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解毒海洋毒素的酶

迫切需要新的药物来治疗疼痛。用于疼痛控制和其他人类病症的治疗剂的重要来源是天然产物 - 由生物体制成的复杂的,生物活性的小分子。但是直接从天然来源分离的化合物通常不具有作为药物的最佳性质。因此,使用天然产物作为药物发现的先驱者所面临的主要挑战是如何获得各种密切相关的分子结构用于生物测试。这可以通过化学合成来实现,但天然产物的复杂结构常常使该方法具有挑战性。

解毒海洋毒素的酶

获取结构类似物的困难阻碍了调查称为麻痹性贝类毒素(PSTs)的天然产物家族作为疼痛的候选疗法的努力1。许多PST具有很高的效力(它们引起了分子生物学靶标的强烈响应),因此具有高毒性,阻碍了它们作为药物的发展,并引起了对获得效力较弱的类似物的兴趣。写于ACS化学生物学,Lukowski等。2报告生成PSTs的生物合成途径磺基(SO3-已添加,这是该系列化合物中毒性较低的成员。在该研究中表征的磺基转移酶修饰极其复杂的底物分子,因此可能有助于获得用于药物开发的其他毒性较低的PST类似物。

PST的由海洋微生物,包括蓝藻和甲藻生产的3,4。它们导致麻痹性贝类中毒的麻木,刺痛和更严重的症状(由食用受这些毒素污染的贝类引起),并干扰负责在神经系统中传递信号的电压门控钠通道。之前的努力孤立的PST透露,微生物经常做出带有一个或多个磺基类似物,从而导致这一化学修饰降低了这些天然产品的效力和毒性发现5,6。

直到几年前才了解这些磺基的安装所涉及的生物合成途径和酶。第一见解是从所使用从分离甲藻表征不良酶制剂测定获得7,8。这些研究表明磺基可能在生物合成途径的后期添加到PST中。最近,鉴定编码产生蛤蚌毒素(一种高效PST)的生物合成机器的蓝藻基因使得能够对PST组装9进行分子理解。

Saxitoxin通过转化组装,将氨基酸L-精氨酸转化为一系列日益复杂的结构。以前的工作10确定了由蛤蚌毒素的生物合成基因簇编码的两种假定的磺基转移酶(SxtN和SxtSUL),并且发现SxtN可以将磺基连接到蛤蚌毒素中的特定氮原子上以产生称为gonyautoxin 5的类似物(图1)。 。然而,没有确定第二磺基转移酶(SxtSUL)安装硫酸盐(SO4-)的蛤蚌毒素的位置,以及酶在自然界中的使用顺序。

Lukowski等。现在已经表征了纯化的SxtN和SxtSUL修饰蛤蚌毒素和其他PST的能力。来自同一组的研究人员先前已经证明11,一种名为GxtA的加氧酶催化羟基(OH)基团选择性地加入到蛤蚌毒素的正常反应性碳中心(图1)。在目前的工作中,作者将SxtN和SxtSUL与GxtA结合,从而不仅证实SxtN在先前鉴定的氮原子上安装磺基,而且还发现SxtSUL选择性地硫酸化由GxtA产生的羟基。

与通常用于天然产物化学合成的非酶促转化不同,这些酶促反应对PST支架上的单个位点具有高选择性,并且耐受复杂分子中嵌入的许多密集堆积的反应性化学基团的存在。 PST的体系结构。Lukowski等。因此能够直接从蛤蚌毒素生产各种硫酸化PST。当他们测量这些化合物的生物活性时,结果证实向PST中加入多个磺基可降低化合物对电压门控钠通道的结合亲和力。这有力地表明磺基可降低PST毒性,进一步突出了它们掺入基于PST的候选药物的潜力。

使用生物合成酶来修饰PST代表了一种策略,它不同于更常用于制造这些天然产物类似物的化学合成方法12。尽管这些合成努力中的许多都取得了成功,但由于具有挑战性的PST体系结构,它们通常涉及长序列的反应并产生低产量的产品 - 其中含有大量活性氧和氮原子,这使得使用更多 - 标准化学反应。Lukowski及其同事的研究结果现在为研究人员提供了将传统合成化学与生物催化相结合的机会,使用酶进一步修饰通过合成途径获得的PST支架。这可以潜在地简化对这些天然产物的硫酸化形式的获取。最终甚至可能使用这种方法来制备非天然PST类似物用于评估作为候选治疗剂。

然而,在这些磺基转移酶可以完全整合到PST合成中之前,必须克服很大的障碍。它们的催化效率非常低,而且尚未大规模使用--Lukowski及其同事以亚毫克规模工作,但最终需要多克量的PST类似物用于候选药物的临床前开发。此外,尚未评估酶对非天然PST支架或相关毒素家族成员的反应性。如果使用酶工程可以优化磺基转移酶的反应性和选择性,这些生物催化剂将成为寻找新的疼痛疗法的有力合成工具。

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