聚酮化合物及其生物合成

聚酮化合物及其生物合成

摘要：聚酮化合物的生物合成是当前国际化学与生物学交叉学科研究的热点之一，也正在发展成为药物创新超常规的重要手段。合成聚酮类化合物的方法有很多，但应用最多的是组合生物合成方法，因而本文主要是对这种方法的介绍，特别是I型聚酮化合物的组合生物合成的常用技术和方法学发展进行了详细解说。

关键词：聚酮化合物；聚酮合酶；生物合成

一、聚酮化合物及其聚酮合酶

聚酮化合物是一大类由细菌、真菌和植物将低级羧酸通过连续的缩合反应产生的天然产物，它包括许许多多具有抑制细菌(如红霉素、四环素)、真菌(如灰黄霉素、两性霉素)、寄生虫(如avermectin、奈马克丁)、癌症(如多柔比星、enediynes)等活性的化合物，有些抗真菌聚酮化合物同时还具有免疫抑制剂的活性(如雷帕霉素、FK506)，它被广泛地应用于医药、畜牧和农业。如今，这一化合物越来越为人们所重视，这主要是由于该化合物具有：(1)无可比拟的生物学活性使之具有巨大的新药物开发潜力和商业价值，聚酮化合物所形成的药物已用于几乎所有重要的疾病治疗，每年的销售额超过了100亿美元；(2)独特的结构和合成机制为人们研究酶催化的分子机制、分子识别和蛋白质的相互作用提供了空前的契机；(3)聚酮合酶所具有的可塑性可以使人们方便地通过组合生物合成手段来获得新的化合物。目前已发现了不少于10000种聚酮化合物，而由之衍生出的新产物更是难以记数。

聚酮化合物是功能和结构最多样化的天然产物之一，它们的合成包括酰基辅酶A活化羧酸的一系列重复的醇醛缩合而形成有一定长度的聚酮链骨架，然后经过环化或者芳香化、或者与脱氧糖等结构单位连接等过程。尽管聚酮化合物的结构和特性千差万别，总的来说它可以分为两大类：芳香族聚酮化合物和复合聚酮化合物。前者是乙酸通过缩合(起始单位除外)形成的大部分β-酮基在酰基链的延伸和完成后都一直保持非还原状态，经过折叠和醇醛缩合形成六元环，芳香环随后被脱水还原，如放线紫红素、柔红霉素、四环素。复合聚酮化合物比芳香族聚酮化合物在结构变化上大的多，其构成单位有乙酸、丙酸和丁酸等，而且由于与芳香族聚酮化合物在合成化学、β-酮基还原过程、侧链的空间位阻上的本质差别，许多不经过折叠和芳香化，而是通过内酯化成环，还有一部分仍保持酰基链，如大环内酯抗生素红霉素和螺旋霉素、抗真菌抗生素雷帕霉素和两性霉素、聚醚类抗生素莫能霉素和南昌霉素、抗寄生虫抗生素avermectin等。

聚酮化合物是通过聚酮合酶(polyketide synthase，PKS)催化形成的，其催化过程类似于脂肪酸合酶(fatty acid synthase，FAS)催化的脂肪酸生物合成，即通过酰基-CoA活化

的底物之间的重复脱羧缩合而合成，但两者在合成单位的选择(包括起始单位和延伸单位)、链装配过程中每个酮基还原程度的控制、以及芳香聚酮或复合聚酮链长的决定等方面也存在着明显的差异，主要体现在：(1)FAS一般以乙酸作为起始单位，而PKS往往使用不同的起

始单位，最为常用的有乙酸、丙酸，此外还有丁酸，杀假丝菌素使用的对氨基苯甲酸等，而avermectin所利用的起始单位可多达40余种；(2)FAS一般只用乙酸为链延伸单位，而PKS 除了利用乙酸作为链伸长单位外，还可利用丙酸或丁酸，在终产物中相应生成甲基或乙基侧链；(3)KS可以通过酮基选择性地还原和脱水，从而在终产物的相应位置形成酮基、羟基、双键或亚甲基等功能团，同时也决定了手性中心的立体化学构型。

