地皮菜源天然产物的生物学活性及其应用

李卓玉,郭敏

(1.山西大学 生命科学学院;2.山西大学 生物技术研究所,化学生物学与分子工程教育部重点实验室;3.山西大学 生物医学研究院,山西 太原 030006)

地皮菜源天然产物的生物学活性及其应用

李卓玉1,2,3,郭敏1,2,3

(1.山西大学 生命科学学院;2.山西大学 生物技术研究所,化学生物学与分子工程教育部重点实验室;3.山西大学 生物医学研究院,山西 太原 030006)

地皮菜是一种念珠藻属的蓝绿藻,在我国和世界多地广泛分布。大量研究表明地皮菜中的营养全面而丰富。文章综述了关于地皮菜的生理活性和生物学活性的研究进展,包括耐旱性和抗紫外线辐射作用、光合作用和促生长作用及抗肿瘤和免疫调节等活性,旨在增强人们对地皮菜源天然产物及其资源价值的全面认识,为其进一步的开发利用提供一定的理论指导。

地皮菜；生理活性；生物学活性；抗肿瘤活性；开发利用

0 引言

地皮菜(Nostoccommune),又称普通念珠藻、地木耳,俗名地耳、地踏菜、地踏菇、地软等;属于蓝藻纲念珠藻科念珠藻属,是一种肉眼可见的大型蓝绿藻(图1)[1]。地皮菜性喜潮湿,多生长在雨后低矮的草丛、荒坡和地头;在淡水水域、陆地、热带以及南北两极地区都有分布[2-3],在我国主要分布在山西、甘肃、黑龙江及安徽等地[4],在世界其他国家诸如菲律宾、日本、秘鲁也有相关的报道[5-6]。

Fig.1 Nostoc commune Vaucher in nature[1]图1 图示野生的地皮菜[1]

地皮菜营养全面而丰富,含有多种氨基酸、蛋白质、糖类、多种矿质元素及一定的粗脂肪和粗纤维等。其中总蛋白质含量占干重高达52%-56%,高于同类的发菜、海带、紫菜等,是人体很好的蛋白质来源[2-3,7];地皮菜含有人体所需的各种氨基酸,其中人体必需的 8种氨基酸含量尤其丰富,而且它们的比例与人体的需要十分接近[8];除此之外,地皮菜的脂肪含量很低,同时包含多种小分子多糖和蛋白多糖,如海藻糖、木糖、果胶多糖类及胞外多糖(extracellular polysaccharide,EPS)等[3,9]。此外,地皮菜中还含有钙、铁、磷、锌、钾等多种矿物质和丰富的胶质:可谓一座优质的“天然营养库”。

大规模的人工培养地皮菜目前还难以实现,严重制约了人们对地皮菜及其资源价值的深入认识和开发利用。本文综述了地皮菜本身的生理活性,包括耐旱性、抗紫外线辐射和光合作用,促进其他生物生长的效应,以及抗肿瘤和免疫调节活性,以期增强人们对地皮菜的全面认识和理解,为其进一步开发利用奠定理论基础。

1 耐旱性和抗紫外线辐射作用

地皮菜的藻体能够很好地适应环境中“干燥-湿润”的循环往复:干燥环境中的藻体几乎没有任何的代谢能力,但是它们可以保留代谢能力长达100 a之久,一旦遇到有水的环境,即可以迅速恢复呼吸和光合作用,这种现象称为“脱水休眠”。由此可以看出地皮菜具有十分强大的耐旱性,可以在干旱环境中或恶劣的极地地区长时间存活。因此,人们推测地皮菜可能进化出了某种特殊的机制以适应严酷的自然环境[10]。

蓝细菌普遍都会产生胞外多糖,地皮菜的EPS由多种糖类组成,占其干重60%-80%之多[11-13]。自然状态中的地皮菜具有很强的吸水性,可以被大气中的水分迅速水化。Sakamoto等构建了一种EPS缺失而不破坏地皮菜细胞及其放氧能力的细胞模型,发现干旱处理的去EPS的细胞放氧能力大大降低，推断地皮菜的耐旱性和EPS的完整性有十分密切的关系,这也是人们第一次直接证明了地皮菜在环境胁迫下的生理活性[11]。 Loos等分离鉴定出一种新的低聚半乳糖,继而证明了它可以在一定程度上保护机体中的α-淀粉酶活性同时还可以活化脱水处理的大肠杆菌,表明这种聚糖可以在一定程度上维持地皮菜的生命活力,从而免受高温和干旱环境的危害[14]。叶顺峰等报道在拟南芥中发现了地皮菜标志基因wspA的异种表达,在渗透胁迫下生出更繁茂的根系,可以作为一种新的原核生物资源用以在遗传工程作物领域挖掘关键基因[15]。

