CN101591632A - 一株产生抗肿瘤抗生素卡利霉素的小单孢菌c-3509 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一株产生烯二炔类抗肿瘤抗生素的棘孢小单孢菌蛇山变种C3509，实验结果表明，其发酵液用精原细胞法检测为阳性，经过分离纯化可得到高效抗肿瘤活性物质Calicheamicins γ₁ ^I，γ₁ ^Br，β₁ ^I，β₁ ^Br四种组份，因而有望用于制备烯二炔类抗肿瘤抗生素。

Description

一株产生抗肿瘤抗生素卡利霉素的小单孢菌C-3509

技术领域：

本发明涉及从我国土壤中筛选得到的一株产生烯二炔类抗肿瘤抗生素卡利霉素的棘孢小单孢菌蛇山变种C3509。

背景技术：

自本世纪中期以来，某些恶性肿瘤的发病率，几乎每隔十年增长一倍，已成为严重威胁人们生命的常见病、多发病。肿瘤的防治一直是医学研究的热点。自五十年代氮芥类烷化剂用于肿瘤治疗以来，化学治疗占据着不可替代的重要地位。但是，为了满足临床急需，研究人员不得不加大力度，扩展研究的深度和广度，不断开辟寻找新化疗药的途径。

微生物广泛存在于自然界，种类繁多，其代谢产物数量亦很庞大。多年来，微生物提供了各种各样生物活性物质，亦可谓是抗肿瘤抗生素的丰富资源宝库，其潜力是巨大的。自1923年φrskov建立小单孢菌属并于20世纪60年代从棘孢小单孢菌和绛红小单孢菌发酵液中分离到庆大霉素后，小单孢菌作为寻找新抗生素和其它新生物活性物质的资源愈来愈受到重视。1987年，美国科学家报导从小单孢菌中筛选到一株产生高效抗肿瘤抗生素卡利霉素(calicheamicin)的产生菌Micromonospora echinospora subsp.calichensis。2000年，美国FDA批准用于治疗复发的急性髓性白血病的Mylotarg即为单抗与卡利霉素的偶联物。卡利霉素作为弹头药物疗效已经确认，只要与不同的抗体连接，即可组成新的相关抗体药物。

本实验室在前期研究工作基础上，采用精原细胞法(“Use of murinespermatogonial assay as proscreen for antitumor drugs in proc”，13th IntCongr chemother，Viena，PP38-44；1983)，筛选出了能产生高效抗肿瘤活性物质卡利霉素的新菌种棘孢小单孢菌蛇山变种C3509(Micromonosporaechinospora var.Sheshanensis)。该变种迄今为止，尚未见有国内外的相关报道。

本发明的目的是，从土壤中筛选小单孢菌菌株，对其发酵产物进行鉴定，发掘产生具有抗肿瘤作用的抗生素，以期获得具有良好开发与应用前景的抗肿瘤药物。

发明内容：

本发明提供一种能产生高效抗肿瘤抗生素卡利霉素的新的小单孢菌。其技术方案主要包括以下步骤：

1、筛选分类。取其发酵液，测紫外吸收光谱，从相似于Calicheamicin的菌株中，选取生长与发酵稳定、精原细胞活性稀释度高的C-3509菌株进行深入研究；根据菌种的形态特征、菌种的生长条件与培养特征、菌种的生理与生化特性、菌种的细胞壁化学组分及核酸碱基分析以及16S rDNA分析，进行菌种分类。

2、发酵制备，采用多级培养，其中斜面培养基主要采用Tryptone、酵母浸膏和麦芽糖；一级种子培养基主要采用糊精、Malt Extract Proteose、PeptoneYeast extract；二级种子培养基主要采用糊精、葡萄糖、Yeast extract、带鱼蛋白胨；发酵培养基主要采用葡萄糖、蔗糖、酵母浸膏粉和带鱼蛋白胨等。

3、分离纯化，发酵液离心，取样测活，收集活性部分，制成粗品，用微生物检定法、DNA断裂法测其活性，TLC测其Rf值，挑取两种检测均为高活性部分，参照Rf值进行合并，取强活性部分，反相制备柱制备，得到高效抗肿瘤活性样品。

