抗菌肽的作用機制及其抗病毒活性

1、抗菌肽的作用機制及其抗病毒抗菌肽的作用機制及其抗病毒活性活性抗菌肽的作用機制及其抗病毒活性1、什么是抗菌肽2、 抗菌肽的來源3、抗菌肽的結構4、抗菌肽的作用機制5、抗菌肽的抗病毒活性6、抗菌肽對病毒的效價和副作用1 1、什么是抗菌肽、什么是抗菌肽抗菌肽（amps）是一類廣泛存在于自然界生物體中的小肽類物質，它是機體先天性免疫系統(tǒng)的重要組成部分。由于抗菌肽對細菌、真菌、寄生蟲、病毒、腫瘤細胞等有著廣泛的抑制作用，并且隨著越來越多的抗生素耐藥微生物的出現(xiàn)，使得抗菌肽在醫(yī)藥行業(yè)和食品添加劑等領域有良好的應用前景。本文綜合近年來抗菌肽的研究，概述了抗菌肽的來源、功能、作用機制和應用前景。 20世紀80

2、年代，由瑞典科學家boman研究小組用蠟狀芽孢桿菌(bacillus cereus)誘導惜古比天蠶(hyalophora cecropia)后產生了抗菌多肽類物質，隨后發(fā)現(xiàn)了第一個抗菌肽天蠶素(cecropins)。人們最初把這類具有抗菌活性的多肽稱為“antibacterial peptides”,原意為“抗細菌肽”；后來發(fā)現(xiàn)其有抗真菌等微生物的作用，便改稱為“antimicrobial peptides”,意為“抗微生物肽”。 抗菌肽是由基因編碼在核糖體內合成的多肽，不同種類的抗菌肽通常有共同的特點：短肽(3060個氨基酸),強陽離子性(等電點范圍為8.910.7),熱穩(wěn)定性好(100 ,

3、15 min)，分子質量約為4 ku，無藥物屏蔽且不影響真核細胞。當今，抗菌肽已經可以由原核生物到人類的大部分有機生物體中成功分離和分類?？咕耐ǔＷ饔糜诩毦?，在真核生物的天然免疫方面發(fā)揮著重要作用，被認為是古代進化中哺乳動物體內有效保留的免疫分子。2 2、抗菌肽的來源抗菌肽的來源抗菌肽根據(jù)其來源的不同通?？梢苑譃?大類，分別為來源于昆蟲、動物、微生物基因工程菌的抗菌肽以及人工合成的抗菌肽。迄今為止，已有1 500多種不同來源的抗菌肽被相繼報道。2 2.1 .1 來源于昆蟲的抗菌肽來源于昆蟲的抗菌肽1.cecropins：cecropins是在天蠶蛹的血淋巴中發(fā)現(xiàn)的，它是世界上第一個被發(fā)現(xiàn)的抗

4、菌肽。2. 防御素：防御素有富含半胱氨酸的陽離子結構，是具有3個或者4個二硫鍵的獨特結構的多肽。防御素已從哺乳動物、昆蟲和植物中分離出來，它們作為先天免疫效應分子，對病原體感染提供了最初的有效防御。 3. 富含甘氨酸的抗菌肽：迄今為止，許多抗菌肽已經在不同的昆蟲中被證實，如：肌毒素(creatoxin)、attacins、雙翅殺菌肽(diptericins)和鞘翅殺菌肽(coleoptericins)等。這些抗菌肽都富含14%22%的甘氨酸殘基，并且這些殘基對肽鏈的三級結構有重要影響。富含甘氨酸的抗菌肽家族通?？梢钥拐婢透锾m氏陰性細菌，以及通過破壞細胞膜來抗癌細胞。 4.富含脯氨酸的抗菌肽：

5、富含脯氨酸的抗菌肽是從哺乳動物和昆蟲體中分離出來的，主要是抗革蘭氏陰性細菌，包括某些植物半生細菌和一些人類病原體。2.2 2.2 來源于動物的抗菌肽來源于動物的抗菌肽抗菌肽起初是在無脊椎動物動物中發(fā)現(xiàn)的，隨后在脊椎動物中也有發(fā)現(xiàn)，這些肽顯示出多樣的序列結構和特異性的靶標?；蚓幋a的抗菌肽能夠在哺乳動物、兩棲動物、魚類、昆蟲等多種不同生物體的組織中表達。2.3 2.3 來源于微生物工程菌的抗菌肽來源于微生物工程菌的抗菌肽由于長期使用抗生素導致耐藥性菌株增多，人類需要尋找一種新型的抗菌劑?？咕挠兄鴱V譜抗菌活性，能快速殺死作用靶標，它最有希望成為傳統(tǒng)抗菌素的替代品。但是實際生產中應用抗菌肽還有一定

