1、海洋新放线菌及其次级代谢产物研究进展作者：王淑霞 朱天骄 卢圳域 顾谦群 朱伟明【摘要】 由于自身特殊的生存环境，海洋放线菌具有复杂独特的代谢途径，产生了诸多结构新颖、生物活性显著的次级代谢产物，这些活性代谢产物为新抗生素的发现提供了丰富的先导化合物，有些已经进入临床前研究。本文简要介绍近十几年从海洋样品中分离到的放线菌新种属及其次级代谢产物研究概况。 【关键词】 海洋放线菌； 代谢产物； Salinispora； Verrucosispora； MarinisporaABSTRACT Due to the special living environment, marine-derived
2、actinomycetes possess distinct and complex metabolic capabilities, resulting in wide diversity of their secondary metabolites in chemical structure and biological activity. Among them, many valuable leading compounds were obtained for discovery of new antibiotics, and some had been selected for prec
3、linical study. The research advances in discovery of new actinomycetes and their secondary metabolites were briefly reviewed in this paper.KEY WORDS Marine-derived actinomycetes;Metabolites;Salinispora;Verrucosispora;Marinispora放线菌是一类高(G+C)%的革兰阳性细菌，与人类关系密切。现已发现的天然抗生素中 70%来自于放线菌家族1 ，如链霉素、阿奇霉素、万古霉素等，在
4、临床上都有非常广泛的应用，为人类健康做出了巨大的贡献。随着抗生素的广泛使用，致病菌耐药性急剧增加，原有的抗生素疗效已经大幅度降低，新的疾病不断出现，这些都给抗生素发展带来了巨大的挑战，发现新菌种以寻找新型抗生素成为迫切的需要。但经过 50年多年的探索从陆生放线菌中发现新菌种、新抗生素的机率大大降低2 ，于是人们把眼光投向曾经一直被忽略的一个巨大的资源宝库海洋3 。海洋环境具有高盐度、高压、低温、低营养等特点，在这种特殊环境中生存的海洋放线菌，必然发展出不同于陆生放线菌的独特的代谢途径，这为新菌种、新的活性化合物的发现提供了条件。近十几年对海洋放线菌的研究结果也充分证明了这一点。现已从海洋放线菌
5、中分到了很多结构新颖、生物活性广泛的新化合物4 ，为新抗生素的发现提供了宝贵的先导化合物资源，有的化合物已经进入临床前研究阶段，如salinosporamide A。本文对近十几年发现的海洋放线菌新种属及其次级代谢产物进行简要综述。1 海洋放线菌新种属近十几年研究发现海洋放线菌在种类上与陆生放线菌不同，陆生放线菌主要以链霉菌为主；海洋放线菌随着样品采集深度的增加，链霉菌逐渐减少，而含有分枝菌酸的放线菌(mycolata)增多5 ，发现的新种属也主要是这一类(表 1)。2 次级代谢产物研究2.1 Salinispora 属1991 年 Fenical 小组从海泥样品中分离得到一类依赖海水生长的特
6、殊放线菌 MAR1，这也是首次发现的需盐生长的放线菌6 ，对其 16S rRNA 序列分析表明它们是小单孢菌科的一个新属3 ，首先命名为Salinospora，后更名为 Salinispora。Salinispora 属放线菌，广泛存在于热带、亚热带的海泥中，此外也存在于其它生物体内，如 2005 年，Tae 等从采自大堡礁的一株海绵 Pseudoceratina clavata 中也分到了这个属的菌株7 。现已分离到 Salinispora 属放线菌 2500 多株，目前已经确定了三个种 Salinispora tropica、Salinispora arenicola8和Salinispo
