聚酮類化合物研究進(jìn)展

聚酮類化合物(polyketides)是天然產(chǎn)物中的一大類，是由真核生物及原核生物產(chǎn)生的一類次級(jí)代謝產(chǎn)物，其來(lái)源廣泛、種類繁多。聚酮類化合物是由短鏈的酰基單元(乙酸酯，丙酸酯或丙二酸酯等)通過(guò)連續(xù)的Claisen縮合反應(yīng)合成的，此過(guò)程由被稱為聚酮合酶(polyketide synthase，PKS)的復(fù)雜酶催化，類似于脂肪酸的生物合成過(guò)程。過(guò)去的幾十年中，基于其合成機(jī)制被逐漸揭示，為合理設(shè)計(jì)和操縱聚酮生物合成生產(chǎn)新化合物奠定了基礎(chǔ)。目前已發(fā)現(xiàn)的天然聚酮類化合物已突破10 000種，由之衍生的新產(chǎn)物更是難以計(jì)數(shù)，部分聚酮類化合物及其衍生物已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用：洛伐他汀(lovastatin)在內(nèi)的他汀類藥物占到降血脂藥物市場(chǎng)總額的80%以上；紅霉素作為一種典型的聚酮類化合物，也是醫(yī)藥和畜牧業(yè)中常用的大環(huán)內(nèi)酯類抗生素[1]。目前大量研究表明，聚酮類化合物的主要作用包括抗氧化、抗腫瘤、免疫抑制、抗菌活性、抗炎癥和抗寄生蟲，基于其廣泛的生物學(xué)活性，獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和合成機(jī)制以及良好的可塑性，這類化合物越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外研究者的重視[2-3]。因此，本文主要綜述了國(guó)內(nèi)外對(duì)聚酮化合物生物合成機(jī)制以及其生物活性的研究進(jìn)展，旨在為聚酮類化合物的研究和應(yīng)用提供參考。

1 天然聚酮類化合物

天然聚酮類化合物是天然產(chǎn)物中的一大類，主要是由真菌、細(xì)菌、植物產(chǎn)生的次級(jí)代謝產(chǎn)物，其中部分可作為臨床藥物被應(yīng)用。一些常見的聚酮類化合物及其天然宿主如表1所示。紅霉素(erythromycin)是最早被發(fā)現(xiàn)的聚酮類抗生素之一，它是由MCGUIRE等從革蘭氏陽(yáng)性菌紅色糖多孢菌(Saccharopolyspora erythraea)發(fā)酵液中提取出的一種次級(jí)代謝產(chǎn)物[4]，其具有抗革蘭氏陽(yáng)性菌、毒性低等特點(diǎn)，因而在醫(yī)藥中被廣泛應(yīng)用。洛伐他汀是由紫紅曲霉(Monascus purpureus)產(chǎn)生的一類次級(jí)代謝產(chǎn)物。1976年，DUJOVNE[5]研究發(fā)現(xiàn)它是一種具有降低血液中膽固醇功效的物質(zhì)，引起了全世界的關(guān)注，隨后洛伐他汀便被用于制作降膽固醇藥物并沿用至今。最近的研究表明，洛伐他汀還具有其他諸如減輕糖尿病癥狀、緩解骨質(zhì)疏松以及誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡的功效，這也引起了廣大學(xué)者的研究興趣[6]。黃曲霉毒素(aflatoxin)是一類具有高毒性的次級(jí)代謝產(chǎn)物，主要由曲霉屬(Aspergillus)中的黃曲霉(Aspergillus flavus)、寄生曲霉(Aspergillus parasiticus)、米曲霉(Aspergillus nomius)等產(chǎn)生[7]。該類天然化合物中毒性最強(qiáng)的是黃曲霉毒素B1，其具有毒性大、致癌性強(qiáng)、不易分解等特點(diǎn)，在飼料、食用油加工中難以去除，從而造成經(jīng)濟(jì)損失甚至影響人類的身體健康[8]。

四環(huán)素類(tetracyclines)物質(zhì)是由土壤放線菌使用II型PKS合成的一類聚酮類化合物[9]。最早的四環(huán)素類物質(zhì)是DUGGAR等在金色鏈霉菌(Streptomyces aureus)發(fā)現(xiàn)的金霉素(aureomycin)，以及FINLAY從龜裂鏈霉菌(Streptomyces rimosus)提取出的土霉素(terramycin)，它們?cè)?0世紀(jì)中葉被作為抗生素藥物廣泛使用。現(xiàn)在所熟知的四環(huán)素(tetracycline)是YU等[10]通過(guò)金霉素的催化氫化合成的去氯衍生物。相較于金霉素，它具有更好的藥理活性以及溶解性，目前常以金黃色鏈霉菌作為生產(chǎn)菌發(fā)酵生產(chǎn)。

