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第31卷2009年12月

  第6期1011-1015页

世界科技研究与发展WORLDSCITECHR&D

Vol.31Dec.2009

  No.6pp.1011-1015

www.globesci.com 第1011  页

基金项目:国家高技术研究发展计划(863)项目 (2008AA09Z408);国家自然科学基金重点项目、主任基金项目和面上项目(No:4930847,3094002,40876061)和长江学者和创新团队发展计划项目(40821063)。通讯作者:郑天凌,教授,博士生导师,主要从事海洋环境与资源方面研究。Email:wshwzh@xmu.edu.cn,Tel:05922183217

海洋活性肽研究的回顾与展望

曾 湘1,3 郑天凌1,2

(1.厦门大学生命科学学院,滨海湿地生态系统教育部重点实验室,厦门 361005;2.厦门大学近海海洋环境科学国家重点实验室,厦门 361005;3.国家海洋局第三海洋研究所,厦门 361005)

摘 要:海洋环境资源丰富,物种多样,是活性肽开发与研究的巨大宝库。本文分析了活性肽丰富的海洋来源及生物功用,并且对活性肽的自然来源途径和人工合成来源途径进行了论述,包括活性肽的分离、纯化、合成、筛选等方面,并强调了海洋活性肽在食

品工业、医药学、畜牧业、水产养殖业、尤其是在环境保护中的应用现状与潜力,还从多角度、多层面对海洋活性肽的研究作出展

望。

关键词:生物活性;肽;海洋环境

中图分类号:O629.72;R931.77   文献标识码:A   

ReviewandProspectontheResearchoftheBioactivePeptidesfromMarineEnvironments

ZENGXiang1,3 ZHENGTianling1,2

(1.SchoolofLifeSciences,XiamenUniversity,KeyLaboratoryforCoastandWetlandEcosystem,Xiamen361005;2.StateKeyLaboratoryofMarineEnvironmentalScience,XiamenUniversity,Xiamen361005;

3.Thirdinstituteofoceanography,SOA,Xiamen361005)

Abstract:Thebiodiversityofthemarineenvironmentsandtheassociatedchemicaldiversityconstituteapracticallyunlimitedresourceofbioactivepeptides.Inthispaper,thediversityofdifferentmarinepeptidesproducingorganismsisdescribedaswellasinformationaboutchemistryandbiologicalactivitiesoftheirbioactivepeptides.Moreover,thedevelopmentofexploring,isolationandidentificationproceduresofmarinebioactivepeptidesisoffered.Theapplicationofmarinebioactivepeptideswhichhasgainedgreatattentionispresented.Keywords:bioactive;peptides;marineenvironments

1 引言

生物活性肽(bioactivepeptides)是对生物体的生命活动有益或具有生理作用的肽类化合物,是蛋白质中20个天然氨基酸以不同组成和排列方式构成的从二肽到复杂的线形、

环形结构的不同肽类的总称。自1902年,Bayliss和 Starling第1次发现活性肽

!

促胰液素(secretin)以来[1],人们对肽

的研究逐渐深入,至今已发现了数万种的生物活性肽。

海洋是生命之源,海洋生物物种占地球生物的80%以上。海洋环境复杂,化合物种类丰富,造就了海洋生物资源

丰富、种类繁多、数量庞大,具有原始性、珍稀性和多样性的

特点;海洋生物活性物质结构新颖、功能独特,是新药研究开

发和化工研究的活跃领域。海洋活性肽的结构多为小分子

环肽(cyclicpeptides)、线性多肽(linearpeptide)和缩酚肽(depsipeptides)。小分子环肽(cyclicpeptides)含有丰富的 D型氨基酸、羟基酸、新的 α氨基酸与 β氨基酸及噻酚、唑环,部分含有烯键与炔键。线性多肽(linearpeptide)是包括小于5KD的肽类直链毒素和其他小分子多肽的一类直链肽。缩酚肽(depsipeptides)是由羟基酸和氨基酸以酯键和酰胺键交替连接构成的一类寡聚物,以环状结构较为常见。本

