黃艷冰，何其歡，梁永源，甘永霞，潘麗霞，楊登峰**

(1.廣西科學(xué)院北部灣海洋研究中心，廣西海洋天然產(chǎn)物與組合生物合成化學(xué)重點實驗室，廣西南寧 530007；2.廣西科學(xué)院國家非糧生物質(zhì)能源工程技術(shù)研究中心，非糧生物質(zhì)酶解國家重點實驗室，廣西南寧 530007)

0 引言

真菌種類繁多、分布廣泛、次級代謝產(chǎn)物新穎多樣，是藥物研發(fā)的主要來源之一。目前已從真菌中發(fā)現(xiàn)大量結(jié)構(gòu)豐富、活性廣泛的次級代謝產(chǎn)物，其中很多已經(jīng)被成功開發(fā)為治療不同疾病的藥物，如抗細(xì)菌、抗真菌、降膽固醇藥物以及免疫抑制劑等。與其他海洋微生物相比，真菌來源的次級代謝產(chǎn)物不僅數(shù)量占到整個微生物次級代謝產(chǎn)物的一半左右，還具有產(chǎn)量大、結(jié)構(gòu)新穎、活性顯著、“創(chuàng)新指數(shù)”和“類藥性”高等優(yōu)勢，已經(jīng)成為目前微生物研究的新亮點[1]。

真菌代謝產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)類型包括生物堿、聚酮、內(nèi)脂、蒽醌類、萜類、肽類等。生物堿結(jié)構(gòu)多樣，多有復(fù)雜的含氮雜環(huán)結(jié)構(gòu)，絕大多數(shù)具有顯著的生物活性。生物堿類化合物中的吲哚生物堿是迄今發(fā)現(xiàn)最多的一類，不僅具有十分獨特和復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)，還表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗腫瘤、抗病毒、抗菌和抗炎等多種生理活性，因此引起眾多藥物化學(xué)家和有機(jī)化學(xué)家的研究興趣[2-5]。異戊烯基化的吲哚生物堿是一類同時含有芳香基團(tuán)和類異戊二烯基團(tuán)的天然產(chǎn)物，廣泛存在于真菌類的曲霉屬、麥角菌屬和青霉菌屬中，具有一定的藥理學(xué)活性，與未異戊烯基化的前體相比具有明顯高的生物活性。

生物堿二酮哌嗪類化合物(Diketopiperazines，DKPs)的基本結(jié)構(gòu)是由2個氨基酸縮合而成的環(huán)二肽(DKP)，因其骨架含有穩(wěn)定的六元環(huán)結(jié)構(gòu)，且有2個氫鍵給體和2個氫鍵受體，使得DKPs具有較強(qiáng)的生物活性和藥理活性，在藥物化學(xué)中成為一個重要的藥效團(tuán)。它不但可以作為活性先導(dǎo)化合物，還在尋找蛋白作用受點、藥物靶點等方面扮演重要角色，因此在醫(yī)藥、食品及天然產(chǎn)物開發(fā)研究等眾多領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。近年來，人們從動植物及海洋微生物，尤其是海綿共棲細(xì)菌中提取分離到的二酮哌嗪類化合物種數(shù)逐年增加，由此掀起二酮哌嗪類化合物的研究熱潮。DKPs如cyclo-(L-Pro-L-Tyr)和cyclo-(ΔAla-L-Val)首先從陸源微生物，諸如銅綠假單胞菌Pseudomonasaeruginosa、紫茉莉假單胞菌Pseudomonasmirabilis、弗氏檸檬酸桿菌Citrobacterfreundii以及聚團(tuán)腸桿菌Enterobacteragglomerans等革蘭氏陰性細(xì)菌的培養(yǎng)上清液中提取到。此后，人們陸續(xù)從海洋微生物代謝產(chǎn)物中分離到具有活性的DKPs[6-7]。

含[2.2.2]-環(huán)二氮辛烷環(huán)結(jié)構(gòu)單元的二酮哌嗪類化合物作為一類生物活性很強(qiáng)的化合物，其結(jié)構(gòu)和活性具有穩(wěn)定性、新穎性和獨特性等特點，因此在生物合成、生物進(jìn)化和醫(yī)藥方面具有重要研究價值。本文從結(jié)構(gòu)及生物活性的角度綜述自1968年以來，從曲霉屬、青霉屬和畸枝霉屬中分離到的近50個含有[2.2.2]-環(huán)二氮辛烷環(huán)結(jié)構(gòu)的異戊烯基吲哚生物堿。所包含的化合物家族包括malbrancheamides類、brevianamides類、chrysogenamides類、marcfortines類、paraherquamides類、asperparalines類、stephacidins類和notoamides類[8-11]。

