蛇孢菌素的生物活性

摘要：蛇孢菌素是一類來(lái)源于真菌的具有多種生物活性的化合物。對(duì)蛇孢菌素的發(fā)現(xiàn)、來(lái)源及特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，并重點(diǎn)對(duì)蛇孢菌素的植物毒性、抗菌、抗線蟲(chóng)、尤其是抗癌等生物活性的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，探討了現(xiàn)有研究存在的不足以及今后深入研究的方向。

關(guān)鍵詞：蛇孢菌素；生物活性；植物毒性；抗菌活性；抗線蟲(chóng)活性；抗癌活性

中圖分類號(hào)：S476.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）15-3813-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.15.002

Abstract： Ophiobolins， which produced by fungi， are a type of compound with a variety of biological activity. This article briefly introduced the discovery of ophiobolins as well as their sources and characteristics and reviewed the present study on their phytotoxicity and their inhibitory activities against microbial， nematodes and the cytotoxic activity against cancer cells. Lastly， problems and useful solutions in present studies were discussed.

Key words：ophiobolins； biological activity； phytotoxicity； antimicrobial activity； nematocidal activity； anticancer activity

蛇孢菌素（Ophiobolin，Oph）是一類由真菌產(chǎn)生的次級(jí)代謝產(chǎn)物。對(duì)于它的研究，盡管從最初發(fā)現(xiàn)至今已有半個(gè)多世紀(jì)，但是都非常零碎和淺顯。因蛇孢菌素最初是從侵染農(nóng)作物的病原真菌中分離出來(lái)的，故20世紀(jì)有關(guān)蛇孢菌素的活性研究多是集中在植物毒性和抗菌方面。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著越來(lái)越多對(duì)蛇孢菌素的分離和鑒定的相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)其不僅具有抗菌、殺線蟲(chóng)等活性，而且能夠有效抑制艾滋病毒及多種癌細(xì)胞的生長(zhǎng)，這一發(fā)現(xiàn)為新抗癌藥物的研發(fā)帶來(lái)了希望。目前，尚未見(jiàn)有關(guān)蛇孢菌素抗癌活性的綜合報(bào)道。為了能夠更好地開(kāi)發(fā)利用蛇孢菌素，筆者在總結(jié)已發(fā)表文章的基礎(chǔ)上，對(duì)蛇孢菌素的發(fā)現(xiàn)、來(lái)源、生物活性及研究中存在的問(wèn)題等進(jìn)行了詳細(xì)分析，以期為相關(guān)研究人員提供有用的信息。

1 蛇孢菌素的發(fā)現(xiàn)及特點(diǎn)

1957年Orsenigo從稻平臍蠕孢（Bipolaris oryzae）中首次分離到蛇孢菌素，并命名為Cochliobolin；隨后日本研究者也從稻平臍蠕孢中分離到同樣的化合物，并命名為Oph。后來(lái)在一份聯(lián)合發(fā)表的論文中，統(tǒng)一把這類毒素命名為蛇孢菌素Oph[1]。中文也有譯為蛇孢假殼素、蛇孢假殼單素等。蛇孢菌素以相連的5-8-5環(huán)為基本骨架，按照被發(fā)現(xiàn)的先后順序依次被命名為蛇孢菌素A、蛇孢菌素B、蛇孢菌素C等[2]（圖1）。目前，此類同系物共發(fā)現(xiàn)45種，按照碳骨架的典型特征被分為A-W共23個(gè)亞組。比如蛇孢菌素M 系列的典型特征就是C環(huán)上包含一個(gè)雙鍵。每個(gè)亞組化合物之間的區(qū)別主要在于立體構(gòu)象的不同，比如，與Oph A相比，6-epi-Oph A中第六位碳上的氫是α-H，3-anhydro-Oph A第三位碳上沒(méi)有羥基。

