文|明月故人寻

编辑|明月故人寻

(资料图)

前言

大自然已经进化到产生具有高目标亲和力和特异性的天然产物，而天然产物一直是新型生物分子功能调节剂最丰富的来源。

自从沃勒化学合成尿素以来，有机化学家一直对天然产物很感兴趣，导致了过去两个世纪天然产物合成领域的发展，所以天然产物的合成其在药物发现和化学生物学中发挥重要作用。

随着合成效率的新颖、创新概念和策略的引入，21 世纪的天然产物合成已做好准备应对天然产物化学所面临的挑战和复杂性，并将继续对生物医学科学的进步至关重要。

天然产物在化学中的作用

多年来，自然界已经进化为生物体内的大分子靶标生产小配体（或天然产物），其中包含与许多人类蛋白质相似的结构域。

作为自然选择过程的结果，天然产物具有独特而广泛的化学多样性，与生物大分子具有最佳相互作用，由于这种多样性和特异性，天然产物已被证明是迄今为止新药开发最丰富的来源。

在 1981-2010 年实验的1355个新化学实体 (NCE) 中，540 个 (40%) NCE 是天然产物或天然产物衍生的。

特别是开发的 99 种小分子抗癌药物中的 63 种（64%）和 104 种抗生素中的 78 种（75%）均源自天然产物。

代表性的例子有青霉素V（抗生素）、红霉素（抗生素）、紫杉醇（抗癌）、蒿甲醚（抗疟疾）、加兰他敏（治疗阿尔茨海默病）（图1)。

图1 天然产物或天然产物衍生药物的例子

除了在新药开发中的关键作用外，天然产物作为生物分子功能的调节剂对化学生物学产生了深远的影响。

许多天然产物，包括 布雷菲尔德菌素 A（蛋白质转运）、毛喉素（cAMP 信号转导）、环孢素 A（NFAT/淋巴细胞信号转导）、雷帕霉素（mTOR 信号转导）和 trapoxin B（表观遗传学）已被用于系统地探索重要的细胞组分、分子事件和信号通路（图 2)。

图2 对化学生物学有贡献的天然产物的例子。

产物合成对化学的贡献

自沃勒合成尿素以来，有机化学家对天然产物产生了浓厚的兴趣，并推动了天然产物合成领域的发展，以利用天然产物独特的结构多样性、有趣的生物活性以及高目标亲和力和特异性。

以下示例展示了天然产物合成在药物发现和化学生物学探针开发中的重要作用。

圆皮海绵内酯是一种聚酮化合物天然产物，由于 1990 年首次从加勒比海深海海绵溶解性椎间盘血症中分离出来。

据报道，它通过稳定微管和阻止细胞周期的G 2 /M 阶段来抑制癌细胞的增殖。

因此，它被认为是临床开发的有前途的候选药物，可作为多种癌症的化疗药物，由于其显著的抗肿瘤活性，圆皮海绵内酯引起了制药行业的极大兴趣。

然而，存在巨大的材料供应问题限制了圆皮海绵内酯进入临床开发的进程。

由于圆皮海绵内酯仅占干燥物的 0.002wt%D. 溶解度是一种稀有的天然来源，无法提供临床研究所需的圆皮海绵内酯数量。

所以合成化学家们便开始迎接挑战，需要开发一种可扩展的合成方法来处理圆皮海绵内酯的复杂结构，最终在 1993 年首次全合成圆皮海绵内酯。

此后，其他几个全合成并报道了圆皮海绵内酯的各种片段构建，在 2004 年报道了 60 g (+)-圆皮海绵内酯的 39 步合成（最长线性序列中的 26 步）（方案一)。

方案一 (+)-圆皮海绵内酯的 Novartis 克级合成。

在这种复杂程度下制造天然产物的能力表明，可以实现复杂、具有挑战性的天然产物目标的全合成，从而在现代合成化学的帮助下为临床研究提供足够的材料。

在不承担其全部复杂性的情况下，天然产物合成中的一些中间体具有负责母体天然产物生物活性的关键结构元素。

这些中间体可用于确定天然产物的药效团，并且是类似物合成的重要起点，微球蛋白说明了这种方法的潜力，这是一种软海绵素 B 的高效类似物（方案二)。

方案二 卫材合成甲磺酸艾日布林

初步生物学研究表明，它通过以非竞争性方式结合微管蛋白的长春花结构域来干扰微管动力学，并抑制微管的生长，最终导致 G 2 /M 细胞周期停滞和细胞凋亡。

鉴于其在体外和体内的前景抗癌活性，软海绵素B在1980年代初被美国国家癌症研究所接受用于临床前开发。

然而，由于严重的材料供应限制，它作为一种可能的新化疗药物的未来仍然不确定，这些限制阻碍了天然产物通过药物发现管道的进展。

软海绵素与天然产物的组合

尽管从海绵中提取的软海绵素 B 的可用性非常有限，但独特的生物学特性使其成为一个极具吸引力的目标。

软海绵素 B 合成路线的建立允许合成和评估结构简化的类似物，这些类似物保留了他的抗癌活性。

具有生物活性的天然产物可以被认为是“特权”支架，它们在进化上被选择用于与生物大分子的特定区域结合。

它们有可能解决人口稀少、探索不足的化学空间，因此，许多学术和工业研究计划制备化合物来模拟天然产物独特的结构多样性。

通常，可能无法直接从天然产品中获得具有增强生物学特性潜力的结构修饰。

然而当假设驱动的天然产物类似物可以通过天然产物合成已经建立的合成路线来制备。

万古霉素由某一家药厂发现，是一种临床上重要的糖肽类抗生素，通过与肽聚糖中的 D-Ala-D-Ala 结合发挥抗生素作用，肽聚糖是细菌细胞壁生物合成的重要组成部分（图 3)。

