近十年海洋來源木霉屬真菌次生代謝產(chǎn)物研究進展*

楊曦亮，任夢瑤，劉 倩，汪 超，王 強

(1.武漢科技大學醫(yī)學院藥學系，湖北武漢 430081；2.武漢科技大學，感染免疫與腫瘤微環(huán)境研究所，職業(yè)危害識別與控制湖北省重點實驗室，湖北武漢 430081)

0 引言

近年來，海洋來源的真菌逐漸成為天然產(chǎn)物研究的熱點。與陸生真菌相比，海洋真菌長期處于高鹽、高壓、低溫、缺乏營養(yǎng)的無光環(huán)境下，獨特的生長條件使海洋來源真菌能夠產(chǎn)生比陸生真菌更多的次生代謝產(chǎn)物[1,2]。海洋來源真菌大多是從紅樹林、海洋無脊椎動物中分離得到，這些真菌的次生代謝產(chǎn)物具有細胞毒、殺蟲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物質(zhì)中分離得到[6-8]。近年來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)用潛力的主要來源。各項國內(nèi)外藥理活性實驗證明，木霉屬真菌的次生代謝產(chǎn)物具有抗植物病原菌、殺蟲、細胞毒、抗菌、抗氧化等多種生物活性[9-11]。本文對2012-2021年海洋來源的木霉屬真菌次生代謝產(chǎn)物的化學成分及其生物活性進行綜述，并對木霉屬真菌的應(yīng)用前景進行展望。

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

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

1.1 聚酮類

聚酮(Polyketides)是由真核生物及原核生物產(chǎn)生的一類次級代謝產(chǎn)物，其來源廣泛、種類繁多[12]。Khamthong等[13]從來源于海扇的黃綠木霉TrichodermaaureoviridePSU-F95中分離得到2個新的聚酮trichodermaquinone和trichodermaxanthone(1,2)，其中化合物1對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羥基對于抗MRSA的抗菌活性是必需的。Chen等[14]對中國閔河河口的沉積物中三百多株真菌進行篩選，得到對A-375細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A-375細胞系表現(xiàn)出中等程度的細胞毒性作用，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的細胞毒作用。Yamazaki等[15]對日本青森縣的海水樣本中的Trichodermasp.TPU1237進行分離，得到2個新的聚酮化合物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級聯(lián)的主要負性調(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。盡管化合物6和7對PTP1B的抑制活性并不顯著，但由于它們具有新穎的結(jié)構(gòu)，有開發(fā)成新藥物的潛力。Zhao等[16]從來源于中國海南島的紅樹林植物根莖內(nèi)部組織的木霉屬真菌TrichodermaharzianumD13中分離得到1個新的聚酮類物質(zhì)nafuredin C (8)，化合物8對稻瘟病菌具有明顯的抗真菌活性，MIC值為8.63 μmol/L，該研究補充了海洋來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)。聚酮類化合物1-8的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 聚酮類化合物1-8

1.2 肽類

從木霉屬真菌次生代謝產(chǎn)物分離出的肽類化合物主要包括哌珀霉素類和二嗪哌酮類。Zhao等[16]從來源于中國海南島的紅樹林植物根莖內(nèi)部組織的木霉屬真菌TrichodermaharzianumD13中分離得到1個新的雜環(huán)二肽trichodermamide G (9)，它具有新穎的硫橋環(huán)體系，而且對稻瘟病菌和蘋果樹腐爛病菌都表現(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程中，發(fā)現(xiàn)了一株對HL-60細胞系具有顯著細胞毒活性的木霉Trichodermaasperellum，通過光譜方法、X射線衍射分析和化學衍生化方法確定了新化合物結(jié)構(gòu)，得到2個新的肽類化合物 asperelines G和H (10,11)，并首次發(fā)現(xiàn)了乙?；疌端和晶體結(jié)構(gòu)?；衔?0和11對癌細胞系的細胞都有細胞毒活性，但活性都比較微弱。Panizel等[18]從來源于以色列東地中海海岸海綿的木霉屬Trichodermaatroviride中分離得到8個新的多肽(12-19)，這些新化合物對以色列地中海沿岸分離的環(huán)境細菌都具有中等程度的抗菌活性,MIC值為12.5-200 μmol/L。肽類9-19的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 肽類化合物9-19