文从海洋活性肽的生物来源、研究方法及应用前景这三方面

综述其研究概况,并提出展望。

2 海洋活性肽的生物来源

海洋动物种类丰富,数量庞大。多孔动物门(Porifera)的海绵(Sponges)一直是研究活性肽的热点对象,自1950年来已从中分离得到的活性物质约三百多种,如 Discodermins、FenestinsA、GeodiamolidesAG、MicroscleroderminsCE、PhakelistatinI、PapuamidesAD、PolydiscamideA、TheonellamidesAF等活性肽的结构和功效已展开了深入的研究[2~4]。被囊动物海鞘(Ascidians)种类丰富,分布广泛,从中分离的缩酚肽DidemnimA、B具有抗肿瘤、抗病毒及增强免疫力的作用;StyelinD具有依赖盐离子的抗菌作用;TamandarinsA、B具有细胞毒作用[4]。海葵(Seaanemones)的触手及身体富含多肽类毒素,如鞘磷脂抑制性碱性多肽

存在于16种海葵中;另还分离了胆固醇抑制活性肽和多肽AiptasiolisinA等[5]。海参(Holothurian)体壁中含有多种活性多肽,具有抗肿瘤和抗炎活性[6]。软体动物门(Mollusks)中的牡蛎、海兔、螺类也是海洋活性肽的重要来源。已发现

的芋螺毒素有近百种,多为小肽,且富含二硫键[7]。甲壳动

物(Crustaceans)中的蟹、虾、鲎常常是海洋抗菌肽的重要来源。Nakamura等从亚洲鲎中纯化出抗菌肽鲎素(Tachyplesin)[8]。王克坚等从锯缘青蟹(Scyllaserrata)中分离纯化获得一种新阴离子抗菌肽(Scygonadin),并利用分子生物学技术检测其在体内各组织器官中的转录表达情况[9,10]。海洋

鱼类种类丰富,从中分离的活性多肽有鱼精蛋白和降钙素

等[11]。

海洋植物也是活性肽的重要来源。微藻在生长过程中

不断向周围环境释放多种代谢产物。肽类肝毒素是由蓝藻

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产生的两类主要毒素之一,其至少包括53种有关的环状肽,由7种氨基酸组成的肽叫微囊藻素(microcystin),由5种氨基酸组成的肽叫节球藻素(nodularin)[12]。小定鞭金藻(Prymnesiumparvum)产生的定鞭金藻素(prymnesin)具有细胞毒性、溶血和解痉作用。蓝绿海藻(Lyngbyamajuscula)中分离到具有细胞毒活性的环肽(majusculamideC)[13]。硅藻可产生肽类神经毒素软骨藻酸[14]。Stabell等在棕囊藻(Phaeocystispouchetii)的提取物中发现了有溶血毒性、麻醉特性和鱼毒性的毒素,具有很高的潜在利用价值[15]。

海洋微生物是巨大的未开发的资源宝库,在近海、深海、

海底热液口、极地的微生物资源考察是目前科学研究的焦

点[16~19]。据研究发现,约27%的海洋微生物都能产生抗菌活性物质,70%的海洋真菌次级代谢产物都具有活性,海洋共生微生物中均含有丰富的生物活性物质[20]。海洋细菌中

已报道的活性肽较多,如从放线菌中分离的 Quinoxapeptins、Thiocoraline和 Himastatin[21],从蓝细菌中分离的 Cryptophycins和Micropeptins等[22],从蜡样芽胞杆菌(Bacilluscereus)中分离的Homocereulide和Cereulide。Thiocoraline是由海洋小单胞菌产生的一种缩肽类物质,具有抗肿瘤作用,即将

进入临床Ⅰ期[23]。海洋细菌Alteromonasluteoviolacea中分离的AlterobactinA能强烈地络合铁离子。另外,在藻类共生微生物中发现了可抑藻、杀藻的活性蛋白,对防止赤潮、发现新

的海洋活性物质具有重要的意义。Lee等从假交替单胞菌(Pseudoalteromonassp.)A28培养液中分离到一种能杀死骨条藻的胞外蛋白酶[24]。Amaro等发现杀藻细菌的培养液表现出多种胞外酶活性和杀藻活性,表明其可能是通过胞外酶

来杀死藻细胞[25]。Imamura等分离到一株鞘氨醇单胞菌属细菌(Sphingomonassp.),其能够分泌一种对微囊藻有强烈杀灭活性的五肽 ArgimicinA,是一种高效的、选择性的杀藻物质[26]。郑天凌等研究了微生物多样性在赤潮调控中的作

