薛亞偉, 孫 麗, 韓 旭, 袁 夢, 王鳳舞, 申 麗

(1.揚州大學(xué)醫(yī)學(xué)院,江蘇揚州 225001; 2.江蘇省中西醫(yī)結(jié)合老年病防治重點實驗室,江蘇揚州 225001;3.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島 266109)

海洋——生命的起源之母,覆蓋了70%以上的地球表面和90%以上的生物圈。高鹽、高滲、低溫、低氧、低光照、寡營養(yǎng)的海洋極端環(huán)境,促使海洋生物必須調(diào)整自身的生存適應(yīng)機制來應(yīng)對環(huán)境壓力,從而形成獨特的代謝系統(tǒng)。因此,海洋生物次生代謝產(chǎn)物表現(xiàn)出陸地環(huán)境中未發(fā)現(xiàn)的新穎結(jié)構(gòu)和化學(xué)特征,這些獨特的次生代謝產(chǎn)物就是海洋生物作為新藥藥源的重要基礎(chǔ)[1-2]。相較于海洋動植物資源的有限性,海洋微生物種類繁多、數(shù)量龐大,隨著海洋微生物培養(yǎng)和提取新技術(shù)的發(fā)展,人們對海洋微生物天然產(chǎn)物的興趣與日俱增,促進了對海洋微生物來源農(nóng)用和醫(yī)用化合物的探索[3-4]。

目前,研究較多的海洋微生物主要有海洋無脊椎動物共附生微生物、海洋植物內(nèi)生微生物、深海沉積物和海水來源微生物[5]。前期研究中,董玉潔等從長島海域的牡蠣中分離得到多株共生真菌和細菌[6],本研究對其中的共生真菌——籃狀菌(Talaromycessp.)ML-3的化學(xué)成分進行研究。綜合運用各種層析方法對Talaromycessp.ML-3發(fā)酵液的化學(xué)成分進行分離純化,并采用全球天然產(chǎn)物(GNPS)分子網(wǎng)絡(luò)分析發(fā)酵液的化學(xué)成分,以期為后續(xù)研究中實現(xiàn)化合物的導(dǎo)向分離、挖掘發(fā)現(xiàn)新的和/或具有活性的化合物提供試驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

柱層析硅膠(200～300目),青島海洋化工廠分廠;Silica gel 60 F254鋁板(20 cm×20 cm),德國Merck公司;Sephadex LH-20,瑞典Pharmacia Biotech公司;Betasil C18色譜柱(4.6 mm×150 mm,5 μm)和Sinochrom ODS-AP色譜柱(4.6 mm×150 mm,5 μm),大連依利特分析儀器有限公司;Atlantis T3色譜柱(2.1 mm×100 mm,3 μm),美國安捷倫科技有限公司;DMSO-d6,美國Cambridge Isotope Laboratories;CDCl3,美國Aldrich公司;CD3OD,青島騰龍微波技術(shù)有限公司;色譜甲醇,瑞典歐森巴克環(huán)?；瘜W(xué)公司;色譜甲酸,美國ACS恩科化學(xué)公司;Ezup柱式真菌基因組DNA抽提試劑盒、PCRTaqMaster Mix 試劑盒和SanPrep柱式DNAJ膠回收試劑盒,生工生物工程(上海)股份有限公司;DreamTaqDNA Polymerase,美國Thermo Scientific公司;其他試劑為分析純。

1.2 主要儀器

DD2 400核磁共振波譜儀,美國安捷倫科技有限公司;JEOL 500核磁共振儀,日本電子株式會社;TripleTOF 4 600超高效液相色譜儀-四級桿串聯(lián)飛行時間質(zhì)譜,美國AB SCIEX有限公司;LC 3000N高效液相色譜儀,北京創(chuàng)新通恒色譜技術(shù)有限公司;Isolera one快速純化制備液相色譜,瑞典Biotage公司;SKY-200B恒溫振蕩搖床,上海蘇坤實業(yè)有限公司;SHP-250恒溫培養(yǎng)箱,上海精宏實驗設(shè)備有限公司;Applied Biosystems 2720 PCR儀,賽默飛世爾科技有限公司等。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗菌株 菌株ML-3是青島農(nóng)業(yè)大學(xué)王鳳舞博士于2010年9月從黃渤海交界(長島)海域采集的牡蠣中分離得到的1株共生真菌,菌株的分離和純化參照文獻[7]中的方法進行。牡蠣共生菌ML-3現(xiàn)保存于揚州大學(xué)醫(yī)學(xué)院。

