劉小玲，李 力，黃建忠*

福建師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 工業(yè)微生物教育部工程研究中心，福州 350108

真菌的次級(jí)代謝產(chǎn)物中含有大量的聚酮化合物，它們大都具有抗細(xì)菌、抗真菌、抗寄生蟲(chóng)、甚至抗腫瘤的生物活性，具有巨大的新藥物開(kāi)發(fā)潛質(zhì)而受到廣泛關(guān)注［1］。這些真菌的次級(jí)代謝產(chǎn)物中存在一類(lèi)具有獨(dú)特化學(xué)結(jié)構(gòu)的非苯環(huán)芳香族化合物——環(huán)庚三烯酚酮(tropolone)。

1942 年Raistrick 等［2］從一株青霉菌屬(Penicillium stipitatum)中提取并分離得到真菌代謝產(chǎn)物——stipitatic acid(密擠青霉酸)，環(huán)庚三烯酚酮由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，功能的廣泛性，一直受到研究者的關(guān)注，但其結(jié)構(gòu)特殊性給解析工作帶來(lái)了困難。1945 年Dewar 意識(shí)到這種物質(zhì)的結(jié)構(gòu)可能是非苯環(huán)的芳香族系統(tǒng)［3］，Todd 等對(duì)其提供了化學(xué)依據(jù)［4］，人們才確定了環(huán)庚三烯酚酮的結(jié)構(gòu)為七元的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，Dewar 將這個(gè)七元環(huán)的結(jié)構(gòu)(圖1)命名為環(huán)庚三烯酚酮(tropolone)［5］。隨著從植物、細(xì)菌等多種生物中分離到了多種環(huán)庚三烯酚酮的化合物，開(kāi)創(chuàng)了非苯環(huán)芳香族化合物的新領(lǐng)域。本文主要從環(huán)庚三烯酚酮類(lèi)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的多樣性、生物活性及其合成研究進(jìn)行闡述。

1 環(huán)庚三烯酚酮結(jié)構(gòu)的多樣性

1.1 環(huán)庚三烯酮(tropone)

環(huán)庚三烯酮(圖2)是脫羥基環(huán)庚三烯酚酮，目前已知的環(huán)庚三烯酮有從藻類(lèi)中分離得到的A 和B［6］，其結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別是丁基鏈的連接位置不同。另一個(gè)是1964 年從日本香柏中分離得到的C［7］，它與A、B 結(jié)構(gòu)的不同是環(huán)庚三烯酮環(huán)上連接的是異丙基。

圖1 tropolone 的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.1 The chemical structure of tropolone

圖2 tropone 的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.2 The chemical structure of tropone

1.2 簡(jiǎn)單的二環(huán)環(huán)庚三烯酚酮

2001 年Seephonkai 等報(bào)導(dǎo)從一種真菌病原體冬蟲(chóng)夏草Cordyceps sp.BCC 1681 中分離得到cordytropolone(圖3，A)，其結(jié)構(gòu)由一個(gè)環(huán)庚三烯酚酮和一個(gè)呋喃環(huán)構(gòu)成［8］。1965 年，Divekar 等從真菌黃瘤孢屬Sepedonium chrysospermum 分離得到黃瘤孢素(圖3，B)［9］，它的結(jié)構(gòu)由一個(gè)環(huán)庚三烯酚酮單元連接一個(gè)吡喃環(huán)構(gòu)成。另一種二環(huán)環(huán)庚三烯酚酮類(lèi)化合物manicol(圖3，C)是1983 年P(guān)olpnsky 等從圭亞那的一種樹(shù)Dalacia guanensis 中分離得到，它是一種類(lèi)倍半萜烯化合物［10］。

圖3 二環(huán)環(huán)庚三烯酚酮的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.3 the structure of simple bicyclic troplone

圖4 具有一個(gè)環(huán)庚三烯酚酮單元的多環(huán)結(jié)構(gòu)Fig.4 polycyclic structures of one tropolone unit

1.3 具有一個(gè)環(huán)庚三烯酚酮單元的多環(huán)結(jié)構(gòu)

