明確了其自抗性機(jī)制。
本研究系統(tǒng)性地完成了星海卡辛的發(fā)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)解析、生物合成、生物活性、作用機(jī)制及自抗性機(jī)制的研究（圖3），拓展了DNA烷基化天然產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)多樣性，并為進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)更多高活性、新結(jié)構(gòu)的天然產(chǎn)物奠定了基礎(chǔ)。
生命過程小分子調(diào)控全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室唐功利研究員為通訊作者，聶秋玥博士、博士研究生方詩綺以及吳聯(lián)副研究員為論文的共同第一作者。上述研究工作得到了上海市科技重大專項(xiàng)，國家自然科學(xué)基金和生命過程小分子調(diào)控全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的資助。
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