修行在个人-七一演讲稿

高等真菌蛋白--从森林走到应用
Jana Erjavec1, Janko Kos2, Maja Ravnikar1, Tanja Dreo1 and Jerica Saboticˇ 2
1
生物技术与系统生物学研究所，Vecˇna pot111，SI-1000Ljubljana, Slovenia
生物技术，Jozˇef Stefan研究所，Jamova 39, Sl-1000 Ljubljana, Slovenia
2
近年，蘑菇迅速被公认为一种很有前途的新颖蛋白质的来源。现今已经从中
分离出多种不同功能的蛋白，包括外源凝集素、木质纤维素酶、蛋白酶抑制剂和
疏水蛋白。这些蛋白为医 疗和生物技术问题提供了解决方案，如在微生物耐药性
方面、作物低产方面和再生能源的利用方面。尽管 特殊功能蛋白相对来说还未完
全开发，但真菌蛋白的大规模生产和工业化应用证明了它们在生物技术方面 应用
的潜能，也证明了高等真菌的价值。本文最先提供了已知真菌蛋白的综述，阐述
了如何获得 新型生物活性蛋白的过程，也概述了这些蛋白在生物技术、医学、农
业方面当前和预期的应用。

高等菌类中的生物活性物（参照术语表）
真菌（酵母、霉菌、蘑菇）具有 多样化的形态、生理生态特性和不同的生活
方式，包括寄生虫、腐生生物（降解死的有机体，主要是植物 ）和共生生物体（形
成地衣和菌根）。这些特殊的中间相互作用，以及对资源的竞争、对病害和环境中掠夺性生物的防御，均由于其能产生广泛的生物活性物质。据估计，蘑菇由
140000种真菌（ 也被称作高等菌类）组成，属子囊菌门、担子菌属
[1]
。其中，约
2000种种类可 以食用，但只有200种在传统上被广泛应用于食物、药物和其他方
面。即仅10%的蘑菇种类被人们认 识，这无疑使其成为一个巨大的还未开发的潜
在有用物质。
在人类和兽类医学上，对 微生物的耐药性和许多未治愈的疾病，都需要探寻
新的方法。也需要更为有效的自然资源利用率，包括高 的作物产量，环境友好型
植物保护和再生能源的利用。现已证明真菌在许多医学和生物技术应用方面的作
用，是因为它们具有独特的代谢过程，且能降解酶和次生代谢物
[4]
。260种商业
化酶中，虽然只有5种来源于高等菌类，但是大约60%来源于真菌
[5]
。高等菌类
一直被忽视作为生物活性物质的来源，传统知识在医药和生物技术方面的实施缓
慢，这都是从过 去几十年中的调查中得到的。
从高等真菌中分离出的具有生物学活性的物质可以分为：（i） 次生代谢物（酸,
萜类化合物,多酚、倍半萜烯、生物碱、内酯、固醇、金属螯合剂、核苷酸类似
物和维生素）；（ii）（甘氨酸）蛋白；(iii）高分子量多糖，包括云芝糖肽和蛋白
聚糖。多糖 ，特别是β-葡聚糖----蘑菇中研究最广泛的一种生物活性分子，具有
抗肿瘤和免疫调节功能，并且 已经用于临床治疗
[2,3]
。在蘑菇中已经发现了具有
多样性和未知生物活性的蛋白 ，它们可用于生物技术过程和新药物的开发（包括
木质纤维素降解酶、凝集素、蛋白酶、蛋白酶抑制剂, 核糖体失活蛋白和疏水蛋
白）。
蘑菇中的蛋白最大的优点是其独特性，因为它们不同 于微生物、动物和植物
蛋白。此外，虽然不是从嗜极微生物体得到，但蘑菇中的许多蛋白表现出很好的< br>热稳性和稳定的PH值
[6-10]
。蘑菇中另一个优势生物活性成分是它们具有识别性 物

质，所以能正确地选择原始材料。人类消费和应用的实际安全性 ，是鉴于它们对
人类健康产生影响的长期实验。
本文主要介绍了高等菌类中具有生物 学活性的蛋白，包括从蘑菇中分离出的
所有功能蛋白组。介绍了新的生物学活性蛋白的获取步骤，从蛋白 质的筛查和纯
化到其特性。还介绍了已经被识别和评估的不同蛋白，在当今乃至未来医学和农
学 方面生物技术领域的应用。这些各种各样的蛋白和它们的应用强烈表明了蘑菇
中的众多潜能蛋白为普通蛋 白和特殊蛋白提供了新来源。

