主編：克裡斯托弗·沃爾什（Walsh）教授曾在麻省理工學院和哈佛醫學院任教，現在斯坦福大學的ChEM-H研究所工作。唐  奕（Yi Tang）是加州大學洛杉磯分校化學與生化工程繫和化學繫教授。他們已經發表了三百多篇有關主要天然產物生物合成的研究論文。他們的研究小組闡明了可用於組裝聚酮化合物，非核糖體肽和翻譯後修飾的新蛋白，氧化異戊二烯骨架，肽基核苷和真菌生物堿的化學原理和新型酶。通過對真菌基因組進行測序以鋻定新的生物合成基因簇，工程酵母細胞中的異源表達，過量生產，分離和結構表征，他們在幾類天然產物中鋻定了基因，由基因編碼的酶和新穎的次級代謝產物的結構。

  譯者：胡友財，中國醫學科學院藥物研究所，研究員，博士生導師，國家“千人計劃”青年項目入選者，國家自然科學基金優青科學基金獲得者，北京協和醫學院“協和學者”特聘教授。

研究方向：天然產物化學和天然藥物生物合成研究。在天然產物發現方面，成功利用基因組挖掘技術激活真菌中的沉默基因簇，發現大量常規條件下難以產生的活性化合物。在生物合成方向成功解析了潛在抗腫瘤藥細胞松弛素E、蛋白磷酸酶2A抑制劑Rubratoxin A以及Caspase 3抑制劑Duclauxin等重要分子的生物合成機制，發現多種功能獨特的適用於合成生物學器件。

擔任《Acta Pharmaceutica Sinica B》、《Chinese Chemical Letters》、《Chinese Journal of Natural Medicines》、《藥學學報》、《天然產物研究與開發》青年編委； 《中國中藥雜志》第十二屆編委。兼任北京藥學會第十六屆理事會理事、北京藥學會天然藥物專業委員會副主任委員、中國菌物學會菌物化學專業委員會副主任委員。

