CC BY
61
Вестник ДВО РАН. 2015. № 6
УДК 577.115:593.4+547.996:593.96+547.925:593.793:593.93+547.94:593.4 В.А. СТОНИК
Недавние исследования морских природных соединений. Структуры и биологические активности
Исследования морских природных соединений были инициированы на Дальнем Востоке России академиком Георгием Борисовичем Еляковым около 50 лет назад. В короткой обзорной статье, посвященной его памяти, обсуждаются научные результаты, полученные в этой научной области в Тихоокеанском институте биоорганической химии в течение последних 3 лет. Несколько новых морских алкалоидов, выделенных из морских губок, отличаются своими структурами от других представителей этого класса. Некоторые из них ингибируют множественную лекарственную устойчивость опухолевых клеток и вызывают их самопереваривание (ауто-фагию). Среди новых полярных стероидов найдены соединения, увеличивающие устойчивость нервных клеток к голоданию и кислородной недостаточности. Несколько новых терпеноидов проявляют антиоксидантные свойства. Уникальные по своему строению рибозиды из губки Petrosia sp. усиливают окислительные процессы в митохондриях кардиомиоцитов. Недавно сообщены новые особенности физиологического действия эхинохро-ма А — активной субстанции лекарственных препаратов серии «Гистохром».
Ключевые слова: морские природные соединения, алкалоиды, стероиды, терпеноиды, рибозиды, эхино-хром А.
Recent studies on marine natural products. Structures and biological activities. V.A. STONIK (G.B. Elyakov Pacific Institute of Bioorganic Chemistry, FEB RAS, Vladivostok).
Studies on marine natural products were initiated in the Far East of Russia by Professor G.B. Elyakov about 50 years ago. In this short review, dedicated to his memory, some scientific results, obtained in this scientific field during last three years at the Pacific Institute ofBioorganic Chemistry are discussed. A series of new marine alkaloids derived from marine sponges differ from other representatives of this class in their structures. Some of them inhibit multidrug resistance of tumor cells and induce their autophagy. Among new polar steroids, compounds increasing the resistance of neurons against oxygen and glucose deprivation were found. Some terpenoids, isolated from marine organisms, show antioxidant properties. Unique for its structure ribosides from a sponge Petrosia sp. enhance oxidative processes in mitochondria of cardyomyocytes. New peculiarities of physiological action of echinochrome A, an active substance of drugs belonging to the "Histochrom" series, were recently reported.
Key words: marine natural products, alkaloids, steroids, terpenoids, ribosides, echinochrome A.
О ТИБОХ им Г.Б. Елякова ДВО РАН как центре изучения природных соединений в России. Первые Еляковские чтения
Прошло 10 лет после ухода из жизни крупного ученого и организатора научных исследований в Дальневосточном регионе России академика Г.Б. Елякова, долгое время бывшего не только директором нашего Института, но и председателем ДВО РАН, вице-президентом РАН. 13 сентября 2015 г. ему бы исполнилось 86 лет. В память о нем мы провели в сентябре этого года во Владивостоке Первые Еляковские чтения. Можно надеяться, что эти чтения станут регулярными и выступления на них будут отчетами о новейших
СТОНИК Валентин Аронович - академик, директор (Тихоокеанский институт биоорганической химии им. Г.Б. Елякова ДВО РАН, Владивосток). E-mail: [email protected]
научных результатах, полученных дальневосточными учеными в области биоорганической и органической химии. Именно в этих областях науки работал сам Г.Б. Еляков, продолжают работать его ученики и коллеги.
