抗菌肽的作用机理及应用前景

杨阳,孙红瑜,金光耀,杨娇

(黑龙江省野生动物研究所,哈尔滨 150081)

抗菌肽(Antibacterial peptide,ABP)是天然免疫的重要介质,是生物机体在抵御病原微生物的防御反应过程中所产生的一类具有抗菌活性的短肽。一般具有抗菌作用,有些抗菌肽还具有抗原虫、抗真菌、抗病毒和抑制或杀伤肿瘤细胞等作用。抗菌肽作为一种非特异性免疫分子,对正常的细胞没有损害,具有不同于抗生素的全新抗菌机制,不易产生耐药性,在生物学、医学和农业上具有独特的研究和应用价值。近10年中,抗菌肽的开发和应用已成为研究的热点,在动植物转基因工程、药物开发、畜牧业等领域具有广阔的应用前景。下面就抗菌肽的来源性质、作用机理、应用及发展前景做一综述。

1 抗菌肽来源、分类与理化性质

1972年瑞典科学家Boman HG等利用E.coli诱导惜古比天蚕(Hyatophra cecropia)分离得到世界上第一种抗菌肽—天蚕素(cecropin)。此后人们相继从昆虫、细菌、真菌、病毒、两栖动物、甲壳动物、软体动物、鱼类、鸟类、植物、哺乳动物等生物体内发现并分离2000多种具有抗菌活性的多肽[1]。

尽管抗菌肽结构各异,在长度上千差万别,但是几乎所有的抗菌肽在本质上都具有一些共性[2]。抗菌肽一般由12～50个氨基酸组成,分子量多不足25～30KD,绝大多数抗菌肽都是阳离子型,通常带有2～7个正电荷,其等电点大于7。抗菌肽对热稳定,许多抗菌肽在100℃加热10min还能保持一定活力。抗菌肽对较大的离子强度和较低或较高的pH值都有较强的抗性。部分抗菌肽尚有抵抗胰蛋白酶和胃蛋白酶的能力[3],此外,还具有水溶性好、无免疫原性等特点。

根据抗菌肽主要组成成分和三级结构,将其分为四类[4]:含有a-螺旋结构的线性抗菌肽;含有2～3个二硫键的β-折叠抗菌肽;富含1～2种特殊氨基酸的抗菌肽;具有袢状结构的抗菌肽。

2 抗菌肽的生物活性及作用机制

2.1 抗菌活性及其作用机理

抗菌肽对G+菌和G-菌都具有杀灭或抑制作用,其广谱抗菌特性是传统抗生素所无法比拟的,并且抗菌肽与传统抗生素或其他宿主防御分子如溶菌酶和乳铁传递蛋白等具有协同抗微生物作用[5]。

抗菌肽分子可以在细菌细胞质膜上穿孔而形成离子孔道,造成细菌细胞膜结构破坏引起胞内水溶性物质大量渗出,而最终导致细菌死亡。抗菌肽分子首先结合在质膜上,抗菌肽分子中的疏水端和两亲性a-螺旋插入质膜中,多个肽分子共同作用形成离子性通道,使细菌失去了膜势而死亡。这一过程得到了大多数学者的公认。但是,也有学者认为抗菌肽作用于膜蛋白,引起蛋白质凝集失活,细胞膜变性而形成离子通道,从而改变了膜的通透性,影响了生物大分子的合成。无论何种学说,抗菌肽的作用结果是导致细菌细胞质膜通透性增大而导致细菌死亡的[6],这也正是抗菌肽与青霉素等传统抗生素对细菌作用机制不同的本质所在。

2.2 抗病毒活性及作用机制

大量研究表明,有些抗菌肽具有抗病毒活性,抗菌肽中和病毒的程度与其浓度以及分子内二硫键的完整性有关,另外还受接种时间、pH值、温度以及培养液的成分的影响[7]。抗菌肽可以影响从核酸复制到病毒颗粒包装的全过程,还能对病毒粒子的组合起干扰作用。研究发现人的嗜中性粒细胞防御素(HNP-1)对一种疱疹病毒有抑制作用,此外蜂毒素和天蚕素也可以在亚毒性浓度下抑制艾滋病毒HIV-1的基因表达,从而减少HIV-1的增殖,这表明抗菌肽对于当今人类的顽症艾滋病也有抑制作用。

