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研究粘细菌来源的抗HIV活性次级代谢产物的进展

2020-06-08 492 上传者：管理员

摘要：艾滋病成为了人类健康上的巨大威胁，对公众健康安全提出了巨大的挑战。很多时候，艾滋病患者因合并感染导致病情进一步恶化。当前使用的抗病毒药物因药效问题及易产生抗药性等问题，导致抗病毒效果有限。因此，急需开发具有广谱活性、药效不断提高、作用机制新颖的抗病毒药物。粘细菌能产生大量结构和功能独特的生物活性化合物，其生物活性包括抗肿瘤、抗病毒、抗真菌、抗细菌等。本文对粘细菌来源的抗HIV活性次级代谢产物进行回顾。

关键词：
HIV
抗病毒
次级代谢产物
粘细菌
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按照《伯杰氏细菌鉴定手册》，在系统分类上粘细菌属变形杆菌门分支粘粒目[1]，为革兰氏阴性杆菌。粘细菌具有复杂的多细胞行为，被视为“高等细菌”[2，3]，在细胞分化、发育和生物进化研究中占有重要地位。粘细菌具有滑动能力，在固体表面能观察到单独运动和群落运动两种运动模式[3，4]。其生长发育过程一般分为2个阶段-营养细胞生长期和细胞发育期。当外界营养环境不利时，营养细胞停止生长，大量细胞堆积形成聚集体，启动多细胞结构的分化过程，多数组织发生程序化自溶[5]，而存活下来的细胞一部分分化成特殊结构如子实体的柄，一部分分化成抗逆休眠体即粘孢子，在固体表面上逐步发育为肉眼可见、具种特异性、不同形状及颜色的子实体[6]，子实体大小一般为（0.6～1.2）μm×（3～15）μm。粘孢子的形成标志着子实体的成熟，同时也象征着粘细菌完成发育过程[7]。粘孢子具有较强的抗性，耐热，抗干燥、辐射和去污剂，在土壤中可存活数十年以上，条件适宜时，粘孢子可以重新发芽，因此可作为分离和保存粘细菌的理想材料。

目前已发现的粘细菌共有3个亚目，23个属，50多个种[8]。粘细菌可分为溶纤维亚群和溶菌亚群2个生理亚群，溶纤维亚群分解蛋白质、脂类、纤维素等多种大分子物质作为营养来源，溶菌亚群以各种死的或活的细菌、藻类、真菌作为营养来源。粘细菌染色体的大小约为9×106bp，基因组约为9454～10010kb，其大小介于原核生物和真核生物之间。粘细菌是一类严格好氧的化能异养型原核微生物，最适生长温度在30℃左右，广泛分布于土壤、朽木、食草哺乳动物的粪便以及腐烂的地衣和昆虫等[9]。粘细菌能够产生丰富的生物活性物质，具有活性多样、结构新、种类多、作用机理新颖等特点[10-18]，被公认为继放线菌之后的第二类药源微生物[19-21]，因此，粘细菌作为重要的药源微生物具有潜在的开发及应用前景[22，23]。

1、粘细菌产生的抗HIV活性化合物

HIV是一种感染人类免疫系统细胞的慢病毒，属逆转录病毒的一种，主要攻击人体的CD4细胞。病毒直径约120纳米，大致呈球形。病毒外膜是类脂包膜，来自宿主细胞，嵌有病毒的糖蛋白gp41与gp120。gp41是跨膜蛋白，gp120则位于包膜表面，与gp41通过非共价键结合。病毒核衣壳内含有病毒的基因组（两条相同的正链RNA）、酶（逆转录酶、整合酶等）以及其他来自宿主细胞的成分。病毒侵入宿主细胞后，将一条单链RNA的基因组反转录，前病毒整合到宿主DNA中，因其抗原多样性和多种免疫逃逸机制[24]，人类免疫系统难以识别，一旦感染上HIV，终身难以清除。现今人类已开发出多种分析检测方法，用以筛选具有抗HIV活性的化合物[25-27]，现已成功从粘细菌中筛选到了多种结构各异、具抗HIV活性的次级代谢产物。

