抗肿瘤天然产物新奇生物合成和自我保护机制研究取得重要进展

结构独特、活性显著的天然产物是大自然进化的结果，对这些天然产物进行生物合成研究是从基因、生物合成途径及酶催化反应角度理解自然界生物-化学的合成、调控及拮抗过程，对于新结构发现与创造以及复杂化合物高效制备均具有重要推动作用。近日，中国科学院上海有机化学研究所唐功利研究员课题组在复杂抗肿瘤天然产物的生物合成研究中取得了重要进展，相继发现了一系列新奇的生物合成过程，并揭示了一种独特的微生物自我保护机制。

萘啶霉素(Naphthyridinomycin，NDM)、奎诺卡星(Quinocarcin，QNC)及Ecteinascidin 743 (ET-743)都具有显著的抗肿瘤活性，其中ET-743已发展为第一例海洋天然产物来源的抗肿瘤新药。这三种化合物都具有一个独特的二碳单元结构，其生物合成来源问题一直没有得到解决。为了揭示这一谜团，唐功利课题组在克隆了NDM和QNC生物合成基因簇的基础上，通过前体喂养标记、体内相关基因敲除-回补，以及体外酶催化反应等多种实验手段相结合的方式阐明了二碳单元的独特生源合成机制：一组独特的双组分转酮酶负责催化二碳单元由酮糖转移至酰基承载蛋白上，而后经过非核糖体肽合成酶途经进入到最终的化合物中 (Proc. Natl.Acad. Sci. USA, 2012, 109, 8540)。这种将基础代谢中的酮糖直接转化为次级代谢所需要的二碳单元在非核糖体肽合成中是首次报道，该研究结果也有助于揭示海洋药物ET-743独特的二碳单元生物合成来源。

抗生素谷田霉素（Yatakemycin，YTM）可以抑制致病真菌，且对肿瘤细胞表现出极强的毒性（比抗肿瘤药物丝裂霉素的活性高约1000倍）；该家族化合物属于DNA烷基化试剂，典型的结构特征是吡咯吲哚环上的环丙烷结构。为了阐明其独特的生物合成机制，该课题组利用全基因组扫描技术定位其生物合成基因簇，通过基因敲除结合生物信息学分析确定了基因簇边界。在对突变株的发酵检测中成功分离鉴定了中间体YTM-T的结构，并结合体外生化实验揭示了一类同源于粪卟啉原III-氧化酶的甲基化酶以自由基机理催化YTM-T发生C-甲基化。这是此类蛋白催化自由基甲基化反应的首例报道（J.Am. Chem. Soc., 2012, 134, 8831），为下一步阐明YTM结构中最重要的环丙烷部分生物合成途径奠定了基础。在此基础上，通过体内基因敲除、互补、异源表达与体外生化、结构模拟突变等系统功能研究，揭示了第一例来源于微生物次生代谢的糖基水解酶参与的碱基剪切修复机制，其生理功能是参与YTM的自身抗性机制，从而保护产生菌免受YTM这一高活性DNA烷基化剂自身的伤害(Angew. Chem. Int.Ed. 2012, 51, 10532)。这一独特机制的发现也引起了同行的关注(Nat. Chem.Biol. 2012, 8, 873)。