4、结构确认，取二次薄层层析得到的高效抗肿瘤活性样品进行LC-MS检测，再取二次薄层层析得到的高效抗肿瘤活性样品进行紫外吸收检测，以确认本发明所说新种产生的活性物质与卡利霉素相似。

5、活性测定，采用DNA断裂活性测定法和细胞毒性检测法进行。DNA断裂活性测定法，是取活性物质，在紫外灯下检测pBR322 DNA拓扑结构的变化，并用Chemiimager 5500型凝胶成像系统扫描凝胶，记录结果；细胞毒性检测法，是采用MTT法测定细胞存活率。由于活细胞线粒体中的琥珀酸脱氢酶能使外源性的MTT还原为难溶性的蓝紫色结晶物并沉积在细胞中，而死细胞无此功能，加入助溶剂二甲基亚枫(DMSO)能溶解细胞中的蓝紫色结晶物，所以测定溶解的蓝紫色DMSO溶液在特定波长处的光吸收值，即可间接反应活细胞的数量与活性。

根据多相分类定种的原则，综合考虑菌株C-3509的培养特征、生理生化指标、16S rDNA，确认C-3509与Micromonospora echinospora系同属，但又有别于同属中的Micromonospora echinospora subsp calichensis，故命名为棘孢小单胞菌蛇山变种(Micromonospora echinospora var.Sheshansis)。该菌种已于2009年3月25日送交中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心进行保藏，编号为CGMCC No.2978。

发明效果：

本发明所得到的小单孢菌菌株C-3509，培养条件简单、保藏方便，在发酵培养基中产生高效的抗肿瘤抗生素，具有潜在的临床应用前景。

附图说明：

图1-小单孢菌C3509菌株的孢子结构

放大倍数为9000倍，孢子成球形，表面有钝刺，孢子大小为1.1-1.4μm.图2-小单孢菌C3509高效液相图

其中：保留时间为11.05的峰对应γ₁ ^Br；保留时间为11.20的峰对应γ₁ ^I；保留时间为11.5的峰对应β₁ ^Br；保留时间为11.61的峰对应β₁ ^I。

图3-小单孢菌C3509γ₁ ^Br的质谱图

其中：1322为γ₁ ^Br的[M+H]峰；1320为γ₁ ^Br的同位素[M+H]峰。

图4-小单孢菌C3509γ₁ ^I的质谱图

其中：1367.9为γ₁ ^I的[M+H]峰。

图5-小单孢菌C3509β₁ ^Br的质谱图

其中：1334为β₁ ^Br的[M+H]峰。

图6-小单孢菌C3509β₁ ^I的质谱图

其中：1381.8为β₁ ^I的[M+H]峰。

图7-C3509的紫外吸收光谱

其中：230-260nm，260-290nm处为C3509的特征吸收。

图8-小单孢菌C-3509发酵产物对超螺旋质粒DNA pBR322的切割

其中：I-超螺旋DNA；II-切口DNA；III-线性DNA；

①-pBR322质粒对照；②-0.0002μg/ml的C-3509；③-0.002μg/ml的C3509；

④-0.02μg/ml的C3509；⑤-0.2μg/ml的C3509；⑥-1.0μg/ml的C3509；⑦-10μg/ml的C3509。

图9-不同的细胞株对C3509的化学敏感性

其中：A中

表示HepG2，人肝癌细胞株；

表示Bel-7402，人肝癌细胞株；

B中

表示Hela，宫颈癌细胞株；

表示MG-63，人成骨肉瘤细胞株；

表示KB，人口腔上皮癌细胞株。

C中

表示A549，人肺癌细胞株；

表示MCF-7，人乳腺癌细胞株；

表示HT-1080，人纤维肉瘤细胞株。

实施方案：

以下实施例仅为便于本领域技术人员更好地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。<实施例1>小单孢菌C-3509菌株的筛选

将从土壤中分离得到的多种小单孢菌菌株分别接到TYM琼脂斜面(Tryptone5g，酵母浸膏3g，麦芽糖10g，K₂HPO₄ 1g，KH₂PO₄1g，琼脂18g，调PH 7.0-7.2，去离子水配置成1000ml)上，在28℃培养12天，然后接种于发酵培养基(葡萄糖10g，蔗糖15g，酵母浸膏粉3g，带鱼蛋白胨4g，KI 0.1g，微量元素液1ml，冷开水1000ml)220rpm，28℃培养3天，低温离心取上清，用精原细胞法检测，从中筛选检测结果为阳性的菌株；取该菌株的发酵液，测其紫外吸收光谱，筛选出与卡利霉素相似的菌株C-3509。