2 蛇孢菌素的來(lái)源

因?yàn)镺ph A和后來(lái)分離到的Oph B、C等都是從引起作物發(fā)病的平臍蠕孢屬（Bipolaris）真菌中獲得的，所以一度認(rèn)為只有平臍蠕孢屬真菌才能產(chǎn)生蛇孢菌素。直到Cutler 等[3]從焦曲霉（Aspergillus ustus）中分離出Oph G和H，隨后又從同一菌中分離到Oph K和6-epi-Oph K[4]，研究者們才認(rèn)為曲霉屬以及平臍蠕孢屬和曲霉屬以外的其他屬真菌也可產(chǎn)生蛇孢菌素。此外，除了從作物的病原真菌中分離到蛇孢菌素以外，從具有除草潛力的生防菌株中也分離到了蛇孢菌素。研究者們先后從生防菌株巨型內(nèi)臍蠕孢（Drechslera gigantean）[5，6]、狗尾草平臍蠕孢（Bipolaris setariae）[7]和禾長(zhǎng)蠕孢（Helminthosporium gramineum）[8，9]中分離到多種蛇孢菌素，并對(duì)其植物毒性進(jìn)行了分析比較。目前，分離到的蛇孢菌素主要來(lái)源于平臍蠕孢屬、內(nèi)臍蠕孢屬和曲霉屬。

3 蛇孢菌素的生物活性

蛇孢菌素最初是從侵染植物的病原真菌中分離得到的，因此在發(fā)現(xiàn)的前幾十年，其生物活性的研究多集中在植物毒性方面，直到20世紀(jì)90年代開(kāi)始，才有關(guān)于其他活性的研究。這些生物活性包括抗菌、抗線蟲(chóng)、抗病毒、抗癌、抗瘧疾等，其中蛇孢菌素A還可作為玉米中鈣調(diào)蛋白的拮抗劑。

3.1 蛇孢菌素的植物毒性

蛇孢菌素作為一種植物毒素，在近代史上有兩個(gè)著名案例。1943年孟加拉水稻葉斑病和1972年美國(guó)南部玉米小斑病的大流行都是由侵染水稻和玉米的平臍蠕孢屬真菌的次級(jí)代謝產(chǎn)物對(duì)植物葉片的破壞作用引起的[1]。正是由于這兩個(gè)大的植物病害流行，才使得科學(xué)家們分離到蛇孢菌素并對(duì)其進(jìn)行研究。蛇孢菌素對(duì)植物的毒性主要表現(xiàn)在：提高植物葉片中侵染菌結(jié)合酶的活性，改變細(xì)胞膜的滲透性，促進(jìn)根部β-花色素苷、電解質(zhì)和葡萄糖的泄漏，降低光合作用中二氧化碳的固定，引起呼吸速率的改變，促使氣孔的開(kāi)放，抑制蛋白質(zhì)和核酸的合成。此外，蛇孢菌素還可抑制根和胚芽鞘的生長(zhǎng)，抑制種子的萌發(fā)[1，3，10，11]。

在所有研究過(guò)植物毒性的蛇孢菌素中，以O(shè)ph A、3-anhydro-Oph A和6-epi-Oph A的毒性最明顯。其中，前兩者不僅能顯著抑制菠菜的光合作用[11]，而且能在多種葉片上引起顯著的褐色壞死斑[12]，對(duì)一些禾本科植物如玉米、高粱、野燕麥、列當(dāng)、稗草等有較強(qiáng)的致病性[5，8，13]。

