萜类化合物通常是指由异戊二烯单位组成的分子式为（C₆H₅）_n的碳氢化合物，广泛存在于植物、动物和大型真菌中，种类丰富，是天然产物中的最大家族。目前萜类化合物已成为多个学科（有机化学、药物化学、生物学等）、多种产业（医药、香料、食品、农业等）极其重要的天然产物研究对象。萜类化合物（单萜、倍半萜、二萜和三萜类化合物）通常具有抗肿瘤、抗菌、抗炎、抗氧化、降血糖等多种重要的药理活性。目前，萜类化合物的研究主要集中于提取和结构表征、药理活性研究、微生物生物合成、微生物转化和发酵生产等方面。

一、大型真菌萜类化合物的药理活性

1.抗肿瘤

从灵芝（Ganoderma lucidum）、牛樟芝（Antrodia camphorate）、毛韧革菌（Stereum hirsutum）、桦褐孔菌（Inonotus obliquus）、金针菇（Flammulina velutipes）、姬菇（Pleurotus cornucopiae）等多种大型真菌分离提取到多种萜类化合物，具有显著的抗肿瘤活性，而且副作用较小，具有较大的潜在开发利用价值。灵芝的主要活性物质是灵芝酸，是含有羧基的四环三萜类化合物，数量最多的灵芝酸为羊毛甾烷型三萜，通过抑制癌细胞增殖、黏附、迁移和侵袭，降低CDK4表达而抑制癌细胞中的uPA，抑制PMA诱导活性和MMP-9活性而阻止癌细胞入侵，对癌细胞直接产生毒性等方式，展示其抗肿瘤活性。

2.抗炎症

活性物质抗炎的作用机理是其能够减少细胞中NO和其他一些炎症介质如白细胞介素（IL-1b、IL-6、IL-8）、肿瘤坏死因子（TNF-α）和前列腺素E2（PGE2）的产生，从而减少炎症的发生。从侧耳（Pleurotus）、黑蛋巢（Cyathus）、拟层孔菌（Fomitopsis）、灵芝、牛樟芝等多种大型真菌分离到萜类化合物，具有显著的抗炎活性。

3.抑菌

从担子菌集毛菌属（Coltricia cinnamomea）、Onnia tomentosa、猪苓（Polyporusumbellatus）、Ganoderma colossum、灵芝、乳菇属（Lactarius）等大型真菌分离得到多种萜类化合物，具有显著的抗菌活性。

4.抗氧化

金针菇大米发酵物中分离得到倍半萜类化合物、Lignosus tigris的菌核甲醇提取物、毛韧革菌（Stereum hirsutum）中分离到的倍半萜类化合物以及桦褐孔菌中分离得到的4种萜类化合物等，均表现出明显的体外抗氧化活性。

5.降血糖

从桦褐孔菌发酵液中分离得到羊毛甾烷型三萜inotolactones A和inotolactones B，表现出较强的α-葡萄糖苷酶的抑制活性（高于阳性对照阿卡波糖的抑制活性）。从桦褐孔菌中分离得到了4种萜类化合物，其中3种化合物具有α-葡萄糖苷酶的抑制活性。从毛韧革菌中分离得到9种新的萜类化合物，其中7种化合物sterenins E、sterenins F、sterenins G、sterenins H、sterenins K、sterenins L、sterenins M具有酵母α-葡萄糖苷酶抑制活性。从猴头菇（Hericium erinaceus）中分离得到11种萜类化合物，其中有10种具有较强的α-葡萄糖苷酶的抑制活性。

