组合生物合成介导C-4羟基异构的新型四环素类化合物的发现

doi:10.6023/cjoc202103033

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研究简报

组合生物合成介导C-4羟基异构的新型四环素类化合物的发现

李世杰^a, 聂秋玥^b, 季珍瑜^b, 华会明^a^,^*(), 唐功利^a^,^b^,^*()

a 沈阳药科大学中药学院基于靶点的药物设计与研究教育部重点实验室沈阳 110016
b 中国科学院上海有机化学研究所上海 200032

收稿日期:2021-03-20 修回日期:2021-04-19 发布日期:2021-05-25
通讯作者: 华会明, 唐功利
基金资助:
国家重点研发计划(2018YFA0901900)

Combinatorial Biosynthesis Mediates the Discovery of Novel Tetracyclines with Isomerized C-4 Hydroxyl

Shijie Li^a, Qiuyue Nie^b, Zhenyu Ji^b, Huiming Hua^a(), Gongli Tang^a^,^b()

a Key Laboratory of Structure-Based Drug Design & Discovery, Ministry of Education, Shenyang Pharmaceutical University, Shenyang 110016
b Shanghai Institute of Organic Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200032

Received:2021-03-20 Revised:2021-04-19 Published:2021-05-25
Contact: Huiming Hua, Gongli Tang
Supported by:
National Key Research and Development Program of China(2018YFA0901900)

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摘要/Abstract

在四环素类化合物SF2575的生物合成中, 4-keto-anhydrotetracycline (4-keto-ATC, 2)中C-4的羰基先由SsfF还原为羟基得到(R)-4-hydroxyl-ATC (7), 7经过一系列修饰可以得到最终化合物. 在之前的研究中, 发现基因簇tjh介导了一系列新型四环素类化合物的产生, 而且在ΔtjhO5::2R突变株中得到了三个骨架结构与7类似但C-4构型为S构型的化合物. 生物信息学分析显示TjhD2与SsfF同源性较高, 它们可能有类似的功能. 通过回补SF2575生物合成中编码C-4酮基还原酶的基因ssfF到ΔtjhD2突变株中, 成功得到了两个新的四环素类化合物15和16. 这两个化合物的C-4都发生了异构, 且化合物15是16的苷元. 该组合生物合成策略不仅成功获得了两个新的四环素类似物, 同时也证实了tjhD2的功能. 虽然SsfF和TjhD2在体内展现类似的催化功能, 但其得到的产物构型却相反. 这一结果可以应用到四环素类化合物的改造, 同时也为进一步探寻酮基还原酶立体选择性还原的机制奠定了基础.

关键词: 组合生物合成, 生物合成, II型聚酮类化合物, 四环素, 异构

During the biosynthesis of SF2575, a tetracycline antibiotic, the ketone of C-4 in 4-keto-anhydrotetracycline (4-keto-ATC, 2) is reduced by SsfF to form (R)-4-hydroxyl-ATC (7) which can be further transformed to the final product. According to the previous study, gene cluster tjh mediates the production of a series of new tetracyclines. Three new compounds in ΔtjhO5::2R mutant which are structurally similar with 4-keto-ATC but with (S)-C-4 were obtained. TjhD2 with high similarity with SsfF revealed by bioinformatic analysis indicates that these two enzymes may exhibit the similar enzymatic function. Two new tetracyclines via complementation of ssfF encoding C-4 ketone reductase into ΔtjhD2 mutant were successfully obtained. C-4 of these two compounds is all isomerized and 15 is the aglycone of 16. The combinatorial biosynthesis strategy not only successfully discovers two new natural products, but also verifies the function of TjhD2. Moreover, although TjhD2 and SsfF possess the similar catalytic function, they mediate the production of compounds with different configuration. These results may be applied in modification of tetracyclines and lay the foundation for further exploring the specific mechanism of stereoselective reduction of ketoreductases.

Key words: combinatorial biosynthesis, biosynthesis, type II polyketides, tetracycline, isomerization

引用此文

李世杰, 聂秋玥, 季珍瑜, 华会明, 唐功利. 组合生物合成介导C-4羟基异构的新型四环素类化合物的发现[J]. 有机化学, 2021, 41(8): 3297-3302.

Shijie Li, Qiuyue Nie, Zhenyu Ji, Huiming Hua, Gongli Tang. Combinatorial Biosynthesis Mediates the Discovery of Novel Tetracyclines with Isomerized C-4 Hydroxyl[J]. Chinese Journal of Organic Chemistry, 2021, 41(8): 3297-3302.

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图/表 5

图式1. (A)四环素类天然产物后修饰途径, 以及(B) ΔtjhO5::2R的四环素类似物的生物合成途径

Scheme 1. (A) Post-modified pathways of tetracyclines, and (B) proposed biosynthetic pathway of compounds produced by ΔtjhO5::2R

图1. (A)推测的15的生物合成途径, (B)突变株的构建, 以及(C) ΔtjhD2::2R, ΔtjhD2::2R-ssfF-e和ΔtjhD2::2R-ssfF-k发酵粗提物HPLC图

Figure 1. (A) Proposed biosynthetic pathway of 15, (B) construction of the mutant strain, and (C) HPLC analysis of fermentation crude extracts of ΔtjhD2::2R, ΔtjhD2::2R-ssfF-e and ΔtjhD2::2R-ssfF-k

Position	Isomer 1		Isomer 2
Position	δ_C	δ_H	δ_C	δ_H
1	189.4		194.4
2	109.9		110.0
3	194.6		200.1
4	71.2	4.86 (d, J=4.7 Hz, 1H)	69.0	5.04 (d, J=5.2 Hz, 1H)
4a	43.2	3.14~3.20 (m, 1H)	42.7	3.14~3.20 (m, 1H)
5	26.1	3.36 (dd, J=17.0, 4.9 Hz); 2.58~2.63 (m, 1H)	26.2	3.42 (dd, J=17.0, 4.5 Hz); 2.73~2.77 (m, 1H)
5a	133.8		133.8
6	119.1	7.00 (s, 1H)	119.1	7.00 (s, 1H)
6a	140.1		140.0
7	118.8	7.12 (d, J=8.0 Hz, 1H)	118.7	7.12 (d, J=8.0 Hz, 1H)
8	134.2	7.51 (t, J=8.0 Hz, 1H)	134.2	7.51 (t, J=8.0 Hz, 1H)
9	112.0	6.87 (d, J=8.0 Hz, 1H)	111.8	6.87 (d, J=8.0 Hz, 1H)
10	158.2		158.1
10a	112.6		112.7
11	165.8		165.3
11a	108.6		108.7
12	197.3		199.2
12a	77.8		77.8
13	201.3		200.7
14	26.7	2.68 (s, 3H)	26.3	2.56 (s, 3H)

表1. 15的核磁共振图谱数据(600/150 MHz, CDCl3)

Table 1. NMR spectroscopic data of 15 (600/150 MHz, CDCl3)

图式2. 化合物15主要的HMBC和1H-1H COSY相关

Scheme 2. Selective key HMBC and 1H-1H COSY correlations of compound 15

图2. (A) 16水解为15的方程式, 以及(B) 16在酸性条件下变成15的HPLC图

Figure 2. (A) Equation of hydrolysis reaction from 16 to 15, and (B) HPLC analysis of transformation from 16 to 15 in acid condition.

参考文献 5

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组合生物合成介导C-4羟基异构的新型四环素类化合物的发现

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