图3 万古霉素和脒基万古霉素的结构

耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）出现后，万古霉素成为治疗耐药细菌感染的首选抗生素；然而，对万古霉素也产生了耐药性。

唯一显着的耐药形式源于肽聚糖前体中末端 D-丙氨酸变为 D-乳酸。这种修饰显着降低了万古霉素对肽聚糖的亲和力，使其无效。

在万古霉素的全合成之后，他们合成了一系列类似物，其中包括将位于万古霉素内部深处的酰胺修饰为脒的类似物（图 3）。

这种酰胺到脒的修饰保留了大量抗生素对万古霉素敏感菌株的活性，提高了化合物对万古霉素耐药菌株中修饰的肽聚糖的结合亲和力，并恢复了对万古霉素耐药细菌的全部抗菌活性。

这项工作证明了天然产物合成领域结构复杂的分子不仅可以通过全合成来制造，而且可以系统地修改和评估。

除了在药物发现中的关键作用外，天然产物合成还被用于应对生物学带来的迷人挑战。

使具有生物学意义的天然产物能够以足够的数量获得并修改天然产物的结构以用于化学探针开发已成为合成化学家的额外目标。

因此，天然产物的合成在化学生物学中具有特殊的作用。

重氮酰胺A 是从殖民地海洋海鞘中分离出来的，由于其对各种类型的人类癌细胞系具有强大的细胞毒性，因此引起了有机化学界的广泛关注 (图 4)。

图4 重氮酰胺 A 及其生物素化衍生物的结构

最初的 NCI 比较筛选表明，重氮酰胺 A 的抗肿瘤活性来自其微管结合活性。

然而，详细的机理研究表明，重氮酰胺 A 不会与其他微管蛋白结合剂（如秋水仙碱或长春花碱）竞争。

基于重氮酰胺 A 有趣的生物活性和显着的分子结构，完成了重氮酰胺 A 的全合成，为作用模式研究的结构修饰铺平了道路。

值得注意的是，这些研究还有助于纠正重氮酰胺 A 的 X 射线错误分配结构，并导致发现错误分配，其起源以及他提出并综合证实的关键结构重新分配。

使用重氮酰胺 A 的生物素化衍生物 (图 4), 当确定鸟氨酸 ™-氨基转移酶 (OAT)，一种线粒体基质酶，是天然产物的分子靶标。

这些机理研究提出了一种涉及 OAT 的独特作用模式，并将该蛋白质确定为化疗药物开发的靶标。

在这里，重氮酰胺 A 的全合成被证明是导致发现 OAT 在有丝分裂细胞分裂中意外的矛盾功能的关键里程碑。

另一个很好的例子突出了天然产物合成对揭示机制细节的贡献，是 Boger 小组在 、CC-1065 和 上的工作（图 5)。

图5 duocarmycins、yatakemycin 和 CC-1065 的结构

这些异常具有细胞毒性的天然产物选择性地结合和烷基化小沟富含 AT 区域中的 DNA。

通过利用天然产物的系统全合成和基本化学原理，然后生成了一系列合成类似物，并确定了天然产物的结构、反应性和生物效能之间的关系。

然后再用 DNA 结合引起的构象变化破坏天然产物中关键的插烯酰胺共轭，激活环丙烷进行亲核攻击，并作为 DNA 烷基化反应的催化剂。（图 6)。

图6 (+)-duocarmycin SA 的 DNA 烷基化模型。

除了详细阐明 CC-1065 的催化机制外，他们还通过制做具有一系列结构修饰的类似物揭示了内在化学反应性和生物活性之间的抛物线关系。

这些发现只有通过适用于系统模拟合成的高效、收敛的全合成才有可能。

结语

由于其广泛的结构多样性和有趣的生物活性，天然产物在生物医学科学中做出了重大贡献。

特别的是，天然产物一直是制药行业许多药物发现计划的主要推动力，然而，在过去十年中，制药行业对天然产物化学的重视程度逐渐下降。

这种低迷可归因于多种因素：首先，组合化学的发展和针对特定分子靶标的高通量筛选 (HTS) 的引入，促使许多公司放弃了天然产物提取物库。

从复杂的天然产物提取物中分离和纯化活性成分相关的挑战，天然产物中缺乏新实体，最后，化合物供应的挑战以及临床前和临床研究缺乏足够的结构多样化策略。

然而，组合化学和 HTS 的适度成功、色谱和光谱技术自动化的巨大进步以及基因组挖掘、新型异源表达系统和代谢工程的出现，重新点燃了人们对天然产物作为药物发现宝贵资源的兴趣。

与此同时，为了应对材料供应的挑战和缺乏足够的结构多样化策略，有机化学界一直在为天然产物的合成引入新的、令人兴奋的发展，因此，天然产物的合成变得越来越复杂。

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