抗菌肽在畜牧生產上的應用

李子瑞

（東北農業(yè)大學動物營養(yǎng)研究所，哈爾濱 150030）

長期使用抗生素會引發(fā)細菌耐藥性，威脅人類健康。尋求和開發(fā)有利于環(huán)保的新型抗菌藥物替代抗生素具有重要意義?？咕模ˋntimicrobial peptides）最初是從昆蟲免疫后的血淋巴細胞中發(fā)現(xiàn)的堿性多肽類物質，分子量很小，是一類廣泛存在于動物體內具有廣譜抗菌活性的陽離子型多肽，是生物先天免疫的重要組成成分[1]。抗菌肽易通過環(huán)境與宿主反應起到抗病原微生物的作用，一般不易產生耐藥性，現(xiàn)已成為當前學術界中的研究熱點。

1 抗菌肽的概述

抗菌肽是生物體內存在的一類具有廣譜抗菌活性的小分子多肽，具有兩親性結構。Boman等首先在果蠅中發(fā)現(xiàn)抗菌肽，隨后從惜古比天蠶蛹中誘導分離并命名為天蠶素或殺菌肽（cecropin）[2]。此后，大量類似的抗菌肽被發(fā)現(xiàn)并分離出來。其共同特點為分子量小、多聚陽離子型和兩親性結構?？咕闹饕擅庖呦到y(tǒng)的細胞產生，如多形核嗜中性白細胞（PMNs）、巨噬細胞、淋巴細胞和自然殺傷細胞[3]。

Wang等對525種抗菌肽分析研究，發(fā)現(xiàn)抗菌肽的一級結構差異很大，含有6～84個氨基酸殘基，能與革蘭氏陰性菌的脂多糖和革蘭氏陽性菌的磷壁酸結合，發(fā)揮抗菌作用[4]?？咕脑谧匀唤绶植紡V泛，來源不一，有許多種不同的分類方法。Martin等按氨基酸殘基特點和二級結構將抗菌肽分為4類[5]。第一類為含有半胱氨酸的兩親性的β-折疊抗菌肽。該類抗菌肽分子內含有2～6個二硫鍵最具有代表性的是動物防御素。其是動物體內防御系統(tǒng)的最大成員，可分為α、β、θ3大類。α-防御素在哺乳動物粒細胞或巨噬細胞中表達，β-防御素在哺乳動物的上皮細胞中表達；第二類為含有兩親性的α-螺旋抗菌肽，此類抗菌肽N端富含堿性氨基酸殘基，C末端含有較多的疏水性氨基酸殘基，這一結構有利于其插入細菌的質膜。除此之外，這類抗菌肽所帶正電荷利于與細菌膜上的負電荷相互吸引而結合到細菌的細胞膜上。分子的兩端各形成一個兩親性α-螺旋，兩個螺旋之間有甘氨酸和脯氨酸形成的鉸鏈區(qū)，這種螺結構是破壞、裂解細菌的主要結構；第三類為含有二硫鍵的半胱氨酸環(huán)狀結構的抗菌肽，該類抗菌肽在C末端有分子內二硫鍵，形成一個環(huán)鏈結構，而N末端為線狀結構；第四類為含有1～2個氨基酸的線性伸展結構的抗菌肽[6]。該類抗菌肽由15～34個氨基酸組成，不含半胱氨酸，但富含脯氨酸、精氨酸或色氨酸。

其中，α-螺旋和β-折疊這兩種結構占自然界中天然抗菌肽的80%以上。這些抗菌肽具有廣譜抗菌和其他優(yōu)良的特性，如高效的抗真菌、抗病毒、原蟲和抗腫瘤活性，這與其自身的結構特點密不可分[7－8]。因此，這類抗菌物質充分顯示了其在畜牧養(yǎng)殖上的應用前景。

2 抗菌肽的作用機理

傳統(tǒng)抗生素的抗菌機理是與病原體上的某些特殊部位結合，破壞病原體的結構或者阻礙其生物合成，以達到抑菌或殺菌的目的。當作用的靶點改變時，病原體就會產生抗藥性?？咕膶φ婢?、病毒及發(fā)生細胞病變的真核細胞也具有抗菌作用。其抗菌作用一般不涉及特定受體，完全是陰陽離子的相互作用，這種獨特的抗菌機理形成了不耐藥的特性[9]。盡管人們對抗菌機理已經研究較多，但目前仍處在理論假設階段。主要有3種理論模型，包括孔洞學、可變毯模型和離子通道學說[10]。盡管有關抗菌肽的抗菌機理研究的爭論比較多，目前尚無定論，但許多研究已經證明，靜電荷、疏水性以及兩性分子性質是調節(jié)抗菌肽活性的重要參數[11]。帶有正電荷陽離子結構的抗菌肽與帶有負電荷細菌質膜的磷脂表面通過靜電相互吸引而靠近，抗菌肽分子中的疏水端插入質膜中，N端的兩親性α-螺旋也插入質膜中，從而破壞了脂質雙層原有的結構，在質膜上形成離子通道，通過改變膜的構象，多個抗菌肽聚合在膜上形成離子通道，造成細胞內容物泄露致細胞死亡。人們對抗菌肽與細胞膜的接觸也有許多不同的看法，一種是抗菌肽與細胞膜作用，使細胞膜上的蛋白凝聚，變性失活，形成離子通道，改變細胞膜的通透性，最后導致細胞死亡，另一種是細胞膜上存在特異受體及其他因子協(xié)助細菌死亡。目前研究傾向于第一種假設。

