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多烯大环内酯类抗生素的研究

多烯大环内酯类抗生素的研究. 曾繁旭. 多烯大环内酯类抗生素的结构. 多烯大环内酯类抗生素的功能和作用机制. 一、该类抗生素的用途： 多烯大环内酯类抗生素是重要的抗真菌剂。同时它还具有抗菌、抗病毒和激发免疫活性的功能。 其广泛用于治疗局部和系统性真菌感染 同时是重要的食品防腐剂（匹马霉素被 FDA 批准用于食品行业）. 二、该类抗生素的作用机制研究 8 分子两性霉素 B 和周围的甾醇作用形成跨膜通道。 跨膜通道导致细胞失水和离子最终导致细胞死亡.

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多烯大环内酯类抗生素的研究

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Presentation Transcript

  1. 多烯大环内酯类抗生素的研究 曾繁旭

  2. 多烯大环内酯类抗生素的结构

  3. 多烯大环内酯类抗生素的功能和作用机制 • 一、该类抗生素的用途： • 多烯大环内酯类抗生素是重要的抗真菌剂。同时它还具有抗菌、抗病毒和激发免疫活性的功能。 • 其广泛用于治疗局部和系统性真菌感染 • 同时是重要的食品防腐剂（匹马霉素被FDA批准用于食品行业） 二、该类抗生素的作用机制研究 8分子两性霉素B和周围的甾醇作用形成跨膜通道。 跨膜通道导致细胞失水和离子最终导致细胞死亡 Baginski M, Sternal K, Czub J, Borowski E (2005) Molecular modelling of membrane activity of amphotericin B, a polyene macrolide antifungal antibiotic. Acta Biochim Pol 52:655-658.

  4. 2005年前的两种跨膜通道形成假说 Sequential（连续性）假说：两性霉素B单体进入细胞膜内，与膜内甾醇分子形成二元单位，进而最终组成跨膜通道。 One step (一步)假说：超大分子两性霉素B在膜表面形成，随后插入膜内，进行进一步发展成为功能性跨膜通道

  5. 现在确定的两性霉素B跨膜通道的形成过程 Cohen BE (2010) Amphotericin B membrane action: role for two types of ion channels in eliciting cell survival and lethal effects. J Membr Biol 238:1-20.

  6. 生物合成过程 生物合成涉及的酶包括：5-6个负责合成大环部分的聚酮合酶（PKS），例如：AmphA, AmphB, AmphC, AmphI, AmphJ, AmphK。随后负责成环后修饰的P450(AmphL,AmphN) 糖基脱水酶（AmphDIII） 氨基转移酶 （AmphDII） 糖基转移酶（AmphDI) ABC转运蛋白（AmphG，AmphH)。 多烯大环内酯类抗生素的基因簇 PKS由各种结构域构成，包括KS (ketoacyl synthase), AT (acyltransferase), ACP (acyl carrier protein), KR (ketoreductase), DH (dehydratase), ER (enoyl reductase)。其中最小单位是KS-AT-ACP。 Hertweck C (2009) The biosynthetic logic of polyketide diversity. Angew Chem Int Ed Engl 48:4688-4716.

  7. 两性霉素B大环的合成 Caffrey P, Lynch S, Flood E, Finnan S, Oliynyk M (2001) Amphotericin biosynthesis in Streptomyces nodosus: deductions from analysis of polyketide synthase and late genes. Chem Biol 8:713-723

  8. 制霉菌素的全合成 Brautaset T, Sekurova ON, Sletta H, Ellingsen TE, StrŁm AR, Valla S, Zotchev SB (2000) Biosynthesis of the polyene antifungal antibiotic nystatin in Streptomyces noursei ATCC 11455: analysis of the gene cluster and deduction of the biosynthetic pathway. Chem Biol 7:395-403.

  9. 糖基部分可能的合成路径 Aparicio JF, Caffrey P, Gil JA, Zotchev SB (2003) Polyene antibiotic biosynthesis gene clusters. Appl Microbiol Biotechnol. 61:179-188.

  10. 近年来对多烯大环内酯类抗生素的改造研究 1.早期的研究通过基因缺失的方法探索各个基因在该类抗生素合成中的作用，以及确定新产物抗真菌活性，水溶性，毒副效应的影响。 缺失AmphL产21缺失AmphDIII产22。说明环外羧基的生成要早于C8羟基的合成以及大环糖基化反应 Byrne, B.; Carmody, M.; Gibson, E.; Rawlings, B.; Caffrey, P. 2003. Biosynthesis of deoxyamphotericins and deoxyamphoteronolides by engineered strains of Streptomyces nodosus. Chem. Biol. 2003, 10, 1215 – 1224.

