综述：蓝细菌代谢产物的亮点（2021–2024年）

《Natural Product Reports》：Highlights of cyanobacterial metabolites reported between 2021–2024

　　

本综述重点介绍了2021年至2024年间报道的蓝细菌次级代谢产物。这些化合物被分为主要类别，包括肽类（peptides）、生物碱（alkaloids）、脂类（lipids）、聚酮类（polyketides）、萜烯/萜类（terpenes/terpenoids）以及其他类别的天然产物。对于选定的化合物，本综述详细介绍了在其发现、分离和结构解析中使用的先进方法。特别关注了确定立体中心相对和绝对构型的技术，包括计算方法（computational approaches）、化学衍生化（chemical derivatisation）和全合成（total synthesis）。此外，本综述概述了几种新发现的蓝细菌天然产物的生物合成途径。

**2. 肽类（Peptides）**
肽类具有核糖体或非核糖体肽合成酶（NRPS）两种生物合成起源。核糖体合成并经翻译后修饰的肽（RiPPs）通过修饰酶增加结构多样性。2021至2024年间共报道253种新肽类代谢物，占全部新代谢物的75%，包括86种蓝细菌肽素（cyanopeptolins）、19种微囊藻素（microginins）、8种鱼腥藻肽素（anabaenopeptins）、8种微囊藻毒素（microcystins）和3种微囊藻病毒素（microviridins）。

**2.1. Ahp-环肽酯（Ahp-cyclodepsipeptides）**
该类化合物含有特殊的3-氨基-6-羟基-2-哌啶酮（Ahp）结构单元。2021至2024年间新鉴定86种蓝细菌肽素，其中79种来自从格但斯克湾沿岸水域分离的*Nostoc edaphicum* CCNP1411菌株。该菌株共产生93种蓝细菌肽素，为已知单菌株最高记录。通过液相色谱-高分辨串联质谱（LC-HRMS/MS）检测到67种，再通过一维和二维核磁共振（1D/2D NMR）确认6种结构。基于34种蓝细菌肽素的生物活性评估提出了构效关系（SAR）：第2位为精氨酸时抑制胰蛋白酶，为酪氨酸、苯丙氨酸和亮氨酸时抑制胰凝乳蛋白酶，为亮氨酸且侧链末端含2-氨基-2-丁烯酸时增强弹性蛋白酶抑制。此外，从*Microcoleus autumnalis*主导的底栖垫中分离出micropeptins LOF941、LOF925和LOF953。2021年，利用天然质谱检测与酶结合的配体，从*Rivularia* spp. PCC 7116中鉴定出30种胰凝乳蛋白酶配体，其中5种新化合物称为rivulariapeptolides，包括rivulariapeptolide 988。

**2.2. 微囊藻素（Microginins）**
微囊藻素的特征为线性肽骨架，N端终止于3-氨基-2-羟基癸酸（Ahda）残基。2021至2024年新报道19种微囊藻素，占已知变体的15%。通过同源二金属羧酸卤化酶CylC的宏基因组筛选，鉴定出微囊藻素生物合成基因簇（BGC）*mic*，并在大肠杆菌（*E. coli*）中异源表达，产生12种新微囊藻素类似物，包括含3-氨基癸酸（Ada）残基、单氯或二氯侧链的变体。

**2.3. 微囊藻病毒素（Microviridins）**
该类RiPPs具有三环肽骨架，包含两个ω-酯键和一个ω-酰胺键。通过基因组挖掘，从单丝蓝细菌*Nostoc* sp. TH1SO1中鉴定出三个微囊藻病毒素BGC，编码五个前体肽基因。基于微囊藻病毒素的BGC，发现其中三种微囊藻病毒素（microviridin-1688、-1739、-1748）。当添加同型丝氨酸内酯（HSLs）培养时，microviridin-1688产量增加两倍，提示HSL介导的群体感应激活。

**2.4. 鱼腥藻肽素（Anabaenopeptins）和微囊藻毒素（Microcystins）**
两者均为NRPS产生的环肽。鱼腥藻肽素含保守的脲基团，微囊藻毒素含独特的3-氨基-9-甲氧基-2,6,8-三甲基-10-苯基癸-4,6-二烯酸（Adda）残基。新发现的8种鱼腥藻肽素中，最突出的是一种在C端含谷氨酸Cα乙酯的变体。8种新微囊藻毒素中，两种在第二位含有S-丙基高半胱氨酸及其亚砜变体，即MC-PrhcysR和MC-Prhcys(O)R。