1 異戊烯基吲哚生物堿

1.1 Malbrancheamides類異戊烯基吲哚生物堿

自2006年Martínez-luis等[12]首次從畸枝霉屬Malbranchea中發(fā)現(xiàn)malbrancheamide和malbrancheamide B以來，到目前為止僅有7個天然來源malbrancheamides類化合物被發(fā)現(xiàn)[13-14]。Malbrancheamide和malbrancheamide B是從墨西哥洞穴蝙蝠鳥糞中的真菌MalbrancheaaurantiacaRRC1813中分離得到的。在分離出malbrancheamide和malbrancheamide B后不久，Ding等[15]和Miller等[16]報道了malbrancheamide C的非鹵化前體，后來被命名為premalbrancheamide。根據(jù)Watts等[17]的研究，(-)-spiromalbramide和(+)-isomalbrancheamide B來源于真菌Malbrancheagraminicola，隨后該菌株在富含溴鹽的生長培養(yǎng)基培養(yǎng)，得到兩個溴化類似物(+)-malbrancheamide C和(+)-isomalbrancheamide C (圖1)。

圖1 Malbrancheamides類化合物(1—7)的結(jié)構(gòu)

Fig.1 Structures of malbrancheamides (1—7)

1.2 Brevianamides類異戊烯基吲哚生物堿

1969-1972年，研究者從Penicilliumsp.中分離得到6個結(jié)構(gòu)新穎的化合物[18-21]，其中4個化合物brevianamides A-D含有獨特的[2.2.2]-環(huán)二氮辛烷環(huán)結(jié)構(gòu)。Brevianamide A主要來源于青霉菌P.brevicompactum和P.viridicatum。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)brevianamide A和brevianamide B是一對非對映異構(gòu)體，而brevianamide C和brevianamide D是在光照條件下合成的產(chǎn)物。在結(jié)構(gòu)上，brevianamides類化合物的雙環(huán)結(jié)構(gòu)、螺-吲哚部分以及未經(jīng)取代的吲哚環(huán)部分表現(xiàn)出反式構(gòu)型。此外，brevianamide A和brevianamide D有非常顯著的生物活性，對草地夜蛾(Spodopterafrugiperda)與煙芽夜蛾(Heliothisvirescens)等鱗翅目昆蟲的幼蟲具有顯著的抗蟲活性(圖2)。

圖2 Brevianamides類化合物(8—11)的結(jié)構(gòu)

1.3 Chrysogenamides類異戊烯基吲哚生物堿

研究人員從沙漠植物肉蓯蓉的根部篩選出3株對人神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞(SH-SY5Y細(xì)胞)有神經(jīng)保護(hù)作用的活性菌株[22-24]，其中一株真菌菌株產(chǎn)黃青霉005號表現(xiàn)出明顯的活性。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)從產(chǎn)黃青霉005號中分離出的新型次級代謝產(chǎn)物chrysogenamide A[25](圖3)對神經(jīng)系統(tǒng)有保護(hù)作用。從結(jié)構(gòu)上看，這種新穎的次級代謝產(chǎn)物與馬爾福丁密切相關(guān)，chrysogenamide A含有一個獨特的[2.2.2]-環(huán)二氮辛烷環(huán)結(jié)構(gòu)、一個螺-羥吲哚部分和一個具有C-17甲基化的哌啶酸單元。此外，chrysogenamide A在C-7吲哚位置上有異戊二烯單元所形成的橋環(huán)結(jié)構(gòu)，顯示出罕見的反式構(gòu)型，與更常見的二噁英環(huán)和吡喃環(huán)相反。Chrysogenamide A是chrysogenamides類異戊烯基吲哚生物堿中第一個也是唯一的代謝產(chǎn)物，對神經(jīng)細(xì)胞有保護(hù)作用，能防止氧化應(yīng)激引起的神經(jīng)細(xì)胞死亡。

