細菌芳香聚酮研究進展

摘 要：鑒于芳香聚酮化合物在抗菌、抗腫瘤、抗病毒等方面具有重要的臨床藥用價值，該文綜述了細菌芳香聚酮化合物及其生物合成研究的主要進展，重點討論了四類芳香聚酮的生物活性和化學結構以及芳香聚酮生物合成機理研究的基礎理論意義。在此基礎上對組合生物合成新的具有一定生物活性化合物的研究前景進行了展望。

關鍵詞：聚酮合酶；芳香聚酮；化學結構；生物活性；生物合成

中圖分類號 Q55 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2013）23-08-03

芳香聚酮是一類非常重要的天然產物，表現(xiàn)出抗菌、抗腫瘤、抗病毒、抗寄生蟲、酶抑制劑以及免疫抑制劑作用等多種生物活性，因而具有重要的臨床藥用價值 。一些芳香聚酮化合物表現(xiàn)出對耐藥性細菌、真菌以及癌細胞具有抑制作用從而成為當前研究的熱點之一[1]。一方面研究主要集中在不斷發(fā)現(xiàn)新的具有特殊生物活性，特別是抗腫瘤特性的芳香聚酮化合物。另一方面，隨著生物化學和分子生物學的發(fā)展，越來越多的人致力于芳香聚酮生物合成途徑的研究，特別是從具有抗癌特性的芳香聚酮著手，采用各種遺傳操作手段從化合物結構解析、生物合成機理分析等方面研究芳香聚酮化合物。最終希望能夠實現(xiàn)利用組合生物合成方法，特定改造生物合成途徑，從而獲得新的具有生物活性的化合物。鑒于芳香聚酮生物合成研究對今后基礎理論研究的意義以及發(fā)掘新的具有生物活性藥物方面的應用價值，本文綜述了幾類芳香聚酮的化學結構和生物活性，并就其生物合成的關鍵問題進行了初步分析，在此基礎上對組合生物合成具有一定生物活性的新物質的研究前景進行了展望。

1 芳香聚酮化合物的化學結構和生物活性

1.1 Benzoisochromanequinones（BIQs） Actinorhodin（1，圖1）是從Streptomyces coelicolor A3（2）中分離到的一種BIQs類芳香聚酮；最初發(fā)現(xiàn)1是一種色素，可以作為pH指示劑，后來發(fā)現(xiàn)1在濃度較高的情況下能夠抑制大多數(shù)革蘭氏陽性細菌，包括耐甲氧西林金葡菌（MRSA）等[2]。

Kalafungin（2，圖1）最早是在1968年從Streptomyces tanashiensis strain Kala UC-5063當中分離到的一種BIQs類抑菌物質[3]。早期發(fā)現(xiàn)2在S.coelicolor A3（2）當中是1生物合成過程中的一個中間產物，后來發(fā)現(xiàn)從其它放線菌中獨立分離到的2能夠抑制病原真菌、原生動物、酵母和革蘭氏陽性細菌，并且表現(xiàn)出一定的細胞毒活性[4]。

Frenolicin B（3，圖1）是從Streptomyces roseofulvus當中分離到的BIQs類抗生素；研究發(fā)現(xiàn)，3對艾美球蟲屬具有強烈的抑制作用從而是一種潛在的抗球蟲藥物[5]。

Medermycin（4，圖1）最初是從一株鏈霉菌Streptomyces sp.K73中分離到的能夠抗革蘭氏陽性菌包括葡萄球菌staphylococci的BIQs類抗生素[6]。研究報道，4在結構上與lactoquinomycin A類似，因而可能還具有一定的抗腫瘤活性[7]。

1.2 角蒽環(huán)類（angucyclines） Hedamycin（5，圖2）是早期從Streptomyces griseoruber中分離到的具有抗腫瘤活性的芳香聚酮。研究表明，5結構上包含一個平面4H-蒽[1，2-b]吡喃多環(huán)糖苷配基并帶有一個雙環(huán)氧側鏈以及2個氨基糖，而其特殊的側鏈結構對其抗腫瘤活性具有重要作用[8]。

