真菌聚酮化合物生物合成研究进展

具有广泛生物活性的真菌聚酮化合物因具有复杂的化学结构,其生物合成途径一般包含多样且新颖的酶催化反应。文中主要综述了2013-2016年来源于还原性聚酮合成酶(HR-PKSs)、非还原性聚酮合成酶(NR-PKSs)、聚酮-非核糖体多肽合成酶(PKS-NRPSs)和还原性-非还原性聚酮合成酶(HR-NR PKSs)杂合型等四大类型的真菌聚酮类化合物的生物合成研究进展。众多真菌聚酮类化合物生物机理的阐明,为未来新型真菌聚酮类天然产物生物合成基因簇的挖掘、新结构化合物的发现及其类似物的研究提供了方向和理论基础。     

聚酮类抗生素生物合成基因簇间的关系

<正>放线菌基因组测序显示基因组中平均有超过20个以上的次生代谢生物合成基因簇,但通常放线菌在试验条件下能检测到的产物仅有2-3个,因此这些次生代谢生物合成基因簇引起了研究者的极大关注,期望通过基因组的挖掘来发现新的代谢产物。除虫链霉菌(Streptomyces avermitilis)产生的16元大环内酯化合物阿维菌素及衍生物被广泛用于防治动植物的线虫类和节肢动物类害虫[1-2]。除虫链霉菌的基因组中,除了阿维菌素生物合成基因簇外,还有其它11种聚酮合成酶类(Polyketide synthesase,PKS)抗生素生物合成基因簇[3]。由于聚酮化合物生物合     

链霉菌来源的苯并异色烷醌家族抗生素的生物合成

苯并异色烷醌(benzoisochromanequinones,BIQs)家族抗生素是由链霉菌产生的聚酮类抗生素,其芳香聚酮母核结构中含有并联的两个芳香环和一个吡喃环,具有抗菌、抗肿瘤等多种生物学活性。BIQ抗生素聚酮链的早期生物合成过程代表了芳香聚酮抗生素母核的典型合成机制,而不同的后期修饰则决定了它们结构和生物学活性的多样性。在过去的二十几年中,以放线紫红素和美达霉素为研究重点,BIQ家族抗生素的生物合成机制逐渐得到揭示,但在后期结构修饰方面仍有许多问题有待解决。本文对BIQ家族抗生素的生物合成机制研究进行了综述,比较了不同BIQ家族抗生素结构特点、生物学活性,并重点阐述了它们生物合成中的后期结构修饰和调控过程的研究进展,并对BIQ抗生素在代谢工程方面的研究进行了展望。     

抗生素中L-玫红糖的生物合成基因簇结构与其合成途径

抗生素的生物合成过程中普遍存在被脱氧糖糖基化的现象。糖基的存在可以增加抗生素的溶解度和稳定性．提高抗生素的生物活性。L-玫红糖是6-脱氧己糖家族中的一种三脱氧葡萄糖。目前已有5种含有玫红糖及其衍生物的抗生素完成了糖基生物合成基因簇克隆及测序。研究结果表明L-玫红糖的生物合成基因簇有了一定的分化．但在基因结构上仍有较大的保守性。L-玫红糖的生物合成主要包括形成dNDP-葡萄糖、脱水、脱氧、酮基还原和异构等反应,其衍生物的合成还包括甲基化、酰基化等;这被人们普遍认可,但在一些细节上,如是否形成中间体dNDP-3,4-二酮-2,6-双脱氧-D-葡萄糖,以及糖基的异构何时发生等问题还存在分歧,仍需进一步研究。     

海绵体动物中trans-AT聚酮合成酶来源的聚酮化合物的生物合成

海绵体动物分离到的聚酮类化合物很多是由其共生或附生微生物体内的trans-AT聚酮合成酶催化产生的。利用宏基因组技术克隆具有生物活性的聚酮化合物的生物合成基因簇,不但能阐明活性化合物的生物合成路径,而且可以通过异源表达获得目标化合物。本文综述了海绵体动物来源的trans-AT聚酮合成酶产生的聚酮化合物生物合成及其基因簇的研究进展。     

