天然产物生物合成：化学原理与酶学机制

一、关于生物合成天然产物的经典著作； 二、原著作者 唐奕 和 克里斯托弗. 沃尔什 是美国及国际知名的生物合成专家； 三、内容新颖，全面。涵盖了主要类型天然产物（聚酮化合物、肽、核苷、类异戊二烯/萜类化合物、生物碱、苯丙素和糖苷）的生物合成 四、编写方式不是百科全书式的，也不是阐明每一种亚型天然产物或有趣的化学官能团，而是将每一种天然产物结构类型所遵循的化学原理编成法典； 五、在每一类天然产物中都讲述了几种简单的反应类型，有些在初级代谢中常见，有些在次级代谢途径中比初级代谢途径更频繁。

译者前言
天然产物是新药发现的重要源泉。随着基因组学、生物信息学、分子生物学、分子遗传学与天然产物化学的不断发展与交叉融合，天然产物的研究出现了新的发展机遇与挑战。在近二十年来，成千上万的微生物基因组和植物基因组不断被测序，如何利用这些基因组数据来高效地发现自然界中的新天然产物，以及它们在生物体内如何形成与调控，有何生理与药理作用，这些问题已成为后基因组时代天然产物研究的重点和热点。《Natural Product Biosynthesis： Chemical Logic and Enzymatic Machinery》就是一本关于在基因和蛋白水平上阐释天然产物生物合成的教科书级的完整专著，它汇集了研究天然产物的发现与生物合成的现代方法与基础知识。
本书首先概述了天然产物的主要类别，然后详细讨论了六种不同类别天然产物形成的化学原理，并介绍了天然产物生物合成途径中关键酶的结构生物学、功能和机制，最后对基因组依赖和非基因组依赖的天然产物发现的主要方法进行了总结和讨论。本书的信息量非常大，对于那些有兴趣更好地理解天然产物是如何由简单的初级代谢合成砌块组装而成的高年级本科生、研究生和科研人员来说，它都是一本必不可少的教材和工具书。
我们与化学工业出版社合作，承担了本书的翻译工作。希望本书的出版能够加深本领域科研人员对天然产物的发现与生物合成研究模式的理解，并掌握天然产物生物合成过程中的化学原理与酶学机制。
在翻译过程中，我们尊重原著的行文方式和叙述风格，力求翻译准确科学。但由于水平所限，疏漏及不妥之处在所难免，殷切希望广大读者批评指正。
感谢中国医学科学院药物研究所天然药物活性物质与功能国家重点实验室的部分工作人员和研究生（柏健、闫道江、刘冰语、张亚龙、张乐、张晨、刘安安、刘家旺、钟贝芬、张禧林、郑晓明、谢丽媛）参与了部分翻译工作。同时感谢西南大学邹懿教授、上海交通大学唐满成教授、福建师范大学李力教授、中国科学院微生物研究所尹文兵研究员和刘玲研究员、中国海洋大学李德海教授以及浙江大学毛旭明教授等参与译稿的校对。感谢中国医学科学院药物研究所于德泉院士为本书作序。
最后，我们向化学工业出版社的领导和编辑表示衷心感谢，他们在本书的策划、翻译和出版过程中付出了饱满的热情与辛勤的劳动。

