综述：环肽作为新型植物源口服活性环肽治疗药物的支架

这篇综述系统阐述了植物源环肽（cyclotides）的结构特征、生物活性及制药应用潜力。文章重点介绍了其头尾环化骨架和三对保守二硫键形成的环胱氨酸结（CCK）赋予的卓越稳定性、细胞穿透性及口服活性，并探讨了基于M?bius/bracelet/trypsin inhibitor亚型的结构工程化策略（如嫁接技术）在肿瘤、慢性疼痛等疾病治疗中的应用前景，同时指出紫堇属（Viola）植物作为规模化生产平台的开发价值。

　　

摘要

环肽是一类由开花植物合成的特殊小肽，其头尾环化骨架与三对保守二硫键形成的环胱氨酸结（CCK）结构，赋予其抵抗高温、低pH和蛋白酶降解的卓越稳定性。这类25-40个氨基酸长度的核糖体合成肽，突破了传统口服药物设计的"五规则"（Ro5），成为具有细胞穿透性和血脑屏障穿透能力的理想药物支架。

引言

环肽的发现源于非洲传统医学中紫草科植物Oldenlandia affinis催产茶饮的活性成分kalata B1。1995年其环化结构解析后，在堇菜科（Violaceae）等5科植物中陆续发现类似分子。单株植物可表达10-160种环肽，浓度高达1g/kg鲜重，提示其作为天然防御剂的功能。相较于微生物来源的3-15个氨基酸非核糖体合成环肽（如免疫抑制剂环孢素A），植物环肽的核糖体合成特性为结构工程化提供了独特优势。

分类学分布

环肽集中分布于堇菜科（所有物种均含）、茜草科（<5%物种）等5科双子叶植物，单子叶植物中尚未发现。系统发育分析表明，环肽可能由祖先线性半胱氨酸结肽通过关键位点突变进化而来，该过程依赖蛋白二硫键异构酶（PDI）和天冬酰胺内肽酶（AEP）等常见细胞酶的加工。堇菜属（Viola）植物含有最丰富的环肽库，转录组预测其家族成员高达15万种，近期蛋白质组研究已证实该属物种间存在显著环肽多样性。

结构分类

根据构象特征分为三组：

1. M?bius型：环5存在由脯氨酸诱导的180°扭转（如kalata B1），占总数约1/3；

2. Bracelet型：无扭转的经典环带结构（如cycloviolacin O2），占2/3但更难体外折叠；

3. 胰蛋白酶抑制剂型：结构差异显著的环结素（如MCoTI-II）。

   保守环1和环4参与CCK核心形成，而环2/3/5/6的序列可变性为药物嫁接提供位点。

生物活性

天然功能：

• 杀虫：kalata B1/B2抑制棉铃虫（Helicoverpa spp.）幼虫生长

• 抗虫食：cycloviolacin干扰桃蚜（Myzus persicae）取食行为

• 驱虫：对线虫/吸虫表现出广谱活性

  作用机制涉及与磷脂酰乙醇胺膜结合并形成孔道，导致细胞内容物泄漏。

制药应用：

• 点突变kalata B1可缓解小鼠多发性硬化症状

• MCoTI-I嫁接p53抑制剂肽段能靶向Hdm2/HdmX抑制肿瘤

• kalata B1嫁接多聚精氨酸可靶向VEGF-R2抗血管生成

• 嫁接缓激肽拮抗肽段用于慢性疼痛治疗

• 工程化MCoTI-II促血管生成肽增强伤口愈合

生物合成平台

环肽前体含ER信号肽、N端前肽（NTPP）及由重复序列分隔的成熟域。在ER中经PDI折叠后，通过液泡分选进入AEP介导的环化加工。目前生产瓶颈包括：

• 化学合成：收率低、成本高（尤其bracelet型）

• 重组系统：酵母产量仅50μg/L，烟草表达多产线性肽

  突破性进展包括：

• AEP共表达使烟草中kalata B1环化率提升（200μg/g干重）

• 堇菜属细胞悬浮培养实现稳定生产

• 紫堇菜（V. tricolor）遗传转化体系建立

展望

亟待解决的核心问题包括：

1. 单植物表达数十种环肽的生物学意义

2. 除宿主防御外的潜在生理功能

3. 完整生物合成通路的解析

   这些基础研究将推动环肽在农业、医药等领域的应用突破，而堇菜属作为"生物工厂"的深度开发尤为关键。