柳叶拟沉香所产沉香的化学成分研究

采用ODS、硅胶、Sephadex LH-20等柱色谱技术从瑞香科(Thymelaeaceae)拟沉香属(Gyrinops)植物柳叶拟沉香(Gyrinops salicifolia Ridl)根部所产沉香中分离得到8个2-(2-苯乙基)色酮类化合物,运用波谱学方法解析鉴定为:2-(2-苯乙基)色酮(1)、5,8-二羟基-2-(2-苯乙基)色酮(2)、5,8-二羟基-2-[2-(4-甲氧基苯)乙基]色酮(3)、6,8-二羟基-2-(2-苯乙基)色酮(4)、6-羟基-7-甲氧基-2-[2-(4-羟基苯)乙基]色酮(5)、6-甲氧基-7-羟基-2-[2-(3-羟基-4-甲氧基苯)乙基]色酮(6)、6-羟基-7-甲氧基-2-[2-(3-羟基-4-甲氧基苯)乙基]色酮(7)和6-羟基-2-[2-(3-甲氧基-4-羟基苯)乙基]色酮(8)。以上化合物均为首次从拟沉香属植物所产沉香中分离得到。采用Elman比色法对全部化合物进行活性测试,结果表明化合物2~4、7对乙酰胆碱酯酶具有一定的抑制活性。     

柯拉斯那沉香中2-(2-苯乙基)色酮类化学成分研究

为研究柯拉斯那(Aquilaria crassna Pierre ex Lecomte)沉香的化学成分。实验采用多种柱色谱方法从该沉香中分离得到9个2-(2-苯乙基)色酮类化合物,通过现代波谱学技术分别鉴定为6-甲氧基-2-[2-(3′-羟基-4′-甲氧基苯基)乙基]色酮(1)、5-羟基-6-甲氧基-2-[2-(3′-羟基-4′-甲氧基苯基)乙基]色酮(2)、tetrahydrochromone F(3)、6-甲氧基-2-[2-(3′-甲氧基-4′-羟基苯基)乙基]色酮(4)、6-甲氧基-7-羟基-2-[2-(4′-甲氧基苯基)乙基]色酮(5)、6,7-二甲氧基-2-[2-(3′-羟基-4′-甲氧基苯基)乙基]色酮(6)、6,7-二甲氧基-2-[2-(4′-甲氧基苯基)乙基]色酮(7)、6-羟基-2-[2-(4′-羟基苯基)乙基]色酮(8)、5-羟基-2-[2-(2′-羟基苯基)乙基]色酮(9)。化合物2、3和5～9均为首次从柯拉斯那所得沉香中分离得到。采用MTT法对单体化合物的细胞毒活性进行测试,测试结果表明,化合物1,2和4具有微弱的细胞毒活性。     

蛋白酶体抑制剂Syrbactins家族的生物合成

微生物来源的syrbactins属于十二元内酰胺短肽类化合物,包括丁香霉素(syringolins)、滑杆菌素(glidobactins)、cepafungins和luminmycins等。其中,syringolins、glidobactins、luminmycins等几个化合物生物合成基因簇已被克隆、测序和异源表达。研究发现它们的十二元内酰胺环骨架都是由非核糖体肽合成酶(NRPS)-聚酮合酶(PKS)复合体采用模块化组装的方式,将系列底物组装而成。这类化合物因具有优异的蛋白酶体抑制活性而受到广泛关注。本文从syrbactins的分子结构、生物合成、作用机理等几个方面进行综述,介绍了近年来syrbactins的研究进展。     