胡友财
中国医学科学院药物研究所
2020年7月


前　言
天然产物这个词对不同的受众有不同的影响。一方面，基于“天然的就是好的”这个简单且由来已久的前提，消费者对天然有机食品、补品和保健食品的兴趣持续存在。对于化学家和药学家（研究天然药用物质的专家）而言，天然产物的研究共同涉及分子本身，其分离、结构表征与初始功能表征（化学家）以及它们在人类急、慢性疾病治疗中的作用（药学家）。在最近几十年中，特定的天然产物，如渥曼青霉素、布雷菲德菌素、星形孢菌素、trapoxin等很多天然产物，已成为细胞生物学家研究信号转导、细胞生长和分裂、蛋白质分泌以及细胞凋亡的几乎所有方面的有力工具。
从历史上看，天然产物在民间医学中已使用了至少4500年，可追溯到早期的埃及和苏美尔的文字记录。从19世纪最初的几十年开始，化学家开始分离纯的生物碱。以1817年的吗啡开始，标志着延续了几千年使用含多种混合物的植物提取物变成使用纯的单分子制剂的第一个主要转折点。在过去的两个世纪中，来自植物、真菌和细菌的天然产物库的表征推动了有机化学的许多概念和实践的进展。这些工具包括质谱分析仪和复杂的二维高场核磁共振（NMR）等分析工具，贯穿了天然产物全合成的黄金时代。对于药物化学家而言，不同类别天然产物的骨架已成为新药半合成及全合成方法的起点和/或灵感（例如从鬼臼毒素到依托泊苷，从星形孢菌素转化为很多合成的杂环蛋白激酶抑制剂）。
第二个主要转折点激起了天然产物领域的复兴，它就是过去二十年中成千上万个微生物基因组可被获取以及一些植物基因组探索的开始。对天然产物生物合成能力的生物信息学分析，又称基因组挖掘，已成为化学、生命科学和医学交叉领域的核心学科。除了将提及的微生物生物合成基因是簇集的（因此更容易被发现、查询和整体迁移）这个前提外，生物信息学分析还显示，许多放线菌、黏细菌和真菌均具有约30～50个可预测的聚酮化合物、非核糖体肽以及萜烯生物合成基因簇。在标准实验室培养技术下，此类菌株通常产生1～5种天然产物：因此，要探索的天然产物的范围立即增加了一个数量级。假设在接下来十年左右的时间内发现20000个微生物基因组序列，这将为所示的三类天然产物提供约106个生物合成基因簇，其中有99%以上尚未被研究。此外，大量植物和真菌生物碱以及植物衍生的苯丙素类化合物并未计算在上述预测中。
在这个天然产物研究复兴的时期，可以通过许多研究途径来发现自然界中未被发现的新分子。在许多治疗领域，从感染性疾病（β-内酰胺类抗生素，红霉素，四环素，氨基糖苷类）到癌症（长春新碱，紫杉醇）、免疫抑制剂（环孢菌素，雷帕霉素，FK506）、降血脂药（洛伐他汀），天然产物成为确有疗效的新药的主要贡献者。天然产物的未知骨架将在多大程度上继续阐明新的治疗方式，这是后基因组时代的一个挑战，同时也是新的机遇。
本书涵盖了主要类型天然产物（聚酮化合物，肽，核苷，类异戊二烯/萜类化合物，生物碱，苯丙素和糖苷）的生物合成。本书的编写不是百科全书式的，也不是阐明每一种亚型天然产物或有趣的化学官能团，而是将每一种天然产物结构类型所遵循的化学原理加以整理，因为它们都是由初级代谢产物的合成砌块组装而成。在每一类天然产物中都讲述了几种简单的反应类型，有些在初级代谢中常见，有些在次级代谢途径中比初级代谢途径更频繁出现。
在上述提及的七种天然产物中，只有聚酮类化合物（PK）和非核糖体肽（NRP）两种是在酶装配线上构建的，其中生长链作为硫酯共价连接到载体蛋白结构域上。杂合的非核糖体肽-聚酮骨架包含一些自然界中最具治疗意义的分子（雷帕霉素，FK506，博来霉素，埃博霉素），它们在PK和NRP杂合装配线上被合成。聚酮酶化学的主要反应是用于C-C键形成的迭代性脱羧硫代克莱森缩合反应，其本质上是碳负离子化学。
而异戊二烯类/萜类化合物作为目前最多的一类天然产物，拥有超过5万个已知分子，是由利用可扩散的底物、中间体和产物的酶组装而成的。该类化合物的化学原理基本上是碳正离子化学。这种方式始于从Δ2-异戊烯基-PP合成砌块开始的烯丙基碳正离子的形成，通过烷基化缩合形成特定骨架，在该骨架上阳离子会诱导一些剧烈的骨架重排。从三萜类的角鲨烯和2,3-氧化角鲨烯环化成为四环和五环产物骨架，使得由阳离子驱动的反应流继续进行，并突出了C-C键形成反应中双键π电子的亲核作用。
与产物骨架中基本不含氮原子的聚酮化合物、异戊二烯类和苯丙素类化合物相反，肽、核苷和生物碱中所含的氮是这几类物质的核心。数量最多同时也是结构上最多样化的一类天然产物包括生物碱，部分原因是它们是根据杂环中至少有一个碱性氮的最低标准来进行实验定义的，该标准源于游离碱和盐形式之间来回变化的分离方案。生物碱的范围从简单的单环胺到极其复杂的骨架：鸦片类、有毒物质士的宁、抗疟的奎宁、二聚的抗肿瘤药长春花生物碱——长春碱和长春新碱。
这几类天然产物骨架成熟的普遍特征之一是通过加氧酶对新生产物骨架进行修饰。加氧酶很少用于初级代谢途径，甾体类除外（而且由于存在过多的植物甾体骨架，人们可能会将甾体归为初级代谢和次级代谢之间的桥梁）。 相比而言，加氧酶常在植物和微生物次级代谢产物的成熟过程中发挥作用。一个特别明显的例子是在C20的异戊二烯类化合物紫杉二烯周围引入八个氧原子，从而生成微管蛋白抑制剂和抗卵巢癌药物紫杉醇。
我们对加氧酶进行了详细介绍，这是因为加氧酶不仅是天然产物酶学机制的关键因素，而且在碳自由基的形成和均裂的C-C键形成中发挥作用。我们注意到在许多情况下，分子氧还原可生成酶结合的高价氧铁，从而引发底物C-H键均裂。在某些情况下，分子内C-C或C-X键的形成与纯粹的羟化产生竞争。在这些情况下，氧气的输入是隐性的，但反应流是基于自由基的，这与聚酮类化合物和异戊二烯类化合物中异裂的C-C键形成流相反。苯丙素类化合物木脂素骨架也是通过苯氧自由基二聚酶学机制构建的。
另外两章专门讨论酶的类别，这些酶通常不会在其他主题中作为天然产物生物合成的特征被提及。其中之一是S-腺苷甲硫氨酸（SAM），其功能不是大家熟知的作为【CH3+】的供体来进攻共底物的亲核试剂，而是作为自由基引发剂，继续通过自由基中间体形成C-C键。在两种极端情况下（需氧时使用O2，而厌氧时使用SAM和四铁/四硫簇酶），自由基化学在各种天然产物骨架的C-C键形成过程中发挥作用。
第二个重点章节涉及天然产物糖苷。糖通常被视为天然产物成熟后再需考虑的物质，基本上在每一类天然产物的定位、溶解性和功能活性方面都有许多用途。由生物合成基因簇中编码的酶催化的特定脱氧己糖和氨基脱氧己糖的生物合成证明了这些途径中糖基部分的重要性。葡萄糖或核糖作为亲电试剂在C1′处被激活的化学原理揭示了所有糖基化天然产物都通过C1′连接的原因。
本书的最后部分探讨了天然产物分离的策略，从历史上重要的药用产物的分离到后基因组时代面临的如何从几十万个未验证的基因簇中优选出可产生新骨架和新活性的基因簇的挑战。鉴于遗传学、基因组学、合成生物学、异源表达和基因簇激活等新方法的深度融合，考虑到当前这些技术可能很快就会过时，因而我们不会对某一项技术进行深入介绍。相反，我们是进行概述，并提出关于标准建立的战略性问题，以增加发现具有新颖结构和功能特性的天然产物的可能性。