1.3.2 菌株的鑒定 菌株接種至PD培養(yǎng)基中培養(yǎng)3～5 d,按照試劑盒說明書提取DNA。采用通用引物擴增菌株的內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)(ITS)rDNA序列,擴增產(chǎn)物送至生工生物工程(上海)股份有限公司測序,測得ITS序列上傳至GenBank中進行Blast比對分析,用MEGA 7軟件構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。

1.3.3 菌株發(fā)酵和發(fā)酵產(chǎn)物的分離純化 采用真菌1號培養(yǎng)基進行液體發(fā)酵,菌株接種至PDA培養(yǎng)基上28 ℃培養(yǎng)2～3 d,將新鮮菌體接種至裝有 200 mL PD培養(yǎng)基的500 mL錐形瓶中,搖床28 ℃、120 r/min 培養(yǎng)3 d;種子液以每瓶5～10 mL接種量接種至1 000 mL錐形瓶(400 mL培養(yǎng)基)中,室溫靜置培養(yǎng)28 d。發(fā)酵液經(jīng)等體積乙酸乙酯萃取3次、減壓去除溶劑得到粗浸膏44 g。該粗浸膏經(jīng)硅膠柱層析,CH2Cl2-CH3OH梯度洗脫(體積比為 100∶0→0∶100)得到15個組分(Fr.1～Fr.15)。組分Fr.5經(jīng)硅膠柱層析,CH2Cl2-CH3OH梯度洗脫(體積比為 100∶0→0∶100)得到Fr.5-2,經(jīng)Sephadex LH-20 凝膠柱層析(CHCl3∶CH3OH 體積比為 1∶1)得到Fr.5-2-1～Fr.5-2-3。其中,Fr.5-2-2經(jīng)硅膠柱層析,石油醚-丙酮梯度洗脫(體積比為 100∶0→0∶100)得到Fr.5-2-2-3,經(jīng)高效液相色譜(HPLC)[Betasil C18柱(4.6 mm×150 mm,5 μm),CH3OH∶H2O 體積比為 78∶22,1 mL/min]純化得到化合物4(0.6 mg,tR=27 min)。組分Fr.6經(jīng)硅膠柱層析,CH2Cl2-CH3OH梯度洗脫(體積比為 100∶0→0∶100)得到Fr.6-2,經(jīng)Sephadex LH-20凝膠柱層析(CHCl3∶CH3OH 體積比為 1∶1),得到Fr.6-2-1～Fr.6-2-4。Fr.6-2-2經(jīng)HPLC[Sinochrom ODS-AP 柱(4.6 mm×150 mm,5 μm),CH3OH∶H2O 體積比為 25∶75,1 mL/min]純化得到化合物2(0.5 mg,tR=28 min);Fr.6-2-3經(jīng)HPLC[Sinochrom ODS-AP 柱(4.6 mm×150 mm,5 μm),CH3OH∶H2O 體積比為 70∶30,1 mL/min]純化得到化合物1(2 mg,tR=25 min)。組分Fr.10經(jīng)硅膠柱層析,CH2Cl2-CH3OH梯度洗脫(體積比為 100∶0→0∶100)得到Fr.10-1～Fr.10-3,其中,Fr.10-2經(jīng)Sephadex LH-20凝膠柱層析(CHCl3∶CH3OH 體積比為 1∶1)得到Fr.10-2-2,經(jīng)HPLC[Betasil C18柱(4.6 mm×150 mm,5 μm),CH3OH∶H2O 體積比為 48∶52,1 mL/min]純化得到化合物3(1.5 mg,tR=45 min)。

