利用聚酮類生物合成研發新抗生素的進展第1頁，課件共35頁，創作于2023年2月利用聚酮類生物合成研發新抗生素的進展報告人：2014年12月第2頁，課件共35頁，創作于2023年2月目錄聚酮化合物簡介聚酮類物質合成途徑1234聚酮類新抗生素研究進展聚酮類新抗生素研發策略5展望第3頁，課件共35頁，創作于2023年2月聚酮類化合物的定義聚酮類物質：聚酮（Polyketides）是一類由細菌、真菌、植物與動物所生產出來的次級代謝產物（secondarymetabolites）。

聚酮化合物是功能和結構最多樣化的天然產物之一，它們的合成包括?；?CoA活化羧酸的一系列重復的醇醛縮合而形成有一定長度的聚酮鏈骨架，然后經過環化或者芳香化、或者與脫氧糖等結構單位連接等過程。紅霉素結構圖第4頁，課件共35頁，創作于2023年2月一、聚酮化合物的分類1.芳香族聚酮化合物乙酸通過縮合(起始單位除外)形成的，大部分β-酮基在?；湹难由旌屯瓿珊蠖家恢北３址沁€原狀態，經過折疊和醇醛縮合形成六元環，芳香環隨后被脫水還原，如放線紫紅素、柔紅霉素、四環素。復第5頁，課件共35頁，創作于2023年2月一、聚酮化合物的分類2.非芳香環聚酮類化合物/大環內酯類化合物構成單位有乙酸、丙酸和丁酸等，許多不經過折疊和芳香化，而是通過內酯化成環，有一部分仍保持?；湥绱蟓h內酯抗生素紅霉素和螺旋霉素、抗真菌抗生素雷帕霉素和兩性霉素、聚醚類抗生素莫能霉素和南昌霉素等。第6頁，課件共35頁，創作于2023年2月二、聚酮化合物的合成途徑1.碳骨架的合成

聚酮合酶PKS（I、II、III類）類似脂肪酸的合成過程2.官能團的修飾羥基化、脫氧、烷基化等第7頁，課件共35頁，創作于2023年2月二、聚酮化合物的合成途徑a.I型PKS由幾個多功能的多肽組成，每一個多肽上都分別攜帶有參與聚酮生物合成所必需的各種酶的結構域每個結構域只參與整個聚酮碳鏈構建中的一步生化反應，而參與一輪聚酮生物合成反應的所有結構域稱為一個合成酶單位，編碼這個合成酶單位的DNA稱為一個模塊。

第8頁，課件共35頁，創作于2023年2月I型PKS合成紅霉素第9頁，課件共35頁，創作于2023年2月二、聚酮化合物的合成途徑b.II型PKSⅡ型PKS是一個多功能酶復合體，只包含一套可重復使用的結構域（KS/AT、ACP、CLF/KSβ），每一結構域在重復的反應步驟中被多次地用來催化相同的反應，其首次報道是在1984年。II型PKS合成機制的研究不如I型透徹。第10頁，課件共35頁，創作于2023年2月II型PKS合成丁省霉素第11頁，課件共35頁，創作于2023年2月二、聚酮化合物的合成途徑c.III型PKS主要分布于植物界，但在少數細菌及真菌(枯草芽孢桿菌、鏈霉菌和米曲霉等)中也存在，它是一種同二聚體酶并可重復進行縮合反應。

I型和Ⅱ型PKS常常通過ACP活化酰基-CoA的底物，而Ⅲ型PKS直接作用于?；?CoA活化的簡單羧酸。盡管結構和機制不相同，但所有類型的PKS都是通過?；?CoA的脫羧縮合和KS結構域或亞基催化C-C鍵的形成。第12頁，課件共35頁，創作于2023年2月三、聚酮類新抗生素研發策略聚酮類化合物成為研究熱點的主要原因有：(1)無可比擬的生物學活性使之具有巨大的新藥物開發潛力和商業價值，聚酮化合物所形成的藥物已用于幾乎所有重要的疾病治療；(2)獨特的結構和合成機制為人們研究酶催化的分子機制、分子識別和蛋白質的相互作用提供了空前的契機；(3)聚酮合酶所具有的可塑性可以使人們方便地通過組合生物合成手段來獲得新的化合物。第13頁，課件共35頁，創作于2023年2月三、聚酮類新抗生素研發策略1.聚酮合酶的組合生物學

