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编号:14830
微生物药物学ppt课件:第3章-微生物资源与微生物新药发现.ppt
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    第三章

    微生物资源的多样性与微生物新药的发现

    第一节稀有放线菌是产生微生物新药的重

    要源泉

    第二节黏细菌是一类值得关注的微生物新

    资源

    第三节从植物内生菌中筛选微生物新药

    第四节从海洋微生物中筛选微生物新药

    第一节稀有放线菌是产生微生物 新药的重要源泉

    * 所谓的稀有放线菌

    * (rare actinomycetes)即为除链霉菌属外的其它属的放线菌。

    稀有放线菌是产生微生物

    新药的重要源泉

    * 到1974年止,放线菌来源的抗生素几乎都是由链霉菌属产生的(约占2000种抗生素中的95%)。但在随后6年的报导中,由放线菌产生的仅占25%。事实证明,稀有放线菌是发现新抗生素的极好来源,且它们产生各种不同抗生素的能力不亚于链霉菌属。同样,细菌和霉菌也仍是产生新的生理活性物质的源泉,特别是近年来从霉菌的代谢产物中发现新的生理活性物质的数目正在不断增加。

    小单孢菌能产生独特化学结构的生物活性物质

    * 能产生独特化学结构的生物活性物质。近年来从小单孢菌中发现了引人注目的结构新颖的烯二炔类抗肿瘤抗生素calicheamicinγ1(结构如图所示),由棘孢小单孢菌M.echinosporaspcalichensis所产生,与肿瘤细胞作用时,分子中烯二炔部分起"分子核弹头"作用,三巯基部分起"扳机"作用,寡糖部分起"识别"作用,能选择性地结合并切除DNA双链中的特定片段,如TCCT、TCTC和TTTT。

    Calicheamicinγ1的化学结构

    小单孢菌能产生独特化学结构的生物活性物质

    * 碳黑小单孢菌M.carbonacea产生强效的抗耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)的寡糖类抗生素ziracin(如图3-所示)。它对甲氧西林和万古霉素耐药菌作用很强。对甲氧西林敏感和耐药的肺炎链球菌的MIC为0.032~0.125μg/mk,对青霉素G耐药菌的MIC为0.125~8μg/mk,对万古霉素敏感和耐药菌的MIC为0.45~2μg/mk。ED50为2.5mg/kg。静注剂量1mg/kg的血浓度为10μg/mk。虽已进入Ⅲ期临床试验,但没有获得FDA批准。除产生抗生素外,小单孢菌还产生许多非抗生素的生物活性物质。

    Ziracin的化学结构

    * 游动放线菌(Actinoplane sp.)ATCC 3076产生的抗细菌抗生素雷莫拉宁。

    黏细菌

    一类值得关注的微生物新资源

    * Epothilons是由粘细菌纤维束菌(Sorangium cellosum)产生的新型细胞毒化合物。它是一种新的16元环多酮大环内酯,含有一个噻唑基和环上的一个环氧结构(结构如图所示)。该菌产生A和B两种主要组分、C~F四种次要组分以及36种极微量成分。

    Epothilons的化学结构

    从植物内生菌中筛选微生物新药

    * 要利用植物内生菌这一资源丰富的宝库,首先要将内生菌从植物中有效地分离出来,然后应用分离色谱层析等生物分析方法从内生菌培养物滤液中分离并鉴定出令人感兴趣的生物活性物质,如:紫杉醇、cryptocin、oocyclin、isopestacin、pseudomycin和ambuic acid等。本文主要阐述了植物内生菌分离的一般规则,其生物活性代谢产物的最新研究进展,以期读者对植物内生菌的重要性有更深刻的认识。

    天然药物的筛选已成为现今的一个研究热点,植物是天然药物的主要来源之一。生活在植物组织中的植物内生菌,由于其与植物的关系密切,同时其产生的丰富多样的次生代谢产物具有多种生物活性,因此从中发现新的有意义的化合物的潜力相当大,其作为新的治疗药物或前体药物的潜在来源已经引起人们的广泛重视。

    一、历史概况

    1898年 Vogl从黑麦草的种子中首次分离出第一株内生真菌。 但在此后的70年间,内生菌的研究进展缓慢;直到70年代,Bacon等人发现高羊茅中的内生真菌和毒素的产生有关, 从此以后植物内生菌的研究在国际范围内引起了广泛的重视。

    二、植物内生菌

    ? 1833年 人们发现从小麦叶片中可长一种性质不明的锈状物,将它形象地称为"Outgrouws"

    ? 1866年 Barry将内生菌定义为生活在植物组织内的微生物,用以区分那些生活在植物表面的表生菌, 按此定义植物的致病菌、菌根菌也归属于内生菌的概念范畴

    ? 1988年 Clay将内生菌定义为在植物体内完成其生活史的部分或全部,但又不引起任何病症的微生物, 包括细菌和真菌, 突出强调了内生菌和植物的互惠共生关系, 这一概念范畴内不包括植物致病菌和菌根菌。