2003 年Angawi 等［11］從一種無(wú)孢子生殖的真菌Mycelia sterilia NRRL 29110 中分離得到的一種聚酮代謝物malettinin A(圖4，A)，是具有一個(gè)環(huán)庚三烯酚酮單元的三環(huán)結(jié)構(gòu)。2005 年他們又報(bào)導(dǎo)了malettinin A 的結(jié)構(gòu)類(lèi)似物malettinin B［12］(圖4，B)，以及malettinin B 的另一種同分異構(gòu)體。Raggatt 等在研究xenovulene A 的生物合成時(shí)，從枝頂孢霉Acremonium strictum 中分離得到了具有一個(gè)環(huán)庚三烯酚酮單元四環(huán)結(jié)構(gòu)的兩種化合物(圖4，C，R=H 或OH)［13］。

1.4 具有兩個(gè)環(huán)庚三烯酚酮單元的多環(huán)結(jié)構(gòu)

一種植物病原體真菌串珠鐮刀菌(Fusarium moniliforme)產(chǎn)生大量的毒素，其中就包含環(huán)庚三烯酚酮類(lèi)的珠鏈孢菌素(圖5)［14］，它是由兩個(gè)環(huán)庚三烯酚酮—吡喃環(huán)單元經(jīng)丁二烯單元連接起來(lái)的。1976 年Karlsson 等報(bào)導(dǎo)從一種樹(shù)Juniperus utahensis分離得到utahin(圖5)，它的結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)環(huán)庚三烯酚酮單元中間由一個(gè)呋喃環(huán)聚合而成［15］。

圖5 珠鏈孢菌素和utahin 的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.5 The chemical structures of fusariocin and utahin

1.5 含硫的環(huán)庚三烯酚酮

據(jù)報(bào)導(dǎo)天然的含有硫原子的環(huán)庚三烯酚酮衍生物4 種物質(zhì)。一個(gè)是Kawano 等從柄細(xì)菌屬的PK654 菌株中分離出一種抗生素thiotropocin(圖6，A)［16］以及收錄在抗生素及其相關(guān)物質(zhì)字典中的另一種抗生素troposulfenin(圖6，B)［17］。含有硫的環(huán)庚三烯酚酮的另外兩種物質(zhì)是從海洋細(xì)菌玫瑰桿菌的進(jìn)化枝中分離得到具有抑菌作用的tropodithietic acid(圖6，C)和hydroxytropodithietic acid(圖6，D)［18］。

圖6 含硫的環(huán)庚三烯酚酮的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.6 The structures of tropolones containing sulfur

圖7 rubrolone 的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.7 The structure of rubrolone

1.6 含氮的環(huán)庚三烯酚酮

1978 年，Palleroni 等對(duì)鏈霉菌屬X-14077 菌株產(chǎn)生的水溶性色素復(fù)合物毒理性研究，發(fā)現(xiàn)其為一個(gè)新的菌種，命名為Streptomyces echinoruber sp.nov。其主要代謝產(chǎn)物是一種名為rubrolone(圖7)的紅色素，其結(jié)構(gòu)由包含環(huán)庚三烯酚酮單元的五個(gè)環(huán)構(gòu)成，它具有很低的毒性，是一種潛在的食用色素［19］。

1.7 真菌的羥基環(huán)庚三烯酚酮酸

前面已經(jīng)提到青霉菌屬產(chǎn)生密擠青霉酸(stipitatic acid，圖8)［2］，它是最早發(fā)現(xiàn)的環(huán)庚三烯酚酮類(lèi)物質(zhì)之一。隨后人們又在另一種真菌藍(lán)狀霉菌屬中提取出了stipitatonic acid(圖8)其結(jié)構(gòu)是在stipitatic acid 的基礎(chǔ)上，將C-5 的H 被羧基取代，并可以與C-4 的羧基經(jīng)過(guò)縮合形成酸酐［20］。以及人們?cè)谘芯空婢h(huán)庚三烯酚酮類(lèi)物質(zhì)生物合成的過(guò)程中先后發(fā)現(xiàn)的stipitalide(圖8)與stipitaldehydic acid(圖8)［21］。

