抗肿瘤天然产物Quinolactacin A2的生物合成与酶催化机制

Quinolactacin A2（1）是一种真菌生产的新型生物碱类天然产物，分子中含有独特的喹诺酮-γ-内酰胺结构，具有抑制乙酰胆碱酯酶活性和抑制肿瘤坏死因子生长的作用，可作为缓解阿尔茨海默症和肿瘤治疗的潜在药物。近日，莱斯大学高雪课题组在Penicillium citrinum 中揭示了1的生物合基因簇qul，并阐明了1的生物合成途径和喹诺酮-γ-内酰胺结构形成的机制，为该类化合物的生物合成及工程化修饰奠定了基础，相关成果发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上。

图1. Quinolactacin A2 基因簇和生物合成途径

喹诺酮和γ-内酰胺结构是小分子药物中两种重要的药效团，一直是药物研发的热点目标，多种相关药物已被用于临床治疗。例如，喹诺酮抗生素ciprofloxacin、ofloxacin和sparfloxacin常用于结核杆菌感染治疗，γ-内酰胺类药物levetiracetam具有抗惊厥活性，已被用于癫痫症的临床治疗中。近年来，研究人员从真菌中分离出一类新型的生物碱类天然产物Quinolactacins，其分子具有独特的喹诺酮-γ-内酰胺融合结构，这种双药效团化合物有望缓解日益增加的抗生素耐药性问题。研究Quinolactacins生物合成过程以及喹诺酮-γ-内酰胺结构形成的酶催化机制对于该类化合物药物的工程化改造、结构和功能的多样性拓展及应用具有重要意义。

图2. L-犬尿氨酸（2）支路合成β-酮酸（9）。

该研究发现喹诺酮-γ-内酰胺结构是由NRPSs（QulA和QulB）利用前体β-酮酸和L-异亮氨酸通过Dieckmann环化组装而成。β-酮酸（9）则是初级代谢产物L-犬尿氨酸（2）通过一系列酶修饰产生的非天然氨基酸。在本文中，作者采用一系列基因敲除和酶体外催化研究，揭示了一条新的L-犬尿氨酸修饰途径，包括N-甲基化反应，独特的FMN-α-羧酸脱氢酶（QulF）催化的脱氢脱羧反应和Amidase催化的酰胺水解反应。这一途径为NRPS提供了一种新型底物β-酮酸前体（9）。其中，QulF是首次报道的可利用α-氨基酸进行脱氢和脱羧反应的FMN-α-羧酸脱氢酶类。

图3. NRPS蛋白QulA和QulB的功能解析及喹诺酮-γ-内酰胺结构形成机制

此外，作者表征了qul基因簇中NRPS蛋白QulA和QulB的功能，并提出了喹诺酮-γ-内酰胺的合成机制。尽管β-酮酸（9和10）可快速自发环化，QulB可高效利用这两个不稳定的β-酮酸，并与QulA激活的L-异亮氨酸缩合，继而通过QulA的R*结构域所催化的Dieckmann环化及后续的自发环化形成喹诺酮-γ-内酰胺三环结构。在之前的报道中，R*结构域催化的Dieckmann环化反应都是通过杂合的PKS-NRPS完成，其中PKS模块负责β-酮酸的形成，NRPS中的R*结构域负责Dieckmann环化。本文报道了一种利用α-氨基酸后修饰产生β-酮酸的新型代谢途径。另外作者还揭示出QulB的底物激活结构域中一保守位点突变，使其更加适合β-酮酸前体的利用，并使得NRPS R*结构域催化的Dieckmann环化与PKS模块解耦。这项工作对真菌NRPS化学和功能的多样性扩展具有重要意义。

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Quinolactacin Biosynthesis Involves NRPSs Catalyzed Dieckmann Condensation to Form the Quinolone-γ-lactam Hybrid

Fanglong Zhao, Zhiwen Liu, Shuyuan Yang, Ning Ding, Xue Gao

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202005770

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