1.1大环类化合物

能够产生大环类次生代谢产物的粘细菌主要集中在纤维堆囊菌属和粘球菌属。目前已报道的粘细菌产生的次生代谢产物中，大环类结构约30多种。大环类化合物结构新颖，功能多样，主要包括两类，大环内酯类和大环内酰胺类化合物。

1.1.1大环内酯类化合物

SulfangolidC是大环内酯硫酸盐化合物，是德国Zander教授研究团队从几株纤维堆囊菌中分离得到的[28]，这是首次报道从粘细菌中分离得到硫酸酯类，粘细菌中能产生多种这类结构的次级代谢产物。高通量两步传染性试验显示[27]：SulfangolidC具很强的抗HIV活性，EC50值在纳摩尔级别、选择性指数（SI）值则大于15。他们同时还分离得到结构相关的大环内酯类化合物Kulkenon。kulkenon的抗HIV活性也很高，但选择性指数却很低，因为该化合物具有较强的细胞毒作用。

SoraphenF和EpothilonD都是大环聚酮类化合物。SoraphenF含18元大环聚酮和苯基侧环，EpothilonD为16元大环内酯类聚酮化合物。它们的抗HIV活性令人惊奇，EC50值为纳摩尔级别、选择性指数（SI）值大于15[27]。令人惊奇的是，纤维堆囊菌能产生以基本结构为骨架的化合物家族，如埃博霉素家族有30多种化合物[29]，索拉芬家族有50多种化合物[13，30]。对这两个化合物家族进行大规模筛选或结构改造，也许可以找到具更好SI值的候选化合物。

索拉芬类是乙酰辅酶A羧化酶抑制剂[31]。埃博霉素的作用机制如同紫杉醇，抑制巨噬细胞微管的解聚，但与紫杉醇不同的是，埃博霉素没有类似紫杉醇的内毒素活性[32，33]。Ixabepilone（商品名伊沙匹隆）是经美国FDA批准的抗肿瘤药物，是全球第一个埃博霉素类抗肿瘤药物。其实，伊沙匹隆就是埃博霉素B的衍生物，是一种半合成的埃博霉素内酰胺类似物。埃博霉素家族多个成员具有较好的抗肿瘤活性，如ZK-EPO、patupilone、BMS-310705等已进入临床研究[34，35]。埃博霉素类与紫杉醇药物相比，两者结构不一样，但作用机制类似。

Rhizopodin是Sasse等在粘球菌中发现的大环内酯类化合物，其活性多样，具较好的抗癌作用，对真菌只有轻微的抑制作用[36]。但高通量两步传染性试验显示，其抗HIV活性较好，其作用机制也令人颇感兴趣。HIV病毒在细胞间的传播是HIV病毒在体内幼稚细胞中感染的主要途径，肌动蛋白丝对病毒体突触形成是必须的。研究表明，Rhizopodin可与细胞骨架的成分肌动蛋白分子相结合，从而抑制细胞骨架的生长，一个Rhizopodin分子可以同时捕获2个肌动蛋白分子，形成三元复合体，从而抑制了2个肌动蛋白分子的聚合，因此可以抑制突触形成[37]。

Disorazole是较早从纤维堆囊菌发酵液中分离得到的一类带氧氮杂环的大环聚酮类化合物，主要的次级代谢产物有两种：DisorazoleA1和DisorazoleC1，其中DisorazoleC1很少见。这两个化合物对人类肿瘤细胞都有很强的细胞毒性[38]，但只具有中等强度的抗HIV活性[27]。Disorazole的作用机制和微管素一样，为抗分裂试剂，通过抑制微管蛋白的解聚促进细胞凋亡。

1.1.2大环内酰胺类

“Aetherobacter”是新发现的粘细菌一个属，AetheramideA和AetheramideB就是从这个属的粘细菌中得到的两个大环内酰胺类化合物，均显示出较好的HIV-1感染抑制作用[39]，IC50值分别是0.015μm和0.018μm。该两个化合物还同时具中等强度的抗真菌活性和细胞毒性[40]。这两个化合物的化学结构很罕见，包括聚酮化合物的一部分和两个氨基酸残基，是一类新的抗病毒化合物结构。这一类化合物的抗病毒作用机制还不清楚，不过，这些新近确认的粘细菌种属及从中发现的抗病毒化合物，代表了粘细菌生物合成能力的强大，以及从粘细菌次级代谢产物中找到抗病毒化合物的巨大潜力。