圖8 stipitatic acid，stipitatonic acid，stipitalide 和stipitaldehydic acid 的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.8 The structures of stipitatic acid，stipitatonic acid，stipitalide and stipitaldehydic acid

2 環(huán)庚三烯酚酮的生物活性

環(huán)庚三烯酚酮類(lèi)化合物是次級(jí)代謝產(chǎn)物，大多具有抑菌、抗病毒、抗腫瘤、殺蟲(chóng)、抗炎以及酶抑制等活性。

2.1 環(huán)庚三烯酚酮的抑菌活性

2.1.1 環(huán)庚三烯酚酮對(duì)細(xì)菌的抑制活性

大多數(shù)環(huán)庚三烯酚酮類(lèi)化合物都具有抑制細(xì)菌的活性。Trust 對(duì)環(huán)庚三烯酮抗細(xì)菌活性研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)庚三烯酚酮對(duì)多種細(xì)菌具有抑菌和殺菌活性，它主要作用于所有的細(xì)胞的細(xì)胞壁或膜，而使細(xì)胞溶解達(dá)到抗菌的效果［22］。

另外，Morita 等報(bào)道了環(huán)庚三烯酚酮的類(lèi)似物α-thujaplicin(圖9)具有抑制糞腸球菌Enterococcus faecalis IFO-12965 的活性，MIC 為1.56 μg/mL，其抑制活性高于慶大霉素(MIC 為6.25 μg/mL)［23］。并且，他們也報(bào)道了α-thujaplicin 對(duì)細(xì)菌Legionella pneumophila SG1 和SG3 具有明顯的抑制作用，其MIC 在6.25～50 μg/mL 之間［24］。

圖9 α，β，γ-thujaplicin 的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.9 The structures of α，β，γ-thujaplicin

圖10 DBMTr 的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.10 The structure of DBMTr

2.1.2 環(huán)庚三烯酚酮對(duì)真菌的抑制活性

Morita 等研究發(fā)現(xiàn)環(huán)庚三烯酚酮類(lèi)化合物(α，β，γ-thujaplicin，圖9)具有很強(qiáng)的抗真菌活性［25］。他們報(bào)道了α-thujaplicin 對(duì)七種植物病原菌真菌的MIC 在6.0～50.0 μg/mL 之間，并且還報(bào)道了環(huán)庚三烯酚酮對(duì)真菌Pythium aphanidermatum IFO-32440也具有很強(qiáng)的抑制作用，其MIC 為6.0 μg/mL［26］。

Nakano 等對(duì)環(huán)庚三烯酚酮類(lèi)化合物的抗真菌活性研究發(fā)現(xiàn)，β-thujaplicin 也可以用于治療犬的外耳炎疾病。他們進(jìn)行的體外試驗(yàn)表明，與常用的藥物(例如酮康唑和特比萘芬)相比，β-thujaplicin 對(duì)可引起狗的外耳炎疾病的真菌Malassezia pachydermatis 也有很強(qiáng)的抑制作用［27］。

2.2 環(huán)庚三烯酚酮的抗病毒活性

環(huán)庚三烯酚酮類(lèi)化合物的抗毒活性主要體現(xiàn)在對(duì)人類(lèi)免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus，HIV)及丙型肝炎病毒(Hepatitis C virus，HCV)的抑制作用。

Yamato 等最早報(bào)道了環(huán)庚三烯酚酮類(lèi)化合物具有抗HIV 的活性。2005 年Scott 等進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)β-thujaplicin 和manicol 具有潛在的并選擇性地抑制HIV-1 反轉(zhuǎn)錄酶核糖核酸酶H(RNase H)的活性，并且體外試驗(yàn)結(jié)果表明β-thujaplicin 和manicol對(duì)HIV-1 RNase H 的半抑制率IC50值分別為0.2 μM 和1.5 μM［28］。近年，Chung 等合成了14 種manicol 的衍生物，它們都保留了與二價(jià)金屬離子螯合的基團(tuán)，并提高了α-hydroxytropolones 抗HIV-1 的活性及特異性［29］。Brian 用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析β-thujaplicin 對(duì)HV-1 反轉(zhuǎn)錄酶RNase H 的抑制活性［30］。