用,研究发现塔玛亚历山大藻藻际细菌的群落结构改变和数

量剧增是溶藻的主要原因,细菌分泌的 β葡萄糖苷酶、几丁质酶和疑似多肽的化合物可能在溶藻过程中起重要作

用[27~29]。同时,海洋细菌被发现具有毒素、多环芳烃降解酶

等各种水解酶类和其他肽类而具有极高的应用前

景[17,29~32]。海洋真菌分离获得的活性肽相对较少。真菌

Leptophaeriaobiones中分离到一种新的多肽 ObioninA,其能够抑制多巴胺选择性配体与中枢神经系统膜的结合[33]。青

霉菌(Penicilliumalgidum)中也发现具有抗肿瘤活性的多肽[34]。海洋酵母中分离获得了具有工业应用前景的蛋白酶

等[35]。已发现的缩酚酸肽主要有具有抗病毒活性的 Sansalvamide和尚未确定有何活性的 ExumoidesA、B和 Aureobasidins[36]。

3 海洋活性肽的研究方法

活性肽的获取途径主要有两类,一类是自然存在于海

洋生物中的活性肽,主要包括肽类抗生素、激素等生物体的

次级代谢产物和生物各组织器官中存在的活性肽及常通过

蛋白质酶解等方法从自然存在的海洋生物肽中产生的活性

肽。第二类则是最近二十年来提出的由人工技术合成的“人

工肽”,其依赖已知信息对肽的序列、结构进行人工设计构

造。另外,对活性肽的一系列高通量筛选方法已被应用,主

要包括免疫检测(如细胞印迹)、构效筛选(如基于核磁共振

的构象筛选)、细胞水平上的筛选(如反双杂交系统)等[37]。

3.1 获取天然来源的活性肽对多肽提取分离,常首先利用化学方法如生物碱抽提、

醇提取、石油醚脱脂、氯仿或乙酸乙酯萃取等方法使蛋白、多

肽与其他化合物分开,再进行下一步的精细纯化。常用的方

法包括:盐析法、超滤法、凝胶过滤法、等电点沉淀法、离子交

换层析、亲和层析、吸附层析、逆流分溶、酶解法等[38],这些

方法常常组合到一起对特定的物质进行分离纯化和分析。

高效液相色谱(HPLC)可以在短时间内完成分离目的且制备具有生物活性的一定规模的多肽。利用反相高效液相色谱

(RPHPLC)分离多肽需通过确定结构、肽链长度、氨基酸组成、温度等不同条件的多肽在柱上的保留情况,利用计算机

处理分析得到多肽分离提取的最佳条件[39,40]。层析法在蛋

白质及多肽分离纯化中的应用十分普遍,如离子交换层析、

疏水交换层析及凝胶过滤层析。HeeGukByun等以阿拉斯加狭鳕鱼皮胶原蛋白为原料,采用层析法及反相高效液相

色谱法得到2种活性肽[41]。毛细管电泳技术,同样可用于

分离纯化多肽[42]。

通过化学分析方法,还可以确定活性肽的组成及构象。

质谱分析(MassSpectrometry,MS)的高灵敏性、快速性特别适合多肽物质分析鉴定。连续流快原子轰击质谱(ContinuousFlowFastAtomBombardment,cfFAB),是一种弱离子化技术,主要应用于肽类的分离检测,具有中等分辨率,精确度

较高。电雾离子化质谱(ElectrosprayIonization,EIS)可产生多价离子化的蛋白或多肽,适合分子量大的蛋白质的分析。

质谱HRFABMS和FABMS测定可提供环肽化合物精确的分子量和分子式组成,并可算出该化合物的不饱和度、碎片

结构以及氨基酸顺序等信息。核磁共振(NuclearMagneticResonance,NMR)可用于确定氨基酸序列、定量混合物中的各组分组成含量等分析。1HNMR和13CNMR测定提供氨基酸残基质子和碳的化学位移大致归属。应用 HMQC、HMBC、1H1HCOSY、TOSCY、HMQCTOCSY等二维核磁技术,并结合质谱FABMS提供的信息,对肽化合物分子的化学位移进行全指定,可确定氨基酸的连接顺序。酸水解后应用氨基酸

