真菌來源含[2.2.2]-環二氮辛烷環系統的異戊烯基吲哚生物堿*

黃艷冰，何其歡，梁永源，甘永霞，潘麗霞，楊登峰**

(1.廣西科學院北部灣海洋研究中心，廣西海洋天然產物與組合生物合成化學重點實驗室，廣西南寧 530007；2.廣西科學院國家非糧生物質能源工程技術研究中心，非糧生物質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、次級代謝產物新穎多樣，是藥物研發的主要來源之一。目前已從真菌中發現大量結構豐富、活性廣泛的次級代謝產物，其中很多已經被成功開發為治療不同疾病的藥物，如抗細菌、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物不僅數量占到整個微生物次級代謝產物的一半左右，還具有產量大、結構新穎、活性顯著、“創新指數”和“類藥性”高等優勢，已經成為目前微生物研究的新亮點[1]。

真菌代謝產物的結構類型包括生物堿、聚酮、內脂、蒽醌類、萜類、肽類等。生物堿結構多樣，多有復雜的含氮雜環結構，絕大多數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現最多的一類，不僅具有十分獨特和復雜的化學結構，還表現出較強的抗腫瘤、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家和有機化學家的研究興趣[2-5]。異戊烯基化的吲哚生物堿是一類同時含有芳香基團和類異戊二烯基團的天然產物，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)的基本結構是由2個氨基酸縮合而成的環二肽(DKP)，因其骨架含有穩定的六元環結構，且有2個氫鍵給體和2個氫鍵受體，使得DKPs具有較強的生物活性和藥理活性，在藥物化學中成為一個重要的藥效團。它不但可以作為活性先導化合物，還在尋找蛋白作用受點、藥物靶點等方面扮演重要角色，因此在醫藥、食品及天然產物開發研究等眾多領域中具有廣闊的應用前景。近年來，人們從動植物及海洋微生物，尤其是海綿共棲細菌中提取分離到的二酮哌嗪類化合物種數逐年增加，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以及聚團腸桿菌Enterobacteragglomerans等革蘭氏陰性細菌的培養上清液中提取到。此后，人們陸續從海洋微生物代謝產物中分離到具有活性的DKPs[6-7]。

含[2.2.2]-環二氮辛烷環結構單元的二酮哌嗪類化合物作為一類生物活性很強的化合物，其結構和活性具有穩定性、新穎性和獨特性等特點，因此在生物合成、生物進化和醫藥方面具有重要研究價值。本文從結構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]-環二氮辛烷環結構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中發現malbrancheamide和malbrancheamide B以來，到目前為止僅有7個天然來源malbrancheamides類化合物被發現[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基培養，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)的結構

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個結構新穎的化合物[18-21]，其中4個化合物brevianamides A-D含有獨特的[2.2.2]-環二氮辛烷環結構。Brevianamide A主要來源于青霉菌P.brevicompactum和P.viridicatum。進一步研究發現brevianamide A和brevianamide B是一對非對映異構體，而brevianamide C和brevianamide D是在光照條件下合成的產物。在結構上，brevianamides類化合物的雙環結構、螺-吲哚部分以及未經取代的吲哚環部分表現出反式構型。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)的結構

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株對人神經母細胞瘤細胞(SH-SY5Y細胞)有神經保護作用的活性菌株[22-24]，其中一株真菌菌株產黃青霉005號表現出明顯的活性。經研究發現從產黃青霉005號中分離出的新型次級代謝產物chrysogenamide A[25](圖3)對神經系統有保護作用。從結構上看，這種新穎的次級代謝產物與馬爾福丁密切相關，chrysogenamide A含有一個獨特的[2.2.2]-環二氮辛烷環結構、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結構，顯示出罕見的反式構型，與更常見的二噁英環和吡喃環相反。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物，對神經細胞有保護作用，能防止氧化應激引起的神經細胞死亡。

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，是一種用于生產多種藍色奶酪的霉菌。從結構上看，這3個化合物均含有一個反式構型的[2.2.2]-環二氮辛烷環結構和一個單酮哌嗪環結構，結構上類似于chrysogenamides類化合物中的chrysogenamide A。此外，marcfortines A—C在C-6和C-7位置的吲哚環上均有取代基團，marcfortines A和B都含有一個二噁英環，而macfortine C含有一個半吡喃環。

