抗菌肽的功能及發(fā)展前景

王鑫 曹貴方

摘 要：抗菌肽（Antimicrobial peptides）廣泛存在于昆蟲、植物、動(dòng)物中，一旦有外界病原微生物入侵機(jī)體，機(jī)體自身就會(huì)做出反應(yīng)，產(chǎn)生抵抗物質(zhì)，從而抵御病原微生物對(duì)機(jī)體的進(jìn)一步損傷與破壞，在免疫應(yīng)答過程中發(fā)揮重要作用。該文簡(jiǎn)述了AMPs的來(lái)源、分類、功能、局限性以及發(fā)展前景，以期為其臨床運(yùn)用提供參考。

關(guān)鍵詞：抗菌肽；抗生素；感染

中圖分類號(hào) S858 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2018）12-0021-5

The Function and Development Prospect of Antibacterial Peptide

Wang Xin

（College of Veterinary Medicine，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010018，China）

Abstract：Antibacterial peptide widely exists in insects，plants，animals，once has the external pathogenic microorganism invasion of the body，the body will react and produce resistance substances，thereby further against pathogenic microorganisms on the body damage and destruction，and play an important role in the process of immune response.This paper briefly introduces the origin，classification，function，limitation and development prospect of AMPs，so as to provide reference for its clinical application.

Key words：Antimicrobial peptides；Antibiotic；Infection

抗菌肽（Antimicrobial Peptides AMPs）又稱微生物肽或肽抗生素，被譽(yù)為天然抗生素，由多種組織及細(xì)胞產(chǎn)生，為大多數(shù)生物提供第一道防線[1，2]。如今世界各地的抗生素耐藥性問題已日漸增漲，人們對(duì)抗生素要求大大提升，然而細(xì)菌耐藥性的發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過對(duì)抗生素的研究[3]，抗菌肽以它獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)脫穎而出。AMPs在先天免疫反應(yīng)中也起著重要作用[4]，在動(dòng)物各種組織和細(xì)胞中，可以產(chǎn)生抗病原微生物的抗菌肽。Metchnikoff[5]證明了抗微生物肽具有抗菌的作用。例如，由昆蟲產(chǎn)生的一些AMP可以保護(hù)它們免受各種病原體（細(xì)菌，病毒或真菌）的侵害。從哺乳動(dòng)物白細(xì)胞中分離得到α-防御素，標(biāo)明防御素也存在于獲得性免疫系統(tǒng)的生物中[6，7]。根據(jù)防御素的特點(diǎn)，可以將其利用于臨床實(shí)驗(yàn)中，開發(fā)抗菌肽作為代替抗生素類新的抗感染藥物[8]。大部分AMPs一般由10～60個(gè)氨基酸殘基組成，分子量在3～6KDa之間，顯示出0至+7的不同凈電荷，31%～70%之間的疏水百分比[7，9]。抗微生物肽具有多種來(lái)源，包括昆蟲、兩棲動(dòng)物、棘皮動(dòng)物、甲殼類動(dòng)物、植物、哺乳動(dòng)物、細(xì)菌、真菌和魚類。在抗微生物肽數(shù)據(jù)庫(kù)中已經(jīng)鑒定出2453種來(lái)自各種生物體的AMPs，包括來(lái)自細(xì)菌（即細(xì)菌素）的244種AMPs，古細(xì)菌的2種，原生生物的7種，真菌的13種，植物的311種以及動(dòng)物的1835種。

1 抗菌肽的發(fā)現(xiàn)

