近十年海洋來源木霉屬真菌次生代謝產物研究進展*

楊曦亮，任夢瑤，劉 倩，汪 超，王 強

(1.武漢科技大學醫學院藥學系，湖北武漢 430081；2.武漢科技大學，感染免疫與腫瘤微環境研究所，職業危害識別與控制湖北省重點實驗室，湖北武漢 430081)

0 引言

近年來，海洋來源的真菌逐漸成為天然產物研究的熱點。與陸生真菌相比，海洋真菌長期處于高鹽、高壓、低溫、缺乏營養的無光環境下，獨特的生長條件使海洋來源真菌能夠產生比陸生真菌更多的次生代謝產物[1,2]。海洋來源真菌大多是從紅樹林、海洋無脊椎動物中分離得到，這些真菌的次生代謝產物具有細胞毒、殺蟲和酶抑制等生物活性[3-5]。

木霉屬Trichodermasp.真菌是一種在世界范圍內廣泛存在的絲狀真菌，常從近海土壤、腐爛的木材和其他植物有機物質中分離得到[6-8]。近年來木霉因其特有的生物活性而受到廣泛關注，其中次生代謝產物的多樣性是其應用潛力的主要來源。各項國內外藥理活性實驗證明，木霉屬真菌的次生代謝產物具有抗植物病原菌、殺蟲、細胞毒、抗菌、抗氧化等多種生物活性[9-11]。本文對2012-2021年海洋來源的木霉屬真菌次生代謝產物的化學成分及其生物活性進行綜述，并對木霉屬真菌的應用前景進行展望。

1 木霉屬真菌次生代謝產物化學結構與生物活性

木霉屬真菌次生代謝產物的種類主要包括聚酮類、肽類、萜類及其他類型化合物。

1.1 聚酮類

聚酮(Polyketides)是由真核生物及原核生物產生的一類次級代謝產物，其來源廣泛、種類繁多[12]。Khamthong等[13]從來源于海扇的黃綠木霉TrichodermaaureoviridePSU-F95中分離得到2個新的聚酮trichodermaquinone和trichodermaxanthone(1,2)，其中化合物1對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(Methicillin-resistantStaphylococcusaureus,MRSA)表現出微弱的抗菌活性，最低抑菌濃度(Minimum Inhibitory Concentration,MIC)值為200 μmol/L，結果表明，化合物結構與抗菌活性之間有著密切聯系，蒽醌骨架中的C-3甲基和C-6羥基對于抗MRSA的抗菌活性是必需的。Chen等[14]對中國閔河河口的沉積物中三百多株真菌進行篩選，得到對A-375細胞系具有顯著活性的桔綠木霉Trichodermacitrinoviride，并從中分離提取得到3個新的聚酮化合物trichoderiol C、citrinoviric acid和penicillenol D (3-5)，其中化合物4和5對A-375細胞系表現出中等程度的細胞毒性作用，半抑制濃度(50% Inhibitory Concentration,IC50)值分別為85.7和32.6 μmol/L，該研究也是首次發現Trichodermacitrinoviride的細胞毒作用。Yamazaki等[15]對日本青森縣的海水樣本中的Trichodermasp.TPU1237進行分離，得到2個新的聚酮化合物trichoketides A和B (6,7)，化合物6和7是C-8位(二氫呋喃環α位)的差向異構體，它們都對蛋白酪氨酸磷酸酶1B (PTP1B)表現出一定的抑制活性，IC50值分別為53.1和65.1 μmol/L。研究表明，PTP1B是胰島素和瘦素信號級聯的主要負性調節因子，它將成為治療Ⅱ型糖尿病和肥胖藥物的有效靶點。盡管化合物6和7對PTP1B的抑制活性并不顯著，但由于它們具有新穎的結構，有開發成新藥物的潛力。Zhao等[16]從來源于中國海南島的紅樹林植物根莖內部組織的木霉屬真菌TrichodermaharzianumD13中分離得到1個新的聚酮類物質nafuredin C (8)，化合物8對稻瘟病菌具有明顯的抗真菌活性，MIC值為8.63 μmol/L，該研究補充了海洋來源的木霉屬真菌在農業方面的應用研究成果，為新型抗真菌農藥的發現奠定了基礎。聚酮類化合物1-8的結構如圖1所示。

