當代天然產物開發及進展

石月

摘 ? ? ?要：介紹了近幾年來天然產物開發思路及相關進展。通過查閱文獻，從化學、生物、代謝組學三個方面，進行分析、總結，并舉例例證。天然產物作為前體藥物分子的主要來源，其開發過程已從傳統的提取分離篩選，向針對性強、以現代技術手段為支持方向發展，大大提高了發掘新型天然產物的效率，同時促進了現代藥物開發。

關 ?鍵 ?詞：天然產物;新產物;藥物開發

中圖分類號：TQ 041 ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）02-0365-04

Abstract： The development and related progress of natural products in recent years were viewed. Referring to the literatures of chemistry， biology， metabonomics， natural products were analyzed and summarized. Related development process of natural products as the main source of prodrugs， has been advanced from traditional way to high-level techniques， which greatly improves the efficiency of discovering new natural products as well as drug development.

Key words： Natural products; New products; Drug development

天然產物，是指自然界中天然存在的物質，包括動物、植物、微生物、礦物等。其廣泛的化學和生物學多樣性，使之成為新型分子結構骨架的寶貴源泉[1]，同時，也是各類臨床用藥的先導化合物，包含針對感染、衰老、癌癥等疾病的藥物[2-4]。調查表明，1981年至2014年期間，美國FDA超過59%新批準的藥物，直接或間接來自于天然產物[5]。在研究天然產物過程中，發現了更為有效的藥物，就如同抗生素的發展歷史一樣：20世紀20年代，Fleming偶然發現了青霉素的存在[6]，開啟了治療微生物感染疾病的新時代，自那之后，種類繁多的抗生素被先后發掘，為醫療和人類健康做出了巨大貢獻;然而，隨著抗生素的廣泛應用，其帶來的危害也日益突出，導致抗生素耐藥菌的出現，不僅使得原抗生素效果大不如前，甚至令病原菌“進化”，更加難以控制，從此人類走上抵抗抗生素耐藥性的道路，需要不斷發現更加有效的天然藥物分子。某種程度上正是自然界及天然產物的進化和反饋，推動了自然科學的進步。當然，直接對自然生物的探索，也是科學進步的一大助力，例如，通過研究細菌和古細菌體內適應性免疫作用及機制，發明了一項應用廣、精度高的基因編輯技術CRISPR（Clustered regularly interspaced short palindromic repeats）[7]。

至今為止，對龐大天然產物資源的挖掘，主要應用于藥物及人類健康。然而，在此過程中，由于傳統的天然產物研究方法費時費力，且較為盲目，已逐漸淡出多數天然產物研究者的視野;因此，相關前沿技術的興起是大勢所趨。同時，將天然產物研究與不同領域結合，已然“碰撞”出數不勝數有價值的科學成果。

1 ?天然產物修飾

將具備研究前景的新型天然產物化合物，作為先導化合物，并通過化學及計算機科學等手段進行結構改造或修飾，從而發現效果更好、更安全、生產成本更低的候選分子，然后經過各期臨床試驗，判斷此分子是否適合作為新藥上市，是當代國內外藥物研發中高效途徑之一。

1.1 ?天然產物半合成

由于大多天然產物結構復雜，其全合成研究工藝研究也相對困難。因此，基于天然產物為起始化合物，通過構效關系對其進行修飾，衍生出一系列新藥的具體方法，通常以在天然產物基礎上進行半合成來實現。例如在青霉素G基礎上合成阿莫西林繼續作為一線治療藥物;洛伐他烴上市后，很快，通過多引入一個甲基形成了更高效的藥物—辛伐他汀 （Zocor）;類似的，在商業化微管蛋白抑制劑紫杉醇 （紫杉醇） 之后，基于10-脫乙酰巴卡亭III的半合成，研發出了多西紫杉醇 （Taxotere）[8]。這樣的經典案例還有很多，近幾年相關研究仍有新發現：Jia-Dai Zhai 等報道，從天然產物小白菊內酯，經過三步高度立體選擇性的化學反應，半合成出應用于臨床的一種抗癌藥物arglabin，其化學半合成的成功，也為相關生物合成提供了思路[9];來自中國華南理工大學的研究團隊，在天然產物α-mangostin基礎上，設計并合成了一系列兩親陽離子氧雜蒽酮類分子，它們以新型作用方式，對抗真菌，且其中兩個化合物，可以通過直接破壞真菌細胞膜，迅速殺死真菌，避免耐藥性產生，是治療耐藥性真菌感染有價值的候選藥物分子之一[10]。以上表明，天然產物半合成手段，是激發、加強或延伸天然產物活性的有效途徑。

