BNPC生命有机化学国家重点实验室
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俞飚课题组和唐功利课题组通力合作,完成对两个老抗生素的结构确证、化学合成和生物合成研究

  • 关键字: 俞飚 唐功利 抗生素 结构确证 化学合成 生物合成 发布者:宣传部 发布时间:2020-08-24 16:00:00 点击数: 6109次

阿米波霉素(Amipurimycin)和三原霉素(Miharamycin)是上世纪60-70年代由日本科学家发现的结构独特的肽核苷类抗生素。它们除了具有良好的抗真菌活性,在田间实验中,在10-20 ppm的低浓度下显示了对稻瘟病的防治活性。50多年来,虽然多家实验室开展了对这两个抗生素的合成研究,却从未实现对它们的化学合成,也未能完全确定其中的立体化学。

生命有机化学国家重点实验室俞飚课题组利用天然氨基酸衍生的四碳单元和天然五碳糖衍生的五碳单元的羟醛缩合反应,立体选择性地构建了阿米波霉素中独特的支链九碳糖胺骨架;利用课题组前期发展的一价金催化的糖苷化反应(Yu Glycosylation)合成了核苷中间体;通过酰胺化安装氨基酸支链。脱除保护基后,便得到了文献报道的该天然抗生素可能的4个立体异构体。然而,这些合成化合物的核磁共振数据与文献报道的阿米波霉素的数据均有明显差异。

从核磁数据的比较中推断,文献报道的阿米波霉素结构中核心九糖的C8位的立体化学可能有误。于是,研究人员更换相应的手性原料,从头合成了C8位手性反转的4个可能的立体异构体。遗憾的是,新合成的化合物的核磁数据还是与文献报道的阿米波霉素的数据存在差异。经过对数据的仔细分析,他们推断文献中对阿米波霉素核心九糖的C3的立体化学归属也有误。由于三原霉素和阿米波霉素极有可能由类似的生物合成途径产生,它们在C3上应该有相同的构型。而C3的立体化学反转将导致三原霉素的结构由原定的顺式5,6并环更正为反式5,6并环,这将是很大的结构修正。

研究人员针对修正的结构,又一次开展了合成,并获得了目标分子。这一次,合成分子的分析数据与天然阿米波霉素的数据很好吻合。同时,他们还从合成中间体出发,成功实现了三原霉素中的反式5,6并环骨架的合成;由此证明了三原霉素的结构也须得到更正。


与此同时,唐功利课题组对阿米波霉素和三原霉素的生物合成开展了研究。他们首先通过增加阿米波霉素生产菌的正调控基因和敲除三原霉素生产菌的负调控基因,发酵获得了这两个古老的抗生素。俞飙课题组利用他们提供的天然样品,通过晶体衍射确证了结构。由此,确证了前面由化学合成和核磁共振分析所推导得出的结论。

唐功利课题组在前体喂养实验中发现,当喂养13C标记的乙酸钠时,没有任何乙酸单元进入阿米波霉素的支链九碳糖骨架,这与之前推测的各种途径都不一致。更多的喂养结果提示,其氨基环戊羧酸支链可能来自α-酮戊二酸和乙酰辅酶A。以此为线索,他们在阿米波霉素产生菌基因组中成功定位了其基因簇。生物信息学分析表明,这一家族可能采用一种全新的高碳糖核苷生物合成模式,即非核糖体肽合成酶-聚酮合酶(NRPS-PKS)参与的糖骨架延伸。他们通过敲除核心基因中断了阿米波霉素的产生,通过基因敲除、中间体鉴定和体外酶催化证实了氨基酸支链的上载过程,初步提出了阿米波霉素的生物合成途径。

根据三原霉素和阿米波霉素的结构相似性,他们很快获得了三原霉素的生物合成基因簇。在敲除负调控基因,获得三原霉素高产突变株后,他们系统地敲除了:与九碳糖骨架及2-氨基嘌呤合成相关的12个基因、与后修饰过程相关的6个基因、与六碳糖核苷前体形成相关的2个基因、以及3个功能未知基因,总共获得了12个中间体化合物。通过对这些中间体结构的解析,以及对关键蛋白的酶催化活性的验证,他们成功绘制出了三原霉素和阿米波霉素的完整生物合成过程。这是首次发现NRPS−PKS系统在复杂核苷类衍生物上延伸二碳单元。该研究还同时提出了自然界中2-氨基嘌呤的形成方式,并初步揭示了一个甲基转移酶参与的反式5,6并环形成过程。


上述工作已陆续发表:
(1) Amipurimycin, total synthesis of the proposed structures and diastereoisomers. 王生阳, 孙建松, 张庆举, 曹鑫, 赵雅宸, 唐功利, 俞飚, Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 2884–2888.
(2) Amipurimycin and Miharamycin: structure revision and total synthesis of the former. 王生阳, 张庆举, 赵雅宸, 孙建松, 亢文佳, 王飞, 潘海学, 唐功利, 俞飚, Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 10558–10562.
(3) Identification of the amipurimycin gene cluster yields insight into the biosynthesis of C9 sugar nucleoside antibiotics. 亢文佳, 潘海学, 王生阳, 俞飚, 华会明, 唐功利, Org. Lett. 2019, 21, 3148–3152.
(4) Characterization of miharamycin biosynthesis reveals a hybrid NRPS−PKS to synthesize high-carbon sugar from a complex nucleoside. 王飞, 张文鹤, 赵娟, 亢文佳, 王生阳, 俞飚, 潘海学, 唐功利, J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 5996–6000.

该工作得到了国家自然科学基金委、科技部、中国科学院和上海市科委的大力资助。