6、的問題，最主要是昂貴的生產成本限制了抗菌肽的應用。利用基因工程重組技術異源表達系統(tǒng)來生產抗菌肽是一種新模式。其中，大腸桿菌是生產抗菌肽良好的表達系統(tǒng)，但是這種小肽很難在這種高水平工程菌株中表達，特別是遇到毒肽類時，會對宿主菌有殺傷作用。最近有人開發(fā)利用甲基畢赤酵母表達系統(tǒng)來大規(guī)模表達不同來源的蛋白質，有良好的表達效果。2.4 2.4 來源于人工合成的抗菌肽來源于人工合成的抗菌肽近年來，隨著人們對抗菌肽研究的深入，科研人員嘗試人工合成抗菌肽，并在醫(yī)療應用方面取得了一定的成果。利用抗菌肽研制的藥物已進入市場，如：美國馬蓋寧制藥公司研發(fā)出來的馬蓋寧(magainin)藥物可殺死病毒和腫瘤細胞，柞蠶抗

7、菌肽能抑制乙型肝炎和殺滅腫瘤細胞，在醫(yī)藥上已制成腎肝寧膠囊治療腎炎及肝炎等。3 3、抗菌肽的結構、抗菌肽的結構抗菌肽依其結構可分為多種類型，其中cathelicidin和defensin為主要的類型；可將其分為5類：(1)單鏈無半胱氨酸殘基的-螺旋，或由無規(guī)卷曲連接的兩段-螺旋組成的肽；(2)富含某些氨基酸殘基但不含半胱氨酸殘基的抗菌肽；(3)含1個二硫鍵的抗菌多肽； (4)有2個或2個以上二硫鍵、具有-折疊結構的抗菌肽；(5)由其它已知功能的較大的多肽衍生而來的具有抗菌活性的肽。其中最早分離到的cecropins和從非洲爪蟾中分離到的magainins等屬于第一類抗菌肽，通常也將其稱為cec

8、ropin類抗菌肽，目前對此類抗菌肽的研究也較深入。4 4、抗菌肽的作用機制、抗菌肽的作用機制抗菌肽的確切作用機制目前還在深入研究中，研究人員提出多種理論假設來解釋抗菌肽抑制或殺滅微生物的過程。但是抗菌肽的抗菌機制研究只針對個別幾種抗菌肽，所以目前還沒有一個能夠涵蓋所有種類抗菌肽作用機理的假說，且不確定哪種假說更接近真實情況。4 4.1 .1 抗菌肽與細胞膜的相互作用抗菌肽與細胞膜的相互作用抗菌肽能夠與細胞膜表面相互作用，使膜的通透性改變。陽離子抗菌肽的正電荷區(qū)域與細胞膜上的負電荷區(qū)域相互作用，使抗菌肽分子的疏水端插入細胞膜的脂質膜中，進而改變脂質膜結構?？咕呐c細胞膜作用后形成跨膜電位，打破

9、酸堿平衡，影響滲透壓平衡，抑制呼吸作用，總之抗菌肽與膜的相互作用直接關系到抗菌肽的抗菌活性。 如圖所示，目前，常用的至少有4個模型來描述抗菌肽的作用機制。a為聚集體模型(aggregate channel)，即抗菌肽與細胞膜上的磷脂分子結合成復合物，一旦復合物崩潰，抗菌肽就進入到細胞內，細胞膜也因受到彎曲張力導致細胞死亡。 b為環(huán)孔模型(toroidal)，認為聚集的抗菌肽分子是垂直嵌入到細胞膜上，其疏水區(qū)的位移可以使細胞膜疏水中心形成裂口，引發(fā)磷脂單分子層向內彎曲，形成一個直徑為12 nm的環(huán)孔。 c為桶板模型(barrel-stave)，有研究人員指出結合于細胞膜表面的抗菌肽相互聚集，以多

10、聚體的形式插入細胞膜雙分子層中，因而形成一個跨膜離子通道。離子通道的形成使外界的水分子和離子等可以滲入到細胞內部，細胞質也可以外流。嚴重時細胞膜會崩裂導致細胞死亡。 d為地毯模型(carpet-like)，抗菌肽先是平行排列在細胞膜上，當數(shù)量達到一定程度時就像地毯一樣覆蓋在膜表面，以“去垢劑”的作用方式破壞細胞膜而引起細胞死亡。此模型中，地毯模型無需抗菌肽的特殊結構，也無需形成孔道，但抗菌肽的正電荷需要分布于多肽全長，且在整個過程中抗菌肽始終與脂質頭端作用而無多肽垂直重排過程。4.2 4.2 抗菌肽干擾靶標的能力抗菌肽干擾靶標的能力抗菌肽除了作用于細胞膜，還可以作用于細胞內的其他靶標。抗菌肽在

