06海绵及其共附生微生物的活性物质与化学防御_黄奕
海绵及其共附生微生物的活性物质与化学防御
＊
黄奕 李志勇
＊＊
(上海交通大学生命科学技术学院海洋生物技术实验室,上海 200240)
摘 要: 海绵及其共附生微生物具有多种化学防御途径,具体表现在能够抵御潜在病原微生物、抗鱼类捕食、阻止污浊生物和降解表面活性剂等方面,这可能与海绵及其共附生微生物产生的活性物质有关。本文对海绵及其共附生微生物的化学防御进行讨论,希望对相关机制的揭示有所帮助。
关键词: 海绵 化学防御 活性物质
Chemical Defense and Active Compounds of Sponge
and Sponge -associated Microorganisms
Huang Yi Li Zhiy ong
(Mar ine B iotechnolog y Laboratory ,S chool o f Lif e Science an d Biotechnolo gy ,
S hangh ai J iao Tong University ,S hangh ai 200240)
Abstract : Sponge s and their associated micro or ganisms have dev elo ped a variety o f chemical defense pa th -w ays .T hey have too ls to defend themselve s ag ainst po tentially pa tho genic bacteria and fish predato rs ,de te r fouling org anisms ,and deg rade surfactant .T hese chemical defense pathway s may due to bioactive compounds that produced by spo ng es and their associated microo rg anism s .We discuss the chemical defense of sponge and asso ciated microo r -g anisms ,and wish to rev eal r elated mechanisms .
Key words : Spo ng e Chemical defense Activ e co mpo und
1 海绵与共附生微生物
海绵是一种相当原始的多细胞动物,早在6～8亿年前就已经出现并一直生存繁衍到现代。海绵约占海洋物种总量的1/15,是海洋中除珊瑚外的第二
大生物量。海绵通过过滤流经体内的水流摄取其中的营养,随之而来的是海绵体表与体内驻留大量的微生物。
海绵中共附生的微生物涵盖古细菌、细菌、微藻
和真菌等多种门类。按分布可分成三类[3]
:(1)在海绵体内各处分布的微生物,与外界微生物种类相似,主要作为海绵食物来源;(2)驻留在海绵中质内的细胞外微生物,对中质具有特异性;(3)永久寄居在海绵细胞细胞核内的微生物,对宿主具有特异性。
2 海绵与共附生微生物构建的化学防御体
系
几亿年海绵与共附生微生物共同进化的结果是能产生多种活性物质,构建了复杂奥妙的化学防御系统。
早在1950年就有报道说从海绵中分离到活性物质[4,5],此后陆续从海绵中发现了大量抗肿瘤[6]、抗菌[7]
、抗病毒(含H IV )[8]
物质。此外还发现一些活性物质具有特定的酶抑制剂活性[9,10],抗污损能力[11,12]。1998～2003年报道的新发现的活性物质中来源于海绵的占相当大比重
[13～18]
。我国也能够
海绵中发现了一些结构新颖、具有应用价值的天然化合物[19]。
收稿日期:2005-12-29 ＊基金项目:国家高新技术发展计划(863)(2002AA628080,2004AA628060)及上海市青年科技启明星计划(04QM X1411)和上海高校优秀
青年教师后备人才计划资助(03YQHB024)
作者简介:黄奕(1982-),女,硕士研究生,研究方向:海洋微生物＊＊通讯作者:Tel :021-********,E -M ail :zyli @sjtu .edu .cn
生物技术通报
·综述与专论· BIOTECHNOLOG Y
BU LLETIN
2006年第1期