1.2 ?天然產物與計算機輔助藥物設計

以活性天然產物為靈感，設計與其相仿的化合物為類藥分子的藥物開發過程中，通過計算機程序輔助，可以提高分子合理性設計的概率和時間。與高通量篩選對比，這種方法更為高效，有針對性。計算機軟件的核心是將天然產物形象化，通過逐步簡化產生與效果直接關聯的骨架，從而得到直觀的結構。通過計算機輔助，在天然產物基礎上，Merk等科學家設計出了三種新型以類視黃醇X受體 （RXR，調節代謝動態平衡和炎癥的關鍵部分） 為靶點的分子，其中發現纈草酸對RXR-β受體具有特異選擇性，使之成為有效的藥理工具[11]。另外，基于各向異性核磁共振數據的計算機輔助結構解析 （CASE-3D） 策略，則應用于解決復雜天然產物的構型或選擇優選構象，該方法已為已知化合物如青蒿素的結構進行了校正，這項技術也將幫助手性藥物分子相關設計[12]，類似的計算機輔助結構確定也應用于海洋天然產物[13]。同時，計算機輔助技術還可用于預測混合物天然產物中的有效成分，從而提高天然產物研究效率[14]。

2 ?生物工程在新型天然產物開發中的應用

2.1 ?天然產物生物合成研究

生物合成，是生物體通過酶促反應生成天然產物。通常需要多種酶的連續反應，獲得具備生物活性的化合物。在研究天然產物生物合成路徑的同時，進行有關基因或酶的修飾，是當代天然產物開發中行之有效的方法之一。Shomar 等研究人員，通過基因工程修飾，增加碳青霉烯類抗生素前體代謝物的濃度，將抗生素產率提高了60倍，并建立了相關工程菌株，為碳青霉烯衍生物的生物合成提供了專屬平臺，且具備易處理、速度快的特點[15]。

同時，為了獲得新型天然產物，可在已知生物合成途徑的基礎上，通過將合成前體或中間體分子類似物加入生物活體必要生長因素中，被其利用，以代替原分子參與到生物合成中，產生相應天然產物。通過向海洋真菌Scedosporium apiospermum F41?1培養液中加入不同氨基酸，產生了14個新生物堿類化合物，其中5個具有吡嗪基喹唑啉二酮的稀有骨架，且根據此研究更完整的闡述了相關合成路線[16]; iturin A，作為抗生素類天然產物，其生物合成依賴于D-酪氨酸，因此Moran等在代謝iturin A的枯草芽孢桿菌培養液中加入氟代D-酪氨酸，結果生成氟代iturin類的新天然產物，并具備更有效的生物活性[17]。

2.2 ?天然產物合成基因簇的激活

通過現代基因組學技術，可將編碼天然產物的基因序列進行測序，得到包括基因和產物功能的預測生物學信息，同時幫助代謝組內產物的鑒定和結構闡明。然而，通過基因組測序，我們發現在天然產物研究中，遺漏了大量產物多樣性。也就是說，基因組學證明，與實際分離獲得的天然產物相比，大多數天然產物仍處于未開發狀態[18]。導致這一現狀的主要原因在于，天然產物開發中，這些編碼天然產物的基因沒有真正表達或者表達率太低，處于“隱藏”狀態。因此，通過各種手段，刺激其表達，是發掘天然產物潛力的一大助力。

2.2.1 ?生物合成基因簇異源表達

將天然產物合成基因簇與載體質粒結合，構建高質量基因表達重組黏粒，并將其轉化入合適的宿主細胞，促進其表達，是激活未表達天然產物合成基因簇的有效方法之一，同時也對天然產物合成機理的研究提供參考。例如，有關研究中，首先通過對比各種鏈霉菌屬細胞，選擇出最佳異源基因表達宿主，并優化基因-載體重組體構建方法，獲得更高轉化效率;之后在此體系中，對150萬宏基因組基因進行異源表達，最終發現新型三環多烯類天然產物metatricycloene[19];Alt 和Wilkinson 通過實驗，對來源于海洋鏈霉菌屬sp. T676中罕見的抗生素 （炭疽素，atc） 合成基因簇進行發掘，然后將包含反式酰基轉移酶和聚酮合成酶的53 bps atc基因座，異源表達于天藍色鏈霉菌中 （Streptomyces coelicolor），產生炭疽素，并以此為后續生物工程的基礎，提供了新的、藥理活性更優良的類似物[20]。同時，異源表達還可以優化生物體性狀，產生新穎物種。如天津大學藥物科學與技術學院張雁教授團隊和中國科學院大學陳義華教授團隊合作，將含有兩個靛藍合成的細菌基因及花瓣特異性的啟動子/終止子的質粒轉化入農桿菌，再將農桿菌注入玫瑰花瓣中，通過表達，使玫瑰細胞合成深藍色的靛藍的酶，從而獲得了自然界中沒有藍玫瑰[21]。

