灵菌红素的研究进展
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摘要：灵菌红素是一类含甲氧基吡咯骨架结构的天然色素，是一些放线菌、沙雷菌及其他细菌的次级代谢产物，具有免疫抑制、抗细菌、抗真菌和抗疟疾等多种生物活性。最近研究表明灵菌红素有很强的抗肿瘤及免疫抑制活性，因而成为研究热点。现对灵菌红素的结构、生物活性、生产现状及发展趋势作一综述。
关键词：灵菌红素；抗癌作用；免疫抑制；综述
中图分类号：Q93文献标识码：A文章编号：1672-979X(2007)08-0047-05
灵菌红素（prodigiosins，PG）是一类天然红色素的总称，通常都有3个吡咯环组成的甲氧基吡咯骨架结构，1929年由Amak等研究 Serratia 生长时发现，包括 prodigiosin, prodigiosin 25-C，metacycloprodigiosin（MP）desmethoxyprodigiosin和 uncedylprodigiosin（UP）等，是由一些放线菌、沙雷氏菌及其它细菌产生的次级代谢产物[1,2]，具有抗细菌、抗真菌、抗疟疾、免疫抑制和抗肿瘤等活性。PG的产生在菌体生长代谢过程中的作用目前尚有争议，有学者认为PG的产生有利于菌体的生存竞争，但也有学者认为，PG在菌体生长代谢过程中不起作用，仅为大量初级代谢产物的溢流作用。
PG属于脂溶性色素，易溶于甲醇和丙酮，不溶于水，在极性较强的酸性和碱性水溶液中微溶，在极性较弱的有机溶剂如乙醚或石油醚中微溶或不溶；PG对温度稳定，但受pH的影响较大，酸性环境中能保持较长的时间，碱性条件下则损失较大；Al3+，Ca2+，K+ ，Ba2+等金属离子对PG的稳定性影响不大，Zn2+有使PG增色的作用，Mg2+和Mn2+对PG有一定的破坏作用，Pb2+可以络合PG，使之成为沉淀[3]；白光和蓝光使PG发生光解，在红光和远红光下PG则不会降解[4]。
1PG的生物活性
1.1抗肿瘤作用
Montaner等[5]的研究表明，PG能诱导人结肠腺癌细胞株DLD-1和SW-620及人胃癌细胞株HGT-1凋亡，对转移性肿瘤细胞株SW-620更为有效，其诱导结肠癌细胞凋亡呈剂量依赖性，主要表现为细胞收缩、染色质缩合、肌动蛋白微丝结构重组等。目前对PG的抗肿瘤作用机制尚不十分清楚，对PG诱导细胞凋亡机制的研究主要集中于与细胞存活相关的信号转导，Montaner等认为，PG色素通过诱导p38-MAP激酶（p38-MAPK）的磷酸化而促使细胞凋亡。Songia等[6]则认为，PG通过抑制视网膜母细胞瘤易感基因（retinblastoma，Rb）的磷酸化作用与抑制细胞周期蛋白酶2和4（Cdk-2，Cdk-4）阻滞人淋巴细胞的增殖。
Yamamoto等[7]将PG的抗肿瘤作用归因于能促使H+和Cl-的同向跨膜转移，引起空泡型H+-ATP酶（V-ATPase）解离，使胞液酸化引起凋亡。Castillo-ila等[8]研究了PG对结肠癌细胞溶酶体内pH值及细胞繁殖周期的影响，结果表明，PG促使溶酶体内pH升高，结肠癌细胞株HT29的繁殖被阻滞在G1期，支持了Yamamoto等胞液酸化从而引起凋亡的观点。但此观点备受争论，其焦点是胞液酸化在细胞凋亡中能起到多大作用。
Melvin等[9]认为，PG对肿瘤细胞的杀灭作用与其核酸酶特性相关。由于PG富含电子而被氧化并还原Cu2+，引发铜离子诱导的双链DNA裂解，表现出细胞毒活性。并用显微荧光技术研究了PG对DNA的结合作用，用琼脂糖凝胶电泳研究了PG对铜离子诱导的DNA裂解的作用。Subramanian等[10]从微球菌（Micrococcus sp.）分离出PG结构类似物具有核酸酶特性及抗肿瘤活性，实验表明，此化合物能有效地与DNA结合，并促进铜离子介导的DNA裂解及膜脂质过氧化，对鼠源淋巴瘤细胞株EL4和人源慢性骨髓瘤细胞株K562有显著的细胞毒活性，抑制瘤细胞的增殖。
Zhang等[11]研究了PG对胰腺恶性肿瘤细胞株H8898的抑制作用，MTT法及细胞增殖实验表明，PG对H8898的IC50为75 μmol。经流式细胞分析，PG色素可抑制肿瘤细胞的有丝分裂并促进其DNA裂解。进一步研究表明，PG可进入细胞内产生活性氧从而呈现对肿瘤细胞的细胞毒活性并促使其凋亡。