Fredericamycin A（6，圖2）是從Streptomyces griseus ATCC49344當中分離得到碳鏈最長的角蒽環(huán)聚酮，并發(fā)現(xiàn)其具有一定的細胞毒活性，是一種潛在抗腫瘤藥物資源[9]。結構上，6是由兩組羥基環(huán)繞的三環(huán)芳香結構，通過單獨一個螺環(huán)碳（spiro carbon）連結形成的手性對稱結構。其獨特的化學結構與功能之間的關系已成為今后研究的熱點[10]。

Jadomycins（7，圖2）是從Streptomyces venezuelae ISP5230當中分離得到具有抗腫瘤、抗細菌和抗病毒活性的角蒽環(huán)類芳香聚酮[11]。

BE-7585A（8，圖2）從Amycolatopsis orientalis subsp.vinearia BA-07585中分離到的是一種能夠抑制胸苷酸合成酶的新型角蒽環(huán)聚酮。8結構上包括一個苯a-蒽醌內核、脫氧糖rhodinose和一個2-硫葡萄糖支鏈[12]。對于芳香聚酮化合物8的研究特別是研究其中硫元素插入形成2-硫糖部分的作用機制具有重要意義[13]。

1.3 四環(huán)類（tetracyclines） 四環(huán)類抗生素是典型的一類由II型PKSs合成的聚酮化合物，也是實際應用較廣泛的一類聚酮抗生素。這類化合物能夠廣泛地抑制各種微生物，包括革蘭氏陽性細菌、革蘭氏陰性細菌、衣原體、支原體、立克次氏體以及許多原生動物。自1948年氯四環(huán)素（chlortetracycline）問世以來，四環(huán)素長期作為一線藥物使用，第一代的四環(huán)素主要包括廣譜性抗生素tetracycline（9，圖3）、oxytetracycline（10，圖3）、chlorotetracycline（11，圖3）和demeclocycline（12，圖3）。第二代四環(huán)素包括doxycycline（13，圖3）和minocycline（14，圖3）。2005年美國FDA批準的tigecycline成為第三代的四環(huán)素類藥物[14]。

1.4 蒽環(huán)類（anthracyclines） 蒽環(huán)類是一類非常重要的芳香聚酮，許多蒽環(huán)類芳香聚酮表現(xiàn)出抗腫瘤活性。15是從Streptomyces glaucescens strain WMH1092中分離到的蒽環(huán)類芳香聚酮，具有一定的抗腫瘤活性[15]。16是從Streptomyces peucetius subsp.caesius ATCC 27952中分離得到的抗腫瘤抗生素；有研究報道阿霉素已用于化學治療乳腺癌[16]。多環(huán)氧雜蒽酮類抗生素因具有抗細菌、抗真菌以及抗腫瘤活性而受到廣泛關注。李力[17]等已綜述了幾種氧雜蒽酮抗生素的研究進展，包括xantholipin（17，圖4）、lysolipin（18，圖4）、FD-594（19，圖4）、kigamicin（20，圖4）。

2 芳香聚酮化合物生物合成研究

隨著近幾年新的芳香聚酮化合物的發(fā)現(xiàn)，其特殊的化學結構讓許多研究人員致力于聚酮碳鏈的起始和延伸機制的實驗和探討[18]。典型的起始機制一般是通過丙二酰-ACP脫羧反應得到一個二碳單元（乙酸鹽起始機制）從而開始聚酮的生物合成。但是，芳香聚酮生物合成的起始還存在一種非乙酸鹽起始機制，比如早期發(fā)現(xiàn)的frenolicin（fren）和R1128（zhu）的PKS。在這種非乙酸鹽起始的過程中，丙二酸鹽脫羧起始反應受到其他可選擇性的酰基起始過程的抑制。研究表明，非典型的起始機制中，聚酮基因簇里面一般包括雙元件的PKS，即鏈起始和鏈延伸的PKS。近來研究較多的角蒽環(huán)聚酮5和6的基因簇就包括了雙元件PKS。