2.2.2 ?生物合成基因簇同源激發

天然產物的表達，需要多種酶的共同作用。因此，異源表達方法雖然特異性強、效率高，但并非所有情況下都適用。對于表達過程復雜且表達率低的天然產物，在原宿主細胞內激活是更好的選擇。據報道，以來自真菌的兩種氧雜蒽酮類化合物和來自植物的厚樸酚為底物，可以刺激含有葡糖基轉移酶突UGT73B6FS的大腸桿菌產生新型芳香醇類天然產物[22];由于真菌Botrytis cinerea的基因組測序顯示其豐富的新型生物合成基因簇，Pinedo等通過系統地改變菌種培養條件，用硫酸銅作為化學誘導，激發合成基因簇的表達，發現了一個倍半萜類新穎化合物[23];研究人員通過對同源細胞的蛋白修飾，使33種放線菌中磷酸腺苷基轉移酶過表達，發現其中70%的菌種有新產物產生，并成功地從兩株菌株中鑒定出5種類卵磷脂和殺蟲霉素的新化合物[24];CRISPR-Cas 9作為基因編輯技術新星，也應用于天然產物發掘領域，來自UIUC的科研團隊，通過CRISPR-Cas 9技術將較強的 kasO*啟動子代替原啟動子，插入五種鏈霉菌的編碼基因中，同源啟動了低表達代謝產物的表達，并鑒別出其中一個五環Ⅱ型聚酮類新化合物[25]。

2.3 ?共培養

微生物作為天然產物的一大分支，在其研究過程中，由于微生物在實驗室條件下無法生長，或產生與自然條件下一樣的代謝物，導致相應天然產物無法發掘。因此，研究人員開始在實驗室下模擬其對應的自然環境，以促進這些微生物的生長、代謝。這個過程中，除了培養基成分、pH、溫度等因素外，由于自然界中微生物是以群體方式存在的，說明微生物共同培養也是模擬條件之一。通過不同菌種在同一培養液中共同培養，一定程度上可以刺激不同于單體培養的產物產生，提高天然產物多樣性以及新型天然產物分離概率，同時能更系統、完整的理解天然產物形成過程與自然規律。通過天麻植物內生真菌Phoma sp. YUD17001和共生真菌蜜環菌共培養，產生5個新的次級代謝產物，包括兩種酚類化合物和三種脂族酯衍生物[26];來自同一環境中的九種放線菌，共培養狀態下具備各個單體沒有的抗菌活性，因此，通過對菌種隨機配對共培養，將群體簡化成兩個菌種，其中一個為誘導菌，刺激另一個菌種產生了含有環氧異腈基的高度改性脂肪酸新分子，并可有效抑制耐藥菌-金黃色葡萄球菌[27]。

3 ?次級代謝組學和天然產物開發

代謝組學同基因組學、蛋白質組學同作為系統生物學的重要組成部分，雖發展較晚，但趨勢迅猛。其中，初級代謝組學通常用于人類或細胞系中的疾病研究。近年來，研究人員開始將統計學方法與次級代謝組學分析結合，并將這種方法用于對植物、微生物、海洋生物體樣品的分類，以及幫助鑒定活性化合物[28-30]。此技術與數據時代相對接，通過數據統計更系統完善的研究未開發的天然產物，并揭示了其潛力。一些多變量統計技術，例如主成分分析、層序聚類分析、主最小二乘分析和分子網絡策略，也已應用于以上領域[31，32]。同時，用于分析和處理代謝組學數據的軟件平臺，也逐漸開發完善[33，34]。當然，由于統計和代謝組學研究的整合仍處于初期階段，對當前技術的優化，仍有巨大空間。

4 結束語

天然產物作為藥物前體分子的來源，其開發過程的優化，可促進藥物研發，利于人類健康。以上主要基于化學、生物、代謝組學三個方面，介紹了當代天然產物開發的思路及各項技術。當然，除此之外，發掘極地環境中天然新物種以及各項技術聯合應用等，也是當代天然產物開發的有效途徑。通過概括現代以不同技術，發掘天然產物的相關進展，旨在為天然產物開發理清思路，從而為今后研發更先進的方法與技術奠定良基。

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