  11. 对AmphN的单独缺失没有成功过，对AmphN-M区域的缺失同时产生23,24。该例说明尽管C16位甲基为氧化为羧基基团，糖基转移酶仍能识别该糖苷配基，说明糖基转移酶具有一定灵活性。对AmphN的单独缺失没有成功过，对AmphN-M区域的缺失同时产生23,24。该例说明尽管C16位甲基为氧化为羧基基团，糖基转移酶仍能识别该糖苷配基，说明糖基转移酶具有一定灵活性。 23,24的产生还表明铁氧化还原蛋白AmphM应同AmphL作用生成羟基，在缺失的情况下AmphL可与其它铁氧化还原蛋白作用可识别七烯但无法识别四烯。 Carmody, M.; Murphy, B.; Byrne, B.; Power, P.; Rai, D.; Rawlings, B.; Caffrey, P. 2005. Biosynthesis of amphotericin derivatives lacking exocyclic carboxyl groups. J. Biol. Chem. 2005, 280, 34420 -34426.

  12. 对AmphNM以及AmphDII的缺失产25.海藻糖氨变为鼠李糖这表明糖基转移酶同时也具有对糖的灵活性。对AmphNM以及AmphDII的缺失产25.海藻糖氨变为鼠李糖这表明糖基转移酶同时也具有对糖的灵活性。 对AmphC中两个模块的缺失产生了26.说明对PKS进行改造已改变大环C原子数可以成功。 Carmody, M.; Byrne, B.; Murphy, B.; Breen, C.; Lynch, S.; Flood, E.; Finnan, S.; Caffrey, P. Analysis and manipulation of amphotericin biosynthetic genes by means of modified phage KC515 transduction techniques. Gene 2004, 343, 107 -115.

  13. 2.有目的得设计产物以得到具有更优性状的抗生素类似物2.有目的得设计产物以得到具有更优性状的抗生素类似物 第一次对多烯大环内酯类抗生素的理性改造 用Streptomyces aminophilus中perDII替换amphDII,用具有amphDI的N端以及具有perDI的C端的杂合糖基转移酶代替amphDI。产物为11.在此基础上进一步缺失amphNM区域得到12. 11与两性霉素B具有相似的活性及毒副性，但水溶性更优于两性霉素B。 12证明了杂合糖基转移酶可以识别未羧基化的糖苷配基。 Hutchinson E, Murphy B, Dunne T, Breen C, Rawlings B, Caffrey P (2010) Redesign of polyene macrolide glycosylation: engineered biosynthesis of 19-(O)-perosaminyl-amphoteronolide B. Chem Biol 17:174-182.

  14. 对聚酮类抗生素在进化方面的研究 16S RNA KS 结构域

  15. 1.不同的拓扑结构说明微生物的进化同聚酮类抗生素的进化是互相独立的过程1.不同的拓扑结构说明微生物的进化同聚酮类抗生素的进化是互相独立的过程 Metsä-Ketelä M, Halo L, Munukka E, Hakala J, Mäntsälä P, Ylihonko K （2002） Molecular evolution of aromatic polyketides and comparative sequence analysis of polyketide ketosynthase and 16S ribosomal DNA genes from various streptomyces species. Appl Environ Microbiol. 68:4472-9 2. 聚酮类抗生素中的 复合模块型PKS与脊椎动物的脂肪酸合酶具有共同的祖先。 Donadio S, Staver MJ, McAlpine JB, Swanson SJ, Katz L (1991) Modular organization of genes required for complex polyketide biosynthesis. Science 252:675-679. 3.在聚酮类抗生素PKS的进化中存在大量的DNA复制现象，说明基因内部复制是聚酮类抗生素PKS进化的主要方式之一。 Stinear TP, Mve-Obiang A, Small PL, Frigui W, Pryor MJ, Brosch R, Jenkin GA, Johnson PD, Davies JK, Lee RE, Adusumilli S, Garnier T, Haydock SF, Leadlay PF, Cole ST. （2004） Giant plasmid-encoded polyketide synthases produce the macrolide toxin of Mycobacterium ulcerans. Proc Natl Acad Sci U S A. 101:1345-9

  16. 4. 基因同源重组也是聚酮类抗生素PKS进化的主要方式之一。 Ridley CP, Lee HY, Khosla C (2008) Evolution of polyketide synthases in bacteria. Proc Natl Acad Sci U S A 105:4595-600.

  17. 5.水平基因转移也是聚酮类抗生素PKS进化的主要方式。5.水平基因转移也是聚酮类抗生素PKS进化的主要方式。 Jenke-Kodama H, Sandmann A, Müller R, Dittmann E (2005) Evolutionary implications of bacterial polyketide synthases. Mol Biol Evol 22:2027-2039.

  18. Thank You

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