多年来，科学家一直希望利用细菌酶通过一种称为组合生物合成的过程来创造新的药物变体。然而，由于研究人员未能完全理解这些酶如何协调其工作，进展一直受限。
这项发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上的新研究揭示了细菌酶如何相互通讯以组装一个密切相关的抗癌化合物家族。该家族包括罗米地辛，这是一种FDA批准用于治疗某些血液癌症的药物。通过揭示这种天然的“混搭”系统并在实验室中重现其基本原理，研究人员确立了一种设计未来癌症疗法的新策略。
“几十年来，我们一直知道细菌可以天然产生多种版本的强效抗癌药物，但我们不知道它们是如何做到的，”第一作者、华威大学化学系研究员芒罗·帕斯莫尔博士（Dr. Munro Passmore）说。“这项工作终于破解了那个密码。我们已经确定了不同的酶如何通讯和协作以产生这些药物变体，这是研究人员一直未能解开的谜题，因为该系统设计得如此精妙简洁。这是我们能够自行工程化设计这些药物所需的突破。”
微小的分子连接器揭示了自然的制药策略
研究人员发现，被称为“对接结构域”的小分子区域充当了核心药物构建机制与负责添加不同成分的酶之间的连接器。这些对接结构域共享一个保守的连接点，使它们能够与多个酶伙伴相互作用。
这种灵活的设计解释了细菌如何能够创造各种相关的药物分子，同时仍保持化合物有效性所需的精确性。
这项研究还阐明了这些天然药物生产系统是如何演化的。据研究人员介绍，新鉴定的化合物很可能是由相关的药物生产途径通过长期的基因复制和重组发展而来的。
华威大学和莫纳什大学莫纳什-华威联盟可持续化学教授格雷格·查利斯教授总结道：“这项研究为我们提供了一个蓝图，让我们能够做得像大自然一样好，甚至更好、更快。通过逆向工程解析自然的演化逻辑，我们现在可以设计出合成途径，生成具有优化临床特性（如更优的效力、更高的选择性、更少的副作用）的新型抗癌候选药物。我们的近期目标是为急需新疗法的各类癌症建立一个扩充的候选药物库。这一发现正推动我们从理解系统如何运作转向构建全新的系统。”
该发现如何改善抗癌药物开发
这项工作聚焦于一类被称为HDAC抑制剂的抗癌药物。这些药物阻断组蛋白去乙酰化酶，这类酶有助于调节细胞内哪些基因被开启或关闭。罗米地辛是一种FDA批准的HDAC抑制剂，用于治疗T细胞淋巴瘤。
一种名为FR-901375的化学相关化合物几十年来一直为人所知，但科学家从未确定细菌用来生产它的生物途径。这项研究终于填补了这一缺失的环节。
与其家族中的其他HDAC抑制剂一样，FR-901375属于一类称为缩酚酸肽的复杂环状分子。这些化合物由氨基酸构建单元和一个保守的羟基酸药效团组装而成，所有部分通过肽键和酯键的组合连接在一起。
在细菌内部，这些分子由称为PKS-NRPS杂合体的巨大蛋白质复合物构建，该复合物结合了聚酮合酶（PKS）和非核糖体肽合成酶（NRPS）的活性。这项新研究表明，该组装过程的关键在于对接结构域，它们就像分子连接器一样，允许生产线的一部分识别并将其产物传递给下一部分。这种机制正是组合生物合成的基础，使细菌能够天然生成多种药物变体。
研究人员如何解开这一谜题
为了揭示该系统的工作原理，团队结合了结构生物学、生物化学、遗传学和计算建模。
他们的工作包括：
- 对公共数据库进行生物信息学搜索，在绿针假单胞菌鱼亚种（Pseudomonas chlororaphis subsp. piscium）中鉴定出FR-901375生物合成基因簇，并通过提取代谢物的质谱分析证实了这些发现。
- 使用纯化蛋白结构域进行的体外重构实验，证明了有效的酶-酶相互作用，并通过完整蛋白质质谱进行了验证。
- 利用AlphaFold计算建模预测蛋白质复合物结构，随后使用卡宾足迹质谱技术实验绘制相互作用位点图谱。
- 定点诱变实验证实了预测结合残基的重要性。
- 细菌菌株中的基因缺失研究显示，对接结构域对于该系统在体内发挥功能至关重要。
- 对多种产生HDAC抑制剂的细菌的生物合成基因簇进行比较分析，揭示了这些天然制药系统共有的演化保守特征。