海洋微生物次生代谢产物的结构特征和生物活性的研究进展-王幸

2010年7月第8卷第4期ChinJNatMedJuly2010Vol.8No.4309海洋微生物次生代谢产物的结构特征和生物活性的研究进展王幸,吴文惠,陈志华,张洁,包斌*上海海洋大学食品学院,上海201306【摘要】本文归纳了21世纪以来海洋微生物产生的次生代谢产物的结构类型及其抗菌、抗肿瘤、抗心脑血管疾病、抗炎症和酶抑制等生物活性,并展望了今后海洋微生物和海洋天然产物的发展方向。【关键词】海洋微生物;次生代谢产物;生物活性【中图分类号】R931.77【文献标识号】A【文章编号】1672-3651(2010)04-0309-12doi:10.3724/SP.J.1009.2010.00309长期以来,国内外开发天然药物的重点一直集中在陆生生物资源,现有的天然药物大多数也都来自陆生生物。然而,在对陆生生物资源的长期研究开发过程中发现，从陆生生物次生代谢产物中发现新药或先导化合物的难度越来越大,抗药性问题也日益严重,新药的开发面临着严峻挑战[1]。因此,自上世纪60年代以来,人们开始将注意力投向尚未开发的巨大天然资源宝库——海洋微生物。海洋微生物与陆地微生物有着很大不同。海洋中营养成分的缺乏,迫使许多海洋微生物与富含营养成分的海洋动植物共生,以获得生存必需的营养,这种现象在海洋微生物中很普遍并具有很高的特异结合选择性。微生物物种之间争夺宿主的竞争也十分激烈,导致很多微生物通过代谢产生一些小分子有机化合物来争夺有限的营养和进行自我防御,而且由于生存环境的原因,很多海洋微生物次生代谢产物的化学结构、生物活性均与陆地微生物有明显不同,这些化合物是海洋微生物次生代谢产物作为新药药源的重要基础。目前,已经从细菌、放线菌、真菌、微藻等海洋微生物中分离到多种活性物质,包括萜类、不饱和脂肪酸、多肽、环肽、生物碱、大环内脂类、聚醚类、醌类、毒素、多糖、酶类等[2-5]。许多物质具有抗菌、抗病毒、抗肿瘤、抗心脑血管疾病、抗氧【收稿日期】2010-1-25【基金项目】上海市自然科学基金项目和重点学科建设项目(No.10ZR1413800,J50704)【*通讯作者】包斌:副教授,Tel:[phone],E-mail:[e-mail]化、抗炎、酶及酶的抑制活性、抗寄生虫、抗过敏反应等作用,这些化合物的发现为药物研究提供了重要的先导化合物[6]。本文通过检索国内外文献资料综述了21世纪以来发现的海洋微生物的主要次生代谢产物及其生物活性作用。1抗菌生物活性海洋微生物次生代谢产物在当今抗生素普遍应用的时代,微生物对抗生素的耐药性一直是成功治疗人类细菌性疾病的一大障碍,因此迫切需要快速持续地开发新型抗生素,以适应细菌对抗生素敏感性改变的速度。对海洋微生物产生的多样的活性物质的研究从一定程度上为解决这个难题提供了新思路。近年来日本对海洋微生物进行了广泛研究,发现约有27%的海洋微生物具有抗菌活性,许多成分是陆生生物中不存在的,为人工合成抗菌药物提供了新颖的先导化合物[7]。1.1海洋细菌的抗菌活性物质Burkholder等[8]从海洋含溴假单胞菌(Pseudomonasbromoutilis)中分离到抗生素硝吡咯菌素pyrolnitrin(1),掀开了海洋微生物活性物质研究的序幕,随后有多种海洋微生物所产生的抗生素被发现。Isnansetyo和Kamei[9]从海洋细菌Pseudoal-teromonasphenolicasp.nov.中得到1个新的抗生素MC21-A(2),该化合物对耐青霉素的葡萄球菌有杀菌作用,其作用效果与万古霉素相当,但是作用王幸，等/2010,8(4):309−320310ChinJNatMedJuly2010Vol.8No.42010年7月第8卷第4期机制与万古霉素不同,MC21-A主要是通过透化（permeabilization）细菌细胞膜来发挥作用的。