<实施例2>小单孢菌C-3509的分类

分类培养采用通常有代表性的培养基及国际链霉菌规划会议拟定的培养基(简称ISP培养基)，28℃静止培养21天，观察C-3509菌株的培养特征。颜色鉴定参考Ridgwa图谱，生理生化实验参照文献方法，细胞壁化学组份研究参照Backer、Lechevalier和Hasegawa的方法，磷酸类脂、醌类及G+C mol％的分析按照中国科学院微生物所Ross、阮继生的方法进行。

1、菌种形态特征

C-3509菌株在各种琼脂培养基上菌落光秃，或光滑，或粗糙，不形成气生菌丝。

营养菌丝一般为浅粉橙色、杏黄色或无色，以后渐渐变为橄榄灰黑色。一般无可溶性色素产生，孢子堆呈黑色，孢子单生或成簇，孢子形态为球形，表面形成钝刺。(图1)

2、菌种生长条件与培养特征

C-3509菌株适宜的生长温度为15℃至37℃，在10℃与45℃条件下均不能生长，在含有0.01％叠氮、0.01％酚或0.001％结晶紫的培养基上不能生长，但在含有0.01％孔雀绿的培养基上能够生长。在各种合成或有机琼脂培养基上的菌落为无色、浅粉橙色或杏黄色，以后渐渐转变为橄榄灰、黑色，在ISP-5、高氏1号(Gauze’s No.1)及甘油察氏(Czapek’s)琼脂培养基上生长差，在ISP-2培养基上可产生浅黄褐色的可溶性色素，在葡萄糖天门冬素培养基上没有或有浅紫色的可溶性色素产生。其培养特征见表1。

表1.C-3509菌株的培养特征

3、菌种的生理与生化特性

C-3509菌株能够水解淀粉，具有强的还原硝酸盐活性，可以使明胶液化，并有弱的降解酪素与胨化牛奶的作用，但对于酪氨酸、尿素与几丁质均不能降解，不形成黑色素，但能够产生硫化氢(强阳性)。能够较好地利用蔗糖、淀粉、糊精、纤维二糖、蕈糖、葡萄糖、木糖，稍利用水杨苷与醋酸钠，不利用L-阿拉伯糖、L-鼠李糖、D-果糖、肌醇、甘露醇、乳糖、D-半乳糖、棉子糖、甘油、山梨醇、卫毛醇、木糖醇、核糖醇、纤维素等；能够很好地利用丝氨酸、组氨酸、精氨酸、色氨酸与天门冬素，较好地利用赖氨酸、甲硫氨酸，不利用苏氨酸、半胱氨酸。

4、菌种的细胞壁化学组分及核酸碱基分析

C-3509菌株的全细胞水解产物含有内消旋二氨基庚二酸(Meso-DAP)、少量3-羟基-二氨基庚二酸(3-OH-DAP)、木糖、葡萄糖、半乳糖，及少量的阿拉伯糖。其磷酸类脂属于II型，有磷脂酰乙醇胺(PE)。甲基萘醌成分为MK-9(H4)、MK9(H6)。核酸分子中G+C mo1％含量为71.14mol％。

5、16S rDNA分析

按常规方法提取菌株C-3509的总DNA，以通用引物PCR扩增16SrDNA.，PCR产物经纯化后用相同引物进行测序，所得序列经校正后送Genbank序列数据库做Blast比较，根据所得结果选取相关模式菌株序列构建系统发育树；其中多序列匹配排列通过Clustalw软件进行，Neighbor-Joining(N-J)进化树由Phylip softwqare package生成。菌株C-3509与棘孢小单孢菌的16SrDNA序列同源性最高，为99.44％。

根据多相分类定种的原则，综合考虑菌株C-3509的培养特征、生理生化指标，16S rDNA，确认C-3509与Micromonospora echinospora同属，但又有别于同属中的Micromonospora echinospora subsp calichensis，故命名为棘孢小单胞菌蛇山变种(Micromonospora echinospora var.Sheshanensis)。该菌种已于2009年3月25日送交中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心保藏，编号为CGMCC No.2978。

