青霉素的发现使人们对由病原微生物感染而引发的各类疾病不再束手无策,并由此发展了大量的β-内酰胺类抗生素,对保护人类健康作出了巨大贡献。但随着上述“传统抗生素”的广泛使用,不断产生出诸多新问题。如β-内酰胺类抗生素的过敏反应以及长期使用导致抗药菌株的产生。于是人们开始寻找新一代抗菌剂。近期的研究发现,某些阳离子型多肽具有广谱的抗菌活性,同时具有“传统抗生素”无法比拟的优越性:不会诱导抗药菌株的产生,有希望成为新一代抗菌剂[1]。
抗菌肽(antimicrobial peptides)是具有抗菌活性短肽的总称。1975年瑞典科学家G.Boman等人[2]等从惜古比天蚕(Hyatophoracecropia)蛹中诱导分离得到一种杀菌肽,并将其命名为cecropin。此后,许多抗菌肽相继被分离、纯化。一些抗菌肽的氨基酸一级结构和基因序列得到确定。80年代,有关抗菌肽的研究主要集中在大型的经济昆虫。90年代以来,在继续对大型经济昆虫进行研究的同时,又扩展到一些小型昆虫和其它无脊椎及脊椎动物,抗菌肽已成为免疫学和分子生物学研究的热点。研究的内容包括:抗菌肽的分离与纯化,氨基酸序列的分析,蛋白质构型与功能的关系,抗菌肽的作用机理[3,4],应用基因工程克隆与表达抗菌肽基因,改造合成抗菌肽基因以及动植物的转抗菌肽基因工程等,其中昆虫抗菌肽基因工程研究最受重视[5,6]。目前已发现抗菌肽或类似抗菌肽的小分子肽类广泛存在于生物界,包括细菌、动植物和人类。这种内源性的抗菌肽经诱导而合成,在机体抵抗病原的入侵方面起着重要的作用,更被认为是缺乏特异性免疫功能生物的重要防御成分。抗菌肽具有广谱杀菌作用,大多数对革兰氏阳性菌有较强的杀灭作用,有些则对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌均起作用。对某些真菌、原生动物,尤其对耐药性细菌有杀灭作用,并能选择杀伤肿瘤细胞,抑制乙型肝炎病毒的复制。
1. 抗菌肽的分类
迄今为止从不同生物体内诱导的抗菌肽已不下200种,仅从昆虫体内分离获得的就多达170余种。根据抗菌肽的结构,可将其分为5类:(1)单链无半胱氨酸(Cys)的抗菌肽,或由无规则卷曲连接的两段а-螺旋组成的肽。该类包括天蚕素Cecropins, Magainins等。Magainins最初是从非洲爪蟾的皮肤中发现的,它是爪蟾的皮肤在一定的环境压力下分泌出的抗感染和促进伤口愈合的成分,由两个紧密相连的肽链组成,每一个肽链有23个氨基酸,低浓度便可抑制许多细菌和真菌生长[7]。(2)富含某些氨基酸残基但不含Cys的抗菌肽。如富含脯氨酸(Pro)或甘氨酸(Gly)残基的抗菌肽。如从猪肠内分离的抗菌肽PR39中Pro含量占49%[6]。鞘翅肽Coleoptericin和半翅肽Hemiptericin的全序中富含Gly[8]。(3)含一个二硫键的抗菌肽,该二硫键的位置通常在肽链C端。如爪蟾皮肤细胞中产生的Brevinins[9]。(4)有两个或两个以上二硫键,具有β 折叠结构的抗菌肽。如绿蝇防御素(Phormindefensin),分子内有6个Cys形成3个分子内二硫键,肽链C末段是带有拟β 转角的反向平行的β片层[10]。实验证明,分子中的二硫键在其抗菌作用中至关重要。(5)由其他已知功能较大的多肽衍生而来的具有抗菌活力的肽。
2. 抗菌肽的作用及机理
