实验海洋生物学重点实验室知识库

    天然产物长期以来被认为是强效药物分子的重要源泉，目前全球临床使用的药物50%以上来源于天然产物及其衍生物。由于耐药菌株和诸多疾病的出现使得对新药物分子的需求日益迫切，近年来深海海洋天然产物研究成为新的热点研究领域之一。深海青霉由于其特殊的生存环境，已经成为海洋天然产物的重要生产者，越来越受到研究人员的关注。

     本论文聚焦于深海冷泉沉积物来源青霉次级代谢产物的研究。通过分子生物学鉴定、文献检索、薄层层析色谱（TLC）分析以及高效液相色谱（HPLC）分析等多种手段对深海冷泉沉积物来源青霉进行筛选，从中选择了Penicillium corylophilum CS-682和Penicillium sp. CS-726作为目标菌株开展次级代谢产物的化学多样性和生物活性研究。

    对上述两株青霉属真菌进行规模化发酵，并综合应用色谱手段对发酵粗提物分离纯化获得单体化合物。对单体化合物综合应用核磁共振谱（NMR）、紫外光谱（UV）、高分辨质谱（HR-MS）等现代波谱学方法确定平面结构，同时结合NOSEY谱图、JBCA分析、DP4+分析以及ECD计算对新化合物的立体构型进行确定。最终从两株青霉中鉴定34个单体化合物，包括4个新化合物以及2个新天然产物。

    从菌株Penicillium corylophilum CS-682中分离鉴定29个单体化合物，包括2对新的羟基苯乙酸衍生物对映异构体（(±)-PC1和(±)-PC2），1个新的α-吡喃酮衍生物（PC3），2个二肽衍生物新天然产物（PC4和PC5），以及一系列andrastin型混源萜类化合物。对部分化合物进行了抗菌和抗肿瘤活性测试，结果发现化合物PC6对多株致病菌表现出抑制活性，对铜绿假单胞菌、大肠埃希氏杆菌、迟缓爱德华氏菌、创伤弧菌的MIC值均为16 μg/mL，对副溶血性弧菌的MIC值为32 μg/mL。化合物PC1-PC3对迟缓爱德华氏菌表现出抑制活性，MIC值分别为64、64、16 μg/mL。化合物PC3、PC6、PC7和PC9对铜绿假单胞菌的MIC值分别为32、16、32、8 μg/mL。另外，化合物PC2对蓝莓尖孢菌表现出微弱的抑菌活性，MIC值为64 μg/mL。化合物PC3对肿瘤细胞系293T表现出微弱的细胞毒活性，在20 μM浓度下抑制率为31.63%±1.38%。

    从菌株Penicillium sp. CS-726中分离鉴定5个单体化合物，包括1个新的氮杂苯酞类化合物（PS1）。下一步计划对部分化合物进行生物活性测试。

    综上所述，本论文对两株来源于深海冷泉沉积物的青霉属真菌开展了次级代谢产物研究，并从中筛选出多个具有抗菌活性的化合物，为深海青霉属真菌次级代谢产物的研究提供了参考案例。

    Natural products have long been recognized as a well-spring of potent drug molecules, and more than 50% of drugs in clinical use worldwide are derived from natural products and their derivatives at present. Due to the emergence of drug-resistant strains and many diseases, the need for new drug molecules is increasingly urgent, and the study of deep-sea marine natural products has become one of the new hot research areas in recent years. Because of its special living environment, deep-sea Penicillium fungi has become an important producer of marine natural products, and has been paid more and more attention by researchers.

    This paper focuses on the study of secondary metabolites of Penicillium fungi from deep-sea cold seep sediments. Penicillium fungi from deep-sea cold seep sediments were screened by molecular biological identification, literature search, thin layer chromatography (TLC) and high-performance liquid chromatography (HPLC). Penicillium corylophilum CS-682 and Penicillium sp. CS-726 were selected as target strains to study the chemical diversity and biological activity of secondary metabolites.

    The two strains of Penicillium fungi were fermented on a large scale, and the monomer compounds were separated and purified from the crude extracts by chromatographic methods. The planar structure of the monomer compound was confirmed by nuclear magnetic resonance spectrum (NMR), ultraviolet spectrum (UV), high-resolution mass spectrum (HR-MS) and other modern spectroscopic methods. Meanwhile, the stereo configurations of the new compound were determined by NOSEY spectrum, JBCA analysis, DP4+ analysis and ECD calculation. Finally, 34 monomer compounds were isolated and identified from two strains of Penicillium sp., including 4 new compounds and 2 new natural products.