表1 部分天然聚酮類化合物及其宿主
Table 1 Some natural polyketides and their hosts

2 “非天然”聚酮類化合物的生物合成

聚酮類化合物因其具有豐富的化學(xué)性質(zhì)以及獨(dú)特的生理活性而受到廣大學(xué)者的青睞，但自然界中天然的聚酮類化合物難以完全滿足人們的需要，因此通過(guò)人為改造方式獲得聚酮類化合物逐漸成為一種研究趨勢(shì)。由于聚酮類化合物化學(xué)、立體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以使用化學(xué)法對(duì)其進(jìn)行改造，因此常使用基因工程法構(gòu)建非天然聚酮類化合物，主要操作方法為在原基因上替換、引入、刪除不同來(lái)源的基因，并導(dǎo)入合適的宿主，從而合成自然界本不存在的新化合物[11]。目前的研究方法主要是通過(guò)對(duì)聚酮合酶的結(jié)構(gòu)域、亞基、作用模塊等進(jìn)行改造并在宿主中表達(dá)來(lái)獲取新的非天然聚酮類化合物[12]。

2.1 結(jié)構(gòu)域的改造

聚酮化合物合成途徑中的底物選擇、還原程度和產(chǎn)物的立體化學(xué)結(jié)構(gòu)都是由聚酮合酶中相應(yīng)模塊上的結(jié)構(gòu)域決定的，每個(gè)結(jié)構(gòu)域的功能與結(jié)構(gòu)一一對(duì)應(yīng),于是結(jié)構(gòu)域的刪除、替換、增加以及重新定位對(duì)于合成新的聚酮化合物具有指導(dǎo)意義。第一例成功報(bào)道的PKS基因工程改造就是對(duì)6-脫氧-紅霉內(nèi)酯B合成酶(6-deoxy-erythronolide B synthase，DEBS)模塊5中酮體還原酶(keto reductase，KR)結(jié)構(gòu)域的缺失失活。1991年，DONADIO等[13]通過(guò)缺失DEBS3中模塊5的KR5結(jié)構(gòu)域的80個(gè)氨基酸，合成了C5位是酮基的紅霉素衍生物5,6-dideoxy-3α-mycarosyl-5-oxo-erythronolide B；隨后，DONADIO等又將DEBS2模塊4中的烯脂酰還原酶(enoyl reductase，ER4)結(jié)構(gòu)域通過(guò)堿基替換失活，獲得的衍生物中C6-C7的連鍵由單鍵變?yōu)殡p鍵(圖1)。硫酯酶(thioesterase，TE)結(jié)構(gòu)域一般催化產(chǎn)物的釋放，通過(guò)將TE結(jié)構(gòu)域重新定位到各個(gè)模塊的末端可以人工釋放產(chǎn)生的中間體。B?HM等[14]通過(guò)將DEBS1鏈的末端與TE末端結(jié)合構(gòu)建了DEBS1-TE模型，結(jié)果表明，在體內(nèi)與體外均能有效合成三酮內(nèi)酯。同樣，將TE結(jié)構(gòu)域定位到模塊3與模塊5中也能產(chǎn)生預(yù)期的截?cái)喈a(chǎn)品，證明了單模塊的PKS也具有催化活性。延伸單位的選擇是由每個(gè)模塊的酰基轉(zhuǎn)移酶(acyltransferase，AT)結(jié)構(gòu)域控制的，AT結(jié)構(gòu)域的替換也可以導(dǎo)致新的聚酮化合物的產(chǎn)生。首次利用AT結(jié)構(gòu)域替換得到新型非天然聚酮化合物的是LEADLAY課題組。OLIYNYK等[15]使用了曾經(jīng)開發(fā)過(guò)的DEBS1-TE模型，通過(guò)將DEBS1-TE中的AT1替換為雷帕霉素PKS模塊2中的AT2，成功獲得了2種新型三酮內(nèi)酯，且使2種衍生物均比原來(lái)的三酮內(nèi)酯缺少一個(gè)甲基。

圖1 DEBS結(jié)構(gòu)域的刪除
Fig.1 Deletion of domains of DEBS[14-15]

