抗菌肽的概念和應用介紹

一、概述
抗菌肽是生物體內經誘導產生的一種具有生物活性的小分子多肽，分子量在2000～7000左右，由20～60個氨基酸殘基組成。這類活性多肽多數具有強堿性、熱穩定性以及廣譜抗菌等特點。世界上第一個被發現的抗菌隊是1980年由瑞典科學家G.Boman等人經注射陰溝通桿菌及大腸桿菌誘導惜古比天蠶蛹產生的具有抗菌活性的多肽，定名為Cecropins。此后數年間，人們相繼從細菌、真菌、兩棲類、昆蟲、高等植物、哺乳動物乃至人類中發現并分離獲得具有抗菌活性的多肽。由于最初人們發現這類活性多肽對細菌具有廣譜高效殺菌活性，因而命名為“antibactetialpepiides，ABP”，中文譯為抗菌肽，其原意為抗細菌肽。隨著人們研究工作的深入開展，發現某些抗細菌肽對部分真菌、原蟲、病毒及癌細胞等均具有強有力的殺傷作用，因而對這類活性多肽的命名許多學者傾向于稱之為”peptideantibiotics”一多肽抗生素。
二、抗菌肽的理化性質、作用機理和作用范圍
天然抗菌肽通常是由30多個氨基酸殘基組成的堿性小分子多肽，水溶性好，分子量大約為4000道爾頓左右。大部分抗菌肽具有熱穩定性，在l00℃下加熱10～15min仍能保持其活性。多數抗菌肽的等電點大于7，表現出較強的陽離子特征。同時，抗菌肽對較大的離子強度和較高或較低的pH值均具有較強的抗性。此外，部分抗菌肽尚具備抵抗胰蛋白酶或胃蛋白酶水解的能力。
抗菌肽功能從目前的研究結果來看，一般認為抗菌肽殺菌機理主要是作用于細菌的細胞膜，破壞其完整性并產生穿孔現象，造成細胞內容物溢出胞外而死亡。首先由靜電吸引而附于細菌膜表面，疏水性的C端插入膜內疏水區并改變膜的構象，多個抗菌肽在膜上形成離子通道而導致某些離子的逸出而死亡。亦有學者認為抗菌肽作用于膜蛋白引起凝聚、失活及離子通道，引起膜滲透性改變而導致死亡，亦有學者提出抗菌肽是否存在特異性的膜受休及有無其它因子的協同作用等問題。不同類別的抗菌肽的作用機理可能不一樣。
抗菌肽多數具有強堿性、熱穩定性以及廣譜抗菌等特點。某些抗菌肽對部分真菌、原蟲、病毒及癌細胞等均具有強有力的殺傷作用。
1.抗菌肽對細菌的殺傷作用
　抗菌肽對革蘭氏陰性及陽性細菌均有高效廣譜的殺傷作用。國內外已報道至少有113種以上的不同細菌均能被抗菌肽所殺滅。
2．抗菌肽對真菌的殺傷作用
　最先發現具有抗真菌作用的抗菌肽是從兩棲動物蛙的皮膚中分離到的蛙皮素（Magainins），它不僅作用于C+、C-，對真菌及原蟲亦有殺傷作用。Defensins是一種動物細胞內源性殺菌多肽，是從吞噬細胞中分離出來的，具有很寬的抗菌譜，對G+的殺傷作用大于對G-的殺傷作用，它也作用于真菌和部分真核細胞。CecropinA及其類似物如天蠶素——蜂毒素雜合肽對感染昆蟲的真菌具有一定的殺傷作用。
3．抗菌肽對原蟲的殺傷作用
　抗菌肽Magainins對原蟲有殺傷作用。實驗證明抗菌肽可以殺死草履蟲、變形蟲和四膜蟲。柞蠶抗菌肽D對陰道毛滴蟲亦有殺傷作用。
4.抗菌肽對病毒的殺傷作用
Melitiin和Cecropins在亞毒性濃度下通過阻遏基因表達來抑制HIV-1病毒的增殖。Magainin-2及合成肽Modelin1和Moderln－5對皰疹病毒HSV－1和HSV－2有一定的抑制效果。這些肽對病毒被膜直接起作用，而不是抑制病毒DNA的復制或基因表達。
5．抗菌肽對癌細胞的殺傷作用
抗菌肽對正常哺乳動物細胞及昆蟲細胞無不良影響，但對癌細胞株則有明顯殺傷作用。這種選擇性機理可能與細胞骨架有關。已有有關抗菌肽對宮頸癌細胞、直腸癌細胞及肝癌細胞的殺傷作用與劑量相關的效應的報道。
三、抗菌肽的發展現狀
迄今為止，從不同的生物體內誘導分離獲得的抗菌肽已不下200多種，僅從昆蟲中分離獲得的就多達170余種。人們根據抗菌肽的來源及結構性質進行了分類。根據抗菌肽的結構，可將其分為5類
