胞嘧啶核糖核苷的主要应用

背景及概述^[1]

核苷是一类糖苷的总称。核苷是核酸和核苷酸的组成成分。核苷都是由D-核糖或D-Z-脱氧核糖与嘧啶碱或嘌呤碱缩合而成。核苷一般为无色结晶，不溶于普通有机溶剂，易溶于热水，熔点为160～240℃。由D-核糖生成的核苷称核糖核苷，参与RNA组成，由D-α-脱氧核糖生成的核苷称脱氧核糖核苷，参与DNA组成。D-核糖与腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶或尿嘧啶缩合生成相应的腺嘌呤核糖核苷、鸟嘌呤核糖核苷、胞嘧啶核糖核苷、胸腺嘧啶核糖核苷和尿嘧啶核糖核苷，它们分别简称为腺苷(A)、鸟苷(G)、胞苷(C)、胸苷(T)和尿苷(U)。同样，D-2-脱氧核糖与腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶分别缩合可生成脱氧腺苷(aA)、脱氧鸟苷(aG)脱氧胞嘧啶核糖核苷(aC)、和脱氧胸苷。上述所有核苷都属于N-糖苷，其中的D-核糖和D-2-脱氧核糖都以β-呋喃糖形式存在，故它们对碱都很稳定；嘌呤类核苷易被酸水解，而嘧啶类核苷则不易，仅在浓酸长时间加热处理才水解。此外还有一些稀有核苷，如2′-O-甲基核糖核苷(Nm)，包括2′-O-甲基核糖腺苷(Am)、2′-O-甲基核糖鸟苷(Gm)2′-O-甲基核糖胞嘧啶核糖核苷(Cm)、2′-O-甲基核糖尿苷(Um)和2′-O-甲基核糖假尿苷等，是多种tRNA和真细胞mRNA的组成成分。

应用^[2]

胞嘧啶核糖核苷（Cytidine），全称胞嘧啶核苷（CytosineRi鄄boside），是由胞嘧啶的N-1和D-核糖的C-1位置通过β糖苷键连接而成的化合物是生命体内核糖核酸的重要组成部分，在细胞内部，胞嘧啶核糖核苷主要是以胞嘧啶核糖核苷酸的形式存在，诸如胞嘧啶核糖核苷一磷酸（CMP）、胞嘧啶核糖核苷二磷酸（CDP）和胞嘧啶核糖核苷三磷酸（CTP）的形式在细胞内发挥生理作用。而胞嘧啶核糖核苷三磷酸是合成核糖核酸的前提物质之一；胞嘧啶核糖核苷二磷酸可以经过酶的多步催化反应形成d-胞嘧啶核糖核苷三磷酸和d-胸苷三磷酸，成为合成脱氧核糖核酸的前体物。胞嘧啶核糖核苷三磷酸是一种高能化合物，在生化反应中主要起到了供能与能量传递的作用。胞嘧啶核糖核苷参与了许多生命体内的反应，更是合成核糖核酸与脱氧核糖核酸的重要前体物质，同时研究发现可以利用其干扰核糖核酸的合成的性质，通过特定的反应转化后，开发抗病毒与抗肿瘤等方面的药物，比如以胞嘧啶核糖核苷为主要中间体而研制出的扎西他滨（2′，3′-双脱氧胞嘧啶核苷），卡培他滨（5′-脱氧-5-氟-N-［（戊氧基）羰基］胞嘧啶核糖核苷），环胞嘧啶核糖核苷、阿糖胞嘧啶核糖核苷、阿扎胞嘧啶核糖核苷、盐酸阿糖胞嘧啶核糖核苷等均为治疗恶性肿瘤与急性粒细胞白血病等恶性疾病的常用药物，它们均为胞嘧啶核糖核苷类似物，均是由胞嘧啶核糖核苷作为中间体合成而来。所以，胞嘧啶核糖核苷是当代医学上很重要的药物合成中间体。

制备^[2-3]

自从胞嘧啶核糖核苷被广泛作为药物中间体以来，对于胞嘧啶核糖核苷合成的研究从未间断。而从合成方法上主要分为两类，即化学合成法与生物合成法，生物合成法又主要分为核糖核酸水解法和发酵法，发酵法又分为添加前体物发酵法和直接发酵法。

1. 化学合成法

化学合成法是以尿苷或胞嘧啶和核糖为主要原料进行一系列的催化反应，进而得到胞嘧啶核糖核苷。经过几十年的研究，改进了十几种合成路线，已经将原来胞嘧啶核糖核苷数万元一公斤售价降低至了几百元一公斤，可谓是将“天价”落到了地上。但化学合成法研究至今依然没有突破合成中催化剂使用成本高、反应步骤多、反应条件苛刻以及环境污染等问题，所以化学合成法正在逐渐被反应条件相对温和的生物合成法所取代。