具有廣譜抗菌活性的所有真核生物中均發(fā)現(xiàn)了抗菌肽（AMPs）。第1個(gè)AMP在乳球菌中發(fā)現(xiàn)，被命名為'Nisin'，是一種由34個(gè)殘留肽組成，屬于細(xì)菌素類。另1個(gè)AMP由Melittin使用反相高效液相色譜法，在伊朗蜜蜂的毒液中分離出來(lái)，由26個(gè)殘留肽組成。在這2種AMPs中，Melittin具有廣泛的抗菌譜和抗癌特性。在1922后期，亞歷山大·弗萊明在唾液中發(fā)現(xiàn)了溶菌酶，被認(rèn)為是第1個(gè)具有抗微生物活性的肽。1939年Hotchkiss和Dubos在芽孢桿菌中發(fā)現(xiàn)另1種AMPs（Gramicidins），對(duì)各種細(xì)菌病原體都起作用，是在商業(yè)上作為抗生素制備的主要AMPs。弗萊明在1928年發(fā)現(xiàn)青霉素，1943年發(fā)現(xiàn)鏈霉素，從此開始了“抗生素的黃金時(shí)代”。然而，隨著先進(jìn)技術(shù)在分子生物學(xué)和其他相關(guān)領(lǐng)域的出現(xiàn)，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)新的抗菌肽[7，10]。例如，到目前為止已發(fā)現(xiàn)的一些重要AMPs，包括1973年在植物中發(fā)現(xiàn)的Kalata B1，1980年在昆蟲中發(fā)現(xiàn)的殺菌肽，1987年在青蛙中發(fā)現(xiàn)的爪蟾抗菌肽，以及1985年在人類細(xì)胞和哺乳動(dòng)物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的防御素[7]。

2 抗菌肽的分類

天然肽可分為2種，基因編碼天然肽和非基因編碼天然肽。根據(jù)生物來(lái)源AMP可以分為細(xì)菌AMP（細(xì)菌素）、植物AMPs和動(dòng)物AMPs，動(dòng)物AMP被進(jìn)一步分為昆蟲AMPs、兩棲動(dòng)物AMPs、魚AMPs、爬行動(dòng)物AMPs和哺乳動(dòng)物AMPs。根據(jù)生物學(xué)功能分類，AMP可以充當(dāng)抗菌劑，抗真菌、病毒、寄生蟲、癌、抗原，以及殺蟲、殺精子，抗氧化劑和蛋白酶抑制劑。

在缺乏三維結(jié)構(gòu)信息的情況下，AMPs可根據(jù)諸如電荷（陽(yáng)離子、中性、陰離子多肽）、疏水性（疏水性、兩親性、親水多肽）、長(zhǎng)度（超?。?～10aa）、?。?0～24aa）、中（25～50aa）、大（50～100aa）等肽的特性進(jìn)行分類。另1種普遍的分類系統(tǒng)（UC）是根據(jù)共價(jià)結(jié)合模式分成4類抗菌肽，UCLL線性單鏈多肽、UCSS側(cè)鏈連接的多肽、UCSB帶有側(cè)鏈的多肽鏈、UCBB在細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的N-c-末端之間有肽鍵的環(huán)狀多肽。根據(jù)分子靶點(diǎn)，AMPs可大致分為2類：細(xì)胞表面靶向多肽、細(xì)胞內(nèi)靶向多肽。

根據(jù)三維結(jié)構(gòu)，采用二次結(jié)構(gòu)的類型，將AMPs分為4類：-helix，-sheet，extended和loop；根據(jù)分子靶點(diǎn)，AMPs可大致分為2類：細(xì)胞表面靶向多肽、細(xì)胞內(nèi)靶向多肽，細(xì)胞表面靶向多肽包括膜靶向和非膜靶向多肽，可根據(jù)細(xì)胞壁/碳水化合物、脂質(zhì)/膜、蛋白質(zhì)/受體等具體目標(biāo)進(jìn)一步分類。細(xì)胞內(nèi)靶向多肽可以根據(jù)特定的靶分子（如含豐富肽的蛋白質(zhì)、DNA和RNA）進(jìn)一步分類[11，12]

3 多維特性及功能作用

AMPs在抗菌活性方面具有多維特性，顯示了對(duì)生物膜的控制、抗腫瘤性質(zhì)，并與有絲分裂有關(guān)，它還可以將先天免疫與適應(yīng)性免疫聯(lián)系起來(lái)。具有抗菌活性的AMPs對(duì)細(xì)菌、病毒、真菌和寄生蟲具有不同的抗性作用。

