宾大团队定向改造七环曲霉素，创制强效白血病候选药物

黄曲霉（Aspergillus flavus）是一种广泛分布的丝状真菌，因产生强致癌物黄曲霉素而成为重要的农作物污染源和食品安全威胁。其孢子具有极强的环境耐受性，甚至被推测与历史上考古人员开启古埃及法老图坦卡蒙墓后的离奇死亡事件有关。

如今，宾夕法尼亚大学 Xue Gao 教授团队联合多所机构，从该真菌的代谢产物中发现了一类结构新颖的七环肽（asperigimycins），并通过在特定分子 N 端添加脂肪链，成功将无活性的天然产物改造为效力媲美临床药物的抗白血病先导化合物。这项研究以“A class of benzofuranoindoline-bearing heptacyclic fungal RiPPs with anticancer activities”为题发表于 Nature Chemical Biology。

研究团队聚焦于在真菌中较为稀有的 RiPPs（核糖体合成和翻译后修饰的肽）类天然产物，该类分子由核糖体合成前体肽链，并经翻译后修饰酶催化，具有高度结构复杂性与多样生物活性。为克服传统鉴定手段局限，研究者整合了 GNPS 代谢组学分子网络与 antiSMASH 基因组挖掘，对 12 株曲霉属真菌进行筛选。在黄曲霉中发现 apg 基因簇，敲除其前体肽基因 apgA 后，四个新产物完全消失，确证该簇为 RiPPs 的合成源。这四个化合物被命名为 asperigimycins A–D。

团队运用 NMR、HRMS 和计算化学等手段解析了 asperigimycins 化学结构，发现其具有苯并呋喃吲哚啉为核心、串联三大环构成的七环体系。该结构展示出极高的环密度与 sp² 碳比例，生物合成过程极具酶学挑战。apg 基因簇包含 16 个基因，其中 6 个 DUF3328 家族氧化酶（ApgYa–Yf）为关键催化因子。基因敲除实验证实，ApgYa 和 ApgYe 催化早期步骤，形成核心结构和环 A/B；ApgYb 催化 Tyr³ 残基的 C-12 羟基化；ApgYf 对 Trp⁶ 的苯环 C-33 位进行羟基化；ApgYc 与 ApgYd 共同催化 C 环的醚键形成。此外，谷氨酰肽环转移酶 ApgG 将前体的 N 端谷氨酰胺转化为焦谷氨酸，为 asperigimycin C 与 D 赋予活性所必需。

细胞毒性测试结果表明，具有 N 端焦谷氨酸修饰的 asperigimycin C 和 D 对白血病细胞系 Jurkat、Mino 和 Molm-14 显示出显著的抑制活性。而结构相近但缺乏焦谷氨酸修饰的 asperigimycin A 和 B 则对所有测试的肿瘤细胞系均无活性。前体中间体 15（含 N 端谷氨酰胺）同样无效，进一步支持焦谷氨酸为活性的决定性修饰。

为提升无活性母体化合物 asperigimycin B 的潜力，研究者开展了 N 端脂质化修饰，设计并合成了 2-L1 至 2-L7 系列衍生物。其中，2-L₆ 引入了 C₁₁ 线性脂肪酸链，展现出卓越抗白血病活性，IC₅₀ 检测显示活性提升超 100 倍，与临床抗白血病药物阿糖胞苷和柔红霉素效力相当。这表明通过结构修饰可实现对无活性天然产物的药效转化。

为探究 2-L₆ 活性增强的分子机制，研究者在白血病细胞系 Jurkat 细胞中以Toronto Knock Out v3（TKOv3）CRISPR 文库进行全基因组筛选，目标是识别与 2-L₆ 摄取或抗性相关的关键基因。在处理组中，SLC46A3 基因的 sgRNA 富集显著，为候选转运蛋白。后续功能验证表明，敲除 SLC46A3 导致 2-L₆ 的 IC₅₀ 从约 80 nM 升高至 2440 nM（约 30 倍抗性提升），而细胞内药物浓度下降至野生型的 1/8。相较之下，未修饰的 asperigimycin B 在细胞内几乎检测不到。

机制研究揭示，2-L₆ 主要通过网格蛋白介导的胞吞路径进入溶酶体，并依赖 SLC46A3 将其转运至细胞质。一旦转运受阻，2-L₆ 将在酸性环境中降解，失去药效。到达细胞质后，2-L₆ 通过抑制微管蛋白聚合破坏纺锤体结构，阻滞白血病细胞的有丝分裂，提示其作用靶点可能与微管稳定剂类似。

对 2-L₆ 敏感的细胞系（如 Jurkat、Molm-14、K562 等）中 SLC46A3 表达水平明显高于不敏感的实体瘤细胞（如 HeLa 与 HepG2），说明该转运蛋白或可作为治疗应答的预测生物标志物。此外，CRISPR 筛选还发现CLASP2、STMN1、CCNF 和 KEAP1 等与微管稳态或泛素降解通路相关的基因敲除可部分削弱 2-L₆ 活性，进一步验证其以微管为干预靶点的机制。

生物信息学分析显示，类似黄曲霉 apg 基因簇的同源结构在多种真菌中广泛分布，提示自然界中尚有大量未被发现的 asperigimycin-like RiPPs 资源，具有重要的药物开发潜力。该研究构建并应用了一个整合代谢组学、基因组挖掘、基因工程与化学修饰的交叉平台，成功实现了复杂真菌 RiPPs 的系统挖掘与理性优化改造。

研究不仅首次鉴定出苯并呋喃吲哚啉七环骨架 RiPPs 类天然产物，更通过脂质化修饰与功能基因组学筛选，将其转化为高效、低毒、靶向性强的抗白血病先导化合物 2-L₆，并明确了其胞内递送依赖 SLC46A3 的分子机制。这项工作为天然产物药物化提供了新思路，也展示了合成生物学与精准基因编辑在天然药物发现与优化中的巨大潜力。

1.Nie, Q., Zhao, F., Yu, X. et al. A class of benzofuranoindoline-bearing heptacyclic fungal RiPPs with anticancer activities. Nat Chem Biol (2025). https://doi.org/10.1038/s41589-025-01946-9

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