文|明月故人尋
編輯|明月故人尋
前言
大自然已經進化到産生具有高目标親和力和特異性的天然産物，而天然産物一直是新型生物分子功能調節劑最豐富的來源。
自從沃勒化學合成尿素以來，有機化學家一直對天然産物很感興趣，導緻了過去兩個世紀天然産物合成領域的發展，是以天然産物的合成其在藥物發現和化學生物學中發揮重要作用。
随着合成效率的新穎、創新概念和政策的引入，21 世紀的天然産物合成已做好準備應對天然産物化學所面臨的挑戰和複雜性，并将繼續對生物醫學科學的進步至關重要。
天然産物在化學中的作用
多年來，自然界已經進化為生物體内的大分子靶标生産小配體（或天然産物），其中包含與許多人類蛋白質相似的結構域。
作為自然選擇過程的結果，天然産物具有獨特而廣泛的化學多樣性，與生物大分子具有最佳互相作用，由于這種多樣性和特異性，天然産物已被證明是迄今為止新藥開發最豐富的來源。
在 1981-2010 年實驗的1355個新化學實體 (NCE) 中，540 個 (40%) NCE 是天然産物或天然産物衍生的。
特别是開發的 99 種小分子抗癌藥物中的 63 種（64%）和 104 種抗生素中的 78 種（75%）均源自天然産物。
代表性的例子有青黴素V（抗生素）、紅黴素（抗生素）、紫杉醇（抗癌）、蒿甲醚（抗瘧疾）、加蘭他敏（治療阿爾茨海默病）（圖1)。
圖1 天然産物或天然産物衍生藥物的例子
除了在新藥開發中的關鍵作用外，天然産物作為生物分子功能的調節劑對化學生物學産生了深遠的影響。
許多天然産物，包括 布雷菲爾德菌素 A（蛋白質轉運）、毛喉素（cAMP 信号轉導）、環孢素 A（NFAT/淋巴細胞信号轉導）、雷帕黴素（mTOR 信号轉導）和 trapoxin B（表觀遺傳學）已被用于系統地探索重要的細胞組分、分子事件和信号通路（圖 2)。
圖2 對化學生物學有貢獻的天然産物的例子。
産物合成對化學的貢獻
自沃勒合成尿素以來，有機化學家對天然産物産生了濃厚的興趣，并推動了天然産物合成領域的發展，以利用天然産物獨特的結構多樣性、有趣的生物活性以及高目标親和力和特異性。
以下示例展示了天然産物合成在藥物發現和化學生物學探針開發中的重要作用。
圓皮海綿内酯是一種聚酮化合物天然産物，由于 1990 年首次從加勒比海深海海綿溶解性椎間盤血症中分離出來。
據報道，它通過穩定微管和阻止細胞周期的G 2 /M 階段來抑制癌細胞的增殖。
是以，它被認為是臨床開發的有前途的候選藥物，可作為多種癌症的化療藥物，由于其顯著的抗惡性良性腫瘤活性，圓皮海綿内酯引起了制藥行業的極大興趣。
然而，存在巨大的材料供應問題限制了圓皮海綿内酯進入臨床開發的程序。
由于圓皮海綿内酯僅占幹燥物的 0.002wt%D. 溶解度是一種稀有的天然來源，無法提供臨床研究所需的圓皮海綿内酯數量。
是以合成化學家們便開始迎接挑戰，需要開發一種可擴充的合成方法來處理圓皮海綿内酯的複雜結構，最終在 1993 年首次全合成圓皮海綿内酯。
此後，其他幾個全合成并報道了圓皮海綿内酯的各種片段建構，在 2004 年報道了 60 g (+)-圓皮海綿内酯的 39 步合成（最長線性序列中的 26 步）（方案一)。
方案一 (+)-圓皮海綿内酯的 Novartis 克級合成。
在這種複雜程度下制造天然産物的能力表明，可以實作複雜、具有挑戰性的天然産物目标的全合成，進而在現代合成化學的幫助下為臨床研究提供足夠的材料。
在不承擔其全部複雜性的情況下，天然産物合成中的一些中間體具有負責母體天然産物生物活性的關鍵結構元素。
這些中間體可用于确定天然産物的藥效團，并且是類似物合成的重要起點，微球蛋白說明了這種方法的潛力，這是一種軟海綿素 B 的高效類似物（方案二)。
方案二 衛材合成甲磺酸艾日布林
初步生物學研究表明，它通過以非競争性方式結合微管蛋白的長春花結構域來幹擾微管動力學，并抑制微管的生長，最終導緻 G 2 /M 細胞周期停滞和細胞凋亡。
鑒于其在體外和體内的前景抗癌活性，軟海綿素B在1980年代初被美國國家癌症研究所接受用于臨床前開發。
然而，由于嚴重的材料供應限制，它作為一種可能的新化療藥物的未來仍然不确定，這些限制阻礙了天然産物通過藥物發現管道的進展。
軟海綿素與天然産物的組合
盡管從海綿中提取的軟海綿素 B 的可用性非常有限，但獨特的生物學特性使其成為一個極具吸引力的目标。
軟海綿素 B 合成路線的建立允許合成和評估結構簡化的類似物，這些類似物保留了他的抗癌活性。
具有生物活性的天然産物可以被認為是“特權”支架，它們在進化上被選擇用于與生物大分子的特定區域結合。
它們有可能解決人口稀少、探索不足的化學空間，是以，許多學術和工業研究計劃制備化合物來模拟天然産物獨特的結構多樣性。
