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昆明植物所揭示吡啶环生物合成新机制

来源: 植物化学与西部植物资源持续利用国家重点实验室日期: 2016-10-28

生物碱是存在于自然界有机体中的一类含有负氧化态氮原子的环状化合物,其数量众多,结构复杂,大多具有广泛的生物活性,由其开发的药物约占全部植物药的40%以上。有关生物碱的研究是目前天然药物化学领域的重点和热点。吡啶生物碱作为生物碱的一类,其中的吡啶环是其发挥药效活性的关键基团。前人的研究表明大部分吡啶生物碱类天然产物中吡啶环的氮原子和碳原子来源于不同的氨基酸,但其详细的生物合成环合机制却并不十分清楚


2016年初,中国科学院昆明植物研究所黄胜雄研究组从植物内生链霉菌中发现了具有心肌保护活性的新吡啶生物碱Rubrolone(罗博卢酮),并对其碳原子的来源进行了初步的生物合成研究(Org. Lett., 2016, 18, 1254)。论文发表后,该分子被综述杂志Natural Product Reports(2016, 33, 742)评选为热点研究化合物(Hot off the Press)。近期,该研究组以该活性分子为研究对象,对其生物合成途径进行了详细的解析,阐明了该活性分子吡啶环生物合成新机制。


此次研究采用基因组测序、基因簇信息挖掘、异源表达、基因敲除和突变株代谢产物的分离鉴定等多学科交叉的手段,首次获得了罗博卢酮的生物合成基因簇并合理推测了罗博卢酮大致的生物合成途径(图1a)。同时在糖合成基因功能缺失的突变株中发现了一个关键的中间体。随后的[15N]-标记邻氨基苯甲酸体内喂养实验确认了罗博卢酮类化合物中吡啶环的来源,发现它们分别利用游离的氨和邻氨基苯甲酸与关键中间体缩合形成相应的吡啶环。最后又经该关键中间体与游离的氨和邻氨基苯甲酸在体外缩合反应合成罗博卢酮骨架苷元的实验证实其中吡啶环的形成过程是非酶催化的。这一过程的实现需要中间产物水解形成具有1, 5-二羰基结构单元的氨基受体化合物(图1b)。而1, 5-二羰基结构单元的发现可能代表自然界中一种广泛存在的吡啶环形成机制(图2)。该研究不仅为具有心肌保护活性的罗博卢酮的进一步药物研发提供了保障,而且为综合运用组合生物合成和合成生物学技术创制结构多样性的吡啶生物碱奠定了基础,为吡啶生物碱类天然药物的开发和持续利用提供了一种新思路。


研究结果以长文(Article)的形式在《自然-通讯》(Nature Communications在线发表了题为“Non-enzymatic pyridine ring formation in the biosynthesis of the rubrolone tropolone alkaloids(http://www.nature.com/articles/ncomms13083) 的研究论文。

 


1(a)罗博卢酮的生物合成基因簇(b)推测的罗博卢酮生物合成途径及关键中间体介导的非酶催化的吡啶环形


2:自然界中吡啶环的形成机制可能涉及1,5-二酮结构单元的生物碱


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