抗菌肽的研究进展综述

1、抗菌肽的研究进展综述抗菌肽是在诱导条件下,动物免疫防御系统产生的一类对抗外源性病原体致病作用的防御性肽类活性物质。1974年，瑞典科学家G. Boman等人向眉纹天蚕蛾蛹注入大肠杆菌后，在血淋巴细胞中发现了一种具有抗菌活性的碱性多肽类物质，随后诱导惜古比天蚕蛹也发现了类似的抗菌活性物质。1981年，将这种具有抗菌活性的物质被命名为cecropin，这是人们第一次真正意义上发现抗菌肽。抗菌肽是生物天然免疫系统中的一个重要的组成部分,具有杀灭病菌、保护机体的作用,原核生物、植物、动物(包括无脊椎动物和非脊椎动物) 都可以产生由基因编码、核糖体合成的抗菌肽。由于抗生素的使用,到20 世纪80 年代,

2、人类几乎可以征服所有的感染类疾病,然而,随着时间的推移以及人类对于抗生素的滥用,耐药菌株愈来愈多。现在,已经出现了能对抗所有抗生素的耐药菌 ,很明显,抗生素耐受问题已经严重威胁到人类的健康。解除耐药菌对人类日益严重的威胁已经是一个相当迫切的问题,然而在对付广谱耐药细菌这一问题上,常规抗生素的局限性越来越明显,而抗菌肽具有广谱杀菌作用、相对分子量较小、热稳定、水溶性好等优点,更为重要的是它对真核细胞几乎没有作用,仅作用于原核细胞和发生病变的真核细胞, 是一类很有前途的有望替代传统抗生素或作为其候选药物的生物分子。到目前为止，国内外报道大约有2000多种抗菌肽被鉴定、分离出来，以天然抗菌肽作模板进

3、行人工合成的模拟肽已达数千种。1抗菌肽的来源和种类目前已经发现了300多种内源抗菌肽，大致可分为4类：Cecropin(天蚕素)类;富含cys 残基的Defensin(防御素);富含pro 残基的Magainin(蛙皮素);富含gly 残基的Melittin(蜂毒素)。防御素是脊椎动物中研究最多的一类抗菌肽,主要包括2防御素和2防御素两大类,主要由中性粒细胞产生,家禽体内只存在2防御素。2 抗菌肽的作用机制2.1抗菌肽的抗细菌作用 抗菌肽的抗菌作用机理的研究比较多。一是基于膜攻击作用的杀菌机制有一下几个模型：（1）桶板模型：带正电荷的含-螺旋抗菌肽单体与细胞膜上带负电荷的磷脂分子相互吸引而结合

4、在细胞膜表面，多个抗菌肽分子形成多聚体，扰乱了质膜上蛋白质和脂质原有的排序，并以与膜表面垂直的排列方式将疏水基团插到磷脂双分子层，形成横跨细胞膜的离子通道，造成细胞质物质泄漏和电化学势丧失，细胞膜崩解而导致细胞死亡。（2）地毯模型：以该机制杀菌的抗菌肽并不插入细胞膜内部，但在电荷作用下，一定浓度的抗菌肽像地毯样展开平行排列在细胞膜表面或形成颗物，利用疏水作用和分子张力作用改变细胞膜的表面张力，从而在细胞膜上出现暂时的孔洞，除了细胞液的相互渗透，抗菌肽还可通过此孔洞进入细胞。此外还有穿孔螺旋模型、分子团聚集式等等其他模型。二是基于抗菌肽的非膜结构破坏型机制，包括抗菌肽穿过细胞膜或核膜，作用于胞内

