组合生物合成促进大环内酯类新药开发
2006-09-17 15:47:46 来源：不详 评论：0 点击：
大环内酯类抗生素是一类具有12~16碳内酯环的药物，是抑制蛋白质合成的快速抑菌剂，为现今最为常用的口服抗菌药物之一，对需氧革兰氏阳性菌和部分革兰氏阴性菌、支原体、衣原体、军团菌、弯曲菌和幽门螺旋杆菌有很好的抗菌作用，广泛应用于感染性疾病和非感染性疾病的治疗，如人埃立克体病（HE）、小螺菌鼠咬热、疟疾、弓形虫脑炎、放线菌病和复发性斑疹伤寒等。此外，大环内酯类抗生素还具有对心血管疾病的防治作用、促进腹部手术后胃肠功能恢复、细胞穿透作用和驱除家畜肠内寄生虫等。因此，大环内酯类抗生素是一类重要的药物，学术界应该继续深入研究，开发效果更好的新药。
目前，从自然界得到具有预期性质的抗生素越来越困难，研究人员越来越多的转向用组合生物合成技术来开发新的药物。组合生物合成技术是在基因水平上由微生物合成各种各样的化合物，其研究是建立在化合物已知的生物合成途径的基础上，通过对产生抗生素微生物的次生代谢产物合成途径中涉及到的一些酶的编码基因的操作，来获得可能具有生物活性的衍生物或具有新结构的已有药物类似物。一般来说，对基因的操作主要有：敲除、插入和互换等。经过基因操作后，同时表达来自不同生物合成途径的单个基因，这些基因编码的酶互补发挥作用从而产生新的非天然的“天然”产物。事实上，这些酶往往连接成巨大的多酶联合体，从而成为一个“域”，合成反应就沿着这个“域”的方向进行。因此，组合生物合成的途径就要求将数个合成酶以尽可能多的方式融合成单个酶“域”，以使酶的组合链能产生更多改变了的化合物。近来的研究表明，这些杂交的酶能“忠实的”完成它们的预期任务。
由于内在的基因结构特征和产生聚酮代谢物的能力，聚酮合酶(PKS)是组合生物合成技术的一个重要组成部分。PKS主要分为三类，Ⅰ类PKS主要由酮基合成酶（KS）、酰基转移酶(AT)、脱氢酶(DH)、烯酰还原酶(ER)和酰基载体蛋白(ACP)等功能域组成。KS、AT、ACP是链延伸反应的“最小PKS”，延伸完成的长链由硫酯酶(TE)功能域催化环化成红霉素的前体6-脱氧红霉内酯B(6-DEB)；Ⅱ类PKS是含有一组可重复使用单元的多酶复合体，其催化链的延伸使之成为一个很长的中间体，然后通过区域专一性的催化形成芳香族聚酮化合物，如四环霉素；Ⅲ类PKS是一种可重复使用的同源双亚基蛋白，在不需要ACP的情况下直接催化泛酰辅酶A间的缩合，只要合成单环就能使双环芳香类聚酮化合物的生物合成成功。现在我们所提到的PKS多指Ⅰ类PKS。目前研究比较多的PKS有苦霉素（Pik）、泰乐霉素（Tyl）、6-脱氧红霉内酯（DEBS）等的PKS，其中尤以PikPKS的研究较多。
聚酮化合物及其他微生物代谢产物通常没有生物活性，还需经过后期修饰，其中一般有糖基化的过程，而所接上的糖一般是某种形式的脱氧糖，所以相应的将脱氧糖合酶称为DOS，由于DOS对PKS化合物的重要性，并根据其基因的可操作性，一般把对DOS基因的操作也归入组合生物合成的范畴。
此外，非核糖体肽合成酶(NRPS)的研究也是组合生物合成研究的一个部分。它的合成过程和Ⅰ类PKS十分相似，也是由起始、链延伸及终止各模块组成。一个腺苷化反应的活化“域”将特定的氨基酸转换成腺苷酸，然后这个氨基酸和邻近肽载体蛋白(PCP)上的硫基形成硫酯，PCP之间的缩合功能“域”催化肽键形成，研究人员通常叫其“最小NRPS”，经过几个延伸过程，最后硫酯酶“域”将完成的肽切下。
大环内酯类抗生素是通过聚酮途径合成的，组合生物合成技术在进一步开发新的大环内酯类抗生素的研究中具有广阔的前景。例如，国外学者Yeo Joon Yoon等人利用委内瑞拉链霉菌产生的苦霉素系统，把编码PikAⅣ的基因敲除，并将泰乐霉素的TylGⅤ基因利用质粒为载体，转入PikAⅣ基因敲除的变异株，使来源于染色体和质粒的基因互补产生杂交的酶系统合成了新的大环内酯类物质，其具有明显的生物活性，能显著抑制枯草芽孢杆菌的生长。
委内瑞拉链霉菌的Pik系统中，三种关键的酶和其独特的基因簇体系使这个紧凑的系统能产生多种大环内酯抗生素。最重要的是，PikAⅢ和PikAⅣ作为独立的蛋白质的出现和TE“域”能使聚酮链在两个不同的位点终止，从而产生两种不同大小的环系（12和14元环）；其次，Pik系统中的糖基转移酶DesⅦ能接受12和14元环两种环系作为底物进行糖基化反应；最后一点，PikC，即P450羟化酶，具有很强的底物和化学区域特异性，从而使这一系统呈现多样性。由18个基因产生的少于60kb的DNA能产生四大类的活性大环内酯抗生素，Pik系统是学术界认为的至今为止最简单但最实用的模块PKS系统。