蘑菇中的多肽和蛋白
虽然蘑菇是不同蛋白 的丰富来源，但已经被确定的蛋白却很少，关于其特性
就更少了。蘑菇中的水提取物和蛋白具有抗菌、抗 真菌、抗病毒、抗寄生虫、抗
肿瘤和免疫调节,以及杀虫作用（表1）。将具有蘑菇特征的几组蛋白根据 其化学
活性列在表2中。这些蛋白的可变性和有限表征水平揭示了高等真菌作为新型蛋
白质来源 的巨大潜力。
高等真菌中中研究得最清楚的一组蛋白是木质纤维素降解酶，由氧化酶和水解酶结合而成，包括漆酶、氧化物酶和一些其他的氧化酶类、（半）纤维素酶和
不同的糖苷酶
[11,12]
。其他著名的的氧化还原酶是络氨酸酶，是黑色素中合成的关
键酶，研究最多 的是由双孢菇产生的，它参与收货后褐变
[13]
。蘑菇中的蛋白已
经商业化的一个例 子是植酸酶，它是一种饲料添加剂，能提高单胃动物对磷和矿
物质的吸收
[14]
。对 于蘑菇中的蛋白酶研究相对较少，其研究主要旨在识别在工
业和医学上有潜在应用的蛋白酶。野生蘑菇蛋 白的水解潜力评估揭示了多种蛋白
的水解活性，催化类蛋白分布广泛。但是，许多此类蛋白显示独特的性 状，从而
独自成为担子菌
[15]
。这使它们成为一个巨大的还未开发的蛋白，也是蛋 白酶抑
制剂的良好来源。后者的信息更为有限
[16]
，仅有两种良好特性的半胱氨酸 蛋白
酶抑制剂在结构上不同于植物或动物蛋白抑制酶
[6,9]
。两种丝氨酸蛋白抑制 剂已
经被定性了，这些前肽与相应的平菇蛋白中来源相同
[17]
，并且具有特殊胰岛 素
抑制剂的β-折叠
[18,19]
。现今，高等真菌里面还没有定性任何天冬氨酸蛋 白酶抑制
剂和金属蛋白酶抑制剂
[20]
。
凝集素是蘑菇中另一个 被广泛研究的蛋白。现已分离出许多种凝集素，其特
点是具有特殊的分子和生理特征，包括结构的多样性 ，糖基化和碳水化合物的特
异性。蘑菇凝集素
[10]
，其3D结构和治疗潜在性已经 被测定。其中一类，真菌免
疫调节蛋白 （FIPs），在医药和治疗的潜力上引起极大的关注
[22]
。另一些高等真
菌中的具有药用潜力的蛋白包括核糖核酸酶（RNases），被称为 核糖核酸酶中的
一个临床有趣组
[23]
。此外，核糖体失活蛋白（RIPs）的毒性 研究被用于癌症和抗
病毒治疗
[24]
。这些简单蛋白或多肽已被证实了其治疗属性， 也已调查了其抗真
菌、抗病毒、免疫调节和抗癌活性
[25]
。少数高等真菌的成孔蛋 白已被定性，属
于作为毒素和形成不受监管膜孔的类溶素蛋白
[26]
。现已经从小平 菇中分离出来
两种生物素约束蛋白，其生物素约束蛋白明显高于起来来源中的蛋白质
[27]< br>。
疏水蛋白是真菌中另一个独特的蛋白，是在分离菌褶Schizophyllum
commune (Sc3)中第一个被发现的
[28]
。它们是小型两性分子蛋白质 ，在单分子吸
附层的亲水-疏水表面自我组装，转换表面的疏水性，这使它们具有生物多样性
和 医药应用的潜能
[28,29]
。一些预期的应用程序，例如一些大型表面的防污准备工

