昆蟲抗菌肽的研究進展 *

王志濤，王俊剛，申 紅*

（石河子大學動物科技學院，新疆 石河子 832003）

昆蟲抗菌肽的研究進展*

王志濤，王俊剛，申 紅*

（石河子大學動物科技學院，新疆 石河子 832003）

昆蟲抗菌肽是昆蟲受到刺激或感染后由體內(nèi)血淋巴產(chǎn)生的一類小分子堿性多肽，具有廣譜抗菌活性、分子量小、容易合成、不易形成耐藥性等特性，可作為新一代抗菌制劑，具有良好的應(yīng)用前景。本文對部分昆蟲抗菌肽的來源和抗菌機制作了簡要概述，并就其應(yīng)用前景進行闡述，以期為昆蟲抗菌肽的深層次研究提供參考。

抗菌肽；昆蟲；抗菌

昆蟲是世界上最大的生物種群，隨著昆蟲學研究的不斷深入，科學家發(fā)現(xiàn)昆蟲雖然沒有淋巴系統(tǒng)、免疫球蛋白和補體，但卻具有無細胞免疫系統(tǒng)、超強的適應(yīng)和防御能力。昆蟲抗菌肽對體液免疫防御系統(tǒng)具有重要的作用，尤其脂肪體合成的抗菌肽進入血淋巴后能對全身的病原體起反應(yīng)[1]。大量研究表明，昆蟲在感染病原菌后，能迅速合成抗菌肽，殺滅已侵入的病菌，并阻止病菌的繼續(xù)侵染。由于昆蟲抗菌肽抗菌譜較廣，特別對耐藥性菌株有較強的殺傷作用，并且不破壞宿主細胞，沒有免疫原性，是宿主防御病原微生物入侵的重要屏障。

自20世紀80年代瑞典科學家G.Boman等用陰溝通桿菌及大腸桿菌誘導惜古比天蠶蛹發(fā)現(xiàn)天蠶抗菌肽以來，昆蟲抗菌肽以其相對分子量小、受熱穩(wěn)定、遇水易溶解、堿性較強、抗菌譜廣泛、不損害正常細胞等獨有的特點，并對耐藥性菌株、病毒、原蟲及癌細胞等都有明顯的抑殺，且在抗菌、抗病毒、抗腫瘤等方面均發(fā)揮重要作用。因此，受到越來越多的肯定，使昆蟲抗菌肽成為眾多學者關(guān)注并且研究的熱點。

1 昆蟲抗菌肽的來源

迄今為止，不同生物體內(nèi)分離獲得的抗菌肽已有2 000多種，而且每年都有新的抗菌肽不斷被發(fā)現(xiàn)，僅從昆蟲體內(nèi)分離獲得的抗菌肽就多達200余種。以下僅從目前研究較多的種屬（家蠅、黃粉蟲和蜜蜂等）闡述抗菌肽的來源。

1.1 家蠅抗菌肽

蒼蠅隸屬昆蟲綱、雙翅目、環(huán)裂亞目、家蠅科。體內(nèi)外通常攜帶大量致病因子，能夠傳染給人畜多種病原體，但自身不被病原微生物感染并能大量繁殖。即使在人工規(guī)?；B(yǎng)殖的條件下，也不會群體發(fā)病，這一切主要是由于蒼蠅體內(nèi)含有一種獨特的小分子蛋白質(zhì)，稱為抗菌肽。1931年Baer首次報道在美國用蠅蛆治療感染取得明顯效果，到1940年美國已經(jīng)有數(shù)百家醫(yī)院在臨床上使用蠅蛆治療感染、壞死等疾病。以上研究表明，蠅蛆只對壞死組織有殺傷作用，而不破壞正常的組織細胞。大量的實驗也證明蠅蛆在治療創(chuàng)傷感染方面療效顯著，主要是通過分泌抗菌活性物質(zhì)而發(fā)揮作用[2]。但當時隨著抗生素的產(chǎn)生，尤以其良好的抑菌效果，使得蠅蛆的療效逐漸被人們所遺忘。近年來，由于耐藥菌株的出現(xiàn)，以及合成的抗菌藥物表現(xiàn)的副作用，人們又重新意識到并開始投身研究蠅蛆的抗感染治療。