通常，可能無法直接從天然産品中獲得具有增強生物學特性潛力的結構修飾。
然而當假設驅動的天然産物類似物可以通過天然産物合成已經建立的合成路線來制備。
萬古黴素由某一家藥廠發現，是一種臨床上重要的糖肽類抗生素，通過與肽聚糖中的 D-Ala-D-Ala 結合發揮抗生素作用，肽聚糖是細菌細胞壁生物合成的重要組成部分（圖 3)。
圖3 萬古黴素和脒基萬古黴素的結構
耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）出現後，萬古黴素成為治療耐藥細菌感染的首選抗生素；然而，對萬古黴素也産生了耐藥性。
唯一顯着的耐藥形式源于肽聚糖前體中末端 D-丙氨酸變為 D-乳酸。這種修飾顯着降低了萬古黴素對肽聚糖的親和力，使其無效。
在萬古黴素的全合成之後，他們合成了一系列類似物，其中包括将位于萬古黴素内部深處的酰胺修飾為脒的類似物（圖 3）。
這種酰胺到脒的修飾保留了大量抗生素對萬古黴素敏感菌株的活性，提高了化合物對萬古黴素耐藥菌株中修飾的肽聚糖的結合親和力，并恢複了對萬古黴素耐藥細菌的全部抗菌活性。
這項工作證明了天然産物合成領域結構複雜的分子不僅可以通過全合成來制造，而且可以系統地修改和評估。
除了在藥物發現中的關鍵作用外，天然産物合成還被用于應對生物學帶來的迷人挑戰。
使具有生物學意義的天然産物能夠以足夠的數量獲得并修改天然産物的結構以用于化學探針開發已成為合成化學家的額外目标。
是以，天然産物的合成在化學生物學中具有特殊的作用。
重氮酰胺A 是從殖民地海洋海鞘中分離出來的，由于其對各種類型的人類癌細胞系具有強大的細胞毒性，是以引起了有機化學界的廣泛關注 (圖 4)。
圖4 重氮酰胺 A 及其生物素化衍生物的結構
最初的 NCI 比較篩選表明，重氮酰胺 A 的抗惡性良性腫瘤活性來自其微管結合活性。
然而，詳細的機理研究表明，重氮酰胺 A 不會與其他微管蛋白結合劑（如秋水仙堿或長春花堿）競争。
基于重氮酰胺 A 有趣的生物活性和顯着的分子結構，完成了重氮酰胺 A 的全合成，為作用模式研究的結構修飾鋪平了道路。
值得注意的是，這些研究還有助于糾正重氮酰胺 A 的 X 射線錯誤配置設定結構，并導緻發現錯誤配置設定，其起源以及他提出并綜合證明的關鍵結構重新配置設定。
使用重氮酰胺 A 的生物素化衍生物 (圖 4), 當确定鳥氨酸 ™-氨基轉移酶 (OAT)，一種線粒體基質酶，是天然産物的分子靶标。
這些機理研究提出了一種涉及 OAT 的獨特作用模式，并将該蛋白質确定為化療藥物開發的靶标。
在這裡，重氮酰胺 A 的全合成被證明是導緻發現 OAT 在有絲分裂細胞分裂中意外的沖突功能的關鍵裡程碑。
另一個很好的例子突出了天然産物合成對揭示機制細節的貢獻，是 Boger 小組在 、CC-1065 和 上的工作（圖 5)。
圖5 duocarmycins、yatakemycin 和 CC-1065 的結構
這些異常具有細胞毒性的天然産物選擇性地結合和烷基化小溝富含 AT 區域中的 DNA。
通過利用天然産物的系統全合成和基本化學原理，然後生成了一系列合成類似物，并确定了天然産物的結構、反應性和生物效能之間的關系。
然後再用 DNA 結合引起的構象變化破壞天然産物中關鍵的插烯酰胺共轭，激活環丙烷進行親核攻擊，并作為 DNA 烷基化反應的催化劑。（圖 6)。
圖6 (+)-duocarmycin SA 的 DNA 烷基化模型。
除了詳細闡明 CC-1065 的催化機制外，他們還通過制做具有一系列結構修飾的類似物揭示了内在化學反應性和生物活性之間的抛物線關系。
這些發現隻有通過适用于系統模拟合成的高效、收斂的全合成才有可能。
結語
由于其廣泛的結構多樣性和有趣的生物活性，天然産物在生物醫學科學中做出了重大貢獻。
特别的是，天然産物一直是制藥行業許多藥物發現計劃的主要推動力，然而，在過去十年中，制藥行業對天然産物化學的重視程度逐漸下降。
這種低迷可歸因于多種因素：首先，組合化學的發展和針對特定分子靶标的高通量篩選 (HTS) 的引入，促使許多公司放棄了天然産物提取物庫。
從複雜的天然産物提取物中分離和純化活性成分相關的挑戰，天然産物中缺乏新實體，最後，化合物供應的挑戰以及臨床前和臨床研究缺乏足夠的結構多樣化政策。
然而，組合化學和 HTS 的适度成功、色譜和光譜技術自動化的巨大進步以及基因組挖掘、新型異源表達系統和代謝工程的出現，重新點燃了人們對天然産物作為藥物發現寶貴資源的興趣。
與此同時，為了應對材料供應的挑戰和缺乏足夠的結構多樣化政策，有機化學界一直在為天然産物的合成引入新的、令人興奮的發展，是以，天然産物的合成變得越來越複雜。