3.2 蛇孢菌素的抗菌活性

蛇孢菌素的抗菌作用主要有抗細(xì)菌和抗真菌兩個(gè)方面。其中，就抗細(xì)菌而言，蛇孢菌素往往能抑制革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌（G+菌），不能抑制革蘭氏陰性細(xì)菌（G-菌）。如Oph A、6-epi-Oph L能夠抑制G+菌金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus），Oph G和H能夠抑制G+菌枯草芽孢桿菌（Bacillus substilis），但它們均不能抑制G-菌大腸桿菌（Escherichia coli）[3，14]。又如Oph A、B、6-epi-Oph A、3-anhydro-6-epi-Oph A均對(duì)G+菌灰色鏈霉菌（Streptomyces griseus有抑制作用，而對(duì)G-菌胡蘿卜軟腐歐文氏菌（Erwinia carotovora）、惡臭假單胞菌（Pseudomonas putida）、野油菜黃單胞菌的兩個(gè)變種（Xanthomonas campestris pv. campestris和Xanthomonas campestris pv. vesicatoria）沒(méi)有抑制作用[13]。也有研究表明3-anhydro-6-hydroxy-Oph A對(duì)G+菌卡介苗、枯草芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌和耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（methicillin-resistant Staphylococcus aureus）均有顯著的抑制作用[15]。最新研究還表明Oph K、 6-epi-Oph K和6-epi-Oph G能夠有效抑制恥垢分支桿菌（Mycobacterium smegmatis）生物膜的轉(zhuǎn)化[16]。此外，最新發(fā)現(xiàn)的Oph U、（5α，6α）-Oph H不僅能有效抑制金黃色葡萄球菌，而且可抑制大腸桿菌[17]。

就抗真菌而言，蛇孢菌素對(duì)某些真菌具有顯著的抑制作用。Li等[14]的研究表明在，3.75-15.6 μmol/L的濃度下，Oph A及其內(nèi)酯、Oph B及其內(nèi)酯、Oph I、6-epi-Oph L六種蛇孢菌素均能強(qiáng)烈抑制須發(fā)癬菌（Trichophyton mentagropphytes）的生長(zhǎng)。Kim等[13]測(cè)定了Oph A、B、6-epi-Oph A、 3-anhydro-6-epi-Oph A對(duì)鏈格孢菌（Alternaria alternata）、灰葡萄孢菌（Botrytis cinerea）、異旋孢腔菌（Cochliobolus heterostrophus）、尖孢鐮孢菌（Fusarium oxysporium）、稻瘟病菌（Magnaporthe grisea）、禾生腐霉菌（Pythium graminicola）、水稻紋枯菌（Thanatephorus cucumeris）的抑制作用，其中Oph B對(duì)7種真菌都有抑制作用；Oph A和3-anhydro-6-epi-Oph A對(duì)異旋孢腔菌、禾生腐霉菌和水稻紋枯菌有抑制作用。Krizsán等[18]研究了Oph A和B對(duì)接合菌的抑制作用，結(jié)果表明兩者對(duì)接合菌的最低抑菌濃度（MIC）分別為3.175～50 μg/mL和25～50 μg/mL。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)Oph A能夠抑制卷枝毛霉（Mucor circinelloides）孢囊孢子的萌發(fā)，并引起一系列細(xì)胞形態(tài)的變化，如細(xì)胞腫脹、細(xì)胞質(zhì)從已破壞的細(xì)胞中流出等。也有報(bào)道Oph A能抑制柿炭疽菌（Gloeosporium kaki）、桃炭疽菌（Gloeosporium laeticolor）、胡瓜炭疽菌（Glomerella lagenarium）、番薯赤星病菌（Macrosporium bataticola）、指間毛癬菌（Trichophyton interdigitale）和桃色毛癬菌（Trichophyton purpureum）的生長(zhǎng)[1]。

進(jìn)一步的研究還表明，蛇孢菌素能夠有效防治一些植物真菌病害。在濃度為500 μg/mL的條件下，Oph A、B、6-epi-Oph A對(duì)小麥葉銹病的防治效果都大于80%；Oph B對(duì)稻瘟病和番茄晚疫病的防治效果都大于90%。其中，以O(shè)ph B的防效最好，而且對(duì)植物沒(méi)有毒性，具有開(kāi)發(fā)為新型殺菌劑的潛力[13]。此外，Oph A還能夠防治水稻枯萎病[8]。

