红霉素的生物合成与衍生物的研究进展
崔小清 微生物与生化药学 [1**********]
摘要 红霉素及其衍生物属于大环内酯类抗生素，近年来作为抗菌药物被广泛使用在临床、养殖业和农业中。作为抗生素类生物合成的一种模式化合物，本文对红霉素的生物合成机制和红霉素衍生物的研究进展进行了概述，并对其前景作了展望。 Biosynthesis of Erythromycin and Research progress of its
Derivatives
Abstract Erythromycin and its Derivatives are belong to macrolide antibiot ics, recently, they,as Antimicrobial agents, are Widely used in clinical, aquaculture and agriculture. Being a model compound of antibiotic biosynthesis, research progress on erythromycin biosynthesis mechanism and erythromycin derivatives were reviewed, and the prospects were studied.
红霉素( erythromycin) 作为人类发现的第一个大环内酯类抗菌药物，它的临床应用可追溯到 20世纪50 年代，红霉素等大环内酯类抗生素主要用于治疗由革兰氏阳性菌引起的多种感染，不良反应为对消化道的刺激作用[1]，在临床和畜用上都具有良好的治疗效果，属人畜共用药物，由于红霉素在动物体内代谢时间较长，因此不可避免地在动物体内产生残留，其毒、副作用给人蓄带来危害[2]。对红霉素类抗生素的分析一直是药物分析中令人注目的研究课题，因此，自红霉素问世以来，红霉素衍生物的研究一直是抗菌药物研究的重要领域之一。
霉素最早于 1952 年从红色糖多孢菌(Saccharopolyspora erythraea) ，当时命名为红霉素链霉菌（Streptomyces erythreus) 的发酵产物里分离得到。红霉素 A 是发酵液的主要产物, 结构上由一个十四元环内酯及在大环内酯上接合两个糖基组成. 目前关于红霉素的生物化学方面的研究有许多报道，包括生物合成途径的阐明、关键酶结构的鉴定和催化机制的推导，以及产生菌的全基因组测序等，这为红霉素的组合生物合成提供了丰富的理论基础。也正因为如此，红霉素成为当今组合生物合成研究最为热点的模式化合物。由于大部分天然产物的结构十分复杂，采用化学方法进行合成或结构修饰往往非常困难[3]，近年来发展的组合生
物合成(Combinatorial biosynthesis) 技术为复杂天然产物及其类似物的获得提供了一条生物合成的方法，本文综述了近年来红霉素生物合成机制的相关研究以及其组合生物合成取得的进展。
1 红霉素的生物合成[4-5]
红霉素的生物合成包括2 个方面：大环内酯环的合成（见图1）和大环内酯环的后修饰（见图2）。
1. 1 大环内酯环( 6-deoxyery thronolide B, 6- dEB)的合成
6- dEB 的生物合成是由丙酸和甲基丙二酸在复合酶系多酮合成酶Ⅰ( poly- ketide synthase, P KS) 的催化作用下，经缩合、酮还原、脱水和烯还原等多轮循环完成的。
DEBS 由 DEBS1、DEBS2 和DEBS3 三条肽链组成。DEBS 的 3 条肽链每个都含有两套结构和功能相近的酶域( domain) ，每套酶域称为一个模块（module ，M) , 每个M 催化完成一轮碳链的延伸和还原，每个模块都有 3 个基本酶域。在 DEBS1 的 N 端有一个由 AT 和 ACP 组成的1 个起始模块( loading domain, LD)，负责选择和结合起始单元第一个小分子羧酸；在DEBS3 的羟基端有一个硫酯酶酶域( t hioesterase,TE)，负责将合成的长链脂肪酸从 P KS 上水解下来，并与 PKS 的其它部位共同作用，将产物环化成一个十四元环的化合物6-脱氧红霉内酯[6]。