圖1 聚酮類化合物1-8

1.2 肽類

從木霉屬真菌次生代謝產物分離出的肽類化合物主要包括哌珀霉素類和二嗪哌酮類。Zhao等[16]從來源于中國海南島的紅樹林植物根莖內部組織的木霉屬真菌TrichodermaharzianumD13中分離得到1個新的雜環二肽trichodermamide G (9)，它具有新穎的硫橋環體系，而且對稻瘟病菌和蘋果樹腐爛病菌都表現出一定的抗菌活性，MIC值分別為17.4和16.7 μmol/L。Chen等[17]在尋找新型抗癌藥物過程中，發現了一株對HL-60細胞系具有顯著細胞毒活性的木霉Trichodermaasperellum，通過光譜方法、X射線衍射分析和化學衍生化方法確定了新化合物結構，得到2個新的肽類化合物 asperelines G和H (10,11)，并首次發現了乙酰化C端和晶體結構。化合物10和11對癌細胞系的細胞都有細胞毒活性，但活性都比較微弱。Panizel等[18]從來源于以色列東地中海海岸海綿的木霉屬Trichodermaatroviride中分離得到8個新的多肽(12-19)，這些新化合物對以色列地中海沿岸分離的環境細菌都具有中等程度的抗菌活性,MIC值為12.5-200 μmol/L。肽類9-19的結構如圖2所示。

圖2 肽類化合物9-19

1.3 萜類

萜類物質由多種揮發性和非揮發性次生代謝產物組成，是地球上最豐富的天然產物之一。海洋來源的木霉屬真菌次生代謝產物中萜類占比最大，具有抗病毒、抗菌、抗癌等藥理活性[19,20]。近年來研究發現絲狀真菌(包括木霉屬真菌)能夠產生大量的萜類物質。

Shi等[21]從中國南海西沙群島珊瑚組織中的木霉屬真菌T.harzianumXS-20090075中分離得到3個新的萜類化合物：cleistanthane diterpenoid,harzianolic acid A[20],harziane diterpenoid,harzianone E[21]和cyclonerane sesquiterpenoid,3,7,11-trihydroxy-cycloneran[22]。這是首次從木霉屬中獲得刺五加二萜和非洲倍半萜，也是第一個氯化的刺五加二萜。在該研究中，使用組蛋白去乙酰化酶(HDAC)抑制劑導致其次級代謝物發生顯著變化，并獲得新的化合物[21]，表明化學基因操作可能是從木霉中發現新次生代謝產物的有效方法。活性實驗表明，化合物21對狹小發光桿菌有微弱的抑菌作用[21]。Zhang等[22]從來源于紅樹林植物木果楝屬的內生真菌Trichodermasp.Xy24的發酵物中分離得到2個新的二萜類化合物harzianelactone和(9R,10R)-2H-harzianone (23，24)。化合物23含有獨特的四環骨架，具有融合的四、五、六和七元碳環。化合物24對HeLa和MCF-7細胞系顯示出細胞毒活性，IC50值分別為30.1 μmol/L和30.7 μmol/L。上述化合物新穎的結構骨架使木霉屬真菌次生代謝產物的結構多樣性增加。

Miao等[23]從一株來源于海藻內生真菌長枝木霉Trichodermalongibrachiatum次生代謝產物中分離得到1個新的萜類化合物Harzianone (25)。化合物25的抗細菌、抗真菌和鹵蟲毒性評估實驗表明，在30 μg/disk的濃度下，它對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有抑制作用，抑制直徑分別為8.3和7.0 mm。在鹵蟲毒性試驗中，化合物25在濃度為100 μg/mL時對受試鹵蟲有82.6%的致死率，半致死濃度(50% Lethal Concentration,LC50)值為23.1 μmol/L。Qin等[24]從中國雷州半島紅樹林中得到一株木霉屬真菌，并從中分離得到1種新的倍半萜衍生物Ethyl hydroheptelidate (26)，其對尖孢鐮刀菌和炭疽病菌這2種植物病原真菌具有與陽性對照三唑酮相同程度的抗菌活性，MIC值分別為100和50 μmol/L，對禽致病性大腸桿菌也有著中等程度的抗菌活性，說明化合物26在農業防治方面有較好的應用前景，有成為新型農藥的可能性。Cui等[25]從中國南海西沙群島的一株海綿內生木霉屬真菌Trichodermasp.SM 16中分離得到3個新的卡丁烷倍半萜化合物：trichodermaloids A、B和C (27-29)，結果沒有表現出明顯的抗菌活性，但化合物27，28對3種癌細胞系NCIH-460、NCIC-H929和SW620均顯示出細胞毒性，IC50值為6.8-12.7 μmol/L。Yamazaki等[26，27]在一株來源于帕勞海域的紅藻中分離得到木霉屬真菌Trichodermacf.brevicompactum，并對其進行發酵分離提取后得到2個新的倍半萜化合物trichobreols D和E (30，31)，隨后又在含NaCl條件下培養得到3個新的倍半萜化合物(32-34)。侵襲性真菌感染是癌癥、HIV、糖尿病的常見并發癥，由白色念珠菌、煙曲霉、新生隱球菌和米根霉組成的機會性真菌病原體每年可造成100多萬人死亡。化合物30對白色念珠菌和新生隱球菌這2種酵母樣真菌有抑菌活性，MIC值為6.3 μmol/L；化合物31對這2種酵母樣真菌的MIC值分別為12.5和25 μmol/L，有望成為新型抗感染藥物的潛力。

