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美登木素(maytansinoids)属于安莎类大环内酰胺,根据其来源可分为植物美登木素和细菌美登木素两大类,都有极强的抗菌和抗肿瘤活性。2013年,首个针对实体瘤的抗体偶联物药物(antibody drug conjugates,ADC)ado-trastuzumab entansine(商品名Kadcyla)被FDA批准用于治疗HER2阳性乳腺癌,美登木素ADC的研发再次引起了广泛关注。然而,美登木素ADC的重要中间体—丙氨酰美登醇的制备仍然是采用传统方法,即以安丝菌素(细菌美登木素)为原料,经还原脱去C-3位酯基,然后再选择性丙氨酰化。该方法不但成本高、产率低,还有不易分离除去的副产物,严重阻碍美登木素ADC的研究、生产和临床应用。通过生物合成高效制备丙氨酰美登醇将可能极大加快美登木素ADC的研发进程,由此开展了本学位论文研究。本论文共分为五个章节。第一章为前言,对安莎类抗生素的结构类型、生理活性和生物合成进行了综述,对美登木素的生物合成、生物活性和来源进行了详细综述。第二章详细描述了本论文研究所涉及的实验材料与方法。第三章使用生物信息学方法挖掘得到多个具有不同排列方式的细菌美登木素基因簇,并重构了其可能的祖先基因簇和进化过程;发现稀有放线菌Amycolatopsis alba DSM 44262菌株的asc基因簇具有独特的基因排列方式;通过基因失活和饲喂实验发现了安莎生物合成起始单元3-氨基-5-羟基苯甲酸(3-amino-5-hydroxybenzoic acid,AHBA)的生物合成与其它代谢途径的协同作用。第四章以asc基因簇为对象,研究了细菌美登木素糖苷的后修饰途径。首次报道了美登木素糖苷C-3’位O-甲基转移酶基因orf9和C-3位O-氨甲酰基转移酶基因asc21b;深入研究了其它重要后修饰基因的功能,包括酰胺N-糖基转移酶基因asc25、4,5-环氧化酶基因asc11和O-氨甲酰基转移酶基因asc21a;通过基因失活和异源表达实验,分离得到了系列美登木素衍生物,包括七个新化合物,其中两个显示了良好的抗肿瘤活性,有潜力成为美登木素ADC的先导化合物;4,5-环氧化酶基因asc11的异源表达得到了美登醇产量提高的突变株,有潜力成为美登醇的替代来源。第五章以安莎三烯的丙氨酰化酶AstC为研究对象,对其基因缺失突变株的代谢物进行分析,发现了安莎三烯聚酮骨架的多样性,并提出了推测的生物合成途径;通过异源表达实验,发现AstC可以在体内催化N-desmethyl-4,5-desepoxy-maytansinol C-3位羟基的丙氨酰化,得到一个具有良好抗肿瘤活性的新化合物,提示AstC可以用于丙氨酰美登醇的合成;本章还构建了 AstC蛋白TE-结构域的系列截短体,并初步探索其结晶的条件,为理性改造AstC的TE-结构域使其更高效地识别美登醇为底物打下了基础。综上,本论文综合应用生物信息学、化学生物学、合成生物学等前沿学科,围绕细菌美登木素的生物合成和药用功能导向的结构优化展开了系统研究。本课题的成果不仅为解决美登木素来源的问题提供了新的思路,而且发现了这类天然产物的新型构效关系,为美登木素类药物的研发提供了潜在先导化合物和理论基础,还进一步揭示了安莎骨架的多样性、聚酮合酶和酰胺合酶的底物兼容性,同时发现美登木素类化合物丙氨酰化的生物合成途径,对探索天然药物发现与创新的新途径有重要意义。