3.1 抗菌肽的防御功能 肽抗生素AMPs對(duì)細(xì)菌、病毒、真菌和寄生蟲具有不同的抗菌作用。與真核生物相比，AMPs對(duì)細(xì)菌具有選擇性毒性。在細(xì)菌膜中有更多帶負(fù)電荷的磷脂，而真核細(xì)胞是由脂質(zhì)組成的，沒有任何凈電荷。這些差異可能導(dǎo)致陽(yáng)離子抗菌肽和細(xì)菌胞質(zhì)膜之間的靜電相互作用。一些陰離子多肽通過金屬離子與帶負(fù)電荷的微生物膜的反應(yīng)形成鹽橋。這種方式不同與傳統(tǒng)的抗生[13，14]。

3.1.1 AMPs的抗菌活性 AMPs采用以下方法發(fā)揮抗菌作用。

AMPs體積小，帶正電荷且具有兩親性結(jié)構(gòu)，可以在微生物感染后迅速轉(zhuǎn)移到感染部位，在短時(shí)間內(nèi)采取行動(dòng)，使大量的微生物失活。多數(shù)AMPs增加了微生物細(xì)胞質(zhì)膜的滲透性。隨著時(shí)間的推移，這種滲透性隨時(shí)間的增加而增加[15-17]。AMPs作為一種潛在的抗病原體藥物，其功能特征為，對(duì)宿主細(xì)胞有選擇性，在膜-膜的相互作用中，由帶負(fù)電荷暴露的脂分子變化而引起；在靜電相互作用的基礎(chǔ)上，AMPs對(duì)微生物致病性膜的結(jié)合作用比宿主的等離子體膜更強(qiáng)；AMPs對(duì)微生物致病膜的結(jié)合影響相對(duì)較高。根據(jù)Rathinakumar[18]和Matsuzaki[19]的說法，AMPs可以通過電化學(xué)梯度使生物膜分散，因此能夠快速進(jìn)入革蘭氏陽(yáng)性菌的厚肽聚糖層，也可以進(jìn)入革蘭氏陰性菌的脂多糖菌層。在反應(yīng)中，細(xì)胞分泌大量AMPs，它們具有不同的抗菌活性，如跨膜孔的形成，阻礙細(xì)胞壁的合成，抑制細(xì)胞質(zhì)膜的形成，從而破壞膜結(jié)構(gòu)[20]。此外，它們還可以使酶失活，抑制蛋白質(zhì)和氨基酸的合成。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，還發(fā)現(xiàn)人類的防御-1可以誘導(dǎo)毛孔和碎片進(jìn)入錐蟲的線粒體和核DNA，可以導(dǎo)致寄生蟲的死亡[21]。此外，人類的防御性-5能夠通過集中依賴的方式降低弓形蟲的生存能力。2013年的國(guó)際多肽期刊上，描述了抗菌肽作用機(jī)制/模式的各種模型，并將這些模型轉(zhuǎn)化為能量依賴性（包括桶壁模型、地毯模型和環(huán)形孔模型）和能量獨(dú)立模型，如圖1所示。所有這些機(jī)制都導(dǎo)致了寄生蟲的死亡。

在桶壁機(jī)制中，單體的多肽在膜的表面上形成了聚合體，從而進(jìn)一步將自身插入到其非極性側(cè)鏈，并指向膜的疏水核中，引起細(xì)胞內(nèi)含量的變化，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡[22]；在地毯模型中，縮氨酸首先在膜表面上結(jié)合，形成地毯。在達(dá)到特定的閾值濃度時(shí)，由于多肽誘導(dǎo)的滲透作用，導(dǎo)致細(xì)胞膜和微生物細(xì)胞裂解的破壞[23]；在環(huán)形孔模型中，聚合的多肽與膜表面結(jié)合前后，誘導(dǎo)膜去極化或形成扭轉(zhuǎn)膜孔，形成膠束，從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡。在胞飲作用下，靶細(xì)胞的血漿膜折疊到內(nèi)端，與多肽最終形成大的胞漿體，然后將封閉的多肽釋放到細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行抑菌活動(dòng)[24]。

