炭角菌属次生代谢产物及药理活性研究进展＊

韩海燕，段应策，彭 爽，祁建钊，刘成伟，2＊＊

（1. 东北林业大学生命科学学院 哈尔滨 150040；2. 黑龙江省酶与类酶工程重点实验室 哈尔滨 150040；3. 西北农林科技大学化学与药学院 咸阳 712100）

炭角菌属（Xylaria）属于子囊菌门（Ascomycota）炭角菌亚纲（Xylariomycetidae）炭角菌目（Xylariales）炭角菌科（Xylariaceae）中一种药用真菌，它是一大类炭角菌的总称。目前发现炭角菌属拥有300 多个种，主要分布于温带、热带和亚热带地区[1]。

黑柄炭角菌（Xylaria nigripes），别名乌灵参，是名贵的药用真菌。据四川《中药志》记载，乌灵菌具有“补心肾、治失眠”的记述。乌灵菌粉具有补肾健脑，养心安神的作用，已在临床上得到了广泛的应用[2]。以乌灵菌粉制造的“乌灵胶囊”收录于《中华人民共和国药典》，被国家确定为“一类新药”“中药保护品种”进入国家医保目录，是用于治疗焦虑、抑郁和失眠等病症的唯一单方型中药制剂[3]。乌灵菌是从我国珍稀药用真菌中分离获得的菌种，属子囊菌科、炭角菌属。炭角菌的石油醚和氯仿提取物（50 μg·mL-1）能够抑制SPCA-1 增殖，诱导SPCA-1 细胞发生早期凋亡，激活P53、Caspase-3 和Bax 抗肿瘤标志蛋白表达上升以及抑制抗凋亡蛋白Bcl-2 的表达，表现出良好的抗肿瘤活性[4]。通过小鼠戊巴比妥钠阈剂量（阈下剂量）催眠试验和急性毒性试验，发现纵条纹炭角菌（Xylaria striata）的子实体具有协同戊巴比妥钠催眠的作用，高剂量组能显著提高小鼠入睡率，延长睡眠时间，缩短睡眠潜伏期，证实该菌具有明显的改善睡眠活性，可用于失眠症的治疗[5]。翁等报道了水溶性黑柄炭角菌肽能明显降低邻苯三酚自氧化速率，对羟自由基有极强的清除能力，对DPPH 自由基清除率随浓度增加而增加，具有明显的抗氧化作用[6]。研究表明，炭角菌是天然产物的丰富来源，能够产生大量结构多样的次级代谢产物，包括细胞松弛素、萜类、生物碱、非核糖体肽类和聚酮类等化合物[7]。

近年来，国内外对炭角菌的研究逐渐深入，在化学成分、药理作用及其作用机制等方面取得一定研究进展，表明炭角菌有着巨大的研究价值和开发应用前景。阐明化学组成是中药药效研究和临床应用的重要基础，本文通过查阅并整理近5 年来国内外文献资料，对炭角菌的次生代谢产物及生物活性研究进行概括总结，为后续相关研究提供参考。

1 炭角菌属中的次生代谢产物

1.1 细胞松弛素

细胞松弛素类化合物是炭角菌属真菌代谢产物的主要类型之一（图1-图2），其典型结构特征是以高度可替的氢化异吲哚环和一个大环连接，具有抗肿瘤、抗菌等活性。Chen 等从Xylariasp. SOF11 中分离得到一个cytochalasin P 的19,20 环氧化细胞松弛素cytochalasin P1（1），其对人肿瘤细胞SF-268 和MCF-7的细胞毒性较强（IC50分别为1.37和0.71 μM）[7]。Wang等从Xylariasp.HNWSW-2 发酵液中分离得到一个细胞松弛素衍生物xylarisin B（2）[8]。2 个具有5/6/6/6 稠合四环骨架的细胞松弛素curtachalasins A（3）和B（4），显示出对Microsporum gypseum弱抗真菌活性[9]；随后又从Xylaria cf.curta乙酸乙酯提取物和大米培养基中分别得到3 个具有独特双环[3.3.1]内酰胺结构的细胞松弛素curtachalasins C-E（5-7）[10]和11个细胞松弛素衍生物curtachalasins F-P（8-18）[11]。值得注意的是，化合物18 具有一个独特的5/6/6/7 稠合环结构，化合物5对耐氟康唑的白念珠菌显示出明显的抗性逆转活性，化合物8 对B 细胞增殖有明显的选择性抑制作用（IC50值为2.42 μM），化合物17 对T 细胞增殖有明显的选择性抑制作用（IC50值为12.15 μM）。随后在同一菌株中又分离到2 个带有氧桥的11 元大环细胞松弛素Cytochalasins D1（19）和C1（20）[12]和5个细胞松弛素（21-25）[13]。此后又通过优化Xylaria cf. curta的发酵条件，分离得到一个具有独特6/7/5/6/6 多环稠合骨架的细胞松弛素xylarichalasin A（26），其对人类癌细胞系MCF-7（IC50值为6.3 μM）和SMMC-7721（IC50值为8.6 μM）显示出较强的细胞活性，而对其他细胞的毒性较弱[14]，这为抗癌药物的研究提供了新的先导物。在生物活性指导下，Han 等从Xylariasp. XC-16 中分离得到细胞松弛素epoxycytochalasin Z17（27），epoxycytochalasin Z8（28）和epoxyrosellichalasin（29）[15]。Wang 等的生物活性研究表明，细胞松弛素curtachalasin Q（30）在体外和体内也表现出显著的抗肿瘤活性[16-17]。Noppawan 等从Xylariasp.SWUF08-37中分离到一个细胞松弛素xylochalasin（31），具有弱的细胞毒性[18]。Hinterdobler 等从Xylariasp. WH2D4 中分离得到1 个5/6/5/8 环的细胞松弛素lagambasine A（32）和3 个5/6/11 环的细胞松弛素lagambasine B-D（33-35）[19]。

