虫草素的合成机制研究

提到虫草，大家可能就会想到那种被炒作到天价的保健品—冬虫夏草，虽然具有悠久的食药用历史，在古书中多有记载。但目前为止，其中具有医药活性的成分多不清楚。而我们今天我们要聊的虫草素却已经被证实具有增强人体免疫功能，抗癌抗菌抗病毒的神奇功能。

什么是虫草素

自然界中有许多真菌能够感染并杀死昆虫，这些杀虫真菌主要分布于子囊菌类的麦角菌科、虫草菌科和线虫草菌科三个科，统称为广义虫草菌；虫草既非虫，也非草，而为真菌杀死昆虫后形成的菌虫复合体。

1950年，德国科学家Cunningham观察到被蛹虫草寄生的昆虫组织不易腐烂，进而从中分离出一种抗菌性物质，3’-脱氧腺苷（3′-deoxyadenosine），将其定名为虫草素。

虫草素（cordycepin）又称虫草菌素、蛹虫草菌素，是个从真菌中分离出来的核苷类抗菌素。

虫草素的药理作用

研究报导虫草菌素虫草菌素有自身免疫调节作用。它极大地提高了人外周血液单核细胞inerleukin-10的分泌和itenr-leukin-10mNRA的表达,抑制诱导产生interleukin-2的植物血球凝集素和外周血液单核细胞的扩增。虫草菌素还能抑制蛋白质激酶活性,抗核营磷酸化酶对糖基的裂解,对体液免疫有调节作用。此外,虫草菌素还可抑制细胞分裂,促进细胞的分化,改变细胞膜上物质结构分布,促进T淋巴细胞转化。它还能提高机体单核巨噬细胞系统的吞噬功能,激活巨噬细胞产生细胞毒素直接杀伤癌细胞。

虫草菌素磷酸对RNA和DNA合成有抑制作用。Muller用氖标记的虫草试验表明,虫草素可掺入到RNA中,而不能掺入到DNA中,其磷酸化物3’一ATP对15178y细胞中的依赖DNA的DNA多聚酶α和β活力无影响,但对核Ploy(A)多聚酶有很强的抑制作用,从而影响mRNA的形成以至蛋白质的合成,这一机制可能与虫草素抗肿瘤作用有关。

注射虫草素能延长患艾氏腹水瘤小鼠存活时间,其机理除直接抑制细胞分裂及抗癌作用外,还可使宿主特异性免疫功能增强而获得明显的免疫保护效应。此外,虫草素并对KB细胞培养和HEp2细胞具有一定细胞毒性作用,如虫草素对人鼻咽癌细胞(KB)的生长有抑制性作用,能显著提高小鼠腹腔巨噬细胞的吞噬功能,增强血清的溶菌能力。

抗菌抗病毒作用

虫草素对枯草杆菌、金黄色葡萄球菌、链球菌、鼻疽杆菌、炭疽杆菌、猪出血性败血症杆菌等均有抑制作用。对须疮癣菌、絮状表皮癣菌、石膏样小芽抱癣菌、羊毛状小芽抱癣菌等致病性真菌也均有抑制作用。

合成机制的研究

虫草素在蛹虫草中被发现后，它的生成合成机理一直不清楚，导致学界及企业界争论不休，认为虫草素也是冬虫夏草等虫草菌的活性成分。尽管有一些种类的菌株可以合成虫草素，但虫草素的生物合成研究却主要集中于蛹虫草。虫草素主要从蛹虫草子实体中提取，但其子实体生产周期长，导致虫草素生产成本高，制约了虫草素进一步的研究和开发利用。自2011年以来，中国科学院上海植物生理生态研究所的王成树研究组，先后完成了蛹虫草、冬虫夏草和蝉花等18种虫草菌的基因组研究，结果表明，不同虫草菌中含有20-60个数量不等的基因簇，用于合成不同的活性成分。

获得了基因组序列后，通过生物信息分析，首先在蛹虫草菌中锁定了潜在的靶标合成基因。后通过系列的基因缺失等功能研究，他们完整地解析了由4个蛋白介导的腺苷分子3’-位磷酸化脱氧、还原而生成虫草素的分子机理。他们的研究还首次“意外”地发现，蛹虫草菌能够合成喷司他丁，并由同一基因簇共同合成这种两种成分。喷司他丁是脱氨酶的强抑制剂，曾在虫草素临床试验中共用，目的是为了抑制脱氨酶活性、保护虫草素的结构稳定性。同临床试验中两者共用的目的类似，这两种腺苷类分子在真菌细胞中扮演着“保护者—被保护者”的着色。

他们在研究中还发现，蛹虫草菌只有在蚕蛹上生长而非液体发酵培养时，才会合成高水平的虫草素。但当虫草素含量过高时能引起细胞毒性，真菌会启动解毒机制，将虫草素脱氨生成3’-脱氧肌苷(3'-deoxyinosine)。这暗示着对于人类来说，也不宜摄入过量的虫草素。当然，人类的脱氨酶同样可以降解虫草素。

在获得了虫草素合成基因的基础上，结合色谱验证分析，他们的研究证明冬虫夏草和蝉花等其他种类的虫草菌不能合成虫草素及喷司他丁，而另外被测试的九洲虫草以及另外一种关系较远的霉菌——构巢曲霉中能够合成这两种化合物。利用获得的合成基因，异源表达可以实现由酵母菌合成虫草素；而通过内源基因高表达，可以在蛹虫草菌中高水平地合成虫草素和喷司他丁。

这项研究成果以 Fungal cordycepinbiosynthesis is coupled with the production of the safeguard molecule pentostatin（真菌中虫草素与其保护分子喷司他丁的伴随合成）为题于10月19日在 Cell 子刊 Cell Chemical Biology 上在线发表。该项研究揭示了不同虫草菌之间代谢成分的差异性，为蛹虫草的抗癌活性提供了分子证据。利用鉴定的虫草素/喷司他丁伴随生物合成基因信息，一方面为进一步研究提高这两种活性成分的合成水平奠定了基础；另一方面也为辅助验证其他虫草菌或其他真菌能否合成这两种腺苷类分子提供了基因依据。