解“毒”呕吐毒素.pdf

Univ.Chem.2023,38(7),157163 157 收稿：2022-10-26；录用：2023-01-11；网络发表：2023-02-27*通讯作者，Email: 基金资助：山东省自然科学基金面上项目(ZR2020MB011)；中华农业科教基金课程教材建设研究项目(NKJ202102039)；山东省高等教育本科教学改革研究项目(M2020284)；山东化学教指委教学改革研究项目(SDHX-YB-2022-13)；山东农业大学教学改革研究项目(XM202046,XM202231)科普 doi:10.3866/PKU.DXHX202210063 解“毒”呕吐毒素解“毒”呕吐毒素 万福贤，张元红，张丽丽，姜林*山东农业大学化学与材料科学学院，山东 泰安 271018 摘要：摘要：呕吐毒素是镰刀菌群侵染谷物后产生的一种天然毒素，严重威胁粮食安全、食品安全和人类健康。本文借用拟人的手法，介绍了呕吐毒素的发现研究史、家族(单端孢霉烯族化合物)及典型成员、生物脱毒前沿研究，让读者以生动活泼的方式了解这种危险的毒素，尤其是对高等农业和医学类院校的师生有很好的参考价值。关键词：关键词：呕吐毒素；镰刀菌；生物脱毒 中图分类号：中图分类号：G64；O6 Detoxification to DON Toxin Fuxian Wan,Yuanhong Zhang,Lili Zhang,Lin Jiang*College of Chemistry and Material Science,Shandong Agricultural University,Taian 271018,Shandong Province,China.Abstract:DON Toxin is a natural toxin produced by Fusarium after infecting cereals,which seriously threatens food security,food safety and human health.This paper introduces the discovery and research history of vomittin,its family(monotelomeric compounds)and typical members,and the frontier research of biological detoxification by means of personification,so that readers can understand this dangerous toxin in a lively way,especially for teachers and students of agricultural and medical colleges and universities.Key Words:DON Toxin;Fusarium;Biological detoxification 大千世界，宇宙万物，距今大约一万年前，人类的祖先开始慢慢地走出丛林，将一粒粒小小的谷物种子播种在广袤的土地上，掀开了人类迈进农耕文明的绚丽画卷。与此同时，一群被称为产毒真菌的微生物，趁机偷偷地溜进了谷物生长或储存环节，好像迫切想参与到人类文明的创造中。伴随而来的是，包括我(呕吐毒素，简称：DON；学名：脱氧雪腐镰刀菌烯醇)在内的一群群形态各异的天然代谢有机分子也呱呱坠地了，拉开了与人类共存、共舞、不断斗争的帷幕。我和这帮伙计们，绝大多数是臭名昭著、罪大恶极的有毒分子，干着严重威胁粮食安全、食品安全和人类生命健康，并造成巨大经济损失的勾当。由于我(DON)生性活泼、多才多艺、喜欢抛头露面，还有幸被联合国粮农组织(FAO)和世界卫生组织(WHO)授予“最危险的天然食品污染物之一”的“殊荣”，因此，我被亲朋好友推举为家族发言人。下面由我从原形毕露、狐朋狗友、棋逢对手三个方面抱诚守真地介绍自己和各位亲友，助力人类朋友更好地认识我们这群麻烦制造者。158 大 学 化 学 Vol.381 揭开神秘面纱揭开神秘面纱(原形毕露原形毕露)早在10000年前，我们就通过产毒真菌进入了谷物的生长或者储存环节，可谓是穿越了万古千秋，给人类制造了各种麻烦。但是真正引起人类重视，是近代的事情了，让我们乘着时光机，回顾我被揭开神秘面纱的历程吧！