作（如窗户、汽车、船）、医药和化妆品行业乳剂的稳定性、低脂食物的 生产，
都需要大量的疏水蛋白
[29,30]
。

获取新型生物活性蛋白的方法
靶细胞的识别
蘑菇品种是经过筛选 而找到的具有选择性活性的最佳来源（表1）。具独特功
能的蛋白质随后要在分子水平上进行纯化和定性 （图Ⅰ）。
纯化鉴定
蘑菇提取物（见表1）包含复杂的蛋白质混合物和一 些其他大分子，以及一
些低分子物质。提取物中通常有多个活性物质，因此，几个纯化步骤需要对目标< br>活性蛋白和蛋白质中复杂纯形式进行分离。大多蛋白质纯化方法包括色谱方法与
透析相结合，超滤 作用于超速离心结合。蛋白质活性可在纯化过程中被检测出来
（图Ⅰ）。纯化后的蛋白质氨基酸序列与数 据库中的蛋白质序列进行测定与比较。
如果前人对此蛋白没有做出任何描述，那么我们将需要执行一个完 整的性状描述
流程，包括测定其分子量、等电点、翻译后修饰、3D结构、生物活性细节特征。
这些特性描述在重组蛋白上经常执行，特别是当材料来源受限。

重组蛋白的生产
天然菌丝中生产的蛋白水平很低，无法满足商业需求。所以优化重组蛋白的
表达技术至关重要，特别是在 生物制药领域
[5,29,31]
。重组蛋白质的生产还有许多
其他优势，包括其相对 简单的纯化过程，高产和选择生产改良蛋白质。细菌表达
系统是最常用的方法，虽然在特殊的大肠杆菌中 可表达真菌蛋白，但酵母和丝状
真菌也可能是有用的替代方案 （表2）。糖基化和治疗性蛋白质的异源 表达，及
其他表达系统，包括昆虫和哺乳动物细胞系或植物系统，均是有利的
[31-34]< br>。

在生物技术中的应用
木质腐烂担子菌具有在木质纤维素生物质 上生长的特殊能力是由于其含有
各种各样特殊的酶（表2），这些酶能使植物的生物成分（如木质素、纤 维素、半
纤维素）有效退化，甚至矿化
[11,12,35,36]
。在过去的10年 里，研究者们投入了巨大
的努力来研究和开发利用这种能力。一个典型的例子是食用固态发酵，利用可生
物降解产品、农林业中的浪费和残留物、或工业和城市垃圾，来作为底物生产蘑
菇食品或动物饲 料，也可用来生产酶、其他蛋白和药用化合物
[]37-39]
。另一个广
泛研究的领 域是蘑菇及其产酶关于可再生能源产品的利用（表3）。

工业用酶
当前 ，残留和副产品对工业生产极为重要，其中有一个关于在固体废物上栽
培蘑菇上产生附加价值的例子，即 白腐真菌漆酶引起了纸浆造纸业的重视，它为
纸浆的脱木质素化和漂白开发出一套环境友好型技术
[12,35]
。天然菌丝中产生的漆