第Ⅰ部分天然產物簡介

第1章  天然產物骨架的主要類型及生物合成酶學機制003

1.1  引言  003

1.2  初級代謝和次級代謝產物  006

1.3  聚酮類天然產物  008

1.4  肽類天然產物  010

1.5  異戊二烯/萜類天然產物  014

1.6  生物堿  017

1.7  含嘌呤和嘧啶的天然產物  021

1.8  苯丙素  021

1.9  糖基化的天然產物  022

1.10  天然產物骨架的多樣性來自有限的合成砌塊和有限的酶家族  026

1.11  次級代謝途徑中一些值得注意的和不尋常的轉化  028

1.12  廣泛存在於天然產物生物合成途徑中的加氧酶  029

1.13  天然產物生物合成中的碳-碳鍵  030

1.14   同位素標記實驗驗證生物合成假說  034

1.15  對天然產物檢測和表征的方法  036

1.16  小結：不同類型的天然產物具有不同的組裝原理  038

1.17  卷尾  038

參考文獻  039



第Ⅱ部分六類天然產物

第2章  聚酮類天然產物045

2.1  引言  045

2.2  聚酮類化合物具有多種多樣的骨架結構和治療價值  047

2.3  作為脂肪酸和聚酮類化合物合成砌塊的乙酰輔酶A、丙二酸單酰輔酶A及丙二酸單酰-S-酰基載體蛋白  048

2.4  脂肪酸生物合成原理及酶學機制適用於聚酮合酶  050

2.5  聚酮合酶（PKS）  053

2.6  主要聚酮結構的生物合成  058

2.7  聚酮合酶裝配線上或線下經[4 2]環化而成的聚酮類化合物：協同進行還是逐步進行？  065

2.8  多烯亞類的聚酮化合物  076

2.9  源自聚酮的聚醚類代謝產物  079

2.10  聚酮與其他天然產物在合成途徑上的融合  084

2.11  裝配線下的後修飾酶  087

參考文獻  088



第3章  多肽來源的天然產物095

3.1  引言  095

3.2  核糖體與非核糖體氨基酸的寡聚特性  098

3.3  使新生蛋白具有變形緊湊骨架的翻譯後修飾：RIPPs  100

3.4  非核糖體肽合成酶裝配線：形成高度變形肽骨架的替代途徑  117

3.5  非蛋白源氨基酸合成砌塊  118

3.6  NRPS裝配線原理：啟動、起始、延伸、終止  123

3.7  NRPS終止步驟中的不同鏈釋放方式  126

3.8  NRPS裝配線的結構特征  130

3.9  肽鏈的裝配線前、裝配線上以及裝配線下修飾  132

3.10  NRP-PK雜合體：機制和實例  133

3.11  小結  141

參考文獻  142



第4章  異戊二烯類/萜類147

4.1  基於異戊二烯的骨架結構蘊含種類豐富的天然產物  147

4.2  2-及3-異戊二烯基焦磷酸是生物體中用於頭-尾式烷烴鏈延伸的異戊二烯合成砌塊  148

4.3  長鏈異戊烯基焦磷酸骨架  150

4.4  合成IPP異構體的兩條途徑：經典及非經典途徑  152

4.5  兩分子2-IPP間的自縮合形成菊酰基環丙基骨架  155

4.6  碳正離子引發的骨架重排及淬滅  156

4.7  頭-頭及頭-尾模式的烷基化偶聯：C30和C40萜類化合物  164

4.8  角鯊烯2,3-氧化物及環化的三萜  167

4.9  由八氫番茄紅素生成胡蘿卜素和維生素A  182

4.10  異戊二烯類與其他類天然產物之間的反應  187

4.11  由焦磷酸香葉酯生成裂環馬錢素：異胡豆苷及上千種生物堿的前體  191

參考文獻  194



第5章  生物堿199

5.1  引言  199

5.2  生物堿家族的分類  200

5.3  生物堿生物合成途徑中常見的酶促反應  202

5.4  三種芳香氨基酸用作生物堿的合成砌塊  207

5.5  色氨酸用作生物堿的合成砌塊  218

5.6  以鄰氨基苯甲酸作為起始和用於構建真菌肽基生物堿的復雜性  226

5.7  由色氨酸生成吲哚並咔唑類生物堿  233

5.8  由色氨酸氧化二聚化形成terrequinone  236

5.9  其他生物堿：甾體生物堿  237

5.10  小結  240

參考文獻  241



第6章  嘌呤和嘧啶衍生的天然產物245

6.1  引言  245

6.2  DNA和RNA中各嘌呤和嘧啶間的配對  246

6.3  RNA世界的遺跡  249

6.4  嘌呤和嘧啶的經典生物合成路徑  250

6.5  咖啡因、可可堿和茶堿  252

6.6  植物異戊烯基腺嘌呤：細胞分裂素  253

6.7  核糖核苷酸的成熟及嘌呤和嘧啶天然產物的修飾  254

6.8  肽基核苷  261

6.9  小結  269

參考文獻  270



第7章  苯丙素類天然產物的生物合成275

7.1  引言  275

7.2  由苯丙氨酸生成對香豆酰輔酶A  277

7.3  單木質醇、木脂素和木質素的生物合成  281

7.4  從對香豆酰輔酶A到所有其他類型苯丙素  290

7.5  從查爾酮到黃烷酮類化合物等  296

7.6  肉桂酸來源的苯丙素類  305

7.7  後留意一種不同的苯丙素途徑：酪氨酸作為質體醌和生育酚類的前體  310

7.8  小結  313

參考文獻  314



第8章  吲哚萜類：生物堿Ⅱ319

8.1  引言  319

8.2  由色氨酸生成三環骨架的兩條途徑：β-咔啉和吡咯並吲哚  319

8.3  以Trp-Xaa二酮哌嗪NRPS裝配線產物為底物的區域選擇性異戊烯基化  322

8.4  吲哚環上的七個親核位點：豐富的可能性  325

8.5  真菌中由DKP產生色氨酸來源的生物堿  329