6.其他生理活性

一些大型真菌萜类化合物还有抗脂质过氧化、治疗结核病（Ganoderic acid T和桦褐孔菌的萜类化合物）、抗HIV（灵芝酸H、灵芝酸C 1、灵芝酸B、灵芝酸α等）、护肝（灵芝酸、桦褐孔菌中的萜类化合物）、抗疟疾（Astraeus pteridis的羊毛甾烷型三萜）、促进神经干细胞的增殖以辅助治疗神经退行性疾病、治疗糖尿病肾病或慢性肾病（赤芝杂萜类化合物）、促进神经伸展（茯苓三萜类化合物）、抗蛋白酪氨酸激酶（桦褐孔菌中的萜类化合物）等诸多活性。

许多大型真菌已经被开发成药品、保健品、食品添加剂而得到广泛应用。相对于食用菌多糖的开发利用，目前食药用真菌萜类化合物的工业化生产较少。截短侧耳素（Pleuromutilin）是侧耳属Pleurots mutilus和Pleurotus passeckerianus菌株经过深层培养后产生的一种抗生素，属于二萜类化合物，通过结构改造，先后开发上市了泰妙菌素（Tiamulin）、沃尼妙林（Valnemulin）、瑞他莫林（Retapamulin）。截短侧耳素及其衍生物可在核糖体水平上抑制细菌蛋白质的合成，对许多革兰阳性及支原体有独特疗效。除此之外商业开发较多的有食药用菌的三萜化合物（表10-7）。

表10-7 商业化的大型真菌活性萜类化合物保健品

二、萜类的微生物生物合成

作为次生代谢产物，萜类物质在天然原料中的含量极低，直接提取纯化难度大、成本高，不利于其规模化生产和广泛应用。随着萜类合成研究的不断进展，多种萜类的生物合成途径得以解析。利用分子生物学技术将萜类合成途径中的多个酶基因克隆后导入微生物重组表达，重组酶在细胞内重新组建合成途径，利用微生物的基础代谢分子为起始物完成萜类的合成，称为萜类的微生物生物合成。微生物生长速度快、发酵成本低等优势将极大地降低萜类的生产成本；并且与植物相比遗传背景更清晰的微生物易于进行遗传改造，为通过代谢工程和合成生物学技术大幅提高萜类产量以及发掘新结构、新活性的萜类衍生物提供了便利。萜类微生物的生物合成研究开发了明显优于传统的天然提取分离生产技术的新的萜类生产技术，为未来萜类的工业化生物合成生产奠定了基础。

1.紫杉醇

紫杉醇（Taxol）又称红豆杉醇，是最早从太平洋红豆杉（Taxus brevifolia）的树皮中分离得到的一类具有显著抗癌活性的二萜类化合物。紫杉醇类药物已经被广泛用于临床治疗。紫杉醇的生物合成途径已经清楚。由紫杉烯合酶（taxadiene synthase）催化香叶基香叶基二磷酸（Geranylgeranyl diphosphate，GGPP）环化生成的紫杉烯（taxadiene）是具有紫杉烷母核结构的第一个重要中间体，该化合物再经一系列氧化、羟化反应生成紫杉醇。将异戊烯焦磷酸（IPP）异构酶、GGPP合酶和紫杉烯合酶3个基因导入大肠杆菌进行共表达，获得了1.3mg/L的培养物紫杉烯。将紫杉烯的生物合成途径分成负责供应IPP前体的上游DXP途径模块、负责紫杉烯合成的下游GGPP合酶和紫杉烯合酶模块，通过多变量模块优化的方法对两个合成模块进行参数变量优化，例如，启动子强度和质粒拷贝数等，探索出使这两个合成途径达到最佳平衡状态的培养条件，从而提高了紫杉烯的产量，使之达到了大约1g/L发酵液（相当于初始产量的15000倍）。

2.青蒿素(www.daowen.com)