1．具有螺旋結構的線性多肽cecropins是第一個被發現的動物抗菌肽，1980年，由Boman等從美國天蠶蛹中分離得到。該類多肽抗生素一般含有37～39個氨基酸殘基，不含半胱氨酸，其N端區域具有強堿性，可形成近乎完美的雙親螺旋結構，而在C端區域可形成疏水螺旋，兩者之間有甘氨酸和脯氨酸形成的鉸鏈區，多數多肽的C端被酰胺化，酰胺化對其抗菌活性具有重要作用。此后，人們相繼從家蠶、柞蠶、果蠅、麻蠅中分離到了cecropins類抗菌肽。1989年，Lee等人從豬小腸中分高到了cecropinP1，說明了cecropins可能在動物中廣泛存在。cecropins對革蘭陽性菌、陰性菌部具有很強的殺傷力，而對真菌和真核細胞沒有毒性。目前cecropins已被人工合成并已商品化。
magainins也是較早發現的一類具有雙親螺旋結構的抗菌肽。最初是從蟾蜍的皮膚中分離得到的，后來在哺乳動物的神經組織和腸組織中發現了其類似物。magainins對革蘭陽性菌、陰性菌、真菌、原生動物都有殺傷作用，但是對革蘭陰性菌的活性比cecropins要低10倍左右。
此外，從一些動物的再生性器官和兩棲類的多種組織器官中分離得到了一些具有螺旋結構的多肽，如來源于南美蛙的dermaseptin和來源于樹蛙的bombininh。
2．富含某種氨基酸的線性多肽apidaecins是從蜜蜂中分離得到的富含脯氨酸的多肽抗生素，一般含有16～18個氨基酸殘基，其中脯氨酸含量高達33％，精氨酸含量可達17％。apidaecins對某些革蘭陰性菌具有很強的活性，而對革蘭陽性菌不起作用。apidaecins對某些革蘭陰性的植物病原菌和腸桿菌科的致病菌的高殺傷力，使其在植物抗細菌病基因工程和食品工業中有著很好的應用前景。
drosocin是來源于果蠅的一種富含脯氨酸的抗菌肽，在結構上與apidaecins具有一定的相似性，但是在其11位的蘇氨酸羥基上連接著一個O－二糖鏈（－N－乙酰半乳糖胺－半乳糖。）
coleoptericin和hemiptericin分別來源于鞘翅目和半翅目昆蟲，一級結構中富含甘氨酸，分子量一般較大。Oppenheim等人從人的腮腺和下頜腺分泌物中分離得到了一組富含組氨酸的抗菌肽，長度在7～38個氨基酸殘基不等，被稱為histatins。對于引起口腔感染的多種微生物具有活性。indolicidin是來源于牛中性粒細胞的多肽抗生素，因其13個氨基酸中含有5個色氨酸而得名。其C端是酰胺化的。對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌都具有很強的殺菌活性。
3．含有一個二硫鍵的多肽這是一類數量很少的抗菌肽，第1個被發現的這類多肽是bactenecin，來源于牛中性粒細胞。其12個氨基酸中含有4個精氨酸，在其第2位和第11位氨基酸殘基間形成二硫鍵。bactenecin對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌都有活性。這類多肽中還包括一些來源于蛙類皮膚的多肽抗生素，一般在C端有一個由7個氨基酸形成的“loop”和一個長的N端“尾巴”，如brevinin-1,brevinin-2。
4．含有兩個或兩個以上二硫鍵的多肽這類多肽的典型代表是defensins，最初發現的α－defensins來源于哺乳動物的組織中，一般含有29～34個氨基酸殘基，其中6個保守的半胱氨酸形成3個分子內二硫鍵，此外，其第6位和第15位的精氨酸，第24位的甘氨酸也是保守的。α－defensins可形成3層的β片層結構，通過3個二硫鍵和Arg-6與Glu-24之間的鹽橋而被穩定。目前，defensins已被合成并已商品化。defensins對多種細菌和某些真菌具有殺傷作用，并且對真核細胞有一定的毒性。defensins對革蘭陽性菌的活性比革蘭陰性菌強。defenssins的活性比cecropins弱，并且通常在低離子強度下起作用。β－defensins比α－defensins大一些，一般含有38～42個氨基酸殘基。都含有3個二硫鍵和4～8個精氨酸。昆蟲defensins在C末端與α－defensins相似，但是只有兩個β片層結構，中間有一段α螺旋起穩定作用，主要對革蘭陽性菌起作用，而對真菌沒有作用。植物defensins一般有45～54個氨基酸殘基，可形成4個二硫鍵，3個β片層結構和一個α螺旋結構。植物defensins一般只對真菌起作用而對細菌沒有作用。不同植物defensins對真菌的抗菌譜不同。thionins也是一類來源于植物的多肽抗生素，含有45～47個氨基酸殘基，有6個或8個半胱氨酸形成的3個或4個二硫鍵。其二級結構可形成2個反平行的α螺旋結構和2個反平行的β片層結構。thionins抑制多種植物致病細菌和真菌，但是對假單胞菌屬和歐文氏菌屬的細菌不起作用。