    Twenty-nine monomer compounds were isolated and identified from strain Penicillium corylophilum CS-682, including two pairs of new enantiomeric hydroxyphenylacetic acid derivatives ((±)-PC1 and (±)-PC2), and a new α-pyrone analogue (PC3). Two new natural products of dipeptide derivatives (PC4 and PC5), and a series of andrastin-type meroterpenoids. The antibacterial and antitumor activities of some compounds were tested. The results showed that PC6 showed inhibitory activity against multiple pathogenic bacteria, and the MIC values of PC6 against Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli, Edwardsiella tarda and Vibrio vulnificus were 16 μg/mL, the MIC value of Vibrio parahaemolyticus was 32 μg/mL. PC1-PC3 showed inhibitory activity against Edwardsiella tarda with MIC values of 64, 64 and 16 μg/mL, respectively. The MIC values of PC3, PC6, PC7 and PC9 against Pseudomonas aeruginosa were 32, 16, 32 and 8 μg/mL, respectively. In addition, compound PC2 showed weak inhibitory activity against Fusarium oxysporum with a MIC value of 64 μg/mL. PC3 has weak cytotoxic activity against tumor cell 293T, and the inhibitory rate is 31.63%±1.38% at the concentration of 20 μM.

     Five monomer compounds were isolated and identified from strain Penicillium sp. CS-726, including a new azaphthalide derivative (PS1). The next step is to test the biological activity of some of the compounds.

       In summary, this paper carried out a study on secondary metabolites of two strains of Penicillium fungi derived from deep-sea cold-seep sediments, and screened out a number of compounds with antibacterial activity, which provided reference cases for the study of secondary metabolites of deep-sea-derived Penicillium fungi.