6- dEB 的合成首先通过LD 中的AT0特异性识别丙酰辅酶A ，将其转移到ACP 0上作为合成的起始单元。随后起始单元被转移到module1的KS1上，同时module1的 AT 1特异识别甲基丙二酸单酰辅酶 A 为底物并将其转移到module1的ACP 1上。在 ACP 1上 KS1催化起始单元丙酰基与延伸单元物甲基丙二酸单酰基缩合形成β-酮完成第一轮延伸。其它 5 个module 采用类似的机理依次线性完成缩合，最终形成一个十四碳骨架的单元链。在 DEBS3 的羟基端TE 作用下，将合成的长链脂肪酸从 PKS 上水解下来并环化形成一个十四元环的化合物—6- dEB。
1. 2对大环内酯环的结构修饰
6- dEB 的后修饰首先是通过EryF 在C-6 位接上一个羟基形成红霉内酯(erythronolide B，EB, 7) ，在C-3 羟基的位置上由EryBV 连接上一个 L-碳霉糖
(mycarose)形成3-O-碳霉糖基红霉内酯(erythronolide B, MEB, 8). 紧接着又通过EryCIII 在C-5羟基的位置上连接一个D-德胺糖(desosamine)，从而形成红霉素合成中间代谢产物中第一个有生物活性的Er-D 。Er-D 在一个C-12 EryK 的催化下合成Er-C ，在EyG 作用下在C-3的碳霉糖上加上一个甲基合成最终产物Er-A 。此外，Er-D 也可以先在EryG 的作用下在C-3 碳霉糖的糖基上得到一个甲基合成红霉素 B ，再通过EryK 在C-12位置羟化合成红霉素A 。此条途径催化效率较低，为Er-A 合成的副途径 (图 2) 在红霉素工业生产的发酵液里有大量中间产物Er-B 和Er-C 积累。Er-B 和Er- C 的抗菌活性要比Er- A 低，毒副作用却比Er- A 大，在红霉素工业生产过程中属于很难除去但又必须除去的杂质，将Er-B 和Er-C 高效率转化为Er-A ，为今后提高红霉素的工业生产带来了新的途径。
图1 红霉素 DEBS 蛋白的模块组成
图 2 合成红霉素 A 的后修饰步骤
Figure 2 Post-PKS pathway in erythromycin A biosynthesis
图3 各类红霉素的结构
2 红霉素衍生物[7]
为解决红霉素衍生物的耐药性问题，多家跨国制药企业投入巨资对红霉素的化学修饰方法和红霉素衍生物抗菌活性构效关系进行了深入系统的研究，先后设计并
合成了酮内酯(ketolide) 、酰内酯( acylide) 和双环内酯（cyclolide ）等不同类型的化合物以及红霉素与其他抗菌药物结构片段的杂合物，希望从中发现具有抗耐药性的红霉素衍生物。
2.1 酮内酯(ketolide)
泰利霉素（4）Sanofi-Aventis 公司研制开发的第一个酮内酯类药物，3位上去除克拉定糖再转化为酮羰基，11与12位间形成 N-取代噁唑烷酮环，并在 A 上引入4-(4-(3-吡啶基) -咪唑-1-基) -丁基侧链，3位为羰基使泰利霉素( 4) 对耐药细菌保持活性，11、12位的噁唑烷酮环及含杂环侧链明显提升了药物与靶点的结合能力，使其抗菌作用大幅度增强。对多种细菌包括部分大环内酯耐药菌引起的肺炎! 支气管炎、扁桃体炎、咽炎和鼻窦炎等呼吸道疾病疗效突出。随着临床应用范围的扩展，发现极少数患者使用该药后出现肝功能衰竭等不良反应，泰利霉素 ( 4) 的安全性问题尚需进一步研究。
随着研究工作的不断深入，一些结构独特的酮内酯类化合物被合成出来，化合物 12 的11、12位羟基形成碳酸酯，9位成肟并连接含喹啉侧链，该化合物在三维结构上与泰利霉素近似，具有较强的抗耐药菌活性，化合物13其突出的结构特征是在5位氨基糖上的5’位甲基上引入了苯甲酰氧基团，该化合物的抗菌活性略优于泰利霉素