5．羊毛硫抗生素羊毛硫抗生素（1antibiotics）是指一些由細菌產生的，由基因編碼在核糖體中合成，經翻譯后加工而含有一些特殊有機基團的多肽抗生素。其中研究最廣泛的是nisin。它是來源于乳酸菌的一種抗菌肽，成熟多肽由34個氨基酸組成，含有羊毛硫氨酸、甲基羊毛硫氨酸等特殊基因。主要對革蘭陽性菌起作用，而對革蘭陰性菌不起作用，已被廣泛應用作食品保鮮劑。nisin及其類似物在醫藥上的應用研究也正在進行。
四、抗菌肽在醫藥工業的應用及前景
目前，所有的常規抗生素都出現了相應的抗藥性致病株系，致病菌的抗藥性問題已經日益嚴重地威脅著人們的健康。尋找全新類型的抗生素是解決抗藥性問題的一條有效途徑。抗菌肽因為抗菌活性高，抗菌譜廣，種類多，可供選擇的范圍廣，靶菌株不易產生抗性突變等原因，而被認為將會在醫藥工業上有著廣闊的應用前景。目前，已有多種多肽抗生素正在進行臨床前的可行性研究，其中magainins已經進入三期臨床試驗階段。一些多肽抗生素在醫藥研究中的進展情況。
CompanyPeptideClinicalindicationStageofdevelopment
MagaininPharmaceuticalMSI-78ImpetigoAbandonedafterphaseⅢ（1997）
MSI-78TopicaltreatmentofdiabeticfootulcersphaseⅢ（1997）
AppliedMicrobiology/Astra/MerckNisin(lantibioticGastricHelicobacterinfection/ulcersEarlyclinicaltrails(1997);PhaseI(1998)
AppliedMicrobiology/Nippon/ShojiNisinvariantsVancomycin-resistantenterococci(parenteral)Preclinicalresearch(1997)
MicrologixBiotechMBI-11CN+Gram-positiveinfectionPreclinicalresearch(1997)
MBI-20series(α－helical)Gram-negativeinfection;enhancersofconventionalantibioticsResearchanddevelopment（1997）
IntrabioticsIB367(β-sheet)Topicaltreatmentoforalmucositis(muothulcerations)Preclinicalresearch(1997);PhaseI(1998)
XomaMycoprex(BPI-derived)Systemiccandidiasis;enhanceroffluconazoleactivityPrelinicalresearch(1997);PhaseⅡcompleted,PhaseⅢinitated(1998)
現在大多數臨床試驗是用于局部治療，這種治療應該是安全和有效的，因為一些毒性更強的多肽和脂多肽，如短桿菌肽S，多粘菌素B已被用于制造皮膚軟膏。這些多肽也可用于那些常規抗生素和常規療法無效的地方。利用粉劑的方法治療肺部感染是一個很有前途的發展方向。口服藥物可能會被用于治療腸道感染，nisin正在進行抗螺旋桿菌的臨床試驗。至少有兩個公司正在開發非腸道給藥的治療方法。
抗菌肽基因工程在農業上的應用，主要是用于轉化農作物培育抗病品種。由于抗菌肽對多種植物病原菌有殺菌活性，將抗茵膚基因導人植物體內表達可望提高其抗病能力。
　　抗菌肽基因用于轉化農作物培育抗病品種，如抗馬鈴薯青枯病、煙草抗青枯病及水稻抗白葉枯病等已有良好的開端。
抗菌肽對正常哺乳動物細胞無不良影響，但對癌細胞株，部分病毒則有明顯殺傷作用。這預示抗菌肽在治療及預防癌癥和抗病毒方面具有良好的應用前景。
