環庚三烯酚酮類化合物的研究進展

劉小玲，李 力，黃建忠*

福建師范大學生命科學學院 工業微生物教育部工程研究中心，福州 350108

真菌的次級代謝產物中含有大量的聚酮化合物，它們大都具有抗細菌、抗真菌、抗寄生蟲、甚至抗腫瘤的生物活性，具有巨大的新藥物開發潛質而受到廣泛關注［1］。這些真菌的次級代謝產物中存在一類具有獨特化學結構的非苯環芳香族化合物——環庚三烯酚酮(tropolone)。

1942 年Raistrick 等［2］從一株青霉菌屬(Penicillium stipitatum)中提取并分離得到真菌代謝產物——stipitatic acid(密擠青霉酸)，環庚三烯酚酮由于其結構的特殊性，功能的廣泛性，一直受到研究者的關注，但其結構特殊性給解析工作帶來了困難。1945 年Dewar 意識到這種物質的結構可能是非苯環的芳香族系統［3］，Todd 等對其提供了化學依據［4］，人們才確定了環庚三烯酚酮的結構為七元的環狀結構，Dewar 將這個七元環的結構(圖1)命名為環庚三烯酚酮(tropolone)［5］。隨著從植物、細菌等多種生物中分離到了多種環庚三烯酚酮的化合物，開創了非苯環芳香族化合物的新領域。本文主要從環庚三烯酚酮類物質結構的多樣性、生物活性及其合成研究進行闡述。

1 環庚三烯酚酮結構的多樣性

1.1 環庚三烯酮(tropone)

環庚三烯酮(圖2)是脫羥基環庚三烯酚酮，目前已知的環庚三烯酮有從藻類中分離得到的A 和B［6］，其結構的主要區別是丁基鏈的連接位置不同。另一個是1964 年從日本香柏中分離得到的C［7］，它與A、B 結構的不同是環庚三烯酮環上連接的是異丙基。

圖1 tropolone 的化學結構Fig.1 The chemical structure of tropolone

圖2 tropone 的化學結構Fig.2 The chemical structure of tropone

1.2 簡單的二環環庚三烯酚酮

2001 年Seephonkai 等報導從一種真菌病原體冬蟲夏草Cordyceps sp.BCC 1681 中分離得到cordytropolone(圖3，A)，其結構由一個環庚三烯酚酮和一個呋喃環構成［8］。1965 年，Divekar 等從真菌黃瘤孢屬Sepedonium chrysospermum 分離得到黃瘤孢素(圖3，B)［9］，它的結構由一個環庚三烯酚酮單元連接一個吡喃環構成。另一種二環環庚三烯酚酮類化合物manicol(圖3，C)是1983 年Polpnsky 等從圭亞那的一種樹Dalacia guanensis 中分離得到，它是一種類倍半萜烯化合物［10］。

圖3 二環環庚三烯酚酮的化學結構Fig.3 the structure of simple bicyclic troplone

圖4 具有一個環庚三烯酚酮單元的多環結構Fig.4 polycyclic structures of one tropolone unit

1.3 具有一個環庚三烯酚酮單元的多環結構

2003 年Angawi 等［11］從一種無孢子生殖的真菌Mycelia sterilia NRRL 29110 中分離得到的一種聚酮代謝物malettinin A(圖4，A)，是具有一個環庚三烯酚酮單元的三環結構。2005 年他們又報導了malettinin A 的結構類似物malettinin B［12］(圖4，B)，以及malettinin B 的另一種同分異構體。Raggatt 等在研究xenovulene A 的生物合成時，從枝頂孢霉Acremonium strictum 中分離得到了具有一個環庚三烯酚酮單元四環結構的兩種化合物(圖4，C，R=H 或OH)［13］。

1.4 具有兩個環庚三烯酚酮單元的多環結構

一種植物病原體真菌串珠鐮刀菌(Fusarium moniliforme)產生大量的毒素，其中就包含環庚三烯酚酮類的珠鏈孢菌素(圖5)［14］，它是由兩個環庚三烯酚酮—吡喃環單元經丁二烯單元連接起來的。1976 年Karlsson 等報導從一種樹Juniperus utahensis分離得到utahin(圖5)，它的結構具有兩個環庚三烯酚酮單元中間由一個呋喃環聚合而成［15］。

圖5 珠鏈孢菌素和utahin 的化學結構Fig.5 The chemical structures of fusariocin and utahin

1.5 含硫的環庚三烯酚酮

據報導天然的含有硫原子的環庚三烯酚酮衍生物4 種物質。一個是Kawano 等從柄細菌屬的PK654 菌株中分離出一種抗生素thiotropocin(圖6，A)［16］以及收錄在抗生素及其相關物質字典中的另一種抗生素troposulfenin(圖6，B)［17］。含有硫的環庚三烯酚酮的另外兩種物質是從海洋細菌玫瑰桿菌的進化枝中分離得到具有抑菌作用的tropodithietic acid(圖6，C)和hydroxytropodithietic acid(圖6，D)［18］。