Choi等[10]从韩国济州岛潮间带的海泥中分离到一株海洋细菌Hahellachejuensis,运用多种色谱分析的方法从乙酸乙酯提取物中得到2个新的17环的大环五烯化合物chejuenolidesA和B(3,4),通过NMR光谱数据确定了这2个大环五烯化合物的结构和相对构型,是通过改进的Mosher法测得绝对构型。研究表明,这2种大环五烯化合物具有抗枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌的抗菌活性,同时他们对蛋白质酪氨酸磷酸酶1B(proteintyrosinephosphatase1B,PTP1B)表现出较弱的抑制作用,在浓度为150μg·mL−1时的抑制活性在65%-75%。PTP1B的抑制剂被认为是治疗Ⅱ型糖尿病及其相关的代谢综合症的一种很有潜力的化合物。1.2海洋放线菌的抗菌活性物质目前的天然抗生素大约有2/3来自放线菌[11],近年来不断有新的海洋放线菌菌种及其产生的新抗生素的报道[12-13],特别是具有全新作用机制的平板霉素的发现更加促进了对放线菌的研究[14],从海洋放线菌中寻找新型抗菌活性物质也成为目前研究的热点[15]。FedericaSponga等[16]对约40000株来自全球不同海域的海洋微生物的研究结果表明：对于能产生活性物质的放线菌,31%属于链霉菌(Streptomycetes),69%属于稀有放线菌(主要是小单胞菌属,micromonosporas)。海洋放线菌主要包括链霉菌属(Streptomy-cetes)、小单孢菌属(Micromonospora)、红球菌(Rhodococcus)、诺卡氏菌(Nocardia)以及游动放线菌(Actinoplanetes)等稀有属种,其主要分布在海底沉积物、海洋生物表面或者游离于海水中。海洋的高盐、高压、低营养、低温等特殊生活环境,使海洋放线菌发展出独特的代谢方式,同时也提供了产生独特的生物活性物质的潜力。Robert等[17]从夏威夷可爱岛浅水区沉积物样品中分离到一株放线菌NocardiopsisdassonvilleiBH-609,该菌可以产生两种新的吲哚核苷kahakamidesA(5)和B(6),这2个化合物属于neosidomycin类抗生素。该化合物对革兰氏阳性菌枯草芽孢杆菌有较强的抑菌活性。Bister等[18]从海洋放线菌Verrucosispora的发酵液中得到1个新的多环聚酮类抗生素AbyssomicinC(7),该化合物有很强的抗革兰氏阳性菌的活性。AbyssomicinC是对氨基苯甲酸生物合成的抑制剂,是比已知的人工合成的磺胺类药物在合成通路上较早的抑制叶酸的合成。AbyssomicinC被认为是很有潜力的抗耐药性病原体的抗生素。林亲雄等[19]对海洋放线菌M326次生生物代谢产物进行了初步研究,发现次生生物代谢产物对G+菌有较强的抑菌活性,对G−菌、耐药菌均有不同程度的抑菌活性,且抗菌物质的极性较强。王幸，等/2010,8(4):309−3202010年7月第8卷第4期ChinJNatMedJuly2010Vol.8No.43111.3海洋真菌的抗菌活性物质海洋动植物区系中海洋真菌因为与其宿主的紧密关系,可通过产生某些生理活性物质对宿主防御病害或其他生物的侵害起积极作用[20]。迄今已在海洋动植物共附生真菌中发现了许多活性很高的抗生素[21]。PericonicinsA,B(8、9)[22]是从红树林内生真菌Periconiasp.分离得到的二萜类新化合物,能抑制多种微生物的生长,如枯草芽孢杆菌ATCC6633、金黄色葡萄球菌ATCC6358p、表皮葡萄球菌ATCC12228等。Ciavatta等[23]从腹足动物Onchidiumsp.中分离到一株真菌EutypellascopariaICB-OBX,并从其次生生物代谢产物中分离到2个新的化合物cytosporinD(10)和cytosporinE(11),这两个化合物具有抗葡萄球菌、大肠杆菌和白色念珠菌的抗菌活性。