1.3 萜類

萜類物質(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。海洋來源的木霉屬真菌次生代謝產(chǎn)物中萜類占比最大，具有抗病毒、抗菌、抗癌等藥理活性[19,20]。近年來研究發(fā)現(xiàn)絲狀真菌(包括木霉屬真菌)能夠產(chǎn)生大量的萜類物質(zhì)。

Shi等[21]從中國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個新的萜類化合物：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)抑制劑導致其次級代謝物發(fā)生顯著變化，并獲得新的化合物[21]，表明化學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。活性實驗表明，化合物21對狹小發(fā)光桿菌有微弱的抑菌作用[21]。Zhang等[22]從來源于紅樹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個新的二萜類化合物harzianelactone和(9R,10R)-2H-harzianone (23，24)?；衔?3含有獨特的四環(huán)骨架，具有融合的四、五、六和七元碳環(huán)?；衔?4對HeLa和MCF-7細胞系顯示出細胞毒活性，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]從一株來源于海藻內(nèi)生真菌長枝木霉Trichodermalongibrachiatum次生代謝產(chǎn)物中分離得到1個新的萜類化合物Harzianone (25)?；衔?5的抗細菌、抗真菌和鹵蟲毒性評估實驗表明，在30 μg/disk的濃度下，它對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。在鹵蟲毒性試驗中，化合物25在濃度為100 μg/mL時對受試鹵蟲有82.6%的致死率，半致死濃度(50% Lethal Concentration,LC50)值為23.1 μmol/L。Qin等[24]從中國雷州半島紅樹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)，其對尖孢鐮刀菌和炭疽病菌這2種植物病原真菌具有與陽性對照三唑酮相同程度的抗菌活性，MIC值分別為100和50 μmol/L，對禽致病性大腸桿菌也有著中等程度的抗菌活性，說明化合物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個新的卡丁烷倍半萜化合物：trichodermaloids A、B和C (27-29)，結(jié)果沒有表現(xiàn)出明顯的抗菌活性，但化合物27，28對3種癌細胞系NCIH-460、NCIC-H929和SW620均顯示出細胞毒性，IC50值為6.8-12.7 μmol/L。Yamazaki等[26，27]在一株來源于帕勞海域的紅藻中分離得到木霉屬真菌Trichodermacf.brevicompactum，并對其進行發(fā)酵分離提取后得到2個新的倍半萜化合物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會性真菌病原體每年可造成100多萬人死亡?；衔?0對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]從中國威海紅藻組織中的木霉屬真菌TrichodermacitrinovirideA-WH-20-3中分離得到2個新的環(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)化旋風烷，活性實驗結(jié)果表明，環(huán)異構(gòu)化的結(jié)構(gòu)對生物活性存在影響。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個新型胡蘿卜烷型倍半萜類化合物trichocarotins A-H(37-44)、1個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的結(jié)構(gòu)多樣性。Song等[30]從中國大連的海藻內(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)都具有抑制作用，且對浮游動物的毒性較低，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]從中國三亞海洋地區(qū)的長棘海星內(nèi)生真菌木霉T.erinaceum011F1-1中分離得到1個新的二萜內(nèi)酯化合物Trichodermaerin (47)；Guo等[32]從中國三亞地區(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種新的萜類化合物harziandione A、cyclonerodiols A、cyclonerodiols B和trichodermaerin A (48-51)。萜類20-51的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 萜類化合物20-51