有研究報道，家蠅在體壁損傷、受異物感染等條件下，其血淋巴中受基因調(diào)控的活性物質(zhì)的量會明顯增加。目前已成功地對不同蟲態(tài)使用不同的誘導方法進行誘導并獲得抗菌物質(zhì)的增量表達和新蛋白的激活產(chǎn)生。周永富等采用針刺損傷法對家蠅3齡幼蟲進行誘導，除了獲得增強的原有抗菌蛋白外，還產(chǎn)生了新的激活蛋白，這種新蛋白也可能有抗菌活性[3]。盛長忠等采用帶菌針刺、超聲波誘導家蠅蛹均能產(chǎn)生抗革蘭氏陰性球菌（大腸桿菌，變形桿菌）的抗菌肽[4]。以上誘導方法中，唯有體壁損傷法經(jīng)濟、方便、效果好。不同誘導源誘導產(chǎn)生的抗菌物質(zhì)的抗菌譜有所不同，并發(fā)現(xiàn)經(jīng)革蘭氏陽性菌類誘導的抗菌物質(zhì)疑似有免疫記憶功能。

以上研究均說明家蠅幼蟲經(jīng)誘導后在其血淋巴中可以產(chǎn)生抗菌肽，目前由于出現(xiàn)了病原菌對抗生素產(chǎn)生抗藥性，而發(fā)現(xiàn)新的抗生素又困難重重，家蠅等昆蟲抗菌肽極有可能成為新一代的抗菌、抗病毒以及抗腫瘤藥的來源。因此應(yīng)加強家蠅抗菌肽方面的研究，加速家蠅抗菌肽的研發(fā)應(yīng)用。

1.2 黃粉蟲抗菌肽

黃粉蟲又名黃粉甲、大黃粉蟲，俗稱面包蟲，屬于鞘翅目擬步甲科擬步甲屬，是目前飼養(yǎng)規(guī)模較大的一種資源性昆蟲，飼養(yǎng)方便，抗病能力強，具有獨特地防御系統(tǒng)，當受到某些刺激或感染后，會引起免疫反應(yīng)，并產(chǎn)生一系列抗菌物質(zhì)，尤以抗菌肽最為重要。黃粉蟲抗菌肽主要由脂肪體產(chǎn)生，含10～50個氨基酸，大部分為陽離子肽，具有遇水易溶解、熱穩(wěn)定性強、抗菌譜廣、不易產(chǎn)生耐藥性菌株等優(yōu)點。國外學者曾以大腸桿菌為誘導源，從黃粉蟲的血淋巴中分離到一種含43個氨基酸殘基堿性多肽，命名為Tenecin 1[5]，對革蘭氏陽性菌尤其是耐甲氧西林的金黃色葡萄球菌有較好抑制作用[6]。隨著抗菌肽研究的逐步深入，又發(fā)現(xiàn)Tenecin 1蛋白片段中對應(yīng)的C -末端β-折疊區(qū)域不僅對革蘭氏陽性菌有抑制作用，而且對革蘭氏陰性菌和真菌也有抑制作用，同時還發(fā)現(xiàn)，這些片段主要是通過對靶細胞膜上正靜電荷的作用而使其流溢死亡[7]。

面對全球抗生素濫用的現(xiàn)狀，越來越多的細菌都有可能發(fā)展成為對傳統(tǒng)抗生素產(chǎn)生耐藥性的菌株，人們迫切地希望尋找一種能夠代替抗生素的新藥，致使黃粉蟲抗菌肽的研究受到了廣泛重視。因此，黃粉蟲抗菌肽也成為研究的熱點。

1.3 蜜蜂抗菌肽

蜜蜂抗菌肽是蜜蜂在受到病原物感染后，其脂肪體迅速合成的一些具有抗菌活性的肽類，然后釋放到血淋巴中發(fā)揮抑制細菌、真菌、病毒的作用。蜜蜂在野外采集的過程中，隨時會受到各種病原物的威脅，經(jīng)過長期的適應(yīng)，蜜蜂形成了與之相對應(yīng)的分子進化策略。接觸植物時蜜蜂主要面臨革蘭氏陽性菌的挑戰(zhàn)，因此蜜蜂發(fā)展了反應(yīng)靈敏且高表達的Apidaecin抗菌肽基因家族。Apidaecin是蜜蜂體液內(nèi)抗菌肽最早被研究的一種，被微生物感染的蜜蜂體液內(nèi)的Apidaecin由許多個異構(gòu)物組成，主要對革蘭氏陰性菌起作用，最低抑菌濃度在10-8～10-6M濃度范圍。蜜蜂抗菌肽屬于先天性免疫，自1989年被報道以來，在很多方面被廣泛研究，1993年，Casteels-Josson K研究了蜜蜂Apidaecin的前體結(jié)構(gòu)及其抗菌機制。 2008年，Zhou等研究了Apidaecin在細胞外對革蘭氏陰性菌的抗菌能力。2011年，Tavano R等研究了 Apidaecin在人體一些細胞中的抗菌能力。在我國，對于蜜蜂抗菌肽的研究主要基于對基因的克隆和原核表達。