7、ra pacifica9 。这个属的菌株发酵粗提物具有广泛的生物活性3 ，对本属菌株的代谢产物进行了化学和生物学研究，发现了一系列结构新颖的高活性化合物。20032005 年，Fenical 小组从菌株 Salinispora tropica CNB-392 中分离得到 8 个 -内酰胺类化合物 1810，11 ，其中salinosporamide A(1)对人结肠癌细胞 HCT-116 的半数抑制浓度(IC50)为 0.035nmol/L。对 NCI 60 种癌细胞系的半数生长抑制浓度(GI50)小于11nmol/L，进一步的活性评价发现，化合物 1 对非小细胞肺癌(NCI-H226)、中枢
8、神经癌(SNB-75)、黑色素瘤(SK-MEL-28)及乳腺癌细胞(MDA-MB-435)具有强的细胞毒活性，其半数致死浓度(LC50)均低于 11nmol/L，但是对非白血性白血病(CCRF-CEM)、前列腺癌(DU-145)作用微弱(表 2)，这表明1 具有良好的选择性细胞毒活性，这种独特的选择性，对于成药来说是非常有利的。由于 1 与蛋白酶体抑制剂 omuralide(9)具有相同的母核结构，故对 1 进行了蛋白酶体抑制活性的测试。测试结果发现 1 是强效蛋白酶体抑制剂，对糜凝乳蛋白酶体的 IC50 达到 1.3nmol/L，抑制活性约为 9的 35 倍。蛋白酶体参与人体许多调控蛋白质更
9、新和加工过程，因而蛋白酶体抑制剂具有广泛的药理作用，如抗癌、逆转耐药、治疗炎性细胞因子活化诱发的疾病等12 。这些都预示着 1 具有非常广阔成药前景。目前 1 已经作为癌症治疗药物进入临床前研究13，14 。对该菌株的发酵条件进行优化，又发现了两个结构新颖的卤代大环内酯类化合物 sporolides A(10)和 sporolides B(11)15 ，11 对人结肠癌细胞抑制浓度大于 78g/ml，对耐甲氧西林的金葡菌(Staphylococcus aureus)抑制浓度超过 250g/ml。虽然 9 和 10 活性较差，但其新颖独特的结构让人们看到海洋放线菌产生新型次级代谢产物的巨大潜力。
10、2005 年，Fenical 小组又对这个属的另一株放线菌 Salinispora pacifica CNS103 的次级代谢产物进行了一系列研究，发现了两个结构新颖的化合物 cyanosporasides A(12)和 cyanosporasides B(13)9 。对其活性评价目前正在进行中。12 和 13 是海洋放线菌次级代谢产物化学多样性的又一例证。2006 年，Fenical 小组从菌株 Salinispora arenicola CNR005 的发酵液中得到两个新颖的聚酮类化合物 saliniketal A(14)和saliniketal B(15)16 。14 和 15 没 表
11、1 海洋放线菌新种属表 2 Salinosporamide A 对 NCI 部分癌细胞系的 LC50 有鸟氨酸脱羧酶抑制活性，但是与一种强效鸟氨酸脱羧酶激动剂 TPA 联合使用时，可抑制其激动作用，IC50 分别为(1.950.37)和(7.830.12)g/ml。鸟氨酸脱羧酶是多胺生物合成途径的限速酶，激动此酶会促进细胞增殖，被认为与癌症发病有关，而鸟氨酸脱羧酶抑制剂则有可能成为有效的防治癌症的药物。因此 14 和 15 具有成为先导化合物或候选药物的潜力。2.2 Verrucosispora 属Verrucosispora 属最早是在 1998 年 Rheims 等从沼泽淤泥中分离得到17
12、 。2004 年 Bister 等从日本海 289 米深的海底泥样中分离得到菌株 AB-18-032，化学分类学及 16S rRNA 序列分析表明是一个本属新种Verrucosispora sp.。对其次级代谢产物研究得到了一类多环聚酮类抗生素 abyssomicin BD(1618)18 ，其中 abyssomicin C(17)可强烈抑制革兰阳性菌的生长，甚至可以抑制耐甲氧西林金葡菌(MRSA)的生长。对 MRSA N315 的 MIC 为 4g/ml，对耐万古霉素(vancomycin)的 MRSA Mu50 的 MIC 为 13g/ml。对其抑菌作用机制的进一步研究发现，此化合物是通过
13、作用于叶酸代谢过程而抑制细菌的生长，但其作用机制与磺胺类药物不同，磺胺类药物是通过竞争性拮抗 PADA(对氨基苯甲酸)，干扰细菌酶系统对 PADA 的利用，从而影响叶酸辅酶的生成。Abyssomicin C是通过抑制细菌体内 PADA 的合成从而抑制叶酸辅酶的生物合成19 。这是一种新的抑菌作用靶点，对寻找新型高效抗生素具有积极作用， 为抗生素的发展提供了新的方向。2.3 Marinispora 属发现 Salinispora 属之后，Fenical 小组又展开了一系列调查，以寻找新的海洋放线菌，Marinispora 属(MAR2)就是在这个过程中发现的。Marinispora 属也是专属海