主编：克里斯托弗·沃尔什（Walsh）教授曾在麻省理工学院和哈佛医学院任教，现在斯坦福大学的ChEM-H研究所工作。唐 奕（Yi Tang）是加州大学洛杉矶分校化学与生化工程系和化学系教授。他们已经发表了三百多篇有关主要天然产物生物合成的研究论文。他们的研究小组阐明了可用于组装聚酮化合物，非核糖体肽和翻译后修饰的新蛋白，氧化异戊二烯骨架，肽基核苷和真菌生物碱的化学原理和新型酶。通过对真菌基因组进行测序以鉴定新的生物合成基因簇，工程酵母细胞中的异源表达，过量生产，分离和结构表征，他们在几类天然产物中鉴定了基因，由基因编码的酶和新颖的次级代谢产物的结构。
 译者：胡友财，中国医学科学院药物研究所，研究员，博士生导师，国家“千人计划”青年项目入选者，国家自然科学基金优青科学基金获得者，北京协和医学院“协和学者”特聘教授。
研究方向：天然产物化学和天然药物生物合成研究。在天然产物发现方面，成功利用基因组挖掘技术激活真菌中的沉默基因簇，发现大量常规条件下难以产生的活性化合物。在生物合成方向成功解析了潜在抗肿瘤药细胞松弛素E、蛋白磷酸酶2A抑制剂Rubratoxin A以及Caspase 3抑制剂Duclauxin等重要分子的生物合成机制，发现多种功能独特的适用于合成生物学的生物元器件。
担任《Acta Pharmaceutica Sinica B》、《Chinese Chemical Letters》、《Chinese Journal of Natural Medicines》、《药学学报》、《天然产物研究与开发》青年编委； 《中国中药杂志》第十二届编委。兼任北京药学会第十六届理事会理事、北京药学会天然药物专业委员会副主任委员、中国菌物学会菌物化学专业委员会副主任委员。

