譯者前言
天然產(chǎn)物是新藥發(fā)現(xiàn)的重要源泉。隨著基因組學(xué)、生物信息學(xué)、分子生物學(xué)、分子遺傳學(xué)與天然產(chǎn)物化學(xué)的不斷發(fā)展與交叉融合，天然產(chǎn)物的研究出現(xiàn)了新的發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)。在近二十年來(lái)，成千上萬(wàn)的微生物基因組和植物基因組不斷被測(cè)序，如何利用這些基因組數(shù)據(jù)來(lái)高效地發(fā)現(xiàn)自然界中的新天然產(chǎn)物，以及它們?cè)谏�物體內(nèi)如何形成與調(diào)控，有何生理與藥理作用，這些問(wèn)題已成為后基因組時(shí)代天然產(chǎn)物研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)�！禢atural Product Biosynthesis: Chemical Logic and Enzymatic Machinery》就是一本關(guān)于在基因和蛋白水平上闡釋天然產(chǎn)物生物合成的教科書(shū)級(jí)的完整專著，它匯集了研究天然產(chǎn)物的發(fā)現(xiàn)與生物合成的現(xiàn)代方法與基礎(chǔ)知識(shí)。
本書(shū)首先概述了天然產(chǎn)物的主要類別，然后詳細(xì)討論了六種不同類別天然產(chǎn)物形成的化學(xué)原理，并介紹了天然產(chǎn)物生物合成途徑中關(guān)鍵酶的結(jié)構(gòu)生物學(xué)、功能和機(jī)制，最后對(duì)基因組依賴和非基因組依賴的天然產(chǎn)物發(fā)現(xiàn)的主要方法進(jìn)行了總結(jié)和討論。本書(shū)的信息量非常大，對(duì)于那些有興趣更好地理解天然產(chǎn)物是如何由簡(jiǎn)單的初級(jí)代謝合成砌塊組裝而成的高年級(jí)本科生、研究生和科研人員來(lái)說(shuō)，它都是一本必不可少的教材和工具書(shū)。
我們與化學(xué)工業(yè)出版社合作，承擔(dān)了本書(shū)的翻譯工作。希望本書(shū)的出版能夠加深本領(lǐng)域科研人員對(duì)天然產(chǎn)物的發(fā)現(xiàn)與生物合成研究模式的理解，并掌握天然產(chǎn)物生物合成過(guò)程中的化學(xué)原理與酶學(xué)機(jī)制。
在翻譯過(guò)程中，我們尊重原著的行文方式和敘述風(fēng)格，力求翻譯準(zhǔn)確科學(xué)。但由于水平所限，疏漏及不妥之處在所難免，殷切希望廣大讀者批評(píng)指正。
感謝中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥物研究所天然藥物活性物質(zhì)與功能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的部分工作人員和研究生（柏健、閆道江、劉冰語(yǔ)、張亞龍、張樂(lè)、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(shí)感謝西南大學(xué)鄒懿教授、上海交通大學(xué)唐滿成教授、福建師范大學(xué)李力教授、中國(guó)科學(xué)院微生物研究所尹文兵研究員和劉玲研究員、中國(guó)海洋大學(xué)李德海教授以及浙江大學(xué)毛旭明教授等參與譯稿的校對(duì)。感謝中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥物研究所于德泉院士為本書(shū)作序。
最后，我們向化學(xué)工業(yè)出版社的領(lǐng)導(dǎo)和編輯表示衷心感謝，他們?cè)诒緯?shū)的策劃、翻譯和出版過(guò)程中付出了飽滿的熱情與辛勤的勞動(dòng)。

胡友財(cái)
中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥物研究所
2020年7月


前　言
天然產(chǎn)物這個(gè)詞對(duì)不同的受眾有不同的影響。一方面，基于“天然的就是好的”這個(gè)簡(jiǎn)單且由來(lái)已久的前提，消費(fèi)者對(duì)天然有機(jī)食品、補(bǔ)品和保健食品的興趣持續(xù)存在。對(duì)于化學(xué)家和藥學(xué)家（研究天然藥用物質(zhì)的專家）而言，天然產(chǎn)物的研究共同涉及分子本身，其分離、結(jié)構(gòu)表征與初始功能表征（化學(xué)家）以及它們?cè)谌祟惣�、慢性疾病治療中的作用（藥學(xué)家）。在最近幾十年中，特定的天然產(chǎn)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(chǎn)物，已成為細(xì)胞生物學(xué)家研究信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞生長(zhǎng)和分裂、蛋白質(zhì)分泌以及細(xì)胞凋亡的幾乎所有方面的有力工具。
