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遇见·摘要
萘嵌苯酮（phenalenone）类化合物作为具有 6/6/6 稠合三环骨架的天然产物，凭借抗菌、抗炎、抗肿瘤等优异生物活性，成为药物研发的重要先导化合物。目前已知其生物合成途径仅两种：植物来源的 III 型 PKS 催化途径与真菌来源的非还原型 PKS（NRPKS）催化途径，而还原型萘嵌苯酮骨架的合成机制长期未被解析。
近日，福建师范大学李力教授课题组联合上海交通大学唐满成教授团队在期刊Organic Letters上发表了题为“Discovery and Biosynthesis of Cytotoxic Myroverols: A Phenalenone Scaffold Constructed by a Fungal Highly Reducing Polyketide Synthase and a Cytochrome P450”的研究论文（DOI: 10.1021/acs.orglett.5c04685）。
该研究通过基因组挖掘，从植物病原真菌疣孢漆斑菌（Myrothecium verrucaria）中鉴定出一个编码C 端融合还原酶 (Reductase) 结构域的真菌高还原型聚酮合酶（HRPKS-R）的基因簇（myr基因簇），经构巢曲霉异源表达证实，该基因簇负责合成 3 种全新的抗肿瘤细胞化合物Myroverol A-C。其生物合成机制为：HRPKS-R 酶（MyrB）与烯酰还原酶（trans-ER，MyrA）协同催化，生成含醛基的十氢萘中间体；该中间体的产物类型由醛基是否还原决定：①不还原时，细胞色素 P450 酶（MyrE）催化中间体氧化、环化，形成还原型萘嵌苯酮衍生物；②经短链脱氢酶（SDR，MyrC）还原醛基为醇后，MyrE 进一步催化生成羧基化十氢萘衍生物。
体外细胞毒性实验表明，Myroverol A-C 对 A549、PANC-1 等肿瘤细胞的抑制活性与化疗药物顺铂相当。该研究不仅发现了 3 种新型抗肿瘤先导化合物，更揭示了一条构建还原型萘嵌苯酮骨架的全新生物合成路径，填补了相关领域空白。
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遇见·内容
真菌高还原型聚酮合酶（HRPKSs）是一类迭代式I型聚酮合酶，能够合成结构多样、活性丰富的天然产物。近年来，一类在C端融合有还原酶结构域（R）的HRPKS（HRPKS-R）引起了广泛关注。该类酶能够将聚酮链还原释放为带醛基的产物，其典型产物骨架为十氢化萘（decalin）。随后，经不同的后修饰酶催化，可进一步衍生化为更复杂的结构，如具有桥环三环[6.2.2.0²,⁷]十二烷骨架的stemphyloxin II和具有苯并色烯骨架的callistrin A。(图1 A)
萘嵌苯酮（phenalenone）类化合物凭借 6/6/6 稠合三环骨架带来的抗菌、抗炎、抗肿瘤等优异生物活性，成为药物研发的重要方向。但长期以来，科学界仅明确两种生物合成途径：植物来源的 III 型聚酮合酶（PKS）催化途径与真菌来源的非还原型 PKS（NRPKS）催化途径 (图1 B)，然而，近期从海洋真菌中发现的onydecalins C和D则具有还原型萘嵌苯酮骨架，暗示可能存在一条全新的、涉及HRPKS的生物合成路线 (图1 C)。与此同时，真菌中的高还原型聚酮合酶（HRPKS-R）常负责合成十氢萘类中间体，其能否跨界参与萘嵌苯酮骨架构建、拓展天然产物的化学多样性，成为领域内值得探索的关键问题。
图1. (A) 由 C 端融合还原酶（R）结构域的高度还原型聚酮合酶（HRPKSs，即 HRPKS-R）生成的化合物。(B) 萘嵌苯酮骨架构建的两条生物合成途径。(C) 含还原型萘嵌苯酮骨架的 onydecalin C 和 onydecalin D 的结构。
1. 基因簇挖掘发现myr 基因簇
研究团队通过基因组分析技术，成功从疣孢漆斑菌中鉴定出一个特殊的myr基因簇(图2 A)，该基因簇包含 8 个功能基因（myrA-H），编码一系列关键酶：核心的高度还原型聚酮合酶酶（HRPKS-R, MyrB）、烯酰还原酶（trans-ER, MyrA）、短链脱氢酶/ 还原酶（SDR, MyrC）、细胞色素 P450 酶（MyrE、MyrH）等。尽管其中部分酶与stemphyloxin II合成途径中的酶有相似性，但关键的P450酶同源性很低，预示其产物可能不同。
2. 异源表达发现新化合物：Myroverols