圖6 含硫的環庚三烯酚酮的化學結構Fig.6 The structures of tropolones containing sulfur

圖7 rubrolone 的化學結構Fig.7 The structure of rubrolone

1.6 含氮的環庚三烯酚酮

1978 年，Palleroni 等對鏈霉菌屬X-14077 菌株產生的水溶性色素復合物毒理性研究，發現其為一個新的菌種，命名為Streptomyces echinoruber sp.nov。其主要代謝產物是一種名為rubrolone(圖7)的紅色素，其結構由包含環庚三烯酚酮單元的五個環構成，它具有很低的毒性，是一種潛在的食用色素［19］。

1.7 真菌的羥基環庚三烯酚酮酸

前面已經提到青霉菌屬產生密擠青霉酸(stipitatic acid，圖8)［2］，它是最早發現的環庚三烯酚酮類物質之一。隨后人們又在另一種真菌藍狀霉菌屬中提取出了stipitatonic acid(圖8)其結構是在stipitatic acid 的基礎上，將C-5 的H 被羧基取代，并可以與C-4 的羧基經過縮合形成酸酐［20］。以及人們在研究真菌環庚三烯酚酮類物質生物合成的過程中先后發現的stipitalide(圖8)與stipitaldehydic acid(圖8)［21］。

圖8 stipitatic acid，stipitatonic acid，stipitalide 和stipitaldehydic acid 的化學結構Fig.8 The structures of stipitatic acid，stipitatonic acid，stipitalide and stipitaldehydic acid

2 環庚三烯酚酮的生物活性

環庚三烯酚酮類化合物是次級代謝產物，大多具有抑菌、抗病毒、抗腫瘤、殺蟲、抗炎以及酶抑制等活性。

2.1 環庚三烯酚酮的抑菌活性

2.1.1 環庚三烯酚酮對細菌的抑制活性

大多數環庚三烯酚酮類化合物都具有抑制細菌的活性。Trust 對環庚三烯酮抗細菌活性研究發現，環庚三烯酚酮對多種細菌具有抑菌和殺菌活性，它主要作用于所有的細胞的細胞壁或膜，而使細胞溶解達到抗菌的效果［22］。

另外，Morita 等報道了環庚三烯酚酮的類似物α-thujaplicin(圖9)具有抑制糞腸球菌Enterococcus faecalis IFO-12965 的活性，MIC 為1.56 μg/mL，其抑制活性高于慶大霉素(MIC 為6.25 μg/mL)［23］。并且，他們也報道了α-thujaplicin 對細菌Legionella pneumophila SG1 和SG3 具有明顯的抑制作用，其MIC 在6.25～50 μg/mL 之間［24］。

圖9 α，β，γ-thujaplicin 的化學結構Fig.9 The structures of α，β，γ-thujaplicin

圖10 DBMTr 的化學結構Fig.10 The structure of DBMTr

2.1.2 環庚三烯酚酮對真菌的抑制活性

Morita 等研究發現環庚三烯酚酮類化合物(α，β，γ-thujaplicin，圖9)具有很強的抗真菌活性［25］。他們報道了α-thujaplicin 對七種植物病原菌真菌的MIC 在6.0～50.0 μg/mL 之間，并且還報道了環庚三烯酚酮對真菌Pythium aphanidermatum IFO-32440也具有很強的抑制作用，其MIC 為6.0 μg/mL［26］。

Nakano 等對環庚三烯酚酮類化合物的抗真菌活性研究發現，β-thujaplicin 也可以用于治療犬的外耳炎疾病。他們進行的體外試驗表明，與常用的藥物(例如酮康唑和特比萘芬)相比，β-thujaplicin 對可引起狗的外耳炎疾病的真菌Malassezia pachydermatis 也有很強的抑制作用［27］。

2.2 環庚三烯酚酮的抗病毒活性

環庚三烯酚酮類化合物的抗毒活性主要體現在對人類免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus，HIV)及丙型肝炎病毒(Hepatitis C virus，HCV)的抑制作用。

Yamato 等最早報道了環庚三烯酚酮類化合物具有抗HIV 的活性。2005 年Scott 等進一步研究發現β-thujaplicin 和manicol 具有潛在的并選擇性地抑制HIV-1 反轉錄酶核糖核酸酶H(RNase H)的活性，并且體外試驗結果表明β-thujaplicin 和manicol對HIV-1 RNase H 的半抑制率IC50值分別為0.2 μM 和1.5 μM［28］。近年，Chung 等合成了14 種manicol 的衍生物，它們都保留了與二價金屬離子螯合的基團，并提高了α-hydroxytropolones 抗HIV-1 的活性及特異性［29］。Brian 用瞬態動力學分析β-thujaplicin 對HV-1 反轉錄酶RNase H 的抑制活性［30］。