白色链霉菌DSM 41398中洋橄榄菌素和放线吡喃酮的发现及其生物合成途径分析

【目的】从菌株Streptomyces albus DSM 41398的发酵产物中发掘结构多样的由I型聚酮合酶催化形成的化合物,以期找到具有新颖结构或强生物活性的化合物。在结构鉴定的基础上,对其生物合成途径进行分析。【方法】利用HPLC分析方法,通过系统比较野生型菌株S.albus DSM 41398与I型聚酮合酶编码基因簇失活突变株的发酵产物差异,实现目标化合物的定向分离。然后,利用~1H-和~(13)C-NMR以及HR-ESI-MS进行化合物的结构鉴定。最后,利用生物信息学等方法对化合物的生物合成途径进行推测和分析。【结果】从5 L的S.albus DSM 41398发酵产物中,分离得到了2个具有抗肿瘤活性的聚酮类化合物放线吡喃酮和洋橄榄菌素,分别定位了它们的生物合成基因簇,并分别对其生物合成途径进行了推导。其中,放线吡喃酮的生物合成基因簇为首次报道。【结论】本研究一方面为基因组发掘S.albus DSM 41398中其他由I型聚酮合酶催化形成的化合物提供参考,另一方面也为相关化合物的结构修饰改造奠定了良好的基础。     

珊瑚来源真菌Parengyodontium album SCSIO SX7W11中聚酮化合物的发现及其生物合成途径分析

海洋来源真菌的天然产物因其独特的结构与生物学活性而备受关注,而利用基因组信息对其代谢产物进行深入挖掘也成为研究策略之一。[目的] 本文以一株南海珊瑚来源的真菌Parengyodontium album SCSIO SX7W11为目标菌株,挖掘其生产聚酮类化合物的潜能。[方法] 本研究利用Illumina Miseq技术对SX7W11菌株进行全基因组扫描测序,运用生物信息学手段对其基因组的生物合成基因簇进行预测和基因功能注释,挖掘可能产生新颖聚酮化合物的基因簇。对SX7W11进行放大发酵后,利用正相色谱、中压反相色谱、Sephadex LH-20凝胶色谱、HPLC半制备等分离手段分离纯化出单体化合物。再利用高分辨质谱（HR-ESI-MS）、¹H NMR、¹³C NMR、X-ray单晶衍射等波谱手段确定化合物的结构,并根据生物合成基因簇对化合物的生物合成途径进行推导。[结果] 全基因组扫描测序结果显示,P.album SCSIO SX7W11基因组大小为34.0 Mb,含有24个生物合成基因簇,包括6个聚酮合酶基因簇以及3个萜烯合酶基因簇。从发酵产物中分离鉴定到3个聚酮类化合物：emodin（1）、alternaphenol B（2）和sydowinin A（3）,其中化合物3获得了单晶结构数据。通过生物信息学方法从菌株基因组中定位到了sydowinin A的生物合成基因簇。结合文献对emodin（1）、alternaphenol B（2）和sydowinin A（3）的生物合成途径进行了分析。[结论] 本研究通过基因组挖掘及培养基优化,发现1株珊瑚来源的真菌P.album SCSIO SX7W11具有生产sydowinins类聚酮类化合物的能力,为该类化合物生物合成机制深入研究奠定了基础。     

Expression of pyrrothine N-acyltransferase activities in Saccharothrix algeriensis NRRL B-24137: new insights into dithiolopyrrolone antibiotic biosynthetic pathway

Aims:  The hypothetical dithiolopyrrolone biosynthetic pathway includes a final step of pyrrothine nucleus acylation. The presence of an enzymatic activity catalysing this reaction was investigated in Saccharothrix algeriensis NRRL B-24137. To understand the effect exerted by organic acids on the level of dithiolopyrrolone production, their influence on enzymatic expression was studied.
Methods and Results:  The transfer of acetyl-CoA or benzoyl-CoA on pyrrothine was assayed in the cell-free extract of Sa. algeriensis NRRL B-24137. This study reports the presence of an enzymatic activity catalysing this reaction that was identified as either pyrrothine N -acetyltransferase or N -benzoyltransferase. The stimulation of benzoyl-pyrrothine (BEP) production by addition of benzoic acid at 1·25 mmol l⁻¹ into the culture medium was demonstrated, and results showed that under the same conditions of growth, pyrrothine N -benzoyltransferase specific activity was doubled.
Conclusions:  This study shows that BEP production is enhanced in the presence of benzoic acid partly because of an induction of pyrrothine N -benzoyltransferase.
Significance and Impact of the Study:  The antitumor and antibiotic properties of dithiolopyrrolones are related to their variable acyl groups. New insights into regulation of biosynthetic pathway, especially the step of pyrrothine acylation, could lead after further studies to yield improvement and to selective production of dithiolopyrrolones with new biological activities.     

