南海海洋所环酯肽类抗生素生物合成研究取得重要进展

2011-8-26 17:03 来源: 中国科学院
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  环酯肽类抗生素是一类结构复杂、生物活性活性显著的抗生素,是创新药物的重要源泉。黑莫他丁(himastatin)是由链霉菌产生的,组成其分子的六个结构单元以DL交替方式排列并且形成结构对称的二聚体,自其发现以来,以其新颖、复杂的结构特征和良好的抗菌、抗肿瘤活性引起了有机合成、药物化学和药理学等领域科学家的关注。

  利用生物合成和组合生物合成技术改造微生物活性代谢产物已经成为新药研究开发的重要手段。鉴于himastatin新颖的结构、良好的生物活性、化学全合成的难度和低收率及其蕴含的新颖的酶学机制,中国科学院南海海洋研究所海洋天然产物及其生物合成学科组鞠建华研究员领导的团队,经过三年的努力,综合运用微生物基因组学、细菌遗传学、分子生物学和天然产物化学等多学科专业技术,对具himastatin的生物合成机制进行了深入研究并取得了重要进展。

  研究人员通过基因组扫描测序和生物信息学分析获得了Himastatin的生物合成基因簇,揭示了其生物合成装配线上新颖的模块组织结构。其生物合成基因簇包含20个基因,分别编码4个非核糖体聚肽合成酶,2个硫酯酶,3个未知功能蛋白,1个乙酰谷氨酸激酶,3个调控蛋白,1个脱氢酶,2个 ATP结合转运蛋白,1个肽单氧化酶和3个细胞色素P450家族蛋白。研究人员通过文库构建和筛选,对12个功能基因进行了体内基因置换突变,对两个关键基因进行了回补实验,并对突变株的代谢产物进行了分析,从其中3个细胞色素P450基因突变株中分离鉴定了6个关键生物合成中间体或结构衍生物,阐明了 himastatin独特的生物合成途径和三种细胞色素P450氧化酶的后修饰功能,首次发现HmtN负责哌嗪酸结构单元的立体专一性和区域专一性羟化反应,HmtT负责催化色氨酸结构单元的环氧化-环化反应导致氢化吡咯吲哚三环结构的形成,HmtS负责天然对称小分子的区域专一性的芳环-芳环碳碳偶联反应。

  该项研究揭示了环酯肽类抗生素Himastatin独特的生物合成机制,发现了3种新功能细胞色素P450氧化酶能够在温和条件下完成区域专一性、立体专一性和非活化的芳香碳碳偶联反应。该项研究成果已发表于德国《应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 7797-7802)杂志。

  该研究工作得到国家自然科学基金、中科院“百人计划”等项目资助。