Nature Chem.综述:从天然产物到药物设计

毫无疑问天然产物是药物开发的宝库。来自苏黎世联邦理工学院(ETH Zürich)的Gisbert Schneider教授(点击查看介绍)等在Nature Chemistry上撰写综述文章,总结近来天然产物启发药物发现的理论和实践,以及计算机辅助的天然产物研究。(Counting on natural products for drug design. Nature Chem., 2016, 8, 531-541, DOI: 10.1038/NCHEM.2479)药物研究人员经常在具有特定活性骨架、活性基团和优秀生物活性的天然产物分子中找到灵感,特别是在人类与传染病和癌症抗争的漫长历史中,许多天然产物扮演了重要的角色。例如,一些他汀类重磅药物就从天然产物衍生而来,包括治疗高胆固醇血症的瑞舒伐他汀(Rosuvastatin),药效团就copy了来自烂柠檬中青霉菌Penicillium citrinum的美伐他汀(Mevastain),如图1所示。图1. 美伐他汀和瑞舒伐他汀拥有不同的骨架结构,但是药效团相同。亲脂性基团用绿色表示,氢键受体用红色表示,氢键受体和供体用品红色表示。如两个化合物的晶体结构叠加图所示(瑞舒伐他汀为蓝色,美伐他汀为绿色),它们与靶标3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶的关键作用相同。酶的口袋溶剂可及表面环绕着瑞舒伐他汀,计算机药效团模型也支持此作用。图片来源:Nature Chem.正因为如此,天然产物在药物发现中的作用重要且持久。一项分析数据显示,从1939年起美国FDA批准上市的药物中,有相当数量含有天然产物片段,见图2所示。主要的天然产物数据库见表1。图2. a.天然产物药效片段。天然产物数据库The Dictionary of Natural Products database含有210,213个天然产物。通过计算机辅助虚拟反合成程序(RECAP法),产生了134,102个不同的片段(分子量在100到300之间)。许多片段出现在上市药物中,这些片段也能用于计算机从头设计药物分子,目前已经广泛运用于当今基于结构的药物设计软件中。b. 每年上市药物中含有天然产物片段的平均数。柱状图(蓝色)为片段得分,片段得分 = 匹配的片段数量/分子量。黑点代表每年美国FDA批准的药物数量。图片来源:Nature Chem.天然产物与合成小分子药物相比具有以下特点:①复杂的化学结构;②大量的sp3杂化的桥头碳原子和手性中心;③含氮原子少,含氧原子多;④多具有脂肪烷烃,只有38%的天然产物含有芳香环;⑤50%的天然分子不含有合成片段,但20%的天然产物环结构存在于上市药物分子中。现在的药物化学逐渐抛弃单纯的平面分子结构,转而强调三维空间设计,天然产物独特的结构恰好起到参考作用。90年代起,基于片段的药物发现(fragment-based drug discovery)开始崛起,绕开早期药物发现出现的毒性、缺乏有效性等缺陷,并借助于生物物理技术和配体筛选,分子结构逐步链接和增长,从而开发成为具生物活性的先导化合物。计算机辅助药物设计的发展,以及基于片段的从头设计(fragment-based de novo design),成为现代药物设计的重要方法。天然产物作为先导化合物的起点在药物设计这场旷日持久的挑战赛中,灵感来自天然产物的合成化合物绝对算是切实可行并富有创新精神的解决方案。从类药化合物总结出来的“五倍律”或“三规则”,有时反倒妨碍了药物先导的发现,不论是合成化合物还是天然产物,运用这些规则时要分外谨慎。图3列举了天然产物到生物活性分子的几个例子。化合物1是脱氧尼博霉素(Deoxynybomycin)的类似物,具有很好的抗金黄色葡萄球菌Staphylococcus aureus活性,而且可溶性更好,显著提高了感染小鼠的生存率。细胞生长抑制剂2来源于Spirotryprostatin B,通过不对称1,3-偶极环加成反应得到了这个包括季碳核心和三个叔碳手性中心的结构。基于生物活性合成的化合物3,拥有醉茄内酯Withanolide A的结构单元,可作为Hedgehog信号通路Smoothened受体的拮抗剂。化合物4是神经突生长的引诱剂,核心结构来自militarinone。大环类天然产物通常情况下难以进行结构优化,采用多样性导向合成策略可以得到结构多样的化合物库(如化合物5),而基于活性导向合成策略则得到更类似天然产物的化合物库(如内酰胺6,一种雄激素受体激动剂)。图3 天然产物启发具有生物活性的合成化合物。图片来源:Nature Chem.计算机辅助设计天然产物引发了灵感,计算机程序则提高了合理设计分子的效率。分子骨架或框架作为桥梁连接了天然产物和合成化合物这两个世界。计算机软件的核心是将天然产物和合成化合物形象化,通过逐步简化产生骨架树,得到直观的结构图(图4)。Koch等设计例了从海洋产物二倍半类萜烯dysdiolide的化合物库,其中19%的化合物拥有抑制11β-羟化类固醇脱氢酶I的活性。同样采用提取骨架的理念,2009年Wetzel发布了Scaffold Hunter软件,核心技术是对结构复杂的天然产物进行反卷积(de-convolution)分析,得到虚拟骨架树,使复杂生物活性物质的化学结构数据更直观,相似的结构表现出类似的活性,这种方法曾成功地应用在鉴定丙酮酸激酶的抑制剂和激活剂上。与高通量筛选相比,这种方法的命中率更高。不过,通过基于天然产物片段的分子设计得到的化合物活性经常只是弱到中等,后续进一步的结构优化是提高活性不可缺少的步骤。图4 计算机辅助设计小分子化合物,从天然产物模板中进行骨架简化。天然产物的骨架结构复杂,人工或计算机辅助进行结构简化,合成容易获得类似片段的骨架结构。一般原则可用同心圆阐明:逐步减少天然产物母核的结构复杂性,分解成片段,产生更小的具有吸引力的化学骨架。图片来源:Nature Chem.预测天然产物的大分子靶标缺乏天然产物靶标的确切信息曾一度阻碍了药物化学和药物发现中对分子骨架的设计,现在已经出现了不少颇具创新性的靶标预测工具,可帮助确定生物大分子靶标或者潜在的药物脱靶效应,可能有助于确定天然产物的生物活性。靶标预测可以指导天然产物的生物化学筛选,以减少实验数量,节省宝贵资源。例如,通过反向分子对接,橙皮内酯(meranzin)的靶点被确定为环氧化酶2(cyclooxygenase-2)和过氧化物酶体增殖物激活受体γ(peroxisome proliferator-activated receptor gamma);通过使用三维药效团模型Rollinger等人虚拟筛选了Ruta graveolens的16种代谢产物,所用数据集包括2,208种药效团模型,最终确定山小橘碱(arborinine)为人鼻病毒(human rhinovirus)外壳蛋白抑制剂,芸香苦甙(rutamarin)为大麻素受体2(cannabinoid-2 receptor)配体。PASS是较早面世的一款软件,它通过分子二维化学结构预测生物活性,曾成功应用在90多种海绵生物碱上,其中约80%具有抗肿瘤活性。此外还有很多其他软件或方法,它们的工作原理大都需要依赖以下信息:(1)化学结构类似药物的已知靶标信息,(2)明确的配体-受体对接信息,(3)基因序列和通路信息。这也不难理解这些软件或方法在预测天然产物靶标时经常出现有失误,特别是天然产物结构缺乏上述信息的时候,比如结构特别复杂或者特别新颖。与之相比,SPiDER软件通过拓扑药效团和物理化学性质双重信息来预测靶标,少了诸多限制。例如,在预测大环类天然产物archazolid A的靶标过程中表现出了令人震惊的准确性,预测archazolid A可以抑制5-脂氧合酶和前列腺素E2合酶1,部分激活法尼醇X受体,而且都获得了实验证实。天然产物和靶标的关系见图6所示。图6. 天然产物和合成生物活性分子的靶标预测以及结构分析。图片来源:Nature Chem.天然产物在药物发现中有特权?在药物发现中天然产物常常被提及为特权分子,它们频频在各类生物活性测试中表现出活性。这可能是由两种原因造成:(1)活性筛选时的假阳性,原因可能是天然产物所含活泼和不稳定官能团造成的非特异反应活性、溶解度问题、在测试条件下发生胶体聚集等等;(2)天然产物特定、可逆、浓度依赖的多靶标结合能力,又称为杂泛性。但也要值得注意,分析来看,天然产物中含有“非期望亚结构(undesired substructures)”的比例更高(见图6d、表2),例如约六分之一天然产物含有迈克尔受体基团。合成药物分子的杂泛性更强,更易出现结合多种靶标的情况(见图6e)。结论和展望天然产物在药物发现中的地位还无可动摇,现代化学和生物信息学等工具促进了基于天然产物的药物研发,如靶标预测软件、天然产物的代谢物研究、药效团的动力学和热力学帮助发现从天然产物中挖掘中先导化合物,实现从结构到片段再到结构的蜕变!http://www.nature.com/nchem/journal/v8/n6/full/nchem.2479.html附录 常见天然产物数据库Dictionary of Natural Products http://dnp.chemnetbase.comTraditional Chinese Medicine http://tcm.cmu.edu.twSuperNatural http://bioinformatics.charite.de/supernatural/ChEMBL http://www.ebi.ac.uk/chembl/MarinLit http://pubs.rsc.org/marinlit/导师介绍Gisbert Schneider教授:http://www.x-mol.com/university/faculty/2777X-MOL医药领域学术讨论QQ群(450658255)