Effect of amino acids containing sulfur on dithiolopyrrolone antibiotic productions by Saccharothrix algeriensis NRRL B-24137

AIMS: To study the effect of sulfur-containing amino acids (L-cysteine, L-cystine, L-methionine and DL-ethionine) on the production of dithiolopyrrolone antibiotics by Saccharothrix algeriensis NRRL B-24137. METHODS AND RESULTS: The production levels of dithiolopyrrolones were investigated by using high performance liquid chromatography in a chemically semi-synthetic medium. The production of the studied antibiotics depends upon the nature, concentration and the time of addition of these sources in the culture medium. Both cysteine and cystine favoured the specific productions of dithiolopyrrolones; iso-butyryl-pyrrothine (ISP) by cysteine, however butanoyl-pyrrothine, senecioyl-pyrrothine and tigloyl-pyrrothine by cystine, when added initially to the culture medium. The maximum specific productions of dithiolopyrrolones were observed in the presence of 5 mmol l(-1) cystine for thiolutin, 5 mmol l(-1) cysteine for ISP, and 10 mmol l(-1) cystine for others studied dithiolopyrrolones as shown in Fig. 3. The production of these antibiotics was decreased when the concentrations of cysteine and cystine were in excess. All dithiolopyrrolone specific productions were strongly inhibited by addition of methionine and ethionine, without inhibition of mycelial growth. CONCLUSIONS: Among all studied amino acids, cystine and cysteine can be used as supplements for improvement the production of dithiolopyrrolone antibiotics by S. algeriensis NRRL B-24137. SIGNIFICANCE AND IMPACT OF THE STUDY: Dithiolopyrrolone antibiotics have many important applications for employing them as medicaments, particularly in the treatment of human and animal cancers. In the present work, the influence of containing-sulfur amino acids on dithiolopyrrolone antibiotic productions was studied. The obtained results can be employed for the optimization of the culture medium for the dithiolopyrrolone productions in higher quantities.     

戊二酰亚胺类天然产物生物合成研究进展

微生物天然产物是天然药物的重要组成部分,而天然产物的良好生物活性很大程度上取决于发挥药效的结构基团。这些特殊药效基团的生物合成,通常是利用小分子羧酸、氨基酸等结构简单的初级代谢产物,经过复杂的生物化学过程,最终合成结构复杂活性多样的天然产物。戊二酰亚胺类天然产物是一类重要的细菌来源天然产物,它们具有良好的生物活性,是潜在的先导化合物,部分化合物已被开发成分子探针。本文综述了近年来微生物来源的戊二酰亚胺类天然产物及其生物合成研究,包括Iso-Migrastatin、Lactimidomyin、Cycloheximide、Streptimidone、Gladiostatin、Sesbanimide等,对戊二酰亚胺类天然产物的生物合成研究,将有效促进通过基因组挖掘策略寻找新型戊二酰亚胺类天然产物。     

The crystal structure of AbsH3: A putative flavin adenine dinucleotide‐dependent reductase in the abyssomicin biosynthesis pathway

Natural products and natural product‐derived compounds have been widely used for pharmaceuticals for many years, and the search for new natural products that may have interesting activity is ongoing. Abyssomicins are natural product molecules that have antibiotic activity via inhibition of the folate synthesis pathway in microbiota. These compounds also appear to undergo a required [4 + 2] cycloaddition in their biosynthetic pathway. Here we report the structure of an flavin adenine dinucleotide‐dependent reductase, AbsH3, from the biosynthetic gene cluster of novel abyssomicins found in Streptomyces sp. LC‐6‐2.     