6、C-3509与Calicheamicin产生株的比较

C-3509与Calicheamicin产生株同属于刺孢小单孢菌属，且都产生高效的抗肿瘤抗生素Calicheamicins γ₁ ^I，γ₁ ^Br，β₁ ^I，β₁ ^Br四种组份，但两者菌种不同(见表2)。

表2.C-3509与Calicheamicin产生菌形态培养特征的比较

<实施例3>小单孢菌C-3509菌株的发酵

C-3509的斜面采用TYM培养基(Tryptone 5g，酵母浸膏3g，麦芽糖10g，K₂HPO₄ 1g，KH₂PO₄ 1g，琼脂18g，调PH 7.0-7.2，去离子水配置成1000ml)。将C-3509接种于斜面培养基上，28℃培养12天，使得斜面上长满丰富的黑色孢子。

将生长好的斜面培养物挖块接种于一级种子培养基(糊精15g，Malt Extract10g，Proteose Peptone 5g，Yeast extract 5g，调PH 7.0，去离子水配置成1000ml)，28℃震荡培养96小时。

一级种子转接二级种子培养基(糊精15g，葡萄糖10g，Yeast extract 3g，带鱼蛋白胨5g，调PH 7.0，去离子水配置成1000ml)，接种量为5％，28℃震荡培养48小时。

二级种子接种于发酵培养基(葡萄糖10g，蔗糖15g，酵母浸膏粉3g，带鱼蛋白胨4g，KI 0.1g，微量元素液1ml，冷开水1000ml)，接种量为5％，28℃震荡培养72小时。

微量元素液：FeSO₄·7H₂O 0.1g，MnCl2·4H₂O 0.1g，ZnSO₄·7H₂O 0.1g，蒸馏水100ml，配成1mg/ml溶液。

<实施例4>小单孢菌C-3509菌株发酵产物的检测

a).微生物检定法：适用于初筛，离心收集发酵液，测量抑菌圈直径。检测菌为枯草芽孢杆菌[CMCC(B)63501]；b).DNA断裂法：1mg活性物质，DMSO溶解为1mg/ml溶液，将3.5μL 50mol·L^-1Tris-HCL(pH 7.6)缓冲液、4.5μLpBR322DNA溶液(100ng·μL^-1)、1μL不同浓度的样品溶液和1μL β-巯基乙醇混合，置室温下暗处反应1h，再加入电泳样品孔，在1％琼脂糖凝胶中电泳1h，用溴化乙锭水溶液(0.45μg·mL^-1)染色30min。在紫外灯下(302nm)检测pBR322DNA拓扑结构的变化。并用Chemiimager 5500型凝胶成像系统扫描凝胶，记录结果。

<实施例5>小单孢菌C-3509菌株发酵产物的分离纯化

C-3509的发酵液低温离心，合并离心液，取样测活。活性部分DIAION HP20大孔吸附树脂进行吸附柱层析，流速每分钟1/100柱体积，80％丙酮洗脱，收集活性部分，低温吹去丙酮，乙酸乙酯萃取。乙酸乙酯萃取液减压浓缩，至红棕色油状物。少量乙酸乙酯溶解，正己烷沉淀，静置24小时，离心收集沉淀，制成粗品。

干法装硅胶柱，抽去硅胶柱内空气，以1～2个柱体积的流动相A溶液(EA∶MeOH 95∶5)平衡柱子。将粗品溶于流动相A溶液中，进行硅胶柱层析，用流动相A溶液进行洗脱，分管收集，微生物检定法、DNA断裂法测其活性，TLC测其Rf值，挑取两种检测均为高活性部分，参照Rf值进行合并。用流动相B(CH₂Cl₂∶Acetone∶MeOH 8∶1∶1)进行TLC薄层层析，刮取TLC条带，测活，取强活性部分，用流动相B二次TLC。刮取条带，测活，取强活性部分，合并。将合并部分溶于流动相C(CH₃CN∶0.2M NH₄OAc 1∶1)，ODS的HPLC反相制备柱制备，得到高效抗肿瘤活性样品。