Liu等[28]從中國威海紅藻組織中的木霉屬真菌TrichodermacitrinovirideA-WH-20-3中分離得到2個新的環己烷倍半萜化合物 (10E)-isocyclonerotriol和 (10Z)-isocyclonerotriol (35，36)，這是首次發現環異構化旋風烷，活性實驗結果表明，環異構化的結構對生物活性存在影響。Shi等[29]從海洋紅藻表皮的內生真菌木霉TrichodermavirensY13-3分離得到8個新型胡蘿卜烷型倍半萜類化合物trichocarotins A-H(37-44)、1個新的杜松烷型倍半萜烯化合物(45)，其中化合物37-44的發現豐富了胡蘿卜烷型倍半萜類的結構多樣性。Song等[30]從中國大連的海藻內生真菌TrichodermavirensRR-dl-6-8中分離得到1種新的倍半萜化合物Methylhydroheptelidate (46)。化合物31，36，37，42對海洋浮游植物(如海斑藻、赤潮異藻、威尼斯卡氏藻等有害藻類)都具有抑制作用，且對浮游動物的毒性較低，這一特性體現了木霉屬真菌次生代謝產物在生物防治方面的應用前景，有望成為防治赤潮的有效手段。

Xie等[31]從中國三亞海洋地區的長棘海星內生真菌木霉T.erinaceum011F1-1中分離得到1個新的二萜內酯化合物Trichodermaerin (47)；Guo等[32]從中國三亞地區海星內部結構里的木霉屬真菌TrichodermaerinaceumF1-1中分離得到4種新的萜類化合物harziandione A、cyclonerodiols A、cyclonerodiols B和trichodermaerin A (48-51)。萜類20-51的結構如圖3所示。

圖3 萜類化合物20-51

1.4 其他類型化合物

除上述聚酮、肽類、萜類等化合物外，木霉屬真菌次生代謝產物中還有一些其他結構類型新穎的化合物。

Rehman等[33]從中國南海的一株海洋海綿內生真菌T.reeseiHN-2016-018中分離得到6種新的山梨醇類化合物：trichoreeseione A、trichoreeseione B、trichodermolide B、13-hydroxy-trichodermolide、24-hydroxy-trichodimerol和15-hydroxy-bisvertinol (52-57)。其中化合物52,53中含萘三酮環，這是首次在山梨醇類化合物中發現該結構特征，化合物54,55含有獨特的雙環內酯骨架。山梨醇類家族具有廣泛的藥理作用，包括細胞毒活性、抗菌活性。該研究發現的新化合物56對A549、MCF-7和HCT116細胞系有細胞毒活性，IC50值分別為5.1，9.5和13.7 μmol/L。Lan等[34]從中國南海珊瑚礁保護區的1個棘冠海星內部組織中分離得到一株內生木霉屬真菌Trichodermasp.(collection No.AF007)，并從中提取得到2個新山梨醇化合物 (4′Z)-sorbicillin和 (2S)-2,3-dihydro-7-hydroxy-6-methyl-2-[(E)-prop-1-enyl]-chroman-4-one (58,59)，其中化合物58是第一個在山梨基側鏈中具有C-4′/C-5雙鍵Z構型的實例，這說明可能仍有大量新的天然山梨醇青霉素有待進一步發現與探索。化合物59是一種不常見的環狀山梨酰鏈的單分子山梨醇類化合物，對MCF-7癌細胞系有細胞毒活性，IC50值為7.82 μmol/L。Liang等[35]從渤海沉積物里的木霉屬真菌TrichodermaharzianumR5中分離提取得到1種新的sordarin衍生物trichosordarin A (60)，它具有獨特的去甲二萜苷元結構，該化合物對海洋浮游動物鹵蟲具有毒性，LC50值為233 μmol/L。