從歷史上看，天然產(chǎn)物在民間醫(yī)學(xué)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(jì)最初的幾十年開(kāi)始，化學(xué)家開(kāi)始分離純的生物堿。以1817年的嗎啡開(kāi)始，標(biāo)志著延續(xù)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第一個(gè)主要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在過(guò)去的兩個(gè)世紀(jì)中，來(lái)自植物、真菌和細(xì)菌的天然產(chǎn)物庫(kù)的表征推動(dòng)了有機(jī)化學(xué)的許多概念和實(shí)踐的進(jìn)展。這些工具包括質(zhì)譜分析儀和復(fù)雜的二維高場(chǎng)核磁共振（NMR）等分析工具，貫穿了天然產(chǎn)物全合成的黃金時(shí)代。對(duì)于藥物化學(xué)家而言，不同類別天然產(chǎn)物的骨架已成為新藥半合成及全合成方法的起點(diǎn)和/或靈感（例如從鬼臼毒素到依托泊苷，從星形孢菌素轉(zhuǎn)化為很多合成的雜環(huán)蛋白激酶抑制劑）。
第二個(gè)主要轉(zhuǎn)折點(diǎn)激起了天然產(chǎn)物領(lǐng)域的復(fù)興，它就是過(guò)去二十年中成千上萬(wàn)個(gè)微生物基因組可被獲取以及一些植物基因組探索的開(kāi)始。對(duì)天然產(chǎn)物生物合成能力的生物信息學(xué)分析，又稱基因組挖掘，已成為化學(xué)、生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)交叉領(lǐng)域的核心學(xué)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(fā)現(xiàn)、查詢和整體遷移）這個(gè)前提外，生物信息學(xué)分析還顯示，許多放線菌、黏細(xì)菌和真菌均具有約30～50個(gè)可預(yù)測(cè)的聚酮化合物、非核糖體肽以及萜烯生物合成基因簇。在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)技術(shù)下，此類菌株通常產(chǎn)生1～5種天然產(chǎn)物：因此，要探索的天然產(chǎn)物的范圍立即增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)。假設(shè)在接下來(lái)十年左右的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)20000個(gè)微生物基因組序列，這將為所示的三類天然產(chǎn)物提供約106個(gè)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并未計(jì)算在上述預(yù)測(cè)中。
在這個(gè)天然產(chǎn)物研究復(fù)興的時(shí)期，可以通過(guò)許多研究途徑來(lái)發(fā)現(xiàn)自然界中未被發(fā)現(xiàn)的新分子。在許多治療領(lǐng)域，從感染性疾�。é�-內(nèi)酰胺類抗生素，紅霉素，四環(huán)素，氨基糖苷類）到癌癥（長(zhǎng)春新堿，紫杉醇）、免疫抑制劑（環(huán)孢菌素，雷帕霉素，F(xiàn)K506）、降血脂藥（洛伐他�。�，天然產(chǎn)物成為確有療效的新藥的主要貢獻(xiàn)者。天然產(chǎn)物的未知骨架將在多大程度上繼續(xù)闡明新的治療方式，這是后基因組時(shí)代的一個(gè)挑戰(zhàn)，同時(shí)也是新的機(jī)遇。
本書(shū)涵蓋了主要類型天然產(chǎn)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(shū)的編寫(xiě)不是百科全書(shū)式的，也不是闡明每一種亞型天然產(chǎn)物或有趣的化學(xué)官能團(tuán)，而是將每一種天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)類型所遵循的化學(xué)原理加以整理，因?yàn)樗鼈兌际怯沙跫?jí)代謝產(chǎn)物的合成砌塊組裝而成。在每一類天然產(chǎn)物中都講述了幾種簡(jiǎn)單的反應(yīng)類型，有些在初級(jí)代謝中常見(jiàn)，有些在次級(jí)代謝途徑中比初級(jí)代謝途徑更頻繁出現(xiàn)。
在上述提及的七種天然產(chǎn)物中，只有聚酮類化合物（PK）和非核糖體肽（NRP）兩種是在酶裝配線上構(gòu)建的，其中生長(zhǎng)鏈作為硫酯共價(jià)連接到載體蛋白結(jié)構(gòu)域上。雜合的非核糖體肽-聚酮骨架包含一些自然界中最具治療意義的分子（雷帕霉素，F(xiàn)K506，博來(lái)霉素，埃博霉素），它們?cè)赑K和NRP雜合裝配線上被合成。聚酮酶化學(xué)的主要反應(yīng)是用于C-C鍵形成的迭代性脫羧硫代克萊森縮合反應(yīng)，其本質(zhì)上是碳負(fù)離子化學(xué)。