Около 50 лет назад - в конце 60-х годов прошлого века - Георгием Борисовичем и его заместителями по Институту биологически активных веществ СО РАН (ныне Тихоокеанский институт биоорганической химии им. Г.Б. Елякова ДВО РАН), В.Е. Васьковским (ныне член-корреспондент РАН) и Ю.С. Оводовым (академик), на Дальнем Востоке России было инициировано изучение морских природных соединений. В 1967 г. вступила в строй Морская экспериментальная станция института в бухте Троица, в 100 км южнее Владивостока, а с 1973 г. начались работы морских экспедиций нашего института на НИС «Каллисто», затем «Профессор Богоров» и «Академик Опарин». Это позволило использовать для выделения и изучения природных соединений не только водоросли и беспозвоночные российской части Японского моря, но и морские организмы, собранные в других акваториях Мирового океана. С середины 80-х годов к морским животным и растениям как объектам наших исследований были присоединены бактерии и грибы из уникальной коллекции морских микроорганизмов, собранной главным образом во время морских экспедиций.
За прошедшие годы ТИБОХ им Г.Б. Елякова ДВО РАН превратился в один из самых крупных центров изучения природных соединений в нашей стране, тем более что наряду с изучением различных метаболитов морского происхождения в нем также велись исследования природных соединений из наземных растений. В настоящее время в ТИБОХ ДВО РАН изучаются физиологически активные стероиды, терпеноиды, алкалоиды, хино-идные и полифенольные соединения, олиго- и полисахариды, липиды, представители других классов природных соединений из морских животных, растений, морских бактерий и грибов. Ежегодно устанавливаются химические структуры по крайней мере 50 новых соединений и изучаются их биологические свойства, включая биологические активности, а в некоторых случаях и молекулярные механизмы биологического действия. Кроме того, методами органического синтеза каждый год осуществляются полные синтезы нескольких природных соединений. По числу установленных структур низкомолекулярных биорегуляторов различной химической природы (кроме пептидов) институт превосходит любую другую научную организацию страны.
Работы ТИБОХ ДВО РАН вносят существенный вклад и в мировую науку. Например, каждое десятое соединение, выделенное в последние годы из морских грибов, было получено и изучено учеными нашего института. Хотя природные физиологически активные вещества уже около 250 лет привлекают внимание ученых своим химическим строением и свойствами, поток открытий в этой научной области никогда не прекращался. Природные метаболиты интересны не только перспективами использования некоторых из них в медицине в качестве активных субстанций лекарственных препаратов, но и другими аспектами их применения. Их изучение оказало влияние на развитие ряда биотехнологий, новых методов органического синтеза, привело к новым достижениям в области химической экологии, биохимии, фармакологии и других наук. Много новых уникальных соединений было найдено в морских организмах учеными США, Японии, Италии, Германии, Австралии и других стран, не исключая и Россию. В следующих разделах статьи будет сообщено о недавних находках, сделанных в нашем институте.
Алкалоиды
Алкалоиды - известный своим структурным разнообразием и биологическими активностями класс низкомолекулярных природных соединений, биосинтезируемых из аминокислот и других биосинтетических предшественников. Среди морских алкалоидов найдены противоопухолевые агенты, например активная субстанция противоопухолевого
лекарственного препарата нового поколения «Ионделис», мощные токсины (батрахоток-син, тетродотоксин и др.), антимикробные и иммуностимулирующие соединения. В последние 3 года несколько новых необычных алкалоидов были получены и учеными из ТИБОХ ДВО РАН.
Например, в 36-м рейсе НИС «Академик Опарин» в августе 2008 г. у берегов о-ва Уруп (45°57,9 N; 150°44,9 E) на глубине 66 м были собраны образцы морской губки Monanchora pulchra, а в 2014 г. в высокорейтинговом международном научном журнале «Organic Letters» опубликована научная статья [6], в которой приведена структура и обсуждается биологическая активность алкалоида из этой губки, названного урупоцидином А (1). Урупо-цидин А - первый представитель новой структурной группы гуанидиновых алкалоидов (рис. 1) - индуцирует в макрофагах экспрессию фермента, синтазы окиси азота, стимулируя клеточный иммунитет [6].