海绵活性物质具有多聚、成环、不饱和度高和杂原子含量高等特点。常见的海绵活性物质的种类有倍半烯萜类、固醇和类固醇、生物碱类、大环内酯类、环肽类、多聚乙酰类、多糖类等。其中许多天然活性物质结构新颖[20,21],甚至在陆地生物中从未发现过。
参与化学防御的活性物质,来源相当复杂,可能由海绵单独产生,可能由海绵共附生微生物产生[22,23],还有可能由两者共同产生。
Salo mon等人[24]从海绵及其它海洋生物中分离到一系列具有生物活性的芳香族生物碱化合物吡啶吖啶,研究发现海绵Oceanap ia sagittaria中大量吡啶吖啶生物碱衍生物(py ridoacridine alkaloid dercitamide)位于一种不含微生物的海绵细胞in-clusional cell,而且这类活性物质由海绵细胞外转移到细胞内的可能性相当小,因而很可能是海绵自身细胞产生的。
对海绵共附生微生物的研究发现,从海绵分离出的微生物能产生一些与过去从宿主中分离到的活性物质结构相类似的代谢产物。因而有观点认为,海绵中分离到的活性物质相当大一部分来源于海绵的共附生微生物[25,26]。有一类类似枯草菌溶血素(surfactin)的物质depsipeptide首先从海绵中分离得到。1995年,Suzumura等人[27]发现海绵共附生的短杆菌Bacillus pum ilus也能产生该类物质。2001年,H arrigan等人在从菲律宾采集的海绵D y sidea sp.中分离到两种结构类似barbamide的化合物[28],而barbamide最先是从蓝藻Ly ng bya majuscula的代谢产物中发现的,由于蓝藻附生于海绵D y sidea sp.上,因此怀疑这两种活性物质是蓝藻产生的。2004年,德国的Piel等人从海绵The-onella swinhoei中发现了o nnamide和theopederin 两种物质[29],它们属于聚酮化合物(poly ketide),具有抗癌活性,而编码与抗癌活性相关的聚酮化合物骨架的基因序列经研究后发现是属于原核生物的基因,故认为这类活性物质很可能由海绵共附生菌产生。但是,关于海绵活性物质微生物来源的观点目前还停留在假说阶段,尚缺乏直接、充分的证据。
3 海绵及其共附生微生物的化学防御
在化学防御方面,这些活性物质发挥了相当大的作用,能够抵御]病原微生物[30]及捕食者[31],与其它生物竞争生存空间[32],降解污染物[33]。
3.1 抵御病原微生物
海绵通过过滤流经体内的水流吸收食物,时时刻刻要面对海水中病原菌的威胁。目前从海绵及其共附生微生物中得到的大量抗菌活性物质说明海绵对微生物有相当强的化学防御能力。
海绵的一些共附生微生物为了自身的生存发展及宿主的健康,会产生抗菌活性物质抑制某些菌的生长。1996年,Doshida J等人培养了从海绵My-cale adhaerens中分离到的微生物E xophiala p is-ciphila NI10102[34],发现其代谢产物中有一种新的抗菌活性物质Exophilin A,这种物质是一种三分子的缩合物,能抑制革兰氏阳性菌。2003年,Na-gai[35]、Suzumura等人[36]从海绵H alichondria ja-ponica分离到菌株Bacillus cereus QN03323,用肉汤培养,发现两种新的抗生素YM-266183和YM-266184,它们均为硫肽,对葡萄球菌和肠道球菌有抗性。同年,Gomez等人从海绵Ircinia f eli x分离到Penicillium sp.[37],对它的有机萃取产物的抑菌活性进行了最低抑菌浓度(Minimal Inhibitory Con-centration,M IC)测试,发现用不同溶剂萃取得到的产物抗菌活性不同,说明Penicillium sp.的代谢产物中有多种极性不同的抗菌活性物质。2004年, M ito va等人从海绵Suberites dom uncula的细胞培养物中分离到一株菌[38],从该菌的细胞提取物中发现两种新的环肽,均对枯草芽孢杆菌有抗性。国内在这方面也有一定成果,中国科学院大连化学物理研究所从繁茂膜海绵中分离到一株抑制革兰氏阳性菌能力相当强的链霉菌[39]。中国科学院沈阳应用生态研究所从大连海域的繁茂膜海绵(H y meniac-idon perleve)中分离到5株具有抗菌活性的放线菌[40],它们分别对白色假丝酵母菌、枯草芽孢杆菌、稻瘟霉病菌等有良好的抑制作用。上海交通大学对细薄星芒海绵、贪婪倔海绵等四种海绵的共附生微生物采用透射电子显微镜和不依赖于分离培养的PC R-DGGE基因指纹技术对微生物的多样性进行了研究,证明海绵体内的微生物种群非常丰富,而且存在宿主特异性[41,42]。同时,我们的生物活性研究结果证实20%以上的海绵共附生微生物具有抗菌
