昆明植物所通过多学科交叉研究从五味子科新资源植物内生真菌中发现强效降胆固醇的天然HMGCR降解剂
中国科学院昆明植物研究所重要类群植物化学及功能研究专题组长期致力于针对两大药用类群植物—五味子科（Schisandraceae）和香茶菜属植物（Isodon）化学成分的结构与功能研究，并于2012年开始了对香茶菜属植物内生真菌次生代谢产物的研究，从中发现了系列结构新颖的活性分子，建立了一套基于次生代谢产物特性的多级菌株筛选体系（J. Nat. Prod., 2016, 79, 149–155；Org. Lett., 2019, 21, 771–775；Sci. China Chem., 2020, 63, 1208–1213；J. Org. Chem., 2021, 86, 475-483；Fitoterapia, 2022, 158, 105160；Org. Chem. Front., 2023, 10, 2218–2225）。基于前期工作，专题组从2020年起重点选择了一个特殊的五味子科植物：大果五味子（Schisandra macrocarpa Q. Lin & Y. M. Shui），开启了对该科植物内生真菌的相关研究。
大果五味子是中国科学院昆明植物研究所东亚植物多样性与生物地理学重点实验室税玉民研究员于2011年发表的新种，其野外分布种群数量极少，于2021年被列入《国家重点保护野生植物名录》。幸运的是，专题组在研究所中国西南野生生物种质资源库蔡杰高级工程师的帮助下获得了少量大果五味子的植物活体。如何充分利用好这一珍稀的植物资源？这是研究人员所面对的问题；而植物内生真菌所具备的资源获取优势与可持续利用特性为这一问题的解决提供了新思路。
专题组利用多级菌株筛选体系从大果五味子中寻找到一株极具代谢潜力的内生青霉菌Penicillium sp. DG23，分子网络分析显示该菌株是结构多样吲哚杂二萜的代谢宝库，该类化合物由于具备独特的结构与显著的生物活性一直备受研究者关注。通过系统性的研究，从中共发现了涉及6种新颖骨架类型的8个吲哚杂二萜schipenindolenes A–H（1–8），其绝对构型综合运用单晶X-射线衍射分析、量子化学计算和化学半合成等方法最终得以确证。值得一提的是，由于分离所获得的schipenindolene A（Spid A）样品量极少，最终通过美拉德反应（Maillard reaction）从前体7-hydroxypaxilline-13-ene出发，一步实现了该化合物的制备，为后续药理学研究奠定了重要物质基础，并提示Spid A可能是菌株发酵过程中内部温度较高引发的非酶促反应所产生的极微量次生代谢产物（图1）。
图1 新颖吲哚杂二萜schipenindolenes A–H（1–8）的发现及化合物1的半合成
后疫情时代，心脑血管疾病仍是危害人类生命健康的“头号杀手”，其发生发展与高胆固醇水平密切相关。他汀类药物是临床降脂治疗心脑血管的“基石”，其通过抑制胆固醇合成的关键限速酶HMGCR，实现降胆固醇的疗效。昆明植物所江世友研究员前期的研究揭示了他汀耐药和反弹的机制，发现其会引起HMGCR蛋白数十倍的增加，并提出了HMGCR降解剂的降胆固醇新理念，研发了首个HMGCR降解剂（Nat. Commun. 2018, 9, 5138；Hepatology 2022, 76, 1466–1481）。
受他汀类药物源于微生物天然产物的启发，专题组与江世友研究员团队合作发现上述新颖吲哚杂二萜及其衍生物具有HMGCR降解活性，其中Spid A活性最强。Spid A降低细胞内胆固醇的活性与他汀类药物相当，联用后进一步降低胆固醇，说明其具有单用、与他汀联用增强降胆固醇药效的潜在应用前景。转录组和蛋白组分析发现了Spid A激活内质网相关降解途径（Endoplasmic reticulum-associated degradation）促进HMGCR降解的新机制；同时发现了他汀耐药和副作用的新机制，即他汀代偿性激活胆固醇、脂肪酸合成通路与基因的表达，而Spid A可抑制上述效应，说明其具有减少他汀耐药和副作用的潜在活性和药理学优势（图2）。
图2 Spid A降解HMGCR与降胆固醇的机制
该研究为HMGCR降解剂候选药物研发提供了新化合物实体，并为降脂治疗心脑血管疾病提供了新思路。近日，该研究工作以Discovery of Natural Potent HMG-CoA Reductase Degraders for Lowering Cholesterol为题发表在国际著名期刊《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202313859）。
中国科学院昆明植物研究所粟孝政博士研究生（化学工作）、张林飞硕士研究生（药理学工作）、胡坤副研究员（化学工作）为该论文的共同第一作者。中国科学院昆明植物研究所普诺 白玛丹增研究员、江世友研究员为共同通讯作者。感谢武汉大学宋保亮院士、上海科技大学戚炜教授团队对该工作的帮助。本研究工作得到了国家杰出青年科学基金、科技部第二次青藏高原综合科学考察研究项目、NSFC-云南联合基金重点项目、云南省基础研究专项重大项目、中国科学院交叉团队-重点实验室合作研究专项、云南省科学技术厅公共科技服务平台专项、云南省基础研究计划等项目的联合资助。