海洋放线菌来源thiostrepamide的生物合成机制研究及结构优化

Thiostrepamide 1078-H6D is a new peptide natural product derived from marine Actinomyces and has significant antitumor activities. There are several thioamide functional groups in the structure of thiostrepamide 1078-H6D, which is very rare in nature. To date, it remains unknown how thioamide bond is formed in microorganism (biosynthesis mechanism) and how thioamide affects the biological activities (pharmacological effects). This project is intended to carry out the research focusing on firstly the biosynthesis of thiostrepamide 1078-H6D, to find the key enzymes and to clarify the catalytic mechanism in forming thioamide bond. On the base of biosynthetic results, a combinatorial biosynthesis will be utilized to produce structural analogues. By amino acid mutations in the precursor peptide structural analogues will be prepared in an efficient and rapid way and in a large amount. The production potential of microbial system will meet the requirements in the creation of structural diversity, structure-activity relationship and pharmacological mechanism and other aspects of the analogues. The research will reveal the role of thioamide in pharmacological activities. We will also screen out the lead compounds with enhanced activity and weakened toxicity by in vitro and in vivo pharmacological evaluation. The research will provide scientific basis and lead compounds for developing new marine drugs with independent intellectual property rights in China.

硫链丝酰胺（thiostrepamide）1078-H6D是一种来源于海洋放线菌的新型核糖体肽，具有显著的抗肿瘤活性。其结构中含有多个硫代酰胺（thioamide）官能团，在天然产物中极为罕见，这一特异官能团的“来龙”（微生物体内如何产生）和“去脉”（在生物活性中的贡献）目前均不清楚。围绕着解答上述两个科学问题，本项目拟首先开展生物合成研究，重点阐明硫代酰胺键形成的新颖酶学基础和催化机制。在此基础上，发展前体肽氨基酸突变的组合生物合成方法，利用微生物体系的制造潜力实现结构类似物的高效、快速合成和大量制备，满足该类化合物在结构多样性创造、构效关系研究和作用机制研究等方面的共同需求，揭示硫代酰胺在药理活性中的作用；并从中筛选出活性增强、毒性减弱的先导化合物，进行体内药效学评价，为开发出具有我国自主知识产权的海洋新药提供科学依据和物质基础。

硫代酰胺类天然产物（thiostrepamide）是含有特殊硫代酰胺键的核糖体肽（RiPPs），围绕该类天然产物的生物合成和化学多样化拓展，我们开展了系列工作：1）采用异源表达的方式进行thioviridamide类似物的发酵制备，对核心肽的关键氨基酸进行饱和突变，成功获得了4个突变体；2）对结构中特殊氨基酸（β-羟基-N,N-二甲基组氨酸，hdmHis）的生物合成进行研究，利用基因敲除和突变产物鉴定的方法，确定2个酶tvaG和tvaJ参与了hdmHis的生物合成，在E. Coli体系进行TvaG和TvaJ的体外测活反应，证明其分别负责催化咪唑上的N,N-二甲基化和His上的β-羟化，研究结果加深了RiPPs天然产物翻译后修饰机制及多样化拓展方面的认识。3）利用全基因测序和基因挖掘的策略，从野生菌株中发现了I型PKS类化合物venturicidins的生物合成基因簇（BGC），并获得3个新结构类似物，活性研究表明其对人白血病细胞MV-4-11具有选择性抑制活性。还发现了pentalenolactone型倍半萜BGC及其2个新衍生物。4）从链霉菌S. flaveolus中发现了9个新颖的具有5/6/8二氢呋喃并benzo[b]azocin结构的安莎菌素类似物ansafurantrienins A−H，确定了这些化合物的结构和绝对构型，并验证了其在365nm波长UV光和氧气条件下发生分子内[3+2]环合的过程。5）此外，从海洋链霉菌AH25中发现了2种caryolane型倍半萜新成分；从稀有海洋放线菌MYH522中发现了4种大环内酰胺新结构Fluvirucins B7–B10。6）对微生物来源的安莎三烯类天然产物、海洋小单孢菌来源的天然产物以及茚满霉素类天然产物进行了详细综述。.上述研究结果在J. Am. Chem. Soc.，Org. Lett.，Eur. J. Med. Chem.，J. Nat. Prod.，RSC Adv.，Molecules, Chem. Biodivers.等SCI期刊上发表论文10篇，核心期刊论文2篇，申请国家发明专利2项。研究过程中联合培养硕士研究生7名，与中科院上海有机所刘文研究员、上海海洋大学吴文惠教授和浙江工业大学吴杰群研究员形成良好的合作关系。