近十年海洋來(lái)源木霉屬真菌次生代謝產(chǎn)物研究進(jìn)展*

楊曦亮，任夢(mèng)瑤，劉 倩，汪 超，王 強(qiáng)

(1.武漢科技大學(xué)醫(yī)學(xué)院藥學(xué)系，湖北武漢 430081；2.武漢科技大學(xué)，感染免疫與腫瘤微環(huán)境研究所，職業(yè)危害識(shí)別與控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430081)

0 引言

近年來(lái)，海洋來(lái)源的真菌逐漸成為天然產(chǎn)物研究的熱點(diǎn)。與陸生真菌相比，海洋真菌長(zhǎng)期處于高鹽、高壓、低溫、缺乏營(yíng)養(yǎng)的無(wú)光環(huán)境下，獨(dú)特的生長(zhǎng)條件使海洋來(lái)源真菌能夠產(chǎn)生比陸生真菌更多的次生代謝產(chǎn)物[1,2]。海洋來(lái)源真菌大多是從紅樹(shù)林、海洋無(wú)脊椎動(dòng)物中分離得到，這些真菌的次生代謝產(chǎn)物具有細(xì)胞毒、殺蟲(chóng)和酶抑制等生物活性[3-5]。

木霉屬Trichodermasp.真菌是一種在世界范圍內(nèi)廣泛存在的絲狀真菌，常從近海土壤、腐爛的木材和其他植物有機(jī)物質(zhì)中分離得到[6-8]。近年來(lái)木霉因其特有的生物活性而受到廣泛關(guān)注，其中次生代謝產(chǎn)物的多樣性是其應(yīng)用潛力的主要來(lái)源。各項(xiàng)國(guó)內(nèi)外藥理活性實(shí)驗(yàn)證明，木霉屬真菌的次生代謝產(chǎn)物具有抗植物病原菌、殺蟲(chóng)、細(xì)胞毒、抗菌、抗氧化等多種生物活性[9-11]。本文對(duì)2012-2021年海洋來(lái)源的木霉屬真菌次生代謝產(chǎn)物的化學(xué)成分及其生物活性進(jìn)行綜述，并對(duì)木霉屬真菌的應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

1 木霉屬真菌次生代謝產(chǎn)物化學(xué)結(jié)構(gòu)與生物活性

木霉屬真菌次生代謝產(chǎn)物的種類(lèi)主要包括聚酮類(lèi)、肽類(lèi)、萜類(lèi)及其他類(lèi)型化合物。

1.1 聚酮類(lèi)

