抗菌肽的结构特点_作用机理及其应用前景

抗菌肽的发现为发展新型肽类抗生素提供了丰富的资 源， 其独特的作用方式使其有望解决传统抗生素长期使用 带来的细菌耐药性问题 ， 在 医 药 卫 生、农 业 生 产 、食 品 工 业 等领域都有广泛的 应 用 前 景 。随着 对 抗 菌 肽 的 作 用 机 理和 结构特点认识的深入， 人们除了利用生物化学方法从生物 体内分离出天然抗菌肽外， 还可以通过化学合成法在短时 间内获得大量的抗菌肽， 基因工程的发展为人们提供了一 个获得大量廉价抗菌肽的新途径。近年来， 越来越多的研究 倾向于用基因工程的办法获得重组抗菌肽。 １ 抗菌肽的生物活性与作用机制 １．１ 抗菌 肽 的 生 物 活 性 现 有 的绝 大 多 数 抗 菌 肽 都 具 有 抗 Ｇ＋、Ｇ! 细菌的活性， 有些抗菌肽还具有抗真菌、抗病毒、抗 肿瘤活性， 有些则偏好其中 １ 种， 如 ａｎｄｒｏｐｉｎ 和昆虫抗菌肽 偏好 于 杀 死 Ｇ＋细 菌 ； ａｐｏｄａｅｃｉｎ、ｄｒｏｓｏｃｉｎ 和 ｃｅｃｒｏｐｉｎ Ｐ１ 偏 好 于杀死 Ｇ! 细菌； ｄｒｏｓｏｍｙｃｉｎ 和植物抗菌肽偏好于杀死真菌。 某些抗菌肽具有体外抗病毒活性， 例如防御素能使单纯疱 疹病 毒（ ＨＳＶ） 、水 泡 性 口 膜 炎 病 毒（ ＶＳＶ） 、流 感 病 毒（ ＩＶ） 失 活； 鲎肽（ ｐｏｌｙｐｈｅｍｕｓｉｎｓ） 具有抗 ＶＳＶ、ＩＶ!Ａ 和人获得性免疫 缺陷综合症病毒（ ＨＩＶ） 的活性； 天蚕素具有抗 ＨＩＶ 活性。部 分抗菌肽具有抑制或者杀灭肿瘤作用， 如 ｍａｇａｉｎｉｎｓ 能溶解 造血肿瘤细胞和实体瘤细胞， 中国鲎肽能够抑制肿瘤细胞， 从欧洲林蛙（ Ｒａｎａｔｅｍｐｏｒａｉａ） 体内分离的 ｔｅｍｐｏｒｉｎ Ｌ（ 含有 １３ 个氨基酸残基） 能诱导肿瘤细胞坏死， 其他的抗菌肽如防御 素、天蚕素、乳铁蛋白 素 和 乳 铁 蛋 白 也 具 有抗 肿 瘤 活 性 。也 有 一 些 抗 菌 肽 如 蜜 蜂 的 蜂 毒 素（ ｍｅｌｉｔｔｉｎ） 、黄 蜂 毒 素（ ｓｃｏｒ－ ｐｉｏｎｓ） 、蝎 子 的 蝎 毒 素（ ｃｈａｒｙｂｄｏｔｏｘｉｎ） 等 对 正 常 人 体 细 胞 具 有溶血毒性［３－ ７］。 １．２ 抗菌 肽 的 作 用 机 制［２］ 人 们 对抗 菌 肽 的 作 用 机 理 有 多 种不同的看法。很多学 者认 为 ， 抗 菌 肽 通 过 与 细 胞 膜作 用 ， 使膜蛋白凝聚、失活， 形成离子通道， 引起膜通透性改变， 最 后导致细菌死亡， 即细 胞 膜 损 伤 机 理 。也有 人 认 为 ， 抗 菌 肽 是通过与细胞膜上存在的特异性受体及其他因子协同作用 而导致细菌死亡的， 即胞内损伤机理。图 １ 描述了抗菌肽的
抑制大分子合成， 钙离子相互作用
ＰＲ!３９
松散结构 猪
抑制 ＤＮＡ／ＲＮＡ／蛋白质合成
基金项目 作者简介
收稿日期
遵义医学院硕士科研启动基金资助项目（ Ｆ－ ２７６） 。 岳 昌 武（ １９７５－ ） ， 男 ， 河 南 洛 阳 人 ， 硕 士 ， 讲 师 ， 从 事 基 因 的 分子生物学研究。 ２００７! １０!１５
具有 α!ｈｅｌｉｘ、β!ｓｈｅｅｔ 和 ｓ!ｓ!ｂｒｉｄｇｅ 以及无规则结构等几种类
型， 这为设计新的抗菌肽提供了一定的依据。
表 １ 部分天然抗菌肽来源、结构及作用机制 Ｔａｂｌｅ １ Ｏｒ ｉｇｉｎ， ｓｔｒ ｕｃｔｕｒ ｅ ａｎｄ ａｃｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｓｏｍｅ ｎａｔｕｒ ａｌ