Индолилкарбазольный (2) и индолофенантридиновый алкалоиды (3) были недавно найдены в морской губке Penares sp., собранной во вьетнамских водах [4]. Оба этих алкалоида имеют ранее неизвестные скелетные системы и уже привлекли внимание нескольких групп ученых как модельные соединения для синтеза новых биоактивных веществ. Соединения 2 и 3, подобно ряду других морских алкалоидов, содержат атомы брома (рис. 1).
Рис. 1. Структуры новых алкалоидов
Биологические свойства новых алкалоидов вызвали большой интерес. В частности, в международном научном журнале «Oncotarget» в 2015 г. напечатано совместное с немецкими учеными из Клиники Эппендорф при университете Гамбурга сообщение о том, что недавно выделенный в нашем институте новый алкалоид монанхоцидин (4) (рис. 1) отменяет лекарственную устойчивость опухолевых клеток [1]. Множественная лекарственная устойчивость, т.е. приобретенная после химио- или/и радиотерапии способность выживших опухолевых клеток выбрасывать наружу любое лекарство, является одной из главных причин возобновления опухолевого процесса у пациентов с онкологическими заболеваниями после хирургического и лекарственного лечения. В опухолевых клетках NCCIT-R, полученных от пациентов с раком простаты, под действием монанхоцидина стимулировались процессы аутофагии (самопереваривания) через увеличение проницаемости ли-зосом, образование аутофагосом и их слияние с лизосомами [1]. Сообщения об этом исследовании и новом механизме действия на опухолевые клетки появились, кроме научных изданий, в газетах и в электронных средствах массовой информации.
Стероиды и родственные им соединения
Ранее мы установили, что многие полярные стероиды, типичные вторичные метаболиты морских звезд, стимулируют рост отростков нервных клеток (нейритов). Эти соединения обычно образуют очень сложные смеси, и их выделение стало возможным только после применения целой серии различных хроматографических процедур. Еще один аспект физиологического действия этих природных соединений был открыт совсем недавно. При изучении нейритогенного воздействия полярных стероидов из Distolasterias nipon в концентрациях 1-50 нМ на клетки нейробластомы были обнаружены значительные синергетические эффекты этих веществ со следовыми количествами фактора роста нервов NGF или мозгового нейротрофического фактора BDNF. Следовательно, эти вещества усиливают действие белковых биорегуляторов, функционирующих в организме человека. Более того, используя культуру мышиной нейробластомы и органотипическую культуру срезов гиппокампа крыс, удалось установить, что эти стероиды обладают ней-ропротекторными свойствами, поддерживая выживание клеток в условиях кислородного голодания и недостатка глюкозы [7]. Это открывает перспективы разработки на основе подобных природных соединений новых медицинских препаратов для лечения ишемиче-ского инсульта и некоторых других заболеваний центральной нервной системы.
НО
Рис. 2. Циклические стероидные гликозиды из морской звезды Echinaster luzonicus
Циклические стероидные гликозиды (5-8), недавно выделенные из морской звезды Echinaster luzonicus (рис. 2), относятся к группе весьма редких стероидных метаболитов. Их углеводные цепи соединены одной гликозидной и одной простой эфирной связями со стероидным агликоном. Это отличает 5-8 и родственные им природные соединения от всех других стероидных гликозидов, найденных ранее в различных биологических объектах. Было показано, что лузоникозид А (5) в концентрациях 0,01-0,1 мкМ активно стимулирует лизосомальную активность, повышает внутриклеточный уровень ROS и синтез NO в мышиных RAW264.7 макрофагах. Таким образом, он, очевидно, является иммуностимулятором [3]. Планируется в ближайшее время провести более детальное изучение биологической активности этого соединения.