图1 细胞松弛素类化合物的结构(1-15)

图2 细胞松弛素类化合物的结构（16-35）

1.2 萜类衍生物

萜类化合物是天然产物中化学结构最丰富的类群，它们多具有良好的生物活性，是药物开发的宝库。炭角菌属代谢产物中含有丰富的萜类化合物（图3-图4）。Chang等从X.nigripes的发酵液中分离得到6个艾里莫酚烷型（eremophilane-type）倍半萜类化合物nigriterpenes A-F（36-41），其中化合物38 能够抑制NO 的产生和iNOS、COX-2 蛋白的表达，表明X.nigripes具有潜在的抗炎作用[20]。Yang 等先后从Xylaria polymorpha（Pers.: Fr.）的发酵液乙酸乙酯提取物中分离得到5 个drimane-type 倍半萜polymorphines A-B（42-43）和xylariaines A-C（44-46），化合物43 表现出抗乙酰胆碱酯酶和α-葡糖苷酶抑制活性[21-22]。Tchoukoua 从Xylaria sp.V-27 中分离得到一个艾里莫酚烷型倍半萜13,13-dimethoxyintegric acid（47），其对RBL-2H3 细胞脱颗粒具有抑制作用[23]。在生物活性指导下，Han 等从Xylariasp. XC-16 中分离得到一个松香烷型二萜hydroxyldecandrin G（48），其对小麦芽伸长具有明显的抑制作用（IC50值为23.6 μM），比参考的草甘膦（42.3 μM）更强，表明其具有作为天然除草剂的潜力[12]。Liang 从Xylariasp. GDG-102 中分离得到一个艾里莫酚烷型倍半萜xylareremophil（49）[24]。Chen 等从X. longipesHFG1018 培养物中分离得到18个去甲基异海松烷型二萜xylarinorditerpenes A-R（50-67），xylarinorditerpenes A-P 具有18 或19-去甲基异海松烷型骨架，而化合物65 和67 具有18,19-双去甲基异海松烷型骨架，化合物51-54、58、63、68 和69显示出免疫抑制活性[25]。随后，又分离得到2 个具有独特笼状双环[2.2.2]辛烷的异海松烷型二萜xylarilongipins A 和B（68-69）[26]。Knowles 等通过共培养Aspergillus fischeri（NRRL 181） 和Xylaria flabelliformis（G536），分离得到一个新的杂萜Wheldone（70），其对乳腺癌、卵巢癌和黑色素瘤细胞具有细胞毒活性[27]。Tang 等从Xylariasp 分离出一个三萜皂苷Mannosylxylarinolide（71）[28]。 Chen 等 从Xylaria papulis分离出2 个海松烷型二萜糖苷xylapapusides A（72）和B（73），化合物72 对NO 具有较强的抑制作用，Emax值为34.3 μM[29]。Zhou 等从Xylaria hypoxylon分离得到7 个异海松烷二萜糖苷 hypoxylonoids A-G（74-80）[30]。

