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刺五加内生放线菌Streptomyces sp. CWJ-256次生代谢产物研究

2018-10-26王新位郭文强赵建元余利岩席楠何宁王珊珊袁丽杰解云英

中国医药生物技术 2018年5期
关键词:刺五加放线菌内生

王新位,郭文强,赵建元,余利岩,席楠,何宁,王珊珊,袁丽杰,解云英



刺五加内生放线菌CWJ-256次生代谢产物研究

王新位,郭文强,赵建元,余利岩,席楠,何宁,王珊珊,袁丽杰,解云英

100050 北京,中国医学科学院北京协和医学院医药生物技术研究所(王新位、郭文强、赵建元、余利岩、席楠、何宁、王珊珊、解云英);063000 唐山,华北理工大学基础医学院/河北省慢性疾病重点实验室/唐山市慢性病临床基础研究重点实验室(袁丽杰)

研究刺五加植物内生放线菌 CWJ-256 次级代谢产物及其生物活性。

采用 16S rRNA 基因同源进化分析对菌株 CWJ-256 进行初步分类鉴定,采用抗菌活性追踪方式,对 CWJ-256 发酵液通过硅胶柱层析、凝胶柱层析、薄层色谱显色以及高效液相色谱等方法对目标化合物分离纯化,利用核磁共振波谱法和质谱法鉴定化合物的结构。采用 MTT 法测试其抗肿瘤细胞增殖活性。基于Gluc 报告系统对化合物3 的体外抗流感病毒药效学进行初步评价。

菌种鉴定显示CWJ-256 为生黑孢链霉菌;从该菌株的发酵代谢产物中分离得到 3 个活性化合物,经结构鉴定为efomycin G(化合物 1)、11,11'-O,O-dimethylelaiophylin(化合物 2)、elaiophylin(化合物 3);抗肿瘤细胞增殖活性评价显示,化合物1 和3 对体外培养的人乳腺癌细胞 MDA-MB-231 具有增殖抑制作用(IC50分别为4.385 和2.118 μmol/L)。体外抗流感病毒药效学评价显示,化合物3 对流感病毒A/WSN/33(H1N1) 具有一定抑制效果。

刺五加内生放线菌CWJ-256 可产生多个洋橄榄叶素类次生代谢产物,显示出抗细胞增殖、抗病毒等多种活性。

刺五加△; 内生放线菌; 洋橄榄叶素; 抗肿瘤活性; 抗流感病毒活性

植物内生菌(endophytes)是一类部分或整个生活史都在健康植物组织细胞内或细胞间,并且不会造成植物明显的致病症状的微生物,包括细菌、放线菌、真菌[1]。由于这些微生物生活在植物组织内部,而植物并没有明显的外在感染症状,所以内生菌的存在和作用长期以来被忽视。直至 20 世纪 30 年代,发现造成畜牧业重大损失是由于牲畜食用了感染内生真菌的牧草,才开始对内生菌的深入研究[1],研究表明内生菌代谢产物有抗肿瘤、抗菌、抗病毒等作用。有学者从欧洲红豆杉中分离到内生真菌 Acremonium sp.,其能产生一系列抗真菌、抗癌的肽类活性物质。研究表明植物内生菌同土壤微生物相比,在发现新的生物活性产物方面具有更大潜力[2]。在以往的研究中,内生菌所涉及的大都是内生真菌,之后才扩展到内生细菌、内生放线菌的范畴[3]。

