1
遇见·摘要
近日，Organic Letters在线发表了上海交通大学刘天罡教授团队与武汉大学陶慧教授团队、复旦大学附属儿科医院王慧君研究员团队的最新研究成果。论文题为“Deciphering the δ-Lactam Formation and lron-Reducing Activity of Spinactins from Saccharopolyspora spinosa”。该研究从刺糖多孢菌中分离出一系列具有独特δ-内酰胺与1,4-硫氮杂卓结构的非核糖体肽铁载体Spinactins A-E（1-5），并对其生物合成途径中的关键酶进行了鉴定。研究发现，罕见的硫酯酶SncF能够催化δ-内酰胺结构的形成。在体外活性测试中，Spinactin A相较于已获FDA批准的铁螯合剂去铁酮和去铁胺，表现出更低的细胞毒性和优越的去铁活性，展现出治疗铁超载疾病的潜在应用价值。
2
遇见·内容
环化是非核糖体肽（NRPs）药物生物合成中的关键步骤，能够显著提高其稳定性、生物活性、结合亲和力以及膜通透性。因此，解析NRPs生物合成过程中具有环化功能的新酶，对于发现活性新型天然产物具有重要意义。在已知的NRPs环化酶中，硫酯酶是催化内酯和内酰胺形成的重要酶类。硫酯酶驱动的内酰胺化反应在多种大分子内酰胺（如Leinamycin）、β-内酰胺（如Sulfazecin）和γ-内酰胺（如Glidomides）的合成中发挥了至关重要的作用。然而，其在其他内酰胺类化合物合成中的潜力仍未被充分挖掘，亟需进一步研究以拓展其在天然产物药物开发中的功能和价值。
研究团队从刺糖多孢菌 Saccharopolyspora spinosa NRRL18395 的发酵液中成功分离出一系列非核糖体肽 Spinactins A-E (1-5)，其中B-E为新结构化合物。这些化合物具备显著的结构特征，包括 C 端的 δ-内酰胺/1,4-硫氮杂卓双环 和 N 端的5-氨基水杨酸基团。通过基因组分析，研究团队确定了候选的生物合成基因簇，并利用基因敲除和异源表达技术成功确认了负责Spinactins 合成的 snc 基因簇（图2）。
由于 Spinactins 与铁载体 Pyochelin 结构的相似性，研究团队推测了其可能的生物合成途径（图3A）。鉴于硫酯酶能够催化非核糖体肽链的释放并形成内酰胺结构，研究团队提出 Spinactins 中独特的 δ-内酰胺结构可能是在 II型硫酯酶 SncF 的催化下于链释放过程中形成。为验证这一假设，研究团队通过体外酶促反应对生物合成途径进行了进一步分析。通过合成底物 1a 和 1b与纯化后的 SncF反应，结果表明 1b 在 SncF的作用下环化形成 Spinactin A，确认了 SncF 能催化特殊的在线环化反应生成 δ-内酰胺（图3C）。随后，研究人员还表达并纯化了snc基因簇中的后修饰酶 SncA、SncC、SncG 和 SncK，以分离得到的化合物 1-5 为底物进行体外反应，逐步解析了 Spinactins 的完整生物合成过程（图3）。该研究进一步揭示了Spinactins 的生物合成途径，并为非核糖体肽环化机制研究提供了理论基础。
体外活性研究表明，化合物 1 展现了优异的铁离子结合能力，并在高达 200 nM 的浓度下未表现出显著的细胞毒性（图4A），表明其作为安全、有效的铁螯合剂的潜力。在健康细胞及铁超载 HepG2 细胞模型中，化合物 1 不仅显著减轻了细胞内铁超载，还表现出比去铁酮和去铁胺更低的毒性（图4C-E）。BPAN 是一种罕见的神经退行性疾病，伴有铁过载特征。研究团队在 BPAN 疾病的 iPS细胞模型中测试了化合物 1 的去铁效果，结果表明，给药12天后，细胞内铁水平显著降低（图4F-G），突显其在 BPAN 治疗中的潜力。
基于 Spinactins 的优异活性，研究人员以 SncF 作为探针，鉴定出与 snc 基因簇相似的NRP基因簇。有趣的是，SncF 及其同源酶（18310 和 14370）并未聚集在非核糖体肽中更常见的 TE16 分支，而是聚集在与聚酮类环状产物形成相关的 II型硫酯酶 TE18 分支（图5）。这一结果表明，SncF 同源蛋白也可能具有催化合成δ-内酰胺类铁载体的潜力，有望发现更多具有治疗潜力的 δ-内酰胺类铁载体。
本研究鉴定了S. spinosa NRRL18395 产生的特殊铁载体 Spinactins A-E (1-5)，并解析了其生物合成中的关键酶，确认了硫酯酶 SncF 在催化 Spinactins 特殊δ-内酰胺结构形成中的重要作用，深化了对非核糖体肽生物合成中硫酯酶催化环化机制的理解。与 FDA 批准的去铁酮和去铁胺相比，Spinactin A 展现出更低的毒性，能有效恢复铁超载 HepG2 细胞及 BPAN iPS细胞的活力，并显著降低其铁含量，显示出治疗 BPAN 等铁超载疾病的潜力。此外，生物信息学分析表明，使用 SncF 作为探针，可助力鉴定其他具有治疗价值的 δ-内酰胺类铁载体，为药物开发提供新思路。
本研究的第一作者为武汉大学药学院博士研究生马正宁，共同通讯作者为上海交通大学刘天罡教授、武汉大学陶慧教授和复旦大学附属儿科医院王慧君研究员。该研究得到了国家重点研发计划、中国科协青年人才托举工程、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金、泰康生命医学中心与武汉合生科技有限公司等项目资助。上海交通大学刘天罡教授团队、武汉大学陶慧教授课题组正在进行博士后招聘（详见往期推送），欢迎志同道合的优秀青年加入！
3
遇见·致谢
感谢刘天罡教授和陶慧教授课题组对本号的支持，感谢文章作者马正宁提供本文稿件支持！
4
遇见·往期