不同结构的PG细胞毒特性不同。PG引发铜离子诱导的双链DNA的裂解与其分子中A环的结构密切相关，完整的双吡咯环发色团结构是PG显现铜介导的核酸酶活性的关键。当用芳烃类物质代替母体结构中的A环或B环，将导致PG类物质诱导DNA断裂的活性大部分或完全丧失[9，12]；PGC-6甲氧基的不同取代也会对其效力产生影响，当它被更长的烷氧基取代时，活性会下降。根据这些研究成果进行的分子改造形成了新的PG衍生物，其活性指数比母体分子高出数倍[13]。
1.2免疫抑制剂活性
选择性免疫抑制包括在自体免疫性疾病治疗和临床器官移植中能抑制信号传递，预防T细胞激活。药物FK506，rapamycin，cyclosporin A（CsA/CyA）是当前器官移植和治疗自体免疫性疾病常用的药物[14]，这些药物具有很大的毒性。PG的免疫抑制活性与上述药物有完全不同的作用机制，竞争性对抗研究表明，它与受体细胞的结合位点既不同于CyA，也不同于与FK506及rapamycin的通常结合位点FK结合蛋白。PG不抑制白介素2（IL-2）的分泌，但通过抑制IL-2的信号转换而阻断其生物活性。研究表明，PG色素抑制磷酸化并激活细胞质酪氨酸激酶JAK-3，与细胞表面受体commonγ-chain结合，阻断commonγ-chain的信号转换功能从而表现出特效的免疫抑制活性[15]。因而，PG是一种潜在的新型免疫抑制药物。
PG能显著抑制由多克隆丝裂原PHA和PWM刺激的人源T淋巴细胞及B淋巴细胞的增殖，还能促使Con A（伴刀豆球蛋白）刺激的脾细胞凋亡，但对脂多糖刺激的脾细胞增殖无抑制作用（只有浓度较高时对脂多糖刺激的鼠源B淋巴细胞有抑制作用）。表明此化合物能选择性地抑制T淋巴细胞增殖，同时可诱导人源T淋巴细胞株Jurkat cells发生凋亡，以及抑制氢离子迁移[16,17]。
PG抑制T淋巴细胞介导免疫反应的有效剂量为10～30 mg/kg，此剂量对淋巴器官没有毒性。临床上将PG与CyA结合用于解除器官移植急性排斥反应，作用效果好[18]，对其潜伏期和临床应用有待进一步的研究。
1.3抗菌作用
PG具有抗细菌（antibacterial）、抗真菌（antifungal）的生物活性。Cang等[19]以沙雷菌发酵生产的PG做抗菌实验，结果表明，对芽孢杆菌具有显著地杀灭作用。PG结构类似物具有显著的抗Trichophyton spp.等真菌的活性[20]，在临床测试中表现出对Coccidmycosis引起的一种地方性真菌传染病有良好的治愈作用[21]。
1.4抗疟疾活性
Isaka等[21]从Streptomyces spectabilis BCC 4785的发酵产物中分离得到的MP有显著的抗疟疾活性。体外实验表明，其抑制Plasmodium falciparum K1的IC50为0.005 0±0.001 0μg/mL。尽管多种PG类似物在动物模型中表现出了抗疟疾活性，但由于可获得的PG产量有限，对其进一步作用的研究很少。
此外，PG能保护海洋细菌免遭太阳辐射损害或原生动物侵蚀，具有抗Dinoflagellates的活性[22]，PG对引起查格斯疾病的锥虫（一种寄生虫）有很大的杀伤作用，其杀锥虫活性（IC50=5μmol）是经典杀锥虫药Nifurtimox活性（IC50=150μmol）的30倍。PG可作为生物农药用于防治Botrytis cinerea等引起的樱草属植物病害。对其抗菌、抗疟疾和抗原生动物等的作用机制有待进一步研究。
PG具有强烈的细胞溶解酶活性，能杀灭引起赤潮的浮游藻类[23]，将其撒在赤潮中，1/10的浓度1 h就能杀灭导致赤潮的大部分浮游生物。PG有望通过毒性实验和环境影响检测，成为治理赤潮的产品。微生物发酵生产的PG还是比较理想的天然色素，可大量用于食品工业。
2PG的生产现状和发展趋势