刺五加Acanthopanax senticosus(Rupr.et Maxim.)Harms,来源于五加科(Araliaceae)五加属(Acanthopanax),是一种名贵的药用植物。刺五加含有能产生抗肿瘤、抗菌等作用的多种有效成分[4],如胡萝卜苷、丁香苷等苷类化合物,葡萄糖、阿拉伯糖等多糖和黄酮等具有人参样药理功效的成分,还含有香豆素、脂肪酸、挥发油、氨基酸及微量元素等[5]。药用植物内生放线菌综合了内生菌、放线菌及药用植物三方面的特性和优势,成为寻找新型微生物代谢产物的又一重要资源[6],而且国内外少见对药用植物刺五加内生放线菌的研究报道。因此,我们选定本实验室保存的具有抗金黄色葡萄球菌活性的刺五加内生放线菌株 256 作为研究对象,采用活性追踪的方式,从其产生的次生代谢产物中分离得到了3 个具有抗菌活性的系列化合物256-2(化合物1)、256-3(化合物2)、256-4(化合物3),经鉴定,结构分别与糖基化大环内酯类抗生素洋橄榄叶素类抗生素 efomycin G、11,11'-O,O-dimethylelaiophylin、elaiophylin 结构相同。三种产物具有良好的抗菌活性,且对体外培养的人乳腺癌细胞 MDA-MB-231 增殖有抑制作用,其中化合物3 对流感病毒A/WSN/33(H1N1) 显示出一定的抑制活性。

菌株经过鉴定,确定为生黑孢链霉菌。本文报道该菌株的菌种鉴定和次生代谢产物的分离纯化、结构鉴定、抗乳腺癌细胞 MDA-MB-231 增殖活性、抗流感病毒A/WSN/33(H1N1) 活性以及初步的抗肿瘤活性构效学关系研究。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 菌株 刺五加内生放线菌CWJ-256 分离自药用植物刺五加,由华北理工大学基础医学院袁丽杰教授课题组提供,在本课题组实验室保存。检定菌金黄色葡萄球菌(ATCC25923)由中国药学微生物菌种保藏中心(CPCC)提供。

1.1.2 色谱填料和试剂 丙酮、石油醚、甲醇、氯仿、二氯甲烷均为分析纯,购自北京化工厂;色谱级甲醇和乙腈购自迪马科技有限公司;Chelex-100 Resin 树脂购自上海美吉生物有限公司;PCR 引物及常规试剂分别购自上海生工生物工程股份有限公司;复合维生素购自美国惠氏制药有限公司;4006 大孔吸附树脂购自南开大学精细化学实验厂;硅胶 GF254(100 ~ 200 目和 200 ~300 目)购自青岛海洋化工厂;葡聚糖凝胶 LH-20 购自上海化学试剂采购供应站分装厂;分析型色谱柱 Shimadzu ODS-C18(4.6 mm × 150 mm,5 μm)购自日本岛津公司;半制备型色谱柱 ReproSil-Pur Basic C18 柱(10 mm × 250 mm,5 μm)购自德国 Brueckle 公司。

1.1.4 培养基 斜面培养基 ISP2:酵母浸粉4.0 g/L、葡萄糖 4.0 g/L、麦芽浸粉 10.0 g/L、复合维生素 250 mg/L、微量盐(FeSO4·7H2O 0.2 g、 MnCl2·4H2O 0.1 g、ZnSO4·7H2O 0.1 g、去离子水 100 ml)0.5 ml/L、琼脂 18.0 g/L、去离子水配制,pH 7.2 ~ 7.4,121 ℃高压灭菌 30 min。发酵培养基:普通淀粉 25 g/L、葡萄糖 5 g/L、蛋白胨 3 g/L、牛肉膏 3g/L、CaCO32.5 g/L、微量元素(FeSO41.0 g、MnCl21.0 g、ZnSO41.0 g、CuSO41.0 g、CoCl21.0 g、蒸馏水 1000 ml)1.0 g/L,自来水配制,pH 7.2,121 ℃高压灭菌 30 min。

1.2 方法

1.2.1 菌株CWJ-256 的种属鉴定 16S rRNA 基因扩增 Chelex-100 法提取基因组 DNA。采用通用引物:27f(5' AGAGTTTGATC CTGGCTCAG 3')和 1525r(5' AGAAAGGAGGTG TACCAGCC 3')。扩增程序:95 ℃预变性 5 min;95 ℃变性 1 min,54 ℃退火 45 s,72 ℃延伸 1.5 min,35 个循环;72 ℃延伸 10 min。PCR 产物经纯化由宝生物工程(大连)有限公司测序。将所测序列在 GenBank 做 BLAST 比对,取相似性较高的菌株用 CLUSTAL X 软件进行多序列比对,用 MEGA2.1 软件包中的邻接法(Neighbor-Joining)进行聚类分析,并构建供试菌与参比菌之间的系统进化树。

