以抗菌活性为导向的安普霉素生物合成机制研究及其理性改造

Aminoglycosides are large class of broad-spectrum antibiotics possessing a featured aminocyclitol core decorated by one or more amino-sugars. Several members of this class have been widely used in clinic as the anti-infection drugs for decades of years. However, heavy usage of aminoglycoside antibiotics resulted in the rapid spread of drug-resistant pathogens, which has greatly limited their clinical practice. Therefore, there is an urgent need to develop new aminoglycoside antibiotics with novel chemical structures and distinctive mode of actions. Apramycin, the target compound in this project, belongs to the 2-deoxystreptamine (2-DOS) aminoglycoside antibiotic. The extremely low nephrotoxicity and ototoxicity and rare resistance of apramycin, which is determined by its highly unique bicyclic octose amine moiety, has made apramycin an ideal model for the development of novel aminoglycoside antibiotics. We have previously revealed the parallel pathways in the biosynthesis of apramycin. In this study, we will set out to elucidate the novel enzymatic reactions underlying the assembly of the unique octose moiety through various chemical biology methods. Moreover, under the guidance of apramycin's target sites on 16s rRNA and its structure-activity relationship, we will rationally design a series of structural analogs of apramycin, and generate them by performing the combinatorial biosynthesis and precursor compounds feeding experiments.

氨基糖苷抗生素是一大类具有广谱抗菌活性、化学结构中包含氨基糖和氨基环醇等特征构造单元的天然产物，其多个成员是临床上经典的抗感染药物。随着氨基糖苷抗生素的长期使用，甚至滥用，所导致的病原菌对该类药物的耐药性问题日益严重，因此，发现和发展具有新型化学结构及作用机制的氨基糖苷抗生素已成当务之急。本项目的研究对象安普霉素（Apramycin）属于2-脱氧链霉胺类氨基糖苷抗生素，其独特的辛二糖胺结构单元所赋予的特殊抗菌靶点，以及低肾毒、耳毒、且很少产生耐药性等特征，使安普霉素成为开发新型氨基糖苷药物的优质模型。本项目拟在前期成功揭示安普霉素生物合成平行途径的基础上，综合运用化学生物学手段，深入解析辛二糖胺这一独一无二的八碳糖骨架生物合成过程中所蕴含的新型酶催化机制，并在理解安普霉素作用靶点和构效关系的前提下，运用组合生物合成结合前体化合物喂养等技术手段，对安普霉素的化学结构进行理性改造。

氨基糖苷抗生素是一大类具有广谱抗菌活性、化学结构中包含氨基糖和氨基环醇等特征构造单元的天然产物，其多个成员是临床上经典的抗感染药物。随着氨基糖苷抗生素的长期使用，甚至滥用，所导致的病原菌对该类药物的耐药性问题日益严重，因此，发现和发展具有新型化学结构及作用机制的氨基糖苷抗生素已成当务之急。本项目的研究对象安普霉素（Apramycin）属于2-脱氧链霉胺类氨基糖苷抗生素，其独特的辛二糖胺结构单元所赋予的特殊抗菌靶点，以及低肾毒、耳毒、且很少产生耐药性等特征，使安普霉素成为开发新型氨基糖苷药物的优质模型。本项目深入解析了安普霉素生物合成途径中由磷酸转移酶AprU，酰胺水解酶AprP，甲基转移酶AprI，碱性磷酸酶AprZ所介导的骨架后修饰机制，证明了安普霉素生物合成途径中假三糖的催化逻辑，即AprU催化乙酰化假三糖中间体的O-5磷酸化修饰，并被AprP特异识别发生7’-N去乙酰化反应，后经AprI催化发生7’-N甲基化修饰，由此揭示了安普霉素产生菌中存在7’-N乙酰化和5-O磷酸化修饰的双层自抗性机制。本项目还进一步探索了7’-N甲基化的生物学意义，结果显示7’-N甲基化并未影响安普霉素与靶点的亲和力，暗示安普霉素存在第二靶点的可能性。同时，本项目对安普霉素的辛二糖环这一独特构造单元的合成机制进行了探索，甘油同位素示踪结果显示，与辛二糖环合成相关的 C7’-C8’二碳单元来自于甘油代谢途径中的某个中间体，蛋白质组分析进一步暗示安普霉素辛二糖环的合成可能是由NRPS-PKS催化引入。本项目执行期间，上述研究结果先后发表于Angew. Chem. Int. Ed. Engl.，Natural Product Reports，Organic Chemistry Frontiers, Frontiers in Microbiology等化学生物学领域高水平期刊，不仅为后续全面揭示安普霉素辛二糖环的特殊催化机制提供了方向借鉴，也为组合生物合成和化学合成新一代氨基糖苷抗生素提供了理论依据。