细菌芳香聚酮研究进展
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摘 要：鉴于芳香聚酮化合物在抗菌、抗肿瘤、抗病毒等方面具有重要的临床药用价值，该文综述了细菌芳香聚酮化合物及其生物合成研究的主要进展，重点讨论了四类芳香聚酮的生物活性和化学结构以及芳香聚酮生物合成机理研究的基础理论意义。在此基础上对组合生物合成新的具有一定生物活性化合物的研究前景进行了展望。
关键词：聚酮合酶；芳香聚酮；化学结构；生物活性；生物合成
中图分类号 Q55 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2013）23-08-03
芳香聚酮是一类非常重要的天然产物，表现出抗菌、抗肿瘤、抗病毒、抗寄生虫、酶抑制剂以及免疫抑制剂作用等多种生物活性，因而具有重要的临床药用价值 。一些芳香聚酮化合物表现出对耐药性细菌、真菌以及癌细胞具有抑制作用从而成为当前研究的热点之一[1]。一方面研究主要集中在不断发现新的具有特殊生物活性，特别是抗肿瘤特性的芳香聚酮化合物。另一方面，随着生物化学和分子生物学的发展，越来越多的人致力于芳香聚酮生物合成途径的研究，特别是从具有抗癌特性的芳香聚酮着手，采用各种遗传操作手段从化合物结构解析、生物合成机理分析等方面研究芳香聚酮化合物。最终希望能够实现利用组合生物合成方法，特定改造生物合成途径，从而获得新的具有生物活性的化合物。鉴于芳香聚酮生物合成研究对今后基础理论研究的意义以及发掘新的具有生物活性药物方面的应用价值，本文综述了几类芳香聚酮的化学结构和生物活性，并就其生物合成的关键问题进行了初步分析，在此基础上对组合生物合成具有一定生物活性的新物质的研究前景进行了展望。
1 芳香聚酮化合物的化学结构和生物活性
1.1 Benzoisochromanequinones（BIQs） Actinorhodin（1，图1）是从Streptomyces coelicolor A3（2）中分离到的一种BIQs类芳香聚酮；最初发现1是一种色素，可以作为pH指示剂，后来发现1在浓度较高的情况下能够抑制大多数革兰氏阳性细菌，包括耐甲氧西林金葡菌（MRSA）等[2]。
Kalafungin（2，图1）最早是在1968年从Streptomyces tanashiensis strain Kala UC-5063当中分离到的一种BIQs类抑菌物质[3]。早期发现2在S.coelicolor A3（2）当中是1生物合成过程中的一个中间产物，后来发现从其它放线菌中独立分离到的2能够抑制病原真菌、原生动物、酵母和革兰氏阳性细菌，并且表现出一定的细胞毒活性[4]。
Frenolicin B（3，图1）是从Streptomyces roseofulvus当中分离到的BIQs类抗生素；研究发现，3对艾美球虫属具有强烈的抑制作用从而是一种潜在的抗球虫药物[5]。
Medermycin（4，图1）最初是从一株链霉菌Streptomyces sp.K73中分离到的能够抗革兰氏阳性菌包括葡萄球菌staphylococci的BIQs类抗生素[6]。研究报道，4在结构上与lactoquinomycin A类似，因而可能还具有一定的抗肿瘤活性[7]。
1.2 角蒽环类（angucyclines） Hedamycin（5，图2）是早期从Streptomyces griseoruber中分离到的具有抗肿瘤活性的芳香聚酮。研究表明，5结构上包含一个平面4H-蒽[1，2-b]吡喃多环糖苷配基并带有一个双环氧侧链以及2个氨基糖，而其特殊的侧链结构对其抗肿瘤活性具有重要作用[8]。
Fredericamycin A（6，图2）是从Streptomyces griseus ATCC49344当中分离得到碳链最长的角蒽环聚酮，并发现其具有一定的细胞毒活性，是一种潜在抗肿瘤药物资源[9]。结构上，6是由两组羟基环绕的三环芳香结构，通过单独一个螺环碳（spiro carbon）连结形成的手性对称结构。其独特的化学结构与功能之间的关系已成为今后研究的热点[10]。
Jadomycins（7，图2）是从Streptomyces venezuelae ISP5230当中分离得到具有抗肿瘤、抗细菌和抗病毒活性的角蒽环类芳香聚酮[11]。
BE-7585A（8，图2）从Amycolatopsis orientalis subsp.vinearia BA-07585中分离到的是一种能够抑制胸苷酸合成酶的新型角蒽环聚酮。8结构上包括一个苯a-蒽醌内核、脱氧糖rhodinose和一个2-硫葡萄糖支链[12]。对于芳香聚酮化合物8的研究特别是研究其中硫元素插入形成2-硫糖部分的作用机制具有重要意义[13]。