圖3 Chrysogenamides類化合物(12)

1.4 Marcfortines類異戊烯基吲哚生物堿

1980年，Lin等[25]、Polonsky等[26]和Prange等[27]從青霉屬Penicilliumroqueforti中分離得到3個新的生物堿marcfortines A—C (圖4)，青霉菌Penicilliumroqueforti后來被命名為P.paneum，是一種用于生產(chǎn)多種藍(lán)色奶酪的霉菌。從結(jié)構(gòu)上看，這3個化合物均含有一個反式構(gòu)型的[2.2.2]-環(huán)二氮辛烷環(huán)結(jié)構(gòu)和一個單酮哌嗪環(huán)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)上類似于chrysogenamides類化合物中的chrysogenamide A。此外，marcfortines A—C在C-6和C-7位置的吲哚環(huán)上均有取代基團(tuán)，marcfortines A和B都含有一個二噁英環(huán)，而macfortine C含有一個半吡喃環(huán)。

圖4 Marcfortines類化合物(13—15)的結(jié)構(gòu)

1.5 Paraherquamides類異戊烯基吲哚生物堿

Paraherquamides類化合物是含有[2.2.2]-環(huán)二氮辛烷環(huán)結(jié)構(gòu)的最大類群之一，首次從真菌Penicilliumparaherquei中分離獲得。Paraherquamide A是該類化合物中第一個被發(fā)現(xiàn)的，由Yamazaki等[28]分離所得，在隨后的十幾年間，先后報道了結(jié)構(gòu)新穎的化合物paraherquamides B-I和化合物VM55595、VM55596、VM55597、VM55599、SB200437、SB203105[29-32]。在結(jié)構(gòu)上，Paraherquamides類化合物雖然都含有[2.2.2]-環(huán)二氮辛烷環(huán)結(jié)構(gòu)，但是這類化合物呈現(xiàn)出骨架多樣性，例如paraherquamides不僅在脯氨酸環(huán)上而且在螺-羥吲哚部位上都有不同的取代和氧合，其中一些化合物還含有一個不尋常的二噁英環(huán)。在這類化合物家族中，只有VM55599和pre-paraherquamide這兩個化合物不含螺-氧吲哚官能團(tuán)或含氧吲哚環(huán)體系。這類化合物由于其強(qiáng)大的驅(qū)蟲活性而引起人們的極大興趣。隨后的研究表明，paraherquamide A對抗廣譜驅(qū)蟲藥的寄生蟲株有效。然而，paraherquamide A被認(rèn)為毒性太大，為減少毒性而又保持效力，科研人員合成幾種paraherquamides類化合物的衍生物，并對其進(jìn)行驅(qū)蟲活性測定。其中，paraherquamide A的衍生物2-deoxyparaherquamide A，后來被命名為derquantel，在扭紋猴、鉤球菌和雄性牡蠣模型中顯示出顯著的生物活性，同時又保持安全的毒性水平(圖5)。

圖5 Paraherquamides類化合物 (16—30)的結(jié)構(gòu)

Fig.5 Structures of paraherquamides (16—30)

1.6 Asperparalines類異戊烯基吲哚生物堿

1997年，Hayashi等[33]首次從真菌A.japonicusJV-23中分離得到含特殊橋環(huán)結(jié)構(gòu)的吲哚生物堿類化合物asperparaline A，而在隨后的研究中揭示產(chǎn)asperparalines類化合物的真菌為A.aculeatinus和A.fijiensis。2000年，Hayashi等[34]從相同的真菌中再次發(fā)現(xiàn)兩個新化合物asperparalines B和C。其中asperparalines A和B含有一個獨特的β-甲基脯氨酸環(huán)，而asperparaline C是C-3-去甲基類似物。Asperparalines類化合物還包含一個獨特的3-螺環(huán)-丁二酰亞胺環(huán)體系，取向與對位甲酰胺中存在的螺-羥吲哚環(huán)系統(tǒng)的相對構(gòu)型一致。Asperparaline家族所有化合物都表現(xiàn)出某種形式的生物活性，asperparaline A在1 h內(nèi)以10 μg/g飼料劑量對蠶有麻痹作用，經(jīng)口給藥后持續(xù)7-10 h，asperparalines B和C對蠶也顯現(xiàn)出相同的作用[35-37](圖6)。