茶树内生菌次级代谢产物研究揭示了一种新的环庚三烯酚酮生物合成机制

中国科学院昆明植物研究所黄胜雄研究员通过对茶树(Camellia sinensis)中分离得到内生放线菌Streptomyces sp. KIB-H033的代谢成分研究,分离得到了具有吡啶环、环戊酮环、环庚三烯酚酮环、呋喃环及吡喃环五环并构的新颖骨架的托酚酮类天然产物罗博卢酮A和B(rubrolone)。而其中的罗博卢酮 B具有一个稀有的苯甲酸-吡啶环内盐基团,并利用ECD谱图的计算确认了该化合物轴手性。通过13C-标记的醋酸盐的喂养实验初步研究了其生物合成碳原子的来源并推测罗博卢酮独特的环庚三烯酚酮环结构骨架苷元是由微生物二型聚酮合酶(type-II PKS)参与合成的,其间还经历了复杂的氧化重排过程。由于自然界含有托酚酮环的天然产物相对较少,而且其环形成的生物合成化学机制研究不够深入,仅有一篇关于真菌代谢托酚酮类化合物密挤青霉酸(stipitatic acid)生物合成的报道(PNAS, 2012, 109, 7042)的文献。该发现与密挤青霉酸环庚三烯酚酮环的合成明显不同,代表着一个全新的环庚三烯酚酮环生物合成的化学机制。研究成果以“Tropolone Ring Construction in the Biosynthesis of Rubrolone B, a Cationic Tropolone Alkaloid from Endophytic Streptomyces”为题发表在Organic Letters(2016, 18, 1254)。论文发表后,该研究还被综述杂志Natural Product Reports(Nat. Prod. Rep., 2016, 33, 742)评选为热点研究化合物(Hot off the Press)。图:(A)罗博卢酮 B喂养实验及13C标记模式;(B)已报道的真菌代谢天然产物密挤青霉酸中环庚三烯酚酮的生物合成机制;(C)本研究推测的罗博卢酮中环庚三烯酚酮结构单元的生物合成机制。该论文作者为:Yijun Yan, Ya-Tuan Ma, Jing Yang, Geoff P. Horsman, Dan Luo, Xu Ji, Sheng-Xiong Huanghttp://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.orglett.6b00074Tropolone Ring Construction in the Biosynthesis of Rubrolone B, a Cationic Tropolone Alkaloid from Endophytic StreptomycesOrg. Lett., 2016, 18, 1254-1257, DOI: 10.1021/acs.orglett.6b000742016年广州国际有机化学会议信息时间:2016年11月26 – 29日地点:广州,广东工业大学网址:http://icoc.csp.escience.cn 点此阅读详细会议信息