2.2 模塊的改造

與結(jié)構(gòu)域相同，聚酮合酶的模塊對(duì)產(chǎn)物的立體化學(xué)結(jié)構(gòu)及生物活性也起到?jīng)Q定性作用，這使得對(duì)模塊改造以產(chǎn)生新的非天然聚酮化合物成為可能。RANGANATHAN等[16]通過(guò)將DEBS1-TE的整個(gè)模塊2從?；d體蛋白(acyl carrier protein，ACP)中間位置替換為雷帕霉素合酶的模塊12,構(gòu)建了三酮內(nèi)酯合成酶TKS-AR2。還構(gòu)建了將雷帕霉素合酶模塊12中AT，KR以及ACP連接到DEBS模塊2中KS2結(jié)構(gòu)域羧基端的TKS-AR3。結(jié)果表明，TKS-AR3可以有效合成含甲基與乙基的2種三酮內(nèi)酯(圖2-a)。

2001年，ROWE等[17]將雷帕霉素合酶的模塊2和模塊5分別插入DEBS1-TE模塊1和模塊2間獲得了預(yù)期的四酮化合物(圖2-b)。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，即使插入的雷帕霉素合成酶的模塊不從酮?；厦?keto-acyl synthase，KS)結(jié)構(gòu)域延伸至ACP，而是從KS結(jié)構(gòu)域末端延伸至下一模塊的KS結(jié)構(gòu)域的末端，獲得產(chǎn)物的產(chǎn)率大致相同，表明了模塊的插入并不依賴于唯一位置的正確插入。

2.3 亞基的改造

亞基交換以及亞基重排是改造亞基從而獲取非天然聚酮類化合物的常見技術(shù)。XU等[18]通過(guò)把4組同源的、合成真菌苯二醇內(nèi)酯(benzenediol lactone,BDL)所需要的迭代聚酮合酶(iPKSs)導(dǎo)入到釀酒酵母中，通過(guò)將不同的高度還原的聚酮合酶(highly reducing polyketide synthase，hrPKS)和非還原性聚酮合酶(nonreducing polyketide synthase，nrPKS)組合以表達(dá)自然界中不存在的聚酮類化合物，最終它們?cè)贏CP轉(zhuǎn)酰酶結(jié)構(gòu)域交換的輔助下成功表達(dá)了14種新型的聚酮類化合物，并在其中發(fā)現(xiàn)了1種對(duì)癌細(xì)胞具有顯著細(xì)胞毒性的非天然聚酮類化合物radilarin。WANG等[19]在Rhytidhysteron rufulum中發(fā)現(xiàn)了1種不表達(dá)的BDL合酶基因，他們通過(guò)將基因中編碼hrPKS的序列以及nrPKS的序列分別與其他4種BDL合酶基因編輯系統(tǒng)中互補(bǔ)的nrPKS和hrPKS基因序列配對(duì)，轉(zhuǎn)入釀酒酵母中進(jìn)行異源表達(dá)，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)域進(jìn)行調(diào)整，最終成功恢復(fù)了該BDL合成酶表達(dá)系統(tǒng)，獲得了非天然的聚酮類化合物。

a-模塊的替換；b-模塊的插入
圖2 模塊的改造
Fig.2 Transformation of the module

2.4 定點(diǎn)突變

對(duì)已知三維結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)域進(jìn)行定點(diǎn)突變不僅有助于證實(shí)已經(jīng)提出的生物合成機(jī)理，也可以用于新型聚酮合酶的開發(fā)。KORYAKINA等[20]選擇了DEBS3的AT6結(jié)構(gòu)域中的3個(gè)殘基Leu118，Tyr189和Ser191進(jìn)行誘變，并發(fā)現(xiàn)，在DEBS3中引入一個(gè)突變體V187A與Y189R結(jié)合可以顯著利用propargylmalonyl-CoA并產(chǎn)生新型化合物。JEZ等[21]通過(guò)檢測(cè)CHS G256A、G256V、G256L和G256F突變體的X射線晶體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)突變減少了活性位點(diǎn)腔的大小，但沒有顯著改變多肽骨架的構(gòu)象。隨后，JEZ等[22]用絲氨酸取代了在III型PKS中保守的Phe-215，使得F265V突變體優(yōu)先使用N-甲基蒽基-CoA作為起始分子以生成新型生物堿N-甲基蒽基三乙酸內(nèi)酯；而使用纈氨酸代替Phe-265并不會(huì)改變對(duì)起始分子的選擇性。MORITA等[23]進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，結(jié)果表明，HsPKS1中突變體S328G不僅延長(zhǎng)了產(chǎn)物鏈長(zhǎng)，而且改變了環(huán)化機(jī)制，可催化起始底物2-氨甲酰基苯甲酰-CoA與3分子丙二酰-CoA縮合形成一種新型聚酮骨架dibenzoazepine。