酶产品在经济上 不具备可行性，并也可能也无法承受严峻的工业生产化过程，所
以需要不断研究开发更加稳定的酶和能应 用于工业过程中的异源表达系统
[7,40]
。
漂白过程，树脂控制和纸张涂料，对于 真菌酶（木聚糖酶、酯酶和淀粉酶）而言
具有商业有效性，同时也能够从高等真菌酶的多样性中获利[5,41]
。多种氧化还原
酶已经被用于工业废水和受污染土壤的修复。高等真菌及其酶 能对外源化合物进
行修改、降解甚至矿化，包括多环芳烃（PAHs），芳香族含盐化合物与芳香族硝< br>基化合物的混合物[如氯酚、多氯联苯（PCBs）、TNT]，除虫剂和除草剂（如莠
去津）， 内分泌干扰物（如防污剂三丁基锡，塑料软化剂双酚A），药物（如抗生
素类），合成染料和脂肪族污染 物（如氰化物）和汽油添加剂甲基叔丁基醚
[35,42-44]
（MTBE）。酶在生物修复 过程中，其有益性质也被用于化学和制药业（如
生物催化剂）上的开发。各种水解酶也被用于有机体，包 括腈水解酶、酯酶、酰
胺酶、蛋白酶和脂肪酶，然而，还没有一个是从高等真菌中得到的
[5]
。已发现许
多蘑菇衍生物氧化还原酶在生物合成上的应用，包括漆酶、氧化素酶和络氨酸酶[45
、
46]
。络氨酸酶还具有将单酚转换成联苯酚的能力，这已被应用于食品 添加剂
或药品中抗氧化剂的生产。此外，曲霉中的真菌络氨酸酶被用于从L-DOPA到
L-t yrosine的生产，能治疗早期帕金森病和心肌疾病。从高等菌株中得到的络氨
酸酶被认为是通过酶 交联产生，例如，能用于组织工程的蛋白质多糖水凝胶、粘
合剂、给药基质和皮肤替代品
[13 ,47]
。
高等真菌酶在化妆品行业有很大的潜能，例如，漆酶和氧化酵酶在染化和 皮
肤亮化上的功效。以漆酶为基础的染发剂刺激性小，因为漆酶取代了H
2
O
2
作为
氧化剂
[48]
。
另一个对酶大量需求的行业是清 洁剂工业，微生物来源中的蛋白酶、酯酶、
淀粉酶、甘露聚糖酶、纤维素酶都已形成商业化
[5 ]
。高等真菌都富含这些水解酶
类，切都具备优越的特性。
鉴于蘑菇中的氧化酵酶和漆酶对漂白和脱色有作用，纺织工业在纺织加工中
利用了微生物的a-淀粉酶和 纤维素酶。平菇中的漆酶，具有广泛的底物专一性，
似乎在纺织染料脱色方面比相应的木质素酶更有前途
[5,35,42,49]
。蛋白酶和酯酶在
皮革鞣质加工中的浸泡、脱毛、软化、脱 脂和鞣革后流程中起到了不可或缺的作
用。然而某些步骤仍然是依靠化学处理，这无疑增加了环境负担。 因此，具有优
良特性和低廉的工业化生产成本的新型酶能够达到完全依靠酶来加工生产，降低
[ 50]
环境风险。
食品工业充分依靠了酶的使用，大量微生物的酶也用于商业化。糖 苷酶被广
泛用于生产甜味剂，烘烤、酿造、蒸馏、水果汁和造酒等方面。在乳制品产业中，
许多 蘑菇蛋白酶被用于牛奶凝集和奶酪制作的研究。蛋白酶用于肉类成熟和蛋白
水解产物的生产方面来提高其 风味。真菌中的酯酶被用于脂质改变、烘焙和奶制
品行业。氧化酶类，包括漆酶和络氨酸酶，在烘焙上用 作氧化剂替代品，饮料上
保持其稳定性，固定化漆酶能够消除酚类物质引起的变色、模糊和风味改变，用
于准备和稳定未发酵葡萄汁、酒和水果汁
[5,35]
。

生物传感器
A. Bisporus中的络氨酸酶在很多研究中作为生物传感器的检 测功能部分。例
如多诊断中的多巴胺
[51]
环境污染物中的酚醛
[52]< br>。此外，升级的络氨酸生物传感
器通过吸附作用能同时去除分解的化合物，已应用于开发对水的生 物修复
[53]
。

含漆酶的生物传感器以及开发 用于检测O
2
、葡萄糖、芳香胺、酚类混合物和各
种减少的底物
[35]。除了氧化还原酶，外源凝集素和依靠外源凝集素的生物传感
器也可用于环境和食品工业的监控[54]
。使用疏水蛋白涂层能提高生物传感器的
质量， 起到防止固定蛋白和悬浮液中稳 定粒子变性的作用；这两特性在纳米技
术方面很重要。多叶奇果菌（Grifola frondosa ）中的疏水蛋白提高了碳纳米管的
溶解度和抗体随后的固定性
[55]
。生物传感器还 具有许多药用作用，将在后面进
行讨论。

基础研究上的应用
除 了应用研究，高等真菌蛋白在基础研究的众多领域都具有潜能。特异性蛋
白酶可应用于蛋白质顺序分析和 蛋白组分析，例如光谱蛋白可以分离核酸
[16]
。
除了稳定性，高等真菌中蛋白酶抑 制剂的优势在于其抑制模式的独特性
[9,16,18,19]。蛋白酶抑制剂能在异源表达系统中表达 ，保护目的重组蛋白被宿主
水解消化。某些抑制剂，例如P. Ostreatus肽酶A抑制剂[17 ]，也能对重折叠过
程起到帮助作用。此外，蛋白酶抑制剂还作为配体，在亲和色谱法从不同的来源中分离蛋白酶
[16]
。这两种从P. Ostreatus中得到的生素结合蛋白，已用 于蛋白分
离和固定化的亲和标签
[56]
。