3.1.2 抑制細(xì)胞壁的合成 細(xì)胞壁是細(xì)菌的一個(gè)獨(dú)特結(jié)構(gòu)。由于真核細(xì)胞中沒有細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，所以防止細(xì)胞壁合成是抗菌肽的一個(gè)特殊特性。特別是脂質(zhì)II，它是肽聚糖合成的重要前體，被證明是一種具有吸引力的抗菌化合物靶標(biāo)。如I類細(xì)菌素，Nisin，Pep5，Mersacidin，Lcn972[25]。

3.1.3 抑制蛋白質(zhì)、RNA和DNA合成 一些AMPs可以進(jìn)入細(xì)胞，而不破壞細(xì)胞膜，并靶向細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)和核酸合成。一些類似于Buforin II的抗菌肽與DNA和RNA結(jié)合，可以阻止DNA和蛋白質(zhì)的合成，并具有創(chuàng)傷修復(fù)、化療吸引、血管生成等多密度的特性[25]。

3.1.4 AMPs的抗病毒活性 抗病毒特性中，有多種不同的方式。其中包括阻斷病毒受體，抑病毒基因表達(dá)，抑制免疫調(diào)節(jié)路徑和抑制激活[2]。

3.1.5 AMPs抗真菌與寄生蟲活性 抗真菌，抗菌肽還可靶向結(jié)合真菌的細(xì)胞膜或細(xì)胞胞壁、DNA、RNA以及蛋白質(zhì)等胞內(nèi)成分。抗寄生蟲抗菌肽作用機(jī)制與上述類似，可以破壞寄生蟲細(xì)胞膜或破壞相應(yīng)細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)、RNA或DNA合成[3]。

3.2 控制生物膜 微生物可以附著在人工種植體表面，并對(duì)環(huán)境條件產(chǎn)生抗性?？咕目勺鳛樯锬た刂频闹委焺??？咕暮图?xì)胞表面之間的靜電相互作用可以防止生物膜的形成。它們可以以不同的方式有效地防止生物膜的形成[26]，劑量依賴于在植入表面上的涂層，以阻止生物膜的形成，如Tet-20、Hhistatin 5和乳鐵蛋白。此外，它們還可用于耐藥細(xì)菌，如Nisin A和Lacticin Q，可以有效對(duì)抗MRSA（耐甲氧西林金黃色葡萄球菌）菌株的生物膜形成。一些抗菌肽可以提高植物對(duì)其他抗生素的敏感性。

3.3 抗腫瘤活性 癌癥是全世界發(fā)病率和死亡率最重要的原因之一。在最近的幾十年里，普遍的治療方法有，化療、放療、手術(shù)或激素消融術(shù)，更多地用于癌癥治療，但在50%以上的患者中并不成功[27]。因此，迫切需要新的治療藥物。幾種抗菌肽已被研究作為潛在的抗癌藥物候選藥物。AMPs的治療腫瘤的副作用也比化療藥物少。因此，AMPs是開發(fā)新型抗癌藥物和完成常規(guī)抗癌治療的理想選擇[28]。

3.4 與細(xì)胞有絲分裂相關(guān) Murphy等人首先介紹了抗菌肽的有絲分裂特性，其具有幾種特性，其中一種特性是能夠刺激成纖維細(xì)胞和上皮細(xì)胞在體外培養(yǎng)。抗菌肽除了防止微生物感染之外，防御素還在誘導(dǎo)傷口愈合過程也有一定的作用[29]。防御素通過MAP激酶途徑刺激增強(qiáng)了A549肺上皮細(xì)胞的增殖，人類α-防御素在腎臟的正常細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞的增殖方面可以起到有效的作用