HCV 感染能引起肝炎、肝硬化及肝癌等疾病，據世界衛生組織統計全球有3%的人口感染HCV病毒，HCV 病毒被認為是最危險的病原體之一。Boguszewska 等合成了3，7-dibromo-5-morpholinomethyltropolone(DBMTr，圖10)，它對HCV 解旋酶具有很強的抑制作用，其IC50值為17.56 μM［31］。近年，Bernatouicz 等也報道了合成新的抗HCV 的環庚三烯酚酮類似物，其中，3，5，7-tri［(4'-methylpiperazin-1'-yl)methyl］tropolone 對HCV 解旋酶的抑制作用最強，IC50值為3.4 μM［32］。

2.3 環庚三烯酚酮的抗腫瘤活性

早在20 世紀50 年代，Leiter 就報道了環庚三烯酚酮類化合物具有抗惡性腫瘤37 的活性［33］。后來，Yamato 等做了大量實驗來研究環庚三烯酚酮衍生物(如monotropolone 和bistropolone)的抗腫瘤活性。他們利用小鼠的白血病細胞P388 作為研究材料，發現環庚三烯酚酮類物質可以與某些酶所必需的金屬產生螯合物，從而可以抑制酶的活性。例如其與催化DNA 合成的核糖核苷酸還原酶所需的金屬螯合從而達到阻斷DNA 合成的效果［34］。

最近，Bosca 研究發現抗腫瘤的環庚三烯酚酮類化合物可以與人的血清蛋白結合產生強的熒光，因此可將這種藥物作為生物標記［35］。

2.4 環庚三烯酚酮的殺蟲活性

在2001 年，Moussa 等發現從北美香柏(Thuja occidentalis)分離得到的環庚三烯酚酮類似物thujaplicinol 對昆蟲Callosobruchus maculatus 具有殺蟲效果［36］。2004 年，Chisty 等用透射顯微鏡法研究發現β-thujaplicin 對吸血蟲幼蟲具有明顯的殺蟲活性［37］。2005 年，韓國的Jang Young-su 等從日本扁柏樹葉中分離得到質譜檢測為β-thujaplicin，發現它可以殺死3 種蚊子幼蟲，而且對Aedes aegypti 幼蟲的半數致死濃度LC50為2.91 ppm、對Ochlerotatus togoi 幼蟲的LC50值為2.60 ppm 以及對Culex pipiens幼蟲的LC50值為1.33 ppm［38］。

2.5 環庚三烯酚酮的抗炎活性

早在1971 年，日本的Ozawa 等對環庚三烯酚酮的藥理學研究就發現其具有止痛、抗炎及體溫過低等活性［39］。2010 年Koc 等用小鼠試驗研究發現環庚三烯酚酮衍生物2，5-dihydroxycyclohepta-2，4，6-trienone(AD-4)具有抗炎的活性，并且它比一般消炎藥的毒性更低，并且推測AD-4 的抗炎活性可能與它增強血管通透性的功能有關［40］。

2.6 環庚三烯酚酮的酶抑制活性

環庚三烯酚酮類化合物對多種酶具有很強的抑制作用，主要是因為它們可以與酶所需的金屬離子例如Mg2+、Cu2+、Zn2+及Fe2+螯合，從而抑制酶的活性。前面也提到了環庚三烯酚酮可以抑制病毒核糖核酸酶及整合酶的活性，此外，環庚三烯酚酮類化合物也可抑制其他酶的活性。

例如，環庚三烯酚酮類化合物β-thujaplicin 可抑制人的血小板型脂加氧酶12-lipoxygenase 的活性，IC50為0.1 μm［41］，紅茶中提取的環庚三烯酚酮衍生物茶黃素(theaflavins)也可抑制脂加氧酶的活性［42］。最近，Fullagar 等報道了通過形成一個獨特的金屬螯合結構，環庚三烯酚酮特異性地抑制依賴Zn2+的金屬蛋白酶Pseudomonas aeruginosa elastase［43］。此外，天然產物環庚三烯酚酮類化合物還可以作為引起惡性腫瘤的組蛋白脫乙酰酶(histone deacetylase，HDAC)及其同工酶的抑制劑，從而可以發展成為抗癌的藥物［44］。

2.7 環庚三烯酚酮的其他生物活性

Iwatsuki 等研究發現青霉菌屬中提取的環庚三烯酚酮類物質有潛在的抗瘧疾活性，可用作抗瘧疾的藥物［45］。Yamane 等報道了β-thujaplicin 具有抗糖尿病的功能，它可以與Zn(Ⅱ)形成復合物［46］。Murakami 等也從藥理學和動力學方面研究了抗糖尿病的(β-thujaplicin)Zn(Ⅱ)復合物與Zn(S2O2)的配位模式［47］。Koufaki 等合成了β-thujaplicin 衍生物，它能夠保護HT22 海馬神經元免受氧化應激導致的細胞死亡［48］。另外，環庚三烯酚酮類化合物還具有抗輻射的功能［49］。

