昆蟲共生菌的藥用活性物質研究進展

浙江師范大學生化學院 李帥 張應烙

昆蟲共生菌的藥用活性物質研究進展

一、前言

微生物憑借其物種和功能的多樣性以及其產生代謝產物的新穎性等諸多優勢，已成為藥物先導化合物的重要來源。自1929年弗萊明發現青霉素以來，在過去的幾十年里，人們已經陸續從微生物代謝產物中發現大約有50000種天然產物，其中20000多種具有生物活性，17000多種具有抗腫瘤抗感染活性，100多種已成功開發成臨床常用的抗生素、抗癌及抗病毒藥物。然而，長期以來人們研究對象重復的集中于陸生土壤環境微生物，從中發現的代謝產物多是已知化合物，從微生物中研制新藥的難度越來越大。擴大微生物的來源是解決上述問題的有效途徑之一。

共生菌是一類長期與宿主共同生活的特殊環境微生物。昆蟲與微生物保持多樣的共生關系，這種共生關系可能對宿主昆蟲具有重要的生存意義，如半翅目蚜蟲共生菌Buchnera sp.，紅兵臭蟲共生菌Coriobacterium sp.為宿主提供昆蟲不能合成的維生素B族化合物；白蟻腸道菌Bacteroides和Citrobacter為宿主昆蟲清理腸道內的含氮有機廢物；某些兼性共生菌可以產生活性小分子代謝產物幫助宿主昆蟲抵御致病菌和外來天敵入侵等。研究者將共生菌產生的活性小分子應用于藥學研究時發現，某些小分子具有明顯的抗菌、抗癌和免疫抑制活性，提示昆蟲共生菌作為新藥物來源的可能性。作為新天然產物的來源之一，昆蟲共生菌正受到越來越多藥物化學家的關注。

二、共生菌代謝產物

與昆蟲種類研究相比，目前昆蟲共生菌的代謝產物研究較少，根據已有文獻報道化合物的結構類型，這些活性代謝產物可以劃分為醌酮類、生物堿類、肽類、萜類、酯類等。

1.醌酮類化合物

Zhang等從一株大刀螳螂腸道共生菌Daldinia eschscholzii中分離得到兩個新萘醌類化合物dalesconolA、dalesconolB，體外實驗證明兩個化合物能有效抑制伴刀豆球蛋白A引起的小鼠脾細胞增殖（IC50：0.16-0.58μg/mL），與對照藥物環孢菌素A抑制效果相當，有望開發為新型免疫抑制劑。日本學者Azumi從昆蟲致病菌Metarhizium anisopliae中分離得到具有選擇性抑制線粒體F1F0ATP酶活性的aurovertin衍生物。Asai等通過在麥角菌Cordyceps indigotica中添加組氨酸脫羧酶抑制劑和DNA甲基轉移酶抑制劑，分別得到兩個聚酮類衍生物indigotideA，B和tenuipyrone，有關新化合物的生物活性正在開展研究。Poulsen等從美國威斯康星州捕捉到的33只黃蜂體表篩選得到近百株共生放線菌，對其中15株進行研究，分離得到包括daunomycin在內的11個聚酮類化合物，化合物對供試黃蜂及黃蜂巢致病細菌、真菌有一定的抑制作用，提示上述化合物在黃蜂抵御外來致病菌威脅時可能發揮了一定的“抵御”作用。Guo從一株蝗蟲腸道放線菌Amycolatopsis sp.HCa1中分離得到新聚酮化合物angucyclin one及其衍生物，體外實驗證明化合物具有微弱的細胞毒活性。

2.生物堿類化合物

Isak等從一株蜘蛛致病菌Torrubiella sp.中分離得到4個吡啶酮類生物堿torrubiellones A-D，體外實驗證明torrubiellones A具有較好的抗瘧活性（IC50=8.1μM）和微弱的細胞毒活性；從鱗翅目幼蟲致病菌Isaria tenuipes中分離得到一系列雙環半縮醛生物堿isariotins E-M，化合物均具有較好的抗瘧活性和細胞毒活性；從白蟻蟲生菌C.brunnearubra BCC 1395中分離得到具有抗瘧活性的生物堿cordyformamide。

Asai通過在培養基中添加組氨酸脫羧酶抑制劑SBHA，從一株昆蟲致病菌Torrubiella luteorostrata中分離得到三個生物堿類化合物luteoridesA-C；從一種脈翅目幼蟲共生菌C.nipponica BCC 1389分離得到三個生物堿類化合物cordypyridones A-D，其中cordypyridones A和B具有很強的抗瘧活性，IC50分別為0.066，0.037μg/mL。Oh等對采自韓國首爾附近的蜣螂及其幼蟲蛹共生放線菌代謝產物進行了系統研究，從蜣螂共生放線菌Streptomyces sp.中分離得coprismycins A-C和新鹵代茚酮tripartin，體外活性試驗表明coprismycins A對MPP+引起的成神經細胞瘤具有顯著的神經保護作用，tripartin對Hela細胞組蛋白酶有一定抑制作用。Nirma等從一株白蟻共生菌Pseudallescheria boydii SNB-CN73中分離得到tyroscherin類化合物，化合物對人類致病真菌白色念珠菌、紅色毛癬菌具有較好的抑制作用，MIC值為2-4μg/mL；對食品微生物大腸桿菌、金黃色葡萄球菌具有中等抑制作用，MIC值為8-32μg/mL。