天然产物研究新范例:从新颖结构到靶点确证

活性天然产物具有独特的生物相容性、新颖的结构骨架以及广泛的药理活性,时至今日依然是当今药物发现的一种重要手段。在天然产物研究学界,最具影响力的研究期刊莫过于Journal of Natural Products。通常,我们在这个期刊上读到的大量论文标题是这样的——“从XXX中分离得到了具有某某生物活性的某种结构类型的XXX A-J”,今天要向大家介绍这篇由意大利萨莱诺大学Nunziatina De Tommasi等人完成的论文,画风却别具一格,看一眼题目就知道这文章的闪光点——“Drug Affinity Responsive Target Stability (DARTS) Identifies Laurifolioside as a New Clathrin Heavy Chain Modulator”。(J. Nat. Prod., 2016, DOI: 10.1021/acs.jnatprod.6b00627)结构新颖的化合物是J. Nat. Prod.文章的基本要素。作者报道了从大戟属植物Euphorbia laurifolia分离得到的5个二萜新化合物(1-5)和一个单萜新化合物6。至于结构是不是非常新颖,贴出来大家一起品评吧。图片来源:J. Nat. Prod.结构解析部分咱们就不赘述了,包括DQF-COSY和1D-TOCSY在内的,您能想到的各种一维二维NMR手段作者都用上了。重点来了,天然产物的立体构型确定一直是个难点,以往大家都押宝于X-Ray单晶衍射技术,谁要是能将分离得到的一两毫克纯品养出单晶来,那绝对可以和师弟师妹吹个三年五载的。这些年,越来越多的学者选择用计算化学模拟ECD光谱和实际测得ECD光谱比较来确定化合物的立体构型。作者也使用了这种方法确定化合物1和2的立体构型。图片来源:J. Nat. Prod.寻找活性天然产物的直接作用靶点是非常困难的!非常困难的!非常困难的!(嗯,重说三!)但是呢,也不是完全无计可施,随着学科融合交叉发展还是有办法找到了一些作用靶点。比如,在活性化合物上接一些功能基团得到探针分子,再利用探针分子垂钓蛋白,结合生物质谱手段寻找作用靶点。这套方法目前相对成熟,也有一些成功案例,但是该策略最大的弊端就是需要对活性分子进行化学修饰。虽然通过活性评价可以证明修饰基团不影响活性,而且通过一些生物物理手段可以证明结合蛋白的片段是最初的活性化合物而不是引入的功能基团,但是,如果活性分子是结构复杂难以合成的天然产物,在自然界存在量又很低,那么对其进行化学修饰的难度可想而知。这样的活性天然产物该怎么找靶点呢?图片来自网络Drug Affinity Responsive Target Stability (DARTS)技术很好的解决了上述问题,其最大优势在于无需对活性分子进行任何化学修饰。我稍微科普一下,DARTS技术的基本原理是基于蛋白质的稳定性。文献报道,当蛋白质结合了小分子化合物后,其对蛋白水解酶的稳定性明显提高。直观地说,结合小分子的蛋白不容易被蛋白酶水解,这些蛋白就可以在电泳后被检测到,随后利用生物质谱可确定具体的靶点蛋白。图片来源:PNAS作者就是应用了这样的技术确定了laurifolioside (1)在PC-3和MCF-7细胞中的直接作用靶点是内涵素重链1(clathrin heavy chain 1)。图片来源:J. Nat. Prod.图片来源:J. Nat. Prod.在获得靶点信息之后,验证活性分子与靶点的相互作用则是另一个难点。作者并没有选择小分子与蛋白相互作用的直接检测手段,而是根据内涵素介导的细胞内吞功能进行了间接检测。通过检测化合物影响细胞对转铁蛋白(transferrin)的内吞作用变化来反映化合物对内涵素的作用。实验结果间接佐证了laurifolioside对内涵素的抑制作用。图片来源:J. Nat. Prod.文末,作者应用分子动力学模拟与分子对接等计算化学技术推测了laurifolioside与内涵素的结合构象,氢键疏水键作用位点及结合能量。图片来源:J. Nat. Prod.整篇文章看完之后,个人感觉这篇文章最大特点就是“虚实结合”。立体构型的确定用到了计算化学虚拟ECD光谱与实测ECD光谱的比较;靶点寻找部分先是用了DARTS实验找到可能的靶点,再用分子模拟手段推测作用形式。毫无疑问,DARTS技术找靶点是这篇文章最大的闪光点。当然,如果后面的靶点验证选择直接检测相互作用的技术就更好了,如果有laurifolioside与内涵素的共晶结果就更好了,如果有……就更好了……如果我说的这些都有了,估计我们也就在J. Nat. Prod.上看不到这篇文章了。好吧,历史不能假设。瑕不掩瑜,客观的讲这篇文章的架构在近年的J. Nat. Prod.上并不多见,绝对算得上卓尔不群。不知道各位做天然产物的朋友们看着手里测活待发的新化合物们有没有心头一凉,虎躯一震。嗯嗯,还是赶紧解结构去吧,解析出来才好找人合作嘛。http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jnatprod.6b00627PS: 我知道各位读者都很忙(懒),又对DARTS技术感兴趣,特奉上原始文献链接供大家学习。大伙要感谢的话就多多转发我的文章吧,希望我们的平台为更多朋友的工作学习带来帮助。Target identification using drug affinity responsive target stability (DARTS).http://www.pnas.org/content/106/51/21984.full.pdf(本文由乐只君子供稿)