大约在1890年，日本南部有人因食用镰刀菌侵染的谷物(FHB)而中毒。在同一时期，中国也有人因食用有毒谷物，出现恶心、呕吐、腹泻、腹痛、发烧和喉咙刺激等症状13。沙皇俄国也曾经历严重的FHB问题。在1917年的俄罗斯文献中，报道了因食用发霉谷物制作的面包(被形象的称为“令人陶醉的面包”)而中毒的病例4。Donuin描述到：“由于玫瑰镰刀菌在谷物中异常流行，人们观察到面包变成了有毒的醉酒面包，吃过它的人会感到虚弱、眩晕、头痛、恶心和呕吐。这种现象与玫瑰镰刀菌的异常流行有关5。”美国对FHB的研究始于19世纪中期6。到了20世纪20年代，人们逐渐意识到被禾谷镰刀菌感染的谷物是有毒的，特别是对猪7。1927年，德国的农民将从美国进口的粮食喂食给猪后，猪出现了拒食和生病等现象。德国的研究人员从谷物中分离出许多真菌，包括镰刀菌。进一步研究发现，猪被饲喂镰刀菌种的培养滤液后产生了拒食行为8。随后在美国进行的研究表明，受真菌污染的大麦会导致猪呕吐9，被赤霉病变麦污染的大麦水提取物会诱导猪呕吐10。20世纪50年代，日本研究人员用镰刀菌侵染的谷物喂养啮齿类动物，出现了中毒迹象，意识到真菌产生了毒素。20世纪60年代，用禾谷镰刀菌培养物的水和甲醇提取物进行的毒性实验，证实了小鼠和猪会中毒11。Prentice等人使用从受FHB影响的谷物中分离的菌株，报道了一种催吐原理，但无法确定其化学结构12,13。1970年，日本香川县种植的大麦流行赤霉病(禾谷镰刀菌侵染而导致)。1972年，Morooka等首次从赤霉病大麦中分离得到天然毒素，Yoshizawa等阐明了这种新的真菌毒素的结构，并命名为脱氧雪腐镰刀菌烯醇2,14，这是我的首次亮相，从此开启了人类对我的深入研究之旅。1973年，Vesonder从禾谷镰刀菌污染的玉米中，分离得到同样的物质，因引起猪产生呕吐症状，又把我命名为呕吐毒素15。加拿大研究人员研究了禾谷镰刀菌的全部产毒能力，并证实了两种重要的化学反应路径。一种通过15-乙酰脱氧雪腐镰刀菌烯醇产生脱氧雪腐镰刀菌烯醇，另一种通过3-乙酰脱氧雪腐镰刀菌烯醇产生脱氧雪腐镰刀菌烯醇16。2 庞大的家族庞大的家族(单端孢霉烯族化合物单端孢霉烯族化合物)1948年，Freeman首次表征了单端孢菌素(trichothecin)的结构17。1967年，Tamm首次将这类含有共同骨架的化合物命名为单端孢烷(trichothecane)18。经过70余年的发展，已经有近200余种我的亲朋好友被分离出来，并得到结构表征。我与亲朋好友有着共同的结构主体三环骨架的倍半萜烯醇或酯，C-9和C-10之间是双键，C-12和C-13之间有一个环氧基团。根据C-3、C-4、C-7、C-8、C-15位上取代基的不同，我们主要被分为四类(AD)，下面就有请各位亲朋好友一一亮相。2.1 家族家族A 1962年和1963年，美国威斯康星州发生的霉变玉米疫情促使了产毒真菌的分离。1966年，威斯康星大学从镰刀菌污染的谷物中分离了T-2毒素19,20，Mirocha在1973年表征了T-2毒素的结构21。T-2和scirpentriol是A家族中的主要毒素，但是这两者在自然界中的发生率远低于我(DON)和nivalenol(家族B)。由真菌产生的A型和B型毒素的浓度通常是相关的，经过研究发现B型的浓度是A型浓度的两倍。T-2毒素会引起食物中毒性白细胞缺乏症(alimentary toxic aleukia，ATA)又称败血病疼痛(septic angina)。目前，文献报道了20多个A家族亲友，是我们家族中最多的，代表性化合物见图1。值得注意的是，近年来发现了由禾谷镰刀菌复合群产生的NX毒素(见图1)，打破了以往对禾谷镰No.7 doi:10.3866/PKU.DXHX202210063 159刀菌复合群只产生B型毒素的认知，对赤霉病防控、小麦抗赤霉病育种、粮食生产和食品安全等提出了新的挑战。NX毒素与我(DON)堪称双胞胎兄弟，只是NX毒素的C-8位置缺少了酮羰基(CO)。NX毒素具有抑制真核蛋白合成的作用，现有毒理学实验结果表明，NX毒素与我(DON)对植物和哺乳动物细胞具有相当的毒性，我们兄弟两个真是沆瀣一气啊！NX毒素作为一组新兴的毒性次生代谢物，开发可靠的分析方法和确定合适的生物标志物，对人类健康有着重要的意义22。