抗菌肽的作用機(jī)理及應(yīng)用前景

楊陽(yáng),孫紅瑜,金光耀,楊嬌

(黑龍江省野生動(dòng)物研究所,哈爾濱 150081)

抗菌肽(Antibacterial peptide,ABP)是天然免疫的重要介質(zhì),是生物機(jī)體在抵御病原微生物的防御反應(yīng)過(guò)程中所產(chǎn)生的一類具有抗菌活性的短肽。一般具有抗菌作用,有些抗菌肽還具有抗原蟲(chóng)、抗真菌、抗病毒和抑制或殺傷腫瘤細(xì)胞等作用?？咕淖鳛橐环N非特異性免疫分子,對(duì)正常的細(xì)胞沒(méi)有損害,具有不同于抗生素的全新抗菌機(jī)制,不易產(chǎn)生耐藥性,在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和農(nóng)業(yè)上具有獨(dú)特的研究和應(yīng)用價(jià)值。近10年中,抗菌肽的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用已成為研究的熱點(diǎn),在動(dòng)植物轉(zhuǎn)基因工程、藥物開(kāi)發(fā)、畜牧業(yè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。下面就抗菌肽的來(lái)源性質(zhì)、作用機(jī)理、應(yīng)用及發(fā)展前景做一綜述。

1 抗菌肽來(lái)源、分類與理化性質(zhì)

1972年瑞典科學(xué)家Boman HG等利用E.coli誘導(dǎo)惜古比天蠶(Hyatophra cecropia)分離得到世界上第一種抗菌肽—天蠶素(cecropin)。此后人們相繼從昆蟲(chóng)、細(xì)菌、真菌、病毒、兩棲動(dòng)物、甲殼動(dòng)物、軟體動(dòng)物、魚(yú)類、鳥(niǎo)類、植物、哺乳動(dòng)物等生物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)并分離2000多種具有抗菌活性的多肽[1]。

盡管抗菌肽結(jié)構(gòu)各異,在長(zhǎng)度上千差萬(wàn)別,但是幾乎所有的抗菌肽在本質(zhì)上都具有一些共性[2]?？咕囊话阌?2～50個(gè)氨基酸組成,分子量多不足25～30KD,絕大多數(shù)抗菌肽都是陽(yáng)離子型,通常帶有2～7個(gè)正電荷,其等電點(diǎn)大于7?？咕膶?duì)熱穩(wěn)定,許多抗菌肽在100℃加熱10min還能保持一定活力?？咕膶?duì)較大的離子強(qiáng)度和較低或較高的pH值都有較強(qiáng)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,還具有水溶性好、無(wú)免疫原性等特點(diǎn)。

根據(jù)抗菌肽主要組成成分和三級(jí)結(jié)構(gòu),將其分為四類[4]:含有a-螺旋結(jié)構(gòu)的線性抗菌肽;含有2～3個(gè)二硫鍵的β-折疊抗菌肽;富含1～2種特殊氨基酸的抗菌肽;具有袢狀結(jié)構(gòu)的抗菌肽。

2 抗菌肽的生物活性及作用機(jī)制

2.1 抗菌活性及其作用機(jī)理

抗菌肽對(duì)G+菌和G-菌都具有殺滅或抑制作用,其廣譜抗菌特性是傳統(tǒng)抗生素所無(wú)法比擬的,并且抗菌肽與傳統(tǒng)抗生素或其他宿主防御分子如溶菌酶和乳鐵傳遞蛋白等具有協(xié)同抗微生物作用[5]。

抗菌肽分子可以在細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)膜上穿孔而形成離子孔道,造成細(xì)菌細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)破壞引起胞內(nèi)水溶性物質(zhì)大量滲出,而最終導(dǎo)致細(xì)菌死亡?？咕姆肿邮紫冉Y(jié)合在質(zhì)膜上,抗菌肽分子中的疏水端和兩親性a-螺旋插入質(zhì)膜中,多個(gè)肽分子共同作用形成離子性通道,使細(xì)菌失去了膜勢(shì)而死亡。這一過(guò)程得到了大多數(shù)學(xué)者的公認(rèn)。但是,也有學(xué)者認(rèn)為抗菌肽作用于膜蛋白,引起蛋白質(zhì)凝集失活,細(xì)胞膜變性而形成離子通道,從而改變了膜的通透性,影響了生物大分子的合成。無(wú)論何種學(xué)說(shuō),抗菌肽的作用結(jié)果是導(dǎo)致細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)膜通透性增大而導(dǎo)致細(xì)菌死亡的[6],這也正是抗菌肽與青霉素等傳統(tǒng)抗生素對(duì)細(xì)菌作用機(jī)制不同的本質(zhì)所在。

2.2 抗病毒活性及作用機(jī)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與其濃度以及分子內(nèi)二硫鍵的完整性有關(guān),另外還受接種時(shí)間、pH值、溫度以及培養(yǎng)液的成分的影響[7]?？咕目梢杂绊憦暮怂釓?fù)制到病毒顆粒包裝的全過(guò)程,還能對(duì)病毒粒子的組合起干擾作用。研究發(fā)現(xiàn)人的嗜中性粒細(xì)胞防御素(HNP-1)對(duì)一種皰疹病毒有抑制作用,此外蜂毒素和天蠶素也可以在亞毒性濃度下抑制艾滋病毒HIV-1的基因表達(dá),從而減少HIV-1的增殖,這表明抗菌肽對(duì)于當(dāng)今人類的頑癥艾滋病也有抑制作用。