3 PKS酶研究進(jìn)展

PKS是復(fù)雜的多酶體系的一種，是用于介導(dǎo)聚酮化合物生物合成的關(guān)鍵酶。PKS通常以脂酰-CoA為底物，通過(guò)多次Claisen脫羧縮合過(guò)程產(chǎn)生聚酮類化合物或環(huán)狀酮內(nèi)酯，其過(guò)程與脂肪酸合成類似。由于其結(jié)構(gòu)和催化途徑的不同，PKS大致可分為3個(gè)類型，即Ⅰ 型PKS、Ⅱ 型PKS和Ⅲ型PKS(圖3)。其中，Ⅰ 型PKS包括Ⅰ型細(xì)菌PKS(BPKS-Ⅰ)和大多數(shù)真菌PKS(FPKS)，BPKS-I是由多個(gè)模塊組成的蛋白，每個(gè)模塊包含1組結(jié)構(gòu)域，在聚酮化合物鏈組裝過(guò)程中，每組結(jié)構(gòu)域僅行使1次功能，所以BPKS-I也可以稱為模塊化I型PKS。大多數(shù)FPKS僅為1個(gè)模塊，模塊內(nèi)的結(jié)構(gòu)域被重復(fù)使用以催化多輪反應(yīng)，因此也被稱為迭代I型PKS[24]。Ⅱ 型PKS是多功能酶復(fù)合體，由幾個(gè)物理上離散的催化單元組成，只包含一套可重復(fù)使用的結(jié)構(gòu)域，主要用于合成芳香族聚酮化合物[25]。Ⅲ 型PKS也稱查爾酮型聚酮合酶，本質(zhì)上與 Ⅰ 型PKS和 Ⅱ 型PKS的酮合酶(KS)結(jié)構(gòu)域等效，迭代地合成具有各種鏈長(zhǎng)的產(chǎn)物[26]。盡管3種PKS的結(jié)構(gòu)與催化功能不同，但它們都利用KS誘導(dǎo)酰基-CoA產(chǎn)生的碳負(fù)離子在?；蛑系倪M(jìn)攻，以形成C—C鍵。除了聚酮合酶外，硫酯酶也可以迭代地催化非脫羧縮合反應(yīng)，以產(chǎn)生聚酮骨架，故被認(rèn)為是合成聚酮化合物的新途徑[27]。

a-模塊化I型PKS；b-迭代I型PKS；c-II型PKS；d-III型PKS
圖3 四種聚酮合酶的基本結(jié)構(gòu)
Fig.3 Basic structures of four polyketide synthases

3.1 I型PKS

3.1.1 模塊化I型PKS

模塊化I型PKS是一個(gè)擁有多個(gè)模塊的巨型多功能多肽，它以結(jié)構(gòu)域的形式參與聚酮化合物碳鏈的延伸。每個(gè)模塊中的結(jié)構(gòu)域均呈線性排列，按順序催化單輪延伸和全部或部分還原，其結(jié)構(gòu)如圖3-a所示。它包括了KS、AT、脫水酶(dehydratase，DH)、甲基轉(zhuǎn)移酶(methyltransferase，MT)、ER、KR、ACP和環(huán)化酶(cyclase，CYC)等結(jié)構(gòu)域[28]。其中KS，AT和ACP可構(gòu)成最小的模塊。目前研究最透徹的模塊化PKS是DEBS。DEBS是一個(gè)大小為1 039 kDa的酶復(fù)合物，它的6個(gè)模塊由3個(gè)大的多肽DEBS1，DEBS2和DEBS3組成，每個(gè)多肽由2個(gè)模塊組成[29]。紅霉素的合成途徑如圖4所示，第一個(gè)模塊前面是AT和ACP域，最后一個(gè)模塊后面是一個(gè)TE域。AT負(fù)責(zé)將結(jié)構(gòu)單元從酰基-CoA前體轉(zhuǎn)移到ACP；KS負(fù)責(zé)鏈的延長(zhǎng)；KR負(fù)責(zé)β酮的還原；DH負(fù)責(zé)脫去一分子水；ER負(fù)責(zé)還原不飽和鍵；最后由TE釋放6-脫氧-紅霉內(nèi)酯B(6-deoxy-erythronolide B，6DEB)并經(jīng)過(guò)一系列修飾作用，形成產(chǎn)品紅霉素A[28]。