11、進入細胞之后，通過與細胞內靶標的特異性結合干擾細胞代謝，達到抑制和殺滅細菌的目的。此理論解釋了許多抗菌肽在非常低的濃度下仍然能夠導致細菌死亡的現(xiàn)象。 抗菌肽主要通過以下幾個方面在細胞內發(fā)揮作用：1)與細胞內的酸性物質結合，阻斷dna復制和rna合成；2)影響蛋白質的合成；3)抑制細胞壁的合成，阻礙細胞分裂；4)抑制細胞內酶活性等。5 5、抗菌肽的抗病毒活性、抗菌肽的抗病毒活性抗菌肽作為一種結構簡單但功能多樣、廣譜抗菌、抗病毒的分子,其作用機制也十分復雜,同一種分子可能有多種機制,但抗菌肽的抗病毒機制目前尚不清楚。多數(shù)抗菌肽對包膜病毒的滅活作用高于無包膜病毒,這似乎提示抗菌肽通過作用于病毒外殼和

12、核殼體之間的磷脂被膜來影響其活性。 抗菌肽對磷脂被膜的影響在細菌上取得了一定進展,殺菌肽a結合到大腸桿菌(escherichiacoli)膜上以后,在電子顯微鏡下可以觀察到殺菌肽a在大腸桿菌的膜上形成一個直徑9.6 nm的病灶和直徑4.2 nm的孔洞,并導致細胞內容物外流。但各種包膜病毒對抗菌肽hnp-1的敏感性相差1 000倍,似乎又說明抗菌肽的作用不完全取決于病毒的包膜。 另外,病毒包膜來自于宿主細胞的質膜,而宿主(真核生物)的質膜對抗菌肽具有很強的抵抗力,病毒對抗菌肽的敏感性可能是因為病毒包膜上存在的病毒蛋白或外源性磷脂酰絲氨酸改變了其性質,同時也不能排除抗菌肽與病毒外殼蛋白的直接作用。

13、 此外,在對dermaseptin s4、defensins和apolipopro-teins的研究表明,抗菌肽對病毒的作用發(fā)生在病毒粒子與宿主細胞融合之前,可能是由于抗菌肽與病毒細胞表面的磷脂結合,從而阻止病毒粒子與宿主細胞的融合。另一種推測是抗菌肽與病毒表面起接觸融合作用的糖蛋白或宿主細胞表面的硫酸乙酰肝素葡糖胺聚糖(hs)結合,從而阻止病毒粒子與宿主細胞的融合。 抗菌肽抑制病毒的另一種可能機制是抑制病毒基因的表達。wachinger等用hiv-1體外感染t細胞和成纖維細胞,然后用蜂毒素在亞毒性濃度下處理細胞,結果顯示,hiv-1的基因mrna和hiv長末端重復序列(hiv ltr)的轉錄

14、活性被抑制。表明這類抗菌肽不是通過降解細胞質膜或病毒被膜來顯示抗病毒活性的。 蜂毒素和天蠶素僅降低hiv基因表達水平,而不影響宿主細胞的看家基因pbgd的表達以及sv40早期啟動子的轉錄活性。這表明蜂毒素可以選擇性地抑制hiv基因的表達。作為膜活性肽,蜂毒素可以通過多種渠道影響細胞跨膜信號轉導過程,如激活磷脂酶a2、降低鈣調蛋白和蛋白激酶c的活性,進而改變hiv轉錄刺激因子的活性和平衡,或引發(fā)類似干擾素對hiv的抑制機制。 另外,蜂毒素還可能參與hiv基因轉錄后的調控,因為在wachinger等4的試驗中,較大和中等分子mrna的量遠小于小分子mrna的量?？咕倪€可能通過模擬病毒的侵染過程發(fā)

15、揮作用,如蜂毒素及其類似物的結構與煙草花葉病毒衣殼蛋白的部分氨基酸序列有較高的相似性,而這部分序列在病毒顆粒組裝中與rna和蛋白質結合密切相關,這使得蜂毒蛋白分子可以與病毒包被蛋白在與rna結合過程中競爭,導致與其結合的rna構象的改變,從而不能與正常蛋白質結合,病毒顆粒無法正常組裝。6 6、抗菌肽對病毒的效價和副作用、抗菌肽對病毒的效價和副作用抗菌肽的功能是多方面的,在我們所需的功能方面不一定有最理想的效價,還可能有細胞毒性等副作用,這需要對分子進行適當?shù)男揎椧蕴岣咂湫r、降低或消除副作用。蜂毒素有2個規(guī)則的雙螺旋,分別由211殘基和1326殘基組成。殘基11、12將2個螺旋交聯(lián)在一起。 如果用能加強雙螺旋功能的氨基酸取代原有氨基酸,如用ala取代pro,肽的活性則被加強了。如果組成雙螺旋區(qū)域的殘基缺失,它的