Astellifadiene:绝对构型确定以及生物合成

日本东京大学Ikuro Abe教授和Makoto Fujita教授等人在从裸胞壳属Emericella variecolor NBRC 32302中寻找萜类合成酶基因和其在米曲霉中的基因功能表达过程中,发现了一个具有6/8/6/5环系的新二倍半萜astellifadiene(1)。通过NMR技术和Fujita发明的晶体海绵法(点击阅读相关)确证了astellifadiene的绝对构型。他们还通过体内和体外的同位素介入实验,提出了astellifadiene的生物合成途径。(Astellifadiene: Structure Determination by NMR Spectroscopy and Crystalline Sponge Method, and Elucidation of its Biosynthesis. Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 5785-5788, DOI: 10.1002/anie.201601448)近几十年来,微生物的基因测序取得蓬勃发展,由此验证了微生物具有产生目标化合物的潜力。这些基因数据不仅可用于快速鉴定已知化合物,还可用于新化合物的发现。由此,大量文献报道了分离未知化合物的方法和应用。随着大量的天然产物的发现,为满足快速鉴定天然产物结构的需求,对先进技术的发展有着迫切需求。确定化合物的平面结构和相对构型通常依赖于核磁共振波谱和质谱技术。然而,对于如何确定化合物的绝对构型还是存在着很大的挑战。晶体海绵法应运而生,用途广泛,甚至对于微量油状物亦可采用X-射线晶体学分析技术进行绝对构型确定。近年来,基因组采掘和真菌的二萜/二倍半萜合成酶的不同表达发现了不少新的萜类化合物。这些萜类合成酶由异戊烯转移酶(PT)和萜类环化酶(TC)组成。PT合成香叶基香叶基焦磷酸酯(GGPP)或香叶基金合欢基焦磷酸酯(GFPP),TC将聚戊烯基转化为环状产物。重要的是,通过基因采掘方法得到的萜类化合物拥有新颖的骨架类型。然而,仅仅使用传统的方法难以确定这些结构复杂的萜类化合物的构型,对于氧化度较低的萜类尤其如此。在此,Abe和Fujita等人报道了astellifadiene (1)的发现及快速结构确定方法。此外,该团队还对化合物1进行了环合反应机理研究。为了得到新的萜类化合物,研究者采用裸胞壳属Emericella variecolor  NBRC 32302作为一个潜在的萜类合成酶基因。该团队之前从真菌里发现了两个新的双官能团合成酶,它们可能是非典型的萜类合成酶基因。在其中,他们选择了一种716个氨基酸构成的蛋白质。根据之前对这类合成酶的官能团结构解析,这种基因异源表达在米曲霉NSAR1中。通过GC-MS分析含有该基因的转化株的菌丝提取物,结果表明,新的代谢物1质荷比为m/z 340 [M]+。由此,他们推测1是一个新的二倍半萜。通过HR-MS推知1的分子式为C25H40,则其不饱和度为6。13C NMR显示其25个碳信号中,有4个烯碳原子,表明1具有四环骨架。由1H-1H COSY、HMBC和NOESY相关谱,确定1的平面结构为6/8/6/5的四环新颖骨架结构,其绝对构型的确认则需用到晶体海绵法。通过X-ray Bijvoet方法,可以直接提供分子手性信息。由于1以油状形式存在,不适合进行普通的衍射研究。然而,在化合物没有晶体结构的情况下,晶体海绵方法可以直接确定化合物的绝对构型,因此,Abe和Fujita及合作者选择这种方法来确定化合物的绝对构型。这是首次应用这种技术来确定烃类化合物的绝对构型。通过形成一个多孔结构的晶体海绵[(ZnI2)2(tpt)3·x(solvent)]n [tpt =三异丙基乙磺酰(4-吡啶基)-1,3,5-三嗪],运用X-单晶衍射技术,确定了化合物1绝对构型为2S, 3S, 7R, 11R, 14R, 15S, 18S。此外,化合物1的优势构象为:A环和C环为椅式构象,而环B为环辛烯的船-船构象(如下图D标示)。接下来,研究者采用乙酸钠(1-13C)进行同位素示踪,探究了化合物1的环合机理。真菌的生物合成途径一般为甲羟戊酸途径,来源于乙酸钠(1-13C)的DMAPP和IPP在C1和C3处作了标记,因此,产生带有13C的GFPP在10位碳原子处。二倍半萜1的C-1,C-3,C-5,C-7,C-9,C-11,C-13,C-15,C-17,C-19被标记了同位素。结果表明,这些标记模式并不符合异戊二烯规则,由此证明在生物合成时,碳碳键发生了迁移。基于这些现象,Abe和Fujita团队提出了产生化合物1的环化的可能机理:GFPP消除了OPP后,发生在C-1–C-11和C-10–C-14的环合作用产生了一个11/5环系(2+);然后,随着末端π键的扩环作用和碳键重排形成C-13–C-15和C-14–C-18两个新键,从而形成一个具有11/6/5环系的中间产物3+;异丙基的一个甲基去质子化产生中间物4,至此,完成了反应的前半部分。C-3的质子化作用开启了二次环合作用形成C-2–C-6键,由此形成了5/8/6/5碳正离子5+。5+通过过键的迁移形成6+:一个二环[5.3.1]十一烷骨架。最后,从C-10到C-6的1,5-迁移反应和C-9的去质子化作用,形成了化合物1。在碳正离子6+中,H-10非常接近C-6,这点也支持从C-10到C-6的迁移反应的可能性。此外,研究者将[1-13C,2H3]乙酸钠或[2-13C,2H3]s乙酸钠加入1中,结果表明,当[1-13C,2H3]加入后,C24标有2H,而不是C25,由此说明初始的去质子化是发生在源自DMAPP的C-5的甲基处。此外,从C-10迁移至C-6的H原子也很重要。而且,实验结果表明,C-9上没有起初标记的氘原子,这一点和他们提出的发生在C-10和C-6之间的1,5-迁移反应是符合的。为进一步确证环合作用机理,Abe和Fujita等人在体外进行了大肠杆菌中重组EvAS的表达实验。在DMAPP、IPP和Mg2+条件下,合成1后,在重水里发生反应,以此验证4是否发生质子化反应。实验结果发现1中有一个氘原子,说明第二次环合作用是通过质子化反应开始的。环合反应首先是形成11/5的二元环碳正离子,这和fusicoccadiene、phomopsene、ophiobolin F以及stellatatriene的合成是一样的。这个发现说明了EvAS的TC域和上述提到的那些酶是一样的,都属于B分支。有趣的是,1的绝对构型和variecolin是类似的。考虑到它们结构的相似性,可以预测,化合物7可能和1一样,也是通过形成中间体5+,然后C-8再去质子化而形成。最后,基于同源模型fusicoccadiene的合成酶PaFS的晶体结构研究结果,证明TS的氨基酸残基包含在凹处的底端活性位点在EvAS中表现独特。在PaFS中由大至小的取代基F65,W225和M309极大地增加了EvAS中活性位点的容积,改变了其形状。这些不同之处或许可以解释萜类环化酶的基质和产出的特异性。http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201601448/abstract(本文由浮生若梦供稿)

