II型脂肪酸合成酶抑制剂U-68204生物合成的研究

Searching for new drug-targets and the corresponding antibiotics becomes an urgent demand currently, since the increase of drug-resistant pathogenic bacteria in clinical application. Natural products with thiotetronate ring were known for their specific inhibition to the type II fatty acid synthase (FAS II) in bacteria however had no function to FAS I in mammalian, which assigned them high potential being broad-spectrum, low-toxic antibiotics. The natural thiotetronates reported to date share a high similarity in chemical structure, and the total synthesis has accomplished in 1984. However, the biosynthesis of natural thiotetronates has not been elucidated yet. Our proposal is going to focus on U-68204, a thiotetronate antimicrobial agent produced by Streptomycins thiolactonus NRRL15439 to determine the U-68204 biosynthetic gene cluster based on inactivation of the candidate genes selected by genome analysis, and finally to elucidate the biosynthetic pathway of U-68204 by isotope labeled substrates feeding, in vivo mutation and in vitro assay.

由于传统类型抗生素正面临严峻的耐药性问题，更多新的药物作用靶点及相应的新型抗生素的开发正成为抗生素药物研究的热点。硫内酯环类天然产物能特异抑制细菌的II型脂肪酸合成酶（FAS II），而对哺乳动物的FAS I无抑制作用，存在开发为新型广谱、低毒抗生素的重要潜力。该类化合物的化学结构十分相似，仅在硫内酯环的C-3和C-5位存在不同酰基的修饰，其全化学合成已于1984年完成，但是生物合成机制一直没有阐明。本申请以硫内酯环类化合物U-68204为研究材料，对其产生菌Streptomycins thiolactonus NRRL15439进行全基因组扫描，基于生物信息学分析对相关的生物合成基因进行敲除,确定U-68204的生物合成基因簇。通过底物喂养、体内遗传学和体外生物化学手段研究U-68204的完整装配路线，阐明这一特殊硫内酯环类天然产物的生物合成途径。

硫内酯环类抗生素是一类新型广谱、低毒的抗菌天然产物，该类化合物能够特异失活细菌体内II型脂肪酸合成酶系中的FabB, FabF和FabH，而对哺乳动物的I型脂肪酸合成酶无活性。同时，该类化合物存在有特殊的杂合硫内酯环结构，是研究硫原子在天然产物中新型掺入机制的良好材料。本项目综合利用比较基因组学、分子遗传学和合成生物学等研究手段，确定了硫内酯环类抗生素的碳骨架由一可重复使用的聚酮合酶/非核糖体肽合成酶负责合成；同时证明了硫内酯环上硫原子的掺入利用了初级代谢中的半胱氨酸脱硫酶和硫化酶基因（位于基因组上距离碳骨架生物合成基因簇不相邻的区域）。本项目中硫内酯环类抗生素生物合成基因簇的定位和对其中相关基因的功能解析将极大的推动后续对硫内酯环类抗生素生物合成机制的研究，以及利用组合生物合成技术获取大量该类抗生素衍生物。