青蒿素具有高效低毒的抗疟特性，被世界卫生组织称为目前世界上唯一有效的疟疾治疗药物。青蒿素目前主要从黄花蒿叶片、花蕾中提取，是一种环氧化的倍半萜内酯。青蒿素的生成由乙酰CoA经甲羟戊酸（mecalonic acid，MVA）途径合成法呢基焦磷酸，经紫穗槐-4，11-二烯合酶（ADS）催化生成紫穗槐-4，11-二烯，在紫穗槐-4，11-二烯P450羟基化酶（CYP71AV1）催化下生成青蒿酸，再经过其他催化反应最后生成青蒿素。其中紫穗槐-4，11-二烯和青蒿酸是关键性前体（中间体）。虽然目前用工程菌生产青蒿素前体取得了重大的进展，但还只能生产前体紫穗槐二烯和青蒿酸。由于青蒿酸到青蒿素的酶催化步骤及其相关酶还未完全阐明，至今还没有实现用微生物直接合成青蒿素，但化学转化青蒿酸到青蒿素仅需要两步简单的反应，已具备工业生产的可行性。因此实现青蒿素的生物合成实际上仅需要实现青蒿酸的生物合成。将来自黄花蒿的紫穗槐二烯合成酶基因导入大肠杆菌，检测到了微量目的产物紫穗槐-4，11-二烯；将大肠杆菌中再导入甲羟戊酸途径合成酶，目的产物产量达到24mg/L。从金黄色葡萄球菌中克隆的3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A合成酶（HMGS）和3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶（HMGR）导入大肠杆菌中，取代了来自于酿酒酵母的相应酶。这两个酶能够很好地与已有合成途径的其他催化酶协同作用，实现高通量的代谢流的平衡。通过发酵培养条件中碳和氮的浓度优化，产生的紫穗槐-4，11-二烯的浓度高达27.4g/L。

3.其他萜类化合物的微生物生物合成

微生物生物合成萜类化合物在其他萜类化合物中的研究也受到了学者的广泛关注。将构建的pT-DHB重组子和pSSN12Didi一起导入大肠杆菌，使β-胡萝卜素的产量提高到49.3mg/g细胞干重，把微生物合成类胡萝卜素的产量提高到一个新的水平。crtI重组质粒的过表达，crtE和crtB单拷贝表达，显著提高了四脱氢番茄红素的产量，高达256μg/g细胞干重。构建了一个名为MK19的突变体红法夫酵母（Xanthophyllomyces dendrorhous），优化培养条件后，得到最高25.8mg/L的虾青素产量。

三、二萜类化合物的微生物转化

二萜类（diterpenoids）化合物是由4个异戊二烯基单元组成、含有20个碳原子的一类天然化合物，它都是由前体物GGPP衍生而成，广泛存在于植物、真菌、昆虫和海洋生物中。二萜类化合物的化学结构丰富多样，根据骨架环系主要可分为链状、单环、二环、三环、四环和大环二萜等多种类型。其多变的化学结构和丰富的自然界来源，决定了二萜类成分生物活性的多样性，如具抗癌活性的紫杉醇、冬凌草甲素和巨大戟醇等，具抗炎活性的穿心莲内酯类，具心脑血管保护活性的银杏内酯类等。

微生物转化（microbial transformation，MT）是利用微生物在其生长过程中合成的大量酶系的催化作用对化合物（底物）进行结构修饰的转化反应。微生物转化利用肠道菌、放线菌、真菌等微生物作为发酵工厂，底物通过其酶系的作用发生多种化学反应，如氧化（羟基化、酮基化、脱氢）、水解、（脱）乙酰化、糖苷化等反应，少数底物在适当的微生物作用下会发生特异性的碳原子迁移反应和骨架重排反应。二萜类化合物结构复杂、骨架多变、来源广泛，多具有明显的生物和药理活性。而微生物转化具有区域选择性高、立体选择性强和反应类型多等特点。因此，近年来，有越来越多的研究者用微生物转化对该类化合物进行结构修饰，获得一些难以用化学合成、结构新颖的二萜衍生物，进而为新药研发提供更具价值的先导化合物。