在芳香聚酮的生物合成過程中，通過起始和延伸元件合成多聚β聚酮碳鏈之后，新生聚酮鏈經(jīng)過特定位置的酮基還原反應從而發(fā)生聚酮碳鏈的定向折疊。然后再通過各種環(huán)化酶和芳香化酶的催化反應得到各種芳香聚酮骨架。研究表明，聚酮的酮基還原酶能夠提供反應過程中的區(qū)域選擇性和立體化學多樣化，該方面研究較透徹的是1的C9-酮基還原酶actKR[19]。

新生聚酮碳鏈在初步還原和定向折疊之后要經(jīng)過一定的環(huán)化及芳香化反應才能形成一定的芳香聚酮骨架。首先，第一個芳香環(huán)的形成是在聚酮碳鏈形成之后直接發(fā)生分子內醇醛縮合反應產生的，一般最常發(fā)生的是C7-C12和C9-C14成環(huán)[20]。大部分的芳香聚酮化合物都是經(jīng)過這2種成環(huán)方式產生第一個芳香環(huán)。其他幾個環(huán)的形成主要有2種情況：線性成環(huán)和角度成環(huán)。四環(huán)素等幾類芳香聚酮屬于線性成環(huán)的情況；BIQs等為角度成環(huán)。

芳香聚酮的糖苷配基還可以通過一系列修飾反應（如甲基化、氨基化、糖基化以及一系列復雜的氧化還原反應）進一步形成結構更加復雜的具有一定生物活性的天然產物。Kudo等報道了19生物合成的基因簇，同時推測了19生物合成的后期修飾過程中氧雜蒽結構的形成[21]。同時，在Llp基因簇當中發(fā)現(xiàn)了跟18生物合成過程中氧雜蒽結構的形成有關的基因[22]。Zhang等人通過基因敲除實驗以及產物化學結構鑒定進一步證實了，在Xan基因簇中由XanO4編碼的FAD依賴型單氧酶催化氧雜蒽結構的形成[23]。此外，Zhang等人通過基因敲除實驗還證實了在Xan基因簇中XanO2編碼的細胞色素P450催化二甲氧橋的形成[23]。而根據(jù)Llp基因簇生物信息學分析結果可知LlpOIV，LlpOVI，LlpOVII都是編碼細胞色素P450依賴型單氧酶的基因，因此這些基因的某些組合或是其中單獨的一個基因可能負責18當中二甲氧橋的結構形成[22]。

3 總結

鑒于芳香聚酮類抗生素潛在的藥用價值，尋找更多具有生物活性的芳香聚酮化合物并研究其生物合成途徑能夠為開發(fā)新的抗細菌、抗真菌乃至抗腫瘤藥物提供幫助。一方面，我們可以致力于尋找更多芳香聚酮類的天然產物用于新藥的研究；另一方面，通過精細的生物合成途徑研究，定向改造天然產物化學結構。這樣，可以有目的地去合成我們所需要的產物，或是隨機性改造天然產物的化學結構，從而獲得更多結構新穎的化合物。這將對我們今后挖掘新藥提供了一個巨大的寶庫。同時，芳香聚酮的生物合成研究在基礎理論研究方面也具有重要的價值，為化學和生物學提供重要的酶學工具。根據(jù)已知的基因簇信息，我們可以探測到更多新化合物的基因簇，并以此推測新的天然產物及其生物合成途徑。這將為許多專家學者在研究新化合物生物合成途徑過程中提供許多信息，為其通過實驗證實具體合成路徑提供理論基礎。

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