科学家发现深海微生物中的分子如何成为有效的抗癌武器

诸平

Fig.1 Scripps Institution of Oceanography Ph.D. student Katherine D. Bauman streaks new Salinispora cultures for further study in a biosafety cabinet with lab director Bradley Moore. These bacterial cultures produce salinosporamide A, a potent anticancer agent currently in phase III clinical trials for glioblastoma. Credit: Erik Jepsen/UC San Diego

Fig. 2 Salinispora cultures in the Moore Lab at UC San Diego’s Scripps Institution of Oceanography. These bacterial cultures produce salinosporamide A, a potent anticancer currently in phase III clinical trials to treat glioblastoma. Credit: Erik Jepsen/UC San Diego

据美国加州大学圣地亚哥分校（University of California - San Diego简称UCSD）2022年3月21日提供的消息，加州大学圣地亚哥分校（UCSD）的科学家发现深海微生物中的分子如何成为有效的抗癌武器（Scientists Discover How Molecule From Deep-Sea Microbe Becomes Potent Anticancer Weapon）。

深海微生物提供了丰富的医学强效药物（medically potent drugs）的来源。实验室多年的辛勤工作揭示了海洋细菌（marine bacterium）如何制造有效的抗癌分子（potent anti-cancer molecule）。

抗癌分子盐孢菌酰胺A（salinosporamide A），也称为Marizomb，正处于治疗胶质母细胞瘤（一种脑癌）的III期临床试验中（Phase III clinical trials to treat glioblastoma）。科学家们现在第一次了解激活此分子的酶驱动过程。

由UCSD埃里克·杰普森（Erik Jepse）提供的照片（Fig. 1）是斯克里普斯海洋研究所（Scripps Institution of Oceanography）博士生凯瑟琳·鲍曼（Katherine D. Bauman）与实验室主任布拉德利·摩尔（Bradley Moore），在生物安全柜中对新的盐孢菌培养物（Salinispora cultures）进行了进一步研究。这些细菌培养物产生盐孢菌酰胺A（salinosporamide A），这是一种有效的抗癌剂，目前正处于胶质母细胞瘤的 III 期临床试验中。相关研究结果于2022年3月21日已经在《自然化学生物学》（Nature Chemical Biology）杂志网站发表——Katherine D. Bauman, Vikram V. Shende, Percival Yang-Ting Chen, Daniela B. B. Trivella, Tobias A. M. Gulder, Sreekumar Vellalath, Daniel Romo, Bradley S. Moore. Enzymatic assembly of the salinosporamide γ-lactam-ß-lactone anticancer warhead. Nature Chemical Biology, Published: 21 March 2022. DOI: 10.1038/s41589-022-00993-w. https://www.nature.com/articles/s41589-022-00993-w.参与此项研究的除了来自UCSD的研究人员之外，还有来自美国贝勒大学（Baylor University, Waco, TX, USA）的研究人员。

加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋研究所（UC San Diego’s Scripps Institution of Oceanography）的研究人员发现，一种名为 SalC 的酶组装了该团队所称的盐孢菌酰胺抗癌“弹头”。斯克里普斯海洋研究所的博士研究生凯瑟琳·鲍曼（Katherine D. Bauman）是这篇解释组装过程的论文的主要（第一）作者。

这项工作解决了近20年来关于海洋细菌如何制造盐孢菌酰胺分子独有的弹头的谜团，并为未来的生物技术制造新的抗癌剂打开了大门。

斯克里普斯海洋研究所和斯卡格斯药剂学与药物科学学院（Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences）的杰出教授、上述论文的通讯作者布拉德利·摩尔说：“现在科学家们了解了这种酶是如何制造盐孢菌酰胺A弹头的，这一发现可以在未来用于利用酶生产其他类型的盐孢菌酰胺类，这些盐孢菌酰胺类不仅可以攻击癌症，还可以攻击免疫系统疾病和寄生虫引起的感染。”

盐孢菌酰胺（Salisporamide）在斯克里普斯海洋研究所和加州大学圣地亚哥分校有着悠久的历史。斯克里普斯海洋研究所的微生物学家保罗·延森（Paul Jensen）和海洋化学家比尔·菲尼卡尔（Bill Fenical）在1990年从热带大西洋的沉积物中收集微生物（ the microbe from sediments of the tropical Atlantic Ocean）后发现了盐孢菌酰胺A和产生该分子的海洋生物。在此药物开发过程中的一些临床试验，是在加州大学圣地亚哥分校健康中心的穆尔斯癌症中心（Moores Cancer Center at UC San Diego Health）进行的。

凯瑟琳·鲍曼的导师布拉德利·摩尔说：“这是一个非常具有挑战性的10年项目，凯瑟琳·鲍曼能够汇集10年的早期工作，让我们越过终点线。”

凯瑟琳·鲍曼的一个大问题是找出有多少酶负责将分子折叠成活性形状。涉及多种酶还是仅一种？她说：“我会在不止一个上赌注。最后，它只是SalC。这令人惊讶！”