Wu等[36]從格陵蘭海的木霉屬真菌Trichodermasp.Strain MF106的固體發酵粗提物中分離得到2個新的吡啶酮類化合物trichodin A 和trichodin B(61,62)。活性測試表明,這2種新化合物對4種人類致病性菌株 (革蘭氏陽性枯草芽孢桿菌、表皮葡萄球菌、金黃色葡萄球菌和白色念珠菌)均具有中等程度的抗菌活性，其中化合物61對這4種致病菌IC50值分別為(27.05±0.53)，(24.28±3.90) μmol/L，IC50值>80和(25.38±0.41) μmol/L，化合物62對這4種致病菌IC50值分別為(5.28±0.42)，(4.25±0.81)，(4.40±0.14)和(26.25±0.14) μmol/L。Tang等[37]從中國福建地區紅樹林沉積物中木霉屬真菌TrichodermaatrovirideH548中分離得到3種新的環戊烯酮丙烯酸衍生物:trichodermacid A、trichodermester A和trichodermester B (63-65)，化合物64具有較強的抗鼠疫菌活性，MIC值為125 μg/disc。Guo等[32]從中國三亞地區海星內部組織中分離出一株木霉屬真菌TrichodermaerinaceumF1-1，并從中得到6種新的芳香族化合物(66-71)，化合物67對人乳腺癌高轉移細胞(MDA-MB-435)表現出微弱的細胞毒活性，IC50值為31.9 μmol/L。Shi等[38]從中國大連海洋紅藻內生真菌TrichodermabrevicompactumADL-92中分離得到8個新的三氯丙烯衍生物(72-79)和2個新的酮烯衍生物(80，81)，化合物79是第一個含氨基糖基的毛癬菌烯，化合物72-74，77，78均表現出顯著的抗真菌活性。通過分析它們的結構與對應活性高低，結果表明,C-16和C-4上的糖基化使抗真菌活性降低，說明環氧化物在抗真菌性能中發揮著重要作用。

Liu等[28]從中國威海的紅藻組織分離出的木霉屬真菌中分離得到1個新的異香豆素衍生物trichophenol A(82)。在結構上，trichophenol A是第一個發現的木霉3-苯基異香豆素衍生物；在活性上，它對浮游植物 (海斑藻、赤潮異彎藻、威尼斯卡氏藻和東海原甲藻)具有抑制作用，IC50值分別為4.4，9.1，20.0和5.9 μmol/L。Zou等[39]從中國威海紅藻組織的木霉屬真菌TrichodermalongibrachiatumA-WH-20-2中分離得到1種新的哈茲內酯化合物harzianol A (83)，該實驗測試了它對4種浮游植物的抑制作用，結果表明,該化合物對受試對象均有較強的抑制活性，IC50值為0.53-2.70 μmol/L。

Lu等[40]從中國南海地區紅樹林的深綠木霉TrichodermaatrovirideG20-12中提取得到化合物40-(4,5-dimethyl-1,3-dioxolan-2-yl) methyl-phenol、(30-hydroxybutan-20-yl) 5-oxopyrrolidine-2-carboxylate和atroviridetide (84-86)。Rehman等[41]從中國南海的海綿內生真菌T.reeseiHN-2016-018中分離得到1種新的三苯基糖苷gliocladinin D (87)。其他類型化合物52-87的結構如圖4所示。綜上所述，海洋來源的木霉屬真菌多從海綿、海藻中分離得到，詳見表1。

圖4 其他化合物52-87

表1 海洋來源木霉屬真菌的次生代謝產物及其生物活性(2012-2021)

2 展望

海洋來源木霉屬真菌因其具有顯著的藥理活性和藥用價值，近年來受到越來越多的關注，有成為產生具有生物活性的次生代謝產物的潛力海洋真菌來源。近十年來，木霉屬真菌次生代謝產物主要是從海綿、紅樹林、海藻、珊瑚、海星、海洋沉積物中分離出來，其中海綿和紅樹林是海洋來源木霉屬真菌的重要宿主。從木霉屬真菌次生代謝產物中共分離出新化合物87個，包括萜類(36.7%)、肽類(12.3%)、聚酮(9.2%)。這些新化合物具有抗菌、抗病毒、細胞毒等多種生物活性，在抗微生物活性方面受到人們青睞，尤其是抗農業致病菌的應用(如稻瘟病菌、尖孢鐮刀菌和炭疽病菌等)。此外，木霉屬真菌次生代謝產物對有害海洋浮游植物有顯著的抑制作用，說明木霉屬真菌在生物防治方面有光明前景。

木霉屬真菌的開發還存在一些尚需完善的問題：(1)木霉屬海洋樣本的來源較窄，需要擴大篩選，提高獲得木霉屬真菌的概率；(2)次生代謝產物的新穎成分仍有待進一步研究；(3)木霉屬是生防菌中研究最多的植物病原拮抗真菌，醫藥領域的應用相對較少，并且次生代謝產物的活性研究不夠深入。

綜上所述，今后對木霉屬真菌次生代謝產物的研究可從以下方面展開：(1)化合物的獲得：通過改變培養方法、代謝組學分析方法、基因組激活沉默的基因簇和先導化合物結構修飾，以期獲得更多化學結構新穎且具有特異活性的化合物，并對重要次生代謝產物生物合成相關的基因進行確認，以闡明生物合成途徑；(2)計算機輔助藥物篩選：對木霉屬真菌次生代謝產物的構效關系進行計算機虛擬藥物篩選，確定具體作用靶點；(3)藥理篩選和新藥研發：對木霉屬真菌次生代謝產物的藥理機制進行深入研究，抗菌和細胞毒活性是未來研究的重要領域。