1.双环类二萜的微生物转化

（1）半日花烷型二萜（labdanes）的微生物转化半日花烷型二萜以十氢萘为母核，结构类型多变，根据其是否含有特殊的结构基团，可将其进一步分为一般半日花烷型、内酯环型、环氧型、螺环型、呋喃型和重排型。大多数半日花烷型二萜具有丰富的生物活性，其中最具代表性的是从中药穿心莲（Andrographis paniculata）中分离得到的穿心莲内酯类（andrographolides）和从毛喉鞘蕊花（Coleus forskohlii）中分离得到的毛喉素（forskolin）。该类化合物的结构多样性和良好的生物活性促使许多研究者采用微生物转化法对其进行结构修饰研究。对于一般半日花烷型二萜，酶催化反应主要发生在十氢萘骨架上，羟基化反应主要发生在C2、C3以及C18位的角甲基上，环内双键也易发生双键重排与氧化反应。利用Mucor plumbeus对香紫苏醇（sclareol）、香紫苏内酯（sclareolide）和泪杉醇（manool）进行微生物转化研究，发现无论使用生长中的毛霉还是过滤并水洗的菌丝，都能将香紫苏醇转化为3β、6α或18位羟基化产物。在同样的转化条件下，香紫苏内酯可得到3β羟基化产物和其进一步的C3羰基化产物，而泪杉醇则得到2α羟基化产物，表明毛霉可作为此类二萜的立体和区域选择性羟基化手段，用于增强此类衍生物的水溶性及进一步修饰的位点。利用黑曲霉对从菊科Madia属多种植物中分得的一个C7/8位环内双键的半日花烷二萜（13R，14R，15-trihydroxylabd-7-ene）进行微生物转化，除了得到C3羟基化衍生物外，还得到一个8α，9β-不饱和酮类化合物。

（2）克罗烷型二萜（clerodanes）的微生物转化 克罗烷型二萜的基本骨架也为十氢萘，是半日花烷二萜的结构重排类型，按其是否存在特殊基团，可进一步分为一般克罗烷型、呋喃型、内酯型和环氧型。克罗烷型二萜的分布也较为广泛，许多该类型二萜，尤其是其多氧取代的衍生物，具有较强的昆虫拒食、抗菌和抗肿瘤活性。通过植物病原菌Rhizopus stelonifer对克罗烷内酯（clerodane lactone）和克罗烷甲酯（clerodane methyl ester）进行了微生物转化研究，除了得到A环和B环两个六元环不同位置的羟基化产物外，两底物还均得到呋喃环发生氧化开环的产物。值得注意的是，该开环的转化产物与其在P450酶体外生物催化反应的产物一致。用刺孢小克银汉霉（Cunninghamella echinulata）催化同样含有呋喃环的克罗烷二萜，仅得到C3位羟基化衍生物。转化底物的微小差别以及微生物转化体系的不同，可导致转化反应的不同，进一步说明了微生物转化的特异性和选择性。

（3）银杏内酯型二萜（ginkgolides）的微生物转化银杏内酯类是银杏叶中所独有的成分，骨架中含有6个五元环（其中包括一个螺壬烷、一个四氢呋喃环和三个内酯环）和一个叔丁基。银杏内酯类是公认的血小板活化因子受体拮抗剂，其中活性最强的是银杏内酯B，其次为银杏内酯A，但目前对其的微生物转化研究报道较少。采用食用真菌毛头鬼伞（Coprinus comatus）对银杏内酯类化合物进行了微生物转化研究，发现多种银杏内酯类化合物经羟基化反应可转化成活性更好的银杏内酯B，且部分转化产率高达88%。