Densanins BCD三环母核的合成

Densanins是来源于韩国近海海洋海绵Haliclona densaspicula 的一类大环二胺生物碱。Densanins具有令人炫目的三维空间结构,在四氢吡咯/环庚酮/吡咯三环母核周围环绕了一个十五元环和一个十一元环,就像蝴蝶的一双翅膀。生物活性研究表明,densanins对脂多糖诱导的小胶质细胞中一氧化氮的产生具有中等程度的抑制作用,是可用于治疗神经系统疾病的潜在药物。近日,陕西师范大学小分子探针团队的杨俊教授课题组首次报道了densanins BCD 三环母核的合成。以手性化合物1为起始原料,通过N-烯丙基化-SN2'串联反应高效、立体选择性的合成了吡咯烷B环。随后,利用酯基α-位烷基化构建了C-4位季碳中心,通过3-碘吡咯与末端炔发生Sonogashira偶联完成吡咯环D的组装。最后,采用金催化的芳烯化反应构建了七元C环。该策略为这类天然产物全合成的实现和进一步的药物化学研究打下坚实的基础。这一研究成果发表于《Org. Lett.》上。http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.orglett.6b00606原文:Synthesis of the BCD Tricyclic Core of Densanins A and BOrg. Lett., 2016, 18, 1949-1951, DOI: 10.1021/acs.orglett.6b00606X-MOL有机领域学术讨论QQ群(450043083)

红树林来源真菌Neosartorya udagawae中发现的抗甲型流感病毒活性的新骨架生物碱

红树林处于海陆交界处,具有独特的生态环境。中国海洋大学的李德海教授等人从红树林植物白骨壤(Aricennia marina)的根部内生真菌Neosartorya udagawae HDN13-313中发现了两个含有新颖喹唑啉骨架的fumiquinazoline类生物碱Neosartoryadins A(1)和B(2),以及生源相关的两个新结构fiscalins E(3)、F(4)和一个已知化合物fiscalin C(5),如图1所示。经典的fumiquinazoline类生物碱的是一类常见的真菌毒素,其吡啶[2,1-b]喹唑啉部分的C环一般为嘧啶环(如化合物3-5),而Neosartoryadins A和B中的C环骨架异化成吡啶环,同时还存在一个罕见的四氢呋喃环(D环)。作者推测化合物1-2是由关键中间体5在生物体内进一步经过氧化、水解、羟醛缩合等生合成过程转化而来。新化合物1-4的绝对构型是通过NOESY谱、电子圆二色谱(ECD)测试、含时密度泛函理论-电子圆二色谱(TDDFT-ECD)计算和单晶衍射等技术得以确定。化合物1-2经中国海洋大学王伟副教授评价,显示较强的抗甲型流感H1N1病毒的活性,其IC50值分别为66 μM 和58 μM(利巴韦林作为阳性对照,IC50 = 94 μM),为抗病毒药物的发现提供了新颖的模板结构。图1这一研究成果发表于《Org. Lett.》上。http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.orglett.5b02964原文标题:Neosartoryadins A and B, Fumiquinazoline Alkaloids from a Mangrove-Derived Fungus Neosartorya udagawae HDN13-313

益母草中一个具有新颖四环骨架的螺缩酮二萜——Leonuketal

成都中医药大学的彭成教授和熊亮副教授在传统中药益母草(Leonurus japonicus)中发现一个结构复杂的螺缩酮二萜化合物Leonuketal。该化合物具有新颖的四环二萜骨架,结构中最突出的特征为一个螺缩酮单元与一个缩醛-γ-内酯单元稠合。其复杂的绝对构型通过核磁数据分析、Mosher’s法及计算ECD确定,其中中国医学科学院医药生物技术研究所的陈明华博士和宾夕法尼亚大学的邹一可博士均参与了理论ECD的计算,并得到了一致的结论。在离体实验中,Leonuketal对氯化钾诱导的大鼠主动脉收缩具有显著的血管舒张活性,EC50值为2.32 μM。这一研究成果发表于《Org. Lett.》上。http://dx.doi.org/10.1021/acs.orglett.5b03227 原文标题:Leonuketal, a Spiroketal Diterpenoid from Leonurus japonicus

中药白饭树活性成分的研究取得新进展

中药白饭树为大戟科白饭树属植物Flueggea virosa (Roxb. ex Willd.) Baill.的全株。具有清热解毒,消肿止痛,止痒止血之功效;常外用于湿疹,脓疱疮,过敏性皮炎等病症。中国科学院上海药物研究所张华研究员和岳建民研究员在前期从该中药中分离鉴定一系列一叶萩碱类寡聚体生物碱的基础上,对其微量化学成分的研究又取得了新的进展。在当前工作中,他们得到并阐明了一个新的二聚体生物碱(1, flueggether A)和一个新的单体生物碱(2, virosinine A)的化学结构,并通过X-射线单晶衍射实验和对比实验-计算圆二色谱数据分别确定了两个化合物的绝对构型。Flueggether A是该类生物碱寡聚体系列中首个通过醚键连接的例子,而virosinine A具有新颖的杂环骨架。该项工作中的圆二色谱理论数据由同单位的罗成研究员课题组通过含时密度泛函理论(TD-DFT)计算获得;体外抗HIV活性测试则由合作单位加拿大麦吉尔大学(McGill University)艾滋病中心的Mark A. Wainberg教授课题组完成。两个化合物均显示了温和的抗HIV活性,1和2的EC50值分别为120 ± 12和45.0 ± 4.5 mM。这一研究结果发表在《Org. Lett.》上。http://dx.doi.org/10.1021/acs.orglett.5b03320 原文标题:Flueggether A and Virosinine A, Anti-HIV Alkaloids from Flueggea virosa