    目前较常用的宽泛实用性概念:

    植物内生菌是指那些在其生活史的一定阶段或全部阶段生活于健康植物的各种组织和器官内部的真菌和细菌,被感染的宿主植物(至少是暂时)不表现出外在病症, 可通过组织学方法或从严格表面消毒的植物组织中分离或从植物组织内直接扩增出微生物DNA的方法来证明其内生。即我们可以把植物内生菌理解为植物组织内的正常菌群,它们不仅包括了互惠共利的和中性的内共生微生物,也包括了那些潜伏的宿主体内的病原微生物。

    三、植物内生菌的生物多样性

    ? 宿主植物种类多样性

    ? 内生菌自身种类多样性

    ? 内生菌在植物组织中分布多样性

    内生菌普遍存在于目前已研究过的各种陆生及水生植物中。目前全世界至少已在80个属290多种禾本科植物中发现有内生真菌。自20世纪70年代后期, 内生菌在一些重要的经济林木如针叶类的各种冷杉、云衫、红杉、紫杉、松柏等以及阔叶的桉树、栎树、桦树、桤木等植物树皮、枝叶中相继被发现并得到了广泛的研究。进而在多种灌木、草本植物以及栽培作物、果树甚至藻类、苔藓和蕨类植物中也发现了内生菌。

    对于一种植物而言,从中可分离到的内生真菌和细菌通常为数种至数十种,有的甚至多达数百种。在热带雨林植物中,内生菌的多样性更为突出。

    例如:Anorld等人最近分析了巴拿马中部雨林中两种植物叶子中的内生菌,结果发现分离自83片健康叶子上的内生菌可多达418个形态学种

    主要内生真菌

    子囊孢子类:核菌纲

    盘菌纲

    腔菌纲

    广泛分布的种属:半壳霉属

    拟隐孢霉属

    拟茎点霉属

    叶点霉属

    常见内生细菌

    大多数为土壤微生物类群:

    假单孢菌属

    芽孢杆菌属

    肠杆菌属

    土壤杆菌属

    内生真菌的菌丝生长于植物组织的细胞间,分布于叶鞘、种子、花、茎、叶片和根。其中叶鞘和种子的菌丝含量最多而叶片和根的含量极微。

    四、植物内生菌的作用

    ? 促进宿主植物的生长

    ? 增强宿主植物的抗逆性

    ? 产生具有生理活性的代谢产物

    ? 内生菌能产生IAA等植物生长激素

    ? 内生菌增强宿主植物对氮、磷等营养元素的吸收

    如:禾本科农作物上的内生细菌具有很强的固氮能力。感染内生真菌的牧草对氮、磷的摄取能力也有所提高。

    感染内生菌的宿主植物对环境具有很强的抗逆性,如抗干旱、抗病原细菌和真菌、抗线虫、阻抑昆虫和食草动物的采食等。

    在内生菌中,有对宿主植物体内某些活性成分的形成有重要影响者,也有产生和宿主植物相同或相似的生理活性成分。

    五、植物内生菌产生的生理活性物质

    ? 抗生素类物质

    ? 抗肿瘤活性物质

    ? 植物生长调节物质

    ? 杀昆虫物质

    ? 其他类型的活性产物

    1.抗生素类物质

    随着细菌耐药性的出现激发了人们寻求更多更好的抗菌素;同时,由于艾滋病和器官移植引起的真菌感染人数不断增加,对于高效抗真菌制剂的需求也不断增强;加之目前治疗原生动物寄生感染药物的匮乏,寻找更新更有效的治疗药物来解决这些问题已迫在眉睫。以往,抗生素的主要来源是土壤微生物。而今,植物内生菌这一多样性十分丰富却尚未开发的微生物类群看来是一巨大资源

    刺盘孢属内生菌Colletotrichum gloeosporicoides

    产生的Colletotric acid

    内生菌Colletotrichum sp产生的

    内生真菌Cryptosporiopsis cf. quercina

    产生的新型环肽抗生素cryptocandin

    内生真菌Cryptosporiopsis cf. quercina

    产生的酰胺类生物碱cryptocin

    内生菌Cytonaema sp.产生的

    Cytonic Acid A (1) 和 Cytonic Acid B (2)

    镰孢霉属内生真菌Fusarium sp. CR377产生的一种新型的酮内酯(pentaketide)化合物

    内生真菌Fungus CR115

    产生的一个二萜化合物Guanacastepene A

    内生菌Geniculosporium sp.产生的

    Geniculol (1) 和 Cytochalsin F (2)