而異戊二烯類/萜類化合物作為目前最多的一類天然產(chǎn)物，擁有超過(guò)5萬(wàn)個(gè)已知分子，是由利用可擴(kuò)散的底物、中間體和產(chǎn)物的酶組裝而成的。該類化合物的化學(xué)原理基本上是碳正離子化學(xué)。這種方式始于從Δ2-異戊烯基-PP合成砌塊開(kāi)始的烯丙基碳正離子的形成，通過(guò)烷基化縮合形成特定骨架，在該骨架上陽(yáng)離子會(huì)誘導(dǎo)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(huán)化成為四環(huán)和五環(huán)產(chǎn)物骨架，使得由陽(yáng)離子驅(qū)動(dòng)的反應(yīng)流繼續(xù)進(jìn)行，并突出了C-C鍵形成反應(yīng)中雙鍵π電子的親核作用。
與產(chǎn)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(zhì)的核心。數(shù)量最多同時(shí)也是結(jié)構(gòu)上最多樣化的一類天然產(chǎn)物包括生物堿，部分原因是它們是根據(jù)雜環(huán)中至少有一個(gè)堿性氮的最低標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)定義的，該標(biāo)準(zhǔn)源于游離堿和鹽形式之間來(lái)回變化的分離方案。生物堿的范圍從簡(jiǎn)單的單環(huán)胺到極其復(fù)雜的骨架：鴉片類、有毒物質(zhì)士的寧、抗瘧的奎寧、二聚的抗腫瘤藥長(zhǎng)春花生物堿——長(zhǎng)春堿和長(zhǎng)春新堿。
這幾類天然產(chǎn)物骨架成熟的普遍特征之一是通過(guò)加氧酶對(duì)新生產(chǎn)物骨架進(jìn)行修飾。加氧酶很少用于初級(jí)代謝途徑，甾體類除外（而且由于存在過(guò)多的植物甾體骨架，人們可能會(huì)將甾體歸為初級(jí)代謝和次級(jí)代謝之間的橋梁）。 相比而言，加氧酶常在植物和微生物次級(jí)代謝產(chǎn)物的成熟過(guò)程中發(fā)揮作用。一個(gè)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(gè)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(duì)加氧酶進(jìn)行了詳細(xì)介紹，這是因?yàn)榧友趺覆粌H是天然產(chǎn)物酶學(xué)機(jī)制的關(guān)鍵因素，而且在碳自由基的形成和均裂的C-C鍵形成中發(fā)揮作用。我們注意到在許多情況下，分子氧還原可生成酶結(jié)合的高價(jià)氧鐵，從而引發(fā)底物C-H鍵均裂。在某些情況下，分子內(nèi)C-C或C-X鍵的形成與純粹的羥化產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)。在這些情況下，氧氣的輸入是隱性的，但反應(yīng)流是基于自由基的，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(guò)苯氧自由基二聚酶學(xué)機(jī)制構(gòu)建的。
另外兩章專門討論酶的類別，這些酶通常不會(huì)在其他主題中作為天然產(chǎn)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(lái)進(jìn)攻共底物的親核試劑，而是作為自由基引發(fā)劑，繼續(xù)通過(guò)自由基中間體形成C-C鍵。在兩種極端情況下（需氧時(shí)使用O2，而厭氧時(shí)使用SAM和四鐵/四硫簇酶），自由基化學(xué)在各種天然產(chǎn)物骨架的C-C鍵形成過(guò)程中發(fā)揮作用。
第二個(gè)重點(diǎn)章節(jié)涉及天然產(chǎn)物糖苷。糖通常被視為天然產(chǎn)物成熟后再需考慮的物質(zhì)，基本上在每一類天然產(chǎn)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(xué)原理揭示了所有糖基化天然產(chǎn)物都通過(guò)C1′連接的原因。
本書(shū)的最后部分探討了天然產(chǎn)物分離的策略，從歷史上重要的藥用產(chǎn)物的分離到后基因組時(shí)代面臨的如何從幾十萬(wàn)個(gè)未驗(yàn)證的基因簇中優(yōu)選出可產(chǎn)生新骨架和新活性的基因簇的挑戰(zhàn)。鑒于遺傳學(xué)、基因組學(xué)、合成生物學(xué)、異源表達(dá)和基因簇激活等新方法的深度融合，考慮到當(dāng)前這些技術(shù)可能很快就會(huì)過(guò)時(shí)，因而我們不會(huì)對(duì)某一項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行深入介紹。相反，我們是進(jìn)行概述，并提出關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)建立的戰(zhàn)略性問(wèn)題，以增加發(fā)現(xiàn)具有新穎結(jié)構(gòu)和功能特性的天然產(chǎn)物的可能性。