利用Podocarpane型邻苯二醌的D-A环加成策略对Atisane型二萜的全合成

四川大学的刘波教授课题组通过对Podocarpane型邻苯二醌的Diels-Alder环加成进行探索,以较高的产率和选择性得到了一系列的[2.2.2]桥环结构。最终以三甲基硅基乙炔为亲双烯体,完成了Atisane型二萜天然产物中的高度官能团化的[2.2.2]桥环结构的构建。并以此为基础,利用Mn(III)/Co(II)-催化的高度化学选择性,区域选择性和非对映选择性的Mukaiyama羟基化反应构建了[2.2.2]桥环结构中正确立体构型的羟基。通过酸催化的仿生的掉缩酮保护—7元环内酯水解开环—关6元环内酯的串联反应,完成了天然产物Crotobarin和Crotogoudin的骨架构建。最终以14步反应,2.8%的总收率首次完成了天然产物Crotobarin消旋体的全合成。同时以14步反应,3.5%的总收率完成了天然产物Crotogoudin消旋体的全合成。整个合成路线中所涉及到的多数反应选择性好、操作简单、后处理方便,其中多步反应的产物可以不经纯化直接用作下一步反应。为Atisane型二萜天然产物的全合成提供了一条通用的简洁高效的路线。随后利用官能团化的[2.2.2]桥环中间体,简洁地完成了Atisane型二萜天然产物rac-atisane-3β,16α-diol和16S,17-dihydroxy-atisan-3-one的全合成。同时,通过对[2.2.2]桥环中间体骨架重排反应的研究,得到了其他具有[3.2.1]桥环骨架的二萜天然产物的结构类似物。为其他骨架类型的二萜天然产物的合成提供了一个可参考的方案。这一研究成果发表于《J. Am. Chem. Soc.》上。http://dx.doi.org/10.1021/jacs.5b08958  原文标题:Total Synthesis of Atisane-Type Diterpenoids: Application of Diels–Alder Cycloadditions of Podocarpane-Type Unmasked ortho-Benzoquinones

新颖的异戊烯基取代吲哚和香豆素杂合体

北京大学药学院姜勇教授课题组最近在《Organic Letters》杂志上报道了从芸香科九里香属植物九里香根中分离鉴定的两个结构新颖的吲哚和香豆素的杂合体,exotines A 和B。该类化合物是由异戊烯取代的香豆素和吲哚生物碱单元通过Diels-Alder[4+2]环加成、电子迁移扩环反应形成一个新的七元环相连。化合物的绝对构型通过X-ray单晶衍射和计算ECD的方法进行确定。ECD的计算结果显示,化合物结构中香豆素单元与吲哚生物碱单元的空间相对位置(位阻异构)对其CD光谱有显著影响。结合单晶数据,最终确定两单元结构的空间相对位置为逆时针方向,对化合物的绝对构型进行了有益补充。在该属植物中,香豆素二聚体及吲哚生物碱二聚体均有报道,而香豆素与吲哚生物碱形成的杂合二聚体尚属自然界首次报道。九里香药材在民间主要用于解热、止血、治疗牙痛等,具有抗炎、镇痛等功效;此外,九里香还是中成药三九胃泰的主要药味之一。因此,我们采用体外细胞模型对化合物的抗炎活性进行了筛选,发现这两个化合物对脂多糖(LPS)诱导的小胶质(BV-2)细胞中NO生成具有较好的抑制作用,其IC50值分别为9.2和39.9 μM。该研究结果为中药九里香传统抗炎镇痛药效物质基础的阐明提供了一定参考。http://dx.doi.org/10.1021/acs.orglett.5b02230

《PNAS》报道预测天然产物结构和活性的新工具

天然产物是药物开发的丰富来源,但天然产物提取物的成分极为复杂,这给生物活性物质的分离和鉴定带来了极大困难。传统天然产物的研究方法中,往往采用生物检测来确定有活性的提取物部分并进行随后的分级分离,如此重复,直到最后才能确定化合物的结构和活性信息。这导致很多情况下,发现新的活性化合物的可能性很低,而重复发现已知化合物的可能性很高。现在在加拿大Simon Fraser University任副教授的Roger G. Linington等人最近创建了一个称为Compound Activity Mapping的平台,该平台结合了基于细胞的生物检测技术和基于质谱的化合物鉴定技术,同时预测生物活性和化合物结构,可用于复杂天然产物提取物库。该技术已经成功对天然海洋沉淀物提取物中的化合物进行了预测,并找到其中具有生物活性的化合物。Dr. Roger Linington. Credit: linington.chem.sfu.ca具体来说,研究人员集成了HeLa细胞中基于图像的表型筛选以及高分辨率非靶向代谢物组学分析,来开发Compound Activity Mapping。为了验证效果,研究人员将Compound Activity Mapping用于一个包括234种提取物的天然产物库,通过整合该库的10,977组质谱特征数据和58,032组生物检测数据,鉴定出了13个组分簇,其中含有11个已知化合物家族以及4个新的化合物。应用该平台,研究人员发现了quinocinnolinomycins,这是一类新的天然产物家族,具有独特的碳骨架,能够引起内质网应激。Compound Activity Mapping这一方法,将高通量、快速天然产物筛选变成了现实,为天然产物药物发现提供了一个划时代的方法。1. http://www.pnas.org/content/112/39/11999 2. http://www.sciencemag.org/content/350/6257/174.1.full