2.1抗菌肽的抗菌作用及其机理 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,接着其分子中的疏水段和两亲性α-螺旋也插入到质膜中,最终通过膜内分子间的相互位移,抗菌肽分子聚集形成离子性通道,使细菌失去了膜势而死亡[10-14]。但是,Gazit[15]等得出的实验结果表明,抗菌肽只是结合到了单位膜的表面上,并未插入膜中,更未形成通道。然而,抗菌肽的作用靶部位是细菌细胞质膜,以及抗菌肽的作用结果是导致细菌细胞质膜通透性增大等基本内容是确切无疑的,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 抗菌肽的抗病毒作用及其机理 研究发现烟芽夜蛾幼虾的血淋巴对6种DNA、RNA病毒有明显的抑制作用,使病毒感染力迅速降低,而且这种抗病毒活性具有广谱性。Mariam [16]试验表明来源于爪蟾的抗菌肽Magainins及其它Magainins类抗菌肽具有抗疱疹病毒-HSV的作用,还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,从而抑制减少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 抗菌肽的抗寄生虫作用及其机理 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、Chagas氏病、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H- OH+的通透性,破坏膜电势,质膜形态也受到损坏。Shahabuddin[17]研究发现昆虫抗菌肽对感染蚊子的疟原虫发育的不同时期有不同的作用,主要对疟原虫的卵囊期和子孢子期造成明显的损伤。
2.4 抗菌肽对肿瘤细胞作用及其机理 国内外已对抗菌肽杀伤肿瘤细胞的作用进行了广泛研究,发现抗菌肽对体外培养的癌细胞的作用主要是使癌细胞膜上形成孔洞,内容物外泄,线粒体出现空泡化,嵴脱落。核膜界限模糊不清,有的核膜破损,核染色体DNA断裂,并抑制染色体DNA的合成,细胞骨架也受到一定程度的损伤[18,19]。通过对荷瘤小鼠的研究证明,抗菌肽能显著抑制ECA腹水瘤荷瘤小鼠腹水的积累;对S180肉瘤和U14宫颈癌的抑瘤率亦达30%-50%[20]。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. 抗菌肽基因的融合表达
抗菌肽的天然产量低,合成或从机体中提取步骤复杂、产率低、价格相当昂贵,利用基因工程技术生产抗菌肽具有重要意义。抗菌肽所携带的碱性氨基酸使其对蛋白酶非常敏感,必须采用融合表达策略以抵消其碱性并降低其对宿主细胞的毒性。
谢维等合成了家蚕抗菌肽CMIV基因,并将其克隆到金黄色葡萄球菌A蛋白和IgG亲合的结构域ZZ的融合表达载体中,得到Pezz318-CMIVV质粒,以此质粒转化E.coliHB101,得到ZZ-CMIV融合表达的蛋白,用CBr切割后,得到CMIV肽。李秀兰等[21]对天然抗菌肽CMIV的氨基酸序列作了50%的改动,根据E.coli偏爱的密码子人工合成了肽基因片断,重组到测序载体,再将此片断重组到表达载体Pet28上进行表达,融合蛋白经CNBr裂解后,具有与天然抗菌肽相同的生物活性。吴映雅等将柞蚕抗菌肽Ｄ基因连接在牛成纤维细胞生长因子cDNA的上游,在酵母中成功地得到了表达,表达产物具有抗菌活性和牛成纤维细胞生长因子的抗原性。