1.2.2CWJ-256 发酵 将 8 支于 28 ℃已培养 6 d、生长良好、长满孢子的CWJ-256 试管斜面(ISP2 培养基)用无菌铁铲刮取 1/4 接种于 5 L 三角瓶(含有 1 L 发酵培养基)中,共 32 瓶,于 28 ℃、180 r/min条件下培养 7 d,获得液体发酵产物。

1.2.3CWJ-256 活性代谢产物初步分离与分析 收集菌株CWJ-256的发酵液(32 L)经 4500 r/min 离心 25 min,弃去上清液。将菌丝体用 1 倍体积的丙酮超声提取 2 h,过夜浸泡,过滤获得丙酮提取液,减压浓缩。再次加入 1 倍体积的丙酮,超声 1 h 二次提取,得到粗品 6 g。粗品溶解后拌入 2 倍重量硅胶,减压蒸馏挥去有机试剂,样品采用干法上样,减压硅胶柱层析(硅胶 G 200 ~ 300 目)分离得到 4 个组分。对所得组分进行 HPLC 分析,根据其 HPLC 图谱及抗菌活性测试结果,确定组分 4 为主要代谢产物以及主要活性组分,液相检测其最大紫外吸收为 250 nm 左右,且成系列吸收峰。

1.2.4CWJ-256 活性代谢产物的纯化 针对组分 4 采用加压硅胶柱层析(二氯甲烷:甲醇= 15:1)法得到 6 个组分(4-1、4-2、4-3、4-4、4-5 和4-6),对 6 个组分进一步进行HPLC 分析(甲醇-水,梯度 50% ~ 100% ,30 min;流速 1 ml/min;检测波长250 nm;柱温箱30 ℃),抗MRSA 活性跟踪显示主要活性组分集中于4-5 和4-6。将组分 4-5 和 4-6 合并(1.2 g),采用中压制备色谱法(甲醇-水,梯度 50% ~ 100%,55 min;流速 10 ml/min;检测波长245 nm)得到多个流分,再次经 HPLC分析,合并组分31 ~ 35、41 ~ 44 和50 ~ 53。

31 ~ 35 组分流动相溶解后行制备 HPLC,83% 甲醇等度洗脱,流速 4 ml/min,检测波长 250 nm,得到化合物 1。

本研究受访者学历、工作年限、职称等分布较为均衡,但来自二级及二级以上者较多,而医院级别影响眼科医师对指南认知和应用情况,加之调查对象的选择未采用随机抽样的方法,因此结果可能存在偏倚。在本次研究的基础上,如果相关学会或者政府相关部门牵头进行全面调查,其结果可能会更准确。

41 ~ 44 组分流动相溶解后行制备 HPLC,85% 甲醇等度洗脱,流速 4 ml/min,检测波长 250 nm,得到化合物 3。

50 ~ 53 组分流动相溶解后行制备 HPLC,90%甲醇等度洗脱,流速 4 ml/min,检测波长 250 nm,得到化合物 2。

1.2.5 抗菌活性及抗细胞增殖活性检测 抗菌活性检测采用纸片扩散法,具体为:吸取待测液约20 μl,吸附于直径 5.0 mm 滤纸片,挥干有机试剂,贴附在含有金黄色葡萄球菌检定菌的平皿表面,37 ℃培养 12 ~ 18 h,观察抑菌圈有无及大小。抗细胞增殖活性使用 MTT 法测定,将人乳腺癌细胞 MDA-MB-231 接种于 96 孔板,细胞浓度为 5 × 104个/ml,每孔 200 μl,培养 24 h 后加入待测化合物,继续培养 48 h,加入 MTT 再培养 4 h,然后加入 DMSO 150 μl/孔,于 570 nm 测定吸光度(570),计算增殖抑制率:

增殖抑制率(%)=(1 –试验孔/对照孔)× 100%

分别测定不同浓度的增殖抑制率,据此确定 IC50(μmol/L)值。每个浓度设 5 孔重复,结果取平均值。

1.2.6 基于 Gluc 报告系统的抗甲型流感病毒活性测定 方法参考文献[7]:使用293T 衍生系细胞293T-Gluc mono6 细胞铺96 孔板,每孔接种2.5 × 104个,于100 μl 含10% FBS 的DMEM 培养液中培养。细胞铺板24 h 后每孔加入1 μl 待测化合物 3(化合物母液浓度为 30 和 10 μmol/L),对照组阳性化合物为利巴韦林,母液浓度120 μmol/L。化合物加入1 h 后,甲型流感病毒A/WSN/33(H1N1) 以MOI 0.2 进行病毒感染。24 h 后各取10 μl 检测上清液中Gluc 蛋白含量,测量结果以相对光单位(RLU)表示,计算所测样品对甲型流感病毒的抑制率,实验重复 3 次。

2 结果

2.1 Streptomyces sp. CWJ-256 的种属鉴定

菌株CWJ-256 的16S rRNA基因序列经过扩增并测序后,得到16S rDNA序列。

在 EzBioCloud 数据库进行 BLAST,结果表明,其与NBRC 12839T(AB184185)、DSM 40830T(AY508511)、NRRL B-3602T(DQ334781)、NBRC 13061T(AB 184283)、NRRL B-1346T(EF408735)、NBRC 100778T(AB249941)NBRC 100767T(AB249934)、NBRC 101000T(AB249962)的相似性在98.88% ~ 99.70% 之间。运用 CLUSTAL X 软件进行序列比对并计算实验菌株与以上参比标准菌株之间的序列相似性。运用 MEGA version 5.0 软件采用邻接法构建系统发育树,其中菌株 256 与标准菌株NBRC 13061T(AB184283)的序列相似度高达 99.70%,聚在同一个进化分支上(图 1)。由此推断菌株 256 为。

2.2 化合物 1、2、3 的分离纯化和结构鉴定

CWJ-256 发酵培养物菌丝体部分经过两次等体积丙酮萃取,粗品经过 HPLC 分析后得到紫外吸收相近的系列化合物(图 2),经过硅胶柱色谱和半制备型 HPLC 分离纯化后,得到 3 个化合物 256-2(化合物 1,白色粉末,12.5 mg)、256-3(化合物 2,白色粉末,10.4 mg)、256-4(化合物 3,白色粉末,15.4 mg)。LC-MS 结果显示,26.0 min(化合物 1)洗脱峰给出 [M+Na]+峰为1033.2,29.9 min(化合物 3)洗脱峰给出 [M+Na]+峰为1047.2,32.8 min(化合物 2)洗脱峰给出 [M+Na]+峰为1075.2。核磁数据显示,化合物 1 氢谱中给出 43个氢信号,碳谱中给出 27 个碳信号;化合物 2 氢谱共给出 46 个氢信号,碳谱给出 28 个碳信号;化合物 3 氢谱中共给出 44 个氢信号,碳谱给出 27 个碳信号。通过微谱13C-NMR 数据库检索并查阅相关文献[8-12],对比文献报道中13C-NMR 图谱数据,初步推测化合物 1 ~ 3 分别为 efomycin G、11,11'-O,O-dimethyleliophylin、elaiophylin,分子式分别为 C53H86O18、C56H92O18、C54H88O18(图 3),为洋橄榄叶素类化合物。因该类化合物结构显示出高度对称性,所以其核磁信号仅给出一半,另一半基本重合。此外,化合物 1核磁分析溶剂为CD3OD,结构中的羟基活泼氢信号未出现。将所得化合物的一维核磁数据同文献报道的化合物efomycin G、11,11'-O,O-dimethyleliophylin、elaiophylin的核磁数据[12-13]比对,结果显示其谱图一致,化合物 1 具体信号归属见表 1,化合物 2、3 具体信号归属见表 2。

