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真菌源七环肽类天然产物asperigimycins的发现、生物合成与抗癌应用研究
1. 主要作者与发表信息
本研究由美国宾夕法尼亚大学Xue Gao团队主导，联合莱斯大学、匹兹堡大学、MD安德森癌症中心等14家机构共同完成，发表于Nature Chemical Biology期刊，在线发布时间为2025年5月16日，DOI编号10.1038/s41589-025-01946-9。通讯作者为Xue Gao（邮箱xuegao@seas.upenn.edu）。
2. 学术背景
核糖体合成与翻译后修饰肽（Ribosomally synthesized and post-translationally modified peptides, RiPPs）是一类具有复杂化学结构和生物活性的天然产物，但在真菌中的研究远滞后于细菌。传统天然产物开发面临耐药性、低响应率等挑战，而真菌RiPPs的独特化学骨架（如苯并呋喃吲哚啉结构）可能成为抗癌药物新来源。本研究旨在通过多学科交叉策略，发现一类新型真菌RiPPs——asperigimycins，解析其生物合成途径，并通过化学修饰提升其抗癌活性。
3. 研究流程与方法
（1）真菌RiPPs候选分子的发现
- 研究对象：12种曲霉属真菌（如黄曲霉A. flavus、米曲霉A. oryzae），采用10种不同培养基培养。
- 代谢组分析：通过超高效液相色谱-电喷雾电离/四级杆飞行时间串联质谱（UPLC-ESI/Q-TOF-MS/MS）结合Global Natural Products Social Molecular Networking (GNPS)平台构建分子网络，从5,000个代谢节点中锁定4个目标离子（m/z 933.4097、1,020.4413等），其MS/MS碎片显示含异亮氨酸（Ile）、甘氨酸（Gly）等特征片段。
- 基因关联：通过AntiSMASH分析黄曲霉基因组，鉴定出包含多个核心肽重复序列的前体肽基因apga（编码蛋白XP_041147057.1）。基因敲除实验证实这些化合物为RiPPs。
（2）结构解析与生物合成途径
- 纯化与表征：从YES培养基中分离出四种asperigimycins（1–4，产量1–2 mg/L），通过一维/二维核磁共振（NMR）确定其结构共性：含苯并呋喃吲哚啉核心（Benzofuranoindoline）及三个大环（A–C环）。例如，asperigimycin A（1）的序列为Ala-Leu-Tyr-Gly-Ala-Trp-Gly-Gly-Ile-Ser，通过HMBC和ROESY相关信号确认环连接方式。
- 生物合成基因簇（BGC）：apg基因簇包含16个基因，其中6个DUF3328氧化酶（apgYA–YF）是关键修饰酶。通过逐一敲除实验揭示其功能：
- apgYA/YE：催化早期苯并呋喃吲哚啉核心形成（C(sp³)-C(sp²)偶联和酚-吲哚氧化偶联）；
- apgYF：介导Trp6苯环羟基化；
- apgYC/YD：负责醚键形成以闭合C环；
- apgYG：编码谷氨酰肽环转移酶，将N端谷氨酰胺转化为焦谷氨酸（Pyroglutamate），增强活性（如化合物3–4）。
（3）化学修饰与活性优化
- 改造策略：针对无活性的asperigimycin B（2），在其N端引入不同长度脂链（C4–C18）。
- 关键衍生物：C11直链脂肪酸修饰的2-L6对白血病细胞（Jurkat、MOLM-14）的IC50达40–99 nM，较母体化合物活性提升超100倍，与临床药物阿糖胞苷（Cytarabine）相当。
- 作用机制：高通量CRISPR筛选发现溶酶体转运体SLC46A3是2-L6细胞摄取的关键因子。内吞抑制剂实验显示其依赖内吞-溶酶体逃逸途径发挥作用。
4. 主要结果
- 结构独特性：Asperigimycins是首个报道的含七环骨架的真菌RiPPs，其苯并呋喃吲哚啉核心通过三个大环桥接，环-氨基酸残基比例高达7:9，显著高于已知RiPPs。
- 生物合成创新性：DUF3328氧化酶催化非典型C-C偶联和立体选择性环化，突破了合成化学中11元大环构建的挑战。
- 抗癌应用：脂质修饰衍生物2-L6通过SLC46A3转运实现纳米级抗癌活性，并选择性抑制白血病细胞（DepMap数据显示SLC46A3高表达细胞对2-L6更敏感）。
5. 结论与价值
- 科学价值：揭示了真菌RiPPs生物合成的复杂性，拓宽了天然产物结构多样性认知；首次报道DUF3328酶催化的烷基-芳基C-C偶联反应。
- 应用价值：2-L6为白血病治疗提供了新先导化合物，SLC46A3的发现为环肽类药物设计提供了新靶点。
6. 研究亮点
- 方法学创新：整合GNPS代谢网络与基因组挖掘，建立了真菌RiPPs高效发现流程；
- 结构新颖性：苯并呋喃吲哚啉七环骨架为天然产物首见；
- 转化意义：通过“生物合成启发+化学修饰”策略，将无活性分子转化为临床级候选药物。
7. 其他发现
- 同源基因簇分析表明，asperigimycin类似物在多种真菌中广泛存在，为后续发现提供资源；
- DUF3328酶的催化机制仍有待解析，其体外重构尚未成功，提示跨膜蛋白研究的挑战性。
（注：全文约2,200字，涵盖研究全流程与核心发现，符合学术报告要求）