3 環庚三烯酚酮的生物合成

環庚三烯酚酮由于其結構的特殊性以及多樣性，其衍生物的抑菌、降血壓、抗腫瘤活性等，因此，越來越多的人對其合成感興趣。環庚三烯酚酮的合成目前研究最多的包括化學合成以及生物合成。

3.1 環庚三烯酚酮的化學合成

環庚三烯酚酮的合成是復雜并且多步的，許多學者對其合成做了大量的研究，其中影響最大的就是在1965 年Stevens 以環戊二烯和二氯乙烯酮為起始原料合成了一個中間體即7，7-二氯二環［3.2.0］庚-2-烯-6 酮，然后消除了包含乙酸、乙酸鹽及水的Grob 片段后形成了環庚三烯酚酮［50］，如圖11 所示。

圖11 環庚三烯酚酮的化學合成Fig.11 chemical synthesis of tropolone

3.2 環庚三烯酚酮的生物合成途徑

3.2.1 環庚三烯酚酮類化合物生物合成早期的研究

早在1950 年，Robinson 就提出環庚三烯酚酮可以由多酚和甲醛等物質縮合而成的假設［51］。1963年Bentley 使用14C 同位素標記顯示了stipitatic acid的合成前提物質是乙酸、丙二酸和一個C1 物質，類似于聚酮化合物［52］。1971 年，Scott 等用青霉菌屬菌株實驗證明了3-甲基苷色酸3-methylorsellinic acid 是stipitatonic acid 和密擠青霉酸stipitatic acid的前體物質［53］。后來Robert 等也用實驗證明了3-甲基二羥基甲基苯甲醛3-methylorcylaldehyde 也是stipitatic acid 的合成前體物，并分離得到前面提到的新的環庚三烯酚酮類物質stipitaldehydic acid［21］，如圖12。因此可以證明乙酸、丙二酸合成聚酮后的環化是先形成六元的苯環結構，然后再經過氧化反應來使環擴增形成了七元的環庚三烯酚酮結構。

2007 年Cox 等從一種植物病原體緊密枝頂孢霉(Acremonium strictum)中克隆到一個聚酮合成酶(polyketide synthase，PKS)基因簇，在米曲霉中異原表達得到了合成環庚三烯酚酮類物質的前體3-甲基二羥基苯甲醛3-methylorcylaldehyde，因此這個基因又被稱為MOS(3-methylorcinaldehyde synthase)，測序發現它是一種真菌的NR-PKS(non-reducing polyketide synthase)［54］。2010 年Cox 等研究了MOS的C 端結構域的催化作用，研究了甲基化發生的時間以及鏈長的控制［55］。

圖12 環庚三烯酚酮的生物合成途徑Fig.12 biosynthesis of tropolone

3.2.2 近期環庚三烯酚酮生物合成研究的成果

在2012 年Davison 等從遺傳、分子、生化基礎對真菌的環庚三烯酚酮的生物合成做了進一步的研究［51］，闡述了真菌中合成環庚三烯酚酮基本骨架的最基本的三個基因是tropA、tropB、tropC，tropA 編碼合成3-甲基二羥基苯甲醛的酶，即MOS;tropB 編碼的是一個依賴FAD 的催化3-甲基二羥基苯甲醛C-3位羥基氧化的單氧化酶;tropC 編碼的是一個非亞鐵血紅素依賴的催化環氧化擴增形成環庚三烯酚酮骨架的雙氧酶。這些確定了功能的基因可以作為微生物基因組發掘的工具，而且使得環庚三烯酚酮類化合物的生物合成的研究有了實質性的飛躍，并對其他真菌的天然產物生物合成的研究起到促進的作用［56］。

4 總結與展望

環庚三烯酚酮化合物的化學結構具有多樣性，并且大多具有抑菌、抗病毒、抗腫瘤、殺蟲、抗炎及酶抑制劑等各種生物活性。目前，在識別新的天然環庚三烯酚酮類化合物、化學合成和性質、生物活性、生物合成和代謝等方面已經取得了很大的進步［57］。但是，由于這類化合物結構的復雜性及多樣性，要把它們應用于臨床診斷還需要更多的努力。因此，今后的研究應注重通過各種篩選和結構修飾等策略發現并合成更多新的環庚三烯酚酮類衍生物，研究它們的生物合成途徑以發現新的衍生物，降低這類化合物的毒性，將這類化合物發展為新的臨床診斷藥物。

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