1.2吡喃酮类化合物

RatjadonA是从纤维堆囊菌中分离到的α-吡喃酮类化合物，分子中含两个共轭双键。最早该化合物是作为抗真菌试剂筛选到的[41]，后来发现该化合物具较好的抑制HIV感染的作用，其作用机制为阻断Rev／CRM1复合物介导的核输出途径[42]。CRM1-Rev复合物是抗病毒药物开发的热点靶蛋白。HIV病毒Rev蛋白中有富含亮氨酸的核输出信号，宿主细胞的CRM1／Exportin1蛋白可识别该信号，从而介导未剪接或部分剪接的HIV-1mRNA的核输出，化合物RatjadonA可阻断该途径。但是，尽管化合物抗病毒活性很强，但它的选择性指数很低，细胞毒性很强，这点限制了该化合物开发成为抗病毒药物的潜力，不过可以对它的衍生物进行更多的研究，也许能找到抗病毒活性强、选择性指数高的结构。

1.3螺酮缩醇类化合物

SpirangienB为螺酮缩醇类化合物，来自于纤维堆囊菌，研究证明该化合物具有较好的抗HIV活性[43]，EC50值同样在纳摩尔级别、选择性指数（SI）值也大于15。研究发现，能产生埃博霉素类的粘细菌有五分之四以上同时产生spirangien类化合物。该化合物作用机制较为独特，可以减缓kBα抑制剂的磷酸化和降解。

1.4肽及环肽类化合物

Thiangazole、phenalamideA1是较早前分别从多囊菌属和叶柄粘球菌属Mxs40中分离得到的环肽类化合物[44]，具有抗病毒活性。MT-4细胞试验显示二者都具有很强的抑制HIV-1介导的细胞死亡活性。PhenalamideA1的EC50值在纳摩尔级别；Thiangazole抗HIV活性更强，其EC50值为令人惊奇的皮摩尔级别，该先导化合物具备成为抗HIV药物的潜力。

2、讨论

自十九世纪人类发现粘细菌至今，已经历了约200年的研究历史。研究表明，粘细菌是一类高效生产活性天然产物的菌属，是继放线菌之后的第二大类药源菌，以纤维堆囊菌尤为突出。研究报道溶细菌亚群2000多株粘细菌中，55％左右可产生生物活性物质；溶纤维亚群700多株粘细菌中，95％以上可产生生物活性物质[3，10，45]。幸运的是，溶菌亚群虽然可以溶藻和溶细菌，但到目前为止，尚未报道发现粘细菌对动物、植物及人类的致病菌。GBF研究结果表明，从粘细菌中新发现的天然产物46％来自于纤维堆囊菌培养基或其细胞中。但由于粘细菌的分离纯化耗时费力，周期较长，特别是纤维堆囊菌的纯化更为困难，因此，粘细菌活性次级代谢产物的发掘受到限制，目前尚未能把粘细菌活性产物广泛地开发应用。

粘细菌是天然活性产物的巨大宝库，所产生的活性化合物种类多、结构新、作用机制新颖多样，因此，粘细菌作为重要的药源菌具有潜在的开发应用价值，很有希望从粘细菌中找到抗HIV的化合物。最重要的是能够找到多种不同的方法用来筛选抗病毒化合物以期找到抗HIV活性较好的结构，以这些结构为基础进行计算机辅助设计新化合物[25]；也需要研究出一种标准化的方法，能够用来充分比较初步命中活性化合物的抗HIV活性。活性化合物抗HIV作用机制的研究也很重要，有些活性化合物同时还具有抗细菌或真菌、肿瘤活性，还需要将抗病毒机制与抗真菌活性等进行比较。还有一个研究方向值得重视，也许应该研究已鉴定的抗艾滋病毒药物之间的协同作用，以便能在化合物较低浓度时提高选择性指数。有些活性代谢物由于毒性太大而不能作为候选药物进一步开发，也可以作为工具药物来更好地了解HIV的入侵机制，或合成作用机制相似却不引起细胞毒性的结构类似物。

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