HCV 感染能引起肝炎、肝硬化及肝癌等疾病，據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)全球有3%的人口感染HCV病毒，HCV 病毒被認(rèn)為是最危險(xiǎn)的病原體之一。Boguszewska 等合成了3，7-dibromo-5-morpholinomethyltropolone(DBMTr，圖10)，它對(duì)HCV 解旋酶具有很強(qiáng)的抑制作用，其IC50值為17.56 μM［31］。近年，Bernatouicz 等也報(bào)道了合成新的抗HCV 的環(huán)庚三烯酚酮類(lèi)似物，其中，3，5，7-tri［(4'-methylpiperazin-1'-yl)methyl］tropolone 對(duì)HCV 解旋酶的抑制作用最強(qiáng)，IC50值為3.4 μM［32］。

2.3 環(huán)庚三烯酚酮的抗腫瘤活性

早在20 世紀(jì)50 年代，Leiter 就報(bào)道了環(huán)庚三烯酚酮類(lèi)化合物具有抗惡性腫瘤37 的活性［33］。后來(lái)，Yamato 等做了大量實(shí)驗(yàn)來(lái)研究環(huán)庚三烯酚酮衍生物(如monotropolone 和bistropolone)的抗腫瘤活性。他們利用小鼠的白血病細(xì)胞P388 作為研究材料，發(fā)現(xiàn)環(huán)庚三烯酚酮類(lèi)物質(zhì)可以與某些酶所必需的金屬產(chǎn)生螯合物，從而可以抑制酶的活性。例如其與催化DNA 合成的核糖核苷酸還原酶所需的金屬螯合從而達(dá)到阻斷DNA 合成的效果［34］。

最近，Bosca 研究發(fā)現(xiàn)抗腫瘤的環(huán)庚三烯酚酮類(lèi)化合物可以與人的血清蛋白結(jié)合產(chǎn)生強(qiáng)的熒光，因此可將這種藥物作為生物標(biāo)記［35］。

2.4 環(huán)庚三烯酚酮的殺蟲(chóng)活性

在2001 年，Moussa 等發(fā)現(xiàn)從北美香柏(Thuja occidentalis)分離得到的環(huán)庚三烯酚酮類(lèi)似物thujaplicinol 對(duì)昆蟲(chóng)Callosobruchus maculatus 具有殺蟲(chóng)效果［36］。2004 年，Chisty 等用透射顯微鏡法研究發(fā)現(xiàn)β-thujaplicin 對(duì)吸血蟲(chóng)幼蟲(chóng)具有明顯的殺蟲(chóng)活性［37］。2005 年，韓國(guó)的Jang Young-su 等從日本扁柏樹(shù)葉中分離得到質(zhì)譜檢測(cè)為β-thujaplicin，發(fā)現(xiàn)它可以殺死3 種蚊子幼蟲(chóng)，而且對(duì)Aedes aegypti 幼蟲(chóng)的半數(shù)致死濃度LC50為2.91 ppm、對(duì)Ochlerotatus togoi 幼蟲(chóng)的LC50值為2.60 ppm 以及對(duì)Culex pipiens幼蟲(chóng)的LC50值為1.33 ppm［38］。

2.5 環(huán)庚三烯酚酮的抗炎活性

早在1971 年，日本的Ozawa 等對(duì)環(huán)庚三烯酚酮的藥理學(xué)研究就發(fā)現(xiàn)其具有止痛、抗炎及體溫過(guò)低等活性［39］。2010 年Koc 等用小鼠試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)環(huán)庚三烯酚酮衍生物2，5-dihydroxycyclohepta-2，4，6-trienone(AD-4)具有抗炎的活性，并且它比一般消炎藥的毒性更低，并且推測(cè)AD-4 的抗炎活性可能與它增強(qiáng)血管通透性的功能有關(guān)［40］。

