苔藓植物(Bryophyta)是陆地的拓荒者,在分类学上界于藻类(algae)和蕨类(pteridophyta)之间,是水生到陆生的过渡态植物。世界上大约有23000种,分为藓纲(14000种),苔纲(6000种),和角苔纲(300种)。许多苔藓植物具有特有的芳香气味和强烈的辛辣或苦味,且不易被微生物、昆虫等破坏,还有一些苔藓会引起强烈的过敏性接触性皮炎和化感作用。这些现象表明苔藓中存在着一些活性物质来参与化学防御。和其他两类苔藓植物相比,苔类植物中含有一种特殊且仅有的细胞器油体,从微观上解释了苔类植物含有的化合物种类更多,结构更加新颖的原因。苔类植物中含有两类特征性成分,联节类和萜类化合物,并且具有各种各样的活性,比如细胞毒、抗真菌、抗炎、抗氧化、植物生长调节,抗阿尔茨海默症等。在世界各地的传统药物中,都有苔藓的身影。但是苔藓植物作为药用资源研究不足,进行化学生物学研究的种属尚不足10%。本文对采自中国的四种苔类植物,包括采自吉林省的厚边合叶苔(Scapania carinthiaca J.B.Jack ex Lindb),采自陕西的钩瓣耳叶苔(Frullania hamatiloba Stephani)和羽枝羽苔(Plagiochilafruticosa Mitt),以及采自浙江的四褶叶苔(Jungermannia tetragona Lindenb)的化学成分研究进行了系统的阐述,共从中分离鉴定了 70个化合物,包括44个新结构。这些化合物都是萜类化合物,倍半萜包括香橙烷型、桉烷型以及双环吉马烷型;二萜包括克罗烷型、贝壳杉烷型、半日花烷型、壳梭胞菌素型、eunicellane和gersemiane型。基于核磁共振、质谱、X射线单晶衍射法、含时密度泛函理论ECD计算以及耦合常数计算等方法确定了这些化合物的结构。对分离得到的化合物进行了生物活性研究,发现克劳烷型二萜具有显著的血管舒张活性,半日花烷型二萜具有一定的抗氧化活性,双环吉马烷型倍半萜具有一定的抗真菌毒力作用,贝壳杉烷型二萜具有显著的抗肿瘤作用,并可作为顺铂化疗增敏剂。从厚边合叶苔中分离纯化并鉴定了 15个化合物(1-15),包括一个新的贝壳杉烷型的二萜,三个新的克罗烷型的二萜以及11个已知化合物。血管舒张实验证明克罗烷型的二萜能够舒张由去甲肾上腺素预收缩的大鼠三级动脉微血管,进一步的血管实验证明这种舒张作用是通过抑制Ca2+经由电压依赖性的钙通道(VDCs)内流介导的。细胞实验也证明了这类化合物的钙通道阻滞作用,在小鼠主动脉血管平滑肌细胞(MOVAS)细胞中,克罗烷可以抑制胞外Ca2+的内流。另外,这类化合物对去掉内皮的微动脉血管的舒张作用只有微小的减弱,也证明了克罗烷的血管舒张作用与内皮关联不大,主要是通过抑制Ca2+介导的平滑肌收缩来实现的。此外,细胞毒性试验表明,化合物和1和9对一系列人类癌细胞株表现出抑制了中等到显著的细胞毒活性。从钩瓣耳叶苔中分离纯化并鉴定了 11个化合物(16-26),包括6个新的半日花烷型的二萜,5个已知的二萜(含3个壳梭胞菌素型的二萜)。醌还原酶诱导实验(QR)实验证明克化合物19及四个已知化合物表现出了潜在的由Nrf2介导的抗氧化作用。在MOVAS细胞中对化合物19进行的进一步的实验也揭示了该化合物减弱了由H202诱导的氧化损伤和细胞死亡,这种作用是通过提高细胞生存率,减少细胞形态学变化,以及降低胞内ROS的生成来实现的。另外,化合物19促进了 Nrf2的核转运并且上调了抗氧化蛋白NQO1(NAD(P)H quinone oxidoreductase 1)和γ-GCS(γ-glutamyl cysteine synthetase)的表达。分子对接分析也支持化合物19可以激活Nrf2通路这个结论。从羽枝羽苔中分离纯化并鉴定了 14个新化合物(27-40),包括7个新倍半萜(包含6个双环吉马烷以及一个2,3开环的香橙烷),以及7个新的二萜(5个壳梭胞菌素型的二萜,一个eunicellane和一个稀有的gersemiane)。化合物32显示了强的抗真菌毒力作用,它可以抑制外排泵敲除的白色念珠菌的菌丝形成,抑制其对哺乳动物细胞的粘附作用以及生物被膜的形成。进一步的实验也证明32可以调控与菌丝形成相关的基因。从四褶叶苔中分离纯化并鉴定了 30个贝壳杉烷型的二萜(41-70),包括20个新化合物。其中几个化合物对一系列人类肿瘤细胞株显示了显著的抑制作用。以往报道证明贝壳杉烷类化合物的抗肿瘤机制与活性氧(ROS)有关。ROS诱导是多种治疗手段中杀灭癌细胞的一种有效机制。药物诱导的“氧化还原重置”则会导致化疗耐药,打破“氧化还原重置”将提供一种克服耐药的新方法。因此,将含有α,β-不饱和酮结构的代表性化合物11ββ-hydroxy-ent-16-kaurene-15-one(63)进行进一步的探索,发现这种二萜类化合物可以在HepG2细胞株中升高ROS从而诱导线粒体介导的凋亡。进一步实验发现此类化合物可以直接靶向过氧化物酶peroxiredoxin Ⅰ/Ⅱ(PrdxⅠ/Ⅱ)以及通过共价结合作用耗竭胞内谷胱甘肽(GSH)。随后,化合物63和顺铂(CDDP)在体外和体内的联用实验结果表明贝壳杉烷型的二萜能够促进CDDP诱导的肿瘤细胞死亡,因此这类化合物可以作为一种CDDP耐药肿瘤的有效增敏剂。本课题的研究在前人研究成果的基础上,进一步表明了苔类植物化学成分具有结构新颖、活性显著的特点,极大地丰富了天然产物数据库,并且有些也表现出令人满意的生物学活性,为新药开发提供了若干个潜在的苗头小分子化合物。苔类植物的化学成分研究结果表现出一定的种属特异性,这对于苔类植物的化学分类也有一定的参考价值。