Angew|鄧子新院士團(tuán)隊(duì)通過破譯甾醇降解途徑中雙功能還原酶助力重要甾體藥物前體高產(chǎn)
近日，《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition，IF 12.95）在線發(fā)表了武漢大學(xué)藥學(xué)院鄧子新院士團(tuán)隊(duì)關(guān)于通過破譯甾醇降解途徑中雙功能還原酶助力重要甾體藥物前體高產(chǎn)的最新研究進(jìn)展。這也是鄧子新院士團(tuán)隊(duì)繼2019年發(fā)表在Nature Communications相關(guān)工作的基礎(chǔ)上，在甾類藥物領(lǐng)域的又一次最新突破。論文題為“A Dual Role Reductase from Phytosterols Catabolism Enables the Efficient Production of Valuable Steroid Precursors”。武漢大學(xué)藥學(xué)院博士后彭海東為該論文的第一作者，瞿旭東教授為該論文的通訊作者。該研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目的支持。
甾體類藥物是目前化藥工業(yè)上僅次于抗生素類藥物的第二大類藥物，約有400多種藥物已應(yīng)用于臨床，每年約1,000,000噸（銷售額達(dá)1000億美元）的市場(chǎng)需求。由于此類藥物結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其生產(chǎn)主要依靠PG和4-AD的半合成；目前工業(yè)上，PG和4-AD的生產(chǎn)主要是通過薯蕷皂苷的化學(xué)降解和植物甾醇的生物降解。雖然這些方法已應(yīng)用多年，但PG生產(chǎn)過程中存在的步驟冗長(zhǎng)、產(chǎn)率低和環(huán)境污染嚴(yán)重，以及4-AD降解合成過程中副產(chǎn)物4-HBC難以除去等問題仍待解決。目前，化學(xué)方面，研究者可直接應(yīng)用普通試劑僅兩步合成就可從4-HBC半合成PG，大大降低了合成成本且簡(jiǎn)化了合成步驟。然而，4-HBC僅僅是4-AD生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物，其產(chǎn)量較低，如何獲得高產(chǎn)的4-HBC，又如何解決4-HBC對(duì)4-AD的影響，成為目前需要解決的關(guān)鍵。
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該研究中，作者在植物甾醇的降解途徑中發(fā)現(xiàn)一個(gè)新穎的具有雙功能作用的還原酶mnOpccR，該酶既可以以四電子的方式還原3-oxo-4-pregnene-20-carboxyl-CoA (3-OPC-CoA)形成20-hydroxymethyl pregn-4-ene-3-one (4-HBC)，也可以以二電子的方式還原3-oxo-4-pregnene-20-carboxyl aldehyde (3-OPA)形成4-HBC。通過失活或者過表達(dá)新金色分枝桿菌（Mycobacterium neoaurum）中mnOpccR，可分別高效專一地實(shí)現(xiàn)4-AD和4-HBC的高產(chǎn)。再通過兩步簡(jiǎn)單合成反應(yīng)，4-HBC可高效轉(zhuǎn)化形成100 g級(jí)的PG。
新金色分枝桿菌中甾醇的降解途徑
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為了提高4-HBC的產(chǎn)量，作者首先將該代謝途徑中唯一的kstD失活，結(jié)果顯示其確實(shí)只產(chǎn)4-AD及4-HBC。進(jìn)一步地，作者通過生物信息學(xué)分析以及酶的活性測(cè)試實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了參與合成4-HBC的關(guān)鍵雙功能還原蛋白mnOpccR；同時(shí)，還對(duì)mnOpccR的催化還原機(jī)制進(jìn)行了解釋。再次，作者通過操縱新金色分枝桿菌Mycobacterium neoaurum中該基因的失活與過表達(dá)可以在4-AD和4-HBC之間改變代謝通量，進(jìn)而高效專一地生產(chǎn)4-AD或4-HBC。最后，通過結(jié)合兩步合成方法可以將4-HBC高效轉(zhuǎn)化為PG。
該研究工作提供了一個(gè)可以解決上述長(zhǎng)期存在的問題的切實(shí)可行的PG和4-AD的制造方案。
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論文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202015462
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