14、洋性的放线菌，是链霉菌科的一个新属20 ，目前已从不同的采集地点的海泥样品中分离得到了 20 株本属菌株，表明Marinispora 属在海洋环境中也是广泛存在的。对本属菌株 CNQ-140 次级代谢产物采用活性追踪的方法分离得到了一系列高活性的大环内酯类化合物 marinomycins AD(1922)21 。活性测试结果表明 1922 具有强的抗菌和细胞毒活性。其中活性最显著的是 marinomycins A(19)，它对 MRSA 和耐万古霉素的粪链球菌(VRSF)的 MIC90 均达到.13mol/L。在 NCI 60 株癌细胞系的活性测试中发现此类化合物具有特异的组织选择性细胞毒活性
15、，19 对八种黑色素瘤细胞系中的六种(LOX IMVI、M14、SK-MEL-2、SK-MEL-5、UACC-257、UACC-62)具有强烈的抑制作用，尤其是对 SK-MEL-5，其 LC50 达到 5.0nmol/L。20 和 21 的平均 LC50 达到 0.9 和 0.2mol/L。更值得瞩目的是这些化合物对非白血性白血病癌细胞只有非常微弱的抑制作用，LC50 约为 50mol/L。这不仅表明了此类化合物具有组织选择性，更预示此类化合物如果成药，其骨髓抑制的不良反应有可能很小。2.4 MAR4MAR4 也是 Fenical 小组在发现 Salinispora 属之后发现的另一个链霉菌新
16、种22 ，对这个种部分菌株的次级代谢产物研究表明，本种是一类罕见的、产混源萜类(meroterpenoids)化合物的放线菌23 。1992年从菌株 CNB-632 中分离得到 marinone(23)和 debromomarinone(24)24 。2000 年，从菌株 CNH-099 中分离得到 neomarinone(25)和一系列marinone 的衍生物 isomarinone(26)、hydroxydebromomarinone(27)和methoxydebromomarinone(28)。对 2528 进行了抗肿瘤活性测试发现这些化合物具有中等抗肿瘤活性，对肿瘤细胞 HCT-11
17、6 的平均 IC50 约为8g/ml25 。28 对 NCI 60 种癌细胞系的平均 IC50 达到10mol/L。2005 年从菌株 CNQ-525 中分离得到 5 个萜类化合物2933，对 2932 进行了抗菌和抗肿瘤活性测试，结果见表 326 ，这些化合物对耐药菌具有强的抑制作用和细胞毒活性。其中 30 的抑菌活性较差，但抗肿瘤活性较好，其构效关系有待进一步研究。2006 年，从菌株 CNQ766 中分离得到两个聚酮类化合物 actinofuranones A(34)、actinofuranones B(35)和一个新的混源萜类化合物 azamerone(36)23，27 ， 其抗肿瘤活
18、性正在表 3 化合物 2629 的抗菌及抗肿瘤活性测试中。综上所述，海洋放线菌与陆生放线菌的次级代谢产物在结构、活性方面存在着很大的差异。与陆生放线菌相比，海洋放线菌的次级代谢产物分子中多含有卤族元素、多为内酯和内酰胺以及萜类化合物；其次级代谢产物具有新的抗菌作用靶点、对肿瘤细胞和耐药性致病菌表现出较强的抑制作用。3 结语总之，近十几年的研究结果表明，海洋环境中存在着一个巨大的海洋放线菌资源宝库。生活在海洋这一特殊环境中的放线菌，其生理生化和 16s rRNA 等分子生物学特征与陆生放线菌有很大的区别，其次级代谢途径亦不同于陆生放线菌，从而产生了结构类型新颖多样、生物活性显著的次级代谢产物，为
19、新型抗生素的发现提供了重要的先导化合物和新的药物作用靶点。随着研究的深入，海洋放线菌将成为发现新抗生素的重要资源。【参考文献】1 Janos B. Bioactive microbial metabolies J. J Antibiot,2005,58(1):126.2 Alan T B, Alan C W, Michael G. Search and discovery strategies for biotechnology: the paradigm shift J. Microbiol Mol Biol Rev,2000,64(3):573606.3 Tracy J M, Paul R
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