中国海洋大学李德海教授近年来研究进展概览

李德海，中国海洋大学医药学院教授，博导。2002年毕业于山东大学药学院，获学士学位；2002年至2007年于中国海洋大学医药学院硕博连读获药物化学博士学位（导师：顾谦群教授）；2007年7月至2009年7月在加拿大University of British Columbia进行海洋药物博士后研究（Raymond J Andersen课题组）。2009年9月经中国海洋大学“青年英才工程”引进加入医药学院天然药物化学研究室。2014年8月至2015年8月期间以访问学者身份赴美国加州大学洛杉矶分校（UCLA，Yi Tang 课题组）从事真菌基因组采掘和合成生物学研究。

近年来主持国家自然科学基金项目3项，还获得教育部 “新世纪优秀人才支持计划”（2012）、“山东省自然科学杰出青年基金”（2014）、青岛海洋科学与技术国家实验室“鳌山人才”优秀青年学者计划（2015年）等项目支持。获国家海洋局2015年度优秀科技青年（2015年）、山东省自然科学学术创新奖（2016年）、中国药学会-以岭生物医药奖（2018年）等。发表论文100余篇，其中以第一或通讯作者在Curr. Opin. Biotech.、Org. Lett.、J. Org. Chem.、J. Nat. Prod. 等期刊上发表SCI收录论文70余篇，H指数 = 33 (Google scholar数据)；被JACS、ACIE 等SCI期刊论文引用1200余次（他引900余次）。获授权国家发明专利8项。兼任中国药学会海洋药物专业委员会委员和“海洋药物博士论坛”青年委员会委员及主任；中国海洋湖沼学会药学分会理事、副秘书长。

新型药物先导化合物的发现是创新药物研究的核心问题之一；海洋微生物活性次级代谢产物新颖多样，是药物先导化合物的重要来源。李德海教授多年来一直从事海洋天然药物化学研究，聚焦海洋微生物，围绕肿瘤、感染等重大疾病，从中发现新型药物先导化合物。近年来主要研究进展包括以下几个方面：

1. 海洋来源微生物中新型活性次级代谢产物的发现研究

天然化合物具有高度的新颖性，同时也具有复杂的三维立体结构和广泛的生物活性类型，如何准确的阐明其精细构型并发现其中潜在的药用价值，是海洋天然药物化学研究过程中最具挑战的部分。针对此，近年来利用手性拆分、重金属诱导ECD、量子化学计算和实验谱学相结合等新技术，从海洋来源微生物中获得了300余个结构新颖的复杂天然产物；重点针对肿瘤、感染、心脑血管疾病等重大疾病的多种模型和靶点进行了筛选和评价，探索海洋微生物次级代谢产物的生物学功能和潜在药用价值，发现了100余个化合物具有细胞毒、抗病毒、抗菌等功能。这些新颖的结构表现出独特的生物学作用，如psychrophilin G具有潜在的降血脂作用（J. Nat. Prod., 2014, 77, 2218），Naquihexcin A（Org. Lett., 2016, 18, 3358）能够抑制阿霉素耐药的肿瘤细胞生长；新骨架化合物Neosartoryadin A（Org. Lett., 2016, 18, 244）、Anthranoside C（Org. Lett., 2018, 20, 5466）具有抗流感病毒活性；含硫桥化合物Penicisulfuranol A（J. Nat. Prod., 2017, 80, 71）可以靶向热休克蛋白90（HSP90）发挥肿瘤细胞抑制作用。这些新颖的结构和潜在的药用价值为国际创新药物开发和合成化学研究提供了新的模板结构，其中红树林内生真菌产生的Penicitol A（J. Nat. Prod., 2015, 78, 306）、海绵共附生真菌产生的Speradine C（Tetrahedron, 2015, 71, 3522）和Stachybotrin G （Tetrahedron Lett., 2015, 56, 7053）、深海来源真菌中发现的Clindanones A和B（RSC Adv., 2016, 6, 76498）等10个分子被天然产物权威评论性期刊Nat. Prod. Rep.评为“热点化合物”（Hot off the press）。

图1. 报道的部分新结构化合物。

2. 海洋药用微生物资源的开拓和挖掘利用

（1） 深远海药用微生物新资源的开拓

针对近浅海生物资源重复研究严重的问题，积极开拓了深远海微生物药用新资源。深海环境独特、资源丰富，但深海样品采集和微生物培养难度大，代谢产物的研究起步晚、发现少，1984年才有第一篇文献。相对于海洋天然产物目前已经发现了3万余个新化合物，深海来源的化合物至2017年底相关研究仅报道了400余个新结构，是亟待开发利用的药用新资源。该课题组发挥中国海洋大学、青岛海洋科学与技术试点国家实验室在深海样品采集方面的技术和装备优势，搭乘20余个科考航次，采集获得200余份深海样品，覆盖印度洋、太平洋、南极、北极海域，最深超过9000米；不断探索深海微生物的分离培养技术，获得了1500余株深海来源真菌和放线菌，建立了深海微生物菌种资源库，推动了“蓝色药库”开发计划中的海洋微生物资源库的建设。对深海来源菌株进行筛选获得了近百株活性菌株，完成了其中10余株真菌的深入研究，发现了新化合物70余个，开拓了深远海药用微生物新资源。