Structure and function of polyketide biosynthetic enzymes: various strategies for production of structurally diverse polyketides

Polyketides constitute a large family of natural products that display various biological activities. Polyketides exhibit a high degree of structural diversity, although they are synthesized from simple acyl building blocks. Recent biochemical and structural studies provide a better understanding of the biosynthetic logic of polyketide diversity. This review highlights the biosynthetic mechanisms of structurally unique polyketides, β-amino acid-containing macrolactams, enterocin, and phenolic lipids. Functional and structural studies of macrolactam biosynthetic enzymes have revealed the unique biosynthetic machinery used for selective incorporation of a rare β-amino acid starter unit into the polyketide skeleton. Biochemical and structural studies of cyclization enzymes involved in the biosynthesis of enterocin and phenolic lipids provide mechanistic insights into how these enzymes diversify the carbon skeletons of their products.     

卡伍尔氏链霉菌NA4的Ⅱ型聚酮基因簇的靶向激活及其产物鉴定

【目的】以基因组信息为导向,定向激活海洋来源卡伍尔氏链霉菌（Streptomyces cavourensis） NA4中沉默的Ⅱ型聚酮类次级代谢产物生物合成基因簇,鉴定新产生的次级代谢产物的结构和抑菌活性。【方法】通过添加启动子和敲除负调控基因的方法激活实验室培养条件下沉默或低表达的生物合成基因簇,并完成目标化合物的分离与纯化,通过电喷雾质谱（electrospray ionization-mass spectrometry,ESI-MS）和核磁共振（nuclear magnetic resonance,NMR）数据分析鉴定目标化合物结构,对目标化合物进行抑菌活性鉴定,基于生物信息学信息推导化合物的生物合成途径。【结果】根据基因组生物信息学分析,从海洋来源链霉菌Streptomyces cavourensis NA4中选取一个编码PKSⅡ型次级代谢产物的生物合成基因簇开展研究,成功激活目标基因簇,从中分离到1个PKSⅡ型化合物,推导了其生物合成途径并进行了抑菌活性鉴定。【结论】基因组导向下的天然产物挖掘,可以目标明确地分离产物,充分挖掘链霉菌编码次级代谢产物的潜力。     

海洋来源节菱孢菌ZSDS1-F3中PKS-NRPS类天然产物挖掘

【目的】以基因组信息为指导,定向激活海洋来源真菌Arthrinium arundinisZSDS1-F3中沉默的聚酮合成酶-非核糖体肽合成酶(PKS-NRPS)类生物合成基因簇,鉴定次级代谢产物结构。【方法】通过启动子工程和异源表达的策略激活实验室培养条件下沉默或低表达的生物合成基因簇,实现目标化合物的分离,通过HR-ESI-MS和NMR数据分析鉴定产物结构,结合基因重组和生物信息学分析结果推导化合物的生物合成途径。【结果】依据基因组生物信息学分析,从海洋来源真菌A. arundinis ZSDS1-F3中选取一个编码PKS-NRPS类次级代谢产物的生物合成基因簇开展研究,在宿主Aspergillus nidulansA1145中实现了基因簇的异源表达,从中分离到2个新化合物,并推导了其生物合成途径。【结论】基因组信息指导下的天然产物挖掘,可以目标明确地分离产物,加快真菌中新颖天然产物的发现步伐。     

Yield enhancement strategy of dithiolopyrrolone from Saccharothrix algeriensis by aliphatic alcohols supplementation

The production of dithiolopyrrolones by Saccharothrix algeriensis was investigated after supplementing the culture medium with ethanol and/or 1-butanol. Optimal conditions for the addition of ethanol to the culture medium provided a maximal dithiolopyrrolone titer of about 200 mg⋅L⁻¹ after 5 days of culture, roughly corresponding to a 600%-increase. Using NAD(P)H oxidase inhibitor (diphenyleneiodonium) or reactive oxygen species scavenger (para-aminobenzoic acid), we suppose that ethanol promotes the formation of reactive oxygen species in Saccharothrix algeriensis, which, in turn, could induce biomass decline and dithiolopyrrolone overproduction. However, the underlying mechanisms remain to be elucidated. These results may be helpful for the control of dithiolopyrrolone yields from Saccharothrix algeriensis cultures.