(4)
泰利霉素( 4) 12 13
2酰内酯
是继酮内酯之后的又一类具有抗耐药菌活性的红霉素衍生物，Johnson& Johnson 公司报道了一系列结构更为新颖的酰内酯类化合物，如化合物 14、15、16，在成功的经验加以发展，这些化合物均具有与泰利霉素相当的抗菌活性。
14 15 16
3 双环内酯
双环内酯是继酮内酯! 酰内酯之后的新类别的第三代大环内酯类抗生素，2008年，Or 课题组报道了不同系列的11、12位成3,6-噁唑酮环的双环内酯类化合物，并对其进行了药理活性研究，发现此类化合物的抑菌活性很高，尤其是17、18、19活性更为突出。
17 18 19
目前以红霉素A 为基础开发出来的第二代红霉素如阿齐霉素(2)、克拉霉素
(3)、罗红霉素(4)以及第三代红霉素泰利霉素(5)等是临床上广泛使用的抗生素之
一。这些对红霉素进行结构修饰所产生的新一代药物不仅能提高它的临床疗效， 甚至对原本红霉素的抗菌谱也有较大的扩展。显然，对红霉素进行结构改造在新药开发上具有巨大的潜力[5]。
随着抗菌药物的广泛使用，耐药细菌大量出现，红霉素及第二代大环内酯类抗生素对具有大环内酯外排基因的细菌仅有微弱活性，而对具有红霉素核糖体甲基化酶基因的细菌则完全丧失活性，为解决红霉素衍生物的耐药性问题，多家跨国制药企业深入系统的研究，先后设计并合成了酮内酯酰内酯和双环内酯学性质之间的关系以及消化道刺激作用产生的原因等相继被发现，促进了红霉素类抗
菌药物研究的发展，与红霉素相比，克拉霉素、阿奇霉素等第二代大环内酯类抗生素药代动力学性质明显改善，抗菌活性显著提高，消化道不良反应也有所下降，现已成为抗感染治疗的一线药物[4]。
抗耐药菌活性红霉素衍生物，第三代大环内酯类抗生素的研究是目前抗感染创新药物研究的热点领域之一，发展势头强劲，开发难度颇高，酮内酯研究十分活跃，受到多家跨国制药企业的高度关注；以solithromycin 为代表的氟酮内酯类化合物被寄予厚望，发展潜力巨大，目前已有酮内酯类药物上市，而酰内酯由于成药性不够理想，已经退出临床研究，其研发前景并不看好，双环内酯是第三代大环内酯类抗生素中的后起之秀，蕴含着新的发展机遇，尽管 modithromycin 的开发遇到一些挫折，但该类化合物结构多样性的潜力远未挖掘，构效关系的系统研究也刚刚起步，随着研究工作不断深化和拓展，通过对双环内酯类化合物抗菌活性进行深入研究，有望在此方面得到一些新的启发和突破。杂合物也是第三代大环内酯类抗生素研究的一个生长点，目前主要进路是大环内酯与喹诺酮杂合物，由于杂合物的作用机制尚未澄清，其发展过程还存在很多不确定因素，有待进一步观察，其他结构类型的抗菌活性红霉素衍生物的研究大多还处于摸索阶段，成药的前景并不明朗。
参考文献：
[1] NEU H C. Macrolides [M]. Paris: Amette Blackwell, 1993: 1-26.
[2] 马春宏, 李东影, 王仁章等. 红霉素类抗生素分析研究进展[J]. 长春师范学院学报. 2008: 4(27). 62-65.
[3] Shen, B.; Liu, W.; Nonaka, K. Curr. Med. Chem. 2003, 10, 2317.
[4] 孙 艳, 周仁清, 吴 琼. 红霉素生物合成的生物化学和基因学[J]. 微生物杂志. 2005: 2（25）:45-50.
[5] 吴杰群, 刘 文, 张嗣良. 红霉素的生物合成与组合生物合成[J]. 有机化学. 2012, 32, 1232-1240.
[6] Gokhale, R. S.; Hunziker, D; Cane, D. E.; Khosla, C. Chem. Biol. 1999, 6, 117.
[7] 孙 俊，王 展，张为革. 抗菌活性红霉素衍生物研究进展[J]. 沈阳药科大学学报. 2014,6: 6(31).493-504.