8.6  細菌中五環吲哚咔唑類化合物的形成  335

8.7  長春堿類化合物：從異胡豆苷到水甘草堿再到文多靈  337

8.8  鞘絲藻毒素：單一生物合成途徑中吲哚環上的單電子和雙電子反應模式  339

8.9  由色氨酸生成環匹阿尼酸  343

8.10  小結  346

參考文獻  346



第Ⅲ部分  天然產物生物合成途徑中的關鍵酶

第9章  天然產物碳-碳鍵形成中的碳自由基353

A.加氧酶

B.氧依賴型鹵代酶

9.1  引言  353

9.2  初級代謝與次級代謝中的加氧酶  355

9.3  氧化酶與加氧酶  358

9.4  加氧酶中的有機和無機輔因子  361

9.5  鐵依賴的加氧酶和黃素依賴的加氧酶催化的加氧反應的範疇與機制  363

9.6  特定天然產物途徑中的加氧酶  370

9.7  碳自由基與羥基自由基捕獲的解偶聯：天然產物生物合成中鐵依賴酶的次要還是核心目的？  381

9.8  氧依賴型鹵代酶  389

9.9  底物氟化的非氧化途徑：氟化酶  397

9.10  小結：高價鐵（高價鐵氧物種）反應中間體的化學多功能性  397

參考文獻  399



第10章  S-腺苷甲硫氨酸：生物合成中單電子和雙電子反應形式407

10.1  引言  407

10.2  SAM的有氧自由基化學反應  411

10.3  SAM的厭氧自由基化學反應  415

10.4  自由基SAM酶的反應範疇  419

10.5  SAM用作輔酶  422

10.6  SAM作為可消耗的底物：無甲基轉移  425

10.7  惰性碳中心的甲基化：消耗兩分子SAM生成兩組不同的產物  433

10.8  SAM的反應性和功能總結  439

參考文獻  440



第11章  低聚糖和糖苷類天然產物445

11.1  引言  445

11.2  葡萄糖是初級代謝中主要的己糖  452

11.3  糖基化天然產物的展示  461

11.4  NDP-葡萄糖轉變為NDP-修飾己糖的化學邏輯  467

11.5  糖基轉移酶與糖苷酶的平衡：氰苷和硫代葡萄糖苷  474

11.6  氨基糖苷類：的寡糖  480

11.7  卡那霉素、妥布霉素、新霉素  481

11.8  鏈霉素  483

11.9  默諾霉素類  484

11.10  小結  488

參考文獻  488



第Ⅳ部分  基因組非依賴性和基因組依賴性的天然產物發現

第12章  天然產物的分離和表征：不依賴基因的方法  493

12.1  引言  493

12.2  天然產物分離方法的歷史和現狀  493

12.3  特定天然產物的分離和表征  496

12.4  研究實例：歷史與現狀  499

12.5  五種植物來源的天然產物  500

12.6  三種微生物代謝產物   508

12.7  天然產物庫的擴充  511

參考文獻  532



第13章  後基因組時代的天然產物539

13.1  引言  539

13.2  利用生物信息學和計算來預測生物合成基因簇  544

13.3  膦酸酯類天然產物：基因組學能定義出完整的集合嗎？  546

13.4  異源表達繫統概述  550

13.5  途徑重構的精選實例  552

13.6  細菌基因組中基於生物信息學的天然產物發現  562

13.7  大腸杆菌中的異源表達  563

13.8  利用代謝工程產生多樣化產物  566

13.9  采用即插即用的方法從細菌克隆轉錄沉默的未知功能基因簇  569

13.10  後基因組時代的比較代謝組學  571

參考文獻  574



主題詞索引  578

譯者前言

天然產物是新藥發現的重要源泉。隨著基因組學、生物信息學、分子生物學、分子遺傳學與天然產物化學的不斷發展與交叉融合，天然產物的研究出現了新的發展機遇與挑戰。在近二十年來，成千上萬的微生物基因組和植物基因組不斷被測序，如何利用這些基因組數據來高效地發現自然界中的新天然產物，以及它們在生物體內如何形成與調控，有何生理與藥理作用，這些問題已成為後基因組時代天然產物研究的重點和熱點。《Natural Product Biosynthesis: Chemical Logic and Enzymatic Machinery》就是一本關於在基因和蛋白水平上闡釋天然產物生物合成的教科書級的完整專著，它彙集了研究天然產物的發現與生物合成的現代方法與基礎知識。

本書首先概述了天然產物的主要類別，然後詳細討論了六種不同類別天然產物形成的化學原理，並介紹了天然產物生物合成途徑中關鍵酶的結構生物學、功能和機制，後對基因組依賴和非基因組依賴的天然產物發現的主要方法進行了總結和討論。本書的信息量非常大，對於那些有興趣更好地理解天然產物是如何由簡單的初級代謝合成砌塊組裝而成的高年級本科生、研究生和科研人員來說，它都是一本必不可少的教材和工具書。

我們與化學工業出版社合作，承擔了本書的翻譯工作。希望本書的出版能夠加深本領域科研人員對天然產物的發現與生物合成研究模式的理解，並掌握天然產物生物合成過程中的化學原理與酶學機制。

在翻譯過程中，我們尊重原著的行文方式和敘述風格，力求翻譯準確科學。但由於水平所限，疏漏及不妥之處在所難免，殷切希望廣大讀者批評指正。

感謝中國醫學科學院藥物研究所天然藥物活性物質與功能國家重點實驗室的部分工作人員和研究生（柏健、闫道江、劉冰語、張亞龍、張樂、張晨、劉安安、劉家旺、鐘貝芬、張禧林、鄭曉明、謝麗媛）參與了部分翻譯工作。同時感謝西南大學鄒懿教授、上海交通大學唐滿成教授、福建師範大學李力教授、中國科學院微生物研究所尹文兵研究員和劉玲研究員、中國海洋大學李德海教授以及浙江大學毛旭明教授等參與譯稿的校對。感謝中國醫學科學院藥物研究所於德泉院士為本書作序。