图 1 菌株 256 与相关菌株的系统进化树

Figure 1 Phylogenetic tree of strain 256 and related type strains

图 2 化合物 1 ~ 3 的 HPLC 图谱

Figure 2 The HPLC analysis of compounds 1 - 3

1:R1 = R2 = R3 = H 2:R1 = R2 = R3 = CH3 3:R1 = CH3,R2 = R3 = H

Figure 3 Chemical structures of compounds 1 - 3

表1 化合物1 的NMR数据(CD3OD-d4)

表 2 化合物2、3的NMR数据(DMSO-d6)

续表 2

δH mult. [J in (Hz)]δCδH mult. [J in (Hz)]δC 15,15'3.39,m66.993.77,m65.11 16,16'1.13,d(6.1)19.021.06,d(6.1)19.47 17,17'0.98,d(6.5)15.660.98,d(6.5)15.83 18,18'0.86,d(7.3)10.030.80,d(6.5) 9.86 19,19'0.84,d(7.2) 7.320.87,d(7.0) 7.28 20,20'a1.61,m18.841.59,m19.12 20,20'b1.38,m1.39,m 21,21'0.79,t(7.5) 8.890.79,t(6.5) 9.09 22,22'4.92,d(3.2)92.564.93,d(3.1)92.80 23,23'a1.80,td(12.3,3.7)32.741.81,m32.97 23,23'b1.38,m1.39,m 24,24'3.72,m65.013.72,m65.23 25,25'3.39,m70.383.39,s70.58 26,26'3.74,m66.443.74,m66.71 27,27'1.07,d(6.5)17.221.09,d(6.5)17.42 OMe-11,11'2.95,s45.74 OH-9,9'4.38,d(7.3) 4.47,d(6.8) OH-11,11' 5.42,s OH-24,24'4.52,d(4.9) 4.50,d(5.8) OH-25,25'4.27,d(4.4) 4.26,d(4.5)

Figure 4 Effects of multiple concentrations of compounds 1 - 3 on proliferation of MDA-MB-231 cell line (A: Compound 1; B: Compound 2; C: Compound 3)

2.3 化合物 1、2、3 的抗菌活性及体外抗癌细胞MDA-MB-231 活性测定

据文献报道,该类化合物具有细胞周期抑制剂和细胞凋亡诱导剂的功能[8-9],因此,利用 MTT 法对化合物 1、2、3 的体外抗乳腺癌细胞增殖活性进行评价,其中化合物 2 测定 4 个浓度值的抗细胞增殖活性,化合物 1、3 分别测定 5 个浓度值的抗细胞增殖活性。结果显示均对体外培养的人乳腺癌细胞 MDA-MB-231 增殖具有差异性抑制作用(图4),化合物 1、3对 MDA-MB-231 细胞增殖显示较强的抑制活性,IC50分别为4.385、2.118 μmol/L,而化合物 2 对 MDA-MB-231 细胞增殖抑制活性较低,IC50> 75 μmol/L。

2.4 基于 Gluc 报告系统的化合物 3 抑制甲型流感病毒活性

实验结果显示,化合物3在0.1 μmol/L 和0.3 μmol/L 的浓度下对甲型流感病毒A/WSN/33 (H1N1) 抑制率分别为30.29% 和35.27%(表3),且在该浓度下细胞生长良好,未表现出较大的细胞毒性,初步说明该化合物对甲型流感病毒具有一定的抑制效果。