1.3 四环类（tetracyclines） 四环类抗生素是典型的一类由II型PKSs合成的聚酮化合物，也是实际应用较广泛的一类聚酮抗生素。这类化合物能够广泛地抑制各种微生物，包括革兰氏阳性细菌、革兰氏阴性细菌、衣原体、支原体、立克次氏体以及许多原生动物。自1948年氯四环素（chlortetracycline）问世以来，四环素长期作为一线药物使用，第一代的四环素主要包括广谱性抗生素tetracycline（9，图3）、oxytetracycline（10，图3）、chlorotetracycline（11，图3）和demeclocycline（12，图3）。第二代四环素包括doxycycline（13，图3）和minocycline（14，图3）。2005年美国FDA批准的tigecycline成为第三代的四环素类药物[14]。
1.4 蒽环类（anthracyclines） 蒽环类是一类非常重要的芳香聚酮，许多蒽环类芳香聚酮表现出抗肿瘤活性。15是从Streptomyces glaucescens strain WMH1092中分离到的蒽环类芳香聚酮，具有一定的抗肿瘤活性[15]。16是从Streptomyces peucetius subsp.caesius ATCC 27952中分离得到的抗肿瘤抗生素；有研究报道阿霉素已用于化学治疗乳腺癌[16]。多环氧杂蒽酮类抗生素因具有抗细菌、抗真菌以及抗肿瘤活性而受到广泛关注。李力[17]等已综述了几种氧杂蒽酮抗生素的研究进展，包括xantholipin（17，图4）、lysolipin（18，图4）、FD-594（19，图4）、kigamicin（20，图4）。
2 芳香聚酮化合物生物合成研究
随着近几年新的芳香聚酮化合物的发现，其特殊的化学结构让许多研究人员致力于聚酮碳链的起始和延伸机制的实验和探讨[18]。典型的起始机制一般是通过丙二酰-ACP脱羧反应得到一个二碳单元（乙酸盐起始机制）从而开始聚酮的生物合成。但是，芳香聚酮生物合成的起始还存在一种非乙酸盐起始机制，比如早期发现的frenolicin（fren）和R1128（zhu）的PKS。在这种非乙酸盐起始的过程中，丙二酸盐脱羧起始反应受到其他可选择性的酰基起始过程的抑制。研究表明，非典型的起始机制中，聚酮基因簇里面一般包括双元件的PKS，即链起始和链延伸的PKS。近来研究较多的角蒽环聚酮5和6的基因簇就包括了双元件PKS。
在芳香聚酮的生物合成过程中，通过起始和延伸元件合成多聚β聚酮碳链之后，新生聚酮链经过特定位置的酮基还原反应从而发生聚酮碳链的定向折叠。然后再通过各种环化酶和芳香化酶的催化反应得到各种芳香聚酮骨架。研究表明，聚酮的酮基还原酶能够提供反应过程中的区域选择性和立体化学多样化，该方面研究较透彻的是1的C9-酮基还原酶actKR[19]。
新生聚酮碳链在初步还原和定向折叠之后要经过一定的环化及芳香化反应才能形成一定的芳香聚酮骨架。首先，第一个芳香环的形成是在聚酮碳链形成之后直接发生分子内醇醛缩合反应产生的，一般最常发生的是C7-C12和C9-C14成环[20]。大部分的芳香聚酮化合物都是经过这2种成环方式产生第一个芳香环。其他几个环的形成主要有2种情况：线性成环和角度成环。四环素等几类芳香聚酮属于线性成环的情况；BIQs等为角度成环。
芳香聚酮的糖苷配基还可以通过一系列修饰反应（如甲基化、氨基化、糖基化以及一系列复杂的氧化还原反应）进一步形成结构更加复杂的具有一定生物活性的天然产物。Kudo等报道了19生物合成的基因簇，同时推测了19生物合成的后期修饰过程中氧杂蒽结构的形成[21]。同时，在Llp基因簇当中发现了跟18生物合成过程中氧杂蒽结构的形成有关的基因[22]。Zhang等人通过基因敲除实验以及产物化学结构鉴定进一步证实了，在Xan基因簇中由XanO4编码的FAD依赖型单氧酶催化氧杂蒽结构的形成[23]。此外，Zhang等人通过基因敲除实验还证实了在Xan基因簇中XanO2编码的细胞色素P450催化二甲氧桥的形成[23]。而根据Llp基因簇生物信息学分析结果可知LlpOIV，LlpOVI，LlpOVII都是编码细胞色素P450依赖型单氧酶的基因，因此这些基因的某些组合或是其中单独的一个基因可能负责18当中二甲氧桥的结构形成[22]。
3 总结
鉴于芳香聚酮类抗生素潜在的药用价值，寻找更多具有生物活性的芳香聚酮化合物并研究其生物合成途径能够为开发新的抗细菌、抗真菌乃至抗肿瘤药物提供帮助。一方面，我们可以致力于寻找更多芳香聚酮类的天然产物用于新药的研究；另一方面，通过精细的生物合成途径研究，定向改造天然产物化学结构。这样，可以有目的地去合成我们所需要的产物，或是随机性改造天然产物的化学结构，从而获得更多结构新颖的化合物。这将对我们今后挖掘新药提供了一个巨大的宝库。同时，芳香聚酮的生物合成研究在基础理论研究方面也具有重要的价值，为化学和生物学提供重要的酶学工具。根据已知的基因簇信息，我们可以探测到更多新化合物的基因簇，并以此推测新的天然产物及其生物合成途径。这将为许多专家学者在研究新化合物生物合成途径过程中提供许多信息，为其通过实验证实具体合成路径提供理论基础。
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