後，我們向化學工業出版社的領導和編輯表示衷心感謝，他們在本書的策劃、翻譯和出版過程中付出了飽滿的熱情與辛勤的勞動。



胡友財

中國醫學科學院藥物研究所

2020年7月





前言

天然產物這個詞對不同的受眾有不同的影響。一方面，基於“天然的就是好的”這個簡單且由來已久的前提，消費者對天然有機食品、補品和保健食品的興趣持續存在。對於化學家和藥學家（研究天然藥用物質的專家）而言，天然產物的研究共同涉及分子本身，其分離、結構表征與初始功能表征（化學家）以及它們在人類急、慢性疾病治療中的作用（藥學家）。在近幾十年中，特定的天然產物，如渥曼青霉素、布雷菲德菌素、星形孢菌素、trapoxin等很多天然產物，已成為細胞生物學家研究信號轉導、細胞生長和分裂、蛋白質分泌以及細胞凋亡的幾乎所有方面的有力工具。

從歷史上看，天然產物在民間醫學中已使用了至少4500年，可追溯到早期的埃及和蘇美爾的文字記錄。從19世紀初的幾十年開始，化學家開始分離純的生物堿。以1817年的嗎啡開始，標志著延續了幾千年使用含多種混合物的植物提取物變成使用純的單分子制劑的個主要轉折點。在過去的兩個世紀中，來自植物、真菌和細菌的天然產物庫的表征推動了有機化學的許多概念和實踐的進展。這些工具包括質譜分析儀和復雜的二維高場核磁共振（NMR）等分析工具，貫穿了天然產物全合成的黃金時代。對於藥物化學家而言，不同類別天然產物的骨架已成為新藥半合成及全合成方法的起點和/或靈感（例如從鬼臼毒素到依托泊苷，從星形孢菌素轉化為很多合成的雜環蛋白激酶抑制劑）。

第二個主要轉折點激起了天然產物領域的復興，它就是過去二十年中成千上萬個微生物基因組可被獲取以及一些植物基因組探索的開始。對天然產物生物合成能力的生物信息學分析，又稱基因組挖掘，已成為化學、生命科學和醫學交叉領域的核心學科。除了將提及的微生物生物合成基因是簇集的（因此更容易被發現、查詢和整體遷移）這個前提外，生物信息學分析還顯示，許多放線菌、黏細菌和真菌均具有約30～50個可預測的聚酮化合物、非核糖體肽以及萜烯生物合成基因簇。在標準實驗室培養技術下，此類菌株通常產生1～5種天然產物：因此，要探索的天然產物的範圍立即增加了一個數量級。假設在接下來十年左右的時間內發現20000個微生物基因組序列，這將為所示的三類天然產物提供約106個生物合成基因簇，其中有99%以上尚未被研究。此外，大量植物和真菌生物堿以及植物衍生的苯丙素類化合物並未計算在上述預測中。

在這個天然產物研究復興的時期，可以通過許多研究途徑來發現自然界中未被發現的新分子。在許多治療領域，從感染性疾病（β-內酰胺類抗生素，紅霉素，四環素，氨基糖苷類）到癌癥（長春新堿，紫杉醇）、免疫抑制劑（環孢菌素，雷帕霉素，FK506）、降血脂藥（洛伐他汀），天然產物成為確有療效的新藥的主要貢獻者。天然產物的未知骨架將在多大程度上繼續闡明新的治療方式，這是後基因組時代的一個挑戰，同時也是新的機遇。

本書涵蓋了主要類型天然產物（聚酮化合物，肽，核苷，類異戊二烯/萜類化合物，生物堿，苯丙素和糖苷）的生物合成。本書的編寫不是百科全書式的，也不是闡明每一種亞型天然產物或有趣的化學官能團，而是將每一種天然產物結構類型所遵循的化學原理加以整理，因為它們都是由初級代謝產物的合成砌塊組裝而成。在每一類天然產物中都講述了幾種簡單的反應類型，有些在初級代謝中常見，有些在次級代謝途徑中比初級代謝途徑更頻繁出現。