1.3.4 液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜(LC-MS/MS)測定 (1)高效液相色譜條件:Atlantis T3色譜柱(2.1 mm×100 mm,3 μm);流動相A(0.1%甲酸水溶液),流動相B(甲醇),梯度洗脫(0～5 min,70%→40% A;5～15 min,40%→15% A;15～20 min,15%→1% A);0.3 mL/min;40 ℃;進樣量5 μL。(2)四級桿串聯(lián)飛行時間質(zhì)譜條件:全掃描模式;氣簾氣壓力 35 kV;霧化溫度550 ℃;霧化氣 379.2 kPa;噴霧電壓5 500 V;去簇電壓80 eV;碰撞電壓35 eV;一級母離子掃描范圍[質(zhì)荷比(m/z)]為100～2 000;二級子離子掃描范圍m/z50～2 000。

1.3.5 特征峰分子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 原始質(zhì)譜數(shù)據(jù)文件經(jīng)MSconvert軟件轉(zhuǎn)換成.mzXML格式文件,再經(jīng)MZmine 2軟件處理后以.csv和.mgf格式導(dǎo)出,并上傳至GNPS分子網(wǎng)絡(luò)平臺Feature Networking模塊構(gòu)建特征峰分子網(wǎng)絡(luò)(feature based molecular networking,FBMN)。具體參數(shù)設(shè)置:前體離子質(zhì)量誤差值0.02 u,碎片離子質(zhì)量誤差值0.02 u,特征峰分子網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點間碎片匹配峰≥4個,節(jié)點之間的相關(guān)余弦值≥0.6。生成的FBMN導(dǎo)入Cytoscape軟件進行可視化。

2 結(jié)果與分析

2.1 菌株鑒定

菌株ML-3的ITS rDNA序列經(jīng)PCR擴增后測序,測得的ITS序列上傳至GenBank中進行Blast比對分析(GenBank登錄號:ON005440),構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。由圖1可知,菌株ML-3被鑒定為Talaromycessp.。

2.2 化合物的結(jié)構(gòu)鑒定

由圖2可知,化合物1:黃色粉末;高分辨電噴霧質(zhì)譜(HR-ESI-MS)m/z271.060 5[M+H]+和m/z269.046 6[M-H]-,分子式為C15H10O5(C15H11O5計算值為 271.060 1);1H-NMR(CD3OD,400 MHz)δ:7.51(1H,s,H-5),7.02(1H,s,H-7),7.01(1H,d,J=2.4 Hz,H-4),6.19(1H,d,J=2.4 Hz,H-2),2.40(3H,s,H-11)。以上1H-NMR數(shù)據(jù)與文獻[8]中的報道一致,故化合物1被鑒定為大黃素(emodin)。

化合物2:棕色固體;HR-ESI-MSm/z162.093 9[M+H]+和m/z184.074 1[M+Na]+,分子式為C10H11NO(C10H12NO計算值為 162.091 3);1H-NMR(CDCl3,400 MHz)δ:8.03(1H,br s,1-NH),7.63(1H,d,J=8.0 Hz,H-4),7.38(1H,d,J=8.0 Hz,H-7),7.22(1H,t,J=7.6 Hz,H-6),7.13(1H,t,J=7.6 Hz,H-5),7.10(1H,s,H-2),3.92(2H,t,J=6.0 Hz,H-9),3.05(2H,t,J=6.0 Hz,H-8)。以上1H-NMR數(shù)據(jù)與文獻[9]中的報道一致,故化合物2被鑒定為3-indolethanol。

化合物3:橙黃色粉末;HR-ESI-MSm/z287.054 2[M+H]+和m/z309.035 6[M+Na]+,分子式為C15H10O6(C15H11O6計算值為287.055 0);1H-NMR(DMSO-d6,400 MHz)δ:12.37(1H,s,1-OH),12.20(1H,s,8-OH),7.64(1H,s,H-5),7.23(1H,s,H-7),7.01(1H,s,H-4),6.38(1H,s,H-2),5.54(1H,s,11-OH),4.60(2H,d,J=2.0 Hz,H-11)。以上1H-NMR數(shù)據(jù)與文獻[8]和[10]中的報道基本一致,故化合物3被鑒定為 ω-hydroxy-emodin。

