综述的主要目的和意义
这篇综述的主要目的是对迄今为止发现的1600多种结构新颖的二倍半萜类化合物的分离鉴定、生物学活性和生态地理分布等各方面研究进展进行全面回顾和总结。正如作者在引言中指出的:
The present review article summarizes more than seven decades of studies on isolation and characterization of more than 1600 structurally novel sesterterpenoids, supplemented by biological, pharmacological, ecological, and geographic distribution data.
当前阶段开展这样一项系统回顾工作的必要性主要体现在以下几个方面:
二倍半萜类虽然在整个萜类化合物家族中数量相对较少,但它是化学结构最为多样、生物活性最具开发前景的一个重要类群,值得专门探讨。 自20世纪50-60年代首次分离鉴定二倍半萜以来,七十多年间的研究工作积累了大量数据,迫切需要对现有认知进行系统梳理,明确已有进展和尚待解决的问题。 新的分析技术,尤其是基因组学技术的发展,为阐明二倍半萜的生物合成机制、共生意义等基础问题提供了新的研究路径,需要及时总结以往工作中存在的不足,并对未来研究方向进行展望。 二倍半萜类化合物具有多样的生物和药理活性,在新药开发等诸多领域有广阔的应用前景,梳理现有活性筛选数据,对指导后续应用研究和开发非常必要。
因此,作者认为,对二倍半萜研究进行系统性的回顾总结,反思已有成就,分析目前不足,展望未来方向,对于推动该领域的深入发展、加速应用开发进程都具有重要意义。
图8. Representative structures of sesterterpenoids isolated from bacteria.
对该领域发展历程的回顾
综述对二倍半萜研究历程的回顾主要体现在对其化学结构认知的发展脉络梳理上。作者根据二倍半萜类化合物结构复杂程度的递进,将其划分为十大类群(见表S1),由最简单的**直链无环(AI)到最复杂的六碳环(HC)**依次排列,据此对研究历程做了梳理:
The current review categorises sesterterpenoids into ten subgroups (Table S1, ESI,† Sections 1.1–1.10), based on their structural features and increasing molecular complexity, ranging from linear to hexacarbocyclic backbones.
- 早期阶段(20世纪50-70年代)
: 陆续从海绵、昆虫等生物中分离得到了最早的二倍半萜类化合物,并阐明了其基本碳架结构,代表性成果如1972年鉴定的24-methylenecholest-5-en-3b-ol等。 - 快速发展期(80-90年代)
: 随着核磁共振、X-射线衍射、手性拆分色谱等波谱和立体化学分析技术的进步,大量结构更为复杂的多环二倍半萜被鉴定出来,如单碳环manoalide(MC-13)、双碳环palauolide(DC-1)等,为后续生物活性研究奠定了化合物基础。 - 深入探索期(21世纪初至今)
: 随着二倍半萜家族的不断扩充以及生物合成研究的逐步深入,三环、四环、五环及稀有的六环二倍半萜化合物相继被发现,标志性成果包括2015年阐明四环二倍半萜astellatene(TeC-15)的生物合成途径等。同时,基于基因组数据的生物合成机制研究成为新的热点。
可以看到,二倍半萜研究经历了从发现新颖结构到探索其生物合成的发展历程。随着化学、生物学新技术的引入,未来有望在阐明二倍半萜生态功能、开发其药用潜力等方面取得更多突破。
二倍半萜类化合物的结构鉴定取得长足进步
二倍半萜类天然产物是一类结构复杂多样的次生代谢物。综述系统总结了迄今为止鉴定出的1600余种二倍半萜化合物(见表S1),涵盖了从线性到六环等各种碳架类型。作者指出:
... over 1600 structures have been reported, with tens of unique hetero- and carbocyclic ring systems.
这些成果极大拓展了人们对二倍半萜结构多样性的认知。此外,借助核磁共振、X射线衍射、手性拆分等现代波谱和立体化学技术,一些结构高度复杂的二倍半萜也被成功解析,如具有"5/5/5/6/5"稠环系统的retigeranin B (PC-4)等。
综述还系统比较了不同生物来源的二倍半萜类群在结构上的特点和差异(见图1)。可以看出,海绵中发现的二倍半萜结构类型最为丰富,几乎涵盖了所有碳架;陆生昆虫则以三环类型为主;而高等植物来源的二倍半萜虽然在数量上不占优势,但也呈现出独特的结构特征。这些认知为阐明二倍半萜结构多样性的进化生物学基础奠定了重要参考。
图1
二倍半萜生物合成机制研究取得新进展
传统上,人们对二倍半萜的生物合成机制知之甚少。但最新的研究表明,二倍半萜骨架的形成是由一类称为"嵌合萜烯合酶"的关键酶催化的。综述作者指出:
Sesterterpene synthases in fungi are all chimeric proteins consisting of a prenyltransferase (PT) domain at the C-terminus and a terpene cyclase (TC) domain at the N-terminus.