3.3 蛇孢菌素的抗線蟲(chóng)活性

目前，有關(guān)蛇孢菌素抗線蟲(chóng)活性的研究還很少。僅有研究表明Oph C、K、M對(duì)秀麗隱桿線蟲(chóng)Caenorhabditis elegans的半數(shù)致死量（LD50）依次為5、26、13 μmol/L，具有很強(qiáng)的抗線蟲(chóng)活性[4，19]。蛇孢菌素之所以具有抗線蟲(chóng)活性，是因?yàn)樗鼈兛梢耘c被廣泛用來(lái)殺線蟲(chóng)的伊維菌素的受體非競(jìng)爭(zhēng)性的結(jié)合，同時(shí)也說(shuō)明蛇孢菌素和伊維菌素在同一個(gè)分子上的作用位點(diǎn)離得較遠(yuǎn)，這也為驅(qū)蟲(chóng)劑的研發(fā)提供了新的作用位點(diǎn)。

3.4 蛇孢菌素的抗病毒活性

蛇孢菌素的抗病毒活性主要表現(xiàn)為對(duì)艾滋病毒的抑制作用。HIV-1整合酶是艾滋病毒復(fù)制的一個(gè)關(guān)鍵酶，研究表明Oph C、6-epi-Oph C和6-epi-Oph K對(duì)HIV-1均有很好的抑制作用。其中Oph C能夠通過(guò)阻斷HIV-1與受體蛋白CCR5的結(jié)合來(lái)達(dá)到抑制HIV-1的目的[20，21]；后兩者主要是通過(guò)阻礙HIV-1的逆轉(zhuǎn)錄從而導(dǎo)致病毒無(wú)法正常復(fù)制，此途徑具有很多現(xiàn)在抗艾滋病毒藥物無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)[22]。

3.5 蛇孢菌素的抗癌活性

目前的研究表明蛇孢菌素對(duì)數(shù)十種癌細(xì)胞均有不同程度的抑制作用，其中對(duì)十余種癌細(xì)胞的抑制作用較強(qiáng)，而且有的對(duì)癌細(xì)胞的抑制作用比現(xiàn)有藥物的作用還明顯。如6-epi-Oph A和3-hydro-6-epi-Oph A對(duì)人類的肺癌、卵巢癌、黑色素瘤、中樞神經(jīng)系統(tǒng)癌和腸癌的抑制作用可與抗癌藥物依托泊苷相媲美；而且其中6-epi-Oph A對(duì)肺癌和腸癌及3-hydro-6-epi-Oph A對(duì)腸癌的抑制作用均明顯優(yōu)于依托泊苷[23]。以下以癌癥類型為分類標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)有明顯作用的蛇孢菌素的活性給予總結(jié)。

在抗白血病方面，Oph K、O和6-epi-Oph O均能抑制白血病細(xì)胞菌株P(guān)388的生長(zhǎng)，其中以O(shè)ph K的作用最明顯，其IC50值是治療白血病常用藥物阿霉素的1/7[24，25]；Oph K、G、6-epi-Oph K及3-anhydro-6-hydroxy-Oph A均對(duì)白血病細(xì)胞株K562有抑制作用[26，27]，其中3-anhydro-6-hydroxy-Oph A的活性最強(qiáng)，IC50值為4.06 μmol/L。此外，最新研究表明Oph A、B、C和K能夠通過(guò)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的方式抑制白血病細(xì)胞的生長(zhǎng)，其LC50值依次為1、2、8、和4 nmol/L，此發(fā)現(xiàn)具有非常好的開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景[28]。

在抗乳腺癌方面，分裂原活化蛋白激酶（MAPKs）對(duì)于健康細(xì)胞的存活、增殖和凋亡起著決定性的作用，而Oph O能夠通過(guò)激活MAPKs的信號(hào)通路而誘導(dǎo)乳腺癌細(xì)胞的凋亡，從而保證正常細(xì)胞的繁殖[29]。進(jìn)一步的研究表明Oph O能夠逆轉(zhuǎn)乳腺癌細(xì)胞對(duì)其治療藥物阿霉菌素的抗性[30]。