2.三环类二萜的微生物转化

（1）松香烷型二萜（abietanes）的微生物转化松香烷型二萜的基本骨架为氢化菲，C4位存在一个偕二甲基，其代表性的化合物是从唇形科植物迷迭香（Rosmarinusofficinali）中分离得到的鼠尾草酸（carnosic acid）。对从欧洲赤松（Pinus sylvestris）中分离得到的一个微生物毒性成分脱氢枞酸（dehydroabietic acid）进行了微生物转化，分别以两种真菌大伏革菌（Phlebiopsis gigantean）和云芝（Trametes versicolor）为转化体系，从两株菌株发酵产物中得到种类不同的氧化产物，主要为发生在氢化菲骨架C1、C7和边链C17位的羟基化反应产物，以及C7位的羰基化反应产物。而同样以脱氢枞酸的类似物dehydroabietanol和teideadiol为底物，采用毛霉Mucor plumbeus进行转化，也得到了C 1和C17位羟基化产物，但羰基化反应发生在C2位。以C20位为羧基的鼠尾草酸为底物，利用诺卡菌属的Nocardia sp.NRRL 5646进行转化，则得到C7羟基与C20羧基发生分子迈克尔加成的产物——鼠尾草酚（carnosol）。这些研究结果表明，羟基化及其进一步的氧化反应主要发生在饱和的十氢萘环和偕二甲基上，而骈合的苯环基本不发生转化反应。

（2）海松烷型二萜（pimaranes）的微生物转化与松香烷型二萜一样，海松烷型二萜最初也是从松香中分离出来的，根据分子中手性中心的差异可以分为4大类：海松烷型、异海松烷型、对映-海松烷型和对映-异海松烷型。海松烷型二萜具有解痉和肌肉松弛等活性。用弗基克罗赤霉（Gibberella fujikuroi）对蒲包花属植物（Calceolaria petioalaris）中分离得到的异海松烷型二萜进行了微生物转化，得到一系列C7/8位双键发生氧化反应的转化产物。再利用该菌对含有C9/11双键的海松烷二萜酸进行生物转化，得到C 1羰基化产物和一个经Baeyer-Villiger氧化重排的七元内酯环产物。该重排产物推测可能是由C2-oxo插入氧原子形成的。分别用真菌围小丛壳菌（Glomerella cingulata）和鲁氏毛霉（Mucor rouxii）对一个具有抗菌作用的异海松烷型二萜（entpimara-8）进行微生物转化，得到3个双键重排产物，其中一个产物存在8α，9β-不饱和酮结构，推测该产物是先由底物生成C7/8位环氧中间体，该中间体进而氧化形成邻二醇中间体，最后经脱水而成。

（3）紫杉烷型二萜（taxanes）的微生物转化紫杉烷型二萜是从红豆杉属植物（Taxus）中得到的一类二萜成分，其中最具代表性的化合物紫杉醇，是目前临床上使用最广泛的抗癌药物之一。对紫杉烷型二萜的生物转化研究引起了各国学者的重视，以期将紫杉醇类似物转化为紫杉醇或者寻找到活性和水溶性更好的紫杉醇衍生物。主要的微生物催化反应包括氧化反应、双键还原反应、酯水解反应、酰化反应、重排反应和C7位羟基的差向异构化反应等。近年来研究发现灰色链霉菌（Streptomyces griseus）能将一紫杉烷衍生物转化成罕见的带有6/8/6/5环状结构的重排产物。利用蓝色犁头霉（Absidia coerulea）和日内瓦毛霉（Mucor genevensis）两种培养体系对4个紫杉烷型二萜（sinenxan、yunanxane和2个sinenxan衍生物）进行转化，得到53个转化产物，其中对转化产物9α-羟基取代sinenxan A的进一步化学反应得到的9α-肉桂酰取代sinenexan A，具有良好的逆转肿瘤多药耐药活性。