5、DNA、RNA，酶和蛋白质等分子，可抑制细胞外膜蛋白质，细胞壁的合成，抑制细胞的呼吸作用。2.2 抗菌肽的抗病毒作用 （1）可直接与病毒颗粒相互作用，如-防御素等直接与对疱疹病毒粒子相结合而起作用；（2）干扰病毒的侵染过程，蜂毒素及其类似物K7I的结构与烟草花叶病毒衣壳蛋白的部分氨基酸序列存在相似性，以伪装成病毒包被蛋白，干扰病毒的正常组装；（3）抑制病毒的复制，蜂毒素和杀菌肽A可抑制HIV的复制。2.3 抗菌肽对真菌的作用 抗菌肽抗真菌的作用机理包括：（1）阻止、破坏真菌细胞壁的合成，（2）与真菌细胞内线粒体、核酸等大分子细胞器相互作用导致真菌死亡；（3）攻膜作用，在脂膜上形成孔洞，使重要的

6、内容物外泄。2.4 抗菌肽的抑制肿瘤细胞作用肿瘤细胞对抗菌肽的敏感度比正常细胞要高，这可能与肿瘤细胞外膜含有较高的酸性磷脂成分有关，而肿瘤细胞的细胞骨架系统不完善，也可能是易受抗菌肽作用的原因。抗菌肽的抗肿瘤作用的另外一个可能机制是诱导细胞凋亡。抗菌肽在体内还可以调节机体的免疫机能，增强机体的免疫力发挥抗肿瘤作用。2.5 其他作用抗菌肽还有抗寄生虫等其他作用，作用的机理也很多。3 抗菌肽的基因工程抗菌肽虽来源广泛,但天然产量低,合成肽价格相当昂贵,利用基因工程技术生产抗菌肽具有广阔的前景。可将抗菌肽基因转化至微生物表达系统表达中,也可导入动物体内获得抗病动物。多种抗菌肽已在不同的表达体系中得到

7、表达,如天然抗菌肽天蚕素A、B 已在昆虫系统中得到表达,柞蚕抗菌肽D、绿蝇抗菌肽在酵母系统中得到表达,天蚕抗菌肽A 在真核系统中得到表达。张等选择RepA蛋白的序列作为纯化亲和位点,实现了抗菌肽在大肠杆菌中的融合表达。Piers等利用蛋白A 作载体,与人防御素HNP21和昆虫杀菌肽构建融合蛋白,在细菌Saureus中得到表达, 但遗憾的是只发现CMEM 有抗菌活性, 而HNP21不具活性。Destoumieus发现基因工程合成的抗菌肽与天然抗菌肽在结构上虽然有差异,但活性却相似。Reed等的研究表明了抗菌肽转基因小鼠获得了较强的抗菌能。Yarus等用显微注射法将牛气管抗菌肽基因转入小鼠,并且转

8、基因鼠在牛气管抗菌肽基因控制序列的驱动下成功表达了牛气管抗菌肽,在鼠乳中牛气管抗菌肽对大肠杆菌具有抗菌活性。目前,关于昆虫和哺乳动物抗菌肽的基因工程在国内外已有不少报道,但畜禽动物和水产动物抗菌肽基因工程的报道则较少,国内到目前为止还未见相关的研究报道。在国内首次报道从粤黄鸡骨髓细胞中克隆到Gallinacin22 的编码区cDNA 序列,此序列与发表的序列完全一致。它编码64 个氨基酸,包含信号肽、前片段、成熟肽三部分。成熟肽由36 个氨基酸残基组成,含有6个保守的半胱氨酸,推测其可能以125 ,224 ,326 的方式形成3 对分子内二硫键。另外,在引物设计时,该研究在其两端各设计了一个酶

9、切位点,以便构建表达载体,表Gallinacin22 抗菌多肽,为进一步研究防御素结构与功能奠定了基础。4 存在的问题4.1抗菌肽生产问题由于抗菌肽的天然资源有限,化学合成和基因工程便成为获取抗菌肽的主要手段。化学合成肽类成本较高,而通过基因工程在微生物中直接表达抗菌肽基因,由于抗菌肽对宿主本身有害不能高水平表达。因此,如何提高抗菌肽的生产效率,降低成本,是应用抗菌肽必须解决的问题4.2 抗菌肽药物的安全性问题因为用药安全性的问题, 目前抗菌肽的临床研究还限于局部的使用。国内外对抗菌肽抗菌抑瘤作用进行了许多离体实验研究, 而有关抗菌肽对体内实体瘤或有病菌感染的动物模型作用试验并不多, 并且抗菌