神奇的过氧桥:天然药物分子大盘点

2015年10月5日诺奖评委会宣布授予中国科学家屠呦呦获得本届诺贝尔生理学或医学奖,屠奶奶和青蒿素一夜爆红,照片登上了大小媒体的头版头条,细心者会发现,屠奶奶和青蒿素除了彼此命运相连,还都戴着一副萌萌哒的“眼镜”(奇怪的关注点)。青蒿素这对“眼镜”其实是一个过氧桥键,正是过氧桥赋予了青蒿素诸多奇特的性质,例如抗疟活性,又或水煮失效必须冷萃提取。小氘有感于过氧桥的神奇性质,总结了一些和青蒿素一样具有过氧桥结构的天然活性小分子,与读者分享。图1. 屠呦呦与青蒿素含过氧桥的有机化合物统称为过氧化物,主要分为内过氧化合物(endoperoxides)、链过氧化物(acyclic peroxides)和过氧氢基化合物(hydroperoxides)。其中内过氧化合物具有多种生物活性(抗疟、抗肿瘤等),理化性质较为稳定,受到了最广泛的关注。内过氧化合物依据环的大小及杂原子取代位置不同,主要分为1,2-dioxane、1,2,4-trioxane、1,2,4,5-tetraoxane、1,2-dioxolane和1,2,4-trioxolane等。下面小氘就分门别类地介绍它们。1,2,4-trioxane类内过氧化物(以青蒿素衍生物为代表)上世纪70年代中国科学家从中药黄花蒿中提取出活性成分青蒿素(artemisinin, ART),其因具有独特的过氧桥结构,而产生显著的抗疟活性,但其水溶性差、半衰期短、生物利用度低,因此科学家又合成了一些列的ART的衍生物(artemisinin derivatives, ARTDs),如双氢青蒿素(dihydrorartmisinin, DHA)、蒿甲醚(artemether, AM)、蒿乙醚(arteether, AE)和青蒿琥酯(artesunate, AS)等(结构如图2所示),修饰基团的改变不仅改善了ART的药代动力学性质,而且大大提高了其抗疟活性。近二十多年的研究表明,除了抗疟活性,ARTDs还具有显著的抗癌能力(如乳腺癌、肝癌、黑色素瘤、胰腺癌、结直肠癌等),过氧桥仍然起到关键性作用。此外,ARTDs还能作为增敏剂配合化疗、放疗使用。图2. 青蒿素衍生物ARTDs结构式对于ARTDs杀死肿瘤细胞的机理,目前有两种观点,其一是ARTDs的过氧键与血红素中的亚铁离子或其他生物大分子内的亚铁离子作用,产生氧自由基,继而重排生成碳自由基,大规模烷基化肿瘤细胞内的大分子。抑或是这些自由基在体内转化成活性氧,造成肿瘤细胞的氧化应激,诱导其凋亡或坏死。由于肿瘤细胞增殖速度快,需要更多亚铁离子,且对氧化应激更为敏感,因而ARTDs可以特异地杀死肿瘤细胞,对正常细胞作用较小(J. Biomed. Biotechnol. 2012, 247597. DOI: 10.1155/2012/247597)。另一种观点认为,ARTDs不经过过氧键断裂,而是直接与肿瘤细胞内的特定靶点特异性结合,抑制关键通路,杀死肿瘤细胞(Expert. Rev. Mol. Med. 2009, 11, e32. DOI: 10.1017/S1462399409001239)。至于哪种观点对,还需要进一步研究。1,2-dioxolanes和1,2-dioxanes类内过氧化物除了青蒿素为代表的1,2,4-trioxane类内过氧化物,科学家还从海绵(不是海绵宝宝那个海绵~~~)中提取了多种抗肿瘤活性的1,2-dioxolanes和1,2-dioxanes类内过氧化物(见图3)。此外,来自中药千里光的提取物HEM、山道年提取物ascaridol、凹顶藻提取物majapolene A都具有明显的抗癌活性。天然产物鹰爪素A比其差向异构体活性相差70多倍,说明这类化合物更可能通过与特定靶点结合而起到抗癌活性,而非通过自由基途径。图3. 几种天然1,2-dioxolanes和1,2-dioxanes类内过氧化物及来源1,2,4-trioxolanes与1,2,4,5-tetraoxanes类内过氧化物1,2,4-trioxolanes化合物的药用活性报道较少,比较有名的例子是中药白牛槭的提取物aceranol acetate,其具有明显的抗癌活性。1,2,4,5-tetraoxanes类化合物是迄今为止唯一一类没在天然产物中发现的内过氧化物。但其同样具有显著的抗疟及抗癌活性(图4,Opsenica课题组合成的一系列胆汁酸1,2,4,5-tetraoxane衍生物)。图4. 1,2,4-trioxolanes与1,2,4,5-tetraoxanes类内过氧化物及其来源屠呦呦等人分离出青蒿素后,含过氧桥的药物分子因其独特活性受到了科学界和医药行业的广泛关注,相关研究工作繁多,大量的天然产物、合成产物及机理研究工作诞生,在抗癌抗虐等领域取得了巨大成就,这里小氘仅仅列举出其中的一小部分,感兴趣的读者可继续深入学习。大自然永远值得人类学习和探索,对于人类面临的病痛,大自然也许早就准备好了良药,它可能藏任何一个不起眼的角落,在一片树叶里,在一朵花里。而发掘大自然这所宝库,则需要药学家们创造性的思维和辛勤的工作。最后再次为屠呦呦奶奶喝彩!(作者:氘氘斋)

红花五味子双内酯B的DEFG环系的简洁合成

Rubriflordilactone A和Rubriflordilactone B是从红花五味子[Schisandra rubriflora (Franch.) Rehd. et Wils]的叶和茎中分离得到的两个降三萜分子。它们结构的独特性在于D环为一个苯环,这是在此家族天然产物中首次发现;而且,两者的精细结构也存在较大区别:除C环的不饱和度有差异外,DEF环系的连接方式分别为角稠合或线性稠合。初步的化学生物学研究表明:Rubriflordilactone B具有很强的抑制HIV-1病毒复制的活性(EC50 = 9.75 μg/mL)并显示出较好的选择性(SI = 12.39)和较低的细胞毒性(CC50 = 120.7 μg/mL);而Rubriflordilactone A仅有非常微弱的抗HIV-1活性。目前尚未见Rubriflordilactone B的全合成报道。近日,兰州大学彭羽课题组首次完成了Rubriflordilactone B中拥有五个连续立体中心(C16-C17-C20-C22-C23)的DEFG环系的合成。该路线比较简洁:具体从商品化的2-茚醇和易得的1-甲氧基联烯、2-硅氧呋喃合成砌块出发,通过运用自由基形式的1,5-H迁移-环化和插烯Mukaiyama-aldol反应来快速构筑活性突出的四环骨架。合成同时产生的C22-C23位置的非对映异构体也可用于构效关系的进一步研究。该成果发表于《Tetrahedron Letters》。http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0040403915009594