聚酮(Polyketides)是由真核生物及原核生物產(chǎn)生的一類(lèi)次級(jí)代謝產(chǎn)物，其來(lái)源廣泛、種類(lèi)繁多[12]。Khamthong等[13]從來(lái)源于海扇的黃綠木霉TrichodermaaureoviridePSU-F95中分離得到2個(gè)新的聚酮trichodermaquinone和trichodermaxanthone(1,2)，其中化合物1對(duì)耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(Methicillin-resistantStaphylococcusaureus,MRSA)表現(xiàn)出微弱的抗菌活性，最低抑菌濃度(Minimum Inhibitory Concentration,MIC)值為200 μmol/L，結(jié)果表明，化合物結(jié)構(gòu)與抗菌活性之間有著密切聯(lián)系，蒽醌骨架中的C-3甲基和C-6羥基對(duì)于抗MRSA的抗菌活性是必需的。Chen等[14]對(duì)中國(guó)閔河河口的沉積物中三百多株真菌進(jìn)行篩選，得到對(duì)A-375細(xì)胞系具有顯著活性的桔綠木霉Trichodermacitrinoviride，并從中分離提取得到3個(gè)新的聚酮化合物trichoderiol C、citrinoviric acid和penicillenol D (3-5)，其中化合物4和5對(duì)A-375細(xì)胞系表現(xiàn)出中等程度的細(xì)胞毒性作用，半抑制濃度(50% Inhibitory Concentration,IC50)值分別為85.7和32.6 μmol/L，該研究也是首次發(fā)現(xiàn)Trichodermacitrinoviride的細(xì)胞毒作用。Yamazaki等[15]對(duì)日本青森縣的海水樣本中的Trichodermasp.TPU1237進(jìn)行分離，得到2個(gè)新的聚酮化合物trichoketides A和B (6,7)，化合物6和7是C-8位(二氫呋喃環(huán)α位)的差向異構(gòu)體，它們都對(duì)蛋白酪氨酸磷酸酶1B (PTP1B)表現(xiàn)出一定的抑制活性，IC50值分別為53.1和65.1 μmol/L。研究表明，PTP1B是胰島素和瘦素信號(hào)級(jí)聯(lián)的主要負(fù)性調(diào)節(jié)因子，它將成為治療Ⅱ型糖尿病和肥胖藥物的有效靶點(diǎn)。盡管化合物6和7對(duì)PTP1B的抑制活性并不顯著，但由于它們具有新穎的結(jié)構(gòu)，有開(kāi)發(fā)成新藥物的潛力。Zhao等[16]從來(lái)源于中國(guó)海南島的紅樹(shù)林植物根莖內(nèi)部組織的木霉屬真菌TrichodermaharzianumD13中分離得到1個(gè)新的聚酮類(lèi)物質(zhì)nafuredin C (8)，化合物8對(duì)稻瘟病菌具有明顯的抗真菌活性，MIC值為8.63 μmol/L，該研究補(bǔ)充了海洋來(lái)源的木霉屬真菌在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用研究成果，為新型抗真菌農(nóng)藥的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。聚酮類(lèi)化合物1-8的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 聚酮類(lèi)化合物1-8

1.2 肽類(lèi)

從木霉屬真菌次生代謝產(chǎn)物分離出的肽類(lèi)化合物主要包括哌珀霉素類(lèi)和二嗪哌酮類(lèi)。Zhao等[16]從來(lái)源于中國(guó)海南島的紅樹(shù)林植物根莖內(nèi)部組織的木霉屬真菌TrichodermaharzianumD13中分離得到1個(gè)新的雜環(huán)二肽trichodermamide G (9)，它具有新穎的硫橋環(huán)體系，而且對(duì)稻瘟病菌和蘋(píng)果樹(shù)腐爛病菌都表現(xiàn)出一定的抗菌活性，MIC值分別為17.4和16.7 μmol/L。Chen等[17]在尋找新型抗癌藥物過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了一株對(duì)HL-60細(xì)胞系具有顯著細(xì)胞毒活性的木霉Trichodermaasperellum，通過(guò)光譜方法、X射線衍射分析和化學(xué)衍生化方法確定了新化合物結(jié)構(gòu)，得到2個(gè)新的肽類(lèi)化合物 asperelines G和H (10,11)，并首次發(fā)現(xiàn)了乙酰化C端和晶體結(jié)構(gòu)。化合物10和11對(duì)癌細(xì)胞系的細(xì)胞都有細(xì)胞毒活性，但活性都比較微弱。Panizel等[18]從來(lái)源于以色列東地中海海岸海綿的木霉屬Trichodermaatroviride中分離得到8個(gè)新的多肽(12-19)，這些新化合物對(duì)以色列地中海沿岸分離的環(huán)境細(xì)菌都具有中等程度的抗菌活性,MIC值為12.5-200 μmol/L。肽類(lèi)9-19的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 肽類(lèi)化合物9-19

1.3 萜類(lèi)

萜類(lèi)物質(zhì)由多種揮發(fā)性和非揮發(fā)性次生代謝產(chǎn)物組成，是地球上最豐富的天然產(chǎn)物之一。海洋來(lái)源的木霉屬真菌次生代謝產(chǎn)物中萜類(lèi)占比最大，具有抗病毒、抗菌、抗癌等藥理活性[19,20]。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)絲狀真菌(包括木霉屬真菌)能夠產(chǎn)生大量的萜類(lèi)物質(zhì)。