化合物4:棕色固體;HR-ESI-MSm/z425.303 0[M+H]+和m/z447.285 8[M+Na]+,分子式為C28H40O3(C28H40NaO3計算值為447.287 0);1H-NMR(CDCl3,500 MHz)δ:6.36(1H,s,H-4),5.27(2H,m,H-22,H-23),2.81(1H,t,J=8.9 Hz,H-9),2.65(1H,d,J=16.7 Hz,H-7a),2.44～2.53(6H,m,H-2ab,H-7b,H-16ab,H-20),1.97～2.06(4H,m,H-1ab,H-11a,H-12a),1.83～1.92(2H,m,H-11b,H-24),1.68～1.78(3H,m,H-12b,H-15ab),1.43～1.51(2H,H-17,H-25),1.27(3H,s,H-19),1.09(3H,d,H-21),0.98(3H,s,H-18),0.91(3H,d,H-28),0.83(3H,d,H-27),0.81(3H,d,H-26)。以上1H-NMR 數(shù)據(jù)與文獻[11]中的報道基本一致,故化合物4被鑒定為(22E,24R)-8,14-epoxyergosta-4,22-diene-3,6-dione。

2.3 Talaromyces sp.ML-3發(fā)酵液粗浸膏的特征峰分子網(wǎng)絡(luò)分析

由圖3可知,Talaromycessp.ML-3發(fā)酵液粗浸膏和“種子”化合物1～化合物4共同構(gòu)建的特征峰分子網(wǎng)絡(luò)圖中已標出4個“種子”化合物。該特征峰分子網(wǎng)絡(luò)(FBMN)共有1 149個節(jié)點,并形成862個節(jié)點簇(節(jié)點數(shù) ≥ 3個的節(jié)點簇有24個)。其中,有7個節(jié)點簇節(jié)點分子的相對含量較高,最高的是2個單節(jié)點簇,為303.229 6和317.245 3。利用GNPS平臺的Library Search功能進行搜庫,結(jié)果表明,節(jié)點簇A存在脂肪酸類化合物,節(jié)點簇B存在二蒽醌類化合物,節(jié)點簇C存在單蒽核蒽醌類化合物,節(jié)點簇D存在環(huán)二肽類化合物,節(jié)點簇E存在香豆素類化合物。盡管化合物1和化合物3皆為單蒽核蒽醌類化合物,但2個化合物并未形成同一個節(jié)點簇,馬小翔等利用GNPS分子網(wǎng)絡(luò)分析土曲霉C23-3次生代謝產(chǎn)物時也出現(xiàn)類似現(xiàn)象[12]。此外,2個單節(jié)點簇303.229 6和317.245 3的二級質(zhì)譜皆只有一個信號,無法預(yù)測其結(jié)構(gòu)類型。

依據(jù)GNPS平臺的搜庫結(jié)果以及“種子”化合物,進一步仔細分析上述節(jié)點簇中節(jié)點分子的二級質(zhì)譜,對節(jié)點分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)進行鑒定。由圖4可知,節(jié)點簇A中,節(jié)點295.263 8([M+H-H2O]+)的二級質(zhì)譜與GNPS光譜庫數(shù)據(jù)一致,故將其鑒定為methyl 12-hydroxy-9-octadecenoate(化合物5),在此基礎(chǔ)上,推測節(jié)點281.247 7([M+H-H2O]+)和297.279 0([M+H-H2O]+)分別為12-hydroxyl-9-octadecenoic acid(化合物6)和methyl 12-hydroxyoctadecanoate(化合物7)。由圖5可知,節(jié)點簇B中,節(jié)點543.1 291([M+H]+)的二級質(zhì)譜與GNPS光譜庫數(shù)據(jù)一致,故將其鑒定為rugulosin A(化合物8);根據(jù)節(jié)點559.124 2([M+H]+)和575.119 1([M+H]+)與543.129 1(rugulosin A,化合物8)的關(guān)系,將其分別鑒定為rugulosin B(化合物9)和rugulosin C(化合物10)。