Kevin等[22]HNP(human neutro philpeptide 1)和CEME(synthet iccecropin/melittinhybrid)分别与GST(glutathione-S-trans ferase)、ORRF、IgG结合序列及SPA(staphylococcal protein A)在E.coli或S.aureus中融合表达,结果在S.aureus中虽实现了与SPA的融合分泌表达,但表达产量较低;Zhang等[23]选择RepA蛋白的序列作为抗菌肽的融合表达伴侣,并插入Histag等序列作为纯化亲和位点,实现了在E.coli中的融合表达。Christsnen B等研究中得到的融合抗菌肽的抗菌活性比其任何一个供体抗菌肽的活性都高。
4. 抗菌肽转基因研究
王志兴等把大麦α-淀粉酶的信号肽序列和抗菌肽Cecropin B基因或Hhiva A基因构成嵌合基因,并把此基因导入马铃薯,结果加信号肽序列的Cecropin B转基因植株发青枯病延迟,病情指数降低。Yarus等[24]用显微注射法将牛气管抗菌肽基因转入小鼠,转基因鼠在牛气管抗菌肽基因控制序列的驱动下成功的表达了牛气管抗菌肽,在鼠乳中的牛气管抗菌肽对大肠杆菌具有抗菌活性。Reed等研究了以IL-2启动子/增强子控制转基因鼠中抗菌肽的合成及随后对布氏杆菌的抑制作用。Reed[25]构建了这样一个DNA片断:Shivala片断,SV40多腺苷酸化/剪切信号肽基因片断,此片断加到鼠IL-2基因5’侧-593─+110区域。在受精卵精前核时将此融合基因注入受精卵(微注射法),得到26系小鼠。RT-PCR检测:有两系转基因鼠,当其脾淋巴细胞置于3.25mg/kg的conA(刀豆蛋白,一种抗原诱导物)时,可以诱导产生成熟的Shivalam RNA。用一定量的布氏杆菌接种时,有两系小鼠遭到攻击。四星期后,在转基因鼠脾脏组织布氏杆菌比非转基因鼠少得多(P<0.05)。David Winder等[26]把编码Ceropin或Melittin的基因放置在MLV(鼠白血病病毒)的启动子下,转染到EJ细胞(人膀胱癌细胞),然后把这些细胞注入到裸鼠内,发现这些肿瘤细胞停止生长或生长减弱David Winder等用PCR扩增,Prepromelittin(PPM前蜂毒素原),Premelittin(PM前蜂毒素)和Prececroppin(PC前抗菌肽)三种核酸片断,均置于MLV启动子下构建融合基因转染进EJ细胞。三种类型的EJ细胞分别注入裸鼠后,测定50d后的肿瘤生长情况,无抗菌肽基因片断的EJ细胞(对照组)致瘤率为70%,带Cecropin基因片断的EJ细胞致瘤率只有39%,PPM为50%,PM为65%,其抑制肿瘤的效果明显。
5. 抗菌肽的应用前景
目前,大部分植物抗菌肽是从植物种子中分离获得的,它们可以保护植物组织和种子不受真菌病原菌的侵害,但是植物抗菌肽对大部分细菌无抑制活性。因此,依靠基因工程的方法用其它真核生物的抗菌肽基因来转化农作物,培育抗病新品种是当前国内外研究的一个热点。
动物抗菌肽和干扰素、补体一样是机体非特异性天然防御系统的重要组成部分。机体受损伤或病原微生物入侵时,能迅速产生抗菌肽来杀伤入侵者,它对正常真核细胞几乎没有作用。另外,因为抗菌肽的合成速度非常快(假定核糖体上肽键合成速率不变,抗菌肽的产生比ＩｇＭ要快100多倍),［27］而且小肽的扩散比大的蛋白质和免疫细胞更加迅速,作用更显灵活,所以Boman曾指出,抗菌肽是机体的一种理想的一线防御物。与普通抗生素相比,抗菌肽的“抗菌谱”更广,除了抗细菌外,有的抗菌肽还能作用于真菌、原虫、有包膜的病毒及癌细胞(对癌细胞的选择性作用可能与其细胞骨架的改变有关),同时能加速免疫和伤口愈合过程。这预示抗菌肽在治疗及预防癌症和抗病毒、抗感染等方面具有良好的应用前景。更为重要的是,由于抗生素的滥用导致菌株产生了抗性,人们需要寻找新的抗菌药剂。抗菌肽这种从生物体中获得的物质恰巧具有独特的抗菌机理,不是像一般的抗生素那样通过阻断生物大分子的生物合成来发挥作用,因而极有希望开发成为一类新型的广谱高效抗菌药物。