抗菌肽對原核細胞產生特異的溶菌活性，對低等的真核生物如真菌及某些植物的原生質體以及某些腫瘤細胞也有殺傷作用，而對正常的哺乳動物細胞沒有作用，其原因可能是原核細胞和真核細胞膜結構不同，真核細胞含有豐富的膜蛋白和膽固醇，特別是后者能夠使膜蛋白趨于穩(wěn)定，而哺乳動物細胞存在豐富的膜骨架系統(tǒng)，抵抗了抗菌肽的作用。

3 抗菌肽在畜牧生產上的應用

抗菌肽具有廣譜抗菌活性，對真核細胞沒有傷害作用。有望解決細菌耐藥性、抗生素的殘留及飼料添加劑等問題。

3.1 臨床藥用及應用

Wachinger等的研究結果表明，蜂毒素和天蠶素可以在亞毒性濃度下抑制愛滋病毒HIV-1的基因表達，減少HIV-1的增殖[12]。天蠶素、爪蛙素、鼠抗菌肽NP-1和NP-2及人抗菌肽HNP-1均表現(xiàn)出對腫瘤細胞的殺傷活性[13]。這可能是由于腫瘤細胞的細胞骨架系統(tǒng)不發(fā)達，抗菌肽易插入細胞脂膜形成離子通道，從而殺死腫瘤細胞。組蛋白衍生物P-113是一個由12個氨基酸組成的陽離子肽，是唾液中天然抗菌肽組蛋白的結構類似物[14]。體外試驗已經證實，P-113有很好的抗白色念珠菌、革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌的作用，開發(fā)P-113用來治療艾滋病患者口腔白色念珠菌感染的Ⅰ、Ⅱ期臨床試驗已經完成。另外P-113D也將被用于治療囊性纖維化患者肺部綠膿桿菌的感染[15]。

3.2 抗菌肽替代抗生素的研究

傳統(tǒng)的抗生素是通過阻斷生物大分子的合成來殺滅細菌的，而抗菌肽是通過裂解細菌的細胞膜使其內容物外泄而導致細胞死亡的，兩者的作用機理完全不同，因此，使用抗菌肽殺滅細菌不會產生抗藥性。

設計一種高效、有利于人類健康的抗菌肽來代替抗生素是完全可行的。溫劉發(fā)等通過在斷奶仔豬飼料中用抗菌肽代替抗生素，結果表明，抗菌肽在仔豬斷奶應激期間抗腹瀉效果較抗生素好，適量的抗菌肽比抗生素的促生長效果更理想。但高劑量的抗菌肽則降低了仔豬的生長速度[16]。黃永彤等發(fā)現(xiàn)，抗菌肽有促進肉雞生長和提高免疫力作用。與中草藥抗生素相比，在出欄率、平均體重、飼料效率等方面均無顯著差異，且在出欄前3 d停喂，抽檢無殘留[17]。陳曉生等研究發(fā)現(xiàn)，添加抗菌肽制劑2 mL·kg-1能有效提高1～2周齡肉鴨的生產性能，添加2.3 mL·kg-1可顯著提高產肉率[18]。添加抗菌肽會使機體在蛋白質合成量變化不大的情況下減少機體蛋白質的分解代謝，從而促進生長。

3.3 抗菌肽的基因工程研究

畜禽病毒性疾病對臨床工作者一直是棘手的疾病，不利于畜牧業(yè)的發(fā)展。借鑒已成功的昆蟲抗菌肽轉基因工程，把抗菌肽基因轉入畜禽特定細胞使其真核表達，從而產生抗病新品種。為養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展提供新思路。抗菌肽天然產量低，用化學合成的方法價格昂貴，利用基因工程手段獲得無疑是目前最佳選擇，目前多種抗菌肽已在不同的表達體系中得到表達。但如何進一步提高表達水平，提高基因表達產物的穩(wěn)定性和廣譜抗菌性，都是值得深入研究的問題。廖文艷等在大腸桿菌系統(tǒng)里表達了重組禽抗菌肽，該重組抗菌肽對大腸桿菌、多殺性巴氏桿菌、金黃色葡萄球菌、嗜酸乳桿菌和枯草芽胞桿菌有抗菌活性，但對豬霍亂沙門氏菌無抗菌活性[19－20]。該重組禽抗菌肽對溫度（-70~100℃）和酸堿度（pH 3～10）有較高的穩(wěn)定性。這也暗示了這兩種重組蛋白在上述溫度和pH范圍之外仍具有抑菌活性。這些研究結果為基因工程獲得的抗菌肽作為飼料添加劑或直接口服等應用的可能性提供了理論依據。

4 結語

近年來，人們一直在尋找可以徹底解決耐藥性問題的抗菌藥物，尤其當禽流感、瘋牛病等一些動物疑難病癥的出現(xiàn)，使人們更加渴望綠色、環(huán)?？咕幬锏某霈F(xiàn)，尋找抗生素替代品已成為必然的趨勢。抗菌肽為機體內產生的天然成分，具有廣譜抗菌、抗病毒和免疫增強的作用，并且對機體無毒害、無殘留。并且其有著獨特的不同于抗生素的抗菌機理，現(xiàn)在已完全有可能用生物工程的技術方法大量生產有生物活性的抗菌肽，使之成為新一代肽類抗菌藥的來源。

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