除了以上幾種來源的昆蟲抗菌肽外還有家蠶抗菌肽、螞蟻抗菌肽等，在此不詳細闡述。

2 昆蟲抗菌肽的抗菌機制

昆蟲抗菌肽抗菌作用機制主要是破壞細胞膜，通過a-螺旋結(jié)構(gòu)的雙親性蛋白質(zhì)改變細菌質(zhì)膜的滲透性，區(qū)別于抗生素的阻斷大分子生物合成抗菌機制，故不易產(chǎn)生耐藥性。一般認為是抗菌肽分子和細菌細胞膜通過靜電相互作用造成細菌細胞膜結(jié)構(gòu)被破壞形成離子通道，從而改變細胞內(nèi)外滲透壓，引起細胞內(nèi)鉀離子大量外流，三磷酸腺苷（ATP）含量極速降低，繼而致使細菌死亡[8，9]。在形成離子通道的過程中，抗菌肽獨特的分子結(jié)構(gòu)占據(jù)優(yōu)勢。首先，在水相和質(zhì)膜交界面上，抗菌肽分子通過α-螺旋雙親性蛋白所帶正電荷與細菌細胞膜磷脂分子所帶負電荷之間的相互靜電吸引而固定在細胞膜上；其次，抗菌肽分子借助于連接結(jié)構(gòu)的柔性將羧基疏水端插入細胞膜中；最后，抗菌肽分子把氨基端的雙親性α-螺旋也插入細胞膜內(nèi)，通過膜內(nèi)分子間移動使抗菌肽分子聚集在一起并形成離子通道，細菌膜電化學勢喪失，因不能維持正常的滲透壓而導致細菌死亡。Friedrich等通過對細胞膜的穿孔機制和殺菌動力進行研究，發(fā)現(xiàn)在當有90%以上的細菌被殺死后，膜孔的形成仍不完全，因此認為細胞膜滲透性增加不是唯一的作用機制。

綜上所述，抗菌肽抗菌作用的靶位是細菌細胞膜，抗菌作用的結(jié)果是導致細菌細胞膜通透性增大等基本內(nèi)容是確切無疑的。另外，人們發(fā)現(xiàn)抗菌肽還可通過抑制細胞呼吸、細胞外膜蛋白的合成、細胞壁的形成等機制來殺菌。因此，抗菌肽的作用機制還需做進一步深入研究。

3 抗菌肽的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 臨床上的應(yīng)用

目前,一些抗菌肽已進入臨床試驗。用于抗幽門螺桿菌型胃潰瘍的乳鏈菌肽和治療口腔潰瘍的源于豬protegrin的IB-367已在Ⅰ期臨床試驗中獲得成功，IB-367治療囊性纖維化患者的銅綠假單胞菌致慢性肺感染的Ⅰ期臨床試驗已經(jīng)啟動[10]。昆蟲抗菌肽在新藥開發(fā)中展現(xiàn)出巨大的潛力，使其成為研究的熱點，隨著新型抗菌肽的不斷發(fā)現(xiàn)和人工合成抗菌肽的日趨完善，及相關(guān)研究的不斷深入，相信不久的將來，昆蟲抗菌肽將作為安全有效的新藥而應(yīng)用于臨床。

3.2 醫(yī)藥行業(yè)的應(yīng)用

細菌性疾病的防治是長期以來困擾人類的難題，特別是隨著青霉素等傳統(tǒng)抗生素的長期廣泛應(yīng)用，許多細菌都產(chǎn)生了明顯的耐藥性。因此，開發(fā)一種新的抗菌藥物已刻不容緩。遼寧省農(nóng)科院大連生物技術(shù)研究所用大腸桿菌接種滯育柞蠶蛹，誘導其體內(nèi)產(chǎn)生免疫血淋巴，其中含有抗菌肽等。然后干凍制成干粉（即柞蠶素），用于乙型肝炎的治療，臨床表現(xiàn)為癥狀消失，體重、體征及肝功能均有明顯改善。臨床觀察并未發(fā)現(xiàn)任何毒副作用[11]。