2. 核糖核酸水解法

核糖核酸水解法就是将核糖核酸通过酶的作用水解，然后分离提纯得到胞嘧啶核糖核苷。这种方法虽然反应条件较温和，但需要大量质量较好的核糖核酸为原料，成本较高，同时核糖核酸的水解产物并非只有胞嘧啶核糖核苷一种，同时会产生胸苷、腺苷、尿苷等等副产物，其分离提纯胞嘧啶核糖核苷的过程复杂，进一步提升了合成成本。

3. 添加前体物发酵法

添加前体物发酵法是利用胞嘧啶核糖核苷生物合成的补救途径在菌种生长过程中促进胞嘧啶核糖核苷的生成，设计思路为在胞嘧啶核糖核苷生产菌的培养基中添加前体物尿嘧啶，使嘧啶碱基通过补救途径直接合成胞嘧啶核糖核苷，具体为尿嘧啶与微生物体内的5-磷酸核糖焦磷酸在尿嘧啶核糖磷酸转移酶的催化作用下生成尿苷一磷酸，从而增加尿苷的生成量进而经过尿苷二磷酸、尿苷三磷酸和胞嘧啶核糖核苷三磷酸最终形成胞嘧啶核糖核苷。但此法仍需添加尿嘧啶作为前体物，其成本较高、生产效率较低。

4. 直接发酵法

直接发酵法的条件简单、周期短、易控制、产率高、产量大，适合工业化大规模生产，且可以进一步降低生产成本。但是经过多年的菌种选育与研究，发现常规菌种在胞嘧啶核糖核苷的产量上难以突破，而早期的诱变育种又有着遗传突变等问题影响其稳定传代。而今分子生物技术的发展与应用，例如蛋白质酶分子定向进化育种技术，基因敲除育种技术，全局转录机器工程技术以及多种基因工程新技术应用于胞嘧啶核糖核苷发酵菌种的培育上，使得胞嘧啶核糖核苷的产量明显提高。

5. 生物发酵法

解淀粉芽以新型的解淀粉芽孢杆菌为例综述下胞嘧啶核糖核苷的生物发酵过程。解淀粉芽孢杆菌的细胞膜是一层柔软而富有弹性的半透性薄膜，由内外两层磷脂分子和蛋白质及少量多糖组成，磷脂受磷脂酰甘油磷酸合成酶、和乙醇胺激酶催化合成和被磷脂酶分解。解淀粉芽孢杆菌的细胞膜含有丰富的酶系和多种膜蛋白，胞嘧啶核糖核苷的转运可能是通过细胞膜上以膜转运蛋白为基础的运输系统实现的。细胞膜上控制代谢产物进出的是渗透蛋白（渗透酶），并维持着细胞内正常的渗透压。由此推测，解淀粉芽孢杆菌可能是通过多种转运方式完成物质的跨膜转运。解淀粉芽

孢杆菌中有2个已报道的可能参与胞嘧啶核糖核苷向细胞外转运的蛋白质，它们是由pyrP基因编码的尿嘧啶通透酶（Uracilpermease）和nupC基因编码的核苷转运蛋（NupC），它们都与核苷转运有关，尿嘧啶通透酶还参与细胞中嘧啶的转运过程，这两个转运蛋白可能在菌体生长与胞嘧啶核糖核苷分泌过程中发挥着重要的作用。孢杆菌嘧啶核苷酸合成途径如图1所示，在解淀粉芽孢杆菌合成尿苷-磷酸的过程中受到6种酶的催化作用，分别为氨甲酰磷酸合成酶、天冬氨酸氨甲酰转移酶、二氢乳清酸酶、二氢乳清酸脱氢酶、乳清酸磷酸核糖转移酶、乳清酸脱羧酶，这几种酶的合成均受到尿苷酸的调控，其中天冬氨酸氨甲酰转移酶和氨甲酰磷酸合成酶是合成尿苷一磷酸反应的限速酶。因此，想要获得高产的胞嘧啶核糖核苷菌株就必须在其繁殖育种过程中消除或者降低尿苷酸等外来因素的调控作用。

主要参考资料

[1] 卫生学大辞典

[2] 生物法合成胞嘧啶核糖核苷的研究进展

[3] 朱晖.枯草芽孢杆菌胞嘧啶核糖核苷生产菌株的构建［D］.天津大学，2013.