Shi等[21]從中國(guó)南海西沙群島珊瑚組織中的木霉屬真菌T.harzianumXS-20090075中分離得到3個(gè)新的萜類(lèi)化合物：cleistanthane diterpenoid,harzianolic acid A[20],harziane diterpenoid,harzianone E[21]和cyclonerane sesquiterpenoid,3,7,11-trihydroxy-cycloneran[22]。這是首次從木霉屬中獲得刺五加二萜和非洲倍半萜，也是第一個(gè)氯化的刺五加二萜。在該研究中，使用組蛋白去乙?；?HDAC)抑制劑導(dǎo)致其次級(jí)代謝物發(fā)生顯著變化，并獲得新的化合物[21]，表明化學(xué)基因操作可能是從木霉中發(fā)現(xiàn)新次生代謝產(chǎn)物的有效方法。活性實(shí)驗(yàn)表明，化合物21對(duì)狹小發(fā)光桿菌有微弱的抑菌作用[21]。Zhang等[22]從來(lái)源于紅樹(shù)林植物木果楝屬的內(nèi)生真菌Trichodermasp.Xy24的發(fā)酵物中分離得到2個(gè)新的二萜類(lèi)化合物harzianelactone和(9R,10R)-2H-harzianone (23，24)?；衔?3含有獨(dú)特的四環(huán)骨架，具有融合的四、五、六和七元碳環(huán)?；衔?4對(duì)HeLa和MCF-7細(xì)胞系顯示出細(xì)胞毒活性，IC50值分別為30.1 μmol/L和30.7 μmol/L。上述化合物新穎的結(jié)構(gòu)骨架使木霉屬真菌次生代謝產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)多樣性增加。

Miao等[23]從一株來(lái)源于海藻內(nèi)生真菌長(zhǎng)枝木霉Trichodermalongibrachiatum次生代謝產(chǎn)物中分離得到1個(gè)新的萜類(lèi)化合物Harzianone (25)?；衔?5的抗細(xì)菌、抗真菌和鹵蟲(chóng)毒性評(píng)估實(shí)驗(yàn)表明，在30 μg/disk的濃度下，它對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有抑制作用，抑制直徑分別為8.3和7.0 mm。在鹵蟲(chóng)毒性試驗(yàn)中，化合物25在濃度為100 μg/mL時(shí)對(duì)受試鹵蟲(chóng)有82.6%的致死率，半致死濃度(50% Lethal Concentration,LC50)值為23.1 μmol/L。Qin等[24]從中國(guó)雷州半島紅樹(shù)林中得到一株木霉屬真菌，并從中分離得到1種新的倍半萜衍生物Ethyl hydroheptelidate (26)，其對(duì)尖孢鐮刀菌和炭疽病菌這2種植物病原真菌具有與陽(yáng)性對(duì)照三唑酮相同程度的抗菌活性，MIC值分別為100和50 μmol/L，對(duì)禽致病性大腸桿菌也有著中等程度的抗菌活性，說(shuō)明化合物26在農(nóng)業(yè)防治方面有較好的應(yīng)用前景，有成為新型農(nóng)藥的可能性。Cui等[25]從中國(guó)南海西沙群島的一株海綿內(nèi)生木霉屬真菌Trichodermasp.SM 16中分離得到3個(gè)新的卡丁烷倍半萜化合物：trichodermaloids A、B和C (27-29)，結(jié)果沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的抗菌活性，但化合物27，28對(duì)3種癌細(xì)胞系NCIH-460、NCIC-H929和SW620均顯示出細(xì)胞毒性，IC50值為6.8-12.7 μmol/L。Yamazaki等[26，27]在一株來(lái)源于帕勞海域的紅藻中分離得到木霉屬真菌Trichodermacf.brevicompactum，并對(duì)其進(jìn)行發(fā)酵分離提取后得到2個(gè)新的倍半萜化合物trichobreols D和E (30，31)，隨后又在含NaCl條件下培養(yǎng)得到3個(gè)新的倍半萜化合物(32-34)。侵襲性真菌感染是癌癥、HIV、糖尿病的常見(jiàn)并發(fā)癥，由白色念珠菌、煙曲霉、新生隱球菌和米根霉組成的機(jī)會(huì)性真菌病原體每年可造成100多萬(wàn)人死亡。化合物30對(duì)白色念珠菌和新生隱球菌這2種酵母樣真菌有抑菌活性，MIC值為6.3 μmol/L；化合物31對(duì)這2種酵母樣真菌的MIC值分別為12.5和25 μmol/L，有望成為新型抗感染藥物的潛力。

