昆蟲共生菌的藥用活性物質(zhì)研究進(jìn)展

浙江師范大學(xué)生化學(xué)院 李帥 張應(yīng)烙

昆蟲共生菌的藥用活性物質(zhì)研究進(jìn)展

一、前言

微生物憑借其物種和功能的多樣性以及其產(chǎn)生代謝產(chǎn)物的新穎性等諸多優(yōu)勢(shì)，已成為藥物先導(dǎo)化合物的重要來源。自1929年弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素以來，在過去的幾十年里，人們已經(jīng)陸續(xù)從微生物代謝產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)大約有50000種天然產(chǎn)物，其中20000多種具有生物活性，17000多種具有抗腫瘤抗感染活性，100多種已成功開發(fā)成臨床常用的抗生素、抗癌及抗病毒藥物。然而，長(zhǎng)期以來人們研究對(duì)象重復(fù)的集中于陸生土壤環(huán)境微生物，從中發(fā)現(xiàn)的代謝產(chǎn)物多是已知化合物，從微生物中研制新藥的難度越來越大。擴(kuò)大微生物的來源是解決上述問題的有效途徑之一。

共生菌是一類長(zhǎng)期與宿主共同生活的特殊環(huán)境微生物。昆蟲與微生物保持多樣的共生關(guān)系，這種共生關(guān)系可能對(duì)宿主昆蟲具有重要的生存意義，如半翅目蚜蟲共生菌Buchnera sp.，紅兵臭蟲共生菌Coriobacterium sp.為宿主提供昆蟲不能合成的維生素B族化合物；白蟻腸道菌Bacteroides和Citrobacter為宿主昆蟲清理腸道內(nèi)的含氮有機(jī)廢物；某些兼性共生菌可以產(chǎn)生活性小分子代謝產(chǎn)物幫助宿主昆蟲抵御致病菌和外來天敵入侵等。研究者將共生菌產(chǎn)生的活性小分子應(yīng)用于藥學(xué)研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，某些小分子具有明顯的抗菌、抗癌和免疫抑制活性，提示昆蟲共生菌作為新藥物來源的可能性。作為新天然產(chǎn)物的來源之一，昆蟲共生菌正受到越來越多藥物化學(xué)家的關(guān)注。

二、共生菌代謝產(chǎn)物

與昆蟲種類研究相比，目前昆蟲共生菌的代謝產(chǎn)物研究較少，根據(jù)已有文獻(xiàn)報(bào)道化合物的結(jié)構(gòu)類型，這些活性代謝產(chǎn)物可以劃分為醌酮類、生物堿類、肽類、萜類、酯類等。

1.醌酮類化合物

Zhang等從一株大刀螳螂腸道共生菌Daldinia eschscholzii中分離得到兩個(gè)新萘醌類化合物dalesconolA、dalesconolB，體外實(shí)驗(yàn)證明兩個(gè)化合物能有效抑制伴刀豆球蛋白A引起的小鼠脾細(xì)胞增殖（IC50：0.16-0.58μg/mL），與對(duì)照藥物環(huán)孢菌素A抑制效果相當(dāng)，有望開發(fā)為新型免疫抑制劑。日本學(xué)者Azumi從昆蟲致病菌Metarhizium anisopliae中分離得到具有選擇性抑制線粒體F1F0ATP酶活性的aurovertin衍生物。Asai等通過在麥角菌Cordyceps indigotica中添加組氨酸脫羧酶抑制劑和DNA甲基轉(zhuǎn)移酶抑制劑，分別得到兩個(gè)聚酮類衍生物indigotideA，B和tenuipyrone，有關(guān)新化合物的生物活性正在開展研究。Poulsen等從美國(guó)威斯康星州捕捉到的33只黃蜂體表篩選得到近百株共生放線菌，對(duì)其中15株進(jìn)行研究，分離得到包括daunomycin在內(nèi)的11個(gè)聚酮類化合物，化合物對(duì)供試黃蜂及黃蜂巢致病細(xì)菌、真菌有一定的抑制作用，提示上述化合物在黃蜂抵御外來致病菌威脅時(shí)可能發(fā)揮了一定的“抵御”作用。Guo從一株蝗蟲腸道放線菌Amycolatopsis sp.HCa1中分離得到新聚酮化合物angucyclin one及其衍生物，體外實(shí)驗(yàn)證明化合物具有微弱的細(xì)胞毒活性。