3.1.2 迭代I型PKS

與模塊化I型PKS不同的是，迭代I型PKS只有一個(gè)在鏈合成過(guò)程中重復(fù)使用的模塊。其結(jié)構(gòu)如圖3-b所示，在聚酮化合物合成途徑中，當(dāng)一個(gè)反應(yīng)結(jié)束時(shí)，中間產(chǎn)物不轉(zhuǎn)移到下一模塊而是在同一模塊上繼續(xù)進(jìn)行鏈的延長(zhǎng)，直至獲得終產(chǎn)物。多數(shù)真菌聚酮化合物如洛伐他汀，是由單個(gè)迭代PKS合成[30]，但部分聚酮化合物如10,11-dehydrocurvularin需要2個(gè)協(xié)作的迭代PKS。如圖5所示，hrPKS先合成線性聚酮化合物鏈，再通過(guò)起始單元起始酰基轉(zhuǎn)移酶轉(zhuǎn)移到nrPKS上進(jìn)一步延伸，再由nrPKS提供的產(chǎn)物模板PT結(jié)構(gòu)域進(jìn)行C3-C8上的醇醛縮合，最終由TE進(jìn)行產(chǎn)物釋放[31]。

3.2 II型PKS

II型PKS是一個(gè)多酶復(fù)合體，由幾個(gè)離散的可分離的蛋白質(zhì)構(gòu)成，也被稱作芳香PKS，通過(guò)一套可重復(fù)使用的結(jié)構(gòu)域在反應(yīng)中多次催化同一性質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)。其基本結(jié)構(gòu)如圖3-c所示。

BISANG等[32]發(fā)現(xiàn)，II型PKS主要由3個(gè)基本亞基構(gòu)成，即KSα、KSβ以及ACP。盡管缺乏I型PKS系統(tǒng)中的AT結(jié)構(gòu)域，但仍具有?；D(zhuǎn)移酶活性。其中，KSα與KSβ的結(jié)構(gòu)非常相似，區(qū)別僅在于其高度保守的活性中心上的氨基酸有所不同，這種細(xì)微的不同使得KSβ無(wú)法催化Claisen型C—C鍵的形成，但KSβ在合成過(guò)程中同樣起到重要作用。MCDANIEL等[33]在CH999系統(tǒng)中進(jìn)一步設(shè)計(jì)生物合成新型聚酮化合物的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)域的部分組合發(fā)現(xiàn)，KSβ部分決定了產(chǎn)物鏈的長(zhǎng)度，所以KSβ也被稱為鏈長(zhǎng)因子(chain length factor，CLF)，而KSα起到實(shí)際的酮合酶作用。如圖6所示，II型PKS催化鏈的延長(zhǎng)主要以丙二酰CoA為底物，每輪脫羧縮合反應(yīng)后，聚酮化合物鏈會(huì)增加2個(gè)碳單元，最后經(jīng)KR，芳香酶(aromatases，ARO)以及CYC形成芳香族聚酮化合物。形成芳香族聚酮化合物后仍然需要通過(guò)后PKS酶(如加氧酶、糖基轉(zhuǎn)移酶、甲基轉(zhuǎn)移酶)進(jìn)行進(jìn)一步修飾，以產(chǎn)生最終產(chǎn)物[34](圖7)。和I型PKS相比較，Ⅱ型PKS在起始單位和延長(zhǎng)單位的選擇方面變化不大，所以它的結(jié)構(gòu)多樣性主要來(lái)自于后PKS酶的修飾。

圖4 紅霉素合成途徑
Fig.4 Synthesis pathway of erythromycin

圖5 10,11-dehydrocurvularin合成途徑
Fig.5 Synthesis pathway of 10,11-dehydrocurvularin

3.3 III型PKS

III型PKS，也稱查爾酮型聚酮合酶，具有最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。如圖3-d所示，其基本結(jié)構(gòu)與其他2種PKS系統(tǒng)不同，III型PKS是單蛋白系統(tǒng)，沒有結(jié)構(gòu)域或模塊。在其催化途徑中，III型PKS不需要酰基載體蛋白ACP來(lái)活化酰基CoA，而是直接作用于游離的?；?CoA[25]。1999年，日本學(xué)者發(fā)現(xiàn)了來(lái)自灰色鏈球菌(Streptomyces griseus)的RppA，后這種酶被稱為III型PKS。它是一種酮二聚體，并可重復(fù)進(jìn)行縮合反應(yīng)。如圖8所示，其合成途徑是以丙二酰CoA作為起始物和底物，再由5分子的丙二酰CoA發(fā)生脫羧環(huán)化形成1,3,6,8-四羥基萘(1,3,6,8-tetrahydroxynaphthalene，THN)[35]。

通過(guò)對(duì)紫花苜蓿(M.sativa)CHS2的晶體結(jié)構(gòu)解析[36]，發(fā)現(xiàn)4個(gè)保守的殘基Cys164，Phe215，His303和Asn336起到催化作用。其中Cys164是聚酮鏈形成過(guò)程中的親核活性位點(diǎn)，His303和Asn336在丙二酰-CoA的脫羧反應(yīng)中起重要作用，而Phe215可能在聚合酮鏈延伸過(guò)程中起了底物導(dǎo)向作用。這4個(gè)氨基酸殘基在所有發(fā)現(xiàn)的III型PKS中均保守，對(duì)III型PKS催化機(jī)制的揭示起到重要作用。