玛雅人用过的草药含有治疗利什曼病的化合物

一种从传统玛雅草药中分离得到的化合物可能是治疗内脏利什曼病(visceral leishmaniasis,一种寄生虫病)的一个新的候选药物(ACS Infect. Dis. 2015, DOI: 10.1021/acsinfecdis.5b00081)。利什曼病(leishmaniasis)是由利什曼原虫(Leishmania donovani)引起的人畜共患病,主要通过沙蝇传播,可引起人类皮肤及内脏黑热病。每年感染约30万人,临床特征主要表现为长期不规则的发热、脾脏肿大、贫血、消瘦、白细胞计数减少和血清球蛋白的增加。如不予合适的治疗,甚至会引起死亡。本病多发于热带和亚热带地区,以皮肤利什曼病这种形式最为常见。图片来源:www.niaid.nih.gov当前治疗利什曼病的药物有严重的缺点。许多药物具有毒副作用,且大部分必须注射给药,疗程长。此外,引起该病的杜氏利什曼原虫已经对大部分药物产生了耐药性。因此,研究人员迫切希望找到能够治疗该疾病的新药物。俄亥俄州立大学的Abhay R. Satoskar就是其中一员。大约8年前,Satoskar从他的合作者口中得知,古老的玛雅医生使用植物pentalinon的根制成药膏来治疗皮肤利什曼病。这种非致命性疾病是由一种类似的寄生虫引起的皮肤溃疡。Satoskar说,起初,他对此表示怀疑,但考察过该地区后,他认为,“这种药物看起来有效,管它是什么呢。”图片来源:www.plantcreations.com于是,他和他的团队决定测试从这种植物根部提取的化合物的活性,主要观察对引起内脏利什曼病的寄生虫在脾、肝和骨髓等器官中的效果。他们最初测试了20多种化合物,并发现了一种新的甾醇——pentalinonsterol,这种化合物具有强抗寄生虫活性(Phytochemistry 2012, DOI: 10.1016/j.phytochem.2012.06.012)。但植物中的含量毕竟很少,为了有足够多的化合物进行实验来评价其作为潜在的候选药物的能力,他们还需要找到一种方法来合成它。在目前的研究中,研究人员从孕烯醇酮(廉价的胆固醇)为起始化合物,五步合成了这种化合物。在至少50 µg/ml浓度下,这种合成的pentalinonsterol能够杀灭细胞培养液中的大多数利什曼原虫。在另一个实验中,研究人员发现,该化合物降低了寄生虫的总脂质含量,这表明它可通过破坏原虫的细胞膜发挥作用。为了测试pentalinonsterol在小鼠体内的有效性,研究人员首先将其包裹在脂质体内。脂质体能够保护这种疏水性化合物不在体内降解,并能“直接将其靶向寄生虫聚集的地方,”Satoskar说。研究人员用这种化合物处理利什曼原虫感染的小鼠,与空脂质体进行对照实验,发现小鼠脾、肝和骨髓的寄生虫水平分别下降了83%、64%和57%。该化合物还具有较好的耐受性,并可诱导T细胞反应来激活体内的免疫系统,这起到了事半功倍的效果。弗吉尼亚大学的药理学家Elizabeth R. Sharlow说,这会使得机体自己来对抗感染。Sharlow将这项工作称为“优雅的研究”,它将化学、传统医学和天然产物集中在一起,满足了临床的迫切要求。“Pentalinonsterol可能代表了下一代的小分子介导的免疫疗法,并可用来治疗内脏利什曼病,”她说。Satoskar说,研究人员正在努力开发这种化合物的口服制剂,并确定它的分子靶标。1. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsinfecdis.5b00081  2. http://cen.acs.org/articles/93/web/2015/09/Plant-Used-Traditional-Mayan-Medicine.html  

树木如何合成止痛药曲马多?

2013年,法国格勒诺布尔第一大学(Joseph Fourier University)的神经科学家Michel de Waard领导的研究小组声称,一直被非洲西部和中部的当地人用来治疗疼痛和疾病的乌檀属植物Nauclea latifolia的根皮提取物中存在大约0.4%的曲马多(Tramadol)。虽然植物会含有药用天然产物,但能够达到临床治疗浓度尚属首次报道(Angew. Chem. Int. Ed., 2013, DOI: 10.1002/anie.201305697)。Image:Wikipedia Commons科学向来具有争议。2014年,一个由德国多特蒙德工业大学Michael Spiteller带领的研究团队对de Waard的结论提出了质疑。他们认为,在北喀麦隆的样品中观察到的高浓度的曲马多很可能是由于牧民在当地的家畜饲料中加入了曲马多,过量的曲马多会随粪便到达土壤,进而被植物吸收(Angew. Chem. Int. Ed., 2014, DOI: 10.1002/anie.201406639)。Image:iStock但de Waard的同事Ahcène Boumendjel等人显然并不认同Spiteller的观点,他们又给出了一个合理的生物合成途径,以两种常见的氨基酸L-苯丙氨酸和L-赖氨酸出发,合成出曲马多。这一反应途径的关键在于,采用模拟体内温和的催化条件,完成3'-甲氧基苯乙酮和N,N-二甲基-5-胺戊醛衍生物的羟醛缩合反应。从得到的加成物很容易想象,该过程发生了一个简单的脱水反应,以及一些氧化还原化学反应,得到一个酮基烯胺,然后发生环化形成曲马多。为了进一步证实这一理论,该团队合成了酮-烯胺的二羰基前体,在还原胺化反应条件下,一锅法转化成曲马多,虽然收率只有10%。该反应的副产物表明,酮-烯胺及其亚胺离子互变异构体是反应形成的中间体。该研究成果发表于《Chem. Commun.》。“这一报告不仅展示了天然产物的仿生合成,更重要的是,为曲马多的生物合成途径提供了有力证据。”德克萨斯大学西南医学中心的Zhiqiang Ma评论说。该团队最近还利用13C同位素对这一合成途径进行了分析,得到了类似的结论(PNAS, 2015, DOI: 10.1073/pnas.1506011112)。Boumendjel说,他们现在计划“继续利用标记的氨基酸研究这一生物合成途径,并利用体外培养Nauclea roots技术,为证明曲马多的天然来源提供确凿的证据。”1. http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2015/CC/c5cc05948h  2. http://www.rsc.org/chemistryworld/2015/08/painkiller-tramadol-biosynthetic-pathway  

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