2.3 抗真菌活性及作用机理

目前已发现的抗真菌肽有天蚕素、果蝇抗菌肽、线肽素、贻贝素、蝎血素及人工改造的各种抗菌肽等。真菌属真核细胞,具有真正的细胞核,有甲壳质或纤维素构成的细胞壁结构。从有些抗菌肽分子同时具有抗细菌和真菌两种功能来看,抗菌肽与质膜的作用是抗菌肽杀菌作用一个重要的因素。抗菌肽抗真菌能力与真菌的属、种和孢子的状态等有关[6]。

2.4 抗寄生虫活性及作用机理

抗菌肽可以有效地杀灭产生人类及动物寄生虫病的寄生虫,如疟疾、莱什曼病等。目前发现一种合成的天蚕素-蜂毒素杂合体对莱什曼原鞭毛虫有损伤作用,起作用的靶目标是细胞质膜,它可以快速降低HPOH+的通透性,破坏膜电势,质膜形态也受到损坏[8]。Jaynes等(1989)以天然抗菌肽天蚕素B为蓝本,人工合成一新抗菌肽,能够杀死原虫,抗菌肽作用于原虫的膜,间接引起细胞的内部结构和细胞器的变化,干扰细胞的正常代谢过程。

2.5 对肿瘤细胞的活性及作用机理

研究发现抗菌肽对体外培养的癌细胞的作用主要是与胞膜结合,形成离子通道,出现孔洞,导致胞内容物外泄,细胞DNA断裂。抗菌肽对细胞DNA的损伤是产生细胞毒作用的一个重要原因[6]。此外,抗菌肽还可以调动机体的免疫机能,从体液免疫方面来抵抗癌瘤的入侵。

3 应用前景

3.1 药用开发

随着抗生素耐药性问题的日益严重,开发一种全新的药物已经成为各国医药界的主攻目标。具有广谱高效抗菌活性以及不同于抗生素的全新抗菌机制的抗菌肽在这方面的应用中具有明显优势。随着新的抗菌肽的不断发现和对抗菌肽作用机制及其基因表达调控机制认识的不断深化,研究人员将有可能设计出在医药工业和农业上更加有效的抗菌肽,并进一步与现代实验技术,特别是转基因技术相结合,从而产生出惊人的实际效果。目前,研究人员通过多条途径在动物或人体上对不同种类的抗菌肽进行了前临床研究和临床用评价。一些科研机构和生物科技公司联合大的制药公司在人体内进行了抗菌肽临床应用研究。

3.2 畜牧业领域

饲料中抗生素的使用造成的动物肠道微生物失衡及药物残留问题严重影响了畜产品品质和人类健康,并且污染环境,随着我国进入WTO,抗生素作为饲料添加剂必将严重影响我国畜禽产品在国际市场上的竞争力。应用无毒无公害的新型抗菌制剂替代抗生素作为饲料添加剂,己成为当前国内外饲料学科的一项重要内容。采用抗菌肽取代或部分取代目前喂养动物所用的抗生素,减少动物喂养之中对抗生素的依赖,减少抗生素通过食物链的传播减少对人类的威胁;用基因工程方法生产的环保型抗菌肽饲料添加剂,或者通过日粮因素调控抗菌肽基因的表达而达到畜产品无抗生素化很好的解决了上述问题,这也是抗菌肽在畜牧业上最直接的应用。

[1] Diamond G,Legarda D,Ryam LK.The innate immune response of the respiratory epithelium[J].Immunol Rev,2000,27(2):17327-17338.

[2] 马卫明,佘锐萍.抗菌肽的免疫机理及应用前景[J].世界农业,2003,294(10):41-43.

[3] Jaynes J.M.,Burton C.N.,Barr S.B.,etal.In vitro eytocidal effectof novel lytic peptides on plasmodium falciparum and trypanosoma cruzi[J].FASEBJ.,1989,2(12):2575-2583.

[4] Andreu D,Rivas L.Animal antimicrobial peptides:an overview[J].Biopolymers,1998,47:415-433.

[5] Robert EW H ancock.Cationic peptide:effectors in innate immunity and novel Antimicrobials[J].The Lancetinfectious disease,2001,l:156-164.

[6] 马卫明.猪小肠抗菌肽分离鉴定及其生物活性研究[D].中国农业大学,2004.

[7] Daher KA,Selsted ME,Lehrer RI,etal.Directinactivation of viruses by human granulocyteDenfensins[J].J Virol,1988,60:1068-1074.

[8] 刘红珍.兔肠源抗菌蛋白的分离纯化及其生物活性研究[D].山东农业大学,2007.