红霉素的生物合成与衍生物的研究进展
崔小清 微生物与生化药学 [1**********]
摘要 红霉素及其衍生物属于大环内酯类抗生素，近年来作为抗菌药物被广泛使用在临床、养殖业和农业中。作为抗生素类生物合成的一种模式化合物，本文对红霉素的生物合成机制和红霉素衍生物的研究进展进行了概述，并对其前景作了展望。 Biosynthesis of Erythromycin and Research progress of its
Derivatives
Abstract Erythromycin and its Derivatives are belong to macrolide antibiot ics, recently, they,as Antimicrobial agents, are Widely used in clinical, aquaculture and agriculture. Being a model compound of antibiotic biosynthesis, research progress on erythromycin biosynthesis mechanism and erythromycin derivatives were reviewed, and the prospects were studied.
红霉素( erythromycin) 作为人类发现的第一个大环内酯类抗菌药物，它的临床应用可追溯到 20世纪50 年代，红霉素等大环内酯类抗生素主要用于治疗由革兰氏阳性菌引起的多种感染，不良反应为对消化道的刺激作用[1]，在临床和畜用上都具有良好的治疗效果，属人畜共用药物，由于红霉素在动物体内代谢时间较长，因此不可避免地在动物体内产生残留，其毒、副作用给人蓄带来危害[2]。对红霉素类抗生素的分析一直是药物分析中令人注目的研究课题，因此，自红霉素问世以来，红霉素衍生物的研究一直是抗菌药物研究的重要领域之一。
霉素最早于 1952 年从红色糖多孢菌(Saccharopolyspora erythraea) ，当时命名为红霉素链霉菌（Streptomyces erythreus) 的发酵产物里分离得到。红霉素 A 是发酵液的主要产物, 结构上由一个十四元环内酯及在大环内酯上接合两个糖基组成. 目前关于红霉素的生物化学方面的研究有许多报道，包括生物合成途径的阐明、关键酶结构的鉴定和催化机制的推导，以及产生菌的全基因组测序等，这为红霉素的组合生物合成提供了丰富的理论基础。也正因为如此，红霉素成为当今组合生物合成研究最为热点的模式化合物。由于大部分天然产物的结构十分复杂，采用化学方法进行合成或结构修饰往往非常困难[3]，近年来发展的组合生
物合成(Combinatorial biosynthesis) 技术为复杂天然产物及其类似物的获得提供了一条生物合成的方法，本文综述了近年来红霉素生物合成机制的相关研究以及其组合生物合成取得的进展。
1 红霉素的生物合成[4-5]
红霉素的生物合成包括2 个方面：大环内酯环的合成（见图1）和大环内酯环的后修饰（见图2）。
1. 1 大环内酯环( 6-deoxyery thronolide B, 6- dEB)的合成
6- dEB 的生物合成是由丙酸和甲基丙二酸在复合酶系多酮合成酶Ⅰ( poly- ketide synthase, P KS) 的催化作用下，经缩合、酮还原、脱水和烯还原等多轮循环完成的。
DEBS 由 DEBS1、DEBS2 和DEBS3 三条肽链组成。DEBS 的 3 条肽链每个都含有两套结构和功能相近的酶域( domain) ，每套酶域称为一个模块（module ，M) , 每个M 催化完成一轮碳链的延伸和还原，每个模块都有 3 个基本酶域。在 DEBS1 的 N 端有一个由 AT 和 ACP 组成的1 个起始模块( loading domain, LD)，负责选择和结合起始单元第一个小分子羧酸；在DEBS3 的羟基端有一个硫酯酶酶域( t hioesterase,TE)，负责将合成的长链脂肪酸从 P KS 上水解下来，并与 PKS 的其它部位共同作用，将产物环化成一个十四元环的化合物6-脱氧红霉内酯[6]。