安徽农业科学， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｎｈｕｉ Ａｇｒｉ． Ｓｃｉ． ２００８， ３６（ ５） ： １７３６－ １７３９
责任编辑 金琼琼 责任校对 王 淼
抗菌肽的结构特点·作用机理及其应用前景
岳昌武， 莫宁萍， 刘坤祥， 凌 锌， 曾 霓 （ 遵义医学院中心实验室， 贵州遵义 ５６３０００）
摘要 抗菌肽是一种广泛存在于生物界的抵抗病原微生物入侵的重要防御分子， 是生物先天免疫的重要防御物质， 不仅具有广谱抗 菌活性和抗病毒、抗真菌、抗寄生虫及抗肿瘤等生物活性， 还具有随物种适应环境而产生的结构多样性以及区别于传统 抗 生素 杀菌 机理的独特性， 且不易产生耐药性， 是一类极具潜力的肽类抗生素。抗菌肽对靶细胞表现出选择性 ， 有助于设计出活性更高的新型肽 类 抗 生 素 。从 抗 菌 肽 的 作 用 机 制 、结 构 特 点 、新 型 抗 菌 肽 分 子 设 计 、抗 菌 肽 基 因 工 程 等 方 面 阐 述 了 抗 菌 肽 研 究 的 新 进 展 。 关键词 抗菌肽； 作用机制； 基因工程； 分子设计； 研究进展 中图分类号 Ｑ５１６ 文献标识码 Ａ 文章编号 ０５１７－ ６６１１（ ２００８） ０５－ ０１７３６－ ０４
活 性 。目 前 已 从 微 生 物 、植 物 、昆 虫 、节 肢 动 物 、两 栖 动 物 、哺
乳动物甚至人体内鉴定出上千种抗菌肽， 这类抗菌肽在合
成机制、氨基酸组成 和作 用 机 制 等 方 面 不 同 于传 统 的 微 生
物（ 包括细菌、真菌和链霉菌等） 产生的多肽类抗生素［１－３］。
抗菌 肽 的 作 用 与 其 ２ 级 结 构有 密 切 的 联 系（ 表 １） ［２］， 抗
ＬＬ!３７
α! 螺 旋
人类 破坏细胞膜稳定性， 离子外流
Ｂｕｆｏｒｉｎ ＩＩ 防御素
α!螺旋／松散 蟾蜍 结合核酸
β! 折 叠
哺乳类 离 子 外 流 、破 坏 细 胞 膜 ， 抑 制 大
分子合成
Ｐｒｏｔｅｇｒｉｎ
β! 折 叠
人类， 猪 穿透细胞膜
Ｐｏｌｙｐｈｅｍｕｓｉｎ β!折叠
马蹄蟹 穿透细胞膜
Ｉｎｄｏｌｉｃｉｄｉｎ 松散结构 牛
传统抗生素的大量使用造成耐药菌株不断产生， 使得
许多曾经高度有效的抗生素药物失效， 因此寻求新的抗生
素越来越重要。人们发现， 生物受到微生物感染后， 迅速、大
量产生具有抗菌活性的小分子多肽（ 即抗菌肽） 参与机体免
疫， 抗菌肽几乎是所有生命物种都有的重要免疫分子， 具有
广 谱 抗 菌 活 性 和 抗 病 毒 、抗 真 菌 、抗 寄 生 虫 及 抗 肿 瘤 等 生 物
ａｎｔｉｂａｃｔｅｒ ｉａｌ ｐｅｐｔｉｄｅｓ
结构特征
名称
Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 来源
作用机制
Ｎａｍｅ
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓ－ Ｏｒｉｇｉｎ
Ａｃｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
ｔｉｃｓ
Ｍａｇａｉｎｉｎ α!螺旋
蛙
穿透细菌细胞壁
Ｃｅｃｒｏｐｉｎ Ａ α!螺旋
丝蛾 破坏细胞膜稳定性
Ｍｅｌｌｉｔｉｎ
α! 螺 旋
蜜蜂 破坏细胞膜稳定性