由圖6可知,節(jié)點315.050 3([M+H]+)和301.034 4([M+H]+)的二級質(zhì)譜與GNPS光譜庫數(shù)據(jù)一致,故將其分別鑒定為endocrocin(化合物11)和emodic acid(化合物12);根據(jù)297.0 397([M+H]+)和329.065 9([M+H]+)與315.050 3(endocrocin,化合物11)的關(guān)系,推測上述2個節(jié)點化合物分別為2,3-anthracenedicarboxylic acid(化合物13)和2-acetyl-1,3,8-trihydroxy-6-met hoxyanthracene-9,10-dione(化合物14); 依據(jù)節(jié)點301.034 4(emodic acid,化合物12),可推測317.029 2([M+H]+)和316.046 5([M+H]+)分別為2-(dihydroxymethyl)-1,6,8-trihy droxy-3-methylanthracene-9,10-dione(化合物15)和1,4,5-trihydroxy-8-[(3-hydroxyp ropyl)amino]anthracene-9,10-dione(化合物16);二級質(zhì)譜顯示,節(jié)點187.060 2[M+H]+(C8H10O5,tR=2.06 min)與節(jié)點173.044 5[M+H]+(C7H8O5,tR=1.51 min)的MS2碎片非常相似,節(jié)點187.060 2僅比節(jié)點 173.044 5 多1個信號(187.060 2[M+H]+),提示2個節(jié)點分子具有相同的骨架,但因沒有更多的信息,暫未鑒定出它們的具體結(jié)構(gòu)。此外,節(jié)點271.060 2與“種子”化合物1具有相同的二級質(zhì)譜,是同一個化合物。

由圖7可知,節(jié)點簇D中,節(jié)點211.144 3([M+H]+)的二級質(zhì)譜與GNPS光譜庫數(shù)據(jù)一致,故將其鑒定為cyclo(Pro-Leu)(化合物17),在此基礎(chǔ)上,推測節(jié)點197.128 4([M+H]+)、213.160 0([M+H]+)和245.128 4([M+H]+)分別為cyclo(Pro-Val)(化合物18)、cyclo(Val-Ile)(化合物19)和cyclo(Phe-Pro)(化合物20)。節(jié)點簇E中,節(jié)點235.096 6([M+H]+)的二級質(zhì)譜與GNPS光譜庫數(shù)據(jù)一致,故將其鑒定為 7-hydroxy-3-(2-hydroxypropyl)-5-methyl-1H-isochromen-1-one(化合物21),并進一步將節(jié)點219.101 7([M+H]+)鑒定為5-hydroxy-7-methyl-4-propyl-2H-chromen-2-one(化合物22)?；衔?至化合物22的結(jié)構(gòu)見圖8。

3 討論

海洋微生物是具有顯著生物活性和藥用前景先導(dǎo)化合物的潛在來源[13-14]。從地中海鏈霉菌(Streptomycesmediterranoi)中分離得到利福霉素類化合物,以利福霉素B為先導(dǎo)化合物,經(jīng)結(jié)構(gòu)修飾得到治療肺結(jié)核的利福平[15]。炭疽菌引起的蘋果炭疽葉枯病(Glomerellaleaf spot,GLS)是我國近年來新發(fā)現(xiàn)的一種危害嚴重的流行性病害和重點防治對象,珊瑚共生鏈霉菌(Streptomycessp.)DC4-5產(chǎn)生的新大環(huán)內(nèi)酯化合物iseolides A～iseolides C對炭疽菌(Glomerellacingulate)具有較明顯的抑制作用,最低抑菌濃度(MIC)為0.19～6.25 μg/mL;抑菌活性測定結(jié)果顯示,它們對人的致病菌如白色念珠菌(Candidaalbicans)和紅色毛癬菌(Trichophytonrubrum)具有類似的抑制作用[16]。海藻內(nèi)生真菌Acremoniumvitellinum產(chǎn)生的新天然產(chǎn)物——氯霉素衍生物(4S)-4-[(S)-hydroxy(4-nitrophenyl)methyl]-2-oxazolidinone對棉鈴蟲具有顯著的殺蟲活性,其LC50為(0.56±0.03)mg/mL,與陽性對照苦參堿[LC50為(0.24±0.01)mg/mL]相當(dāng)[17]。海洋微生物是極具研究開發(fā)價值的生物活性次生代謝物的有效生產(chǎn)者,是一個潛力巨大的微生物新資源庫[1]。