20世纪60年代早期，Rapoport等首先描述了PG化学合成的全过程，但比较复杂和困难。1996年D’Alessio 等[24]提出了新的制备PG类似物的方案，先将C环和B环相连然后再和A环结合（以往模拟生物合成路线是先将B环和A环相连）即得PG前体物质，步骤简单，合成效率明显提高，但不能用来合成天然的十二烷基PG。Dairi等[25]利用市售商品4-methoxy-3-Pyrrotin-2-one经两步反应得到了PG前体物质4-methoxy-2,2'-bipyrrole-5-carboxatdehyde，然后将不同的吡咯及其派生物与其相连接得到了不同的PG类似物。
利用化学合成法大量制备PG一直未能实施，人们寄希望于微生物发酵生产。国内外对产PG微生物的研究主要集中在陆地微生物沙雷菌上。
王学东[26]对野生黏质沙雷菌株进行紫外诱变处理，筛选获得的链霉素抗性菌株摇瓶产量达到120 mg/L，发酵产量可达160 mg/L。
Tao等[27]紫外诱变获得了一株沙雷菌株B6，以葡萄糖为初始碳源，流加甘油为PG合成诱导物，所开发的流加发酵工艺不仅可防止菌体过早自溶，而且可部分消除PG产物的抑制作用，将PG的合成能力提高了7.8倍，达583 mg/L。
Wei等[28，29]以改进的LB培养基（MLB，提高胰蛋白胨和酵母膏的浓度并去除了NaCl）发酵沙雷菌生产PG，约比LB增产3倍，达152 mg/L；在培养基中添加2%~6%的植物油，如豆油、棕榈油、葵花子油等可促进PG的合成，最高达790 mg/L，表明PG合成与胞外生物表面活性剂的存在有关。在YE培养基中添加含吡咯环的脯氨酸、组氨酸和天冬氨酸可显著促进UP的合成。当添加10 g/L的脯氨酸时，产量可达2.5g/L。Cang等[30]从土壤中分离获得一株沙雷菌S389，以乙醇为唯一碳源，PG产量最高可达2.95 g/L。
Giri等[31]在黏质沙雷菌的培养基中分别添加花生籽粉、芝麻粉、咖啡粉，均能显著增加PG产量，其中以添加花生籽粉最为显著，达到 38.75 g/L。
由于沙雷菌是条件致病菌，因而不是优秀的生产菌种。海洋由于高盐、高压、低营养、低温等独特环境，造就了海洋微生物有别于陆地微生物的许多特异性，有独特的代谢途径。海洋微生物由于分类的多样和特殊的遗传背景，具有产生与陆地微生物完全不同的新型生物活性物质的巨大潜力。海洋生物资源的研究和开发越来越受到世界各国的重视，已成为自然科学中相当活跃的研究领域之一。从海洋中寻找安全高效的PG生产菌种成为当前研究的热点。
袁保红[32]将从广东大亚湾海水中分离的红色海杆菌（Rhodomarinobacter sp.）的发酵条件进行了优化。李厚金[33]对从大亚湾海水中分离的pseudomonas.sp的GYP液体培养基中选用自来水，20%，50%，80%，100%海水作介质对照研究NaCl在PG产生中的作用。结果表明，盐度越高细菌菌体生长和色素产生的速度越快。
Nakashima等[34]研究用细菌γ-proteobacterium生产PG时发现γ-proteobacterium同样具有quorum sensing（QS）系统，N-acyl homoserine lactones （N-AHL）是此系统的一种关键性物质，在发酵中通过控制N-AHL的浓度可提高PG的产量[35]。20世纪80年代以来，人们开始从基因水平研究PG的生物合成途径及其调节，1983年Feitelson等[36]克隆了天蓝色链霉菌与PG合成相关的基因簇， Thomason等[37]则首次将分离得到的Serratia PG生物合成基因转入欧文氏菌（Erwinla carotovora）质粒，成功表达并得到了PG。随着生物操作技术的发展和对PG的深入研究，人们将更加清晰地认识PG的产生和作用机制，大量生产制备PG，用于替代在癌症及免疫治疗中对人体有害作用的化学药物，造福于人类。
参考文献
[1]Shieh W Y, Chen Y W, Chaw S M, et al. A red, facultatively anaerobic, marine bacterium isolated from sea water[J]. Int J Syst Evol Microbiol, 2003, 53:479-484.