在抗肝癌方面，Wang等[15，27]先后對(duì)11種蛇孢菌素的活性測(cè)定表明，3-anhydro-6-hydroxy-Oph A、Oph T和6-epi-Oph G均能夠有效抑制肝癌細(xì)胞HepG2的生長(zhǎng)，IC50值依次為6.49、0.24和0.37 μmol/L。

在抗宮頸癌（HeLa）和抗口腔表皮細(xì)胞癌（KB）方面，Oph I對(duì)兩種癌細(xì)胞均有強(qiáng)烈的抑制作用，IC50值分別為0.1和0.9 μg/mL[31]。

在抗肺癌方面，Oph A和K能夠顯著抑制癌細(xì)胞A549的生長(zhǎng)；在抗結(jié)腸癌方面，兩者分別能夠抑制癌細(xì)胞HT-29和Hct-116的生長(zhǎng)[26，32]。關(guān)于Oph A，研究還表明其能夠有效抑制小鼠黑色素瘤細(xì)胞B16F10的生長(zhǎng)[33]，隨后又有研究發(fā)現(xiàn)其能夠使橫紋肌肉瘤癌細(xì)胞聚集在一起并使細(xì)胞膜產(chǎn)生氣泡，最終通過(guò)細(xì)胞凋亡的方式引起細(xì)胞死亡[34]。另外，Oph A是活性研究最多的蛇孢菌素類化合物，也有其作為植物中鈣調(diào)蛋白拮抗劑和抗瘧疾的報(bào)道[32，35]。

此外，研究表明蛇孢菌素不僅能阻礙癌細(xì)胞的增殖，而且對(duì)癌細(xì)胞的浸潤(rùn)和轉(zhuǎn)移有抑制作用[26]。在抗凝血藥物的研究中發(fā)現(xiàn)，蛇孢菌素既能阻斷內(nèi)源性凝血亦能抑制外源性凝血的發(fā)生，與近年來(lái)研究的熱點(diǎn)之一Xa因子抑制劑的作用相同[36]。尤其是近10年來(lái)，蛇孢菌素的生物活性研究多集中在抗癌方面（表1）。

4 深入研究的方向與展望

盡管報(bào)道的蛇孢菌素已有40余種，也做了很多活性測(cè)定。然而，對(duì)于這樣一類具有多種生物活性的物質(zhì)而言，其研究還停留在初始階段，還有很多地方需要進(jìn)一步的發(fā)掘和深入的探討。

1）新蛇孢菌素的分離與鑒定。蛇孢菌素的基本構(gòu)架中含有6～8個(gè)手性中心，理論推斷此系列化合物應(yīng)有64～256個(gè)，因此還有許多新的該類物質(zhì)等待我們?nèi)シ蛛x和鑒定。關(guān)于這一點(diǎn)除了努力尋找新的菌種資源以外，還可以采用OSMAC（One Strain Many Compounds）的研究方法[37]，通過(guò)不斷改變培養(yǎng)基、優(yōu)化培養(yǎng)條件、添加代謝途徑中關(guān)鍵酶抑制劑和合成前體等方法來(lái)盡可能激發(fā)菌株產(chǎn)生次級(jí)代謝產(chǎn)物的潛力，從而獲得更大的天然產(chǎn)物多樣性。

2）已分離蛇孢菌素活性的測(cè)定。目前已測(cè)活性的蛇孢菌素的數(shù)量還不到已報(bào)道數(shù)量的一半，而且這些活性測(cè)定多是在發(fā)現(xiàn)新蛇孢菌素的前提下做了初步的篩選，并未做進(jìn)一步探討，有必要對(duì)這些化合物的活性進(jìn)行深入的系統(tǒng)研究。