圖6 II型PKS催化過(guò)程
Fig.6 Catalytic process of type II PKS

圖7 II型PKS反應(yīng)模型
Fig.7 Catalytic model of type II PKS

圖8 RppA途徑
Fig.8 Catalytic pathway of RppA

3.4 硫酯酶

一些TE被認(rèn)為具有催化聚酮化合物合成的能力，于是也被稱為聚酮酰-CoA硫酯酶(polyketoacyl-CoA thiolases，PKTs)，它們可以通過(guò)重復(fù)催化非脫羧Claisen縮合反應(yīng)形成聚酮化合物(圖9)。TAN等[27]采用了5種非直接發(fā)酵途徑，嘗試通過(guò)β-酮硫酶(β-ketothiolase，BktB)基于PKT的途徑產(chǎn)生三乙酸內(nèi)酯(triacetate lactone，TAL)。結(jié)果表明，基于BktB的途徑是一種與PKS無(wú)關(guān)的合成TAL的新途徑，且含有BktB的工程菌JC01產(chǎn)生的TAL比使用III型PKS時(shí)的滴定度高7倍。與PKS催化途徑相比，PKT途徑簡(jiǎn)化了所需的結(jié)構(gòu)域和催化步驟。此外，基于PKT的合成途徑由于利用乙酰輔酶A作為延長(zhǎng)單位，其通量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于丙二酰輔酶A延長(zhǎng)單位，并可以有效避免與必需代謝途徑競(jìng)爭(zhēng)，實(shí)現(xiàn)了更高的ATP效率。

從結(jié)構(gòu)上分析，TAN等[27]進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)BktB含有一個(gè)Cys90/His350/Cys380催化三聯(lián)體，其催化的縮合反應(yīng)依據(jù)兩步乒乓機(jī)制，先由His350通過(guò)親核攻擊激活Cys90，使得Cys90攻擊乙酰乙酰-CoA形成共價(jià)乙酰乙酰-酶中間體。再由Cys380對(duì)乙酰-CoA的α-碳進(jìn)行去質(zhì)子化，最后親核攻擊乙酰乙酰-酶中間體，形成3,5-二氧酰基-CoA。

圖9 硫酯酶與聚酮合酶催化合成聚酮化合物的途徑對(duì)比
Fig.9 Comparison of catalytic synthesis of polyketide by thioesterase and polyketide synthase

4 聚酮類化合物的生物活性

聚酮類化合物因其具有獨(dú)特的立體結(jié)構(gòu)以及化學(xué)結(jié)構(gòu)而具有廣泛的生物活性和化學(xué)多樣性，目前部分聚酮類化合物及其衍生物已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。聚酮類化合物的生物活性包括抗菌、抗癌、抗氧化、抗寄生蟲、抗炎癥等活性[37]。該部分將結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究成果，對(duì)聚酮類化合物的生物活性進(jìn)行概述。

4.1 抗菌活性

抗生素從被發(fā)現(xiàn)開始便因其抑菌作用而被廣泛使用，到目前已有近百年的歷史。但其過(guò)量使用也造成了大量耐藥超級(jí)細(xì)菌的產(chǎn)生，嚴(yán)重危害了人類的健康。這迫使研究者不斷尋找新型的抗生素，其中聚酮類化合物展現(xiàn)出了巨大潛力。

江寧宇等[38]從Actinomadura sp.FIM95-F26中分離出了芳香聚酮化合物95F26A(圖10)，并對(duì)其生物活性進(jìn)行了研究，最終發(fā)現(xiàn)其具有較強(qiáng)的抗革蘭氏陽(yáng)性菌活性，對(duì)短小芽孢桿菌(Bacillus pumilus)以及金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)的最小抑菌濃度(minimum inhibitory concentration，MIC)值分別為0.031 2以及0.125 μg/mL。劉述春等[39]從一株毛殼屬真菌(Chaetomium Kunze)分離出了聚酮類化合物毛豆素E(chaetomones E)，并測(cè)得其對(duì)白色念珠菌(Monilia albican)的半數(shù)抑制濃度(IC50)值為20 μmol/L。劉凱[40]從中藥材三七的土壤微生物中篩選出了擬康氏木霉(Trichoderma koningiopsis)，并在其代謝產(chǎn)物得到了聚酮類化合物科尼格索普辛C(Koningiopsin C)，通過(guò)抑菌實(shí)驗(yàn)測(cè)得其對(duì)黃瓜萎焉病菌(Plectosphaerella cucumerina)的MIC值可達(dá)到16 μg/mL，并顯示出良好的廣譜抗菌活性。NAKANO等[41]研究3-異丙烯基-環(huán)庚三烯酚酮(3-isopropenyl-tropolone)發(fā)現(xiàn)，它可以抑制某些致病菌莢膜多糖的生物合成從而達(dá)到抑菌作用，并驗(yàn)證了其對(duì)于金黃色葡萄球菌的抑制作用。SARWAR等[42]從Streptomyces A1RT中發(fā)現(xiàn)了一種聚酮類化合物伊沙托羅林C(isatropolone C)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了其對(duì)于馬鈴薯瘡痂病鏈霉菌(Streptomyces scabies)具有抑制作用，因而可作為馬鈴薯瘡痂病的一種生物防治策略。