[2]Pandey R, Chander R, Sainis K B. A novel prodigiosin-like immunosuppressant from an alkalophilic Micrococcus sp.[J]. Int Immunopharmacol, 2003, 3(2): 159-167.
[3]袁保红，杜青平，蔡创华，等. 海洋细菌Pseudomonas sp.色素的提取及稳定性的研究[J].海洋通报，2005，6（24）：92-96.
[4]Someya N, Nakajima M, Hamamoto H, et al. Effects of light conditions on prodigiosin stability in the biocontrol bacterium Serratia marcescens strain B2 [J]. J Gen Plant Pathol, 2004, 70: 367-370.
[5]Montaner B, Perez T R. The cytotoxic prodigiosin induces phosphorylation of p38-MAPK but not of SAPK/JNK[J]. Toxicol Lett, 2002, 129: 93-98.
[6]Songia S, Mortellaro A, Tavema S, et al. Characterization of the new immunosuppressive drug undecylprodigiosin in human lymphocytes: retinoblastoma protein, cyclin-dependent kinase-2, and cyclin-dependent kinase-4 as molecular targets[J]. J Immunol, 1997,158(8): 3987-3995.
[7]Yamamoto D, Uemura Y, Tanaka K, et al. Cycloprodigiosin hydrochloride H+/Cl- symporter induces apoptosis and differentiation in HL-60 cells[J]. Int J Cancer, 2000, 88(1): 121-128.
[8]Castillo-ila W, Abal M, Robine S, et al. Non-apoptotic concentrations of prodigiosin (H+/Cl- symporter) inhibit the acidification of lysosomes and induce cell cycle blockage in colon cancer cells[J]. Life Sci, 2005, 78: 121-127.
[9]Melvin M S, Calcutt M W, Noftle R E, et al. Influence of the A-Ring on the redox and nuclease properties of the prodigiosins: importance of the Bipyrrole moiety in oxidative DNA cleavage[J]. Chem Res Toxicol, 2002, 15:742-748.
[10] Subramanian M, Chander R, Chattopadhyay S. A novel naturally occurring tripyrrole with potential nuclease and anti-tumour properties[J]. Bio Med Chem, 2006, 14: 2480-2486.
[11] Zhang J, Liu J W, Shen Y L, et al. Inhibitive effect of prodigiosin on the proliferation of human m alignant pancreatic cancer cells[J]. Med Chem Res, 2005, 14: 181-197.
[12] Melvin M S, Tomlinson J T, Park G, et al. Manderville Influence of the A-Ring on the proton affinity and anticancer properties of the prodigiosins[J]. Chem Res Toxicol, 2002, 15: 734-741.
[13] Furstner A, Grabowski J, Lehmann C W, et al. Synthesis and biological evaluation of nonylprodigiosin and macrocyclic prodigiosin analogues[J]. Chembiochem, 2001, 2 (1): 60-68.
[14] Sigal N H, Dumont F J. Cyclosporin A. FK-506 and rapamycin: pharmacological probes of lymphocyte signal transduction[J]. Ann Rev Immunol, 1992, 10: 519.
[15] D’Alessio R, Bargiotti A, Carlini O, et al. Synthesis and immunosuppressive activity of novel prodigiosin derivatives[J]. J Med Chem, 2000, 43: 2557-2565.
[16] Pandey R, Chander R, Sainis K B. A novel prodigiosin-like immunosuppressant from an alkalophilic Micrococcus sp.[J]. Int Immunopharmacol, 2003, 3: 159-167.
[17] Kawauchi K, Shibutani K, Yagisawa H, et al. A possible Immunosuppressant, cycloprodigiosin hydrochloride, obtained from pseudoalteromonas denitrificans[J]. Biochem Biophy Res Commun, 1997, 237: 543-547.