Терпеноиды и их гликозиды
В течение последних лет было открыто много новых терпеноидов из губок, голотурий и морских микроорганизмов. Приведем несколько примеров. Из экстрактов морской губки Heterofibria sp. была выделена серия дитерпеноидов спонгианового ряда
(рис. 3), причем некоторые из них (9, 10) ингибируют биосинтез ДНК, но стимулируют биосинтез РНК в эмбрионах морских ежей [8]. Такое избирательное действие на биосинтез нуклеиновых кислот может привлечь внимание и к этой группе природных соединений.
Очень необычные тритерпеновые лактоны, такие как 11 и 12 (рис. 3), были найдены в экстрактах губки Penares sp. [10]. Не только особенности химического строения, но и их относительно высокая токсичность для опухолевых клеток делают интересным дальнейший поиск таких соединений.
Рис. 3. Некоторые терпеноиды из морских организмов
Глубоководная арктическая голотурия Ко^а hyalina (Elpidiidae, Elasipodida) была собрана сотрудниками Института океанологии им. Ширшова во время экспедиции в котловине Амундсена Арктического океана с глубины 4354 м специально для наших исследований. Из экстрактов собранных голотурий в нашем институте выделены новые тритерпеновые гликозиды, например 13 (рис. 3), и с помощью ЯМР-спектроскопии и масс-спектрометрии установлены их структуры [5]. Эти гликозиды являются десульфа-тированными аналогами подобных гликозидов, выделенных нами ранее из другого представителя семейства Elpidiidae, а именно Rhipidothuria racowitzai (=Achlionice violaescupi-с1^а), собранного недалеко от Антарктиды нашими коллегами из Испании. Они передали нам экстракты этих беспозвоночных для дальнейшего изучения. Таким образом, вещества из животных, обитавших на огромном расстоянии друг от друга, в Арктике и Антарктике, оказались весьма сходными по своему строению. Кольгаозиды интересны также тем, что они выделены из самого глубоководного биологического объекта из всех, побывавших в руках химиков-биооргаников.
Соединения другой химической природы
Новые меротерпеноиды, вещества, имеющие как терпеноидный, так и ароматический структурные фрагменты, были выделены из экстрактов морской губки Лка coraШphaga. Сульфатированные и высокополярные сульфат сифонодиктиаля А (14), ака-дисульфат А (15) и акадисульфат В (16) (рис. 4) - это сесквитерпеноиды, имеющие ги-дрохиноновые заместители и проявляющие высокую антиоксидантную активность [12]. Антиоксиданты тормозят окислительные процессы, вызванные так называемыми активными формами кислорода, эти процессы характерны для многих патологических состояний. Поэтому антиоксиданты широко применяются в медицине в составе самых различных препаратов, в особенности растительного происхождения.
Уникальные природные соединения были выделены из экстрактов морской губки Neopetrosia sp. Они относятся к рибозидам, производным рибозы и азотсодержащих гетероциклических соединений. Такие производные имеются во всех живых организмах и включены в состав важнейших коферментов, без участия которых не могут протекать многие окислительно-восстановительные процессы. Однако вновь полученные рибозиды, названные неопетрозидами А и В (17, 18) (рис. 4) [11], в отличие от всех ранее известных рибозидных производных, имеют не в, а а-Ы-гликозидные связи между рибозным остатком и гетероциклическим агликоном. Кроме того, они содержат ароматические заместители, присоединенные к положению 5' в рибозе. Эти соединения образуют так называемые внутренние соли с положительно заряженным атомом азота и отрицательным зарядом на карбоксильной группе никотиновой кислоты, которая является агликоном обоих полученных рибозидов.
