四环素类抗生素作为重要的广谱抗感染药物，已经在临床应用超过70年，目前仍然是治疗感染性疾病的关键药物。基于第一代四环素类抗生素（如土霉素、金霉素和四环素），研究人员陆续开发了第二代（如多西环素、米诺环素）、第三代（如替加环素，被认为是对抗多重耐药菌的最后防线）以及第四代（如2018年FDA批准上市的依拉环素、萨瑞环素和奥马环素）四环素类抗生素，充分展现了四环素骨架在抗感染药物研发中的重要价值和持久生命力。因此，系统挖掘自然界中四环素家族天然产物的生物合成潜能，对于推动新型四环素类药物的研发具有重要意义。

近日，中国科学院微生物研究所潘国辉团队在Journal of the American Chemical Society 发表研究论文，开发了一种基于“环化酶特征指纹”的挖掘策略，精准识别四环素类天然产物的生物合成基因簇，揭示了自然界合成多样化四环素类分子的强大潜能，发现多种新型四环素类分子并解析其生物合成机制。部分新产物展现出较强的抗耐药菌活性。研究显著拓展了四环素家族天然产物的结构多样性，为未来新型四环素类抗感染药物的研发提供了有力支撑（图1）。

图1. 四环素家族天然产物的系统发掘

本研究通过分析发现，四环素骨架的环化由一组特征性环化相关酶（OxyK、OxyN、OxyH和OxyI）协同完成。基于这四种酶的共现特征，构建了“环化酶特征指纹”，可用于准确区分四环素骨架与其他由II型聚酮合酶合成的芳香聚酮骨架（图2）。利用该“环化酶特征指纹”，本研究在近60万个细菌基因组大数据中快速识别出476个四环素类天然产物合成基因簇。进一步分析将其归类为82个代表性基因簇，预计可合成不同化学结构的四环素类化合物。生物信息学分析表明，这些基因簇具有合成多样化结构产物的强大潜力（图2）。

图2. 针对四环素骨架的精准发掘策略建立及应用

该团队发现了三种新型四环素类天然产物并解析其生物合成机制：米修霉素（misiomycins）、华沙霉素（varsomycins）和云雀霉素（hibarimicins）。

米修霉素A–D（misiomycin A–D）是具有不同程度糖基化修饰的新型四环素类化合物（图3）。其中，米修霉素A是已报道含有最复杂糖链修饰的四环素类化合物之一，其显著的结构特征包括C12a位的五糖链修饰、C8位的单糖修饰以及C2位的异丁酰基修饰。米修霉素A对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）和耐万古霉素粪肠球菌（VRE）展现出较强的抗菌活性（MIC：1-3 μM）。

图3. 米修霉素的发现及其生物合成机制

华沙霉素A由一对对映异构体组成（6R-和6S-varsomycin A），其化学结构包含一个新颖的C3-O-C12连接的六元内酯环，这一结构特征此前未在四环素类天然产物中发现（图4）。深入研究表明，华沙霉素的生物合成依赖于 var 基因簇与 oxt 基因簇的协同作用，揭示了一种独特的双基因簇协同生物合成机制。

图4. 华沙霉素的发现及其独特的双基因簇协同生物合成机制

云雀霉素是迄今为止已报道的最大且最复杂的由II型聚酮合酶合成的产物。通过体内基因功能研究、突变株代谢产物的化学结构解析以及部分酶学数据，初步揭示了云雀霉素J–L的独特生物合成途径（图5）。首先，由聚酮合酶和环化酶合成典型的四环素中间体HMP-M1；随后，发生C9–C9'二聚化反应（由P450氧化酶HibO2催化）、A/A'环的氧化重排（由FAD依赖氧化酶HibO6催化），接着在其他四个FAD依赖氧化酶、甲基转移酶和radical SAM酶的作用下，形成云雀霉素J–L的独特化学结构。云雀霉素L和HMP-M1表现出较强的抗MRSA活性（MIC: 1-2 μM）。需要指出的是，云雀霉素类天然产物的生物合成途径已于2024年由中国科学院上海有机化学研究所唐功利团队首次报道（Engineering, 2024, 38: 113-123）。

图5. 云雀霉素J–L的发现及其生物合成机制

小结

该研究揭示了四环素家族天然产物在起始单元选择、骨架构建、氧化修饰和糖基化等方面的结构多样性，绘制了四环素家族天然产物的分子全景图。该研究发现了具有显著抗耐药菌活性的新型四环素类分子，并提供了丰富的具有合成生物学应用潜力的新颖酶元件，为未来新型四环素类抗感染药物的研发与创新提供了重要支持。

中国科学院微生物研究所王海燕助理研究员、王立军助理研究员和博士研究生李栋为论文的共同第一作者，潘国辉研究员为论文的通讯作者。中国科学院微生物研究所任晋玮高级工程师、陈义华研究员、黄英研究员、王为善研究员，以及北京大学徐正仁研究员等为本论文做出了重要贡献。此外，上海交通大学童垚俊教授和天津大学董敏教授等为本论文提供了支持和帮助。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。

Uncovering the Molecular Landscape of Tetracycline Family Natu-ral Products through Bacterial Genome Mining

Haiyan Wang, Lijun Wang, Dong Li, Keqiang Fan, Yingzhe Yang, Haolan Cao, Jianing Sun, Jinwei Ren, Yao Liu, Lijun Xiang, Weishu Li, Minghui Pan, Huitao Hu, Yi-hua Chen, Zhengren Xu, Ying Huang, Weishan Wang, Guohui Pan*

J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 15100–15114, DOI: 10.1021/jacs.4c17551

以上内容转载自 https://www.x-mol.com/news/920700

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