禽类防御素研究进展

王淑娟 （山东省临朐县冶源兽医工作站 262605）



禽类防御素研究进展

王淑娟 （山东省临朐县冶源兽医工作站 262605）

防御素(defensin)是近年来在植物、被囊动物、昆虫、鱼、两栖动物、哺乳动物和鸟类中发现了的一类具有抗菌作用的多肽，又称为抗菌肽(antimicrobial peptides，AMPS)。防御素具有对广谱抗微生物活性，对细菌、真菌、螺旋体、病毒等均有抗性，且病源微生物不易产生耐药性，是宿主抵抗外来致病性微生物侵袭的重要防线，同时由于其在动物体的多种不同组织器官中持续性表达，也被看作是所有物种先天性免疫系统的一部分，具有重要的生理学功能。目前，已从动物、人类和植物体内分离纯化出100种以上的防御素。近年来，国内外对禽类防御素的研究报道也不断增多，下面对其研究进展做一概括与评述。

1　防御素的定义与分类

防御素是一类广泛分布的富含半胱氨酸的内源性抗菌肽，是机体内参与最初防御活动的小分子肽。其主要的分子特征是6个半胱氨酸残基形成3对2硫键，成熟肽大约有38～42个氨基酸，分子质量约为3ku～4ku。防御素带有3个β-片层结构，被1个β-发夹转角环连接起来，是阳离子两性肽，具有广谱抗微生物作用，包括抗革兰氏阳性、阴性菌、原生动物(原虫)、一些真菌和具有囊膜的病毒，如人类艾滋病病毒。根据空间结构的不同，防御素可以分为3大类：α-防御素、β-防御素和θ-防御素。α-防御素和β-防御素可形成二聚体，仅仅在形成二硫键的半胱氨酸连接的配对和氨基酸残基的长度上具有差异。而θ-防御素分离自猕猴白细胞，具有独特的环状结构，由两个类似于α-防御素样的9个氨基酸片段环化而成，目前对其研究较少。

2　禽防御素的分类及其在组织中的分布

根据其组成肽的同源性和基因结构，β-防御素可分为3类：第1β-防御素含有一短前体肽(长度为63～64个氨基酸残基)和1个短的内含子(小于1.6kb)；第2类含有较长前体序列(68～69个残基)和具有大于6.5kb的内含子；目前发现，所有禽类防御素属于β-防御素中的第3类--半胱氨酸二硫环类肽。

禽β-防御素的主要分子特征为含有6个半胱氨酸残基组成的3对二硫键，分别在Cys-1~Cys-5、Cys-2~Cys-4和Cys-3~Cys-6处配对连接形成，富含精氨酸，具有亲水性和亲脂性、特征性β-片层结构[1]。迄今为止，已从鸡、火鸡、鸵鸟、企鹅以及鸭等禽类体内发现了30多种禽β-防御素。

所有禽类防御素具有与人类和牛防御素共同的保守区，包括3对半胱氨酸二硫键和1个甘氨酸残基，这暗示其在进化上的意义。目前为止，从从鸡的异嗜性白细胞中分离得到了2种鸡的异嗜性多肽，并将其命名为CHP-1 和CHP-2[2]，在鸡的白细胞中发现了另外4种抗菌多肽，并将其命名为Gal-1、Gal-2、Gal-3、Gal-1α[3]；从火鸡的异嗜性白细胞中分离到了3个火鸡异嗜性多肽THP-1、THP-2 和THP-3[4]；从驼鸟白细胞中分离得到4 种抗菌多肽：Ostricacin-1(Osp-1)[5]、Osp-2、Osp-3和Osp-4[6]；从企鹅的胃中分离出了2种抗菌多肽：Sphe-1和Sphe-2[7]；在鸭体内发现了3个β-防御素，分别为鸭AvBD9[8]、鸭AvBD10[9]和鸭AvBD2[10]。

防御素基因在动物体内的表达存在两种方式—固有型和诱导型表达。两种表达方式均具有组织特异性。禽类的β-防御素分布广泛，可在鸡、火鸡、鸵鸟的血液，鸡、火鸡的上皮细胞，企鹅的胃上皮细胞存在。Gal-1存在于鸡的骨髓、肺脏、法氏囊和皮肤，Gal-3可在舌、法氏囊、气管、皮肤、食道、气囊、大肠和肾脏等组织器官广泛表达，Gal-2在肺、骨髓中表达。而火鸡的GPV-1在其气管上皮组织表达[11]。企鹅的Sphe-1与Sphe-2存在于其胃内，其浓度在食物贮存期比消化期明显地高，所以企鹅可以保持其胃内食物至少2周不变质，说明此两种防御素在胃内具有抗微生物作用[7]。禽类防御素的组织表达方式是禽先天性免疫机制选择的结果，与其他动物一样，在抵抗外来微生物或者杀灭进入体内病原微生物的免疫防御中起重要作用。

