新型强效免疫抑制剂雷帕霉素的生物合成_刘晓娜

雷帕霉素是一个 36 元环含氮 三烯大环内酯类抗 生素( 见 图 1) , 美国麻省理工学 院工业微生物发 酵实验室 通过化学限 定培养基 和同位素标 记的生物 合成研究表 明, 雷 帕霉素的生 物合成 与设 想的大 环内 酯化合 物聚 酮肽的 合成 途径 是一致 的, 它的内酯环是 由6 个乙酸和 7 个丙酸单位所组成。合成的
St rait Pharmaceut ical Jour nal Vol 18 No. 1 2006
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雷帕 霉素是 Wy eth-A yer st 研究实 验室在 七十年 代中 期 从太平洋Ester 岛( R apa N ui) 的土壤样品中分离的链霉菌A Y B-944 所产 生的代 谢产物。产 生菌 菌丝单 轴分 枝, 孢 子丝 螺 旋, 孢子堆灰转灰褐。气生菌丝 吸水, 孢子聚集成堆, 产生黑色 斑点。基内菌丝浅黄褐, 产生可溶性色素。分类鉴定为吸水链 霉菌, 并分别 贮存于美国 农业部菌 种保存中心 和美国典型 菌 种保 藏中心, 定 名为 Str eptomy ces hyg ro sco pics N RRL 5491 ( 或 AT CC 29253) 〔3〕。
福 建省微 生物 研究所 程元 荣等〔4〕2002 年 报道了 雷帕 霉 素 产 生 菌 吸 水 链 霉 菌 FC904 ( Str ep tomy ces hy gr oscop ics FC904) 。该菌株气丝生长贫乏-中等, 白-中 灰( Ⅸ44’) , 培养 2 ～3 周后有黑色吸水斑出现。基丝发育良好, 在无机培养基上 为无色-浅驼色( Ic34’) , 在有机培 养基上为浅芒果黄-浅龟背
2 大环内酯类抗生素的生 物合成 大环内酯类抗生素生物合成的主要步骤是遵循着聚酮肽
合成途径。从生物合成的角度由低级脂肪酸聚合而成的具有
长碳链结构的化合物称为聚酮类化合物。聚酮肽合成的模式: 合成起 始单元的 选择、碳 链的延伸( 即乙酸、丙酸 等短链脂肪 酸的缩合) 、酮基的还原、芳香化以及 环化等, 这些反应是通过 聚酮肽合成 酶系( P KS) 来完成 的。P K S 的分 子量约为 100～ 10000kDa, 至今的研究认为至少有两种类型, P KS Ⅰ型和P KS Ⅱ型〔6〕。P KS 受PK S 基因的调控。P KS 基因以模块构成, 每个 模块催化一个单一的缩合或还原循环。这些模块包括了内酯
环合成 所需的 酶: 丙 二酰转 移酶, 将乙酰 和丙二 酰 CoA 转移 到聚酮肽 合成酶 合适的 硫醇位 置; B-酮酰基合 成酶和 酰基携 带蛋白, 负责酯链延长; B-酮还原酶、脱水酶和 enoy l 还原酶参 与 B-酮基的修饰过程; 硫酯酶催化内酯环从 P KS 的释放〔7〕。 3 雷帕霉素基本构成单元
一些需 氧细菌、放线菌能 通过 B-氧化途 径利用 脂肪酸 作 为 能源和前体。经 特殊的载体 吸收后, 长链脂肪 酸先被乙 酰 CoA 硫酯活化, 然后进入循环B-氧化途径。该途径每循环一次 脂肪酸链掉下两个碳 碎片为乙酰 Co A , 剩余的 脂酰 CoA 化合 物重新进入降 解循环; 乙酰 CoA 单位 直接进入三羧酸循 环或 代谢生成乙酸、丙酮酸〔9〕。甘油也可转化为 丙酮酸, 进而 生成 乙酸、丙酸等为生物合成提供前体分子。
雷帕霉素 ( Rapamy cin; 现名 西罗莫司 Sir olimus) 是 36 元 环含氮 三烯大环 内酯类抗生 素, 是 最有前途的 新型强效免 疫 抑制剂, 活性比临床上 使用的第三代免 疫抑制剂 环孢素强 10 ～100 倍, 毒副作用比 F K 506 小, 与环孢素有协同免疫抑 制作 用, 联合使用不仅能扩大两种药物的治疗指数, 而 且能减少环 孢素的用量, 减轻环孢素肾毒 性的发生。1975 年 V zina 等〔1〕 报道从吸水链霉菌发酵液中获得了低毒 性抗真菌抗生素雷帕 霉素, 1978 年发现雷帕 霉素对自身免疫性 疾病有免疫抑制 作 用, 1989 年开始把雷帕 霉素作为器官移植 后抗排斥反应的 新 药进行试用, 1999 年 9 月美国 FDA 正式 批准雷帕霉素作为肾 移植的抗排斥药物投放市场〔2〕。雷帕霉素还可以治疗自 身免 疫性疾病如类风湿性关节炎、红斑狼疮、自身免疫 性溶血性贫 血、膜性肾小 球肾炎、牛皮癣等, 目前 发展为用作 防治冠状 动 脉再狭窄的涂层支架, 具有广阔的应用前景。 1 雷帕霉素产生菌
