Variecolortides的生物合成与组合生物合成研究

Polyketide and diketopiperazine natural products are important sources of clinical drugs. Variecolortides are a kind of alkaloid with an unprecedented ‘spiro-anthronopyranoid diketopiperazine’ skeleton and only produced in fungi, which show significant cytotoxic, antioxidant and caspase 3 inhibitory activities. Based on the gene cluster and proposed biosynthetic pathway, we will focus on the elucidation of the biosynthetic mechanism of the anthracycline, diketopiperazine and its polymerization by heterologous expression and in vitro biochemical methods. Next, we will modify the polyketide unit of variecolortides by combinatorial biosynthesis and chembiological strategies. The future goal of this project is to obtain derivatives with excellent bioactivities and set the stage for development of novel drugs with the hybrid skeleton of polyketide and diketopiperazine.

聚酮和二酮哌嗪类天然产物是重要的临床药物来源。Variecolortides是真菌特有、结构独特的螺-蒽醌吡喃二酮哌嗪生物碱，具有显著的细胞毒、抗氧化及caspase 3抑制活性。在已获得生物合成基因簇、初步阐明其生物合成途径的基础上，进一步采用异源表达与体外生化相结合的方法，深入探讨该类化合物蒽环、二酮哌嗪及其聚合的酶催化反应机制；在此基础上利用组合生物合成、体外酶催化相结合的策略对variecolortides的聚酮单元进行有目的的改造，以获得具有良好成药前景的结构衍生物，为新一代的聚酮-二酮哌嗪杂合类药物发现奠定基础。

Variecolortides是来自于真菌的结构独特的螺-蒽醌吡喃二酮哌嗪类生物碱，具有显著的生物学活性。本研究通过生物学信息，以及异源表达等方法确定了variecolortides的生物合成基因簇。进一步采用组合表达，基因敲除、中间体或类似物的分离鉴定，化合物的回补等实验，推测了相应酶的功能。通过异源表达和体外生化阐明了在variecolortides的聚合过程中，目标分子中蒽醌单元的羟化和二酮哌嗪环外的P450催化的脱氢过程是二者聚合产生二氢吡喃环的基础和关键过程。. 本项研究依据variecolortides的生物合成机制，采用三种形式的组合生物合成设计策略来实现目标分子及类似物的理性设计与获取：一是通过对variecolortides基因簇的不同缺失组合表达；二是有目的的选取可产生特定聚酮化合物的PKS基因与缺失PKS基因的variecolortides合成基因簇在构巢曲霉中进行异源共表达；三是在缺失PKS基因的variecolortides合成基因簇异源表达菌株中通过喂养特定聚酮化合物来实现组合表达。通过这三种方式，系统地构建起了该类天然产物的组合生物合成平台。. 本研究从基因-蛋白水平系统地阐述了variecolortides的生物合成机制，并构筑了该类化合物的组合生物合成平台，为高效、绿色的合成该类化合物和理性设计、获取新型类天然产物提供了新的策略和方法。