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異喹啉是各種天然、合成和半合成化合物的核心，具有廣泛的生物活性。在天然產物中，植物來源的苄基異喹啉族生物鹼約有800種獨特的化學結構，其中morphine、papaverine和noscapine等具有較高的藥用價值。細菌來源的四氫異喹啉天然產物雖不常見，但仍具有重要的抗癌作用。例如saframycins A和Mx、quinocarcin、dnacins和ecteinascidins強有力的抗癌活性和遷移抑制活性。其中Ecteinascidin ET-743已在歐盟批准用於軟組織癌治療，並在美國被批准用於脂肪肉瘤治療。近日，Andriy Luzhetskyy課題組發現了一類全新骨架的四氫異喹啉，相關研究刊登在Angew. Chem. Int. Ed.雜誌上。
Figure 1. perquinolines1-3結構
Andriy Luzhetskyy於2011年在薩爾蘭赫爾姆霍茲藥物研究所(HIPS)建立研究小組。並於2015年，成為德國薩爾蘭大學藥物生物技術教授。他主要從事合成生物學和放線菌代謝工程的研究。
近期，他們課題組從菌株Streptomycessp. IB2014/016-6中分離並鑑定了一類全新骨架結構的四氫異喹啉，命名為Perquinolines A-C（1-3）（Figure 1）。活性結果顯示，1-3都具有抗腫瘤活性，其中1具有麻醉的功能。為了研究該類化合物的生物合成路徑。首先他們通過結構分析進行了13C標記實驗，實驗結果顯示化合物1中的A環來自L-Phe，B環來自琥珀酸，C環是由聚酮合酶形成，D氨基丁酸可能來自琥珀酸而不是穀氨酸脫羧形成。(Figure 2)
Figure2. 醋酸鈉碳標記實驗結果
接下來通過序列分析以及基因敲除pqrA確定了該化合物生物合成基因簇Figure 3。在敲除pqrG和pqrI後，分別得到了化合物4和8。作者通過分析發現，PqrA是8-amino-7-oxononanoate 合成酶(AONS)，他的同源蛋白具有催化胺基酸和醯基CoA縮合的功能。因此他們表達了PqrA蛋白，並且在體外進行酶反應，成功證實了4是由PqrA催化L-Phe和succinyl-CoA生成(Figure 3)。此外，他們還驗證了該酶的底物寬泛性，能接受glutaryl-CoA、幾種其他胺基酸和苯丙氨酸衍生物進行反應。
Figure3. perquinoline生物合成基因簇及預測功能及PqrA 體外酶催化及自發醯化反應
在後續生物合成過程中，作者猜測可能由PqrG催化4和3,5-DHPG縮合再經過後續反應生成8。在這個過程中PqrH可能發揮了某些功能。為了驗證這個猜想，他們分別構建了含有PqrAG和PqrAGH基因的異源宿主S. lividans TK24，進行了生物轉化實驗。當他們向發酵液中投餵3,5-DHPG後，PqrAG和PqrAGH的異源宿主都能產生8，這就證明了8是由PqrG催化4和3,5-DHPG直接生成的。從而推測出化合物1-3的生物合成路徑。先由PqrA催化L-Phe和succinyl-CoA生成4，在PqrB等酶的作用下生成 3,5-DHPG，而4和3,5-DHPG由PqrG催化縮合，再經類似Pictet-Spengler反應生成異喹啉化合物8。而8再經過PqrI轉上一分子的氨基丁酸或丙氨酸形成1和2。反應過程中發生轉氨後，就會形成支路產物3。（如Figure 4）
總之，Andriy Luzhetskyy課題組發現了一類全新骨架的細菌四氫異喹啉天然產物1-3，該類化合物形成的生物合成途徑代表了四氫異喹啉核心結構的前所未有的組裝。此外，1-3的生物合成路徑拓寬了我們對AONS等酶參與天然產物組裝的理解。
https://doi.org/10.1002/anie.201905538長按下圖識別圖中二維碼，輕鬆關注我們！