本书概述了天然产物的主要类别，详细讨论了六类天然产物形成的化学原理，介绍了天然产物生物合成途径中关键酶的结构生物学、功能和机制，并对基因组依赖和非基因组依赖的天然产物发现的主要方法进行了总结。本书彩色印刷，版面精美，内容丰富，对于有兴趣更好地理解天然产物是如何由简单的初级代谢合成砌块组装而成的高年级本科生、研究生和科研人员来说，是一本必不可少的教材和工具书。

第Ⅰ部分　天然产物简介
第1章 天然产物骨架的主要类型及生物合成酶学机制003
1.1 引言 003
1.2 初级代谢和次级代谢产物 006
1.3 聚酮类天然产物 008
1.4 肽类天然产物 010
1.5 异戊二烯/萜类天然产物 014
1.6 生物碱 017
1.7 含嘌呤和嘧啶的天然产物 021
1.8 苯丙素 021
1.9 糖基化的天然产物 022
1.10 天然产物骨架的多样性来自有限的合成砌块和有限的酶家族 026
1.11 次级代谢途径中一些值得注意的和不寻常的转化 028
1.12 广泛存在于天然产物生物合成途径中的加氧酶 029
1.13 天然产物生物合成中的碳-碳键 030
1.14  同位素标记实验验证生物合成假说 034
1.15 对天然产物检测和表征的方法 036
1.16 小结：不同类型的天然产物具有不同的组装原理 038
1.17 卷尾 038
参考文献 039

第Ⅱ部分　六类天然产物
第2章 聚酮类天然产物045
2.1 引言 045
2.2 聚酮类化合物具有多种多样的骨架结构和治疗价值 047
2.3 作为脂肪酸和聚酮类化合物合成砌块的乙酰辅酶A、丙二酸单酰辅酶A及丙二酸单酰-S-酰基载体蛋白 048
2.4 脂肪酸生物合成原理及酶学机制适用于聚酮合酶 050
2.5 聚酮合酶（PKS） 053
2.6 主要聚酮结构的生物合成 058
2.7 聚酮合酶装配线上或线下经【4+2】环化而成的聚酮类化合物：协同进行还是逐步进行？ 065
2.8 多烯亚类的聚酮化合物 076
2.9 源自聚酮的聚醚类代谢产物 079
2.10 聚酮与其他天然产物在合成途径上的融合 084
2.11 装配线下的后修饰酶 087
参考文献 088