C-C骨架改造，通過編輯聚酮生物合成基因來設計雜合產物比如：

模塊的減少、增加、替換；模塊中結構域的減少、增加、替換；

前體指導下的新聚酮化合物的合成第14頁，課件共35頁，創作于2023年2月三、聚酮類新抗生素研發策略2.合成后修飾生成新的聚酮

官能團的修飾在碳原子框架上帶上其他的功能基團，以增強其生物活性

羥基、羧基、雙鍵、脂肪酸、氨基酸甲基化或形成糖苷。

合成后糖基化修飾是另一條重要的生產新聚酮化合物的途徑。3.非核糖體多肽（NRP）-聚酮雜合抗生素的研究第15頁，課件共35頁，創作于2023年2月四、聚酮類新抗生素研發進展1聚酮合酶中模塊的減少

聚酮鏈的構成單位與催化它形成的PKS模塊是一一對應的，因此，聚酮鏈的長度可以通過改變延長單位模塊的數目來完成，前提是最后一個模塊和環化酶結構域必須能夠識別非天然的中間產物。例如：利用基因工程方法重新調整TE的位置，使TE重新和一個、兩個、三個或五個DEBS模塊組合，結果產生了新的截短了的PKS，并合成了預期的二酮、三酮、四酮和六酮化合物，除二酮外，其它的幾個聚酮化合物都以內酯環形式存在第16頁，課件共35頁，創作于2023年2月1聚酮合酶中模塊的減少第17頁，課件共35頁，創作于2023年2月四、聚酮類新抗生素研發進展2聚酮合酶中模塊的增加Rowe等將來自S．hygroscopicus合成雷帕霉素PKS的模塊2、模塊5分別插入截短的DEBSl一TE模塊1和模塊2之間，合成了在相應位置多出一個結構單位的四酮化合物；將雷帕霉素PKS的模塊2、模塊5分別插入全長DEBS的模塊1和模塊2之間，則合成了多出一個結構單位十六元環的聚酮化合物。第18頁，課件共35頁，創作于2023年2月第19頁，課件共35頁，創作于2023年2月四、聚酮類新抗生素研發進展3聚酮合酶中模塊的替換

Marsden用avermectin的起始加載模塊取代紅霉素的起始加載模塊構建的糖多孢紅霉菌突變體，通過添加不同的前體合成了新的C13位為異丙基、2-丁基等紅霉菌A、B和D衍生物第20頁，課件共35頁，創作于2023年2月第21頁，課件共35頁，創作于2023年2月

3聚酮合酶中模塊的替換這方面的一個成功例子是在委內瑞拉鏈霉菌中利用質粒系統將苦霉素（Pik）PKS亞基替換成泰樂菌素（Tyl）和紅霉素(DEBS)的PKS亞基。其整個PKS聚合系統被替換后，外源的PKS模塊生產出了新的活性聚酮分子；得到的28元環和24元環內酯化合物與預期的目標結果相一致。委內瑞拉鏈霉菌的合成后修飾酶（DesVII糖基轉移酶和Pikc羥化酶）能以這些新合成的產物為底物，合成有活性的糖基化和羥基化大環內酯化合物。四、聚酮類新抗生素研發進展第22頁，課件共35頁，創作于2023年2月四、聚酮類新抗生素研發進展4模塊中結構域的減少

在紅霉素PKS模型提出時，為驗證模型的正確性，Donadio等通過同源重組同框缺失DEBS3中模塊5的KR5結構域的80個氨基酸，正如預料的那樣，突變體合成了新的在C5位是酮基的紅霉素衍生物5，6-dideoxy-3a-mycarosyl-5-OXO-erythronolideB另一個類似的實驗是針對DEBS2模塊4中烯?；€原酶結構域(ER4)的功能失活，它衍生的大環內酯中C6-C7由單鍵變成了雙鍵第23頁，課件共35頁，創作于2023年2月第24頁，課件共35頁，創作于2023年2月四、聚酮類新抗生素研發進展5模塊中結構域的增加