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活性[43],其中一些具有较显著的抗肿瘤活性;此外,我们还发现海绵共附生微生物间存在协同生物效应[44]。
Narsinha等人对海绵I rcinia ramose的抗菌活性进行研究[30],发现了一个相当有趣的现象。他们在一月份和五月份两段时间采样观测海绵邻近感染菌(v icinity f ouling bacteria,VFB)和表面共附生菌(sur f ace-associated bacteria,SAB),检测到水中病原菌和海绵表面菌数量在气温较高的五月份多于气温较低的一月份。对海绵萃取分馏的产物进行研究,发现一月份的样品中极性物质较多,五月份则为非极性物质较多,虽然实验结果是极性物质抑菌效果好,但非极性物质不易溶于海水而随海水扩散,更能稳定发挥抑菌作用。活性物质能随环境(气温)改变而改变,与海绵共附生菌有很大关系。从海绵表面分离到的共附生菌在一月份主要属于芽胞杆菌(Bacillus sp.)和肠杆菌(E nterobacteriaceae),在五月份主要为芽胞杆菌(B acillus sp.)和假单胞菌(Pseudomonas sp.)。很可能是细菌种类比例的调整导致了活性产物的不同。海绵居然能根据气温调整共附生菌种类的比例,化学防御体系灵活实用,实在令人惊叹。
在化学防御体系中,海绵与微生物的关系相当微妙。目前有研究表明海绵在抵御病原微生物方面有与哺乳动物类似的免疫系统。当有细菌感染海绵时,一种细菌内毒素—脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)能激发海绵细胞的应激机制[45],使细胞内MAP p38激酶和JNK蛋白激酶都被激活,保护海绵细胞不受侵害,同时LPS很可能通过激活2′～5′寡腺苷酸合成酶((2′～5′)olig oadeny late sy ntheta-ses)引发细胞程序死亡机制(apoptosis)[46],通过抑制细胞增殖、产生无性繁殖或有性繁殖的幼体来应对死亡。而有些海绵,如Suberites domuncula,含可能由微生物产生的冈田酸(Okadaic acid)[47]。冈田酸在低于100nM时对海绵细胞没有毒性,而且能抑制蛋白磷酸酶(pro tein phosphatase),使LPS诱导的磷酸化的M AP激酶数量上升,保护海绵细胞不受侵害。而冈田酸浓度高于500nM时,也能通过抑制蛋白磷酸酶诱发细胞程序死亡。3.2 抵御捕食者
海绵一般在水中的岩石、珊瑚、贝壳、水生植物或其它物体上固着生长,当遇到鱼类捕食时无法逃逸,但许多海绵利用自身及共附生微生物产生的代谢产物成功的保护了自己。
1995年,Albrizio等人从加勒比海海绵Am-phimedon com pressa中找到一种新的吡啶生物碱聚合物(polyme ric py ridinium alkaloid),名为am phi-toxin inv erted que stio n mark2inverted question m ark[48],在实验室喂食实验中,从海绵得到的这种物质的粗萃取物及纯化产物在低于天然浓度水平的情况下,能有效避开一种杂食加勒比海礁鱼Thalassom a bi fasciatum的食用。1996年,Chanas 等人研究加勒比海海绵Agelas clathrodes (Schmidt)的代谢产物,萃取及柱层析后得到一系列成分,实验确证这些成分中生物碱oroidin及其水解产物4,5-dibrom opy rrol-2-carboxy lic-acid具有抗捕食作用[49]。除了加勒比海区域的Agelas海绵外,其它地区的该类海绵中也发现了上述两种物质, Chanas等人认为这类抗鱼类捕食的代谢产物可能是海绵Ag elas属比较普遍的化学防御手段。1999年,Wilso n等人从加勒比海礁海绵A x inella corru-gata的有机提取物中获得纯化的化合物,发现其中一种二溴化生物碱stevensine对试验鱼类有直接的威慑效果[50]。A ssm ann等人在2001、2002年陆续发表了三篇关于海绵中发现的溴化吡咯生物碱的文章[51～53]。