布拉德利·摩尔说，盐孢菌酰胺分子具有穿过血脑屏障的特殊能力，这也是其在胶质母细胞瘤临床试验中取得进展的原因。该分子具有小而复杂的环结构。它最初是一个线性分子，可以折叠成更复杂的圆形。

“大自然创造它的方式非常简单。作为化学家，我们不能像大自然所做的那样来制造这种分子，但大自然用一种酶来做到这一点，”他说。

所涉及的酶在生物学中很常见。它参与人体脂肪酸和微生物中红霉素（erythromycin）等抗生素的产生。

凯瑟琳·鲍曼、马萨诸塞州沃尔瑟姆市的形性疗法公司（Morphic Therapeutics）的Percival Yang-Ting Chen和巴西国家能源与材料研究中心的Daniella Trivella确定了SalC的分子结构。为此，他们在美国能源部的劳伦斯·伯克利国家实验室（U.S. Department of Energy’s Lawrence Berkeley National Laboratory）使用了先进的光源，这是一种产生X射线光的强大粒子加速器。

“SalC酶完成的反应与正常的酮合酶（ketosynthase）非常不同，”凯瑟琳·鲍曼说。正常的酮合酶是一种帮助分子形成线性链的酶。相比之下，SalC通过形成两个复杂的反应性环状结构来制造盐孢菌酰胺。

一种酶可以形成合成化学家在实验室中难以制得的这两种环状结构。有了这些信息，科学家们现在可以对这种酶进行改变，直到他们找到有望能够抑制各种疾病的形式。

涉及的海洋细菌，称为热带盐孢菌（ Salinispora tropica），制造盐孢菌酰胺以避免被其捕食者吃掉。但科学家发现盐孢菌酰胺A也可以治疗癌症。他们已经分离出其他盐孢菌酰胺类物质，但盐孢菌酰胺A具有其他同类物质所缺乏的特性——包括使其对癌细胞有害的生物活性。

“抑制蛋白酶体（proteasome）使其成为一种很好的抗癌剂，”凯瑟琳·鲍曼在谈到降解无用或受损蛋白质的蛋白质复合物时说。但是在免疫细胞中发现了另一种蛋白酶体。如果科学家可以设计出一种与盐孢菌酰胺A略有不同的盐孢菌酰胺将会怎样？会使一种对易癌蛋白酶体的抑制效果不佳，但在抑制免疫蛋白酶体方面表现出色吗？

这种盐孢菌酰胺可能是一种高度选择性的治疗自身免疫性疾病的药物，这种疾病会导致免疫系统攻击它本应保护的身体。

凯瑟琳·鲍曼说：“这就是产生其它一些盐孢菌酰胺类物质背后的想法。而这种SalC酶能够安装复杂的环结构的使用，会为将来的研究打开一扇大门。”

正如凯瑟琳·鲍曼的共同作者名单所证明的那样，布拉德利·摩尔小组十多年前就开始从事这个项目。对此研究有贡献的前布拉德利·摩尔实验室博士后科学家Tobias A. M. Gulder，现在德国德累斯顿工业大学（Technical University of Dresden, Germany）工作；Daniela B. B. Trivella现在巴西国家能源和材料研究中心（National Center for Research in Energy and Materials, Campinas, Brazil）巴西生物科学国家实验室（Brazilian Biosciences National Laboratory）和巴西坎皮纳斯大学（University of Campinas, Brazil）化学研究所（Institute of Chemistry）工作；以及Percival Yang-Ting Chen现在美国马萨诸塞州沃尔瑟姆形性疗法公司（Morphic Therapeutics, Waltham, MA, USA）工作。Vikram V. Shende是布拉德利·摩尔实验室的现任博士后科学家。另外两位是该项目的长期合作者、贝勒大学（Baylor University）的Sreekumar Velalath和Daniel Romo。

凯瑟琳·鲍曼的工作由美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）颁发的国家研究服务奖（National Research Service Award）资助。罗伯特·韦尔奇基金会（Robert A. Welch Foundation）和圣保罗研究基金会（São Paulo Research Foundation）提供了进一步的资金。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

The marine microbial natural product salinosporamide A (marizomib) is a potent proteasome inhibitor currently in clinical trials for the treatment of brain cancer. Salinosporamide A is characterized by a complex and densely functionalized γ-lactam-β-lactone bicyclic warhead, the assembly of which has long remained a biosynthetic mystery. Here, we report an enzymatic route to the salinosporamide core catalyzed by a standalone ketosynthase (KS), SalC. Chemoenzymatic synthesis of carrier protein-tethered substrates, as well as intact proteomics, allowed us to probe the reactivity of SalC and understand its role as an intramolecular aldolase/β-lactone synthase with roles in both transacylation and bond-forming reactions. Additionally, we present the 2.85-Å SalC crystal structure that, combined with site-directed mutagenesis, allowed us to propose a bicyclization reaction mechanism. This work challenges our current understanding of the role of KS enzymes and establishes a basis for future efforts toward streamlined production of a clinically relevant chemotherapeutic.