McDaniel等將紅霉素PKS的模塊2的KR替換為來自于雷帕霉素PKS的模塊4的DH-KR，相當于模塊2比原來多增加了一個DH結構域，使原有的羥基發生了脫水，形成了C=C雙鍵，最后被修飾為羰基，酮化的紅霉素衍生物是一類新發現的半合抗，對許多藥物敏感或抗性的細菌病原都有很強的活性。第25頁，課件共35頁，創作于2023年2月四、聚酮類新抗生素研發進展6模塊中結構域的替換

不同PKS模塊選用不同的聚酮鏈延伸單位，延伸單位的選擇是由每個模塊的AT結構域控制的，AT結構域的替換也可以導致新的聚酮化合物的產生。Lin等第一次嘗試在全長的PKS中進行結構域的替換，他們將紅霉素PKS模塊6的甲基丙二酰專一性AT替換成來自于雷帕霉素PKS模塊2的丙二酰專一性AT，結果在產物中產生在C2位缺少一個甲基側鏈的新化合物

第26頁，課件共35頁，創作于2023年2月四、聚酮類新抗生素研發進展第27頁，課件共35頁，創作于2023年2月四、聚酮類新抗生素研發進展7前體指導下的新聚酮化合物的合成

用破壞PKS模塊1的KS結構域活性，再通過添加適當前體合成新的聚酮化合物。Jacobsen等嘗試了用不同前體產生化合物的構想，他們首先獲得了紅霉素合成途徑中第一步縮合步驟被阻斷的突變株，然后再通過外加不同的人工合成的小分子化合物，得到不同的聚酮化合物第28頁，課件共35頁，創作于2023年2月第29頁，課件共35頁，創作于2023年2月四、聚酮類新抗生素研發進展9通過合成后修飾生成新的聚酮在碳原子框架上帶上其他的功能基團，以增強其生物活性

羥基、羧基、雙鍵、脂肪酸、氨基酸甲基化或形成糖苷，合成后糖基化

Trefzer等的研究表明，在合成烏達霉素的鏈霉菌中urdGT基因編碼的C-糖基轉移酶具有靈活的底物選擇性，它不僅可以利用一系列的糖-供體底物，還可以利用不同的受體底物，并能在原來沒有糖基的位置上添加糖基，用這種方式可在非天然底物上加上糖基化部分。第30頁，課件共35頁，創作于2023年2月四、聚酮類新抗生素研發進展10非核糖體多肽-聚酮雜合抗生素研發

非核糖體多肽-聚酮雜合抗生素是另一種形式的抗生素。非核糖體多肽（NRP）是由細菌和真菌產生的一大類具有生物活性的天然產物，如免疫抑制劑（環孢素）和抗生素（青霉素、萬古霉素和桿菌肽），是由非核糖體多肽合成酶（NRPS）將簡單的氨基酸單體連接修飾而成，非核糖體多肽和聚酮隨時截然不同的2類天然物質，但NRPS和PKS可采取非常相似的策略進行合成。正式這種結構和催化機制的驚人相似性，可將NRPS和PKS的模塊雜合形成NRPS-PKS體系，并成功應用于多種天然產物的合成，如抗腫瘤藥物博來霉素，該藥已成為研究雜合肽/聚酮的模式系統。第31頁，課件共35頁，創作于2023年2月博來霉素第32頁，課件共35頁，創作于2023年2月五、展望1聚酮合酶作用機制有待進一步研究一些新型PKS催化機制表明，天然產物生物合成機制的復雜性遠遠超出了我們現有的認識，如對于KS催化C-O鍵生成的發現打破了PKS中KS只能催化C-C鍵形成的常規，對于這些生物化學機制的揭示還需要在概念和實驗設計上有所突破。2基因功能的研究需進一步闡明

聚酮合成酶相關基因對應的酶結構域之間的關系,以及結構域的具體