阿维菌素生物合成

学科综述

阿维菌素生物合成

张利平1

,陈 川

(河北大学生命科学学院,河北保定 071002) 摘 要:阿维菌素是迄今发现最有效的杀昆虫剂,杀螨虫剂和杀寄生虫剂之一.本文综述了其生物合成的途径、生物合成的基因簇.通过对合成基因进行不断的分离与测序,现在基本上对每一步合成途径的基因及编码的酶都有所了解.这使得人们可阻断特定基因表达构建新型菌株,以增加有效组分及新型的抗生素的产出.另外还可通过化学修饰的方法来提高阿维菌素活性.

关键词:阿维菌素;生物合成;基因改造

中图分类号:Q 939.26. 文献标识码:A 文章编号:1000-1565(2002)02-0189-06

阿维菌素是由除虫链霉菌(Strep tomy ces aver mitilis)产生的一类十六元大环内酯类抗生素.S trep to -my ces aver mitilis 最初是由美国Merck 公司研究者从一份来源于日本的土样中分离到的[1].阿维菌素具有广泛的抗寄生虫活性.虽然阿维菌素对细菌与霉菌无活性,但具有很强的驱虫和杀虫活性,并且抗寄生虫机制独特,与其它抗寄生虫药物无交叉耐药性[2]

.阿维菌素是迄今已发现最有效的杀昆虫剂、杀螨虫剂和杀寄生虫剂之一.它除了是一种农用抗生素外,近些年来将B 1组分通过加氢还原得到的伊维菌素已成功用于人类蟠尾丝虫病的治疗.它主要作用于细胞膜上的离子通道,使阴离子汇集,引起细胞的超极化作用,造成多种线虫及节肢动物麻痹[3].野生菌发酵液中通常有8种组分A 1a ,A 2a ,B 1a ,B 2a ,A 1b ,A 2b ,B 1b ,B 2b .只有B 1a 和B 1b 可以作药用.尤以B 1a 活性最高.

由于阿维菌素重要的生理活性和复杂的化学结构,引起人们极大的兴趣.阿维菌素为一种典型的次级代谢产物,生物合成复杂,原来人们通过对阿维菌素合成突变株的研究了解了其大概的合成途径,随着研究的不断深入,对合成基因已进行了不断的分离与测序,现在基本上对每一步合成途径的基因及其所编码的酶都有所了解.这使得人们可利用基因工程技术来构建工程菌,增加有效组分的产出和生产新型的阿维菌素.除了用生物方法,人们还通过化学修饰来产生抗虫活性更高的阿维菌素衍生物

.

avermect in

R 1X -Y R 2A 1a

CH 3CH=CH C 2H 5A 1b

CH 3CH=CH CH 3A 2a

CH 3CH 2-CH(OH)C 2H 5A 2b

CH 3CH 2-CH(OH)CH 3B 1a

H CH=CH C 2H 5B 1b

H CH=CH CH 3B 2a

H CH 2-CH(OH)C 2H 5B 2b H CH 2-CH(OH)CH 3 图1 阿维菌素结构式[2]

Fig.1 Structural formulae for avermectins

收稿日期:2001-12-20

作者简介:张利平(1955-),女,河北保定人,河北大学教授,博士,主要从事微生物资源与遗传育种研究.

第22卷 第2期

2002年 6月河北大学学报(自然科学版)Journal of Hebei U niversity (Natural Science Edition)Vol.22No.2Jun.2002

1 阿维菌素的结构及理化性质

阿维菌素是一组由十六元环内酯与一个二糖(齐墩果糖)所生成的苷(图1),在十六元环内酯周围还有一个含2个六元环的螺缩酮系及六氢苯并呋喃环系.根据C-5位上取代基的不同分为 A , B 组分;C-22和C-23之间单双键的差异分为 1 , 2 组分;C-25位上取代基的不同分为 a , b 组分.纯品为白色或浅黄色结晶,可溶于甲苯、乙酸乙酯、乙醇等溶剂,在水中溶解度极低[4].阿维菌素对酸敏感,用稀酸处理,引起C-13位上第一糖基的断开.此外,该类化合物对光敏感,如用紫外线照射,则可导致8、9和10、11之间双键的异构化[5].

2 阿维菌素的生物合成[6]

2.1 糖苷配基和双糖的合成

通过同位素标记生物合成所需的前体物质对阿维菌素的渗入研究表明:配糖体骨架是由一个a 支链脂肪酸S(+)-甲基丁酰脂肪酸或异丁酰脂肪酸为起始,7个乙酸盐和5个丙酸盐头尾聚合而成.C-25位的不同的取代基分为a,b 组分,a 组分的二甲基丁酰基来源于S(+)-甲基丁酰CoA,b 组分的异丁酰基来源于异丁酰CoA.S(+)-甲基丁酰CoA,异丁酰CoA 分别由L-异亮氨酸、L-缬氨酸通过脱氨、转氨和脱羧作用形成.与糖苷配基相联的双糖分子为齐墩果糖,是由葡萄糖分子直接转化而来.

2.2 阿维菌素的甲基化修饰

与大环内酯C-5和双糖中的C-3 、C-3 相联的3个甲基都来源于蛋氨酸的5-甲基,并且双糖先进行甲基化,然后才连接到糖苷配基上.

2.3 阿维菌素氧原子的来源

糖苷配基中的氧原子来源于标记的乙酸盐和丙酸盐,C-21位的氧来源于二甲基丁酰基或异丁酰基,但苯并呋喃C-6和C-8a 之间的氧则不是,可能来源于分子态氧.

2.4 阿维菌素合成途径

北里研究所与Merk 公司分别分离到几种突变株,通过中间体转化与突变株的积累产物分析使阿维菌素的生物合成途径得以阐明.阿维菌素有8个组分,a 与b 的区别仅在起始物不同,其他部分完全一样,在这里仅讨论a 组分的合成.合成途径见图2,相应的b 组分由缬氨酸、异丁基酸盐等起始.C22-C23的双键的1组分由组分2脱水形成;B 组分通过阿维菌素BO-甲基转移酶而转变为 A 组分.

3 Strep tomyces averm itilis 的阿维菌合成基因

阿维菌素产生菌S.aver mitilis 属于革兰氏阳性丝状菌.它的染色体为线形,约8.7Mbp.因为其在生物合成中具有复杂的次级代谢方式而引起人们广泛的兴趣.Omura 和Ikeda 等人对S.aver mitilis 99%的基因进行分析,发现了25种次级代谢的基因簇.Ikeda H 等使用柯斯质粒文库和aveD 基因,运用染色体步移技术鉴定了整个阿维菌素合成主要基因簇[7].全部82.0kb 的序列被克隆和测序.他们并推断出在这个区域基因的组织形式.这82.0kb 的序列包括18个开放阅读框架(ORF)(见图3).根据基因的排列将分4个部分介绍[8].

3.1 中心区4个阅读框架为聚酮合成酶基因

其分为两组,aveA 1-ave A2和ave A3-ave A4,它们负责合成阿维菌素的聚酮部分.这些成簇的聚酮合成酶基因编码12个同源酶活性组件(PKS AVES),每一个都催化新一轮聚酮链的延伸.AVES1(6,8a-闭联-6,8a-脱氧-5-酮阿维菌素糖苷合成酶;414kDa)包含两个组件负责聚酮链的延伸.AVES 2(666kDa)包含3个组件使之延伸到C13,AVES 3(575kDa)包含4个组件使聚酮链延伸到C7.AVES 4(510kDa)包含 190 河北大学学报(自然科学版)2002年