在上述提及的七種天然產物中，隻有聚酮類化合物（PK）和非核糖體肽（NRP）兩種是在酶裝配線上構建的，其中生長鏈作為硫酯共價連接到載體蛋白結構域上。雜合的非核糖體肽-聚酮骨架包含一些自然界中治療意義的分子（雷帕霉素，FK506，博來霉素，埃博霉素），它們在PK和NRP雜合裝配線上被合成。聚酮酶化學的主要反應是用於C-C鍵形成的迭代性脫羧硫代克萊森縮合反應，其本質上是碳負離子化學。

而異戊二烯類/萜類化合物作為目前多的一類天然產物，擁有超過5萬個已知分子，是由利用可擴散的底物、中間體和產物的酶組裝而成的。該類化合物的化學原理基本上是碳正離子化學。這種方式始於從Δ2-異戊烯基-PP合成砌塊開始的烯丙基碳正離子的形成，通過烷基化縮合形成特定骨架，在該骨架上陽離子會誘導一些劇烈的骨架重排。從三萜類的角鯊烯和2,3-氧化角鯊烯環化成為四環和五環產物骨架，使得由陽離子驅動的反應流繼續進行，並突出了C-C鍵形成反應中雙鍵π電子的親核作用。

與產物骨架中基本不含氮原子的聚酮化合物、異戊二烯類和苯丙素類化合物相反，肽、核苷和生物堿中所含的氮是這幾類物質的核心。數量多同時也是結構上多樣化的一類天然產物包括生物堿，部分原因是它們是根據雜環中至少有一個堿性氮的標準來進行實驗定義的，該標準源於遊離堿和鹽形式之間來回變化的分離方案。生物堿的範圍從簡單的單環胺到極其復雜的骨架：鴉片類、有毒物質士的寧、抗瘧的奎寧、二聚的抗腫瘤藥長春花生物堿——長春堿和長春新堿。

這幾類天然產物骨架成熟的普遍特征之一是通過加氧酶對新生產物骨架進行修飾。加氧酶很少用於初級代謝途徑，甾體類除外（而且由於存在過多的植物甾體骨架，人們可能會將甾體歸為初級代謝和次級代謝之間的橋梁）。 相比而言，加氧酶常在植物和微生物次級代謝產物的成熟過程中發揮作用。一個特別明顯的例子是在C20的異戊二烯類化合物紫杉二烯周圍引入八個氧原子，從而生成微管蛋白抑制劑和抗卵巢癌藥物紫杉醇。

我們對加氧酶進行了詳細介紹，這是因為加氧酶不僅是天然產物酶學機制的關鍵因素，而且在碳自由基的形成和均裂的C-C鍵形成中發揮作用。我們注意到在許多情況下，分子氧還原可生成酶結合的高價氧鐵，從而引發底物C-H鍵均裂。在某些情況下，分子內C-C或C-X鍵的形成與純粹的羥化產生競爭。在這些情況下，氧氣的輸入是隱性的，但反應流是基於自由基的，這與聚酮類化合物和異戊二烯類化合物中異裂的C-C鍵形成流相反。苯丙素類化合物木脂素骨架也是通過苯氧自由基二聚酶學機制構建的。

另外兩章專門討論酶的類別，這些酶通常不會在其他主題中作為天然產物生物合成的特征被提及。其中之一是S-腺苷甲硫氨酸（SAM），其功能不是大家熟知的作為[CH3 ]的供體來進攻共底物的親核試劑，而是作為自由基引發劑，繼續通過自由基中間體形成C-C鍵。在兩種情況下（需氧時使用O2，而厭氧時使用SAM和四鐵/四硫簇酶），自由基化學在各種天然產物骨架的C-C鍵形成過程中發揮作用。

第二個重點章節涉及天然產物糖苷。糖通常被視為天然產物成熟後再需考慮的物質，基本上在每一類天然產物的定位、溶解性和功能活性方面都有許多用途。由生物合成基因簇中編碼的酶催化的特定脫氧己糖和氨基脫氧己糖的生物合成證明了這些途徑中糖基部分的重要性。葡萄糖或核糖作為親電試劑在C1′處被激活的化學原理揭示了所有糖基化天然產物都通過C1′連接的原因。

本書的後部分探討了天然產物分離的策略，從歷史上重要的藥用產物的分離到後基因組時代面臨的如何從幾十萬個未驗證的基因簇中優選出可產生新骨架和新活性的基因簇的挑戰。鋻於遺傳學、基因組學、合成生物學、異源表達和基因簇激活等新方法的深度融合，考慮到當前這些技術可能很快就會過時，因而我們不會對某一項技術進行深入介紹。相反，我們是進行概述，並提出關於標準建立的戰略性問題，以增加發現具有新穎結構和功能特性的天然產物的可能性。