6- dEB 的合成首先通过LD 中的AT0特异性识别丙酰辅酶A ，将其转移到ACP 0上作为合成的起始单元。随后起始单元被转移到module1的KS1上，同时module1的 AT 1特异识别甲基丙二酸单酰辅酶 A 为底物并将其转移到module1的ACP 1上。在 ACP 1上 KS1催化起始单元丙酰基与延伸单元物甲基丙二酸单酰基缩合形成β-酮完成第一轮延伸。其它 5 个module 采用类似的机理依次线性完成缩合，最终形成一个十四碳骨架的单元链。在 DEBS3 的羟基端TE 作用下，将合成的长链脂肪酸从 PKS 上水解下来并环化形成一个十四元环的化合物—6- dEB。
1. 2对大环内酯环的结构修饰
6- dEB 的后修饰首先是通过EryF 在C-6 位接上一个羟基形成红霉内酯(erythronolide B，EB, 7) ，在C-3 羟基的位置上由EryBV 连接上一个 L-碳霉糖
(mycarose)形成3-O-碳霉糖基红霉内酯(erythronolide B, MEB, 8). 紧接着又通过EryCIII 在C-5羟基的位置上连接一个D-德胺糖(desosamine)，从而形成红霉素合成中间代谢产物中第一个有生物活性的Er-D 。Er-D 在一个C-12 EryK 的催化下合成Er-C ，在EyG 作用下在C-3的碳霉糖上加上一个甲基合成最终产物Er-A 。此外，Er-D 也可以先在EryG 的作用下在C-3 碳霉糖的糖基上得到一个甲基合成红霉素 B ，再通过EryK 在C-12位置羟化合成红霉素A 。此条途径催化效率较低，为Er-A 合成的副途径 (图 2) 在红霉素工业生产的发酵液里有大量中间产物Er-B 和Er-C 积累。Er-B 和Er- C 的抗菌活性要比Er- A 低，毒副作用却比Er- A 大，在红霉素工业生产过程中属于很难除去但又必须除去的杂质，将Er-B 和Er-C 高效率转化为Er-A ，为今后提高红霉素的工业生产带来了新的途径。
图1 红霉素 DEBS 蛋白的模块组成
图 2 合成红霉素 A 的后修饰步骤
Figure 2 Post-PKS pathway in erythromycin A biosynthesis
图3 各类红霉素的结构
2 红霉素衍生物[7]
为解决红霉素衍生物的耐药性问题，多家跨国制药企业投入巨资对红霉素的化学修饰方法和红霉素衍生物抗菌活性构效关系进行了深入系统的研究，先后设计并
合成了酮内酯(ketolide) 、酰内酯( acylide) 和双环内酯（cyclolide ）等不同类型的化合物以及红霉素与其他抗菌药物结构片段的杂合物，希望从中发现具有抗耐药性的红霉素衍生物。
2.1 酮内酯(ketolide)
泰利霉素（4）Sanofi-Aventis 公司研制开发的第一个酮内酯类药物，3位上去除克拉定糖再转化为酮羰基，11与12位间形成 N-取代噁唑烷酮环，并在 A 上引入4-(4-(3-吡啶基) -咪唑-1-基) -丁基侧链，3位为羰基使泰利霉素( 4) 对耐药细菌保持活性，11、12位的噁唑烷酮环及含杂环侧链明显提升了药物与靶点的结合能力，使其抗菌作用大幅度增强。对多种细菌包括部分大环内酯耐药菌引起的肺炎! 支气管炎、扁桃体炎、咽炎和鼻窦炎等呼吸道疾病疗效突出。随着临床应用范围的扩展，发现极少数患者使用该药后出现肝功能衰竭等不良反应，泰利霉素 ( 4) 的安全性问题尚需进一步研究。
随着研究工作的不断深入，一些结构独特的酮内酯类化合物被合成出来，化合物 12 的11、12位羟基形成碳酸酯，9位成肟并连接含喹啉侧链，该化合物在三维结构上与泰利霉素近似，具有较强的抗耐药菌活性，化合物13其突出的结构特征是在5位氨基糖上的5’位甲基上引入了苯甲酰氧基团，该化合物的抗菌活性略优于泰利霉素