组合生物合成技术为发现新化合物开辟了一条新途径。在5年多的时间里，人们已经利用组合生物合成技术发现了200多个新的聚酮化合物，这些化合物中的大多数是不可能或很难用现有的其他方法得到的。未来对PKSs、NRPSs和DOS的结构和酶学的深入研究以及它们之间的组合变换操作，组合生物合成与DNA改组技术的结合，都将能使我们得出更好的新药合成策略，得到更多的新结构化合物，并逐步解决变异株产量降低的问题。组合生物合成技术的未来无疑将是非常光明。
转自：中国生化工程网
目前，从自然界得到具有预期性质的抗生素越来越困难，研究人员越来越多的转向用组合生物合成技术来开发新的药物。组合生物合成技术是在基因水平上由微生物合成各种各样的化合物，其研究是建立在化合物已知的生物合成途径的基础上，通过对产生抗生素微生物的次生代谢产物合成途径中涉及到的一些酶的编码基因的操作，来获得可能具有生物活性的衍生物或具有新结构的已有药物类似物。一般来说，对基因的操作主要有：敲除、插入和互换等。经过基因操作后，同时表达来自不同生物合成途径的单个基因，这些基因编码的酶互补发挥作用从而产生新的非天然的“天然”产物。事实上，这些酶往往连接成巨大的多酶联合体，从而成为一个“域”，合成反应就沿着这个“域”的方向进行。因此，组合生物合成的途径就要求将数个合成酶以尽可能多的方式融合成单个酶“域”，以使酶的组合链能产生更多改变了的化合物。近来的研究表明，这些杂交的酶能“忠实的”完成它们的预期任务。
由于内在的基因结构特征和产生聚酮代谢物的能力，聚酮合酶(PKS)是组合生物合成技术的一个重要组成部分。PKS主要分为三类，Ⅰ类PKS主要由酮基合成酶（KS）、酰基转移酶(AT)、脱氢酶(DH)、烯酰还原酶(ER)和酰基载体蛋白(ACP)等功能域组成。KS、AT、ACP是链延伸反应的“最小PKS”，延伸完成的长链由硫酯酶(TE)功能域催化环化成红霉素的前体6-脱氧红霉内酯B(6-DEB)；Ⅱ类PKS是含有一组可重复使用单元的多酶复合体，其催化链的延伸使之成为一个很长的中间体，然后通过区域专一性的催化形成芳香族聚酮化合物，如四环霉素；Ⅲ类PKS是一种可重复使用的同源双亚基蛋白，在不需要ACP的情况下直接催化泛酰辅酶A间的缩合，只要合成单环就能使双环芳香类聚酮化合物的生物合成成功。现在我们所提到的PKS多指Ⅰ类PKS。目前研究比较多的PKS有苦霉素（Pik）、泰乐霉素（Tyl）、6-脱氧红霉内酯（DEBS）等的PKS，其中尤以PikPKS的研究较多。
聚酮化合物及其他微生物代谢产物通常没有生物活性，还需经过后期修饰，其中一般有糖基化的过程，而所接上的糖一般是某种形式的脱氧糖，所以相应的将脱氧糖合酶称为DOS，由于DOS对PKS化合物的重要性，并根据其基因的可操作性，一般把对DOS基因的操作也归入组合生物合成的范畴。
此外，非核糖体肽合成酶(NRPS)的研究也是组合生物合成研究的一个部分。它的合成过程和Ⅰ类PKS十分相似，也是由起始、链延伸及终止各模块组成。一个腺苷化反应的活化“域”将特定的氨基酸转换成腺苷酸，然后这个氨基酸和邻近肽载体蛋白(PCP)上的硫基形成硫酯，PCP之间的缩合功能“域”催化肽键形成，研究人员通常叫其“最小NRPS”，经过几个延伸过程，最后硫酯酶“域”将完成的肽切下。
大环内酯类抗生素是通过聚酮途径合成的，组合生物合成技术在进一步开发新的大环内酯类抗生素的研究中具有广阔的前景。例如，国外学者Yeo Joon Yoon等人利用委内瑞拉链霉菌产生的苦霉素系统，把编码PikAⅣ的基因敲除，并将泰乐霉素的TylGⅤ基因利用质粒为载体，转入PikAⅣ基因敲除的变异株，使来源于染色体和质粒的基因互补产生杂交的酶系统合成了新的大环内酯类物质，其具有明显的生物活性，能显著抑制枯草芽孢杆菌的生长。
委内瑞拉链霉菌的Pik系统中，三种关键的酶和其独特的基因簇体系使这个紧凑的系统能产生多种大环内酯抗生素。最重要的是，PikAⅢ和PikAⅣ作为独立的蛋白质的出现和TE“域”能使聚酮链在两个不同的位点终止，从而产生两种不同大小的环系（12和14元环）；其次，Pik系统中的糖基转移酶DesⅦ能接受12和14元环两种环系作为底物进行糖基化反应；最后一点，PikC，即P450羟化酶，具有很强的底物和化学区域特异性，从而使这一系统呈现多样性。由18个基因产生的少于60kb的DNA能产生四大类的活性大环内酯抗生素，Pik系统是学术界认为的至今为止最简单但最实用的模块PKS系统。
组合生物合成技术为发现新化合物开辟了一条新途径。在5年多的时间里，人们已经利用组合生物合成技术发现了200多个新的聚酮化合物，这些化合物中的大多数是不可能或很难用现有的其他方法得到的。未来对PKSs、NRPSs和DOS的结构和酶学的深入研究以及它们之间的组合变换操作，组合生物合成与DNA改组技术的结合，都将能使我们得出更好的新药合成策略，得到更多的新结构化合物，并逐步解决变异株产量降低的问题。组合生物合成技术的未来无疑将是非常光明。
转自：中国生化工程网
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