这一发现揭示,二倍半萜的生物合成实际上融合了常见的转移酶和环化酶两种催化机制。作者进一步指出:
Phylogenetic analysis led to the discovery of a sub-clade involved in the biosynthesis of a 5–15 trans-fused bicyclic sesterterpene, namely preterpestacin I (DC-245). A bifunctional terpene synthase, preterpestacin I synthase (BmTS3), from B. maydis, that catalyses a chain elongation and a cyclization to afford preterpestacin I, was identified.
这一重要进展不仅阐明了真菌中两型二倍半萜preterpestacin的生物合成途径,而且为今后通过基因工程手段创制结构新颖的二倍半萜类化合物提供了全新思路。同时,嵌合萜烯合酶基因簇在不同真核生物类群中的分布特点(见图4b),也为从进化角度理解二倍半萜结构多样性提供了重要线索。
图4
二倍半萜在生物间相互作用中的重要作用逐渐明晰
对许多海洋无脊椎动物来说,体内的二倍半萜类化合物往往并非自身合成,而是来源于共生微生物。综述指出,这种"化学仿生"行为在软体动物中尤为常见:
Dietary sesterterpenoids are common in dorids, particularly in family Chromodorididae. Most of these compounds are bioactive tetracyclic sesterterpenoid products, which are assimilated from sponge prey.
这提示二倍半萜可能在海洋生物的捕食、防御等生态互作中发挥重要作用。事实上,一些具有生物活性的二倍半萜确实被证实参与调控了海绵、藻类等生物间的相互识别和化学通讯(chemical communication)。
In the intricate interactions between microbes and their hosts and within microbial communities, sesterterpenoids act as chemical defence and communication systems to enhance beneficial associations, and thus they can be considered allelochemicals mediating species interactions.
而在植物与微生物的互作中,二倍半萜则可能参与了植物抵御外来病原菌侵染的防御反应:
In some plant–microbe interactions, sesterterpenoids produced by the plant can attract beneficial microbes that promote plant health and growth.
尽管目前对二倍半萜在生物间互作中的作用机制还了解不多,但这些发现无疑为认识其在生态系统中的重要功能提供了新的视角。今后有必要继续加强这方面的探索。
部分二倍半萜具有独特的药理活性与应用前景
一些二倍半萜类化合物已被发现具有抗肿瘤、抗炎、抗感染等多种药理活性。综述详细列举了一些具有代表性的活性二倍半萜及其作用机制和潜在应用,主要包括:
Ophiobolin类二倍半萜具有广谱抗肿瘤活性,其作用机制可能与诱导肿瘤细胞凋亡有关: TrC-2 displayed growing inhibition against 25 human cancer cells: it principally counteracts apoptosis-resistant glioblastoma cells by inducing a non-apoptotic cell death via reaction with primary amines prompting pyrrolylation of lysine residues on its intracellular target protein.
以manoalide为代表的海绵来源二倍半萜是一类有效的磷脂酶A2抑制剂,具有良好的抗炎活性和开发潜力: MC-13 is a non-specific inhibitor of phospholipases that modulates the activity of phospholipase C, human sPLA2 (IC50 = 1.7 μM), cPLA2 (IC50 = 10 μM) and snake venom sPLA2 (IC50 = 0.03 μM).
植物来源的二倍半萜如leucosceptroid对昆虫具有明显的拒食活性,有望开发成新型植物源杀虫剂: The potent antifeedant activity recommended them as self-protective molecules.
一些四环二倍半萜还被证实能抑制与神经退行性疾病相关蛋白的异常聚集,具有开发成神经保护药物的潜力: TeC-326 was able to interact with the molecular chaperone Hsp90 modulating its client proteins expression.