1.4 其他類型化合物

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

Rehman等[33]從中國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化合物中發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)特征，化合物54,55含有獨特的雙環(huán)內(nèi)酯骨架。山梨醇類家族具有廣泛的藥理作用，包括細胞毒活性、抗菌活性。該研究發(fā)現(xiàn)的新化合物56對A549、MCF-7和HCT116細胞系有細胞毒活性，IC50值分別為5.1，9.5和13.7 μmol/L。Lan等[34]從中國南海珊瑚礁保護區(qū)的1個棘冠海星內(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是第一個在山梨基側(cè)鏈中具有C-4′/C-5雙鍵Z構(gòu)型的實例，這說明可能仍有大量新的天然山梨醇青霉素有待進一步發(fā)現(xiàn)與探索?；衔?9是一種不常見的環(huán)狀山梨酰鏈的單分子山梨醇類化合物，對MCF-7癌細胞系有細胞毒活性，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)，它具有獨特的去甲二萜苷元結(jié)構(gòu)，該化合物對海洋浮游動物鹵蟲具有毒性，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個新的吡啶酮類化合物trichodin A 和trichodin B(61,62)?；钚詼y試表明,這2種新化合物對4種人類致病性菌株 (革蘭氏陽性枯草芽孢桿菌、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]從中國福建地區(qū)紅樹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具有較強的抗鼠疫菌活性，MIC值為125 μg/disc。Guo等[32]從中國三亞地區(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對人乳腺癌高轉(zhuǎn)移細胞(MDA-MB-435)表現(xiàn)出微弱的細胞毒活性，IC50值為31.9 μmol/L。Shi等[38]從中國大連海洋紅藻內(nèi)生真菌TrichodermabrevicompactumADL-92中分離得到8個新的三氯丙烯衍生物(72-79)和2個新的酮烯衍生物(80，81)，化合物79是第一個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。通過分析它們的結(jié)構(gòu)與對應(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]從中國威海的紅藻組織分離出的木霉屬真菌中分離得到1個新的異香豆素衍生物trichophenol A(82)。在結(jié)構(gòu)上，trichophenol A是第一個發(fā)現(xiàn)的木霉3-苯基異香豆素衍生物；在活性上，它對浮游植物 (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)，該實驗測試了它對4種浮游植物的抑制作用，結(jié)果表明,該化合物對受試對象均有較強的抑制活性，IC50值為0.53-2.70 μmol/L。

Lu等[40]從中國南海地區(qū)紅樹林的深綠木霉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)。其他類型化合物52-87的結(jié)構(gòu)如圖4所示。綜上所述，海洋來源的木霉屬真菌多從海綿、海藻中分離得到，詳見表1。

圖4 其他化合物52-87

表1 海洋來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

海洋來源木霉屬真菌因其具有顯著的藥理活性和藥用價值，近年來受到越來越多的關(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源。近十年來，木霉屬真菌次生代謝產(chǎn)物主要是從海綿、紅樹林、海藻、珊瑚、海星、海洋沉積物中分離出來，其中海綿和紅樹林是海洋來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，包括萜類(36.7%)、肽類(12.3%)、聚酮(9.2%)。這些新化合物具有抗菌、抗病毒、細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)物對有害海洋浮游植物有顯著的抑制作用，說明木霉屬真菌在生物防治方面有光明前景。

木霉屬真菌的開發(fā)還存在一些尚需完善的問題：(1)木霉屬海洋樣本的來源較窄，需要擴大篩選，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，今后對木霉屬真菌次生代謝產(chǎn)物的研究可從以下方面展開：(1)化合物的獲得：通過改變培養(yǎng)方法、代謝組學分析方法、基因組激活沉默的基因簇和先導化合物結(jié)構(gòu)修飾，以期獲得更多化學結(jié)構(gòu)新穎且具有特異活性的化合物，并對重要次生代謝產(chǎn)物生物合成相關(guān)的基因進行確認，以闡明生物合成途徑；(2)計算機輔助藥物篩選：對木霉屬真菌次生代謝產(chǎn)物的構(gòu)效關(guān)系進行計算機虛擬藥物篩選，確定具體作用靶點；(3)藥理篩選和新藥研發(fā)：對木霉屬真菌次生代謝產(chǎn)物的藥理機制進行深入研究，抗菌和細胞毒活性是未來研究的重要領(lǐng)域。