表 3 化合物 3 对流感病毒敏感株A/WSN/33(H1N1) 的抑制活性

2.5 化合物 1,2、3 初步构效关系研究

化合物1、2、3的体外抗肿瘤细胞MDA-MB-231活性结果显示差异,对比化合物 2 和 3,两者的唯一区别在于 C-11 位和 C-11' 位上有无甲基取代,化合物 3 在 C-11 位和 C-11'位上无甲基取代,对人乳腺癌细胞 MDA-MB-231 显示出良好的抑制增殖活性;而化合物 2 在 C-11 位和C-11'位上的羟基均被甲基化,活性明显降低,由此推测化合物结构中 C-11 位和 C-11'位的羟基为活性必需基团。吴春彦等[11]关于elaiophylins化合物抗人乳腺癌细胞MCF-7 的活性研究结果及Ritzau 等[9]关于elaiophylins 化合物对小鼠成纤维细胞、人白血病细胞、HeLa 细胞抑制活性结果研究佐证了这一推测。

3 讨论

洋橄榄叶素类化合物常见抗菌及抗肿瘤细胞活性报道,尚未见抗病毒活性报道,化合物3 的体外抗流感病毒药效学评价显示,其对流感病毒药物敏感株A/WSN/33(H1N1) 有一定的抑制活性,但尚不具备抗病毒成药性,今后可通过对其结构修饰与改造进一步研究。依据本研究中体外抗人乳腺癌细胞 MDA-MB-231 增殖活性结果及文献[8,12-13]报道的抗肿瘤细胞活性结果,推测化合物 3 C-11 位和 C-11'位羟基可能为活性必需基团,烷基取代能够降低其抗细胞增殖活性;而化合物 2 C-11 位和 C-11'位甲基取代可能是由于制备过程中化合物 3 结构中活泼的半缩醛与甲醇反应产生的[13]。因此,在制备过程中应避免使用带有羟基的溶剂。

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Study on the secondary metabolites of an endophyticCWJ-256 isolated from

WANG Xin-wei, GUO Wen-qiang, ZHAO Jian-yuan, YU Li-yan, XI Nan, HE Ning, WANG Shan-shan, YUAN Li-jie, XIE Yun-ying

Institute of Medicinal Biotechnology, Chinese Academy of Medical Sciences & Peking Union Medical College, Beijing 100050, China (WANG Xin-wei, GUO Wen-qiang, ZHAO Jian-yuan, YU Li-yan, XI Nan, HE Ning, WANG Shan-shan, XIE Yun-ying); Hebei Key Laboratory for Chronic Diseases, Tangshan Key Laboratory for Preclinical and Basic Research on Chronic Diseases, School of Basic Medical Sciences, North China University of Science and Technology, Tangshan 063000, China (YUAN Li-jie)

The aim of the study is to isolate and identify the bioactive secondary metabolites from the fermentation broth of the endophytic. CWJ-256 isolated from the plant.

Phylogenetic analyses were based on 16S rRNA gene sequence. The bioactive metabolites were isolated by silica gel chromatography and preparative HPLC by guidance of antibacterial activity. HRMS and NMR were employed to characterize the structures of purified compounds. The anti-proliferation activities against human breast cancer cells were assayed by MTT, and the anti-influenza virus activities were tested by Gluc report system.

CWJ-256 was identified as. Three compounds were isolated and identified as efomycin G (1), 11,11'-O,O-dimethylelaiophylin (2), elaiophylin (3), respectively. Compounds 1 and 3 displayed anti-proliferation potential against human breast cancer cell MDA-MB-231, and the compound 3 showed weak activity against influenza virus A/WSN/33(H1N1).

TheCWJ-256 can produce elaiophylin and its analogues which exhibited antibacterial, antitumor and anti-virus activities.

ACANTHOPANAX SENTICOSUS; Endophytic actinomycetes; Elaiophylin; Anti-proliferation potential; Anti-influenza virus activity

XIE Yun-ying, Email: xieyy@imb.pumc.edu.cn; YUAN Li-jie, Email: yuanlijie1970@163.com

10.3969/j.issn.1673-713X.2018.05.003

北京市自然科学基金(7172137);中国医学科学院医学与健康科技创新工程(2016-I2M-2-002);河北省自然科学基金(C2014209137)

解云英,Email:xieyy@imb.pumc.edu.cn;袁丽杰,Email:yuanlijie1970@163.com

2018-04-26

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