自动分析仪进行氨基酸组成分析。应用 L或 D型氨基酸氧化酶酶解测定氨基酸绝对构型。应用 NOESY和 ROESY核磁技术以及CD和Xray等方法分析环肽的构象。IR、UV光谱、CD、圆二色谱、生物鉴定法、放射性同位素标记法及免疫学方法等都已应用于多肽类物质的结果鉴定、分析检测中。

3.2 人工合成的活性肽获得天然海洋活性肽存在着一些制约因素:产活性肽的

生物数量较少、很难获得;大量海洋生物在现有实验室条件

下不能人工培养;有些生物活性物质在生态系统中存量极

微,大规模进行样品采集和分离提纯这些化合物存在一定的

困难。合成生物学通过设计和构建自然界中不存在的人工

生物系统来解决能源、材料、健康和环保等问题,包括两重含

义:(1)新的生物零件、组件和系统的设计与构建;(2)对现

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有的、天然存在的生物系统的重新设计。

1988年,Mutter提出了全新的“多肽工程”概念,力图通过已知的活性肽的化学物理性质设计组成、构象及修饰,

DNA重组技术表达多肽等方法人工合成活性多肽[43]。目

前,已发展出基因表达肽库和化学组合肽库,给肽类的高通

量获取带来了革命性的进展[44]。基因表达肽库是指设计一

些短核苷酸片断,并用其建立生物基因小核苷酸文库(如噬

菌体展示库、质粒文库),大量表达产生未知功能的多肽片

断,再对目标分子或细胞进行功能筛选;或利用已有生物的

基因文库通过体内或体外的真核细胞、原核细胞表达体系对

多肽进行表达、筛选[44]。环境宏基因组的建立,更利于克

隆、表达出一系列难于获得的不可培养生物的生理活性物

质[45,46]。化学组合肽库是指随机合成多肽分子形成的肽库,

其形成的多样性与合成的片断长短相关(20n,n为氨基酸个数)。目前,组合肽库(Combinatorialpeptidelibraries)已被用于药物活性多肽的筛选[47]。随着分子生物学的发展,许

多海洋活性肽的基因或 cDNA被克隆、表达和分离出来[9],

许多表达后的融合蛋白也表现了生物活性[48]。2003年,Schultz等在大肠杆菌的蛋白质合成系统中引入新的化学成分,从而成功地合成了包含非天然氨基酸的蛋白质[49]。而