图2. OSMAC策略指导下，通过改变培养条件对一株深海来源真菌的挖掘。

（2）海洋来源微生物自身代谢潜能的挖掘利用

常规模式下微生物大部分编码次级代谢产物的生合成基因处于沉默状态（Cryptic Pathway），而这些“沉默基因”有可能编码更为新颖的活性化合物，巨大的代谢潜能亟待挖掘利用。如何激活“沉默基因”，挖掘微生物自身的代谢潜能，进而发现新型药物先导化合物，是海洋天然药物研究亟待解决的学术难题。在化学筛选和活性筛选基础上，融合“基因筛选” 等多维筛选技术寻找具有潜在新结构化合物产生能力的“潜力菌株”；并逐步完善了以OSMAC （J. Nat. Prod., 2015, 78, 2699; Tetrahedron, 2015, 72, 3715）策略、表观遗传修饰（J. Nat. Prod., 2015, 78, 2841; Arch. Pharm. Res., 2018, 41, 57; J. Nat. Prod., 2019, 82, 998）、共培养（J. Nat. Prod., 2017, 80, 3167; J. Nat. Prod., 2018, 81, 1651）、基因组采掘（RSC Adv., 2015, 29, 22777; J. Nat. Prod., 2017, 80, 1684; Org. Lett., 2017, 19, 5376）等新兴技术为代表的“沉默基因”激活手段，实现了从环境因子到基因水平的多层次海洋微生物代谢潜能挖掘利用技术体系。

如红树林海洋样品中获得的链霉菌Streptomyces sp. CHQ-64经过多维筛选，表明可能含有PKS、NRPS等基因簇、代谢产物结构类型丰富、具有较强的细胞毒活性。活性追踪和化学追踪获得系列杂合NRPS和异戊二烯途径的HI类生物碱Indotertines和drimentines，其中indotertine B（IC₅₀：4.88-6.96 μM）和drimentine G（IC₅₀：1.01-2.81 μM）对多种肿瘤细胞具有广泛的抑制作用，并证实化合物drimentine G能够作用于TOPO I 这一抗肿瘤靶点（Org. Lett., 2012, 14, 3438；J. Nat. Prod., 2013, 76, 759）。在基因筛选结果的指导下分析该菌株的基因序列，发现了具有产生多烯多醇结构的PKS基因簇，针对多烯多醇结构的特征核磁信号，从不具有细胞毒活性的组分中获得新颖的reenmycine类化合物，具有同制霉菌素相当的抗真菌活性（RSC Adv., 2015, 5, 22777），补充了单一活性筛选的局限性。进一步对该菌株主产物的正调控基因（rdmF）进行敲除，使其不再产生该类聚酮，导致生源前体的蓄积，从而产生了另一类聚酮化合物，获得了高活性吡啶生物碱pieridicidin F和含吡咯结构Geranylpyrrol A（J. Nat. Prod., 2017, 80, 1684）。

图3. 放线菌Streptomyces sp. CHQ-64活性代谢产物挖掘。

而海洋来源真菌Penicillium terrestre 采用OSMAC策略激活产生了具有全新的桥环连螺环骨架细胞毒活性化合物chloctanspirones A-B 和其前体terrestrol K-L（Tetrahedron, 2011, 67, 7913）。基因组测序分析表明该菌株至少含有48个编码次级代谢产物核心骨架的基因簇。在基因组采掘思路指导下，发现了一个沉默的mac基因簇有可能编码杂萜类化合物。通过调控该基因簇中特异性的转录因子macR，成功激活得到具有环己烯酮片段的macrophorin类杂萜，随后通过基因敲除和异源表达建立了基因簇同化合物之间的对应关系；随后通过体外生化反应、蛋白点突变等手段证实了关键酶macJ 的催化活性位点和初步的催化机理，揭示了macJ 属于整合膜蛋白II-型萜环化酶，并证实可以直接通过双键质子化触发环化反应（Org. Lett., 2017, 19, 5376）。

图4. 以OSMAC策略和和基因组采掘技术对菌株Penicillium terrestre LM2的沉默基因激活。

该课题组在采用表观遗传修饰剂激活海洋微生物沉默基因的过程中，发现了一株能够降解常用溶剂二甲基亚砜（DMSO）的真菌。该菌株（Neosartorya udagawae HDN13-313）为红树林植物内生真菌，对于表观遗传修饰剂5-氮杂胞苷（一种DNA甲基转移酶抑制剂）非常敏感，经摇床和静置培养均可以产生新的代谢产物，通过分离鉴定获得了含甲磺酰基的新化合物1和2。该课题组发现，化合物1在仅添加DMSO时也可以产生，而化合物2则必须在DMSO和5-氮杂胞苷均存在时才能产生，并最终证明甲磺酰基来源于原本作为溶剂的DMSO。这是报道中首次发现能够降解DMSO并把降解产物整合到其代谢产物上的真菌。该研究也为探讨海洋特殊环境来源微生物的独特代谢机制提供了线索。此外，甲磺酰基化后生成的化合物2还具有与阳性药辛伐他汀相当的降脂活性，提示这一过程对提高化合物的生物活性也具有一定的意义。这一研究成果以封面文章发表于J. Nat. Prod.上（J. Nat. Prod., 2019, 82, 998）。

图5. 以表观遗传修饰策略对菌株Neosartorya udagawae HDN13-313的沉默基因激活。

海洋微生物是重要的海洋药物新资源，虽然已经有超过三万个海洋天然产物被报道，但事实上对海洋微生物及其次级代谢产物的认知和应用依然相对匮乏。海洋特别是深海微生物小分子代谢产物在结构和生合成关键步骤上是否有其独特性？如何产生？有何功能？如何发掘其代谢潜能并评估其在医药等领域的应用价值？一系列科学问题均需要更广泛的知识积累和深入的微观研究来解决。随着更多新技术和新思路的引用，多学科的深入交叉融合，相信未来海洋药用微生物的研究能够取得突破性的进展，推动蓝色药库开发梦想的实现。

课题成员组合影

导师介绍

李德海

https://www.x-mol.com/university/faculty/75614

课题组网站

http://smp.ouc.edu.cn/dd/b5/c13579a187829/page.htm

联系邮箱

dehaili@ouc.edu.cn