在进化过程中,光合细菌演变出许多方式来阻挡太阳的紫外辐射造成的损害,包括DNA损伤修复过程、逃避紫外辐射的行为和合成可以吸收辐射的色素。人们首次在陆生蓝细菌中发现了能够吸收或筛选紫外辐射的色素:scytonemin,特异性的存在于大约300种蓝细菌的藻鞘中,可以吸收UV-A(λmax=320～400 nm)、UV-C(λ max=250 nm)和UV-B(280～320 nm)的辐射,而大量的scytonemin足可以吸收85%～90%的进入细胞的UV-A辐射[16-17]。Sakamoto等发现地皮菜中一系列结构特别的菌胞素样的氨基酸 (mycosporine-like amino acids,MAAs)具有特殊的紫外吸收光谱和明显的清除自由基活性,表明MAAs对地皮菜有多重保护作用[10]。由此人们认为许多次生代谢产物在生物的环境胁迫中发挥着重要作用,例如通过光保护作用和抗氧化性抵抗紫外辐射和干旱。

2 光合作用和促生长作用

关于蓝细菌的光合作用及其具体的分子机制还存在很多疑问。Capasso等报道了南极地区地皮菜中的一种γ-碳酸酐酶(carbonic anhydrase,CA,EC 4.2.1.1)的克隆和酶活力,并发现卤化物、类卤化物、碳酸氢盐、硝酸盐、亚硝酸盐和许多复杂的无机阴离子均可以在毫摩尔浓度范围内抑制碳酸酐酶的活性。由于γ-CAs分布在参与光合作用的羧酶体中,因此给我们提供了一种关于蓝细菌光合作用中的新解释[18]。除此之外,他们还发现磺胺类药物也可以有效抑制γ-CA的活力,从而大大提高了光合作用的速率[19]。

值得注意的是,地皮菜不仅本身具有强大的生命力,同时还可以“泽被”其他生物,发挥一定的生态效应。盛家荣等发现地皮菜中的一种蛋白多糖复合物可以提高水稻、黄淮夏大豆和番茄的发芽率,延迟白菜、小白菜等的开花时间,表明该提取物可以有效地调节植物生长[20]。Ansín等研究了裸露的碱性土壤上地皮菜的生态效应,发现地皮菜覆盖的土壤中长出了更多的幼苗,进一步检测表明土壤中含有较多的有机质、碳源和氮源和较低的pH值,由此他们推测地皮菜的“包被”对碱性土壤具有重要的生态效应,地皮菜不仅可以改善土壤的性质,还可以促进种子发芽和幼苗生长,并提高一年生植物的生理抗性[21]。刘桂霞等测定了地皮菜水提物对野生小秦艽种子萌发的影响,结果表明低浓度的水提物可以有效提高小秦艽的发芽率,因此可以作为一种野生植物的生物刺激素,尤其在拯救稀有和濒危物种工作中具有潜在的价值[22]。

3 抗肿瘤和免疫调节活性

对于肿瘤的治疗方法主要有手术、化学及放射疗法。化学疗法和放射疗法对机体有较大的毒副作用;而手术疗法对机体伤害较小,但治愈率低,因此天然产物来源的抗肿瘤药物因其低毒高效而表现出独特的优势和广泛的应用前景。一直以来人们普遍认为地皮菜有一定的抗肿瘤活性,但是直到2007年张威等才首次实验证实了地皮菜粗提物可以杀伤肺癌细胞和肝癌细胞活力[23]。Itoh 等发现reduced scytonemin和Nostocionone能够导致人T 细胞白血病 Jurkat 细胞的自噬和凋亡[24]。

近年来我们课题组围绕地皮菜这一微生物资源开展了一系列工作,从地皮菜提取得到了一种水应激蛋白(WSP1),发现其可以靶向杀伤结肠癌细胞(HCT-116,HT-29和SW480),并将细胞周期阻滞在G1/S,在裸鼠模型中也证实了较好的抗瘤效果,而对正常细胞和裸鼠生长无毒副作用(图2);其还可以通过E-cad-herin 及N-cadherin等关键分子调控肿瘤细胞的黏附从而抑制细胞迁移[25-26]。此外,我们从地皮菜中提取分离出一种多糖(NVPS)(图3A),发现其可以有效地抑制人乳腺癌细胞MCF-7(IC50=67 μg/mL)和结直肠癌细胞DLD-1(IC50=110 μg/mL)(图3B)的增殖,并证明了是通过同时激活内源性的、外源性的和内质网应激介导的3条细胞凋亡途径从而促进了肿瘤细胞凋亡[27];同时,NVPS还可以在一定程度上靶向阻止人小细胞肺癌细胞(NCI-H1688和NCI-H446)的迁移过程(图3C,3D),进一步研究表明NVPS是通过integrin β1/FAK和JAK1/STAT3信号通路影响了癌细胞的上皮间质转化过程从而干扰了进一步的转移[28]。上述工作证实了地皮菜多糖具有显著的抗肿瘤活性,目前我们正在开展急性毒性和慢性毒性等临床前期的药物安全性评价工作,期望早日将其开发成为绿色无毒的抗肿瘤药物制剂和保健品。