2.6 環(huán)庚三烯酚酮的酶抑制活性

環(huán)庚三烯酚酮類(lèi)化合物對(duì)多種酶具有很強(qiáng)的抑制作用，主要是因?yàn)樗鼈兛梢耘c酶所需的金屬離子例如Mg2+、Cu2+、Zn2+及Fe2+螯合，從而抑制酶的活性。前面也提到了環(huán)庚三烯酚酮可以抑制病毒核糖核酸酶及整合酶的活性，此外，環(huán)庚三烯酚酮類(lèi)化合物也可抑制其他酶的活性。

例如，環(huán)庚三烯酚酮類(lèi)化合物β-thujaplicin 可抑制人的血小板型脂加氧酶12-lipoxygenase 的活性，IC50為0.1 μm［41］，紅茶中提取的環(huán)庚三烯酚酮衍生物茶黃素(theaflavins)也可抑制脂加氧酶的活性［42］。最近，F(xiàn)ullagar 等報(bào)道了通過(guò)形成一個(gè)獨(dú)特的金屬螯合結(jié)構(gòu)，環(huán)庚三烯酚酮特異性地抑制依賴(lài)Zn2+的金屬蛋白酶Pseudomonas aeruginosa elastase［43］。此外，天然產(chǎn)物環(huán)庚三烯酚酮類(lèi)化合物還可以作為引起惡性腫瘤的組蛋白脫乙酰酶(histone deacetylase，HDAC)及其同工酶的抑制劑，從而可以發(fā)展成為抗癌的藥物［44］。

2.7 環(huán)庚三烯酚酮的其他生物活性

Iwatsuki 等研究發(fā)現(xiàn)青霉菌屬中提取的環(huán)庚三烯酚酮類(lèi)物質(zhì)有潛在的抗瘧疾活性，可用作抗瘧疾的藥物［45］。Yamane 等報(bào)道了β-thujaplicin 具有抗糖尿病的功能，它可以與Zn(Ⅱ)形成復(fù)合物［46］。Murakami 等也從藥理學(xué)和動(dòng)力學(xué)方面研究了抗糖尿病的(β-thujaplicin)Zn(Ⅱ)復(fù)合物與Zn(S2O2)的配位模式［47］。Koufaki 等合成了β-thujaplicin 衍生物，它能夠保護(hù)HT22 海馬神經(jīng)元免受氧化應(yīng)激導(dǎo)致的細(xì)胞死亡［48］。另外，環(huán)庚三烯酚酮類(lèi)化合物還具有抗輻射的功能［49］。

3 環(huán)庚三烯酚酮的生物合成

環(huán)庚三烯酚酮由于其結(jié)構(gòu)的特殊性以及多樣性，其衍生物的抑菌、降血壓、抗腫瘤活性等，因此，越來(lái)越多的人對(duì)其合成感興趣。環(huán)庚三烯酚酮的合成目前研究最多的包括化學(xué)合成以及生物合成。

3.1 環(huán)庚三烯酚酮的化學(xué)合成

環(huán)庚三烯酚酮的合成是復(fù)雜并且多步的，許多學(xué)者對(duì)其合成做了大量的研究，其中影響最大的就是在1965 年Stevens 以環(huán)戊二烯和二氯乙烯酮為起始原料合成了一個(gè)中間體即7，7-二氯二環(huán)［3.2.0］庚-2-烯-6 酮，然后消除了包含乙酸、乙酸鹽及水的Grob 片段后形成了環(huán)庚三烯酚酮［50］，如圖11 所示。