圖10 四種具有抗菌活性的聚酮類化合物
Fig.10 Four polyketides with antibacterial activity

4.2 抗癌活性

癌癥作為一種全球性疾病，已經(jīng)成為世界人民健康的主要關(guān)注點(diǎn)。據(jù)調(diào)查每年都會(huì)有千萬(wàn)人患上癌癥、因?yàn)榘┌Y死亡。目前，治療癌癥主要方法有化療和放療，但其具有強(qiáng)烈的副作用，因此尋找作用溫和有效的抗癌藥物是目前抗癌研究的熱點(diǎn)。聚酮類化合物由于其具有結(jié)構(gòu)多樣性以及豐富的生物活性，而成為抗癌藥物研究的一個(gè)方向。

WILLIAMS等[43]從Salinispora arenicola中發(fā)現(xiàn)了聚酮類化合物沙林菌素A(arenicolides A)，將其作用于人結(jié)腸癌HCT-116細(xì)胞后發(fā)現(xiàn)其對(duì)該癌細(xì)胞的IC50值達(dá)到30 mg/L(圖11)。達(dá)里亞酰胺A-C(daryamides A-C)也是聚酮類化合物，它們是ASOLKAR等[44]從圣地亞哥海岸分離出的Streptomyces CNQ085中提取出的，其中daryamides A對(duì)HCT-116細(xì)胞具有中性的細(xì)胞毒性，其IC50值為3.15 μg/mL，因而有望作為抗癌藥物使用。RATNAYAKE等[45]在澳大利亞微生物中檢測(cè)到了一種罕見放線菌Kibdelosporangium MST-108465，其產(chǎn)生的雜環(huán)聚酮類化合物基布隆具有包括抗癌活性在內(nèi)的多種生物活性。研究人員通過(guò)將基布隆與其他聚酮類化合物相比較，發(fā)現(xiàn)該類物質(zhì)具有不同于F環(huán)芳構(gòu)化或者額外縮醛環(huán)的抗癌機(jī)理，推測(cè)出該物質(zhì)含有有效且具選擇性的藥效團(tuán)，從而可能成為新一代抗癌藥物。LI等[46]從真菌Lecanicillium antillanum的培養(yǎng)液中分離出了新型的非-β-烯酮化合物11-norbetaenone(11-降冰片烯酮)，研究發(fā)現(xiàn)其具有較好的抗血管生成作用，因此可作為血管生成抑制劑而用于預(yù)防癌癥轉(zhuǎn)移。

圖11 四種具有抗癌活性的聚酮類化合物
Fig.11 Four polyketides with anticancer activity

4.3 抗氧化活性

隨著社會(huì)發(fā)展需要，抗衰藥物成為研究的一大熱潮，大量研究表明聚酮類化合物具有清除自由基和抗氧化的作用。韓鵬杰[47]等通過(guò)對(duì)菌株Emericella variecolor XSA-07-2進(jìn)行誘變，篩選出了1種產(chǎn)新型聚酮類化合物的突變株，并通過(guò)采用DPPH法對(duì)聚酮類化合物進(jìn)行分析研究，最終發(fā)現(xiàn)其中1種聚酮類化合物(化合物3，尚未命名)具有抗氧化活性，DPPH法測(cè)得其IC50值為13.58 μg/mL(圖12)。

圖12 Emericella variecolor XSA-07-2突變株產(chǎn)生的化合物3
Fig.12 Compound 3 produced by Emericella variecolor XSA-07-2 mutant

李杰[48]研究了藍(lán)色絲膜菌(Cortinarius caerulescens)的次級(jí)代謝產(chǎn)物并采用DPPH清除法測(cè)定它們的抗氧化活性，最終得到了3種抗氧化活性較強(qiáng)的物質(zhì)：蘆氟霉素C(rufoolivacin C)，蘆氟霉素A(rufoolivacin A)以及氟哌啶醇(dirufoolivacin)，測(cè)得的IC50值分別為8.63、7.50以及2.77 μg/mL(圖13)。

