抗菌肽的作用機理及應用前景

楊陽,孫紅瑜,金光耀,楊嬌

(黑龍江省野生動物研究所,哈爾濱 150081)

抗菌肽(Antibacterial peptide,ABP)是天然免疫的重要介質,是生物機體在抵御病原微生物的防御反應過程中所產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、抗真菌、抗病毒和抑制或殺傷腫瘤細胞等作用。抗菌肽作為一種非特異性免疫分子,對正常的細胞沒有損害,具有不同于抗生素的全新抗菌機制,不易產生耐藥性,在生物學、醫學和農業上具有獨特的研究和應用價值。近10年中,抗菌肽的開發和應用已成為研究的熱點,在動植物轉基因工程、藥物開發、畜牧業等領域具有廣闊的應用前景。下面就抗菌肽的來源性質、作用機理、應用及發展前景做一綜述。

1 抗菌肽來源、分類與理化性質

1972年瑞典科學家Boman HG等利用E.coli誘導惜古比天蠶(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、細菌、真菌、病毒、兩棲動物、甲殼動物、軟體動物、魚類、鳥類、植物、哺乳動物等生物體內發現并分離2000多種具有抗菌活性的多肽[1]。

盡管抗菌肽結構各異,在長度上千差萬別,但是幾乎所有的抗菌肽在本質上都具有一些共性[2]?？咕囊话阌?2～50個氨基酸組成,分子量多不足25～30KD,絕大多數抗菌肽都是陽離子型,通常帶有2～7個正電荷,其等電點大于7。抗菌肽對熱穩定,許多抗菌肽在100℃加熱10min還能保持一定活力。抗菌肽對較大的離子強度和較低或較高的pH值都有較強的抗性。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、無免疫原性等特點。

根據抗菌肽主要組成成分和三級結構,將其分為四類[4]:含有a-螺旋結構的線性抗菌肽;含有2～3個二硫鍵的β-折疊抗菌肽;富含1～2種特殊氨基酸的抗菌肽;具有袢狀結構的抗菌肽。

2 抗菌肽的生物活性及作用機制

2.1 抗菌活性及其作用機理

抗菌肽對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抗生素所無法比擬的,并且抗菌肽與傳統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同抗微生物作用[5]。

抗菌肽分子可以在細菌細胞質膜上穿孔而形成離子孔道,造成細菌細胞膜結構破壞引起胞內水溶性物質大量滲出,而最終導致細菌死亡?？咕姆肿邮紫冉Y合在質膜上,抗菌肽分子中的疏水端和兩親性a-螺旋插入質膜中,多個肽分子共同作用形成離子性通道,使細菌失去了膜勢而死亡。這一過程得到了大多數學者的公認。但是,也有學者認為抗菌肽作用于膜蛋白,引起蛋白質凝集失活,細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。無論何種學說,抗菌肽的作用結果是導致細菌細胞質膜通透性增大而導致細菌死亡的[6],這也正是抗菌肽與青霉素等傳統抗生素對細菌作用機制不同的本質所在。

2.2 抗病毒活性及作用機制

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二硫鍵的完整性有關,另外還受接種時間、pH值、溫度以及培養液的成分的影響[7]。抗菌肽可以影響從核酸復制到病毒顆粒包裝的全過程,還能對病毒粒子的組合起干擾作用。研究發現人的嗜中性粒細胞防御素(HNP-1)對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,從而減少HIV-1的增殖,這表明抗菌肽對于當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理

目前已發現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。真菌屬真核細胞,具有真正的細胞核,有甲殼質或纖維素構成的細胞壁結構。從有些抗菌肽分子同時具有抗細菌和真菌兩種功能來看,抗菌肽與質膜的作用是抗菌肽殺菌作用一個重要的因素。抗菌肽抗真菌能力與真菌的屬、種和孢子的狀態等有關[6]。

2.4 抗寄生蟲活性及作用機理

抗菌肽可以有效地殺滅產生人類及動物寄生蟲病的寄生蟲,如瘧疾、萊什曼病等。目前發現一種合成的天蠶素-蜂毒素雜合體對萊什曼原鞭毛蟲有損傷作用,起作用的靶目標是細胞質膜,它可以快速降低HPOH+的通透性,破壞膜電勢,質膜形態也受到損壞[8]。Jaynes等(1989)以天然抗菌肽天蠶素B為藍本,人工合成一新抗菌肽,能夠殺死原蟲,抗菌肽作用于原蟲的膜,間接引起細胞的內部結構和細胞器的變化,干擾細胞的正常代謝過程。

2.5 對腫瘤細胞的活性及作用機理

研究發現抗菌肽對體外培養的癌細胞的作用主要是與胞膜結合,形成離子通道,出現孔洞,導致胞內容物外泄,細胞DNA斷裂。抗菌肽對細胞DNA的損傷是產生細胞毒作用的一個重要原因[6]。此外,抗菌肽還可以調動機體的免疫機能,從體液免疫方面來抵抗癌瘤的入侵。

3 應用前景

3.1 藥用開發

隨著抗生素耐藥性問題的日益嚴重,開發一種全新的藥物已經成為各國醫藥界的主攻目標。具有廣譜高效抗菌活性以及不同于抗生素的全新抗菌機制的抗菌肽在這方面的應用中具有明顯優勢。隨著新的抗菌肽的不斷發現和對抗菌肽作用機制及其基因表達調控機制認識的不斷深化,研究人員將有可能設計出在醫藥工業和農業上更加有效的抗菌肽,并進一步與現代實驗技術,特別是轉基因技術相結合,從而產生出驚人的實際效果。目前,研究人員通過多條途徑在動物或人體上對不同種類的抗菌肽進行了前臨床研究和臨床用評價。一些科研機構和生物科技公司聯合大的制藥公司在人體內進行了抗菌肽臨床應用研究。

3.2 畜牧業領域

飼料中抗生素的使用造成的動物腸道微生物失衡及藥物殘留問題嚴重影響了畜產品品質和人類健康,并且污染環境,隨著我國進入WTO,抗生素作為飼料添加劑必將嚴重影響我國畜禽產品在國際市場上的競爭力。應用無毒無公害的新型抗菌制劑替代抗生素作為飼料添加劑,己成為當前國內外飼料學科的一項重要內容。采用抗菌肽取代或部分取代目前喂養動物所用的抗生素,減少動物喂養之中對抗生素的依賴,減少抗生素通過食物鏈的傳播減少對人類的威脅;用基因工程方法生產的環保型抗菌肽飼料添加劑,或者通過日糧因素調控抗菌肽基因的表達而達到畜產品無抗生素化很好的解決了上述問題,這也是抗菌肽在畜牧業上最直接的應用。

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