**2.5. 异戊二烯化蓝细菌肽素（Prenylated cyanobactins）**
异戊二烯化由异戊二烯基转移酶（PTases）催化。从*Tolypothrix* sp. PCC 7601中鉴定出tolypamide，其苏氨酸残基发生正向O-异戊二烯化，此前蓝细菌代谢物中未见。从*Microcystis aeruginosa* NIES-88中分离出argicyclamides A–C，精氨酸胍基发生单或双异戊二烯化。通过靶向ABBA-折叠PTases的宏基因组分析，发现*Nostoc calcicola* FACHB-389的*nct* BGC，编码合成steromaze的酶系。Steromaze含由PTase-萜烯环化酶催化的heptophan氨基酸，对蓝细菌*Synechococcus elongatus* PCC 7942具有抗蓝细菌活性（IC₅₀ 61.2 μM），而非异戊二烯化类似物无活性。

**2.6. 其他脂肽（Other lipopeptides）**
2021至2024年间描述了16种新型线性脂肽，包括caciqueamide、cyanochelin A等。从*Nostoc* sp. UHCC 0702发现8种新laxaphycins，其中含不寻常的3-羟基-4-甲基脯氨酸（OHMePro）。从*Nodularia* sp. NIES-3585分离出6种环脂肽noducyclamides A1-4和B1-2，其中部分对人乳腺癌细胞MCF7有活性。此外，新表征了几种aeruginosins（525、KT688、KT718、KT575），并对蛋白酶抑制活性进行了测试。Aeruginosin 525对胰蛋白酶（IC₅₀: 71.7 μM）、羧肽酶A（IC₅₀: 89.7 μM）和凝血酶（IC₅₀: 0.59 μM）有抑制作用。PM170453含有末端炔基官能团。

**2.7. 其他肽类（Other peptides）**
从*Lyngbya cf. confervoides*中通过生物活性导向分离得到gatorbulin-1，为环缩肽，含有4-甲基脯氨酸和丙氨酸N端异羟肟酸基团。全合成确认其结构，并证实为微管蛋白聚合抑制剂。从*Leptothoe*属菌株中分离出metallophores leptochelin A–C，初始发现为锌络合物。从*Moorena*属菌株中鉴定出hectoramide B、wajeepeptin和tumonolide。Wajeepeptin对HeLa细胞和*Trypanosoma brucei rhodesiense*有细胞毒性。Tumonolide被鉴定为速激肽受体TACR2的选择性拮抗剂。

**3. 生物碱（Alkaloids）**
主要生物碱为aetokthonotoxin（AETX），具有五溴联吲哚骨架。该毒素来自附着于水生植物的蓝细菌*Aetokthonos hydrillicola*，培养时需添加溴才能产生毒素。宏基因组方法鉴定出AETX基因簇（*aetA*至*aetF*）。体外实验表明：AetF在色氨酸5、7位溴化；AetE将色氨酸转化为吲哚；AetA在吲哚2、3位溴化；AetD促进腈基形成；细胞色素P450酶AetB催化C–N偶联。后续开发了五步全合成路线（总产率29%）和PCR检测策略。

**4. 脂类（Lipids）**
采用卤化物耗竭策略从*Nostoc punctiforme* ATCC 29133发现新一类氯化糖脂nostochlorosides A–G。这些化合物含羟基化脂质骨架、稀有O-甲基化古洛糖，并在12位氯化。通过D₂标记棕榈酸喂养实验确定氯原子位置。BGC *ngl*负责合成，其中NglO（CylK同源物）介导nostochloroside A通过亲核氯取代发生低聚化。另一类氯化糖脂bartolosides具有二烷基间苯二酚核心、木糖残基和氯化脂肪侧链。通过PCR筛选*brtB*和*brtD*基因结合分子网络分析，从*Synechocystis*属菌株中鉴定出bartolosides A和H的脱木糖基或氯被氢/羟基取代的衍生物。

