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上海交大科研成果有望造福淋巴瘤和白血病等患者

来源:上海教育新闻网 作者: 2013-2-21

摘要: 这是一个关于抗肿瘤抗生素链黑菌素的故事。上海交通大学微生物代谢国家重点实验室林双君研究小组通过对包含48个独立基因的较为庞大的链黑菌素生物合成基因簇进行基因解析,阐明了链黑菌素的非常复杂的生物合成途径,实现了抗肿瘤抗生素链黑菌素及其类似物的高效生物合成。昔日抗癌良药重现活力链黑菌素是由一株绒毛链霉菌......


上世纪七、八十年代,它曾被作为抗癌良药应用于临床试验,却为什么从此“沉默”起来?它身上到底有什么魅力,让科学家们60年从未停止研究的脚步?如何让它重新焕发活力,重上“战场”,与癌症作斗争,为癌症患者带来希望和福音? 

这是一个关于抗肿瘤抗生素链黑菌素的故事。 

上海交通大学微生物代谢国家重点实验室林双君研究小组通过对包含48个独立基因的较为庞大的链黑菌素生物合成基因簇进行基因解析,阐明了链黑菌素的非常复杂的生物合成途径,实现了抗肿瘤抗生素链黑菌素及其类似物的高效生物合成。该研究成果最近已正式发表在《美国化学会会志JACS,2013,135(5):1739-1748》上。 

昔日抗癌良药重现活力 

链黑菌素是由一株绒毛链霉菌所产生的抗肿瘤抗生素,它具有广谱的抗肿瘤活性,特别是对恶性淋巴瘤、慢性淋巴细胞白血病、和慢性粒细胞白血病具有较好的临床疗效。该药在上世纪七、八十年代,曾被称为抗癌良药应用于临床实验,但最终在临床上没有得到广泛应用。 

称它为抗癌良药是因为链黑菌素对白血病等恶性肿瘤疗效很好。通过它与DNA的结合,能够干扰并抑制细胞DNA和依赖于DNA复制的RNA的合成,它能够通过选择性的作用在细胞DNA上,来诱导DNA的断裂和降解,此外,它还可以抑制拓扑异构酶II的活性。链黑菌素还有强烈的抗病毒活性,能够诱导溶源性细胞,并对多种细菌和真菌生长具有抑制作用。 

虽然活性突出,但在进入二期临床实验时,因其明显的毒副作用而被迫暂时终止。自链黑菌素被发现至今已有近60年,但它新颖的化学结构和突出的生物学活性并没有让生物学、化学及药物学家们停上研究的步伐。一直以来,科学家们对它进行深层次的化学生物学和合成研究,以期创造新结构和新活性衍生物。 

林双君研究员解释说,关于链黑菌素,有两个关键词:一是活性,二是毒性。它的活性是它与癌细胞作斗争的利器;而毒性则是它的致命缺陷。通过对链黑菌素的生物合成研究,可以做到“扬长避短”。通过对基因的操作,产生突变菌株,实现改变其原来结构,然后通过发酵条件优化和合成途径优化,产生链黑菌素的类似物或中间体。“活性提高,毒性却大幅降低,这为链黑菌素药物的二次开发提供了新的机会。” 

首次利用基因技术实现链黑菌素类药物的合成 

基因组测序技术的迅猛发展为人们提供了巨大的基因资源库,为生物合成机制的研究提供了更多的信息。以抗生素的主要产生菌链霉菌为例,单个菌株至少具有25-30种,甚至更多的次生代谢产物生物合成基因簇,然而基于目前实验室条件下,所得的化合物种类却少很多。这说明,在已分离的微生物资源中,由于受到培养条件制约而导致化合物产生受抑,或者基因簇自身就是沉默的,需要特定的调控因子和外界环境因子的诱导。基因组的挖掘技术Genome mining为人们找到更多的天然产物提供了可能。 

林双君研究员带领研究小组首先克隆了这个潜在的抗生素基因簇,确定了其中的关键基因与链黑菌素生物合成的直接关系,并最终定位出链黑菌素的生物合成是由48个独立基因编码的。 

之后,林双君又带领课题小组综合利用微生物遗传学、化学及生物化学技术和手段,获得了其中17个基因的突变菌株,从中分离鉴定了12个与链黑菌素生物合成相关的化合物的化学结构,最终合理地提出了链黑菌素生物的合成途径的模型。在这一过程中,多个新颖或关键的酶催化反应的分子生物学机制也被揭示。该项研究为抗生素药物新颖酶催化反应基因的挖掘,并利用合成生物学等前沿生物技术创造新的结构衍生物奠定了工作基础。 

林双君研究员提到,这是首次在基因水平实现链黑菌素的生物合成途径的解析。化学家们也在致力于链黑菌素及其衍生物的合成,希望能够找到应用于临床的新药。目前,已有化学家通过化学合成的方法合成出链黑菌素类似物。与化学合成的方法不同,基因工程技术的好处在于,一方面,它可以通过操作基因来优化和改造代谢途径,使得到的类似物可能符合临床应用的要求,同时可以针对某一特定的化合物提高其产量,从而实现成本的降低,并且减少环境污染;另一方面,它可以挖掘新的生物化学反应,对揭示自然界的生化现象和规律,发现有价值的酶学反应,具有重要的意义。 

有望造福淋巴瘤和白血病等癌症患者 

林双君研究员课题小组通过基因工程技术所获得的一个链黑菌素类似物,不仅在抗癌活性上比目前临床使用的抗癌药物依托泊苷和替尼泊苷高很多,而且在毒性上比原始的链黑菌素降低了约5倍。因此,这个类似物在临床应用方面,对治疗淋巴瘤、白血病、鼻炎癌等疾病将有更大的优势。 

对药物来说,疗效是重要的一方面,但是药价是我们老百姓所更关心的。据介绍,目前,链黑菌素标准品的价格非常昂贵,1毫克化合物需要约900元人民币,而它的类似物要4000元人民币。很明显,这个价钱,对一般普通家庭来说,是一个很大负担。 

要降低老百姓的用药成本,那么一个可行的办法就是提高产量,所以林双君研究员提出通过基因工程手段来实现产量提高。以前,这个有前景的类似物是由另一株链霉菌产生的,并且产量极低。然而,他们的研究成果目前可以达到约200毫克/升发酵液。这个产量比其原始产生菌要高出几10倍,但远没有达到林双君研究员的目标。 

林双君研究员给自己制定了“两步走”的目标:一是继续扎根基础研究,通过分子遗传学操作和蛋白功能重建,解析链黑菌素形成的酶学机理,同时获得更多的链黑菌素类似物。二是预计在两到三年内,使这个链黑菌素类似物产量提高到1克/升或以上。 

“到那时,就可以进入中试阶段,工业化规模化生产也就有了可能。”林双君研究员表示,现在美国加州一家药业公司,已和他取得联系,表达了合作开发的意向。提出只要将产量提高到可规模化生产,那么就可以通过抗体药物偶联方法将链黑菌素或类似物转化为一个新型的抗癌药物,这不仅极大提高化疗有效性,同时减少化疗时产生的毒副作用。“链黑菌素生物合成基因簇的获得及合成途径的解析将为链黑菌素的开发提供有很大的潜力和空间。相信在不久的将来,它将对临床医学产生重要影响,也将对抗癌药物结构和价格方面产生重要影响。” 


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