2.生物堿類化合物

Isak等從一株蜘蛛致病菌Torrubiella sp.中分離得到4個(gè)吡啶酮類生物堿torrubiellones A-D，體外實(shí)驗(yàn)證明torrubiellones A具有較好的抗瘧活性（IC50=8.1μM）和微弱的細(xì)胞毒活性；從鱗翅目幼蟲致病菌Isaria tenuipes中分離得到一系列雙環(huán)半縮醛生物堿isariotins E-M，化合物均具有較好的抗瘧活性和細(xì)胞毒活性；從白蟻蟲生菌C.brunnearubra BCC 1395中分離得到具有抗瘧活性的生物堿cordyformamide。

Asai通過在培養(yǎng)基中添加組氨酸脫羧酶抑制劑SBHA，從一株昆蟲致病菌Torrubiella luteorostrata中分離得到三個(gè)生物堿類化合物luteoridesA-C；從一種脈翅目幼蟲共生菌C.nipponica BCC 1389分離得到三個(gè)生物堿類化合物cordypyridones A-D，其中cordypyridones A和B具有很強(qiáng)的抗瘧活性，IC50分別為0.066，0.037μg/mL。Oh等對(duì)采自韓國(guó)首爾附近的蜣螂及其幼蟲蛹共生放線菌代謝產(chǎn)物進(jìn)行了系統(tǒng)研究，從蜣螂共生放線菌Streptomyces sp.中分離得coprismycins A-C和新鹵代茚酮tripartin，體外活性試驗(yàn)表明coprismycins A對(duì)MPP+引起的成神經(jīng)細(xì)胞瘤具有顯著的神經(jīng)保護(hù)作用，tripartin對(duì)Hela細(xì)胞組蛋白酶有一定抑制作用。Nirma等從一株白蟻共生菌Pseudallescheria boydii SNB-CN73中分離得到tyroscherin類化合物，化合物對(duì)人類致病真菌白色念珠菌、紅色毛癬菌具有較好的抑制作用，MIC值為2-4μg/mL；對(duì)食品微生物大腸桿菌、金黃色葡萄球菌具有中等抑制作用，MIC值為8-32μg/mL。

3.多肽類化合物

Umeyama等從一株節(jié)肢昆蟲致病菌C.cardinalis NBRC103 -832中分離得到兩個(gè)多肽化合物cardinalisamidesA和B，化合物具有明顯的殺蟲活性，其抑制錐體蟲Trypanosomabrucei生長(zhǎng)的IC50值分別為8.56和8.65 μg/mL。Lang等從一種線蟲致病菌Xenorhabdusnematophilus中分離得到兩個(gè)線性多肽類化合物xenortidesA，B和環(huán)肽xenematide，其中化合物xenortidesA具有中等抑菌活性和較弱的殺蟲活性，對(duì)致病細(xì)菌Bacillussubtiis,Pseudomonasfluorescens,P.syringae,Erwiniaamylovora和Ralstoniasolanacearum的最低抑菌濃度MIC值為10μg/mL。Haritakun等從一株昆蟲致病菌Ophiocordycepscommunis BCC16475中分離得到一個(gè)新環(huán)肽cordycommunin，該化合物能強(qiáng)烈抑制結(jié)核分歧桿菌Mycobacteriumtuberculosis H37Ra的生長(zhǎng)（MIC=15μM），同時(shí)對(duì)KB，MCF-7和NCI-H187癌細(xì)胞具有中等殺死作用，IC50值分別為45μM，88μM。Blodgett等從美國(guó)南方松樹甲蟲體表篩選得到的一株共生放線菌Streptomyces sp.SPB78中分離得到兩個(gè)新環(huán)肽化合物frontalamidesA，B及其同系物，抑菌試驗(yàn)表明兩化合物對(duì)甲蟲有害真菌Ophiostomaminus生長(zhǎng)有顯著的抑制作用。Oh研究組從蜣螂幼蟲蛹中篩選得到一株放線菌Streptomycessp.并分離得到一個(gè)新環(huán)肽化合物tripartilactam，化合物有望開發(fā)為新型Na+/K+ATP酶抑制劑，其IC50為16.6μg/mL；Schoenian等首次采用MALDI和LC-ESI-HR-MS技術(shù)對(duì)切葉蟻體表多種共生放線菌代謝產(chǎn)物的分布進(jìn)行了微量分析，同時(shí)活性試驗(yàn)表明上述多肽類化合物對(duì)切葉蟻致病真菌和蟻巢真菌Leucoagaricusgongylophorus均具有較強(qiáng)的抑制作用。