为验证该基因簇的功能，团队采用构巢曲霉（Aspergillus nidulans LO8030）作为异源表达宿主，将myr 基因簇的全部或部分基因通过游离载体导入宿主菌株，构建了多种基因组合的表达体系(图2 B)。通过 1D/2D 核磁共振（NMR）(图2 C)、高分辨质谱（HRESIMS）解析代谢产物结构，结合电子圆二色谱（ECD）计算确定化合物绝对构型(图2 D)，并借助全细胞生物转化实验，验证了各酶的催化功能。最终，从异源表达菌株的发酵产物中，成功分离鉴定出 3 种全新化合物: Myroverol A、B、C，其中 Myroverol C 为具有还原型萘嵌苯酮骨架的衍生物（绝对构型：4R, 5R, 6S, 8R, 10R, 13R），Myroverol A 和 B 则为羧基化十氢化萘衍生物。
图2. (A) myr基因簇与sth基因簇的对比。(B) 构巢曲霉 (Aspergillus nidulans) 中myroverol类化合物的异源表达及全细胞喂养 LC-MS 图谱。(C) myroverol A (1)、myroverol B (2) 和 myroverol C (3) 的NOESY相关信号。(D) myroverol A (1)、myroverol B (2) 和 myroverol C (3) 的电子圆二色波谱 (ECD) 计算。(E) myroverol类化合物的推测生物合成途径。
3. 揭示myr基因簇独特的分支生物合成途径
基于实验结果，研究团队完整揭示了myroverols的分支生物合成途径(图2 E)：
首先，HRPKS-R 酶（MyrB）与烯酰还原酶（MyrA）协同作用，以乙酰辅酶A和丙二酰辅酶A为底物，合成出含 C1 醛基的十氢萘中间体（4），该中间体成为后续两条合成路径的共同起点，其产物类型完全由醛基是否被还原决定。第一条路径中，短链脱氢酶 / 还原酶（MyrC）会将中间体4的醛基还原为醇，生成Myroverol B（产量约 0.3 mg/L）；随后，细胞色素 P450 酶（MyrE）催化 Myroverol B 的 C17 位甲基发生氧化，最终形成含羧基的 Myroverol A（产量约 6.3 mg/L）。第二条路径中，若中间体4的醛基未被还原，MyrE 酶则会催化其 C17 位氧化生成二醛中间体（5），该中间体通过分子内 Knoevenagel 缩合反应环化，形成具有还原型萘嵌苯酮骨架的中间体（6），再经宿主菌内源性酶进一步还原，最终得到 Myroverol C（产量约 0.38 mg/L）。值得注意的是，MyrE 作为双路径的关键酶具有严格的底物特异性：它既能催化中间体 4 生成萘嵌苯酮骨架，也能催化 Myroverol B 生成 Myroverol A，但无法将 Myroverol A 转化为萘嵌苯酮衍生物，这一特性确保了两条合成路径的独立性。
4. Myroverols具有显著的抗肿瘤细胞活性
为评估新化合物的生物活性，团队开展了体外细胞毒性实验，结果显示 Myroverol A-C 对多种肿瘤细胞系均表现出显著抑制作用：对 A549 肺癌细胞的 IC₅₀值分别为 17 μM、13 μM、22 μM，对 PANC-1 胰腺癌细胞的 IC₅₀值分别为 30 μM、26 μM、38 μM，对 Hela 宫颈癌细胞和 MGC-803 胃癌细胞也展现出相近的抑制活性。这些数据与临床常用化疗药物顺铂（A549 细胞 IC₅₀=20 μM）相当，其中 Myroverol B 的活性最为突出，充分证明了该系列化合物作为抗肿瘤先导分子的开发潜力。
总结：
这项研究不仅成功发现了 3 种全新的抗肿瘤细胞化合物，并且首次揭示了一条全新的、由HRPKS-R介导的还原型萘嵌苯酮骨架的生物合成途径，填补了该领域的长期空白，证实了 HRPKS-R 酶可跨界参与萘嵌苯酮骨架构建，打破了萘嵌苯酮合成仅依赖 III 型 PKS 或 NRPKS 的传统认知。同时，研究明确了短链脱氢酶（MyrC）通过调控前体醛基还原状态，实现 “一条基因簇合成两类不同骨架化合物” 的分支调控模式，丰富了对真菌 PKS 生物合成多样性的理解。
相关研究结果已发表在国际期刊《Organic Letters》上。第一作者为福建师范大学生命科学博士研究生林威，通讯作者为福建师范大学生命科学学院李力教授，张明亮副教授以及上海交通大学生命科学学院唐满成副教授。工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金以及微生物代谢国家重点实验室开放基金等项目的支持。
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遇见·致谢
感谢李力教授组对本号的支持!
文章题目：Discovery and Biosynthesis of Cytotoxic Myroverols: A Phenalenone Scaffold Constructed by a Fungal Highly Reducing Polyketide Synthase and a Cytochrome P450
全文链接：http://doi.org/10.1021/acs.orglett.5c04685
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