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上海有机所在抗肿瘤天然产物丝裂霉素的生物合成研究方面取得进展
2022-08-12 生命有机化学国家重点实验室 | 【】【打印】【关闭
  丝裂霉素是上世纪60年代于土壤链霉菌中分离得到的一类活性天然产物,大多数成员拥有吲哚醌并吡咯并氮丙啶的特征性6/5/5/3稠环骨架,化学合成十分困难。还原后的丝裂霉素具有高亲电性,可导致细胞中DNA的烷基化。丝裂霉素具有良好的抗肿瘤活性,其中成员C对多种癌症有效,临床应用已有半个多世纪。早期的同位素标记实验表明,丝裂霉素来源于3-氨基-5-羟基苯甲酸(AHBA)、D-氨基葡萄糖(GlcN)和S-腺苷-L-甲硫氨酸(SAM)等生物前体。1999年,Sherman等人报道了丝裂霉素的生物合成基因簇。此后,SAM参与的骨架甲基化修饰以及AHBA和乙酰化的GlcN前体(AHBA-GlcNc)在酰基载体蛋白(ACP)上的偶联先后得以证实。如何进一步处理偶联产物AHBA-GlcNAc以构筑丝裂霉素特有的稠环骨架,过去20多年来知之甚少,很大程度上源于载体蛋白上代谢中间体的检测与表征困难。深入研究丝裂霉素的生物合成机制,对丝裂霉素的工业生产、发酵菌种改造以及具有生理活性的类似天然产物的发现具有重要意义。
  近期,中国科学院上海有机化学研究所刘文课题组发展了一种基于基因工程的内源表达体系,用于追踪挂载在载体蛋白上的丝裂霉素中间体。结合生物信息学、基因敲除和代谢分析等手段,锁定了脱乙酰酶MitF、自由基SAM酶MitD和NADPH依赖的还原酶MitF三个蛋白参与了糖苷前体AHBA-GlcNAc的处理与转化。
  课题组在载体蛋白上重构了糖苷中间体AHBA-GlcN,在此过程中验证了MitC的脱乙酰酶活性;以AHBA-GlcN为底物,证实了MitD和MitF以一种罕见的协作模式,共同负责末端为环氧的线性氨基糖中间体的形成。首先,还原酶MitF将载体蛋白上的底物AHBA-GlcN还原为线性的氨基糖。该反应涉及半缩醛的互变异构和NADPH参与的亚胺还原,在缺乏下游酶驱动的进一步转化时并不容易发生。随后, MitD利用SAM的均裂产生5'-脱氧腺苷自由基,攫取线性氨基糖上的氢原子,从而启动一个由自由基介导、氧化还原净结果为中性的脱水过程。产生的线性氨基糖中间体,为在载体蛋白上构筑丝裂霉素特征性的稠环骨架提供了结构基础。
  这一工作为丝裂霉素骨架构筑过程的解析提供了新的见解,拓展了发生在载体蛋白水平上的生物合成研究,有望在合成生物学领域得以应用,以设计和开发具有临床应用潜力的高张力稠环化合物。上述工作已经在J. Am. Chem. Soc.上在线发表(DOI: 10.1021/jacs.2c06969),上海有机所刘文课题组王思礼博士为论文第一作者,该工作得到国家自然科学基金委的资助。
图 丝裂霉素的生物合成机制研究进展
 
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