圖13 藍(lán)色絲膜菌中產(chǎn)生的抗氧化性較強(qiáng)的3種物質(zhì)
Fig.13 Three polyketides with strong antioxidant properties produced by Cortinarius caerulescens

4.4 抗寄生蟲活性

寄生蟲是一類對(duì)人體有害無(wú)益的寄生生物，它們掠奪人體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、引起血管阻塞、引發(fā)炎癥，嚴(yán)重影響人類正常生活，因此研發(fā)抗寄生蟲藥物對(duì)人體健康有重大意義。KOSSUGA等[49]研究了P.angulospiculatus產(chǎn)生的plakortide P的生物活性，發(fā)現(xiàn)在25 μg/mL 的濃度下可殺死100%的Leishmania chagasi前鞭毛體，IC50值為1.9 μg/mL，對(duì)克氏錐蟲(Trypanosona cruzi)的IC50值為2.3 μg/mL，證明其對(duì)于部分寄生蟲具有良好的抗性。海洋藍(lán)藻產(chǎn)生的多種次級(jí)代謝產(chǎn)物如多肽、聚酮類化合物以及脂類往往具有抗菌、抗癌、免疫抑制劑等多種生物活性，MarinLitTM數(shù)據(jù)庫(kù)中報(bào)道了近800種天然產(chǎn)物，但對(duì)抗寄生蟲感染治療方法的研究較少。SWEENEY-JONES等[50]對(duì)海洋藍(lán)藻Moorea producens進(jìn)行一系列凍干、提取，并進(jìn)行真空液相色譜獲得提取物，隨后利用血期惡性瘧原蟲和肝期伯格氏瘧原蟲進(jìn)行生物測(cè)定指導(dǎo)的分餾，經(jīng)分離純化得到了5種具有抗瘧活性的天然產(chǎn)物(圖14)。其中，化合物lynbyabellin A對(duì)血期惡性瘧原蟲Plasmodium falciparum的抑制效果最好，半最大效應(yīng)濃度(EC50)達(dá)到了1.5 nmol/L，而化合物lyngbyaloside對(duì)肝期伯格氏瘧原蟲P.berghei具有更好的抑制效果，EC50值為4.5 μmol/L。

圖14 斐濟(jì)海洋藍(lán)藻Moorea producens生產(chǎn)的天然產(chǎn)物
Fig.14 Natural products from the Fijian marine cyanobacterium Moorea producens

5 結(jié)論與展望

由于聚酮化合物所表現(xiàn)出的良好的生理活性，目前已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，食品工業(yè)和醫(yī)療保健等領(lǐng)域，具有巨大的市場(chǎng)價(jià)值。本文綜述了近年來(lái)已被發(fā)現(xiàn)的聚酮類化合物的結(jié)構(gòu)及其生物活性，新的聚酮類化合物有待發(fā)掘。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)聚酮化合物的研究逐漸深入，人們對(duì)聚酮類化合物生物合成的分子機(jī)制的理解取得了重大進(jìn)展，通過(guò)生物信息學(xué)鑒定出多種生物來(lái)源的PKS。根據(jù)其結(jié)構(gòu)與作用機(jī)制的不同，大致將PKS分為三類，分別為I型PKS、II型PKS和III型PKS。通過(guò)對(duì)PKS晶體結(jié)構(gòu)的分析，顯著提升了人們對(duì)PKS生物合成機(jī)理的認(rèn)識(shí)，也為研究者們對(duì)PKS進(jìn)行合理的工程設(shè)計(jì)提供了思路，而目前采用各種改造技術(shù)諸如點(diǎn)突變、結(jié)構(gòu)域交換、亞基交換也創(chuàng)造了不少新型聚酮類化合物，并在獲得具有理想生物活性的聚酮類化合物中取得了不錯(cuò)的成果。

盡管目前對(duì)聚酮類化合物的研究取得了較大進(jìn)展，但部分領(lǐng)域仍存在研究不足的問題。例如，非天然聚酮化合物的合成中，對(duì)I型PKS和III型PKS的研究較多，而對(duì)II型PKS改造的研究不足；此外，許多由PKS合成的聚酮類化合物在初期并不具有活性，通過(guò)后PKS酶修飾后才具有選擇性和生物活性，這為組合生物合成新產(chǎn)物提供了機(jī)會(huì)；目前大多數(shù)研究的重點(diǎn)主要放在新型聚酮類化合物的合成上，對(duì)于現(xiàn)有的聚酮類化合物在臨床上的應(yīng)用較少，未來(lái)還需要更多大規(guī)模、精確、深入的臨床研究加以驗(yàn)證。