3.多肽類化合物

Umeyama等從一株節肢昆蟲致病菌C.cardinalis NBRC103 -832中分離得到兩個多肽化合物cardinalisamidesA和B，化合物具有明顯的殺蟲活性，其抑制錐體蟲Trypanosomabrucei生長的IC50值分別為8.56和8.65 μg/mL。Lang等從一種線蟲致病菌Xenorhabdusnematophilus中分離得到兩個線性多肽類化合物xenortidesA，B和環肽xenematide，其中化合物xenortidesA具有中等抑菌活性和較弱的殺蟲活性，對致病細菌Bacillussubtiis,Pseudomonasfluorescens,P.syringae,Erwiniaamylovora和Ralstoniasolanacearum的最低抑菌濃度MIC值為10μg/mL。Haritakun等從一株昆蟲致病菌Ophiocordycepscommunis BCC16475中分離得到一個新環肽cordycommunin，該化合物能強烈抑制結核分歧桿菌Mycobacteriumtuberculosis H37Ra的生長（MIC=15μM），同時對KB，MCF-7和NCI-H187癌細胞具有中等殺死作用，IC50值分別為45μM，88μM。Blodgett等從美國南方松樹甲蟲體表篩選得到的一株共生放線菌Streptomyces sp.SPB78中分離得到兩個新環肽化合物frontalamidesA，B及其同系物，抑菌試驗表明兩化合物對甲蟲有害真菌Ophiostomaminus生長有顯著的抑制作用。Oh研究組從蜣螂幼蟲蛹中篩選得到一株放線菌Streptomycessp.并分離得到一個新環肽化合物tripartilactam，化合物有望開發為新型Na+/K+ATP酶抑制劑，其IC50為16.6μg/mL；Schoenian等首次采用MALDI和LC-ESI-HR-MS技術對切葉蟻體表多種共生放線菌代謝產物的分布進行了微量分析，同時活性試驗表明上述多肽類化合物對切葉蟻致病真菌和蟻巢真菌Leucoagaricusgongylophorus均具有較強的抑制作用。

4.萜類化合物

Kikuchi等從昆蟲共生菌Paecilomycestenuipes中分離得到三個倍半萜類化合物paecilomycinesA-C，化合物paecilomycinesA有望開發為治療神經衰退疾病的藥物。Isaka等從Hypocrellasp. BCC14524中分離得到7個羊毛甾烷型三萜化合物和3個阿帕烷型三萜化合物，活性實驗表明部分化合物具有較好的抗瘧疾，抗菌和NCI-H187細胞毒活性。Asai等通過在培養基中添加組氨酸脫羧酶抑制劑和DNA甲基轉移酶抑制劑，從一株昆蟲致病菌Gibellulaformosana中分離得到兩個麥角固醇類化合物。倍半萜類化合物xylaric acidsA-C是Yan等從白蟻巢生菌Xylariasp.中分離得到的具有細胞毒活性的新化合物。

5.內酯類化合物

Zhang等從一株棉蝗腸道菌Pestalotiopsissp.HC02中分離得到兩個具有除草活性的新內酯類化合物pestalotinesA和B，化合物抑制稗草生長的IC50值分別為1.85×10-4和2.50× 10-4M。Azumi從蟲生菌Metarhiziumanisopliae中分離得到新化合物aurovertinsD-H。Putri等從昆蟲致病菌Paecilomyces farinosus中分離得到抗真菌活性化合物farinomalein。Haeder等從巴拿馬切葉蟻Acromyrmexoctospinosus共生放線菌Streptomycessp.Ao10中分離到內酯類化合物candicidinD，該化合物對切葉蟻一系列有害真菌具有較強的抑制作用。

6.其它類化合物

Asai等從C.annullata中分離得到3個苯并呋喃類化合物annullatinsA-D，化合物annullatinsA能競爭性抑制大麻受體CB1，CB2活性；化合物annullatinsD則能激活大麻受體CB2，而對CB1沒有作用。Scott等在南方松樹甲蟲Dendroctonusfrontalis體表發現的另外一株共生放線菌S. thermosacchari中分離得到一種叫做mycangimycin的抗生素，該化合物可以選擇性抑制甲蟲有害致病真菌O.minus的生長，而對甲蟲有益菌Entomocorticium sp.沒有影響。Guo等從一株蝗蟲共生放線菌Amycolatopsis sp.HCa1中分離得到3個新寡糖類化合物actinotetraoses I-K。

三、結語

與化學合成藥物相比，微生物藥物具有微生物來源豐富；次級代謝產物結構新穎，活性獨特；生長周期短、代謝易于控制，可工業化生產且無環境壓力；可有目的進行生物合成改造等諸多優勢，具有廣闊的應用前景。作為一類有待開發的新微生物資源，昆蟲共生菌將在微生物新藥研發和產業化應用中發揮越來越重要的作用。

然而，目前昆蟲共生菌的研究又有自身的局限性，面臨著諸多問題和挑戰：人們對某些共生現象中昆蟲和共生體的相互關系還不能給出確切的生態學解釋，已有的研究也僅僅是建立在體外實驗基礎之上，并沒有對真實的共生體系進行實際評估；此外，有學者發現，許多昆蟲致病菌（偏害共生）是植物致病菌和環境微生物，這些共生菌是否長期存在于昆蟲體表或體內并不可知；限于當前研究手段和研究水平，相對更為豐富的不可培養共生菌還沒有得到廣泛培養和代謝物開發利用，對合成生物學設計的不可培養微生物代謝途徑也不能保證發揮預期功能。但是，隨著許多新技術和新方法逐漸應用于微生物藥物的研究，我們相信不久的將來昆蟲共生菌及其活性代謝產物的研究將會取得更大進步。

（略）