天然产物一直是抗肿瘤创新药物的重要来源。在基于天然产物的药物研究过程中,尤其是对于天然来源丰度低、结构复杂的活性天然产物,如何提供足够的样品开展系统的构效关系研究,阐明活性天然产物的作用机制是天然产物药物研究的重大挑战。为此,本论文主要围绕一类具有很好生物学活性的环酯肽（piperazic acid containing,pyranylated cyclodepsipeptides,PA-PCD）骨架化合物verucopeptin（VE）和pyropeptin展开生物合成、构效关系探讨和药物作用机理研究。第一部分,PA-PCD家族化合物VE的生物合成和构效关系研究。PA-PCD家族天然产物具有抗菌、免疫调节、抗肿瘤等广泛的生物学活性,VE是PA-PCD家族的一员,我们从海洋微生物Actinomadura sp XM-4-3中分离得到了该化合物,但其发酵产量仅为8mg/L,同时对VE的生物合成也未见报道。首先,我们通过Actinomadura sp XM-4-3全基因组测序获得了菌株的基因组信息,运用Antismash分析推测了 VE生物合成相关的基因簇,并进一步通过基因工程手段,详细阐述了 VE的生物合成途径。在此基础上,通过过表达正调控因子,成功构建了 VE高产菌株,发酵产量达到90 mg/L。通过高产菌株的20 L规模发酵,我们积累了大量的VE原料（达到1.8 g）。进一步运用生物合成改造和化学衍生,我们构建了 VE为核心的特色化合物库,共17个类似物。系统的生物学活性评价表明:衍生物库中的VE-2具有优异的NFκB抑制活性;VE-14在100 nM浓度下,能显著激活AMPK,优于VE;VE-28对金黄色葡萄球菌RN450的最小抑菌浓度（MIC）达到0.02 μg/mL,比VE提高了 30倍。同时,这些构效关系分析也使我们明确了 VE类似物中的关键药效团。第二部分,PA-PCD家族化合物pyropeptin的抗肿瘤分子机制研究。课题组前期工作表明PA-PCD家族新化合物pyropeptin具有显著的抗肿瘤活性,但具体的分子作用机制有待解析。为此,我们展开研究,首先发现pyropeptin可以引起食道鳞癌细胞Kyse450和Kyse150发生焦亡,进一步结果表明pyropeptin引起的细胞焦亡依赖于GSDME和Caspase-3,同时也发现该细胞焦亡表型受内质网应激释放的钙离子调控。通过化学蛋白质组学和全基因组敲除筛选,我们发现pyropeptin的直接作用靶点蛋白是PSME3和ATP2A2。体外生化和细胞水平研究表明:pyropeptin与蛋白PSME3结合破坏了其七聚体状态,并抑制K195的乙酰化修饰,其中V190和R203是这一相互作用的关键残基;接着pyropeptin诱导PSME3转运到内质网上与ATP2A2相互作用,进而影响ATP2A2功能,引起细胞内钙离子稳态失调触发细胞焦亡。最后,基于该分子机制,采用pyropeptin和钙补充剂的联合治疗在食道癌的裸鼠抑制瘤模型中表现出了显著优于pyropeptin单一用药的抑瘤效果。综上,本论文通过对PA-PCD家族化合物VE的生物合成研究,阐释了 VE的生物合成途径,获得了 VE高产工程菌株,有效解决了 VE的“药源”瓶颈;对pyropeptin药物作用机制的研究,发现了 pyropeptin的分子靶标PSME3,阐明了经由PSME3介导促发食道癌细胞焦亡的新机制,为尚无靶向药物的难治肿瘤食道癌提供了一种新的治疗策略。该论文极大丰富了 PA-PCD家族化合物的天然药物发现研究,为PA-PCD家族活性化合物的新药研发奠定了基础。