(4)
泰利霉素( 4) 12 13
2酰内酯
是继酮内酯之后的又一类具有抗耐药菌活性的红霉素衍生物，Johnson& Johnson 公司报道了一系列结构更为新颖的酰内酯类化合物，如化合物 14、15、16，在成功的经验加以发展，这些化合物均具有与泰利霉素相当的抗菌活性。
14 15 16
3 双环内酯
双环内酯是继酮内酯! 酰内酯之后的新类别的第三代大环内酯类抗生素，2008年，Or 课题组报道了不同系列的11、12位成3,6-噁唑酮环的双环内酯类化合物，并对其进行了药理活性研究，发现此类化合物的抑菌活性很高，尤其是17、18、19活性更为突出。
17 18 19
目前以红霉素A 为基础开发出来的第二代红霉素如阿齐霉素(2)、克拉霉素
(3)、罗红霉素(4)以及第三代红霉素泰利霉素(5)等是临床上广泛使用的抗生素之
一。这些对红霉素进行结构修饰所产生的新一代药物不仅能提高它的临床疗效， 甚至对原本红霉素的抗菌谱也有较大的扩展。显然，对红霉素进行结构改造在新药开发上具有巨大的潜力[5]。
随着抗菌药物的广泛使用，耐药细菌大量出现，红霉素及第二代大环内酯类抗生素对具有大环内酯外排基因的细菌仅有微弱活性，而对具有红霉素核糖体甲基化酶基因的细菌则完全丧失活性，为解决红霉素衍生物的耐药性问题，多家跨国制药企业深入系统的研究，先后设计并合成了酮内酯酰内酯和双环内酯学性质之间的关系以及消化道刺激作用产生的原因等相继被发现，促进了红霉素类抗
菌药物研究的发展，与红霉素相比，克拉霉素、阿奇霉素等第二代大环内酯类抗生素药代动力学性质明显改善，抗菌活性显著提高，消化道不良反应也有所下降，现已成为抗感染治疗的一线药物[4]。
抗耐药菌活性红霉素衍生物，第三代大环内酯类抗生素的研究是目前抗感染创新药物研究的热点领域之一，发展势头强劲，开发难度颇高，酮内酯研究十分活跃，受到多家跨国制药企业的高度关注；以solithromycin 为代表的氟酮内酯类化合物被寄予厚望，发展潜力巨大，目前已有酮内酯类药物上市，而酰内酯由于成药性不够理想，已经退出临床研究，其研发前景并不看好，双环内酯是第三代大环内酯类抗生素中的后起之秀，蕴含着新的发展机遇，尽管 modithromycin 的开发遇到一些挫折，但该类化合物结构多样性的潜力远未挖掘，构效关系的系统研究也刚刚起步，随着研究工作不断深化和拓展，通过对双环内酯类化合物抗菌活性进行深入研究，有望在此方面得到一些新的启发和突破。杂合物也是第三代大环内酯类抗生素研究的一个生长点，目前主要进路是大环内酯与喹诺酮杂合物，由于杂合物的作用机制尚未澄清，其发展过程还存在很多不确定因素，有待进一步观察，其他结构类型的抗菌活性红霉素衍生物的研究大多还处于摸索阶段，成药的前景并不明朗。
参考文献：
[1] NEU H C. Macrolides [M]. Paris: Amette Blackwell, 1993: 1-26.
[2] 马春宏, 李东影, 王仁章等. 红霉素类抗生素分析研究进展[J]. 长春师范学院学报. 2008: 4(27). 62-65.
[3] Shen, B.; Liu, W.; Nonaka, K. Curr. Med. Chem. 2003, 10, 2317.
[4] 孙 艳, 周仁清, 吴 琼. 红霉素生物合成的生物化学和基因学[J]. 微生物杂志. 2005: 2（25）:45-50.
[5] 吴杰群, 刘 文, 张嗣良. 红霉素的生物合成与组合生物合成[J]. 有机化学. 2012, 32, 1232-1240.
[6] Gokhale, R. S.; Hunziker, D; Cane, D. E.; Khosla, C. Chem. Biol. 1999, 6, 117.
[7] 孙 俊，王 展，张为革. 抗菌活性红霉素衍生物研究进展[J]. 沈阳药科大学学报. 2014,6: 6(31).493-504.