一株真菌帚状弯孢聚壳(EutypellascopariaICB-OBX)经用人工海水配制的麦芽汁液体培养基28°C发酵培养30d后,用乙酸乙酯提取,然后减压浓缩得到400mg褐色的油状物,再用CHCl3和CH3OH作为硅胶柱色谱的洗脱剂分布洗脱得到极性部分和弱极性部分,将极性部分用硅胶柱纯化得到cytosporinD和cytosporinE。2抗肿瘤海洋微生物次生代谢产物海洋微生物的次生代谢产物有多种活性,其中以抗肿瘤活性昀为重要。近年来,研究者对来自海洋细菌、海洋真菌、海洋放线菌的抗肿瘤活性物质作了较多研究。从海洋微生物中筛选的抗肿瘤活性物质的种类包括含氮类、内酯类、酮类、醌类、多糖类;按其来源又可分为海洋细菌的抗肿瘤活性物质、海洋放线菌的抗肿瘤活性物质及海洋真菌的抗肿瘤活性物质。2.1海洋细菌的抗肿瘤活性物质海洋细菌是海洋微生物抗肿瘤活性物质的一个重要来源,主要集中在假单胞菌属(Pseudomo-nas)、土壤杆菌属(Agrobacterium)、弧菌属(Vibrio)、微球菌属(Micrococcus)、芽孢杆菌属(Bacillus)、肠杆菌属(Enterubacrerium)、交替单孢菌属(Alteromo-nas)、钦氏菌属(Chainiarubra)、黄杆菌属(Flavobacterium)。Canedo等[24]对海洋土壤杆菌属的抗肿瘤代谢物做了一系列研究。从加勒比海海鞘Ecteinascidiaturbinata及Turkish海岸Polycitonide属海鞘分离到两株海洋土壤杆菌,从它们的脂溶性次生生物代谢产物中分离到2个有显著抗肿瘤活性的化合物SesbanimideA(12)和C(13),对肿瘤细胞L1210的IC50为0.8μg·L−1。Matsuda等[25]从海洋假单胞菌Pseudomonassp.WAK-1中分离纯化得到1个硫酸多聚糖B-1(14)。结果发现其对39株肿瘤细胞系有显著的抗肿瘤活性,平均IC50为63.2mg·L−1,其中对B-1高度敏感的菌株集中在中枢神经系统肿瘤细胞和肺癌细胞。细胞形态学观察和DNAladder电泳分析表明B-1通过诱导细胞凋亡发挥抗肿瘤作用。Zheng等[26]从海绵Hymeniacidonperleve中分离出29种海洋细菌,其中NJ6-3-1发酵物经色谱分析、结构鉴定,得到1个β-咔啉生物碱Norharman(15)。Norharman在体外对人宫颈癌细胞HeLa和胃癌细胞BGC-823具有显著的细胞毒活性,IC50为5mμg·mL-1。吕家森等[27]对海洋细菌B2817产生的胞内外的活性产物进行了提取、纯化和测试,认为该菌具王幸，等/2010,8(4):309−320312ChinJNatMedJuly2010Vol.8No.42010年7月第8卷第4期有产生抑菌、抗肿瘤活性物质的特性,实验发现,有3个组分既具有抗肿瘤又有抗菌活性,有1个组分仅有抗肿瘤活性。2.2海洋蓝细菌的抗肿瘤活性物质从海洋蓝细菌(Cyanobacteria)中得到的lyngbabellinC(16)、lyngbyapeptinsB(17)和C(18)以及palauimide(19)的N-酰基吡咯酮,对KB、LoVo等细胞系均有细胞毒活性[28]。Taori等[29-30]从蓝藻门的束藻属(Symplocasp.)中分离到一种新的化合物Largazole(20),Largazole在纳摩尔浓度就表现出对人乳房上皮和成纤维的骨肉瘤细胞转移的高度选择性。该研究组推论出Largazole是一种组蛋白去乙酰化(HDAC)抑制剂,Largazole在体内可以转化为有活性的化合物(21),是一种前体化合物。ApratoxinsA(22)和D(23)是从不同的壳丝藻属(Lyngbyaspp.)中分离的2种抗癌细胞增殖的化合物,它们可以与信号传感器和逆转录激活剂3(STAT3)相互作用,抑制癌细胞增殖,ApratoxinsA有独特的活性形式可以抗60种癌细胞[31-34]。Tripathi等[35-36]从新加坡韩都岛的海洋蓝细菌(Lyngbyam