圖6 Paraherquamides類化合物(31—34)的結(jié)構(gòu)

Fig.6 Structures of paraherquamides (31—34)

1.7 Stephacidins類異戊烯基吲哚生物堿

1999年，從陸地來源真菌AspergillusochraceusWC76466分離得到異戊烯基吲哚生物堿類化合物stephacidin A[38]和stephacidin B[39]，從海洋來源真菌Aspergillussp.CNC358和A.ochraceusCL41582中先后分離得到化合物avrainvillamide。這類化合物在結(jié)構(gòu)上類似于paraherquamides類化合物，含有一個[2.2.2]-環(huán)二氮辛烷環(huán)、一個螺旋-氧化吲哚環(huán)、一個吡喃基以及一個未取代的脯氨酸環(huán)。但是，與paraherquamides類化合物不同的是，stephacidins類化合物保留了未還原的二氧哌嗪單元，并且還含有獨特的C-10羥基。在生物活性方面，這些次生代謝產(chǎn)物具有殺蟲、抗菌和細(xì)胞毒性的特性。Stephacidins A和B均顯示出對人類多種腫瘤細(xì)胞系的細(xì)胞毒性，而stephacidin B表現(xiàn)出更有效和選擇性的抗增殖活性，特別是對于睪丸激素依賴性LNCaP細(xì)胞[40-41](圖7)。

圖7 Stephacidins類化合物 (35—37)的結(jié)構(gòu)

Fig.7 Structures of stephacidins (35—37)

1.8 Notoamides類異戊烯基吲哚生物堿

2007年，Kato等[42]首次從一株海洋來源曲霉屬真菌Aspergillussp.MF297-2中發(fā)現(xiàn)4個具有細(xì)胞毒活性的新吲哚二酮哌嗪化合物notoamides A—D，菌株來源于日本石川縣Note半島海域采集到的貽貝Mytilusedulis樣品。Notoamides A—D結(jié)構(gòu)中含有吡喃吲哚環(huán)體系，其中 notoamide A和notoamide B的結(jié)構(gòu)中有特殊的[2.2.2]-環(huán)二氮辛烷環(huán)結(jié)構(gòu)。從該菌株中也同時分離得到已知化合物notoamides E—R，部分化合物的結(jié)構(gòu)中也有[2.2.2]-環(huán)二氮辛烷環(huán)結(jié)構(gòu)。Notoamide O具有新穎的半縮醛/半縮醛胺酯結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生代表著此類含異戊烯結(jié)構(gòu)的吲哚生物堿在其生源途徑中出現(xiàn)一個重要的氧化模式分歧點。在生物活性上，notoamides類化合物具有比較顯著的生物活性，而結(jié)構(gòu)上相關(guān)的norgeamides類異戊烯基吲哚生物堿都被證明能抑制多種癌癥細(xì)胞系的生長，并且有不同的效果。初步生物學(xué)實驗表明，notoamide A對幾種癌細(xì)胞系的細(xì)胞毒性最大[43-48](圖8)。

圖8 Notoamides類化合物(38-47)的結(jié)構(gòu)

Fig.8 Structures of notoamides (38—47)

2 展望

雖然從自然界分離到的含[2.2.2]-環(huán)二氮辛烷環(huán)結(jié)構(gòu)的新穎二酮哌嗪類化合物種數(shù)在增加，但是目前的研究都還處于初級階段，對其吸收、代謝機(jī)制、活性機(jī)制等方面還缺乏全面的認(rèn)識，且還存在以下問題亟待解決：1)DKPs分子的生物合成路徑；2)DKPs的吸收及代謝機(jī)制；3)隨著研究的深入，許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)二酮哌嗪類化合物可作為群體感應(yīng)的誘導(dǎo)信號分子，并參與群體感應(yīng)系統(tǒng)的調(diào)控，但對其作用機(jī)理還不明確。針對這些問題，今后應(yīng)加強(qiáng)針對DKPs生物合成途徑、吸收和代謝機(jī)制及群體感應(yīng)調(diào)控機(jī)制等方面的工作。而隨著科技的進(jìn)步和研究的不斷深入，真菌中產(chǎn)量豐富、結(jié)構(gòu)獨特、活性廣泛的異戊烯基吲哚生物堿類化合物必將在藥物先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)中貢獻(xiàn)更多的力量。