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，成千上萬的微生物基因組和植物基因組不斷被測序，如何利用這些基因組數(shù)據(jù)來高效地發(fā)現(xiàn)自然界中的新天然產(chǎn)物，以及它們在生物體內(nèi)如何形成與調(diào)控，有何生理與藥理作用，這些問題已成為后基因組時代天然產(chǎn)物研究的重點和熱點�！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級的完整專著，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。
本書首先概述了天然產(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。本書的信息量非常大，對于那些有興趣更好地理解天然產(chǎn)物是如何由簡單的初級代謝合成砌塊組裝而成的高年級本科生、研究生和科研人員來說，它都是一本必不可少的教材和工具書。
我們與化學(xué)工業(yè)出版社合作，承擔(dān)了本書的翻譯工作。希望本書的出版能夠加深本領(lǐng)域科研人員對天然產(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)物生物合成過程中的化學(xué)原理與酶學(xué)機(jī)制。
在翻譯過程中，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指正。
感謝中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥物研究所天然藥物活性物質(zhì)與功能國家重點實驗室的部分工作人員和研究生（柏健、閆道江、劉冰語、張亞龍、張樂、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、中國科學(xué)院微生物研究所尹文兵研究員和劉玲研究員、中國海洋大學(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。感謝中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥物研究所于德泉院士為本書作序。
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，他們在本書的策劃、翻譯和出版過程中付出了飽滿的熱情與辛勤的勞動。

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


前　言
天然產(chǎn)物這個詞對不同的受眾有不同的影響。一方面，基于“天然的就是好的”這個簡單且由來已久的前提，消費者對天然有機(jī)食品、補(bǔ)品和保健食品的興趣持續(xù)存在。對于化學(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）以及它們在人類急、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)家研究信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞生長和分裂、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)最初的幾十年開始，化學(xué)家開始分離純的生物堿。以1817年的嗎啡開始，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主要轉(zhuǎn)折點。在過去的兩個世紀(jì)中，來自植物、真菌和細(xì)菌的天然產(chǎn)物庫的表征推動了有機(jī)化學(xué)的許多概念和實踐的進(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)物全合成的黃金時代。對于藥物化學(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）。
第二個主要轉(zhuǎn)折點激起了天然產(chǎn)物領(lǐng)域的復(fù)興，它就是過去二十年中成千上萬個微生物基因組可被獲取以及一些植物基因組探索的開始。對天然產(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個可預(yù)測的聚酮化合物、非核糖體肽以及萜烯生物合成基因簇。在標(biāo)準(zhǔn)實驗室培養(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數(shù)量級。假設(shè)在接下來十年左右的時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)20000個微生物基因組序列，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算在上述預(yù)測中。
在這個天然產(chǎn)物研究復(fù)興的時期，可以通過許多研究途徑來發(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，這是后基因組時代的一個挑戰(zhàn)，同時也是新的機(jī)遇。
本書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。本書的編寫不是百科全書式的，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，因為它們都是由初級代謝產(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單的反應(yīng)類型，有些在初級代謝中常見，有些在次級代謝途徑中比初級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，其中生長鏈作為硫酯共價連接到載體蛋白結(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，博來霉素，埃博霉素），它們在PK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5萬個已知分子，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合成砌塊開始的烯丙基碳正離子的形成，通過烷基化縮合形成特定骨架，在該骨架上陽離子會誘導(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，使得由陽離子驅(qū)動的反應(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)中至少有一個堿性氮的最低標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行實驗定義的，該標(biāo)準(zhǔn)源于游離堿和鹽形式之間來回變化的分離方案。生物堿的范圍從簡單的單環(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、二聚的抗腫瘤藥長春花生物堿——長春堿和長春新堿。
這幾類天然產(chǎn)物骨架成熟的普遍特征之一是通過加氧酶對新生產(chǎn)物骨架進(jìn)行修飾。加氧酶很少用于初級代謝途徑，甾體類除外（而且由于存在過多的植物甾體骨架，人們可能會將甾體歸為初級代謝和次級代謝之間的橋梁）。 相比而言，加氧酶常在植物和微生物次級代謝產(chǎn)物的成熟過程中發(fā)揮作用。一個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。
我們對加氧酶進(jìn)行了詳細(xì)介紹，這是因為加氧酶不僅是天然產(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)生競爭。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)通過自由基中間體形成C-C鍵。在兩種極端情況下（需氧時使用O2，而厭氧時使用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鍵形成過程中發(fā)揮作用。
第二個重點章節(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C1′連接的原因。
本書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代面臨的如何從幾十萬個未驗證的基因簇中優(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)可能很快就會過時，因而我們不會對某一項技術(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。