图图1 部分典型的家族部分典型的家族A型化合物的结构式型化合物的结构式 2.2 家族家族B 我(DON)是B家族的典型代表，B家族的特征是C-8上有一个酮基，C-7上有一个羟基。常见的B家族成员包括我(DON)及乙酰化衍生物，雪腐镰刀菌烯醇(nivalenol)，以及由黄色镰刀菌(F.culmorum)、禾谷镰刀菌(F.graminearum)及其他密切相关真菌产生的镰刀菌烯酮-X，见图2。虽然B家族成员的毒性比A家族成员(T-2毒素、二乙酰镳草镰刀菌烯醇(DAS或anguidine)以及D家族成员小得多，但是我们成员活泼，经常粉墨登场，实力不容小觑。不同地域产毒真菌的种类有差异，例如，禾谷镰刀菌(F.graminearum)最常发生在中国南部、北美和东欧，而黄色镰刀菌(F.culmorum)较多见于西欧。在北美，禾谷镰刀菌容易产生DON和15-乙酰脱氧雪腐镰刀菌烯醇(15-ADON)，而在亚洲，禾谷镰刀菌几乎总是产生DON和3-乙酰基脱氧雪腐镰刀菌烯醇(3-ADON)23。图图2 部分典型的家族部分典型的家族B型化合物的结构式型化合物的结构式 160 大 学 化 学 Vol.382.3 家族家族C C家族结构特征是通常在C-7,8处或C-9,10之间有第二个环氧基团，其不是由镰刀菌产生的，而且其对动物没有什么不良影响，堪称大家族里的一股清流。例如，扁虫菌素(crotocin)对小鼠具有低毒作用24，其结构式见图3。图图3 家族家族C型化合物扁虫菌素的结构式型化合物扁虫菌素的结构式 2.4 家族家族D D家族成员也不是由镰刀菌产生的，是由发霉的潮湿秸秆上的真菌S.alternans Bonorden产生(如satratoxin H，verrucarin J，roridin E)，具有稳定、剧毒，并引起特有细胞毒性作用的特点25，有着毒蛇猛兽之称，部分典型化合物的结构式见图4。在欧洲、南非和印度的许多国家，包括动物园的动物在内的许多动物都出现过因葡萄穗霉菌中毒的案例。图图4 部分典型家族部分典型家族D型化合物的结构式型化合物的结构式 2.5 远房亲戚远房亲戚 除了以上介绍的AD家族，还有一类骨架发生改变的少数几个远房亲戚，如图5。Corley在1986年成功地分离得到了Sporol 26。Ziegler等人在Sporol的结构表征和合成领域做出了突出贡献，并合成了类似物neosporol，克莱森重排是合成这类成员的关键步骤2730。图图5 骨架修饰的远房亲戚骨架修饰的远房亲戚Sporol、Nesporol和和Sanmbucinol的结构式的结构式 No.7 doi:10.3866/PKU.DXHX202210063 1613 束手就擒束手就擒 虽然我(DON)及B家族其他成员的急性毒性通常低于A型和D型，但是由于我(DON)在全球范围内异常活跃，给以谷物为基础的食品和饲料行业造成了严重的破坏，严重威胁着人类和畜禽的健康，所以我(DON)及B家族的亲友备受人类关注。为了确保动物及人类的健康，有效地把我(DON)降解是科学家研究的焦点，科学家呕心沥血地拿出了十八般兵器来降伏我们。方法一是物理魔力吸附法。使用特殊的吸附材料将我们吸附住。哈哈！这对我们构不成太大的挑战，因为我们个个都是逃逸好手啊！而且会导致饲料的口感下降，吸附剂的后期影响也不明确，故在实际应用中受限；方法二是化学武器杀伤法。利用化学武器打击，可以降低甚至完全消除我们的毒性。在这里不由得想起了著名的诗句：“煮豆持作羹，漉菽以为汁。萁在釜下燃，豆在釜中泣。本自同根生，相煎何太急？”唉！我们可都是化学分子啊！令我们暗暗窃喜的是，虽然化学武器脱毒效果好，但是其安全性令人担忧，哈哈！方法三是达摩利克斯之剑生物化学武器。利用生物化学手段可以有效降低或者消除我们的毒性，而且不产生新的有毒物质，目前深受科学家青睐，当前科学家正着力筛选能够产出高效降解呕吐毒素酶的菌株，以及通过酶工程、基因工程等手段获得高效表达的解毒酶。近年来，中国科学家在生物化学领域取得了巨大的进步，是向我们发起的巨大挑战，着实让我们瑟瑟发抖，不寒而栗。3.1 二十年磨一剑，二十年磨一剑，Fhb7显神威显神威 目前，由多种镰刀菌侵染所引起的小麦赤霉病，在全球范围内严重危害小麦的生产，是世界性病害，被形象地喻为小麦“癌症”。小麦赤霉病不仅造成小麦的严重减产，严重影响世界粮食供给安全，还产生毒素危害人类生命健康。