医学上的应用
高等真菌或蘑菇的药用价值已得到认可，在几千年的传统医学上广泛应用。
蘑菇中提取 的化合物主要由高分子质量的多糖和此次代谢物组成，蘑菇还作为膳
食补充剂和营养药（专栏4）。蘑菇 的药用效果主要归功于其不表现特性的物质
或提取物（表1），功效体现在抗病毒物、抗菌药、抗真菌物 质、抗寄生虫药、
排毒物质、免疫调节物质、抗癌物质、抗氧化剂、清除自由基、抗炎药、心血管、抗好血脂药、抗高胆固醇药、保肝药和抗糖尿病功效
[2,3]
。蘑菇蛋白质也都是与这些有关（表2），尤其是真菌免疫调节蛋白（FIPs）中的外源凝集素
[22,25,57,5 8]
。
外源凝集素不仅直接有益于健康，其多糖特异性识别的多样性也为医学应用提供
了间接帮助。外源凝集素可作为临床诊断的工具，例如，分析糖基化恶性转变模
式、肿瘤的演化、新陈代 谢、神经衰弱疾病、以及微生物和寄生虫的感染。总的
来说，碳水化合物模型能用凝集素芯片来分析，特 殊的糖基化模型能用依靠凝集
素的生物反应器来分析。此外，凝集素还能用作配体，从亲和力色谱法中分 离，
分析或者纯化不同来源的糖复合物，例如，血浆糖蛋白、重组治疗性糖蛋白、干
细胞表面标 记物和细菌聚糖。除了诊断，凝集素还能区分正常的和病变细胞多糖
信号，这能用于精准定位靶细胞和释 放药物
[54]
。
由于蛋白酶在很多典型疾病方面有广泛的效用，从高等真 菌中分离出的蛋白
[16]
酶抑制剂有许多潜在的药用价值。例如，半胱氨酸蛋白酶抑制剂不同 于担子
真菌，它展示了一个阻塞蛋白酶活性位点的新机理，该机理与其他任何微生物、
植物或动 物蛋白酶抑制剂都不相同
[9,59]
。类似地，鬼伞菌中Coprinopsis cinerea
得到的β-片层丝氨酸蛋白酶抑制剂展示了一个胰蛋白酶特性抑制机理，但是是利
用与其他具有同样折叠结构的抑制剂不同的反应部位
[19]
。蛋白酶中的高度选择
抑制剂，包括疾病，对非目标蛋白不产生影响，这在医学研究和应用上将是非常
有用的。

核糖核酸酶类，能催化RNA分子的水解，具有不同程度的特异性， 具有抗
癌作用和抗病毒作用，组成了一个具有潜在治疗药物的重要群体
[23]
。
疏水蛋白质的两亲性和自我组装性使它们能被用作为生物材料的涂层物质，
以促进它们的 生物相容性，例如手术仪器，医疗植入物和导管。正如从S.
Commune中衍生出的疏水蛋白Sc 3所示，一个附有疏水蛋白的表面对于纤维原
细胞的生长具有更好的粘合性能。此外，疏水蛋白减少了蛋 白间的非特异性结合，
当其与抗菌化合物相结合时，阻碍了细菌在短暂植入物上的黏附和生长。疏水蛋< br>白还可作为掩蔽剂来释放药物或益生菌
[28,29]
。
高等真菌中 的氧化酵素具有优越的生化稳定性，底物专一性和催化机制
[12]。除了可能的新的应用程序，现金一 直作为植物氧化酵素，在生物传感器上
监测糖尿病中的血糖，检测乳酸的缺氧或缺血，在临床诊断学上检 测总胆固醇含
[60]
量。
络氨酸酶是黑色素生物合成中的一个主要酶，与 色素缺乏有关，如白癜风和
白化病；也与色素沉积过度有关，如青光眼和恶性黑色素瘤。这些行为引起了 高
度关注，尤其是在寻找和设计新型络氨酸酶抑制剂以用于临床应用。而高等真菌
是产生这些抑 制剂的重要来源。络氨酸酶在恶性黑色素瘤上具有高的活性，为细
胞毒素引药提供方便的靶标，使其在黑 素瘤细胞中能选择性激活。草菇A.
Bisporus提取出的络氨酸酶对哺乳动物中的酶显示出了高 的同源性，所以经常被
用来设计和探索新型络氨酸酶抑制剂和底物
[47,61,62]
。