表明， 具有 α#ｈｅｌｉｘ 结构的占抗菌肽总数的 １４．６３ ％， 具有 β 结构的占 ０．７６ ％， 同时具有 α#ｈｅｌｉｘ 和 β结 构 的 占 ２．２８ ％， 富含稀有氨基酸的抗菌肽占 １０．０７ ％， 而具有二硫桥的抗菌 肽占 ３２．３１ ％， 其余（ ３９．９２ ％） 为未知结构的抗菌肽。植物和 动物的内源性抗菌肽大多是由 １２～４５ 个氨基酸残基组成的 带正电荷的两亲性分子， 一般含有较多的赖氨酸残基和精 氨酸残基， 当放入极性溶液如三氟乙醇或阴离子膜溶液中 呈 α螺 旋 结 构（ 图 ２#Ｅ） ， 一 些 抗 菌 肽 通 过 分 子 间 的 二 硫 键 形成稳定的 β#折叠结构（ 图 ２#Ｃ） 或者 ｌｏｏｐ 结构（ 图 ２#Ｂ） ， 也 有一些抗菌肽富含脯氨酸、色氨酸或组氨酸残基， 形成不规 则结构（ 图 ２#Ｄ） 或松散结构（ 图 ２#Ｆ） ， 以及由上述几种结构 组 合 而 成 的 复 合 结 构（ 图 ２#Ａ） 。不 同 来 源 的 抗 菌 肽 序 列 具 有较强的保守性， 其 １ 级结构具有共同的相似性： 一端为 Ｎ 端， 富含亲水性的碱性氨基酸 残 基 加 赖 氨酸 、精 氨 酸 ； 另 一 端为富含疏水性氨基酸的 ｃ 端， ｃ 末端均酞胺化。碱性 带 正 电荷的部分有利于抗菌肽与细胞膜的相互作用， 使抗菌肽 易于吸附到细胞膜上， 疏水端有利于抗菌肽进入膜的脂质 双层和形成两性 α螺旋结构。抗菌肽的 ２ 级 结构 形 成 两 亲 螺旋， 属于碱性肽， 带正电荷， 水溶性好， 能耐高温， 有研究 表明， 抗菌肽的杀菌能力与螺旋的程度和所带电荷有关， 而 且多肽的 ｃ 末端酞胺化会增强杀菌能力。
图 １ 抗菌肽作用机制 Ｆｉｇ． １ Ａｃｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ａｎｔｉｂａｃｔｅｒ ｉａｌ ｐｅｐｔｉｄｅ
赞同胞内损伤机理的学者认为， 抗菌肽主要作用于胞 内， 积聚在膜外的抗菌肽首先必须穿过细胞膜， 因此形成了 一种独特的机制。这类抗菌肽通常富含脯氨酸或精氨酸， 类 似 于 穿膜 肽（ ＴＡＴ） ， 可 有 效 地 穿 越 细 胞 膜 。例 如 ， 线 性 α螺 旋的 ＢｕｆｏｒｉｎⅡ具有 １ 个脯氨酸铰链区， 它不改 变 膜 的 通 透 性， 但可以穿过质膜在胞浆内积累 。ｍａｇａｉｎｉｎ#２ 没有 穿 膜 功 能 ， 将 ＢｕｆｏｒｉｎⅡ脯 氨 酸铰 链 与 ｍａｇａｉｎｉｎ#２ 的 螺 旋 区 融 合 形 成的杂合肽能有效地穿过质膜在胞浆内积累。抗菌肽一旦 穿过质膜， 它可能通过结合 ＤＮＡ 阻断 ＤＮＡ 复制、抑制 ＲＮＡ 合成（ 图 １#Ｅ） 、影 响 或 阻 止 蛋 白 质 翻 译（ 图 １#Ｆ） ， 抑 制 正 常 蛋 白 质 折 叠 或 促 使 蛋 白 质 错 误 折 叠（ 图 １#Ｇ） ， 抑 制 与 隔 膜 形成相关的膜蛋白合成而抑制细菌隔膜形成， 干扰转糖基 作 用（ 图 １#Ｈ） ， 抑 制 肽 聚 糖 生 物 合 成 ， 阻 断 细 胞 壁 形 成（ 图 １#Ｉ） ， 阻断细菌吸收胸腺嘧啶、尿嘧啶、亮氨酸等方式影响细 胞正常生理活动， 了膜的
通透性， 导致膜去极化， 从 而 发 挥 抗 菌 作 用 。尽 管多 数 抗 菌
肽表现出很低的 １ 级结构同源性， 但对某些抗菌肽氨基酸
序列比对后发现， 在某些特定的位点， 不同来源的抗菌肽表
现出高度的一致性。从 ２ 级结构水平上看， 抗菌肽分子同时