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鳥巢烷型二萜化合物具有獨特的5-6-7三環(huán)骨架的物質(zhì)，這類物質(zhì)具有廣泛的生物學活性，包括抗病毒、抗炎、腫瘤細胞毒活性等，其中最為引人關注的是這類物質(zhì)的神經(jīng)營養(yǎng)作用。鳥巢烷型二萜在自然界中僅發(fā)現(xiàn)于少數(shù)幾個屬的大型真菌中，包括猴頭菌屬Hericium、鳥巢菌屬Cyathus、肉齒菌屬Sarcodon等。發(fā)現(xiàn)于猴頭菌中的erinacine A被證明可以抑制ROS介導的神經(jīng)炎癥、激活神經(jīng)生存的信號通路、促進神經(jīng)生長因子的合成和神經(jīng)細胞突觸的生長。鳥巢烷型二萜有望開發(fā)成為治療神經(jīng)退行性疾病的新型藥物。然而鳥巢烷二萜的獲取阻礙了針對這類分子的深入成藥性評價，合成生物學的發(fā)展為其大規(guī)模制備提供了可能性。

圖1 猴頭菇二萜生物合成網(wǎng)絡與組合生物合成

中國科學院微生物研究所劉宏偉研究團隊長期致力于活性鳥巢烷二萜的發(fā)現(xiàn)，活性機制和生物合成研究，相關研究成果發(fā)表Angew. Chem. Int. Ed.、J. Biol. Chem.、Eur. J. Med. Chem.、J. Antibio.、Food Chem等刊物。在揭示了鳥巢烷二萜生物合成基因簇及鳥巢烷二萜環(huán)化酶EriG的功能的基礎，本文實現(xiàn)了在釀酒酵母中重新構(gòu)筑鳥巢烷二萜的生物合成途徑，完成了22個不同結(jié)構(gòu)鳥巢烷二萜的產(chǎn)生菌株構(gòu)建，產(chǎn)率最高可達112.1 mg/L；以同源基因簇的對比分析為線索，發(fā)現(xiàn)并闡明了三個簇外相關基因（eriM、eriO和eriP）的功能；揭示了由FAD依賴的氧化酶EriM催化形成烯丙醛的過程，烯丙醛的形成觸發(fā)串聯(lián)邁克爾加成-消除反應進而形成了具有顯著神經(jīng)營養(yǎng)活性的分子erinacine A。隨后還原酶EriB作用于自發(fā)反應中間體erinacine B而形成還原產(chǎn)物erinacine C。

同時，基于糖基轉(zhuǎn)移酶EriJ、脫氫酶EriH和FAD依賴的氧化酶EriM的底物雜泛性，設計構(gòu)建了產(chǎn)生新結(jié)構(gòu)“非天然”類似物的菌株。新結(jié)構(gòu)物質(zhì)也展現(xiàn)出對PC12細胞的神經(jīng)營養(yǎng)活性，這些新結(jié)構(gòu)物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)也將為構(gòu)效關系分析提供物質(zhì)基礎，為新藥開發(fā)提供了先導分子。

上述研究成果已于2021年9月在藥學一區(qū)TOP期刊Acta Pharmaceutica Sinica B上發(fā)表，中國科學院微生物研究所真菌學國家重點實驗室博士生馬柯（現(xiàn)北京大學博士后）為該論文的第一作者，劉宏偉研究員為該論文的通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金、科技部重點研發(fā)計劃課題等項目的經(jīng)費支持。

文章信息：Acta Pharmaceutica Sinica B 2021;11(9):2945e2956

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通訊作者簡介：

劉宏偉，中科院微生物所真菌學國家重點實驗室副主任、研究員；中國科學院大學存濟醫(yī)學院藥學教研室主任、崗位教授；百千萬人才國家級人選（2019），“中青年有突出貢獻專家”；國務院政府特殊津貼專家（2020）。長期聚焦化學生物學、合成生物學和微生物組學的交叉領域，圍繞“微生物代謝產(chǎn)物結(jié)構(gòu)與功能、生物合成機制”兩個關鍵科學問題，開展“特殊生境微生物新穎代謝產(chǎn)物發(fā)現(xiàn)、生物活性和機制”研究，闡明微生物次級代謝產(chǎn)物的化學多樣性和成藥性，研制新型抗生素和微生態(tài)活菌藥物。在本領域知名刊物Nat. Comm.、Cell Rep.、Angew. Chem. Int. Ed.、APSB、Gut Microbes、J. Med. Chem.等發(fā)表SCI論文110余篇。獲得授權(quán)專利22項，轉(zhuǎn)讓實施9項專利。