圖11 環(huán)庚三烯酚酮的化學(xué)合成Fig.11 chemical synthesis of tropolone

3.2 環(huán)庚三烯酚酮的生物合成途徑

3.2.1 環(huán)庚三烯酚酮類(lèi)化合物生物合成早期的研究

早在1950 年，Robinson 就提出環(huán)庚三烯酚酮可以由多酚和甲醛等物質(zhì)縮合而成的假設(shè)［51］。1963年Bentley 使用14C 同位素標(biāo)記顯示了stipitatic acid的合成前提物質(zhì)是乙酸、丙二酸和一個(gè)C1 物質(zhì)，類(lèi)似于聚酮化合物［52］。1971 年，Scott 等用青霉菌屬菌株實(shí)驗(yàn)證明了3-甲基苷色酸3-methylorsellinic acid 是stipitatonic acid 和密擠青霉酸stipitatic acid的前體物質(zhì)［53］。后來(lái)Robert 等也用實(shí)驗(yàn)證明了3-甲基二羥基甲基苯甲醛3-methylorcylaldehyde 也是stipitatic acid 的合成前體物，并分離得到前面提到的新的環(huán)庚三烯酚酮類(lèi)物質(zhì)stipitaldehydic acid［21］，如圖12。因此可以證明乙酸、丙二酸合成聚酮后的環(huán)化是先形成六元的苯環(huán)結(jié)構(gòu)，然后再經(jīng)過(guò)氧化反應(yīng)來(lái)使環(huán)擴(kuò)增形成了七元的環(huán)庚三烯酚酮結(jié)構(gòu)。

2007 年Cox 等從一種植物病原體緊密枝頂孢霉(Acremonium strictum)中克隆到一個(gè)聚酮合成酶(polyketide synthase，PKS)基因簇，在米曲霉中異原表達(dá)得到了合成環(huán)庚三烯酚酮類(lèi)物質(zhì)的前體3-甲基二羥基苯甲醛3-methylorcylaldehyde，因此這個(gè)基因又被稱(chēng)為MOS(3-methylorcinaldehyde synthase)，測(cè)序發(fā)現(xiàn)它是一種真菌的NR-PKS(non-reducing polyketide synthase)［54］。2010 年Cox 等研究了MOS的C 端結(jié)構(gòu)域的催化作用，研究了甲基化發(fā)生的時(shí)間以及鏈長(zhǎng)的控制［55］。

圖12 環(huán)庚三烯酚酮的生物合成途徑Fig.12 biosynthesis of tropolone

3.2.2 近期環(huán)庚三烯酚酮生物合成研究的成果

在2012 年Davison 等從遺傳、分子、生化基礎(chǔ)對(duì)真菌的環(huán)庚三烯酚酮的生物合成做了進(jìn)一步的研究［51］，闡述了真菌中合成環(huán)庚三烯酚酮基本骨架的最基本的三個(gè)基因是tropA、tropB、tropC，tropA 編碼合成3-甲基二羥基苯甲醛的酶，即MOS;tropB 編碼的是一個(gè)依賴(lài)FAD 的催化3-甲基二羥基苯甲醛C-3位羥基氧化的單氧化酶;tropC 編碼的是一個(gè)非亞鐵血紅素依賴(lài)的催化環(huán)氧化擴(kuò)增形成環(huán)庚三烯酚酮骨架的雙氧酶。這些確定了功能的基因可以作為微生物基因組發(fā)掘的工具，而且使得環(huán)庚三烯酚酮類(lèi)化合物的生物合成的研究有了實(shí)質(zhì)性的飛躍，并對(duì)其他真菌的天然產(chǎn)物生物合成的研究起到促進(jìn)的作用［56］。

4 總結(jié)與展望

環(huán)庚三烯酚酮化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)具有多樣性，并且大多具有抑菌、抗病毒、抗腫瘤、殺蟲(chóng)、抗炎及酶抑制劑等各種生物活性。目前，在識(shí)別新的天然環(huán)庚三烯酚酮類(lèi)化合物、化學(xué)合成和性質(zhì)、生物活性、生物合成和代謝等方面已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步［57］。但是，由于這類(lèi)化合物結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及多樣性，要把它們應(yīng)用于臨床診斷還需要更多的努力。因此，今后的研究應(yīng)注重通過(guò)各種篩選和結(jié)構(gòu)修飾等策略發(fā)現(xiàn)并合成更多新的環(huán)庚三烯酚酮類(lèi)衍生物，研究它們的生物合成途徑以發(fā)現(xiàn)新的衍生物，降低這類(lèi)化合物的毒性，將這類(lèi)化合物發(fā)展為新的臨床診斷藥物。

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