由于某些多肽抗生素對一些植物致病細菌和真菌具有很強的抗性，一些多肽抗生素已經被用于植物抗病基因工程。如Jaynes等將兩個cecropin的類似物基因，Shiva-I基因和SB－37基因轉入煙草，發現Shiva－I的轉基因煙草對青枯病具有一定的抗性，而SB－37的轉基因煙草沒有抗性。Huang等的研究表明將cecropin類多肽MB－39基因與大麥、淀粉酶信號肽基因融合后轉入煙草中，所得植株野火病的抗性增強。在國內，黃大年等利用cecropinB基因轉化水稻，得到了一些對水稻細條病具有不同抗性的植株。
抗菌肽動物轉基因的研究也已經取得了一些進展，比如可以通過基因工程的方法來阻斷一些蟲媒疾病的傳播，Possani等的研究表明，在蚊子體內表達Shiva-3可以抑制瘧疾的傳播，但是在蚊子的轉基因技術方面還存在著一些困難；Durasu1a等通過在長紅獵蟋的共生菌中表達CecropinA明顯減少了其體內錐蟲的數量。Reed等將Shiva-Ia轉入小鼠中，轉基因小鼠對布魯氏桿菌的抵抗力顯著增強，這為人工培育抗病飼養動物新品種提供了新思路。此外，抗菌肽在食品防腐，鮮花保鮮和動物飼料添加劑等方面的應用研究也正在進展之中。
五、國內抗菌肽研究開發現狀
華南農業大學教授黃自然及其研究組從我國特有物種柞蠶蛹中經人工誘導和提取的產物（溶菌酶）--抗菌肽，是經過十幾年的努力取得的一項首創性科研成果。抗菌肽醫藥產品即以生物工程方法將抗菌肽純化為一類新型藥物。具有廣譜性殺菌作用，并能抑制乙型肝炎病毒的復制。特別是對耐藥性細菌，抗菌肽有較強殺滅作用，并能選擇性殺傷腫瘤細胞，是一種具有作用靶點及新作用機制的化合物。
南開大學、天津大學和大港油田聯手攻關，成功地從蒼蠅體內分離出抑制多種病源菌和病毒的抗菌肽。目前多種抑菌實驗已經完成，科研人員正在著手進一步純化從蒼蠅幼蟲體內提取出的抗菌肽。
中國科學院上海生化與細胞所張永蓮等人對名為Binlb的鼠源新基因的功能研究取得突破（批準號：39893320）。該基因只在附睪頭部上皮細胞中特異表達具有抗菌功能的多肽，生育旺期表達最高。這是目前第一個發現與附睪防御系統相關的天然抗菌肽，人體也類似，也是國際上發現的第一個與男性生殖系統炎癥相關的功能基因，第一次證實附睪具有免疫系統。其研究成果：《大鼠生殖系統中的一個抗菌肽基因》，于2001年3月在《Science》上發表，是我國生命科學基礎研究成果第一次在《Science》上刊載。
中國水稻所黃大年教授主持的蠶抗菌肽B基因轉化水稻的研究，抗菌肽B基因轉化植株表現出對白葉枯病合細條病的抗性有明顯提高,為水稻白葉枯病的抗性育種提供了一條新的途徑.將該基因導入推廣品種,可以獲得農藝性狀保持優良.另外,轉基因第二代植株仍然表現對白葉枯病合細條病的抗性。
中國農業科學院生物技術研究中心研究員賈士榮完成了抗菌肽CecropinB及ShivaA基因的合成，構建了表達載體，并將這些基因成功地導入我國七個馬鈴薯主栽品種(品系)，獲得1050個轉基因株系，經多年多點抗病性鑒定,初步篩選出三個較起始品種抗病的株系。
黃亞東，鄭青，王林川，廖富蘋，黃自然等采用病毒載體pAcGP67B，通過PCR點突變技術將柞蠶抗菌肽基因起始密碼ATG刪除以利于形成信號肽切除位點的編碼序列。gp67信號肽的插入能引導表達產物分泌到細胞外而便于表達產物的鑒定及其生物活性的測定，對柞蠶抗菌肽D基因重組桿狀病毒表達載體的構建及其表達。
六、總結
抗菌肽要成為藥物，目前還需要解決一些問題。首先是來源問題。由于昆蟲抗菌肽的天然資源有限，化學合成和基因工程便成為獲取抗菌肽的主要手段。化學合成肽類，成本較高。而通過基因工程，在微生物中直接表達抗菌肽基因，可能造成宿主微生物自殺而不能獲得表達產物。以融合蛋白的形式表達抗菌肽基因，雖然可以克服這一缺點，但仍有表達產物少的問題。盡管來自青蛙皮膚的抗菌肽maganin類作為基因工程藥物已進入臨床II，III期實驗，但人們認為，只有每克價格低于10美元，抗菌肽才可能商品化。因此，如何提高抗菌肽的生產效率，降低成本，是應用抗菌肽必須解決的問題。其次，與傳統抗生素相比，昆蟲抗菌肽的抗菌活性還不夠理想。改造已有抗菌肽和設計新抗菌肽分子是創造高活力抗菌肽的有效途徑。這就需要進一步研究抗菌肽結構與活性的關系和作用機理，為抗菌肽分子的改造和設計提供足夠的理論依據.