Fig.2 Effect of water stress protein 1 (WSP1) isolated from Nostoc commune Vaucherin our laboratory on the growth of xenografted tumor in nude mice图2 图示本课题组提取获得的地皮菜源天然产物：水应激蛋白WSP1，对裸鼠皮下人结肠癌移植瘤的抑制作用

Fig.3 (A) The polysaccharides NVPS isolated from Nostoc commune Vaucher in our laboratory；(B) Effects of NVPS on the growth of cancer cells；(C) Effects of NVPS on cell migration；(D) Effects of NVPS on cell invasion图3 (A)图示本课题组提取获得的地皮菜源天然产物：多糖NVPS;(B)图示NVPS对肿瘤细胞生长的抑制作用；(C)NVPS对人小细胞肺癌细胞迁移的影响；(D)NVPS对人小细胞肺癌细胞浸润的影响

免疫调节活性通常被人们认为可以间接地发挥抗肿瘤活性。人们发现地皮菜多糖可以通过释放NO和活性氧激活小鼠腹腔巨噬细胞Raw 264.7从而抑制人白血病细胞U937的生长[29]。我们课题组延续前期的工作,将NVPS进一步分离纯化得到具有一定分子量的两个片段:中性糖(F1)和酸性糖(F2),发现跟NVPS和F1相比,F2可以明显激活佛波酯诱导的人巨噬细胞THP-1,收集F2处理的细胞培养基上清处理肿瘤细胞,发现跟F2直接处理肿瘤细胞相比,F2可以显著地抑制人肝癌细胞的生长,表明F2可能通过激活免疫系统中的巨噬细胞进一步增强了它的抗肿瘤活性,但是关于其具体作用机制还有待深入研究。

4 其他生物学活性

5 讨论

地皮菜能够适应各种恶劣的自然环境,显示了其顽强的生命力;同时,它还可以促进其他生物的生长,帮助其“开疆辟土”,具有一定的生态效应:这些很可能是它作为一种古老的蓝细菌成功登陆的原因所在。但它是如何实现这些过程的具体细节和分子机制及依靠哪些保护性的组分和结构等问题还需后续研究进一步揭示。

《本草纲目》中记载地皮菜“补心、清胃”,《药性考》中记载其“久食色美、益精、悦神、至老不毁”,《名医别录》中记述“主明目,益气,令人有子”。千百年来,人们采集、烹食地皮菜,或将其入药,因此,地皮菜可谓是一种“药食同源”的优质天然资源[5]。近年来人们陆续报道了地皮菜的一些生物学活性,包括抗氧化活性、抗菌性、抗瘤性、免疫调节活性及降血脂功效等,表明地皮菜资源具有广阔的进一步开发和利用的价值。

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Biological Activities of Natural Products fromNostocCommuneVaucher

LI Zhuoyu1,2,3,GUO Min1,2,3

(1.College of Life Science,Shanxi University;2.Institute of Biotechnology,the Key Laboratory of Chemical Biology and Molecular Engineering of Ministry of Education,Shanxi University;3.Institute of Biomedical Sciences,Shanxi University,Taiyuan 030006,China)

NostoccommuneVaucher is a member of the genusNostoc,which has been found to distribute worldwide. Accumulated evidence demonstrated thatN.communeis rich in nutrients. In this review,we summarize and update evidences regarding the physiological activities ofN.commune,including desiccation tolerance,resistance to UV radiation,photosynthesis and growth promotion,and the potential biological activity,especially the immunomodulatory and anti-carcinogenic properties. Collectively,these findings may contribute to further understanding the value of natural products fromN.commune,as well as providing some theoretical basis for promising exploitation in the future.

NostoccommuneVaucher;physiological activity;biological activity;anti-carcinogenic property;exploitation

10.13451/j.cnki.shanxi.univ(nat.sci.).2017.03.033

2017-06-10；

2017-06-16

国家自然科学基金(31271516；31500630)；山西省回国留学人员重点研发资助项目(2015-重点2)

李卓玉(1964- )，女，博士，教授，研究领域：生物化学与分子生物学。E-mail:lzy@sxu.edu.cn

Q949

A

0253-2395(2017)03-0645-07