10、肽在体内抑瘤杀菌的有效浓度尚未有定论, 对动物模型每日给药次数以及给药方式等等还有待进一步的研究。同样, 有关融合抗菌肽对离体癌细胞具有较强抑瘤作用的体内试验目前尚无报道。此外，其与传统抗生素相比抗菌活性不够理想等问题也都有待于进一步研究。随着抗菌肽及转基因技术在理论和应用上更深入的研究,抗菌肽最终必将对人类医学产生深远的影响。5 抗菌肽的应用前景由于抗生素的大量使用,某些病原体对药物产生了耐药性, 因而无法有效地控制疾病的发生。而新抗生素的筛选也极为困难,特别是人类真菌病害在当前仍是一个难以解决的问题。而抗菌肽的发现,尤其是抗菌肽对耐药致病菌有良好的杀灭作用及其无致畸变作用、无蓄积毒性、不易

11、产生抗药性等的特点,无疑为治疗细菌性病害和病毒性病害提供了新的途径。抗菌肽活性强, 功能广泛,在应用研究中有潜在的重要价值。在肿瘤及癌症治疗方面,大部分化疗药物往往同时抑杀癌细胞和正常细胞, 造成的毒副作用较大。而昆虫抗菌肽能选择性地抑制某些肿瘤细胞的生长,对人体正常细胞无害,具有肿瘤化疗药物所不具备的特性。因此，抗菌肽在医药中有广阔的应用前景,有望成为抗菌素、抗病毒素、抗癌药物的新来源。总之，抗菌肽作为一种新型活性生物分子，具备非常良好的开发应用前景。 1 张杰,吴希,张双全,等. 抗菌肽CM4基因克隆及其在毕赤酵母中的表达鉴定 J . 微生物学报, 2005, 45 (5) : 720 7

12、23. 2 韦柳蝉. 抗菌肽的作用机理及其在畜牧生产中的应用J . 中国饲料, 2004 , (5) :32233. 3 Yang D , Biragyn A , Kwak L W , et al . Mammalian defensinsin immunity : more t han just microbicidal J . Trends Immu2no , 2002 ,23 (6) : 2912296. 4 Shai Y. Mechanism of t he binding , insertion and destabiliza2tion of phospholipid bilayer

13、 membranes by K2helical antimicro2bial and cell non2selective membrane2lytic peptides J . Bio2chim Biophys Acta ,1999 , 1462 (122) :55270. 5 Park Y, Lee D G, J ang S H , et al . A Leu2Lys2rich antimicro2bial peptide : activity and mechanismJ . Biochim Biophys Ac2ta , 2003 ,1645 (2) :1722182. 6 Ibrah

14、im H R , Sugimoto Y, Aoki T. Ovot ransferrin antimicro2bial peptide (OTAP292 ) kills bacteria t hrough a membranedamage mechanismJ . Biochim Biophys Acta , 2000 , 1523 (223) :1962205. 7 Michael C, Agnes S, Mahendra P. A melittin2related pep tide from theskin of the Japanese frog, Rana tagoi, with an

15、timicrobial and cytolyticp roperties J . B iochem B iophys Res Comm un, 2003, 306 (2) : 496 -502. 8 Ryosuke I, Jun K, Masatoshi Y. A novel antimicrobial pep tide fromthe sea hare Dolabella auricularia J . Dev Com p imm unol, 2003, 27(4) : 305 - 314. 9 张杰,吴希,张双全,等. 抗菌肽CM4基因克隆及其在毕赤酵母中的表达鉴定 J . 微生物学报, 2005, 45 (5) : 720 - 723 10 Chen Y Q, Zhang S Q, Li B C, et al. Exp ression of a cytotoxiccationic antibacterial pep tide in Escherichia coli using two fusionpartners J . Protein Exp r Purif, 2008, 57 (2) : 303 - 311 11 Cheng T, Zhao P, Liu C, et al.