3　禽类防御素的生物学活性

由于禽类异嗜性白细胞缺乏由超氧化物离子、过氧化氢和过氧化物酶组成的氧化机制，禽类则更多依赖非氧化机制(如溶菌酶、阳离子蛋白和肽)来抵抗外来微生物的侵袭与感染，维护机体健康。而β-防御素就是禽类先天性免疫的重要组成部分，不但在内源性免疫中起重要作用，为机体抵御外界微生物侵袭的第一道屏障，在机体固有免疫防御中发挥着重要作用。β-防御素也具有广谱抗致病性微生物活性，其抗菌谱分别为：Gal-1和Gal-1a抗白色念珠菌、大肠埃希菌、金黄色葡萄球菌、产单核细胞李氏杆菌[3]；Gal-2抗大肠埃希菌、产单核细胞李氏杆菌[3]；CHP-1、CHP-2与THP-1抗白色念珠菌、大肠埃希菌、波氏菌、肠炎沙门菌、伤寒沙门菌、空肠弯曲杆菌、鸡毒支原体[2,4]；THP-3抗白色念珠菌、沙门菌、空肠弯曲杆菌[4]；OSP-2抗大肠埃希菌、金黄色葡萄球菌[6]；Sphe-2抗枯草芽孢杆菌、肠炎沙门菌、烟曲霉菌[7]。另有报道，禽异嗜白细胞肽可抑制大肠埃希菌、白色葡萄球菌、白色假丝酵母、沙雷氏菌属的黏赛杆菌的生长[12]。但仅有一些抗菌肽(如鸡、火鸡异嗜白细胞肽)具有抗白色念珠菌活性。与禽类β-防御素相比，人工合成的企鹅抗菌肽Sphe-2的抗菌谱较广，不仅能够抗除腐生葡萄球菌外所有试验的革兰氏阳性菌，还具有抑制除E.coli 1106与弧菌metsnikovii外的所有革兰氏阴性菌的生物学活性。Sphe-2也可抑制烟曲霉菌孢子的形成，但无抗假丝酵母活性。在低pH、企鹅胃内容物的条件下，人工合成的Sphe-2也保持抗微生物活性。显然，企鹅抗菌多肽的抗菌特性是在孵化期维持雄性企鹅食物新鲜的重要机制。

国内外对禽类β-防御素的抗菌机制至今不统一，尚缺抗菌肽在细胞膜上直接作用的报道。其原因可能是抗菌肽是一类多肽，在膜的诱导下，构象在瞬间发生剧烈变化，同时诱发细胞产生其他一系列的变化，但在技术水平上无法捕捉该瞬间产生的变化，因而无法判断和评估。目前，较为公认的禽类抗菌肽的作用机制是多肽的阳离子性和两亲性。首先，阳离子多肽通过与细胞膜上带负电荷的细胞质膜磷脂分子静电吸引而吸附到细胞膜上；其次，抗菌肽分子中的疏水段借助分子中连接结构的柔性插入细胞质膜中；第三，抗菌肽分子的疏水、亲水两亲性分子的α-螺旋插入膜内，通过膜内分子间的相互位移，使多个抗菌肽分子相互聚集、共同作用而形成离子通道，由此导致细菌失去膜势，外界环境中的抗菌肽和多种物质与水分进入靶细胞，同时靶细胞内容物泄漏导致死亡。

4　禽防御素的应用与展望

禽类β-防御素与哺乳动物防御素一样具有广谱抗微生物活性，其抗菌机理特殊，能穿透菌体细胞壁和细胞膜，最终引起细菌死亡，并且致病细菌不易产生耐药性，在畜牧业、食品加工业、医疗制药等方面具有广阔的应用前景。但目前禽防御素制备提纯过程复杂，容易被酶降解，化学合成成本高，大大制约了其生产和运用。随着分子生物学以及基因工程学的迅猛发展，对其结构及作用机理的研究不断深入，在此基础上进行高活性防御素的大量制备将成为可能，禽防御素也必将对人类生活产生巨大影响。

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（2011–07–03）

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