4.萜類化合物

Kikuchi等從昆蟲共生菌Paecilomycestenuipes中分離得到三個(gè)倍半萜類化合物paecilomycinesA-C，化合物paecilomycinesA有望開發(fā)為治療神經(jīng)衰退疾病的藥物。Isaka等從Hypocrellasp. BCC14524中分離得到7個(gè)羊毛甾烷型三萜化合物和3個(gè)阿帕烷型三萜化合物，活性實(shí)驗(yàn)表明部分化合物具有較好的抗瘧疾，抗菌和NCI-H187細(xì)胞毒活性。Asai等通過在培養(yǎng)基中添加組氨酸脫羧酶抑制劑和DNA甲基轉(zhuǎn)移酶抑制劑，從一株昆蟲致病菌Gibellulaformosana中分離得到兩個(gè)麥角固醇類化合物。倍半萜類化合物xylaric acidsA-C是Yan等從白蟻巢生菌Xylariasp.中分離得到的具有細(xì)胞毒活性的新化合物。

5.內(nèi)酯類化合物

Zhang等從一株棉蝗腸道菌Pestalotiopsissp.HC02中分離得到兩個(gè)具有除草活性的新內(nèi)酯類化合物pestalotinesA和B，化合物抑制稗草生長(zhǎng)的IC50值分別為1.85×10-4和2.50× 10-4M。Azumi從蟲生菌Metarhiziumanisopliae中分離得到新化合物aurovertinsD-H。Putri等從昆蟲致病菌Paecilomyces farinosus中分離得到抗真菌活性化合物farinomalein。Haeder等從巴拿馬切葉蟻Acromyrmexoctospinosus共生放線菌Streptomycessp.Ao10中分離到內(nèi)酯類化合物candicidinD，該化合物對(duì)切葉蟻一系列有害真菌具有較強(qiáng)的抑制作用。

6.其它類化合物

Asai等從C.annullata中分離得到3個(gè)苯并呋喃類化合物annullatinsA-D，化合物annullatinsA能競(jìng)爭(zhēng)性抑制大麻受體CB1，CB2活性；化合物annullatinsD則能激活大麻受體CB2，而對(duì)CB1沒有作用。Scott等在南方松樹甲蟲Dendroctonusfrontalis體表發(fā)現(xiàn)的另外一株共生放線菌S. thermosacchari中分離得到一種叫做mycangimycin的抗生素，該化合物可以選擇性抑制甲蟲有害致病真菌O.minus的生長(zhǎng)，而對(duì)甲蟲有益菌Entomocorticium sp.沒有影響。Guo等從一株蝗蟲共生放線菌Amycolatopsis sp.HCa1中分離得到3個(gè)新寡糖類化合物actinotetraoses I-K。

三、結(jié)語

與化學(xué)合成藥物相比，微生物藥物具有微生物來源豐富；次級(jí)代謝產(chǎn)物結(jié)構(gòu)新穎，活性獨(dú)特；生長(zhǎng)周期短、代謝易于控制，可工業(yè)化生產(chǎn)且無環(huán)境壓力；可有目的進(jìn)行生物合成改造等諸多優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景。作為一類有待開發(fā)的新微生物資源，昆蟲共生菌將在微生物新藥研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中發(fā)揮越來越重要的作用。

然而，目前昆蟲共生菌的研究又有自身的局限性，面臨著諸多問題和挑戰(zhàn)：人們對(duì)某些共生現(xiàn)象中昆蟲和共生體的相互關(guān)系還不能給出確切的生態(tài)學(xué)解釋，已有的研究也僅僅是建立在體外實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，并沒有對(duì)真實(shí)的共生體系進(jìn)行實(shí)際評(píng)估；此外，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，許多昆蟲致病菌（偏害共生）是植物致病菌和環(huán)境微生物，這些共生菌是否長(zhǎng)期存在于昆蟲體表或體內(nèi)并不可知；限于當(dāng)前研究手段和研究水平，相對(duì)更為豐富的不可培養(yǎng)共生菌還沒有得到廣泛培養(yǎng)和代謝物開發(fā)利用，對(duì)合成生物學(xué)設(shè)計(jì)的不可培養(yǎng)微生物代謝途徑也不能保證發(fā)揮預(yù)期功能。但是，隨著許多新技術(shù)和新方法逐漸應(yīng)用于微生物藥物的研究，我們相信不久的將來昆蟲共生菌及其活性代謝產(chǎn)物的研究將會(huì)取得更大進(jìn)步。

（略）