可以看出,天然二倍半萜类化合物代表了一个极具开发应用前景的先导化合物库(见图11)。深入开展构效关系研究,优化筛选模型和评价体系,必将加速具有自主知识产权新药的研发进程。
图11
对二倍半萜研究现状与发展趋势的启示与思考
综合以上分析可以看出,经过数十年的不懈努力,人们在二倍半萜的分离鉴定、生物合成、生态功能以及药理活性等方面取得了长足进步,极大拓展了人们对这一特殊天然产物类群的认知。然而,综述也同时指出,目前该领域的很多研究还处于初级阶段,尚有许多基础性问题有待进一步探索,主要表现在:
尽管新颖二倍半萜化合物还在不断被发现,但对其结构多样性的认识还远未达到饱和。今后有必要拓展新的生物资源,开发更为高效的分离鉴定技术,加速发现进程。 对二倍半萜生物合成机制的研究刚刚起步,许多关键的合成酶基因及其调控机制还有待鉴定,限制了今后通过代谢工程等手段实现规模化生物合成的可能性。 二倍半萜作为一类重要的化学生态分子,在生物间互作和生态系统功能维持中可能扮演关键角色。但目前对其参与调控的具体过程和机制还知之甚少,尚难对其生态学意义做出准确判断。 虽然一些二倍半萜具有良好的药理活性,但能否真正开发成为临床药物还有待进一步验证。建立规范的活性筛选模型和评价流程将是关键。
综述作者认为,未来二倍半萜研究应重点关注以下几个方面:继续加强对该类化合物的发现和鉴定,建立基于基因组分析和代谢工程的合成生物学研究平台,系统开展不同生物类群中二倍半萜的化学生态学研究,加快推进具有应用前景化合物的成药性评价和先导化合物优化。可以预见,随着多学科交叉融合的不断深入,二倍半萜将为人类在新药开发、农业增产、生态保护等诸多领域提供更多新的机遇。
总结提炼
本综述系统梳理了二倍半萜研究的重要进展,主要包括:鉴定了大量结构新颖的二倍半萜类化合物,初步阐明了该类化合物的生物合成机制,揭示了二倍半萜在生物间互作中的重要作用,并证实了部分化合物的特异药理活性。这些认知极大拓展了人们对二倍半萜结构和功能多样性的理解,但距离最终实现其药用和生态应用开发还有不小差距。未来应进一步强化多学科交叉融合,在化合物发现、合成生物学、化学生态学以及新药研发等方面多管齐下,推动二倍半萜研究不断取得新的突破,造福人类。
对未来发展趋势的预测
综述作者认为,未来二倍半萜研究的重点方向和趋势可能体现在以下几个方面:
借助基因组测序、生物信息学分析等技术,深入探索二倍半萜的生物合成机制,发掘新的骨架结构。正如作者所言: Anyway, more than 90% of the chimeric terpene synthase genes is still functionally unknown. Systematic search of sequenced fungal genomes among diverse taxa revealed that chimeric terpene synthase genes were restricted to Dikarya subkingdom.
重视二倍半萜在生态系统中的化学通讯、防御等重要作用。作者指出,将来有必要阐明二倍半萜在调控微生物-宿主互作、微生物-微生物互作中的功能和机制: Certain sponges, algae, and terrestrial plants produce sesterterpenoids to disrupt microbial membranes or ignite reactive species inside bacterial and fungal predators, whereas, in some plant–microbe interactions, sesterterpenoids produced by the plant can attract beneficial microbes that promote plant health and growth.
挖掘尚未得到充分研究的生物资源和地理区域,寻找结构新颖的二倍半萜。作者以植物界的龙胆科为例,提出该科许多物种的二倍半萜组成尚不清楚,具有很大的开发空间。 系统总结和优化已有药效筛选数据,加快具有应用前景的先导化合物的深入研究,推进其在抗肿瘤、抗感染、神经保护等领域的应用开发进程。 利用合成生物学、代谢工程等技术,在微生物宿主中异源表达二倍半萜生物合成基因,实现规模化生产,为后续的构效关系研究和应用开发提供充足的原料。
对缺乏背景的读者的启示
本综述具有很好的引导和启发作用,主要体现在:
对二倍半萜化合物类型、结构特点、生物来源、生态分布等基本知识进行了系统梳理,使读者能够对该类化合物有一个全面的整体认知。各种介绍性表格和插图为直观理解二倍半萜化学结构奠定了基础。 对数十年来该领域的研究进展做了细致回顾,帮助读者理解和把握二倍半萜研究的发展脉络,认识其中的重要节点和里程碑式成果。 在介绍二倍半萜的同时,文章还注重对相关化合物(如倍半萜)、技术方法(如基因组挖掘)等背景知识的科普,有助于读者更好地理解其研究历程。 作者围绕二倍半萜生物合成、生态学意义、药用开发前景等核心科学问题所做的讨论和展望,能引导读者深入思考,启发后续研究思路。 详实的参考文献为有兴趣进一步学习和探索的读者提供了丰富的文献资源。
Biosyn导师：Angela Bisio
https://rubrica.unige.it/static/cv/UEVCWVo=_cv_it.pdf?ts=1737480429
Angela Bisio目前是意大利热那亚大学(Università di Genova)的制药学院(Dipartimento di Farmacia)一名副教授(Professoressa associata)。她的邮箱是bisio@difar.unige.it,电话是+39 010 3552637。
Angela Bisio拥有制药化学和技术专业的博士学位,以及化学和制药技术专业的硕士学位,还拥有药学学士学位。她的科研兴趣主要包括:
通过从芳香植物和观赏植物中提取和解析新的植物成分,评估其生物活性,来提升利古里亚地区的农业价值。 将农业加工废弃物用于生产植物药物和保健品,提高其价值。 对利古里亚地区的植物进行民族植物学研究。