他们在加勒比海海绵Sty lissa caribica 中发现了一种新的化合物N-me thyldibro-moisophakellin[51],在人工食品加入相当于天然浓度的该物质能阻止礁鱼Thalassoma bi f asciatum 的食用。在海绵Agelas sventres的二氯甲烷/甲醇萃取物中,A ssm ann等人也发现了一系列溴化吡咯生物碱(brominated py rrole alkaloids)中hym enidin 和一种新的溴化吡咯衍生生物碱sventrin均能威慑礁鱼Thalassoma bi f asciatum[52]。他们分析加勒比海海绵Agelas sp.的化学成分时得到了四种溴化化合物,其中一种是新颖的溴化吡咯代谢物m ono bro moisophakellin[53]。四种化合物也都做了抗鱼类捕食试验。
至今为止,海绵中发现的具抗鱼类捕食能力的
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2006年第1期 黄奕等:海绵及其共附生微生物的活性物质与化学防御
化合物大部分属于生物碱类,但还有部分例外。Paw lik等人研究加勒比海Ircinia海绵时发现了海绵内含高浓度的线型呋喃糖萜特窗酸(furano ses-terterpene tetronic acids,FTAs)[31]。研究三种I r-cinia海绵粗有机萃取产品及分馏产品,发现主要是FTAs对鱼类捕食具有抵御作用。
3.3 竞争生存空间
水体中,许多生物如淡菜,藻类,藤壶等会附着在其它生物或非生物之上,在条件适宜的情况下大量生长繁殖,掠夺其它生物的生存空间。海绵的化学防御体系也有应对之策。
Mikel等人研究了地中海西北多岩石近海滩地区一种毒性较大分布较广的海绵Crambe crambe,发现该海绵所产活性物质的毒性与空间有一定关联[32]。在空间饱和,而且周围主要由生长缓慢的生物占据时,该海绵产生的代谢产物毒性较强;而生存空间较充裕,与海藻比邻时,海绵的代谢产物毒性偏弱。究其原因,海藻生长具有季节性,与终年存在慢性生长的生物相比,不是与海绵竞争生存空间的主要对手。进化确实令海绵在各种不同的环境下生存都游刃有余。
Tadam asa H atto ri等人海绵Haliclona ko-remella中发现了一种新的神经酰胺N-do cosanoy l-D-ery thro-(2S,3R)-16-methy l-heptadecasphing-4 (E)-enine,试验证明该物质对大型藻类有抗附着作用[54]。Jeffrey等人针对Verong ida目海绵不受藻类附着的现象,研究海绵生产的包括m oloka' iamine在内的dibrom oty ramine衍生物,发现该类物质对zebra mussel等大型附着生物具有选择性抑制作用[55]。
藤壶是一种甲壳类动物,与海绵一样固着生活,常附于礁石、船体上。海绵H alichondria ok adai 具有抑制藤壶在周围附着的能力[56],研究发现有效的抑制物ubiquinone-8可以从海绵的附生微生物A lteromonas sp.的培养物中分离得到。M artin S jo gren等人从海绵Geodia barretti中分离到两种环肽cy clo[(6-bro mo-8-entrypto phan)arginine]和cyclo[(6-bro motryptophan)arginine],它们能阻止藤壶Balanus improvisus幼体附着,与现今的防污机制相比,它们还具有无毒和可逆的特点[57]。3.4 降解污染
海绵从海水中摄取营养,当海水受到污染时,海绵的生存势必会受到影响,海绵及其共附生微生物在一定程度上能降解污染物,维护自身安全。海洋污染一部分是由包括表面活性剂在内的许多石油化工产品造成的。Perez等人研究发现在含高浓度纯线性烷基苯磺酸盐(LAS)的鱼池中,当有海绵S pong ia of f icinalis存在的情况下,LAS的初步降解速度约为仅有海洋细菌情况下的10倍[33]。很可能海绵与共附生微生物吸收利用了LAS降解过程中的中间产物并继续分解,加快了降解速度。虽然降解的机理还不是很清楚,但海绵中生活着数量庞大种类繁多的微生物,它们具有降解多种多样有机物的能力是毋庸置疑的。
4 展望
海绵与共附生微生物共同生活进化了几亿年,密不可分,通过产生多种活性物质构建了强大的化学防御体系。研究海绵及微生物的化学防御,有希望了解多种化合物的代谢途径,揭开活性物质产生之谜,并为海绵养殖、海产养殖和污染降解提供助力。
