《Bioorganic Chemistry》：Genome mining and metabolomics unveil new napyradiomycin antibiotics from Streptomyces sp. 0H2M
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王敏|陈诺|张启晨|C.本杰明·纳曼|王珊珊|刘立伟中国北京102617，北京石化工业学院新材料与化学工程学院摘要纳普拉迪奥霉素是一类倍半萜类天然产物，以其显著的抗菌活性而备受关注。在本研究中，通过基因组挖掘与代谢组学分析的结合，从链霉菌0H2M菌株中发现了四种新的纳普拉迪奥霉素
王敏|陈诺|张启晨|C.本杰明·纳曼|王珊珊|刘立伟
中国北京102617，北京石化工业学院新材料与化学工程学院
摘要
纳普拉迪奥霉素是一类倍半萜类天然产物，以其显著的抗菌活性而备受关注。在本研究中，通过基因组挖掘与代谢组学分析的结合，从链霉菌0H2M菌株中发现了四种新的纳普拉迪奥霉素衍生物SF2415B4（1）、SF2415B5（2）、SF2415B6（3）和SF2415B7（4），同时还发现了一种已知化合物A80915A（5）。通过光谱学和波谱分析技术，包括高分辨率质谱-电喷雾离子化、核磁共振以及DP4+分析，明确了这些化合物的结构。基因组测序揭示了一个潜在的生物合成基因簇，后续分析表明存在一种独特的生物合成途径，其中通过新型羟基化酶和卤素化酶实现了前所未有的结构修饰。生物学检测显示，这些化合物能够破坏细胞膜完整性，对枯草芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌以及耐甲氧西林金黄色葡萄球菌具有显著活性，最低抑制浓度在0.24到30.7微摩尔之间。此外，体外细胞毒性实验表明，化合物2–5能以浓度依赖的方式轻微抑制人类非小细胞肺癌A549细胞的存活，其IC50值分别为16.7、39.1、65.0和32.8微摩尔。这些化合物还能诱导A549细胞发生凋亡和自噬，表现为PARP切割产物水平上升、抗凋亡蛋白（Bcl-2、Bcl-xL和Survivin）表达下降以及LC3-II积累增加。这些研究结果为链霉菌中的天然产物化学以及纳普拉迪奥霉素类抗生素的药理学研究提供了新见解。
引言
纳普拉迪奥霉素是一大类倍半萜类天然产物，其特征为典型的半萘醌核结构、异戊二烯或单萜单元以及多个卤代碳立体中心。自1986年首次从一种海洋链霉菌菌株中发现这类化合物以来[1]，目前已鉴定出50多种此类化合物，它们具有多种生物活性，包括抗菌、抗病毒、细胞毒性、抗氧化、防污、抗炎以及抑制ATP酶活性[2]。其中一些纳普拉迪奥霉素衍生物在药物开发方面展现出巨大潜力。例如，A80915A和A80915B对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌具有强效活性，其最低抑制浓度在1到3微克/毫升之间[3]。此外，纳普拉迪奥霉素A1还能抑制人类脐静脉内皮细胞的管状形成，并阻止血管内皮细胞的迁移和侵袭[4]。最近，张等人[5]发现纳普拉迪奥霉素A4对伪狂犬病毒具有强效抗病毒活性，其IC50值为2.0微摩尔，治疗指数为14.98（见图1）。
纳普拉迪奥霉素的生物合成过程十分复杂，经过数十年的研究才逐渐被阐明。川崎等人[6]发现，1,3,6,8-四羟基萘核心结构是由III型聚酮合酶产生的，而异戊二烯侧链则来自甲羟戊酸途径。随后，Winter等人[7]确定了三种钒依赖性氯过氧化物酶——NapH1、NapH3和NapH4——是参与纳普拉迪奥霉素中萜烯单元氯化及环化反应的关键酶。Murray等人[8]进一步揭示了该生物合成的机制，他们通过保护好的四羟基萘衍生物合成了7-脱甲基萘萜醇和脱溴马林酮，从而得到了多种中间体，便于研究生物合成途径中的各个环节。在此基础上，McKinnie等人[9]提出了纳普拉迪奥霉素A1和B1的详细生物合成方案（见图1），描述了从简单前体到最终复杂结构的一系列酶促转化过程[2]、[9]。值得注意的是，在生物合成过程中，卤化作用对于实现高度的区域选择性和立体选择性起着关键作用[10]、[11]。尽管取得了这些进展，纳普拉迪奥霉素生物合成的某些方面仍不甚清楚，尤其是某些修饰酶的作用时机、特异性以及可能的辅助功能。不过，已知的生物合成机制为通过基因组挖掘策略寻找新的纳普拉迪奥霉素提供了有力基础，这一策略主要依赖于识别和解析生物合成基因簇[12]。
在本研究中，我们利用基因组挖掘技术寻找含有纳普拉迪奥霉素生物合成基因簇的候选菌株，随后通过液相色谱-质谱代谢组学技术验证了这些化合物的合成过程。最终，从来自沿海沉积物的链霉菌0H2M菌株中发现了四种新的纳普拉迪奥霉素SF2415B4-B7（1–4）以及已知化合物A80915A（5）。这五种化合物在体外均表现出较强的抗菌活性和温和的抗癌活性，我们还对其作用机制进行了初步研究。此外，还通过下一代DNA测序和基因簇分析，提出了这些化合物的潜在生物合成途径，这有助于我们更深入地理解这类化合物中多个卤代和羟基立体中心的形成机制。
章节节选
菌株分离
链霉菌0H2M菌株是从渤海湾（北纬39°09′29.8″，东经118°09′45.6″）深度约0.2米的泥质沿海沉积物中通过琼脂平板培养法分离得到的。具体操作为：将1克土壤样本悬浮在10毫升无菌水中，涡旋10分钟制成土壤浆液。让混合液静置5–10分钟后，取上清液进行100倍稀释，然后取稀释后的样品5微升涂布在ISP4、AIA和Gause合成培养基的琼脂板上。
目标菌株的分离与结构鉴定
为了高效发现新的纳普拉迪奥霉素，我们使用了antiSMASH [15]工具，根据实验室保存的链霉菌菌株的基因组序列预测次生代谢物生物合成基因簇。其中一种基于其16S rRNA基因序列的系统发育分析被确定为链霉菌0H2M菌株的菌株，该菌株含有30个生物合成基因簇，其中大多数具有产生新生物活性化合物的潜力。
结论
在本研究中，我们通过基因组挖掘与液相色谱-质谱代谢组学技术的结合，从链霉菌0H2M菌株中发现了四种新的纳普拉迪奥霉素（1–4）以及已知化合物A80915A（5）。这些化合物在体外对枯草芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌和金黄色葡萄球菌具有强效的抗菌活性，同时对A549非小细胞肺癌细胞也具有轻微的细胞毒性，这表明它们具有未来用于药物开发的潜力。此外，基因组测序和生物信息学分析也为进一步研究提供了支持。
CRediT作者贡献说明
王敏：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，验证，方法学，研究，资金获取，数据整理。陈诺：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，方法学，研究，正式分析，数据整理。张启晨：撰写——初稿，可视化，验证，方法学，研究，数据整理。C.本杰明·纳曼：撰写——审阅与编辑。王珊珊：数据整理，资金获取，资源获取。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了北京石化工业学院志远科学基金（编号2025101）和中国国家自然科学基金（编号31600016）的支持，同时还获得了宁波市自然科学基金重点项目（编号2024J035）的资助。