图3 萜类化合物的结构（36-48）

图4 萜类化合物的结构（49-80）

1.3 生物碱类衍生物

生物碱类化合物是一种含氮元素的化合物，具有结构多样性和广泛的生物活性。从炭角菌属代谢产物中也分离出一些具有抗菌、杀线虫和抑制血栓形成活性的生物碱化合物（图5）。Lei 等从Xylaria striata子实体的乙醇提取物中分离得到一个具有独特的5/6/6/5/6 五环骨架的细胞松弛素生物碱xylastriasan A（81）[31]，生物活性实验表明其具有较好的抑菌作用和一定的杀线虫活性[32]。Li 等先后从X.longipes中分离得到4 个生物碱xylaridines A-D（82-85）[33-34]，其中化合物82 具有一个5/6/6/5/5 的稠合环骨架。Hu 等从X.nigripes（KL.）SACC子实体中分离得到3 个麦角生物碱xylanigripones A -C（86-88）[35]。Luo 等从Xylariasp.的发酵产物中分离得到2 对非对映异构的生物碱xylarins A-D（89-92），其中化合物89和90是首次发现的具有5/6/5-5/6 多环骨架的化合物，它是由二氢苯并呋喃酮单元和异吲哚啉单元组成，并且xylarins A 具有显著的抑制血栓形成的作用[36]。

图5 生物碱类化合物的结构

1.4 非核糖体肽类化合物

非核糖体肽类化合物（nonribosamal peptides,NRPs）是一种具有复杂多样的结构，并且具有广泛的生物活性的肽类化合物，该类化合物往往是抗菌、抗病毒、抗炎以及免疫抑制等药物的重要来源。近几年，从炭角菌属代谢产物中也分离出一些具有抗菌作用的非核糖体肽类化合物（图6）。Xu 等从Xylariasp.(GDG-102)中分离得到2个新的环五肽xylapeptides AB（93,94）[37]，化合物93是第一个具有L-高脯氨酸的环五肽化合物，其对枯草芽孢杆菌和蜡样芽孢杆菌表现出较强的抑制作用（MIC 值为12.5 μg·mL-1）。Noppawan 等从Xylariasp. SWUF08-37 中分离得到一个环五肽pentaminolarin（95），其对HT29 和HCT116 人结肠癌细胞系表现出微弱的抑制作用（IC50值分别为32 和38 μM）[18]。利用代谢组学技术，Ibrahim 等从X.ellisiisp.nov.中发现了八个含脯氨酸的环状非核糖体多肽ellisiiamides A-H（96-103），只有ellisiiamides AC 被纯化，而ellisiiamide D-H 的结构来自LC-MS 的分析[38]。

图6 非核糖体肽类化合物的结构

1.5 聚酮类化合物

聚酮类化合物是由聚酮合成酶（polyketide Synthases，PKS）合成的一类具有结构复杂多样性和广泛生物活性的化合物，已成为新药开发的重要来源。近年来除了从炭角菌属代谢产物中分离出细胞松弛素类、萜类、生物碱类化合之外，还分离出一些聚酮类化合物（图7）。Brown 等从X. polymorpha子实体中分离得到3 个新的聚酮化合物xylaral B-D（104-106）[39]。Li 等从X.longipes液体培养基中分离得到一个新的聚酮化合物longipone A（107），其对HL-60、A549、MCF-7和SW480人癌细胞系显现出中度的细胞毒性[40]。

图7 聚酮类化合物的结构

1.6 苯及内酯类化合物

Chang 等从X. nigripes的发酵液中分离得到一个苯酚化合物2-hydroxymethyl-3-pentylphenol（108）[41]。Zheng 等从Xylaria sp. GDG-102 中分离得到一个具有抗菌活性的苯肽衍生物xylarphthalide A（109）[42]。Guo等从Xylariasp.SC1440固体培养基中分离得到2 个新的γ-吡喃酮xylaropyrones B (110)和C (111)[43]。Wang等从X.feejeensis乙酸乙酯提取物中分离得到一个新的α-吡喃酮衍生物annularin C（112）[44]。Tchoukoua 等从X.curta92092022 的乙酸乙酯提取物中分离得到一个内酯(3aS,6aR)-4,5-dimethyl-3,3a,6,6a-tetrahydro-2Hcyclopenta [b]furan-2-one（113）[45]。Chen 等 从Xylariasp. hg1009 中分离得到6 个新的内酯化合物xylariahgins A-F（114-119）[46]。Zheng 等 从Xylariasp.GDG-102 中分离得到一个新的内酯6-heptanoyl-4-methoxy-2H-pyran-2-one（120），其对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有抑制作用，MIC 值为50 μg·mL-1[47]。Wang 等从X.feejeensis乙酸乙酯提取物中分离得到一个10 元内酯macrolide（121），具有明显的抑制破骨细胞分化的活性[48]。苯及内酯类化合物的结构见图8。