参考文献
1 Hirabayas hi J.,and Kasai K.Glycobiology,1993,3:297～304.
2 Pfeifer K,Haas emann M,Gamulin V,Bretting H,Fah renholz F,M uller W E.Glycobiology,1993,3:179～184.
3 Vacelet J.J M icrosc Biol Cell,1975,23(3):271～288.
4 Bergm ann W,Feeney RJ.J Am Ch em S oc,1950,72:2809～2810.
5 Bergm ann W,Feeney RJ,et al.J Org Chem,1951,16:981～987.
6 Chen C Y,Shen YC,C hen YJ,J H S heu,C Y Duh,J Nat Prod, 1999,62:573～576.
7 Sharma GM,Burkh older PR.T etrahed ron Lett,1967,42:4147～4150.
8 Cutignano A,Bifulco G,Bruno I,Casapullo A,Gomez-Paloma L,Riccio R.Tetrahedron,2000,56:37433748.
9 S P Gunasek era,PJ M cC arthy,RE Longley,S A Pomponi,AE Wrigh t,E Lob kovsky,J Clardy,Discorhab din P.J Nat Prod, 1999,62:173～175.
10 Young YM,Chul KY,H akhoech S,et al.S aengyak H akhoe-chi,1997,28(4):280～285.
16 生物技术通报Biotechnology Bulletin 2006年第1期
11 Hiros hi H,Tatsufumi O,E rina Y,et al.Tetrahedron,1998, 54(46):13971～13980.
12 Yu taka S,Kyoko A,Fu miko N,et al.J Nat Prod,1999,62
(2):395～396.
13 D.John Faulkner.Nat.Prod Rep,1998,15:113～158.
14 D.John Faulkner.Prod Rep,1999,16:155～197.
15 D.John Faulkner.Nat.Prod Rep,2000,17:755.
16 D.John Faulkner.Nat.Prod Rep,2001,18:1～48.
17 John W.Blu nt,Brent R.Copp,M u rray H G.M unro,Peter T.Northcote,M ich le R.Prinsep.Nat Prod Rep,2002,19:1～
48.
18 John W.Blunt,Brent R.Copp,M urray H.G.M un ro,Peter T.Northcote and M ich le R.Prinsep.Nat Prod Rep,2003,20: 1～49.
19 薛松,赵权宇,张卫,虞星炬,金美芳,袁权.天然产物研究与开发,2003,15(4):359～368.
20 Edrada R.A.,Heubes M.,Brauers G,et al.J Nat Prod, 2002,65,1598～1604.
21 M atsun aga S,Kobayashi H,Rob W M van S oes t,et al.J Org Ch em,2005,70:5.
22 Unson M D,Faulk ner DJ.E xperientia,1993,49:349～353.
23 Unison M D,H olland ND,Faulkner DJ.M ar Biol,1994,119:1～11.
24 S alom on CE,Deerinck T,Ellis man M H,Fau lkner DJ.M ar Bi-ol,2001,139:313319.
25 Proksch P,Edrada RA,E bel R.Appl M icrobiol Biotechnol, 2002,59:125～134.
26 Kobayashi J,Ishibashi M.Ch em Rev,1993,93:1753～1769. 27 Kalin ovaskaya,NI,Kuzn etsova TA,Rashkes,YAW,et al.Iz-vestiya RAN,1995,44:951955(in Rus s ian).