ОНО
Неопетрозид А (17) Неопетрозид В (18) Эхинохром А (19)
Рис. 4. Другие природные соединения
Интересна и физиологическая активность неопетрозидов. Они действуют на митохондрии С2С12 линии кардиомиоцитов сердечной мышцы, повышая в них содержание адено-зинтрифосфорной кислоты (АТФ) и усиливая окислительные процессы в митохондриях, за счет которых клетки сердца обеспечиваются энергией. Неопетрозид А в короткое время синтезирован сотрудниками Института органической химии им. Н.Д. Зелинского Российской академии наук (Москва). В настоящее время осуществляется синтез неопетрозида В и некоторых структурных аналогов полученных нами соединений. Синтез сделает эти редкие соединения легко доступными и обеспечит возможности более тщательного изучения их физиологического действия.
Не только новые низкомолекулярные природные соединения были открыты в последние годы, но были найдены и новые свойства у хорошо известных ранее веществ. Так, эхинохром А (19), красно-оранжевый пигмент целомической жидкости и игл морских ежей (рис. 4), используется в качестве активной субстанции лекарственных препаратов серии «Гистохром», разработанных в нашем институте. Последние исследования, выполненные совместно с учеными из Республики Корея, выявили важные особенности физиологического действия этого вещества. Было показано, что эхинохром А увеличивает митохондриальную массу и экспрессию генов митохондриальной ДНК, ответственных за
окислительное фосфорилирование в кардиомиоцитах. Активирует эхинохром А и митохондрии мышечных клеток, положительно влияет на мышечную выносливость: после его аппликации становится возможным выполнение дополнительной мышечной работы [2, 9]. Эти наблюдения установили молекулярные механизмы, связанные с некоторыми полезными свойствами медицинских препаратов серии «Гистохром», которые были известны раньше, но не могли быть объяснены.
Заключение
Инициируемые много лет назад в нашем институте исследования низкомолекулярных биоактивных веществ из морских организмов, которыми до начала 80-х годов прошлого века руководил академик Георгий Борисович Еляков, по-прежнему приводят к важным научным результатам. Найденные в последнее время новые природные соединения, относящиеся к самым различным структурным группам, демонстрируют значительное структурное разнообразие морских вторичных метаболитов и убеждают в перспективности их дальнейшего поиска и изучения. Особенности их строения указывают на протекающие в их продуцентах необычные биосинтетические превращения и присутствие в них ранее неизвестных ферментативных систем.
В морских биологических объектах функционирует много полярных и среднеполяр-ных соединений, которые образуют сложные и трудноразделимые смеси. Получение таких метаболитов в индивидуальном состоянии стало результатом разработки оригинальных схем и способов их выделения.
Многие из выделенных в последние годы и некоторые из ранее изученных морских вторичных метаболитов проявляют интересные биологические свойства, обнаруженные в самое последнее время. Это открывает возможности использования этих соединений как модельных для разработки лекарственных препаратов и в качестве молекулярных инструментов в биохимических исследованиях.
Некоторые из недавно открытых физиологически активных морских природных соединений были синтезированы, что позволяет использовать их как исходные вещества с целью получения библиотек их аналогов и производных для более продуктивного поиска высокоактивных природных соединений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Dyshlovoy S.A., Hauschild J., Amann K., Tabakmakher K.M., Venz S., Walther R., Guzii A.G., Makarieva T.N., Shubina L.K., Fedorov S.N., Stonik V.A., Bokemeyer C., Balabanov S., Honecker F., Amsberg G. Marine alkaloid Monanchocidin a overcomes drug resistance by induction of autophagy and lysosomal membrane permeabilization // Oncotarget. 2015. Vol. 6. P. 17328-17341.
2. Jeong S.H., Kim H.K., Song I.-S., Noh S.J., Marquez J., Ko K.S., Rhee B.D., Kim N., Mishchenko N.P., Fedo-reyev S.A., Stonik V.A., Han J. Echinochrome A increases mitochondrial mass and function by modulating mitochondrial biogenesis regulatory genes // Marine Drugs. 2014. Vol. 12. P. 4602-4615.