第3章 多肽来源的天然产物095
3.1 引言 095
3.2 核糖体与非核糖体氨基酸的寡聚特性 098
3.3 使新生蛋白具有变形紧凑骨架的翻译后修饰：RIPPs 100
3.4 非核糖体肽合成酶装配线：形成高度变形肽骨架的替代途径 117
3.5 非蛋白源氨基酸合成砌块 118
3.6 NRPS装配线原理：启动、起始、延伸、终止 123
3.7 NRPS终止步骤中的不同链释放方式 126
3.8 NRPS装配线的结构特征 130
3.9 肽链的装配线前、装配线上以及装配线下修饰 132
3.10 NRP-PK杂合体：机制和实例 133
3.11 小结 141
参考文献 142

第4章 异戊二烯类/萜类147
4.1 基于异戊二烯的骨架结构蕴含种类最丰富的天然产物 147
4.2 2-及3-异戊二烯基焦磷酸是生物体中用于头-尾式烷烃链延伸的异戊二烯合成砌块 148
4.3 长链异戊烯基焦磷酸骨架 150
4.4 合成IPP异构体的两条途径：经典及非经典途径 152
4.5 两分子2-IPP间的自缩合形成菊酰基环丙基骨架 155
4.6 碳正离子引发的骨架重排及淬灭 156
4.7 头-头及头-尾模式的烷基化偶联：C30和C40萜类化合物 164
4.8 角鲨烯2,3-氧化物及环化的三萜 167
4.9 由八氢番茄红素生成胡萝卜素和维生素A 182
4.10 异戊二烯类与其他类天然产物之间的反应 187
4.11 由焦磷酸香叶酯生成裂环马钱素：异胡豆苷及上千种生物碱的前体 191
参考文献 194

第5章 生物碱199
5.1 引言 199
5.2 生物碱家族的分类 200
5.3 生物碱生物合成途径中常见的酶促反应 202
5.4 三种芳香氨基酸用作生物碱的合成砌块 207
5.5 色氨酸用作生物碱的合成砌块 218
5.6 以邻氨基苯甲酸作为起始和延伸单元用于构建真菌肽基生物碱的复杂性 226
5.7 由色氨酸生成吲哚并咔唑类生物碱 233
5.8 由色氨酸氧化二聚化形成terrequinone 236
5.9 其他生物碱：甾体生物碱 237
5.10 小结 240
参考文献 241

第6章 嘌呤和嘧啶衍生的天然产物245
6.1 引言 245
6.2 DNA和RNA中各嘌呤和嘧啶间的配对 246
6.3 RNA世界的遗迹 249
6.4 嘌呤和嘧啶的经典生物合成路径 250
6.5 咖啡因、可可碱和茶碱 252
6.6 植物异戊烯基腺嘌呤：细胞分裂素 253
6.7 核糖核苷酸的成熟及嘌呤和嘧啶天然产物的修饰 254
6.8 肽基核苷 261
6.9 小结 269
参考文献 270

第7章 苯丙素类天然产物的生物合成275
7.1 引言 275
7.2 由苯丙氨酸生成对香豆酰辅酶A 277
7.3 单木质醇、木脂素和木质素的生物合成 281
7.4 从对香豆酰辅酶A到所有其他类型苯丙素 290
7.5 从查尔酮到黄烷酮类化合物等 296
7.6 肉桂酸来源的苯丙素类 305
7.7 最后留意一种不同的苯丙素途径：酪氨酸作为质体醌和生育酚类的前体 310
7.8 小结 313
参考文献 314