目  录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2  深海青霉来源的聚酮类化合物 3

1.3  深海青霉来源的生物碱类化合物 12

1.4  深海青霉来源的萜类化合物 17

1.5  深海青霉来源的其他类型化合物 26

1.6  小结 30

第2章 深海冷泉沉积物来源真菌Penicillium corylophilum次级代谢产物研究及生物活性评价 31

2.1  实验部分 31

2.1.1 实验仪器及材料 31

2.1.2 菌株CS-682的鉴定与保藏 32

2.1.3 菌株CS-682的筛选与发酵 33

2.1.4 菌株CS-682发酵产物的分离与纯化 34

2.1.5 化合物结构解析方法 36

2.1.6 菌株CS-682化合物生物活性测试 36

2.2 菌株CS-682化合物的结构解析 38

2.2.1 菌株CS-682新化合物的结构解析 38

2.2.2 菌株CS-682新化合物的物理性质和波谱数据 45

2.2.3 菌株CS-682已知化合物的结构解析 46

2.3 菌株CS-682化合物的生物活性测试 58

2.3.1 菌株CS-682化合物的抗菌活性测试 58

2.3.2 菌株CS-682化合物的抗肿瘤活性测试 59

2.4 本章小结 60

第3章 深海冷泉沉积物来源真菌Penicillium sp. CS-726次级代谢产物研究 61

3.1 实验部分 61

3.1.1 实验仪器及材料 61

3.1.2 菌株CS-726的鉴定与保藏 61

3.1.3 菌株CS-726的筛选与发酵 62

3.1.4 菌株CS-726发酵产物的分离与纯化 64

3.1.5 化合物结构解析方法 64

3.2 菌株CS-726化合物的结构解析 65

3.2.1 菌株CS-726新化合物的结构解析 65

3.2.2 菌株CS-726新化合物的物理性质和波谱数据 66

3.2.3 菌株CS-726已知化合物的结构解析 66

3.3 本章小结 68

第4章 结论与展望 69

4.1 结论 69

4.2 创新点 69

4.3 展望 70

参考文献 71

附录 部分化合物NMR图谱 79

致  谢 89

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与其他相关学术成果 91

图目录

图1-1 近五年海洋天然产物研究趋势（Carroll A R et al., 2024） 2

图1-2 海洋青霉的来源（A）、天然产物类型（B）和生物活性类型（C）（Ma H G et al., 2016） 2

图1-3 化合物1-9分子结构 3

图1-4 化合物10-21分子结构 4

图1-5 化合物22-41分子结构 5

图1-6 化合物42-57分子结构 5

图1-7 化合物58-68分子结构 6

图1-8 化合物69-93分子结构 7

图1-9 化合物94-110分子结构 8

图1-10 化合物111-122分子结构 9

图1-11 化合物123-150分子结构 10

图1-12化合物151-165分子结构 10

图1-13 化合物166-178分子结构 11

图1-14 化合物179-189分子结构 12

图1-15 化合物190-197分子结构 13

图1-16 化合物198-210分子结构 13

图1-17 化合物211-232分子结构 15

图1-18 化合物233-244分子结构 15

图1-19 化合物245-254分子结构 17

图1-20 化合物255-263分子结构 18

图1-21 化合物264-269分子结构 19

图1-22 化合物270-284分子结构 19

图1-23 化合物285-302分子结构 20

图1-24 化合物303-313分子结构 21

图1-25 化合物314-323分子结构 22

图1-26 化合物324-338分子结构 23

图1-27 化合物339-365分子结构 24

图1-28 化合物366-374分子结构 26

图1-29 化合物375-382分子结构 27

图1-30 化合物383-393分子结构 27

图1-31 化合物394-409分子结构 28

图1-32 海洋青霉的天然产物类型（A）、生物活性类型（B）和来源（C） 30

图2-1 菌株CS-682来源、平板照片以及大米培养基照片 33

图2-2 菌株CS-682不同培养基发酵粗提物HPLC分析结果 33

图2-3 菌株CS-682大米培养基规模化发酵粗提物HPLC分析结果 34

图2-4 菌株CS-682发酵产物分离纯化流程图 34

图2-5 化合物PC1的结构以及COSY、HMBC相关 38

图2-6 化合物PC1中C-1’和C-4’位手性中心的JBCA分析 40

图2-7 化合物PC1的手性拆分（A）和ECD谱图分析（B） 40

图2-8 化合物PC2的结构以及COSY、HMBC相关 41

图2-9 化合物PC2的手性拆分（A）和ECD谱图分析（B） 42

图2-10 化合物PC3的结构以及COSY、HMBC相关 42

图2-11 化合物PC3的NOESY相关 43

图2-12 化合物PC3中C-5和C-6位手性中心的JBCA分析 44

图2-13 化合物PC3 DP4+分析可能的两种构型 44

图2-14 化合物PC3两种可能结构的DP4+分析结果 45

图2-15 化合物PC3的ECD谱图分析 45

图2-16 化合物PC4的结构以及COSY、HMBC相关 46

图2-17 化合物PC5的结构以及COSY、HMBC相关 47

图3-1 菌株CS-726在PDA培养基上生长形态照片 61

图3-2 菌株CS-726的系统进化树 62

图3-3 菌株CS-726不同培养基发酵粗提物HPLC分析结果 63

图3-4 菌株CS-726大米培养基发酵粗提物HPLC分析结果 63

图3-5 菌株CS-726粗提物分离纯化示意图 64

图3-6 化合物PS1的结构以及COSY、HMBC相关 65

图3-7 化合物PS1的ECD谱图分析 66

表目录

表2-1 仪器型号和生产商 31

表2-1 仪器型号和生产商（续表） 32

表2-2 实验耗材和生产商 32

表2-3 抗细菌活性测试供试菌株 37

表2-4 抗真菌活性测试供试菌株 37

表2-5 化合物PC1和PC2核磁数据（DMSO-d6） 39

表2-6 化合物PC3核磁数据（CD3OD） 43

表2-7 化合物PC4和PC5核磁数据（DMSO-d6） 47

表2-8化合物PC6-PC10核磁数据（DMSO-d6） 51

表2-9 化合物PC11-PC15核磁数据（DMSO-d6） 53

表2-10 化合物PC16-PC20核磁数据（DMSO-d6） 54

表2-11 化合物PC21-PC25核磁数据（DMSO-d6） 56

表2-12 化合物PC26-PC29核磁数据（DMSO-d6） 57

表2-13 菌株CS-682部分化合物抗细菌活性测试结果 58

表2-14 抗肿瘤活性测试供试细胞系 59

表2-15 抗肿瘤活性测试初筛结果 59

表3-1化合物PS1核磁数据（DMSO-d6） 65

表3-2 化合物PS2-PS6核磁数据（DMSO-d6） 67