农业方面的应用
高等真菌及其酶能用于提高动物饲料的消化 率。多种农业的木质纤维残留物
能用于蘑菇培养的底物，生产可食用的子实体；木质纤维素底物是菌丝体 过度生
长的结果，它不但提供了高蛋白含量，而且更利于反刍动物的消化
[37,63]
。饲料中
添加酶类（如木聚糖酶、β-葡聚糖酶、植酸酶）也能提高消化率，这些从真菌中
提 取的酶在市场上均可买到[5]。
寄生线虫在作物和畜牧生产方面造成巨大经济损失。不同高 等菌株中提取的
几种凝集素依靠特殊聚糖的识别，具有抗寄生虫性
[57,64]
。它 们是用来确定合适的
抗原，来开发依靠多糖型疫苗以抵挡寄生虫的侵染，包括对经济产生重大影响的小反刍动物Haemonchus contortus
。
相同的原理能够用于保护型疫苗 的开发，以
抵抗其他寄生虫，包括十二指肠虫和扁形虫
[65]
。
高等真菌蛋白在其他不利条件下也有益于保护农作物，在蘑菇蛋白抗植物病
原菌活性的一个罕见研究中， 已发现Clitocybe sinopica对黄杆菌属Xanthomonas
和农杆菌属Agro bacterium菌株的抗菌性
[66]
。蛋白质的抗菌性应用于转基因植株
的种植 有减少农药使用的作用[16,66]。生物素合成蛋白，在转基因水稻种表达，
给生物素营养缺陷型水 稻中的致病真菌Magnaporthe oryzae造成了阻碍
[67]
。此外，
蛋白酶抑制剂和外源凝集素已经被广泛的研究作为作物对抗病原体和害虫的保
护措施
[16,6 8]
。转基因植物从微生物中表达蛋白酶抑制剂或外源凝集素，从植物和
动物的都证明了具有强 的抗虫性和抗菌性
[68]
。蘑菇中发现的第一个蛋白具有抗
虫活性的蛋白是从Xer ocomus chrysenteron中分离出的外源凝集素XCL，其活性与
植物凝集素活性相当
[69]
。最近发现蘑菇Clitocybe nebularis是许多凝集素的丰富来源，其杀虫和抗营养活性能够用于作物保护
[70]
。从可食用的阳伞蘑菇中得到的
半胱氨酸蛋白酶抑制剂Macrolepiota procera显示其对影响经济的害虫有一个很

好的抵抗作用，如马铃薯甲虫
[71]
。

结论
蘑菇是是生物活性蛋白的丰富来源，但是现今还相对开发甚少。我们面临着需要增加微生物来抵抗现有药物；寻求更为有效的疾病治疗方法；探寻高产和环
境友好型作物；不断 研究再生能源发展等众多问题。高等真菌中具有价值的生物
活性蛋白能从其子实体中提取，也可通过培养 菌丝体或其上清液得到重组蛋白。
许多蘑菇蛋白具有优越的特性，例如漆酶
[7]
、糖 苷酶
[8]
、蛋白抑制剂
[9]
和凝集素
[10]
，
具有高热能和PH稳定性，这在重组蛋白的生产技术和工厂化应用中是一个重要
的优势。利用新一代测 序工具和新系统生物学工具，蘑菇中蛋白将会被用为在生
物技术、医学和农业领域中适合应用的环境友好 型生物活性蛋白。

致谢
感谢 Jozˇe Brzin博士提出的宝贵建议和意见，感谢Roger Pain博士严格的审
查。感谢斯洛文尼亚研 究机构的支持[授予专利号：P4-0127(J.K.)和
P4-0165(M.R.)]。

附录A补充数据
这篇文章的补充数据可在网上找到，网址为： doi:h.2012.
01.004。

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