对于小分子多肽常采用固相合成技术来合成,其具有提高产

率、分离纯化过程简单、立体构象位置准确等优越性[50]。同

时,稳定同位素技术的应用与发展,使其在未可培养微生物

的寻找、功能基因筛选、生化代谢途径的研究、蛋白功能等方

面存在着巨大的潜能[51]。

4 海洋活性肽的开发应用

海洋活性肽的探索和发展,推动了人们对海洋活性肽

的认识,其具有易消化吸收、无致畸变作用、无蓄积毒性、不

易产生抗药性、结构新颖等优点,加速了活性肽在各领域中

的应用。

4.1 在食品工业中的应用在食品工业中,活性肽类食品作为一种新型保健食品,

具有独到的特性和功能,在食品工业中具有广阔的应用前

景,但对生产工艺和加工条件更严格,需考虑对肽活性的影

响。目前科学家用胃蛋白溶解酶从海洋鳕鱼鱼骨中分离了

钙离子结合蛋白[52],可用于食品钙强化剂,增强肠道对钙的

吸收及在体内的保持。在日本,来自鱼贝类的降血压肽已用

于生产降压食品。另外,肽类食物是具有生物特性的更安全

的食品添加剂,如抗菌肽作为保藏剂可抑制食品及化妆品中

的各种病原微生物的生长,还可作为调味肽、增强风味肽、减

少苦味肽。

4.2 在畜牧业及水产养殖业中的应用以抗菌肽为例,抗菌肽易消化吸收,可作为新型绿色饲

料添加剂取代或部分取代目前饲喂动物所用的抗生素,减少

抗生素对动物体的危害及药物残留问题,并可对抗病原微生

物的耐药性。利用基因工程技术体外生产抗菌肽,以替代传

统的抗生素,或作为环保型饵料添加剂,不仅可增强水产养

殖生物的抗病能力,而且还可以提高养殖水产品的质量,因

此,研究开发抗菌肽具有广阔的前景[53]。另外,直接将抗菌

肽基因导入动植物体内表达,可明显提高动植物的抗病能力

和传染病防治。

4.3 在医药学中的应用活性肽应用于药品,其药物活性作用位点集中于较短的

多肽链上,可以减少非目标活性成分的不良反应,以提高药

物的有效作用值和生理活性,而且由于其生物本质(肽),较

其它化合药物而言,其造成的毒副作用较小。因此,生物活

性肽在医药中有广阔的应用前景,有望成为抗菌素、抗病毒

素、抗癌药物的新来源。在药物开发中的应用主要表现在以

下几个方面:(1)寻找细胞因子的拮抗剂和激动剂;(2)筛选酶的抑制剂;(3)分析未知的抗原表位;(4)疫苗研究等。Pettit小组于1976年从海兔(Dolabellaauricularia)中首次分离发现的抗肿瘤活性成分环肽 dolastatins10,其作为潜在抗肿瘤药物在九十年代已进入临床Ⅰ期测试,其人工合成替代产品作为替代物已进入临床Ⅱ期测试[54]。目前Dolastatin15和许多dolastatins衍生物,如Soblidotin(TZT1027,AuristatinPE)、Cematodin(LU103793)、Synthadotin等均处于临床测试阶段[55,56]。来源于 Elysiarufescens和其共生海藻 Bryopsissp.中的KahalalideF也得到了广泛的关注,目前正处于临床Ⅱ期测试[57]。

4.4 在环境保护中的应用随着工农业的迅速发展,有机污染和富营养化使有害

赤潮在中国的发生规模和频度呈急剧上升趋势,对我国沿海

造成了严重的生态、资源、环境问题和重大的经济损失[58]。

探索有效、经济、无二次污染、生态风险小的控制赤潮发生的

方法是当前环境科学的一项重要任务。笔者近年来着重于

赤潮生物防治和微生物降解及其生物修复。在赤潮生物防

治中,主要研究藻菌关系,从而寻找预防及控制赤潮发生的

生物治理途径[30,59~60]。本实验室从厦门西海域分离到几株

海洋细菌,在一定条件下具有显著的抑制塔玛亚历山大藻生

长和产毒的能力,活性肽可能起了很大的作用[29]。本实验

室还成功地对塔玛亚历山大藻培养液进行除菌,获得其无菌

培养体系[61],并以此体系从东海赤潮区分离并筛选到8株能杀死塔玛亚历山大藻的海洋细菌,这是有关塔玛亚历山大

藻杀藻细菌的首次报导,这些细菌均是通过其胞外分泌物进

行杀藻的。目前我们已经对其中活性最强的1株假交替单胞菌(Pseudoalteromonassp.)SP48的胞外分泌物作了初步研究,发现其具有很好的热稳定性,且极性较大,可能是一活

性肽,对其杀藻活性物质的分离鉴定工作正在进行中[32]。

另外,本实验室也着力于微生物降解及其生物修复,已分离

高效BaP降解菌株,其降解酶及多肽类在治理海洋石油、多环芳烃污染中将有重要的应用前景[18,62]。

5 研究展望

海洋活性肽的研究是21世纪海洋研究开发中一个非常重要的领域,其开发正处于迅猛发展的时期,并已经取得一

定成果。在今后的研究中,应该致力于采用新方法、新技术

来开发海洋活性肽。一方面,通过合成生物学的方法对活性

肽分子进行合理设计、改造、合成,得到数目可观的化学合

成肽库,大规模生产获取药用成分,以筛选出具有开发前景

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的先导化合物;另一方面,需要通过基于分子生物学的方

法,如最新的生物勘探技术发现新物种、借助分子表达系统

建立基因表达肽库、通过定向高通量筛选等,对海洋肽资源

进行大规模的筛选及生产;还应从分子水平揭示活性肽作用

的机制,探明活性肽本质。同时,必须加强海洋活性肽在医

药业、工业、农业、环境保护中的应用研究。目前我国在该领

域的研究基础还相当薄弱,国家应加大对海洋活性肽研究

的投入,以拓展和深化该领域的研究,努力提高中国在此领

域的竞争力。

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作者简介

曾湘(ZENGXiang,1981),女,博士研究生,主要从事海洋资源与环境微生物学方面的研究。

(责任编辑:房俊民)


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