Liu等[28]從中國(guó)威海紅藻組織中的木霉屬真菌TrichodermacitrinovirideA-WH-20-3中分離得到2個(gè)新的環(huán)己烷倍半萜化合物 (10E)-isocyclonerotriol和 (10Z)-isocyclonerotriol (35，36)，這是首次發(fā)現(xiàn)環(huán)異構(gòu)化旋風(fēng)烷，活性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，環(huán)異構(gòu)化的結(jié)構(gòu)對(duì)生物活性存在影響。Shi等[29]從海洋紅藻表皮的內(nèi)生真菌木霉TrichodermavirensY13-3分離得到8個(gè)新型胡蘿卜烷型倍半萜類(lèi)化合物trichocarotins A-H(37-44)、1個(gè)新的杜松烷型倍半萜烯化合物(45)，其中化合物37-44的發(fā)現(xiàn)豐富了胡蘿卜烷型倍半萜類(lèi)的結(jié)構(gòu)多樣性。Song等[30]從中國(guó)大連的海藻內(nèi)生真菌TrichodermavirensRR-dl-6-8中分離得到1種新的倍半萜化合物Methylhydroheptelidate (46)?；衔?1，36，37，42對(duì)海洋浮游植物(如海斑藻、赤潮異藻、威尼斯卡氏藻等有害藻類(lèi))都具有抑制作用，且對(duì)浮游動(dòng)物的毒性較低，這一特性體現(xiàn)了木霉屬真菌次生代謝產(chǎn)物在生物防治方面的應(yīng)用前景，有望成為防治赤潮的有效手段。

Xie等[31]從中國(guó)三亞海洋地區(qū)的長(zhǎng)棘海星內(nèi)生真菌木霉T.erinaceum011F1-1中分離得到1個(gè)新的二萜內(nèi)酯化合物Trichodermaerin (47)；Guo等[32]從中國(guó)三亞地區(qū)海星內(nèi)部結(jié)構(gòu)里的木霉屬真菌TrichodermaerinaceumF1-1中分離得到4種新的萜類(lèi)化合物harziandione A、cyclonerodiols A、cyclonerodiols B和trichodermaerin A (48-51)。萜類(lèi)20-51的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 萜類(lèi)化合物20-51

1.4 其他類(lèi)型化合物

除上述聚酮、肽類(lèi)、萜類(lèi)等化合物外，木霉屬真菌次生代謝產(chǎn)物中還有一些其他結(jié)構(gòu)類(lèi)型新穎的化合物。

Rehman等[33]從中國(guó)南海的一株海洋海綿內(nèi)生真菌T.reeseiHN-2016-018中分離得到6種新的山梨醇類(lèi)化合物：trichoreeseione A、trichoreeseione B、trichodermolide B、13-hydroxy-trichodermolide、24-hydroxy-trichodimerol和15-hydroxy-bisvertinol (52-57)。其中化合物52,53中含萘三酮環(huán)，這是首次在山梨醇類(lèi)化合物中發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)特征，化合物54,55含有獨(dú)特的雙環(huán)內(nèi)酯骨架。山梨醇類(lèi)家族具有廣泛的藥理作用，包括細(xì)胞毒活性、抗菌活性。該研究發(fā)現(xiàn)的新化合物56對(duì)A549、MCF-7和HCT116細(xì)胞系有細(xì)胞毒活性，IC50值分別為5.1，9.5和13.7 μmol/L。Lan等[34]從中國(guó)南海珊瑚礁保護(hù)區(qū)的1個(gè)棘冠海星內(nèi)部組織中分離得到一株內(nèi)生木霉屬真菌Trichodermasp.(collection No.AF007)，并從中提取得到2個(gè)新山梨醇化合物 (4′Z)-sorbicillin和 (2S)-2,3-dihydro-7-hydroxy-6-methyl-2-[(E)-prop-1-enyl]-chroman-4-one (58,59)，其中化合物58是第一個(gè)在山梨基側(cè)鏈中具有C-4′/C-5雙鍵Z構(gòu)型的實(shí)例，這說(shuō)明可能仍有大量新的天然山梨醇青霉素有待進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)與探索?；衔?9是一種不常見(jiàn)的環(huán)狀山梨酰鏈的單分子山梨醇類(lèi)化合物，對(duì)MCF-7癌細(xì)胞系有細(xì)胞毒活性，IC50值為7.82 μmol/L。Liang等[35]從渤海沉積物里的木霉屬真菌TrichodermaharzianumR5中分離提取得到1種新的sordarin衍生物trichosordarin A (60)，它具有獨(dú)特的去甲二萜苷元結(jié)構(gòu)，該化合物對(duì)海洋浮游動(dòng)物鹵蟲(chóng)具有毒性，LC50值為233 μmol/L。