3. Kicha A.A., Kalinovsky A.I., Malyarenko T.V., Ivanchina N.V., Dmitrenok P.S., Menchinskaya E.S., Yurchenko E.A., Pislyagin E.A., Aminin D.L., Huong T.T.T., Long P.Q., Stonik V.A. Cyclic steroid glycosides from the starfish Echinaster luzonicus: structures and immunomodulatory activities // J. Nat. Prod. 2015. Vol. 78. P. 1397-1405.
4. Lyakhova E.G., Kolesnikova S.A., Kalinovsky A.I., Afiyatullov Sh.Sh., Dyshlovoy S.A., Krasokhin V.B., Minh C.V., Stonik V.A. Bromine-containing alkaloids from the marine sponge Penares sp. // Tetrahedron Lett. 2012. Vol. 53. P. 6119-6122.
5. Lyakhova E.G., Kolesnikova S.A., Kalinovsky A.I., Dmitrenok P.S., Nam N.H., Stonik V.A. Further study on Penares sp. from Vietnamese waters: minor lanostane and nor-lanostane triterpenes // Steroids. 2015. Vol. 96. P. 37-43.
6. Makarieva T.N., Ogurtsova E.K., Denisenko V.A., Dmitrenok P.S., Tabakmakher K.M., Guzii A.G., Pislyagin E.A., Es'kov A.A., Kozhemyako V.B., Aminin D.L., Wang Y.-M., Stonik V.A. Uruposidin A: a new, inducing iNOS expression bicyclic guanidine alkaloid from the marine sponge Monanchora pulchra // Organic Lett. 2014. Vol. 16. P. 4292-4295.
7. Palyanova N.V., Pankova T.M., Starostina M.V., Kicha A.A., Ivanchina N.V., Stonik V.A. Neuritogenic and neuroprotective effects of polar steroids from the far east starfishes Patiria pectinifera and Distolasterias nipon // Marine Drugs. 2013. Vol. 11. P. 1440-1455.
8. Ponomarenko L.P., Terent'eva N.A., Krasokhin V.B., Kalinovsky A.I., Rasskazov V.A. Terpenoid metabolites from Spongia spp. and their effects on nucleic acid biosynthesis in sea urchin eggs // Nat. Prod. Commun. 2011. Vol. 6. P. 773-776.
9. Seo D.Y., McGregor R.A., Noh S.J., Choi S.J., Mishchenko N.P., Fedoreyev S.A., Stonik V.A., Han J. Echi-nochrome A improves exercise capacity during short-term endurance training in rats // Marine Dugs. 2015. Vol. 13. P. 5722-5731.
10. Shubina L.K., Kalinovsky A.I., Makarieva T.N., Fedorov S.N., Dyshlovoy S.A., Dmitrenok P.S., Kapustina I.I., Mollo E., Utkina N.K., Krasokhin V.B., Denisenko V.A., Stonik V.A. New meroterpenoids from the marine sponge Aka coralliphaga // Nat. Prod. Commun. 2012. Vol. 7. P. 487-490.
11. Shubina L.K., Makarieva T.N., Yashunsky D.V., Nifantiev N.E., Denisenko V.A., Dmitrenok P.S., Dyshlovoy S.A., Fedorov S.N., Krasokhin V.B., Jeong S.H., Han J., Stonik V.A. Pyridine nucleosides neopetrosides A and B from a marine Neopetrosia sp. sponge. Synthesis of neopetroside A and its p-riboside analogue // J. Nat. Prod. 2015. Vol. 78. P. 1383-1389.
12. Silchenko A.S., Kalinovsky A.I., Avilov S.A., Andryjashchenko P.V., Fedorov S.N., Dmitrenok P.S., Yurchen-ko E.A., Kalinin V.I., Rogacheva A.V., Gebruk A.V. Kolgaosides A and B, two new triterpene glycosides from the Arctic deep water sea cucumber Kolga hyalina (Elasipodida: Elpidiidae) // Nat. Prod. Commun. 2014. Vol. 9. P. 1259-1264.