图8 苯及内酯类化合物的结构

1.7 其他

除了上述类型的化合物之外，研究者们还从炭角菌属代谢产物中分离鉴定出了一些其他类型的化合物，包括甾体类、脂肪酸类等（图9）。Li 等从Xylariasp.固体培养基中分离得到甾醇化合物(24R)-22, 23-dihydroxy-ergosta-4,6,8(14)-trien-3-one 23-beta-Dglucopyranoside (122)和xylarester (123)，化合物122 对MCF-7 细胞表现出细胞毒性[49]。Sirirath 等从Xylaria allantoideaSWUF76中分离得到一个脑苷酯allantoside（124）[50]。Sun 等从Xylariasp.C-2 中分离得到一个脂肪酸(2E, 4E, 6S) -6-hydroxydeca-2, 4-dienoic acid（125）[51]。权等从Xylariasp.HNWSW-2发酵产物中分离鉴定了7 个异香豆素类化合物（126-132），化合物126 具有较强的抗线虫活性[52]。 Yu 等通过将Penicillium crustosum PRB-2和Xylariasp. HDN13-249共培养，从中分离到4 个新化合物penixylarins A-D（133-136），penixylarins C显示出抗结核的作用[53]。

图9 其他类化合物的结构

2 讨论与结论

中药是活性天然产物的重要来源，许多中药种类由于具有显著的生物活性已被开发成保健品和药品，如人参、党参、三七等。虽然关于中药来源的天然产物的研究报道持续开展，但是从炭角菌属分离得到的次级代谢产物在药物开发和生产中的研究较少。

近年来从炭角菌属真菌代谢产物中发现了细胞松弛素、萜类、生物碱类、非核糖体肽类和聚酮类等多种新的化合物。其中，细胞松弛素类化合物在炭角菌次级代谢产物中占主导地位，并具有一定的细胞毒性，这类化合物的存在可能是炭角菌起到抗癌作用的主要原因，同时也为抗癌药物的研究提供了新的先导化合物。为进一步开发炭角菌属中细胞松弛素类化合物的药用价值，需要对其抗癌活性的作用机制进行深入研究。我国是抗菌药物使用大国，但是病原菌耐药性的形成越来越严重，这就迫切需要开发新的抗菌药物。来源于中药抗菌物质的发现，为开发新的抗菌药物提供了新的广阔的来源。通过对炭角菌属次级代谢产物研究发现，炭角菌中存在一些具有显著抗菌作用的生物碱类、非核糖体肽类、酯类等次级代谢产物，这为抗菌药物的开发提供了新的思路。此外，还从炭角菌中分离出一些具有抗乙酰胆碱酯酶和对α-葡糖苷酶具有抑制作用的萜类化合物，这为糖尿病的药物开发的来源提供了新的选择。但是本研究发现，虽然炭角菌属真菌的种类比较多，但是关于炭角菌属真菌的次级代谢产物、药理活性、发育育种等研究主要集中在黑柄炭角菌中，而对其他的属的真菌的研究比较少。尽管黑柄炭角菌的发酵产品乌灵胶囊已批准上市，但是关于其具体的药效成分还没有明确，可能的原因是：①其次级代谢产物的中类比较多，比较难确定到底是哪一个或者哪些化合物是其具体的药效成分；②不清楚到底是单一的成分的药理作用起作用，还是多个化合物的多个生物活性的协同作用起到的作用，这个是不清楚的；③其次级代谢产物的生物活性的研究主要集中在抗菌、抗炎以及抗癌的体外实验，缺乏更加系统深入的体内作用机制的研究，很难确定药物在体内的作用结合位点。因此，为进一步开发炭角菌属的药用价值，不仅需要对炭角菌属中的次级代谢产物进行分离鉴定，更关键的是对具有显著生物活性的化合物的作用机制进行更加深入的研究。

综上所述，近年来从炭角菌属真菌代谢产物中发现了细胞松弛素、萜类、生物碱类、非核糖体肽类和聚酮类等多种新的化合物，这些化合物具有抗菌、抗肿瘤、抗氧化和抗炎等多种生物学功能，揭示了炭角菌属是发现活性天然产物的重要来源。针对炭角菌代谢产物中活性突出并且其生物毒性较低或无毒性的化合物，加大对其作用机制的深入研究将有利于对其保健品、药品以及农药等的相关研发，对于炭角菌药物的开发应用具有重要意义。随着人们对健康的重视，对药用炭角菌的需求量大大增加，但是自然界中炭角菌资源少、产量低，且人工栽培炭角菌技术不完善，今后进一步完善药用炭角菌的人工栽培技术和借助现代分子生物学方法对炭角菌属真菌种类进行研究，对于炭角菌属真菌资源的开发和利用具有较高的价值。