28 Harrigan GG,Goetz GH,Lues ch H,Yang S,Likos J.J Nat Prod,2001,64:1133～1138.
29 Piel J,H ui D,W en G,Bu tz ke D,Platz er M,Fusetani N,M at-sunaga S.Proc Natl Acad S ci USA,2004,101:16222～16227. 30 Narsinha L.Th ak ur,AC.Anil.Journal of Chemical Ecology, 2000,26(1):57～71.
31 Paw lik J R,M cFall G,Zea S.J Chem Ecol,2002,28:1103～1115.
32 M ikel AB,M aria JU,Xavier T.Hydrobiologia,1997,356:77
89.
33 Perez T,S ar razin L,Rebouillon P,Vacelet J.Hyd robiologia, 2002,489:225233.
34 Doshida J,H asegaw a H,Onuki H,S himidz u N.J Antibiot (Tokyo),1996,49:1105～1109.35 Nagai K,Kamigiri K,Arao N,Su zumu ra K,Kaw ano Y, Yam aoka M,Zhang H,W atanabe M,Suz uki K.J Antibiot (T okyo),2003,56:123～128.
36 Suz umura K,Yokoi T,Funatsu M,Nagai K,Tanaka K, Zhan g H,S uzuki K.J Antibiot(Tokyo),2003,56:129～134. 37 Gomez-Guinan Y,Hidalgo J,Jim enez M,S alcedo J.Rev Biol T rop51Supp l,2003,4:141～147.
38 M itova M,Pop ov S,De Rosa S.J Nat Prod,2004,67:1178～1181.
39 张海涛,靳艳,吴佩春,张卫.微生物学通报,2004,31(5):60～
64.
40 刘丽,胡江春,王书锦.氨基酸和生物资源,2004,26(1):1～4. 41 李志勇,秦恩昊,等.水产学报,2005,29(1):38～42.
42 何丽明,李志勇,等.微生物学通报,2005,32(3):51～56.
43 沈颖,李志勇,等.微生物学通报,2005,32(4):17～21.
44 黄艳琴,李志勇,等.微生物学通报,2005,32(4):6～11.
45 Bohm M,H en ts chel U,Friedrich AB,Fieseler L,S teffen R, Gamu lin V,M uller IM,M uller WEG.M ar Biol,2001,139: 1037～1045.
46 Greb enju k VA,Kuu sksalu A,Kelve M,Sch utze J,S chroder
H C,M uller W EG.Eur J Biochem,2002,269:382～1392.
47 Wiens M,Luckas B,Br mmer F,et al.M arin e Biology,2003, 142:213～223.
48 Alb rizio S,Ciminiello P,Fattorusso E,et al.J Nat Prod,1995, 58:647652.
49 Chanas B,Paw lik J R,Lindel T,Fenical W J Exp M ar Biol Ecol,1996,208:185～196.
50 Wils on DM,Puyana M,Fenical W,Paw lik J RJ C hem Ecol, 1999,25:2811～2823.
51 As smann M,van S oes t RW,Kock M.J Nat Prod,2001,64
(10),1345～1347.
52 Assmann M,Zea S,Kock M S ven trin.J Nat Prod,2001,64
(12),1593～1595.
53 M Assm ann,M Kock.M onobromois ophak ellin.Z Naturforsch
[C],2002,57:153～156.
54 H attori T,Adachi K,S hizu ri Y.J Nat Prod,1998,61:823～826.
55 Jeffrey AD,H ari KP,Jiangnan Peng,et al.J Nat Prod,2004, 67:2117～2120.
56 Kon-ya K,Shimidz u N,Otaki N,et al.Experien tia,1995,51: 153～155.
57 M S j gren,U Goran sson,A L Johns on,et al.J Nat Prod,2004, 67:368～372.
17
2006年第1期 黄奕等:海绵及其共附生微生物的活性物质与化学防御