3.四环类二萜的微生物转化

（1）贝壳杉烷型二萜（kauranes）的微生物转化贝壳杉烷型二萜是一类具有重要生物活性的二萜类化合物，自然界以对映-贝壳杉烷型（ent-kauranes）化合物居多，在医药和食品方面有着广泛的应用。采用毛霉类Mucor plumbeus对从植物（Sideritis candicans）分离得到的对映-贝壳杉烷型二萜类化合物candidiol进行了生物转化，得到C3和C11位羟基化产物，以及一个C6/11桥氧环化合物，并推测这个桥氧环化合物是由C16/17形成的三元氧环开环形成的。用Mucor plumbeus转化candidiol的C4位羟基差向异构体，也得到发生相似桥氧环反应的产物，同时得到2个糖苷化产物。

（2）贝叶烷型二萜（beyeranes）的微生物转化贝叶烷型二萜包括贝叶烷类及对映-贝叶烷类，在自然界多数以对映体的形式存在，代表性化合物为异甜菊醇（isosteviol）及其C3位取代的类似物，具有良好的昆虫拒食活性。采用多种微生物系统对异甜菊醇进行了微生物转化研究，得到多个非活性炭位点的羟基化衍生物。当异甜菊醇通过Baeyer-Villiger反应生成酯后，再用真菌班尼小克银汉霉（Cunninghamella bainieri）进行微生物转化，可得到两个重排产物和一个裂环产物。将异甜菊醇经过碱水处理得到肟化产物，再经黑曲霉和疑柱孢犁头霉（Absidia pseudocylindrospora）进行微生物转化，不仅得到一定数量的C 1或C7位羟基化衍生物，还得到含有内酰胺基团和腈基基团的衍生物。以上研究提示，异甜菊醇C8/13位桥环的结构改造可以结合化学反应与微生物转化法，能得到更多结构新颖、活性提高的贝叶烷型二萜。

（3）其他四环二萜的微生物转化 贝壳杉烷型、阿替生烷型（astisanes）、贝叶烷型和绰奇烷型（trachylobanes）二萜在生物合成和化学结构上有着紧密联系，四类结构在酸水条件下易通过碳正离子重排相互转换。其中，绰奇烷二萜与其他3种四环二萜的最大区别在于其C12、C13和C16位形成三元碳环，严格说为五环二萜。有相关研究表明微生物产生的酶系可以促使四类二萜发生骨架转化。用Mucor plumbeus对一个对映-绰奇烷二萜（trachinodiol）进行转化，得到一系列A环羟基化产物和一个对映-贝壳杉烷二萜，并推测该对映-贝壳杉烷二萜产物是通过开环、重排和氧化产生的，说明了绰奇烷型与贝壳杉烷型二萜之间的转化。该重排过程与之前推测的毒马草属（Sideritis）植物中对映-绰奇烷二萜与对映-贝壳杉烷二萜相互衍生的途径相似。

4.大环二萜的微生物转化

常见的大环二萜类骨架包括西松烷型（cembranes）、假白榄烷型（jatrophanes）、续随子烷型（lathyranes）、巴豆烷型（tiglianes）、瑞香烷型（daphnanes）、巨大戟烷型（ingenanes）、麻风树烷型（jatropholanes）及曼西烷型（myrsinanes）等，这类多元大环二萜类化合物绝大多数是从香叶基香叶醇磷酸酯衍生而成。大环二萜类衍生物多具有明显的生理活性，如从大戟科植物中发现的巴豆烷型二萜具有显著的抗肿瘤和抗HIV病毒活性，一直是天然药物研究中的热点。但目前为止，对该类二萜的微生物转化研究报道较少。假白榄烷二萜多数具有如羟基、酯、酮等氧化官能团，该类二萜主要分布在大戟科大戟属等植物中。此类二萜具有多种生物活性，最引人注目的是其逆转肿瘤细胞多药耐药性活性和P-蛋白抑制活性。用黑曲霉对从大戟科植物（Jatropha isabelli）中分离得到的一个假白榄型二萜假白榄酮（jatrophone）进行微生物转化，得到其C8/12闭环的产物，但该转化产物对人胃癌细胞AGS和人胚肺成纤维细胞MRC-5的细胞毒活性降低。