<实施例6>C-3509菌株发酵产物的结构鉴定

取二次薄层层析得到的高效抗肿瘤活性样品用LC-MS进行检测(图2)，分析结果，其中四个成分的分子量(图3、图4、图5、图6)分别与Calicheamicin γ₁ ^I，γ₁ ^Br，β₁ ^I，β₁ ^Br相同，且分子量为1319、1381的组份为典型的含Br元素化合物质谱图，分子量为1367、1333的组份为典型的含I元素化合物的质谱图。取二次薄层层析得到的高效抗肿瘤活性样品测定紫外吸收，紫外吸收图谱(图7)与Calicheamicin相似。

<实施例7>样品的活性测定

(1)DNA断裂活性测定

DNA断裂检测方法：1mg活性物质，DMSO溶解为1mg/ml溶液，将3.5μL50mol·L^-1Tris-HCL(pH 7.6)缓冲液、4.5μL pBR322 DNA溶液(100ng·μL^-1)、1μL不同浓度的样品溶液和1μL β-巯基乙醇混合，置室温下暗处反应1h，再加入电泳样品孔，在1％琼脂糖凝胶中电泳1h，用溴化乙锭水溶液(0.45μg ·mL^-1)染色30min。在紫外灯下(302nm)检测pBR322DNA拓扑结构的变化。并用Chemiimager 5500型凝胶成像系统扫描凝胶，记录结果。

DNA断裂结果见图8。由图可以看出，C-3509浓度为0.02μg/ml时，仍有DNA断裂活性。C-3509的DNA断裂活性为阳性的最低样品浓度在0.02μg/ml左右。

(2)细胞毒性检测(图9)

MTT法测定细胞存活率

MTT是一种可以接受H原子的四甲基偶氮唑蓝染料，化学名为3-(4，5-二甲基噻唑-2)-2，5-二苯基四氮唑溴蓝，商品名为噻唑蓝，简称MTT。

检测原理：活细胞线粒体中的琥珀酸脱氢酶能使外源性的MTT还原为难溶性的蓝紫色结晶物并沉积在细胞中，而死细胞无此功能。助溶剂二甲基亚枫(DMSO)能溶解细胞中的蓝紫色结晶物，测定溶解的蓝紫色DMSO溶液在570nm波长处的光吸收值，该值可间接反应活细胞的数量和活性。

检测方法如下：

①取对数生长期细胞，消化计数后按照各个细胞系生长特性不同以4000～6000个/孔的密度接种于96孔细胞培养板中。

②在细胞培养箱中培养24h后加入不同浓度的活性物质，使每孔内给药后培养液终体积为200μl，每组至少3个平行孔，放入细胞培养箱(培养箱温度为37℃，CO₂5％)中继续培养。

③MTT用PBS缓冲液配成5mg/ml溶液。

④给药48h后取出细胞培养板，向每孔中加入前述的MTT溶液20μl，37℃温育4h。

⑤吸出上清液，加入150μl DMSO，振荡10min，使结晶物充分溶解。

⑥用酶标仪在570nm处测定每个孔的吸光度(A)。将各测试孔的吸光度A值减去本底吸光度A值(完全培养基加MTT，无细胞)，各平行孔的吸光度A值取平均数。

⑦细胞的存活率以T/C(％)表示，T为加药组细胞的A值，C为对照组细胞的A值。

细胞存活率％＝(加药组细胞A值-本底A值)/(对照组细胞的A值-本底A值)×100％

⑧根据T/C的值绘制生长曲线。

⑨根据细胞生长曲线计算活性物质对肿瘤细胞增殖抑制作用的IC50值(半对数抑制浓度)

表3.不同的细胞株对C-3509发酵样品的化学敏感性

细胞毒性(IC₅₀值单位M)由MTT检测方法获得。A549，人肺癌细胞株；MCF-7，人乳腺癌细胞株；HT-1080，人纤维肉瘤细胞株；Hela，宫颈癌细胞株；MG-63，人成骨肉瘤细胞株；HepG2，人肝癌细胞株；KB，人口腔上皮癌细胞株；Bel-7402，人肝癌细胞系株。

Claims (2)

1、一株棘孢小单胞菌变种C-3509，保藏编号为CGMCC No.2978。

2、权利要求1所述小单胞菌变种C-3509在制备抗肿瘤抗生素卡利霉素中的应用。

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