随着研究工作的进一步深入,可以预见,抗菌肽及其基因工程在医药、卫生、食品工业及农业等方面将会发挥更为重要的作用。另外,有些抗菌肽分子中含有D-氨基酸,这也为研究D-氨基酸如何在核糖体上合成多肽提供了一个理想的模式体系。
6. 研究展望及存在问题
抗菌肽是哺乳动物防御系统的一个重要组成部分,具有热稳定、水溶性好、广谱杀菌甚至有的能杀真菌、原虫等优点,而且许多抗菌肽在100℃加热10min条件下仍能保持一定活力,且对较大的离子强度和较低或较高的ｐＨ都有较强的抗性,而对真核细胞几乎无作用,仅作用于原核细胞和发生病变的真核细胞,并且与抗生素通过阻断大分子生物合成的作用机制完全不同,病源菌不易对其产生耐药性,由此显示了它具有独特的研究和应用价值。近20年来,人们对昆虫抗菌肽已进行了比较系统的理论和应用研究,但有关畜禽抗菌肽基因工程应用研究方面的报道较少。从哺乳动物抗菌肽特有的性质,显示了它具有以下几个方面在畜牧生产上的研究和应用前景。研究展望及存在问题
6.1 药用前景 随着传统抗生素的广泛及长期的应用,许多病源菌对它们产生了耐药性,而具有广谱抗菌且有独特的抗菌机制的抗菌肽显然在这方面的应用研究中具明显优势。随着对抗菌肽结构与活性的关系、抗菌肽作用机制及其基因表达调控机制认识的不断深化,设计一种高效的、有利于人类健康的抗菌肽作抗生素替代品是完全可行的。
6.2转基因研究及应用 仔猪腹泻、奶牛乳房炎及各种病毒性疾病如猪瘟、鸡新城疫等一直是棘手的疾病,不利于畜牧业的发展。借鉴已成功的昆虫抗菌肽转基因工程,如转基因蚊子、转基因马铃薯、转基因水稻等,把特异的抗菌肽基因转入畜禽特定细胞让其表达,从而产生抗病新品种,不失为一条发展畜牧生产的新思路,前景深远。
6.3抗菌肽基因表达调控及抗菌肽添加剂研究 研究表明,［28］抗生素添加剂的使用严重破坏了动物肠道的微生物平衡,并易在动物体内残留,严重影响了畜产品的品质和人类的健康。用基因工程方法生产环保型抗菌肽添加剂,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素化值得进一步研究。
然而,由于抗菌肽分子小,分离提纯存在一定的困难,故天然资源有限。化学合成和基因工程法获得抗菌肽是主要手段,但化学合成抗菌肽成本高,而通过基因工程在微生物中直接表达抗菌肽基因,则可能对宿主有害而不能获取表达产物。所以,对抗菌肽的结构、构效关系及作用机理还需进一步研究。
7. 结束语
抗菌肽是生物体对外界病原物质侵染而产生的一系列免疫应答反应产物,它的出现为人们寻找理想的抗菌药物提供新的领域,尤其是当今许多抗生素产生了耐药性,因此抗菌肽具有巨大的应用潜力。基因工程技术的发展,极大的促进了抗菌肽的研究和开发,通过抗菌肽基因的克隆与表达而大量生产成为可能。虽然抗菌肽目前还不能直接应用于养殖业,但抗菌肽独特的作用机理不易产生耐药性的特性将吸引科研工作的不断深入,可以相信抗菌肽将在动物养殖和提高畜产品品质方面发挥重要作用。
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