Wu等[36]從格陵蘭海的木霉屬真菌Trichodermasp.Strain MF106的固體發(fā)酵粗提物中分離得到2個(gè)新的吡啶酮類(lèi)化合物trichodin A 和trichodin B(61,62)。活性測(cè)試表明,這2種新化合物對(duì)4種人類(lèi)致病性菌株 (革蘭氏陽(yáng)性枯草芽孢桿菌、表皮葡萄球菌、金黃色葡萄球菌和白色念珠菌)均具有中等程度的抗菌活性，其中化合物61對(duì)這4種致病菌IC50值分別為(27.05±0.53)，(24.28±3.90) μmol/L，IC50值>80和(25.38±0.41) μmol/L，化合物62對(duì)這4種致病菌IC50值分別為(5.28±0.42)，(4.25±0.81)，(4.40±0.14)和(26.25±0.14) μmol/L。Tang等[37]從中國(guó)福建地區(qū)紅樹(shù)林沉積物中木霉屬真菌TrichodermaatrovirideH548中分離得到3種新的環(huán)戊烯酮丙烯酸衍生物:trichodermacid A、trichodermester A和trichodermester B (63-65)，化合物64具有較強(qiáng)的抗鼠疫菌活性，MIC值為125 μg/disc。Guo等[32]從中國(guó)三亞地區(qū)海星內(nèi)部組織中分離出一株木霉屬真菌TrichodermaerinaceumF1-1，并從中得到6種新的芳香族化合物(66-71)，化合物67對(duì)人乳腺癌高轉(zhuǎn)移細(xì)胞(MDA-MB-435)表現(xiàn)出微弱的細(xì)胞毒活性，IC50值為31.9 μmol/L。Shi等[38]從中國(guó)大連海洋紅藻內(nèi)生真菌TrichodermabrevicompactumADL-92中分離得到8個(gè)新的三氯丙烯衍生物(72-79)和2個(gè)新的酮烯衍生物(80，81)，化合物79是第一個(gè)含氨基糖基的毛癬菌烯，化合物72-74，77，78均表現(xiàn)出顯著的抗真菌活性。通過(guò)分析它們的結(jié)構(gòu)與對(duì)應(yīng)活性高低，結(jié)果表明,C-16和C-4上的糖基化使抗真菌活性降低，說(shuō)明環(huán)氧化物在抗真菌性能中發(fā)揮著重要作用。

Liu等[28]從中國(guó)威海的紅藻組織分離出的木霉屬真菌中分離得到1個(gè)新的異香豆素衍生物trichophenol A(82)。在結(jié)構(gòu)上，trichophenol A是第一個(gè)發(fā)現(xiàn)的木霉3-苯基異香豆素衍生物；在活性上，它對(duì)浮游植物 (海斑藻、赤潮異彎藻、威尼斯卡氏藻和東海原甲藻)具有抑制作用，IC50值分別為4.4，9.1，20.0和5.9 μmol/L。Zou等[39]從中國(guó)威海紅藻組織的木霉屬真菌TrichodermalongibrachiatumA-WH-20-2中分離得到1種新的哈茲內(nèi)酯化合物harzianol A (83)，該實(shí)驗(yàn)測(cè)試了它對(duì)4種浮游植物的抑制作用，結(jié)果表明,該化合物對(duì)受試對(duì)象均有較強(qiáng)的抑制活性，IC50值為0.53-2.70 μmol/L。