圖4 Marcfortines類化合物(13—15)的結構

1.5 Paraherquamides類異戊烯基吲哚生物堿

Paraherquamides類化合物是含有[2.2.2]-環二氮辛烷環結構的最大類群之一，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現的，由Yamazaki等[28]分離所得，在隨后的十幾年間，先后報道了結構新穎的化合物paraherquamides B-I和化合物VM55595、VM55596、VM55597、VM55599、SB200437、SB203105[29-32]。在結構上，Paraherquamides類化合物雖然都含有[2.2.2]-環二氮辛烷環結構，但是這類化合物呈現出骨架多樣性，例如paraherquamides不僅在脯氨酸環上而且在螺-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。在這類化合物家族中，只有VM55599和pre-paraherquamide這兩個化合物不含螺-氧吲哚官能團或含氧吲哚環體系。這類化合物由于其強大的驅蟲活性而引起人們的極大興趣。隨后的研究表明，paraherquamide A對抗廣譜驅蟲藥的寄生蟲株有效。然而，paraherquamide A被認為毒性太大，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，并對其進行驅蟲活性測定。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)的結構

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結構的吲哚生物堿類化合物asperparaline A，而在隨后的研究中揭示產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現兩個新化合物asperparalines B和C。其中asperparalines A和B含有一個獨特的β-甲基脯氨酸環，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-丁二酰亞胺環體系，取向與對位甲酰胺中存在的螺-羥吲哚環系統的相對構型一致。Asperparaline家族所有化合物都表現出某種形式的生物活性，asperparaline A在1 h內以10 μg/g飼料劑量對蠶有麻痹作用，經口給藥后持續7-10 h，asperparalines B和C對蠶也顯現出相同的作用[35-37](圖6)。

圖6 Paraherquamides類化合物(31—34)的結構

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。這類化合物在結構上類似于paraherquamides類化合物，含有一個[2.2.2]-環二氮辛烷環、一個螺旋-氧化吲哚環、一個吡喃基以及一個未取代的脯氨酸環。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，這些次生代謝產物具有殺蟲、抗菌和細胞毒性的特性。Stephacidins A和B均顯示出對人類多種腫瘤細胞系的細胞毒性，而stephacidin B表現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細胞[40-41](圖7)。

圖7 Stephacidins類化合物 (35—37)的結構

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中發現4個具有細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結構中含有吡喃吲哚環體系，其中 notoamide A和notoamide B的結構中有特殊的[2.2.2]-環二氮辛烷環結構。從該菌株中也同時分離得到已知化合物notoamides E—R，部分化合物的結構中也有[2.2.2]-環二氮辛烷環結構。Notoamide O具有新穎的半縮醛/半縮醛胺酯結構，這類結構的產生代表著此類含異戊烯結構的吲哚生物堿在其生源途徑中出現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，而結構上相關的norgeamides類異戊烯基吲哚生物堿都被證明能抑制多種癌癥細胞系的生長，并且有不同的效果。初步生物學實驗表明，notoamide A對幾種癌細胞系的細胞毒性最大[43-48](圖8)。

圖8 Notoamides類化合物(38-47)的結構

Fig.8 Structures of notoamides (38—47)

2 展望

雖然從自然界分離到的含[2.2.2]-環二氮辛烷環結構的新穎二酮哌嗪類化合物種數在增加，但是目前的研究都還處于初級階段，對其吸收、代謝機制、活性機制等方面還缺乏全面的認識，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的吸收及代謝機制；3)隨著研究的深入，許多學者發現二酮哌嗪類化合物可作為群體感應的誘導信號分子，并參與群體感應系統的調控，但對其作用機理還不明確。針對這些問題，今后應加強針對DKPs生物合成途徑、吸收和代謝機制及群體感應調控機制等方面的工作。而隨著科技的進步和研究的不斷深入，真菌中產量豐富、結構獨特、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化合物的發現中貢獻更多的力量。