[18] Han S B, Lee C W, Yoon Y D, et al. Effective prevention of lethal acute graft-versus-host disease by combined immunosuppressive therapy with prodigiosin and cyclosporine[J].Biochem Pharmacol, 2005, 70: 1518-1526．
[19] Cang S, Sanada M, Johdo O, et al. High production of prodigiosin by Serratia marcescens grown on ethanol[J]. Biotech Lett, 2000, 22: 1761-1765.
[20] Nakashima T，Kato Y，Yamaguchi K, et al. Evaluation of the anti-trichophyton activity of a prodigiosin analogue produced byγ-proteobacterium, using stratum corneum epidermis of the Yucatan micropig[J]. J Infect Chemother, 2005, 11:123-128.
[21] Isaka M, Jaturapat A, Kramyu J, et al. Potent in vitro antimalarial activity of metacycloprodigiosin isolated from Streptomyces spectabilis BCC 4785[J]. Antimicrob Agents Chemother, 2002, 46:1112-1113.
[22] Matz C, Deines P, Boenigk J, et al. Impact of violacein-producing bacteria on survival and feeding of bacterivorous nanoflagellates[J]. Appl Environ Microbiol, 2004, 70: 1593-1599.
[23] Jeong H, Yim J H, Lee C, et al. Genomic blueprint of Hahella chejuensis, a marine microbe producing an algicidal agent[J]. Nucleic Acids Res, 2005, 33(22): 7066-7073.
[24] Dlessio R, Rossi A. Short synthesis of undecylprodigiosin, a new route to 2,2'-bipyrrolyi-pyrromethene systems[J]. Synlett, 1996, 06: 513-514.
[25] Dairi K, Tripathy S, Attardo G, et al. Two-step synthesis of the bipyrrole precursor of prodigiosins[J]. Tetranehed Lett, 2006, 47: 2605-2606.
[26] 王学东. 灵菌红素发酵与分离过程优化及其诱导癌细胞凋亡作用的研究[D]. 华东理工大学博士论文，2004-12.
[27] Tao J, Wang X D, Shen Y L, et al. Strategy for the improvement of prodigiosin production by a serratia marcescens mutant through fed-batch fermentation[J].World J Microbiol Biotechnol, 2005, 21: 969-972.
[28] Wei Y H, Yu W J, Chen W C. Enhanced undecylprodigiosin production from serratia marcescens SS-1 by medium formulation and amino-acid supplementation[J]. J Biosci Bioeng, 2005, 100(4): 466-471.
[29] Wei Y H，Chen W C. Enhanced production of prodigiosin-like pigment from Serratia marcescens SM_R by medium improvement and oil-supplementation strategies[J]. J Biosci Bioeng, 2005, 99(6): 616-622.
[30] Cang S, Sanada M, Johdo O, et al. High production of prodigiosin by Serratia marcescens grown on ethanol.[J]. Biotech Lett, 2000, 22: 1761-1765.
[31] Giri A V, Anandkumar N, Muthukumaran G, et al. A novel medium for the enhanced cell growth and production of prodigiosin from Serratia marcescens isolated from soil[J]. Bio Med Central Microbiol, 2004, 4:11.
[32] 袁保红. 一株新的海洋细菌及其灵菌红素产生条件和生物活性的研究[D]. 中山大学硕士学位论文，2004.
[33] 李厚金，蔡创华，周毅频，等，大亚湾海洋细菌Pseudomonas sp.中的红色素[J]. 中山大学学报(自然科学版)，2003，42(3): 102-104.
[34] Nakashima T, Miyazaki Y, Matsuyama Y, et al. Producing mechanism of an algicidal compound against red tide phytoplankton in a marine bacterium gamma-proteobacterium[J]. Microbiol Biotech, 2006, 73: 684-690.
[35] Kato N，Morohoshi T，Nozawa T, et al. Control of gram-negative bacterial quorum sensing with cyclodextrin immobilized cellulose ether gel[J]. J Inclu Pheno Macro Chem, 2006, 56:55-59.
[36] Feitelson J S, Hopood D A. A cloning of a streptomyces gene for an O-methyltransferase involved in antibiotic biosynthesi[J]. Mol Gen Genet, 1983, 190: 394-398.
[37] Thomason N R, Crow M A, McGowan S J, et al. Biosynthesis of carbapenem antibiotic and prodigiosin pigmentin Serratia is under quorum sensing control[J]. Mol Microbiol, 2000, 36(3): 539-556.