第8章 吲哚萜类：生物碱Ⅱ319
8.1 引言 319
8.2 由色氨酸生成三环骨架的两条途径：β-咔啉和吡咯并吲哚 319
8.3 以Trp-Xaa二酮哌嗪NRPS装配线产物为底物的区域选择性异戊烯基化 322
8.4 吲哚环上的七个亲核位点：丰富的可能性 325
8.5 真菌中由DKP产生色氨酸来源的生物碱 329
8.6 细菌中五环吲哚咔唑类化合物的形成 335
8.7 长春碱类化合物：从异胡豆苷到水甘草碱再到文多灵 337
8.8 鞘丝藻毒素：单一生物合成途径中吲哚环上的单电子和双电子反应模式 339
8.9 由色氨酸生成环匹阿尼酸 343
8.10 小结 346
参考文献 346

第Ⅲ部分 天然产物生物合成途径中的关键酶
第9章 天然产物碳-碳键形成中的碳自由基353
A.加氧酶
B.氧依赖型卤代酶
9.1 引言 353
9.2 初级代谢与次级代谢中的加氧酶 355
9.3 氧化酶与加氧酶 358
9.4 加氧酶中的有机和无机辅因子 361
9.5 铁依赖的加氧酶和黄素依赖的加氧酶催化的加氧反应的范畴与机制 363
9.6 特定天然产物途径中的加氧酶 370
9.7 碳自由基与羟基自由基捕获的解偶联：天然产物生物合成中铁依赖酶的次要还是核心目的？ 381
9.8 氧依赖型卤代酶 389
9.9 底物氟化的非氧化途径：氟化酶 397
9.10 小结：高价铁（高价铁氧物种）反应中间体的化学多功能性 397
参考文献 399

第10章 S-腺苷甲硫氨酸：生物合成中单电子和双电子反应形式407
10.1 引言 407
10.2 SAM的有氧自由基化学反应 411
10.3 SAM的厌氧自由基化学反应 415
10.4 自由基SAM酶的反应范畴 419
10.5 SAM用作辅酶 422
10.6 SAM作为可消耗的底物：无甲基转移 425
10.7 惰性碳中心的甲基化：消耗两分子SAM生成两组不同的产物 433
10.8 SAM的反应性和功能总结 439
参考文献 440

第11章 低聚糖和糖苷类天然产物445
11.1 引言 445
11.2 葡萄糖是初级代谢中主要的己糖 452
11.3 糖基化天然产物的展示 461
11.4 NDP-葡萄糖转变为NDP-修饰己糖的化学逻辑 467
11.5 糖基转移酶与糖苷酶的平衡：氰苷和硫代葡萄糖苷 474
11.6 氨基糖苷类：没有苷元的寡糖 480
11.7 卡那霉素、妥布霉素、新霉素 481
11.8 链霉素 483
11.9 默诺霉素类 484
11.10 小结 488
参考文献 488

第Ⅳ部分 基因组非依赖性和基因组依赖性的天然产物发现
第12章 天然产物的分离和表征：不依赖基因的方法 493
12.1 引言 493
12.2 天然产物分离方法的历史和现状 493
12.3 特定天然产物的分离和表征 496
12.4 研究实例：历史与现状 499
12.5 五种植物来源的天然产物 500
12.6 三种微生物代谢产物  508
12.7 天然产物库的扩充 511
参考文献 532

第13章 后基因组时代的天然产物539
13.1 引言 539
13.2 利用生物信息学和计算来预测生物合成基因簇 544
13.3 膦酸酯类天然产物：基因组学能定义出完整的集合吗？ 546
13.4 异源表达系统概述 550
13.5 途径重构的精选实例 552
13.6 细菌基因组中基于生物信息学的天然产物发现 562
13.7 大肠杆菌中的异源表达 563
13.8 利用代谢工程产生多样化产物 566
13.9 采用即插即用的方法从细菌克隆转录沉默的未知功能基因簇 569
13.10 后基因组时代的比较代谢组学 571
参考文献 574

主题词索引 578