3.5 調(diào)節(jié)先天免疫 抗菌肽不僅對(duì)細(xì)菌膜有直接的影響，而且還能調(diào)節(jié)先天免疫的其他成分?？咕牡幕虮磉_(dá)由免疫相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子和天然免疫細(xì)胞（包括中性粒細(xì)胞、肥大細(xì)胞和嗜酸性粒細(xì)胞）控制。因此，它們啟動(dòng)了NAPDH氧化酶依賴機(jī)制的信號(hào)級(jí)聯(lián)，從而導(dǎo)致核和細(xì)胞膜的解體[30-32]。例如，防御素也被稱為先天性免疫調(diào)節(jié)劑，并由多種細(xì)胞分泌，如吞噬細(xì)胞和淋巴細(xì)胞。另一方面，它們對(duì)單核細(xì)胞和嗜中性粒細(xì)胞具有趨化吸引作用。此外，在單核細(xì)胞中，防御素可以產(chǎn)生多種細(xì)胞因子，如TNF和IL-1，并在肺上皮細(xì)胞中誘導(dǎo)IL-8[33]。認(rèn)為抗菌肽誘導(dǎo)的趨化性是通過G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)的。預(yù)先處理細(xì)胞，并且以百日咳毒素、磷脂酶C、磷酸肌肽-3-激酶和Rho激酶抑制劑，抑制了細(xì)胞的遷移。1996年的首次研究表明，防御素在非特異性吞噬細(xì)胞和參與獲得免疫反應(yīng)的細(xì)胞中都有趨化作用[34]。

4 抗菌肽基因的表達(dá)調(diào)控

生物體不斷受到各種微生物病原體的挑戰(zhàn)，因此進(jìn)化出一種復(fù)雜的免疫應(yīng)答。在動(dòng)物中存在著識(shí)別機(jī)制，幫助它們區(qū)分入侵的病原體。在病原體和模式識(shí)別受體上，分子結(jié)構(gòu)之間存在相互作用，宿主細(xì)胞表面可以對(duì)病原重新識(shí)別[35]。幾種攜帶c型凝集素的蛋白在脊索和非脊索動(dòng)物的致病性識(shí)別中起到一定作用。在昆蟲與哺乳動(dòng)中，除了凝集素，肽糖識(shí)別蛋白（PGRP）也參與了病原體的識(shí)別[36]。

在果蠅中，介導(dǎo)AMP基因表達(dá)的多種途徑已經(jīng)被識(shí)別。在昆蟲、哺乳動(dòng)物和魚類中，抗菌素防御信號(hào)通路是高度保守的，這使得果蠅成為研究動(dòng)物先天免疫反應(yīng)的理想模型。在果蠅中，抗菌肽基因的誘導(dǎo)是由NF-k b樣轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)的，它由3種Re1蛋白組成：背側(cè)、DIF（dorsal相關(guān)的imm-munity因子）和佐劑，包括2種途徑viz Toll和imd（免疫缺陷）通路，它們與mamm-malian Toll樣受體（TLR）和腫瘤壞死因子受體同源[37-39]。分別（TNFR）（圖2）。

Toll trans膜受體蛋白連接通路控制背側(cè)和背側(cè)相關(guān)的免疫因子，而ime-mune缺失基因（IMD）調(diào)節(jié)食欲。這兩種途徑的突變導(dǎo)致AMP基因表達(dá)的抑制。有趣的是，AMP編碼基因的表達(dá)隨著不同的病原體而變化，主要依賴于Toll orRe1通路的激活。一般來(lái)說，Toll通路是由真菌和革蘭氏菌激活的，而IMD/佐劑途徑則是由革蘭氏陰性菌激活的。例如，真菌和革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌誘導(dǎo)了Droso-mycin基因，它是IMD/佐劑依賴的信號(hào)通路。另一方面，革蘭氏細(xì)菌誘導(dǎo)的雙翅類菌在IMD/佐劑調(diào)節(jié)雙翅蟲的過程中，依賴于Toll-DIF-Dorsal signaling pathway信號(hào)通路；真菌與革蘭氏陰性菌感染，需要通過Toll途徑調(diào)控；在哺乳類動(dòng)物中，是通過IMD途徑，TNF信號(hào)通路調(diào)控NF-kB活性。在哺乳動(dòng)物和果蠅中，絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）通路參與了AMP gene的調(diào)控[40-42]。

圖2所示。Toll和imdpathway對(duì)果蠅AMPs的調(diào)控。一般來(lái)說，Toll通路是由真菌和革蘭氏陽(yáng)性菌激活的，而IMD/佐劑途徑則是由革蘭氏陰性菌激活的。

