圖1 林雙君研究員

上世紀七、八十年代，曾被作為抗癌良藥的鏈黑菌素應用于臨床試驗，抗癌活性突出，但進入二期臨床時，因其明顯的毒副作用，實驗被迫終止。然而，科學家們卻從未停止研究，希望讓它重新煥發(fā)活力，與癌癥作斗爭，為癌癥患者帶來希望和福音。

上海交通大學微生物代謝國家重點實驗室林雙君研究小組（圖1、2）對鏈黑菌素生物合成基因簇進行基因解析，闡明了鏈黑菌素的非常復雜的生物合成途徑，實現(xiàn)了抗腫瘤抗生素鏈黑菌素及其類似物的高效生物合成。該研究成果已正式發(fā)表在《美國化學會會志 JACS，2013，135（5）》上。

抗癌良藥，揚長避短

圖2 林雙君團隊人員

鏈黑菌素是由一株絨毛鏈霉菌所產(chǎn)生的抗腫瘤抗生素，它具有廣譜的抗腫瘤活性，特別是對惡性淋巴瘤、慢性淋巴細胞白血病和慢性粒細胞白血病具有較好的臨床療效，而被稱為抗癌良藥。通過它與DNA的結合，能夠干擾并抑制細胞DNA和依賴于DNA復制的RNA的合成，它能夠通過選擇性的作用在細胞DNA上，來誘導DNA的斷裂和降解，它還可以抑制拓撲異構酶II的活性。此外，鏈黑菌素還有強烈的抗病毒活性，能夠誘導溶源性細胞，并對多種細菌和真菌生長具有抑制作用。

鏈黑菌素雖然活性突出，但又具有明顯的毒副作用。因此自鏈黑菌素被發(fā)現(xiàn)至今已有近60年，對它新穎的化學結構和突出的生物學活性讓生物學、化學及藥物學家們的研究從未停止，一直在對它進行深層次的化學生物學和合成研究，以期創(chuàng)造新結構和新活性衍生物。林雙君解釋說，鏈黑菌素的特性有兩個：一是活性，二是毒性。它的活性是它與癌細胞作斗爭的利器;而毒性則是它的致命缺陷。通過對鏈黑菌素的生物合成研究，可以做到“揚長避短”。通過對基因的操作，產(chǎn)生突變菌株，實現(xiàn)改變其原來結構，然后通過發(fā)酵條件優(yōu)化和合成途徑優(yōu)化，產(chǎn)生鏈黑菌素的類似物或中間體?！盎钚蕴岣?，毒性卻大幅降低，這為鏈黑菌素藥物的二次開發(fā)提供了新的機會?！?/p>

基因技術，發(fā)揮威力

基因組測序技術的迅猛發(fā)展為人們提供了巨大的基因資源庫，為生物合成機制的研究提供了更多的信息。以抗生素的主要產(chǎn)生菌鏈霉菌為例，單個菌株至少具有25～30種，甚至更多的次生代謝產(chǎn)物生物合成基因簇，然而在目前實驗室條件下，所得的化合物種類卻少很多。這說明，在已分離的微生物資源中，由于受到培養(yǎng)條件制約而導致化合物產(chǎn)生受抑，或者基因簇自身就是沉默的，需要特定的調控因子和外界環(huán)境因子的誘導?；蚪M的挖掘技術Genome mining為人們找到更多的天然產(chǎn)物提供了可能。

圖3 鏈黑菌素的生物合成基因簇及推理的生物合成途徑

林雙君研究員帶領課題組首先克隆了這個潛在的抗生素基因簇，確定了其中的關鍵基因與鏈黑菌素生物合成的直接關系，并最終定位出鏈黑菌素的生物合成是由48個獨立基因編碼的。隨后，該課題組綜合利用微生物遺傳學、化學及生物化學技術和手段，獲得了其中17個基因的突變菌株，從中分離鑒定了12個與鏈黑菌素生物合成相關的化合物的化學結構，最終提出了鏈黑菌素生物的合成途徑的模型（圖3）。在這一過程中，多個新穎或關鍵的酶催化反應的分子生物學機制也被揭示。該項研究為抗生素藥物新穎酶催化反應基因的挖掘，并利用合成生物學等前沿生物技術創(chuàng)造新的結構衍生物奠定了工作基礎。林雙君提到，這是首次在基因水平實現(xiàn)鏈黑菌素的生物合成途徑的解析?；瘜W家們也在致力于鏈黑菌素及其衍生物的合成，希望能夠找到應用于臨床的新藥。目前，已有化學家通過化學合成的方法合成出鏈黑菌素類似物。與化學合成的方法不同，基因工程技術的好處在于，一方面，它可以通過操作基因來優(yōu)化和改造代謝途徑，使得到的類似物可能符合臨床應用的要求，同時可以針對某一特定的化合物提高其產(chǎn)量，從而降低成本，并減少環(huán)境污染;另一方面，它可以挖掘新的生物化學反應，對揭示自然界的生化現(xiàn)象和規(guī)律，發(fā)現(xiàn)有價值的酶學反應，具有重要的意義。林雙君課題組通過基因工程技術所獲得的一個鏈黑菌素類似物，不僅在抗癌活性上比目前臨床使用的抗癌藥物依托泊苷和替尼泊苷高很多，而且在毒性上比原始的鏈黑菌素降低了約5倍。因此，這個類似物在臨床應用方面，對治療淋巴瘤、白血病、鼻咽癌等疾病將會有更大的優(yōu)勢。

降低成本，造?；颊?/h2>

對藥物來說，療效是重要的一方面，但藥價是老百姓更關心的。目前，鏈黑菌素標準品的價格非常昂貴，1 mg化合物需要約900元人民幣，而它的類似物要4 000元人民幣。很明顯，這對一般普通家庭來說，是個很大負擔。要降低用藥成本，一個可行的辦法就是提高產(chǎn)量，林雙君研究員提出通過基因工程手段來實現(xiàn)產(chǎn)量提高。以前，這個有前景的類似物是由另一株鏈霉菌產(chǎn)生的，產(chǎn)量極低。然而，他們的研究成果目前可以達到約200 mg/L發(fā)酵液。這個產(chǎn)量比其原始產(chǎn)生菌要高出幾10倍，但還遠沒有達到目標。林雙君研究員制定了“兩步走”的目標：一是繼續(xù)扎根基礎研究，通過分子遺傳學操作和蛋白功能重建，解析鏈黑菌素形成的酶學機理，同時獲得更多的鏈黑菌素類似物。二是預計在兩到三年內，爭取使這個鏈黑菌素類似物產(chǎn)量提高到1 g/L或以上。林雙君研究員介紹說，現(xiàn)在美國加州一家藥業(yè)公司，已和他取得聯(lián)系，表達了合作開發(fā)的意向。提出只要將產(chǎn)量提高到可規(guī)?；a(chǎn)，就有望通過抗體藥物偶聯(lián)方法將鏈黑菌素或類似物轉化為一個新型的抗癌藥物，這不僅極大提高化療有效性，同時減少化療時產(chǎn)生的毒副作用。相信在不久的將來，它將對臨床醫(yī)學產(chǎn)生重要影響，也將對抗癌藥物結構和價格方面產(chǎn)生重要影響?！?/p>

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