在中国小麦种植区采用化学方法防治小麦赤霉病，存在施药次数多、效果不显著、药品残留造成生态环境破坏等缺点，给粮食安全带来潜在风险和隐患。在分子育种技术上实现关键突破，选育抗赤霉病的小麦新品种，是破解因我们而造成这一世界性难题的重要路径。山东农业大学孔令让团队在全球首次从小麦近缘植物长穗偃麦草中，克隆出抗赤霉病关键基因Fhb7，经过长期有机分子实验和高分辨质谱表征手段，揭示了Fhb7基因编码谷胱甘肽S-转移酶，在其催化作用下，谷胱甘肽(GSH)亲核进攻环氧官能团的碳，打开DON毒素的核心毒性结构环氧基团，形成谷胱甘肽加合物(DON-GSH)，从而产生解毒效应。该团队成功将Fhb7抗病基因转移至小麦品种，携带Fhb7基因的多个小麦新品系已经进入试验，为从根本上解决小麦赤霉病提供了中国方案(图6)31。此外，Fhb7基因的解毒效应，在粮食深加工和饲料工业中也有广泛的应用前景，为有效解决存储粮积累过程中，由我造成的污染问题提供了创新思路和方法支撑。孔令让团队发表了中国在小麦研究领域的首篇Science文章。孔令让团队发现的Fhb7基因真是攻心扼吭，令逞性妄为一万余年的我们竟也有如此下场，正可谓：“利器锋芒显神威，笑看豺狼技已穷。”图图6 孔令让教授发表在孔令让教授发表在Science上封面文章与涉及的化学反应上封面文章与涉及的化学反应 162 大 学 化 学 Vol.383.2 魔法酶魔法酶SPG使我们华丽变身使我们华丽变身 在各种以糖为能量来源的生物体内会发生糖酵解，这个代谢过程会不可避免地产生毒素甲基乙二醛(methyglyoxal)，也称为丙酮醛。在人体内，甲基乙二醛会附着在细胞及器官的表面，使其“糖化”，与人类衰老、糖尿病、神经系统疾病、癌症等的发生、发展密切相关。生物体在长期的进化过程中产生了甲基乙二醛解毒系统，称为乙二醛酶系统，其由两个酶组成，乙二醛酶I(glyoxalase I，GLO1，GLXI)和乙二醛酶II(glyoxalase II，GLO2，GLXII)，GLXI因其在人类健康32和植物适应性中的重要性而受到广泛研究。在棉花这种朴实无华的植物中，有一群失去了助手(谷胱甘肽)的特殊GLX I酶，被称为SPG，这种酶无法清理甲基乙二醛，只能识别自己认识的分子基团。中国科学院陈晓亚院士团队捕获了SPG，在体外实验研究发现，SPG竟然可以识别我(DON)的父辈3A-DON，并通过异构化将3A-DON上的C8羰基转移到C7上，C9-C10双键转移到C8-C9，最终华丽变身形成了毒性更小的iso-3A-DON 33。SPG的作用独立于谷胱甘肽或其他昂贵的辅助因子，使其成为解毒我(DON)、3A-DON、15A-DON和其他结构类似真菌毒素的有前途的催化剂(图7)。图图7 SPG异构化异构化DON、3A-DON、15A-DON的反应式的反应式 湖北大学郭瑞庭团队对SPG的晶体结构进行了高分辨的测试解析，并进行了合理的诱变实验，基于其结构设计并构建了SPGY62A，其对DON、3A-DON和15A-DON异构化的催化活性提高了70%以上。唉，科技创新真是一把利刃啊！该团队还发现，SPGY62A同样能够被毕赤酵母高效表达，且毕赤酵母表达的酶具有与原核表达的酶相近的催化效力，将为蛋白工程和工业应用的进一步研究提供非常好的理论依据34。4 真情流露真情流露 大约1万年前，人类生活方式逐渐由狩猎转为耕种，人类迈入了农耕文明。与此同时，包含我(DON)在内的真菌毒素开启了影响人类的不光彩历史，我代表家族对人类产生的危害深表歉意。虽然在20世纪中期才受到重视，但我对人类朋友的智慧印象深刻。经过几十年的研究，我们的底细基本上已经被摸透，感恩研究者在降低或者消除我们的毒性上所作的努力，祝贺他们取得的显著成就，相信研究者能够进一步解开我们的谜团，为人类过上健康的生活做出更大贡献。No.7 doi:10.3866/PKU.DXHX202210063 163参参 考考 文文 献献 1 Yoshizawa,T.Red-Mold Diseases and Natural Occurrence in Japan.In TrichothecenesChemical,Biological and Toxicological Aspects;Ueno,Y.Ed.;Elsevier:Amsterdam,the 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