    内生真菌Pestalotiopsis jesteri

    产生的新的环己烯酮环氧化合物Jesterone

    内生菌Pestalotiopsis microspora

    产生的Ambuic acid

    内生菌Phoma sp. NRRL 2 5697

    产生的5种新的化合物Pginadecakubs A-D (1-4) & Pginaoebtebibe A (5)

    具有抗革兰氏阳性菌活性

    拟点霉属内生菌Phomopsis sp.产生的

    Phomoxanthones A (1) & B (2)是两个新的氧杂蒽酮二聚体

    分离自锡兰桂小枝的内生菌Muscodor,其所释放的挥发性物质(醇,酯,酮,酸和脂)对人及植物的致病真菌和细菌有很强的杀伤性 。

    分离自欧洲紫杉(Taxus baccata)的内生真菌Acremonium sp.产生的白灰制菌素A具有抗真菌活性。

    分离自欧洲杜松(Juniperus communis)的内生真菌Hormonema,从其发酵液中分离出一种新的三萜糖苷对念珠菌属和曲霉属的真菌具有很强的活性

    2.抗肿瘤活性物质

    1) 紫杉醇(Taxol)

    紫杉醇是一种以极低含量存在于各种紫杉属植物树皮和树叶中的萜类化合物,临床上是治疗乳腺癌、子宫癌和卵巢癌的良效药物,自1992年投入市场以来,取得了临床疗效和市场效应的极大成功。

    Taxol

    1993年美国学者Stierle等人首次从短叶紫杉(Taxus brevifolia)的树皮中分离出一株内生的真菌新种Taxomyces andreanae,在培养液种能产生紫杉醇和其他紫杉烷类化合物。

    至今已在短叶紫杉、喜马拉雅红豆衫、欧洲红豆衫、南方红豆衫、云南红豆衫、落羽衫、榧树中分离到了许多种能产生紫杉醇的内生真菌和放线菌。其中内生真菌微孢拟盘多毛孢的紫杉醇产量已初步显示出其商业潜力。

    这些发现为人类突破植物资源周期长、不可再生等限制,利用植物内生菌来工业化发酵生产重要植物药物提供了新的思路。

    2)ras-法呢基转移酶抑制物

    抑制法呢基-蛋白转移酶(FPTase)或ras-法呢基转移酶的化合物往往具有抗肿瘤活性。

    A. Lingham RB等曾报道毛壳属内生真菌Chaetomella acutisea产生的长链脂肪酸Chaetomellic acid A和B以及从一种小檗叶的某种内生真菌中发现的天然产物oreganic acid可选择性抑制法尼基-蛋白转移酶(FPTase),具有抗癌活性。

    B. Ishii T等报道,从Phoma sp.中分离得到的一种生物碱TAN-1813可抑制鼠脑ras-法尼基转移酶,对各种人体肿瘤细胞的增殖也有抑制作用,并可引起NIH3T3/k-ras细胞形态的改变。

    此外,内生菌Coniothyrium sp.产生的醌类化合物对ras-法呢基转移酶也具有很高的抑制活性。

    3)植物黄酮类物质

    植物中的一些黄酮类物质,如香豆素,异香豆素等,具有综合的抗癌活性,在分离自加拿大Cirsium arvense的一个内生真菌Mycelia sterila的发酵液提取物中发现了新的异香豆素。从中国南海红树嫩叶分离出来的内生真菌No.2533,其发酵液提取物分离出2种新的异香豆素类化合物enalin A和B,均具有抗癌活性。

    4)生物碱类

    此外,从Ficus microcarpa L的树皮中分离到的一株未鉴定的内生菌的发酵液中分离到一种新的生物碱nomofungin,该化合物能干扰培养的哺乳类细胞微丝并且对于Lo Vo和KB细胞有轻微的毒性,是一种新型的微丝干扰剂

    5)其它

    Brady SE等通过BIA法从一株内生真菌分离到具有抗癌活性的二蒽醌类化合物cytoskyrin A。

    Huang Y等也使用MTT法从三种药用植物中筛选具有抗癌活性的植物内生真菌。这些结果表明植物内生真菌是新的抗癌药物或前体的重要来源。

    已有多篇文章报道内生真菌可产生植物生长激素物质

    如:Mcinroy等人从玉米、棉花上分离到具有促进植物生长的内生细菌。

    从柑橘属果树中分离出来的Penicillium. Italicum也能产赤霉素(GA)。

    在对5种从药用植物中分离到的内生菌进行研究时发现,它们各自的发酵液中都含有至少一种植物激素:GA,IAA,ABS(Abscisic acid),Z(Zeatin),ZR(Zeatin riboside),这些由内生真菌产生的植物激素是揭示内生真菌促进药用植物生长机制的重要物质......(后略) ......