基于LC-MS/MS的GNPS分子網(wǎng)絡(luò)是一種可應(yīng)用于天然產(chǎn)物分析的可視化工具[18],其Library Search功能可快速、大規(guī)模地鑒定已知化合物和相似化合物,并挖掘新化合物;此外,GNPS分子網(wǎng)絡(luò)在分析菌株代謝產(chǎn)物多樣性方面具有強大的統(tǒng)計學(xué)優(yōu)勢,可用于指導(dǎo)菌株培養(yǎng)方法和提取工藝的優(yōu)化[19]。本研究采用GNPS分子網(wǎng)絡(luò)分析Talaromycessp.ML-3發(fā)酵液的化學(xué)成分,從其發(fā)酵液中共識別出22個化合物,具體為:11個蒽醌類化合物(3個二蒽醌和8個單蒽核蒽醌)、3個脂肪酸類化合物、4個環(huán)二肽、2個香豆素類化合物、1個吲哚生物堿和1個麥角甾醇,這些結(jié)構(gòu)類型的化合物不乏極具潛力的先導(dǎo)化合物。

大黃素等4種天然蒽醌化合物與新白葉藤堿衍生物Z-24復(fù)配得到的農(nóng)用殺菌劑能防治立枯絲核菌、禾谷鐮刀菌和稻瘟病病菌等引起的植物病害,表現(xiàn)出殺菌譜較廣、毒性較低、有效延緩植物病原菌耐藥性產(chǎn)生等優(yōu)勢[20]。二蒽醌通常由2個相同或不同的蒽醌單體通過1～4個C—C鍵連接在一起,與單體相比,二聚化賦予其良好的生理活性。從PenicilliumislandicumSopp.中分離得到的二蒽醌skyrin對小鼠白血病細胞L1210具有細胞毒活性[21];從PenicilliumradicumFKI-3765-2中分離得到的二蒽醌rugulosins A～rugulosins C均可抑制耐甲氧西林金黃色葡萄球菌[22]。研究顯示,Talaromycessp.YE3016中存在同時控制skyrin和rugulosin A生物合成的rug基因簇[23];Talaromyces屬真菌中,T.rugulosus[24]、T.brunneus[25]和T.wortmannii[26]是skyrin和rugulosin A的共同生產(chǎn)者。本研究發(fā)現(xiàn),Talaromycessp.ML-3發(fā)酵液中存在rugulosins A～rugulosins C(化合物8～化合物10),說明它也是二蒽醌的有效生產(chǎn)者。Talaromycessp.ML-3發(fā)酵產(chǎn)物化學(xué)成分十分豐富,但目前只識別出其中少量化合物,后續(xù)將進一步以已知化合物作為“種子”進行化學(xué)成分的識別,以期挖掘發(fā)現(xiàn)新的和/或具有活性的化合物。

4 結(jié)論

從牡蠣共生真菌Talaromycessp.ML-3發(fā)酵液粗浸膏中分離純化得到4個化合物:emodin(化合物1)、3-indolethanol(化合物2)、ω-hydroxy-emodin(化合物3)和(22E,24R)-8,14-epoxyergosta-4,22-diene-3,6-dione(化合物4)。LC-MS/MS分子網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果顯示,Talaromycessp.ML-3發(fā)酵液中含有豐富的化學(xué)成分,包括蒽醌類、脂肪酸類、環(huán)二肽類、香豆素類、吲哚生物堿和麥角甾醇類等物質(zhì)。本研究結(jié)果為后續(xù)化合物的導(dǎo)向分離和新活性化合物的挖掘提供了依據(jù)。