3.3 基因工程的應(yīng)用

鑒于抗菌肽具有分子量小、受熱穩(wěn)定、遇水易溶解、廣譜抗菌等特點，將抗菌肽基因?qū)雱游矬w內(nèi)來改造物種，獲得抗菌肽轉(zhuǎn)基因的動物可明顯地提高自身的抗病能力。1997年，Durvasula等將Cecropin A導入昆蟲紅獵蝽（Rhodnius prolixus）體內(nèi)，獲得轉(zhuǎn)基因的紅獵蝽體內(nèi)錐蟲數(shù)量銳減或消失。這為研究抗菌肽轉(zhuǎn)基因動物提供了新思路，即通過構(gòu)建轉(zhuǎn)基因新品種來阻斷疾病的傳播。

3.4 畜牧養(yǎng)殖業(yè)的應(yīng)用

禽類養(yǎng)殖一直是我國畜牧業(yè)生產(chǎn)的主體?？咕哪軌虼嫖桂B(yǎng)動物所用的抗生素，降低動物養(yǎng)殖中對藥物的依賴性。抗菌肽做為抗生素替代品和飼料添加劑在動物體內(nèi)使用具有一定的安全性。大量研究表明，抗菌肽對家禽生長和發(fā)育有促進作用。畜禽飼料中添加抗菌肽酵母制劑，對雛雞白痢有明顯地預防和治療效果，并能使肉雞的飼料轉(zhuǎn)化率和成活率分別提高3.6%和10.0%[12]。將5%的蠅蛆蛋白質(zhì)添加到肉仔雞飼料中，能使肉仔雞的日增重明顯提高[13]。Kogut M H等研究發(fā)現(xiàn)陽離子抗菌肽可以像抗生素的替代品一樣通過添加飼料中給雛雞提供免疫預防保護，對預防沙門氏菌感染的局部免疫起到調(diào)節(jié)作用[14]。Qiu Y H等從家蠅體內(nèi)提取的抗菌肽能很好地抑制金黃色葡萄球菌的繁殖。Linda等發(fā)現(xiàn)，內(nèi)源性抗菌肽對奶牛乳腺炎起多重作用，它們相互影響使抗菌肽對致病菌的殺菌活性提高，宿主細胞的活性得到激活。這些研究都證實蠅蛆抗菌肽既可以做為優(yōu)質(zhì)蛋白促進雞的生長性能，還可以作為抗生素替代品治療禽類疾病運用于養(yǎng)禽業(yè)，在動物體內(nèi)不會造成病原微生物的擴散，也沒有出現(xiàn)不良反應(yīng)，因此，我們研究的蠅蛆抗菌肽可以作為綠色抗生素和飼料添加劑使用。

4 昆蟲抗菌肽的研究展望

近年來由于抗生素的廣泛應(yīng)用，致使許多病原菌對它們產(chǎn)生了耐藥性，抗生素耐藥性現(xiàn)象日益嚴重，開發(fā)新型綠色抗生素也變得日益重要。昆蟲抗菌肽其相對分子質(zhì)量小、受熱穩(wěn)定、遇水易溶解、不易產(chǎn)生耐藥性、抗菌譜較廣、只作用于原核細胞和病變細胞而對正常細胞無任何毒害等優(yōu)點，在將來極有可能被設(shè)計出一類具有抗腫瘤細胞、病毒、真菌和高效抗細菌作用的新型昆蟲抗菌肽，為人們尋找新型抗菌藥物-綠色抗生素提供新的途徑，對解決細菌抗藥性、藥物殘留等問題帶來希望。新型、高效、低毒、廣譜的昆蟲抗菌肽將在臨床、醫(yī)藥和動物抗病、基因工程、畜牧養(yǎng)殖、生物飼料添加劑等領(lǐng)域正發(fā)揮著重要作用，具有廣闊的開發(fā)應(yīng)用前景。

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2015—05—13

國家自然科學基金資助項目（31060281）；兵團科技成果轉(zhuǎn)化及產(chǎn)業(yè)化引導計劃（2012BD056）

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：申紅（1970-），碩士生導師，副教授，從事動物生理生化研究；E-mail：shenhong98@163.com.