2.3 抗真菌活性及作用機(jī)理

目前已發(fā)現(xiàn)的抗真菌肽有天蠶素、果蠅抗菌肽、線肽素、貽貝素、蝎血素及人工改造的各種抗菌肽等。真菌屬真核細(xì)胞,具有真正的細(xì)胞核,有甲殼質(zhì)或纖維素構(gòu)成的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)。從有些抗菌肽分子同時(shí)具有抗細(xì)菌和真菌兩種功能來(lái)看,抗菌肽與質(zhì)膜的作用是抗菌肽殺菌作用一個(gè)重要的因素?？咕目拐婢芰εc真菌的屬、種和孢子的狀態(tài)等有關(guān)[6]。

2.4 抗寄生蟲(chóng)活性及作用機(jī)理

抗菌肽可以有效地殺滅產(chǎn)生人類及動(dòng)物寄生蟲(chóng)病的寄生蟲(chóng),如瘧疾、萊什曼病等。目前發(fā)現(xiàn)一種合成的天蠶素-蜂毒素雜合體對(duì)萊什曼原鞭毛蟲(chóng)有損傷作用,起作用的靶目標(biāo)是細(xì)胞質(zhì)膜,它可以快速降低HPOH+的通透性,破壞膜電勢(shì),質(zhì)膜形態(tài)也受到損壞[8]。Jaynes等(1989)以天然抗菌肽天蠶素B為藍(lán)本,人工合成一新抗菌肽,能夠殺死原蟲(chóng),抗菌肽作用于原蟲(chóng)的膜,間接引起細(xì)胞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和細(xì)胞器的變化,干擾細(xì)胞的正常代謝過(guò)程。

2.5 對(duì)腫瘤細(xì)胞的活性及作用機(jī)理

研究發(fā)現(xiàn)抗菌肽對(duì)體外培養(yǎng)的癌細(xì)胞的作用主要是與胞膜結(jié)合,形成離子通道,出現(xiàn)孔洞,導(dǎo)致胞內(nèi)容物外泄,細(xì)胞DNA斷裂?？咕膶?duì)細(xì)胞DNA的損傷是產(chǎn)生細(xì)胞毒作用的一個(gè)重要原因[6]。此外,抗菌肽還可以調(diào)動(dòng)機(jī)體的免疫機(jī)能,從體液免疫方面來(lái)抵抗癌瘤的入侵。

3 應(yīng)用前景

3.1 藥用開(kāi)發(fā)

隨著抗生素耐藥性問(wèn)題的日益嚴(yán)重,開(kāi)發(fā)一種全新的藥物已經(jīng)成為各國(guó)醫(yī)藥界的主攻目標(biāo)。具有廣譜高效抗菌活性以及不同于抗生素的全新抗菌機(jī)制的抗菌肽在這方面的應(yīng)用中具有明顯優(yōu)勢(shì)。隨著新的抗菌肽的不斷發(fā)現(xiàn)和對(duì)抗菌肽作用機(jī)制及其基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制認(rèn)識(shí)的不斷深化,研究人員將有可能設(shè)計(jì)出在醫(yī)藥工業(yè)和農(nóng)業(yè)上更加有效的抗菌肽,并進(jìn)一步與現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù),特別是轉(zhuǎn)基因技術(shù)相結(jié)合,從而產(chǎn)生出驚人的實(shí)際效果。目前,研究人員通過(guò)多條途徑在動(dòng)物或人體上對(duì)不同種類的抗菌肽進(jìn)行了前臨床研究和臨床用評(píng)價(jià)。一些科研機(jī)構(gòu)和生物科技公司聯(lián)合大的制藥公司在人體內(nèi)進(jìn)行了抗菌肽臨床應(yīng)用研究。

3.2 畜牧業(yè)領(lǐng)域

飼料中抗生素的使用造成的動(dòng)物腸道微生物失衡及藥物殘留問(wèn)題嚴(yán)重影響了畜產(chǎn)品品質(zhì)和人類健康,并且污染環(huán)境,隨著我國(guó)進(jìn)入WTO,抗生素作為飼料添加劑必將嚴(yán)重影響我國(guó)畜禽產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。應(yīng)用無(wú)毒無(wú)公害的新型抗菌制劑替代抗生素作為飼料添加劑,己成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外飼料學(xué)科的一項(xiàng)重要內(nèi)容。采用抗菌肽取代或部分取代目前喂養(yǎng)動(dòng)物所用的抗生素,減少動(dòng)物喂養(yǎng)之中對(duì)抗生素的依賴,減少抗生素通過(guò)食物鏈的傳播減少對(duì)人類的威脅;用基因工程方法生產(chǎn)的環(huán)保型抗菌肽飼料添加劑,或者通過(guò)日糧因素調(diào)控抗菌肽基因的表達(dá)而達(dá)到畜產(chǎn)品無(wú)抗生素化很好的解決了上述問(wèn)題,這也是抗菌肽在畜牧業(yè)上最直接的應(yīng)用。

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