目前已经揭示的聚酮合酶可以分为三类：Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。研究和报道最多和较为透彻的是Ⅰ型PKS，它是由几个多功能的多肽组成，每一个多肽上都分别携带有参与聚酮生物合成所必需的各种酶的结构域(domain)，每个结构域只参与整个聚酮碳链构建中的一步生化反应(noninterative)，而参与一轮聚酮生物合成反应的所有结构域称为一个合成酶单位(SU，

synthase unit)，编码这个合成酶单位的DNA称为一个模块(module)。Ⅰ型模块结构的PKS 在起点由酰基转移酶(acyl transferase，AT)与不同的起始单位结合后，通过酮脂酰-ACP 合成酶(ketoacyl-ACP synthase，KS)经过缩合反应将不同的羧酸起始或延伸单位进行组装，聚酮链也不断地得到延伸，中途根据模块组成的不同和指令要求，在其它不同的脱水酶(dehydratase，DH)、烯醇还原酶(enoyl reductase，ER)的作用下相应地进行还原(形成β-羟酯键)或脱水(形成α，β-烯醇酯键)或进一步还原(形成饱和的亚甲基)，直至到达终点，在硫酯酶(thioesterase，TE)的帮助下，完成最后的工序并将聚酮前体产物从PKS上卸载下来。这种PKS模块结构的发现有其非同寻常的意义。尽管各种聚酮化合物结构各异，PKS模块的底物特异性决定了I型PKS对起始单位和延长单位的选择，而PKS每个模块上还原结构域的种类则使聚酮产物得到不同程度的还原。复合聚酮化合物结构的多样性来自聚酮骨架组成单位的多样性和每个碳单位的不同还原程度，这意味着聚酮抗生素的结构具有相当大的可塑性，故可通过模块内或模块间的合理重组，设计出新基因(簇)组成或新的生物合成途径，这也是I型PKS作为组合生物学主要研究对象的重要原因之一。

Ⅱ型PKS是一个多功能酶复合体，只包含一套可重复使用(interative)的结构域，每一结构域在重复的反应步骤中被多次地用来催化相同的反应，其首次报道是在1984年。以来自S。glaucescens的芳香族聚酮化合物tetracenomycin C研究的较多，尽管已经发现了影响链长的两个链长决定因子(CLF)KSα和KSβ，但确切机制仍然不是十分清楚。对Ⅱ型PKS 的研究近年来也取得了一些进展，如Bao等对柔红霉素产生菌S。peucetius的研究结果显示，dpsC基因决定了生物合成的起始单位，DpsC专一性地使用丙酰-CoA为起始单位，一般来说，Ⅱ型PKS的起始单位均为乙酰-CoA。另外，Bisang等找到了Ⅰ型PKS和Ⅱ型PKS的链长因子之间的共同点，这是Ⅰ型和Ⅱ型PKS有机联系的一个切入点。他们发现Ⅰ型PKS

的KSQ(被认为可能是Ⅰ类PKS的链长因子)及Ⅱ型PKS的CLF和Ⅰ型PKS的KS结构域类似，惟一的区别是KS的活性中心残基半胱氨酸被高度保守的谷氨酰胺代替，这个氨基酸对这一结构域的脱羧酶活性以及聚酮化合物的合成具有重要的作用。和Ⅰ型PKS相比较，Ⅱ型PKS 在起始单位和延长单位的选择方面变化不大，所以它的结构多样性主要是来自于聚酮合成后的修饰步骤。

1999年，日本东京大学的Funa等发现了一种类似苯基苯乙烯酮合成酶的PKS(chalk- one synthase-like PKS)——RppA，后来被称为Ⅲ型PKS。RppA是一个在链霉菌中发现的与芳香族聚酮化合物苯基苯乙烯酮合成相关的酶，它是一种同二聚体酶并可重复进行缩合反应(interative)，催化芳香族聚酮化合物淡黄霉素(flavolin)生物合成。催化苯基苯乙烯酮(许多黄酮类化合物的前体物)形成的苯基苯乙烯酮合成酶被认为是植物所特有的，然而来自S。griseus的rppA基因所编码的一个372个氨基酸的蛋白却与苯基苯乙烯酮有着很大的同源性，它以丙酰-CoA作为起始物，进行4个延伸反应将五肽释放和环化成为1，3，6，8-四羟基萘(THN)，THN将会被氧化成淡黄霉素，然后聚合成各种有色的化合物。由RppA催化合成的THN不仅是黑色素还是各种含萘醌环的次级代谢产物的中间产物。

Ⅲ型PKS和其它两种PKS迥然不同，它们不依赖于作为酰基载体的ACP及其上的4′-磷酸泛酰巯基乙胺。Ⅰ型和Ⅱ型PKS常常通过ACP活化酰基-CoA的底物，而Ⅲ型PKS直接作用于酰基-CoA活化的简单羧酸。尽管结构和机制不相同，但所有类型的PKS都是通过酰基-CoA的脱羧缩合和KS结构域或亚基催化C-C键的形成。在进化关系上Ⅲ型PKS与其它PKS 及已知的FAS也相距甚远。

在过去的十年里，随着生物合成基因簇克隆方法学的创新以及DNA测序技术和生物信息学的不断发展和研究成果的不断积累，人们对于PKS的认识越来越全面，也越来越深入，但人们不禁还是想知道我们究竟对PKS了解多少？如今越来越多的报道显示Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型PKS并不能完全囊括不断涌现出的新的聚酮合酶。从结构的角度来看，有些Ⅰ型PKS的结构