1993 年 K o jima 等〔5〕报 道 游 动 放 线 N 902-109 [ A ctinop lane32) ] 也 能合 成 雷 帕霉 素, 且其合成能力比吸水链 霉菌 A T CC 29253 强 10 倍 以上, 但尚 未见该菌株用于生产的报道。
1955 年 M cCar thy〔10〕等人发 现把 油加入 培养 基中, 能 显 著提高多烯大环内酯类抗生素的产量。在葡萄糖-蛋白胨培养 基中添加豆油, 能使fungichr om in 的产量增加10 倍, 其他动植 物油如 棉籽油、玉 米油、牛油也 同样有效〔11〕。卞晨 光、宫蘅 在 此基础 上向红霉 素链霉菌的 培养基中加 入豆油, 发现豆油 能 极大地促进红霉素的合成。在红霉素链霉菌H18 中, 加油后红 霉素的效价提高了 71. 86% , 说明加油是 提高红霉素合成的一 个重要手段〔12〕。金志华在螺旋霉素高产 菌种选育的过程中发 现, 豆油分解能产生乙酸、丙酸、丁酸等短链脂肪酸, 为螺 旋霉 素 内 酯 环 合 成 提 供 前 体, 因 此 豆 油 能 提 高 螺 旋 霉 素 的 产
支链脂肪酸缬氨酸和亮氨酸的分解代谢能够提供内酯环
生物合成的短链脂肪酸前体( 乙酰Co A 、丙酰CoA 及甲基丙二 酰 CoA ) 〔16〕。缬氨酸分解代谢 的关键酶—— 缬氨 酸脱氢酶基 因的失活( 在缬氨酸 脱氢酶 基因中 插入水霉 素抗性 基因) , 使 螺旋霉素和泰乐星的产量分别比野生菌株低 6 倍和 4 倍〔17〕。 3. 2 环 己 烷 雷 帕 霉 素 分 子 中 的 环 己 烷 结 构 来 自 莽 草 酸〔18〕。莽草酸是芳香 族氨基酸生物合成途 径( 又 称莽草酸途 径) 的中间代谢产物, 其生物合成与磷酸戊糖途径生成的四碳 糖有关。磷酸戊糖途径的中间产物赤藓糖-4 -磷酸和糖酵解过 程的中间 产物磷酸烯 醇式丙酮 酸, 在醛 缩酶的作 用下缩合形 成 3-脱氧-A-阿拉伯庚酮糖酸-7-磷酸, 经过脱氢奎尼酸合酶脱 磷 酸环化形成 5-脱氢奎尼酸, 在 5-脱氢奎尼 酸脱水酶的作用 下脱水生成 5-脱氢莽草酸, 最后加氢后形 成莽草酸〔16〕。莽草 酸经脱 水、加氢、电子 重排 等反应 生成 3, 4-二 羟基 环己 烷羧 酸, 后者是雷帕霉素生物合 成的起始单位〔6〕。
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海峡药学 2006 年 第 18 卷 第 1 期
起始单位为环外的环己烷, 来自莽草酸; 哌可酸来 自赖氨酸; 3 个甲氧基来自甲硫氨酸〔2〕。
图 1 雷帕霉素的合成途径 3. 1 内酯环 内酯环的 合成是大 环内酯类抗 生素生物合 成 的关键步骤。内酯环是由一些短链脂肪酸( 如乙酸、丙酸、丁酸 等) 为前体单 位构成的, 如前所 述, 雷 帕霉素 的内酯 环由 6 个 乙酸和 7 个丙酸单位组成。这些小分 子前体来源于初级 代谢 过程¹ 碳的代谢、º 脂肪的代谢、» 氨基酸的代谢 。 3. 1. 1 碳的代谢 : 碳的代谢主要包括淀粉及糖的代谢。淀粉 在淀 粉酶 的作 用下 水解 其 A-1, 4-糖苷 键生 成葡 萄糖 而被 利 用。葡萄糖容易被许多微生物消化, 是微生物主要的碳源。葡 萄糖被 降解成丙 酮酸的过程 称为糖酵解 , 其中 最主要的降 解 途 径是己糖 双磷酸降解 ( EM P ) 途径和磷酸 戊糖循 环( HM P ) 途径。葡萄糖经糖酵解作用形成6 -磷酸果糖、磷酸烯醇式丙酮 酸、丙酮酸、草酰乙 酸等重要的 中间代谢 产物, 这 些中间代 谢 产物继续氧化生成的 乙酰 CoA 、丙酰 Co A 可能为雷帕霉 素内 酯环合成提供乙酸、丙酸等小分子前体。 3. 1. 2 脂肪的代 谢: 有 研究表明, 大环内 酯类抗生 素内酯 环 合成中 的短链脂 肪酸除来源 于碳源的代 谢外, 还可来源于 脂 肪的代谢。脂肪和脂肪酸可以作为许多微生物的碳源和氮源, 但一般利用速度缓慢。脂肪是甘油和高级脂肪酸 所组成的甘 油三酯。它在脂肪酶的作用下水解成甘油和脂肪酸。微生物脂 肪酶 EC( 3. 1. 1. 3) , 又称三酰基甘油酰基水 解酶, 能分解 或合 成高级脂肪酸和甘油形成的甘油三 酸酯酯键〔8〕。在脂肪 的分 解代谢过程中, 脂肪酶作为限速酶, 直接调控着代 谢的进程。
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