5 抗菌肽的局限性及應(yīng)用

5.1 抗菌肽的局限性 盡管AMPs有許多優(yōu)點(diǎn)，包括廣譜殺菌、快速啟動(dòng)、抵抗性出現(xiàn)的可能性相對(duì)較低等，但它們?nèi)詫?duì)藥物開發(fā)有一定的限制，如潛在的毒性，對(duì)蛋白酶和極端pH值的敏感性，對(duì)特定菌株缺乏選擇性，高生產(chǎn)成本和細(xì)菌抵抗等[43]。另外，由于AMPs具有許多與真核定位信號(hào)肽相似的特征，且能夠轉(zhuǎn)化為細(xì)胞，引起毒性，其中包括細(xì)胞凋亡、肥大細(xì)胞脫?；蚣?xì)胞外DNA轉(zhuǎn)移[44]。另外，抗菌肽作為抗菌藥物的臨床應(yīng)用成本較高，AMPs的合成成本是常規(guī)抗生素的5到20倍。另一方面，作為藥物開發(fā)的另一個(gè)重要問題是要具有穩(wěn)定性，而蛋白質(zhì)和肽的穩(wěn)定性是蛋白質(zhì)功能組分子間相互作用和與溶劑環(huán)境相互作用的平衡的結(jié)果。條件改變，穩(wěn)定性改變，活性改變等都影響了抗菌肽在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用。

5.2 抗菌肽的應(yīng)用 盡管有關(guān)于用于治療目的的抗菌肽有一些使用的限制，但其中一些已經(jīng)被用作為治療藥物[45]。例如，與常規(guī)抗生素聯(lián)合使用。由于與其他抗生素的協(xié)同作用，它們?cè)跍p少抗生素的最小抑菌濃度（MIC）和最小殺菌濃度（MBC）方面有理想的效果。其中包括：作為單一的抗感染藥物，與傳統(tǒng)的抗生素或抗病毒藥物結(jié)合，用來(lái)促進(jìn)多種添加劑或與其協(xié)同作用[46]；作為增強(qiáng)天然免疫的免疫刺激劑和內(nèi)毒素中和劑，用來(lái)防止與細(xì)菌毒力因素有關(guān)引起的感染性休克和致命并發(fā)癥[47]。

6 小結(jié)與討論

抗菌肽包括抗細(xì)菌肽、抗真菌肽、抗病毒肽和抗癌肽，是先天免疫的重要的記憶體，它為機(jī)體提供了第一道防線。AMPs由于簡(jiǎn)單的分子結(jié)構(gòu)和易于生產(chǎn)，線性結(jié)構(gòu)肽已被使用于臨床中。研究AMPs的特性，觀察細(xì)菌的細(xì)胞膜時(shí)發(fā)現(xiàn)，它可以抑制細(xì)胞壁的合成，有效地降低了耐藥性?？咕木哂兄委熥饔茫◤V泛的抗菌譜、快速的活動(dòng)模式使耐藥性大大降低。由于這些特性，AMPs被認(rèn)為是生產(chǎn)新一代抗生素的最理想藥物。從理論上說，在生產(chǎn)改進(jìn)的肽類抗生素藥物中，需要小結(jié)構(gòu)AMPs，這些肽可以替代效果不好的附著膜蛋白?？咕囊部捎糜诂F(xiàn)有的消毒劑和洗滌劑配方，以減少細(xì)菌。

各種各樣的研究已經(jīng)表明，這些小生物活性肽在健康方面起著重要作用。AMPs的應(yīng)用前景廣闊，例如，可用于治療諸如由細(xì)菌引起的疾病和癌癥等疾病。但在臨床應(yīng)用中，證據(jù)還不夠充分，未來(lái)還需要研究AMPs的治療效果及對(duì)人類健康的影響程度。實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，AMPs合成藥物出現(xiàn)部分無(wú)效，或完全無(wú)效，因此AMPs對(duì)健康的益處還需要被評(píng)估。

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（責(zé)編：王慧晴）