3）有關(guān)蛇孢菌素生物活性和結(jié)構(gòu)之間相互關(guān)系的報(bào)道很少。Tsipouras等[19]在研究蛇孢菌素抗線蟲(chóng)的作用效果時(shí)，比較了Oph C和6-epi-Oph C、Oph K和6-epi-Oph K、Oph M和6-epi-Oph M 3對(duì)異構(gòu)體的生物活性，結(jié)果表明C-6位置為β-H的Oph C、K、M比α-H的6-epi-Oph C、K、M更具有活性。Bladt等[28]在比較了多種蛇孢菌素對(duì)白血病細(xì)胞的抑制作用后發(fā)現(xiàn)，C-3位置的羥基和C-21位置的醛基對(duì)于蛇孢菌素的生物活性是必需的。結(jié)構(gòu)決定功能，相信隨著越來(lái)越多結(jié)構(gòu)和功能之間相互關(guān)系的闡釋有助于更好地發(fā)掘蛇孢菌素的潛能，同時(shí)對(duì)于新活性物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)和合成也具有指導(dǎo)意義。

4）有關(guān)控制蛇孢菌素產(chǎn)生的基因或酶的報(bào)道很少。蛇孢菌素作為一種次級(jí)代謝產(chǎn)物在真菌體內(nèi)的合成量很少。實(shí)現(xiàn)其工業(yè)化生產(chǎn)的途徑主要有兩條：一是通過(guò)化學(xué)合成，現(xiàn)已成功合成Oph A，但因其復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其高合成成本限制其工業(yè)化生產(chǎn)；二是通過(guò)選育優(yōu)良菌種，但經(jīng)過(guò)誘變育種和原生質(zhì)體雜交等技術(shù)篩選出的一些性能有所提高的菌株仍達(dá)不到工業(yè)化生產(chǎn)的要求。目前，通過(guò)基因調(diào)控的方式來(lái)提高毒素的產(chǎn)量是一種新的研究方向。朱凱[38]和張建萍[39]通過(guò)限制酶介導(dǎo)整合法（REMI）將外源質(zhì)粒pSH75插入到產(chǎn)Oph A菌株禾長(zhǎng)蠕孢菌的基因組中，最終獲得B014和B016兩株蛇孢菌素A合成缺失菌株，為下一步Oph A毒素合成相關(guān)基因的克隆和Oph A生物合成機(jī)制及基因調(diào)控奠定了基礎(chǔ)。

此外，作為一種具有多種抗癌活性的化合物，對(duì)于人類的毒性測(cè)定是必不可少的。然而，目前蛇孢菌素的抗癌活性研究絕大多是簡(jiǎn)單的體外測(cè)定，尚未進(jìn)行深入的機(jī)理及對(duì)動(dòng)物毒性研究。孫文霞[40]在對(duì)Oph O的抗乳腺癌研究中做的裸鼠成瘤實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了Oph O的抗乳腺癌活性，但并未探討Oph O對(duì)裸鼠本身有沒(méi)有毒性。在目前分離到的蛇孢菌素中，有關(guān)動(dòng)物毒性測(cè)定的很少。其中Oph H能引發(fā)出生雛雞的聽(tīng)覺(jué)過(guò)敏癥，375 mg/kg劑量的Oph H能使雛雞在1 h內(nèi)拒絕進(jìn)食，8 h以內(nèi)高度緊張，但是所有癥狀在24 h后恢復(fù)正常，誘發(fā)這些癥狀的臨界劑量為250 mg/kg[3]。也有研究表明，與聯(lián)合國(guó)世界衛(wèi)生組織推薦的化合物急性毒性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)相比，Oph A對(duì)小鼠的毒性介于中毒和低毒之間[1]。

顯而易見(jiàn)，蛇孢菌素類化合物的結(jié)構(gòu)是多樣的，活性也是多方面的。相信隨著對(duì)蛇孢菌素生物活性、作用機(jī)理以及表達(dá)基因研究的日益深入，不管是在殺菌劑和殺蟲(chóng)劑，還是抗癌藥物研發(fā)等方面，一定會(huì)為開(kāi)發(fā)與合成新的活性物質(zhì)提供有用的信息。

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