Lu等[40]從中國(guó)南海地區(qū)紅樹(shù)林的深綠木霉TrichodermaatrovirideG20-12中提取得到化合物40-(4,5-dimethyl-1,3-dioxolan-2-yl) methyl-phenol、(30-hydroxybutan-20-yl) 5-oxopyrrolidine-2-carboxylate和atroviridetide (84-86)。Rehman等[41]從中國(guó)南海的海綿內(nèi)生真菌T.reeseiHN-2016-018中分離得到1種新的三苯基糖苷gliocladinin D (87)。其他類(lèi)型化合物52-87的結(jié)構(gòu)如圖4所示。綜上所述，海洋來(lái)源的木霉屬真菌多從海綿、海藻中分離得到，詳見(jiàn)表1。

圖4 其他化合物52-87

表1 海洋來(lái)源木霉屬真菌的次生代謝產(chǎn)物及其生物活性(2012-2021)

2 展望

海洋來(lái)源木霉屬真菌因其具有顯著的藥理活性和藥用價(jià)值，近年來(lái)受到越來(lái)越多的關(guān)注，有成為產(chǎn)生具有生物活性的次生代謝產(chǎn)物的潛力海洋真菌來(lái)源。近十年來(lái)，木霉屬真菌次生代謝產(chǎn)物主要是從海綿、紅樹(shù)林、海藻、珊瑚、海星、海洋沉積物中分離出來(lái)，其中海綿和紅樹(shù)林是海洋來(lái)源木霉屬真菌的重要宿主。從木霉屬真菌次生代謝產(chǎn)物中共分離出新化合物87個(gè)，包括萜類(lèi)(36.7%)、肽類(lèi)(12.3%)、聚酮(9.2%)。這些新化合物具有抗菌、抗病毒、細(xì)胞毒等多種生物活性，在抗微生物活性方面受到人們青睞，尤其是抗農(nóng)業(yè)致病菌的應(yīng)用(如稻瘟病菌、尖孢鐮刀菌和炭疽病菌等)。此外，木霉屬真菌次生代謝產(chǎn)物對(duì)有害海洋浮游植物有顯著的抑制作用，說(shuō)明木霉屬真菌在生物防治方面有光明前景。

木霉屬真菌的開(kāi)發(fā)還存在一些尚需完善的問(wèn)題：(1)木霉屬海洋樣本的來(lái)源較窄，需要擴(kuò)大篩選，提高獲得木霉屬真菌的概率；(2)次生代謝產(chǎn)物的新穎成分仍有待進(jìn)一步研究；(3)木霉屬是生防菌中研究最多的植物病原拮抗真菌，醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用相對(duì)較少，并且次生代謝產(chǎn)物的活性研究不夠深入。

綜上所述，今后對(duì)木霉屬真菌次生代謝產(chǎn)物的研究可從以下方面展開(kāi)：(1)化合物的獲得：通過(guò)改變培養(yǎng)方法、代謝組學(xué)分析方法、基因組激活沉默的基因簇和先導(dǎo)化合物結(jié)構(gòu)修飾，以期獲得更多化學(xué)結(jié)構(gòu)新穎且具有特異活性的化合物，并對(duì)重要次生代謝產(chǎn)物生物合成相關(guān)的基因進(jìn)行確認(rèn)，以闡明生物合成途徑；(2)計(jì)算機(jī)輔助藥物篩選：對(duì)木霉屬真菌次生代謝產(chǎn)物的構(gòu)效關(guān)系進(jìn)行計(jì)算機(jī)虛擬藥物篩選，確定具體作用靶點(diǎn)；(3)藥理篩選和新藥研發(fā)：對(duì)木霉屬真菌次生代謝產(chǎn)物的藥理機(jī)制進(jìn)行深入研究，抗菌和細(xì)胞毒活性是未來(lái)研究的重要領(lǐng)域。