**5. 聚酮类（Polyketides）**
*Nostoc punctiforme* PCC 73102的沉默BGC *pks1*在高密度培养时激活，通过过表达AraC型转录因子构建突变体，分离出新型聚酮nostoclides N1和N2、nostovalerolactone和9-dehydronostovalerolactone。这些化合物作为信号分子正向调控七个BGC。采用¹H-NMR导向方法从*Okeania* sp.中分离出微量聚酮beru'amide（68 μg），利用800 MHz NMR和计算化学（DP4概率）解析结构，并通过全合成确认绝对构型。Beru'amide对HeLa细胞（IC₅₀ 8.0 μM）和*Trypanosoma brucei rhodesiense*（IC₅₀ 1.2 μM）有活性。从*Okeania* sp.中分离出糖基化大环内酯akunolides A–D，经NMR、Mosher法及计算确定构型，对*T. b. rhodesiense*有活性（IC₅₀ 11–14 μM），小鼠腹腔注射200 μg未见毒性。聚酮caldorazole从*Caldora* sp.中分离，含两个噻唑环、六个反式烯烃和O-亚甲基丙酮酰胺基团，对多种肿瘤细胞系有强效（HeLa IC₅₀ 23 nM），通过抑制线粒体复合物I（IC₅₀ 56 nM）并耗竭ATP诱导凋亡。采用²H₁₁-己酸稳定同位素标记法从*Nodularia* sp. LEGE 06071鉴定出nocuolactylates A–C，其结构中含已知细胞毒素nocuolin A的片段和chlorosphaerolactylate类单元。

**6. 萜烯/萜类（Terpenes/terpenoids）**
从*Calothrix* sp. R-3-1和*Scytonema* sp. U-3-3中筛选抑制瞬时受体电位melastatin 7（TRPM7）的活性。从R-3-1分离出spironostoic acid、11,12-didehydrospironostoic acid和12-hydroxy-2-oxo-11-epi-hinesol；从U-3-3分离出stigolone、11R,12-dihydroxystigolone和11S,12-dihydroxystigolone。通过构象分析、耦合常数、¹H–¹H NOESY和电子圆二色谱（ECD）确定相对和绝对构型。从*Brasilonema* HT-58-2中鉴定出tolypodiol及其衍生物1-oxo-tolypodiol和6-oxo-tolypodiol。*tyl* BGC通过BLAST分析鉴定，并在异源宿主*Anabaena* sp. PCC 7120中表达产生tolypodiol。TylF为新型萜烯环化酶家族成员，TylH为S-腺苷甲硫氨酸（SAM）依赖性甲基转移酶，催化羧酸盐甲基化生成甲酯。从*Okeania* sp.中分离出cembrene型化合物kagimminol A和B。利用¹H–¹H NOESY、计算化学和ECD确定构型，其中kagimminol B因β-二酮存在四种互变异构体，通过DP4概率分析确定相对构型。两者对*T. b. rhodesiense*有活性，但对HeLa细胞无活性。

**7. 其他类别的天然产物**
从*Salileptolyngbya* sp.中分离出多卤代芳基醚bromoiesol A硫酸酯、B硫酸酯以及bromoiesol A、B。利用人工智能工具SMART（小分子精确识别技术）分析HSQC谱提出结构单元，最终由X射线单晶衍射确定结构，并经全合成确认。这些化合物对*T. b. rhodesiense*有低微摩尔活性（IC₅₀ 0.7–8.8 μM）。从*Leptochromothrix valpauliae*中通过生物活性导向分离出iezoside，具有肽、聚酮和糖基化混合骨架。通过臭氧化、水解、Marfey法、Mosher法及计算化学确定绝对构型，并开发全合成路线区分非对映异构体。Iezoside对HeLa细胞有极高活性（IC₅₀ 6.8 nM），靶向肌浆/内质网Ca²⁺-ATP酶（SERCA）。构效关系研究表明，聚酮侧链C-18、C-19的*syn*-构型和肽部分对活性至关重要。从*Rivularia* sp.中分离出含吡咯啉酮的hennaminal和hennamide，通过ECD、臭氧化及全合成确定构型。Hennamide在CD₃OD中?20 °C储存时完全二聚化为hennamide二聚体。两者对*T. b. rhodesiense*有中等活性（IC₅₀ 9.7–11 μM）。

**8. 结论**
2021至2024年间蓝细菌代谢产物的新发现展示了跨多化合物类别的显著结构多样性。现代分析技术（高场NMR、人工智能辅助数据分析）和（宏）基因组方法（直接通路克隆、异源表达）有效解决了结构解析中的挑战。本综述强调了蓝细菌作为结构多样和创新分子骨架丰富来源的重要性。