■縱 瑞 胡忠澤* 張乃鋒 段心明
(1.安徽科技學(xué)院動(dòng)物科學(xué)學(xué)院,動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)調(diào)控與健康安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽滁州233100;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料研究所,北京100081;3.農(nóng)發(fā)苑(浙江)農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司,浙江湖州313000)
抗菌肽(antimicrobial peptides,AMPs)因其獨(dú)特的抗細(xì)菌、真菌、病毒以及抗癌細(xì)胞等生物學(xué)功能且不易產(chǎn)生耐藥性,使其成為最有前景的抗生素替代品之一。從20世紀(jì)80年代瑞典科學(xué)家Hulmark從惜古比天蠶(Hyalophora cecropia)中分離出第一種抗菌肽,命名為天蠶素(Cecropin)[1],到目前為止抗菌肽數(shù)據(jù)庫(kù)中已注冊(cè)的抗菌肽序列已經(jīng)超過(guò)3 000個(gè)[2]。抗菌肽是包括植物、動(dòng)物和人類(lèi)在內(nèi)的所有生物體天然免疫反應(yīng)的保守部分,是許多脊椎動(dòng)物免疫系統(tǒng)的主要組成部分[3],被定義為能夠保護(hù)宿主免受細(xì)菌、病毒或真菌入侵的關(guān)鍵防御分子[4]。抗菌肽是由基因編碼、核糖體合成的多肽,通常具有短肽(30~60個(gè)氨基酸)、強(qiáng)陽(yáng)離子(pI 8.9~10.7)、熱穩(wěn)定性(100℃,15 min)、不易產(chǎn)生耐藥性、對(duì)真核細(xì)胞無(wú)影響等共同特征[5]。根據(jù)其來(lái)源可以分為:植物源抗菌肽,如硫素(thionins)、植物防御素(plant defensins);動(dòng)物源抗菌肽,如天蠶素、防御素;微生物源抗菌肽,如細(xì)菌素和病毒源抗菌肽;人工來(lái)源抗菌肽[6]。根據(jù)作用對(duì)象的不同可以將其分為:抗細(xì)菌類(lèi)抗菌肽,如防御素(defensin)-NV、天蠶素抗菌肽(ce?cropin antibacterial peptide,CAP)-A;抗真菌類(lèi)抗菌肽,如蜾蠃毒肽(Orancistrocerus drewseni venom pep?tides,OdVP)2及其類(lèi)似物OdVP2L[5];抗病毒類(lèi)抗菌肽,如從金錢(qián)魚(yú)肝臟克隆的SA-肝肽(Scatophagus ar?gus hepcidin,SA-Hepcidin)[7];抗癌細(xì)胞類(lèi)抗菌肽,如人β防御素(humanβ-defensin,HBD)-3[8];抗寄生蟲(chóng)類(lèi)抗菌肽,如蛙皮素和Cecropin[9];根據(jù)抗菌肽的二級(jí)結(jié)構(gòu)以及氨基酸組成可以分為α螺旋、β鏈、環(huán)狀結(jié)構(gòu)和延伸結(jié)構(gòu)以及富含脯氨酸以及甘氨酸的抗菌肽[10]。本文將從抗菌肽發(fā)展現(xiàn)狀、生物學(xué)功能、作用機(jī)制、在反芻動(dòng)物中的應(yīng)用、存在問(wèn)題與發(fā)展前景等方面進(jìn)行綜述。
與作用于細(xì)胞內(nèi)特定通路或受體的抗生素不同,大多數(shù)抗菌肽以細(xì)菌細(xì)胞膜為靶標(biāo),不需要特定的受體,因此不易引起細(xì)菌突變,可以抵抗細(xì)菌耐藥性的產(chǎn)生[11]??咕膶?duì)細(xì)菌的作用機(jī)制分為細(xì)胞膜損傷機(jī)制和細(xì)胞內(nèi)作用機(jī)制。抗菌肽抑菌方式與細(xì)菌細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)以及抗菌肽所含的氨基酸組成有著密不可分的關(guān)系。
帶正電荷的抗菌肽通過(guò)靜電作用與帶負(fù)電荷的細(xì)菌細(xì)胞壁相接觸,并優(yōu)先與細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)膜中的負(fù)電荷磷脂基團(tuán)如磷脂酰甘油和心磷脂相互作用,取代穩(wěn)定這些磷脂基團(tuán)的二價(jià)陽(yáng)離子,造成膜擾動(dòng)。抗菌肽利用其雙親性特性插入磷脂雙分子層內(nèi),導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)的改變,如膜變薄、膜曲率改變以及雙分子層屏障的破壞[12]。研究表明抗菌肽的作用方式具體取決于它們的結(jié)構(gòu)屬性,如氨基酸序列、分子量大小、陽(yáng)離子性質(zhì)、疏水性和兩親性[13]。根據(jù)作用方式的不同,目前提出的4種模型:如聚集體模型(aggregate model)、環(huán)形孔模型(toroidal-pore model)、桶-板模型(barrelstave model)、毯式模型(carpet model),具體模型機(jī)制Jenssen等[14]研究已經(jīng)做了詳細(xì)的綜述。見(jiàn)圖1。
圖1 AMPs細(xì)胞膜作用機(jī)制模型
與大多數(shù)與細(xì)胞膜相互作用的抗菌肽不同,富含脯氨酸的抗菌肽(proline-rich AMPs,PrAMPs),如on?cocins-112(Onc112)和牛抗菌肽(bactenecins-7,Bac7)可以通過(guò)細(xì)菌細(xì)胞膜上的一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)體利用橫跨內(nèi)膜的質(zhì)子電化學(xué)梯度轉(zhuǎn)運(yùn)到胞質(zhì)中,在不溶解細(xì)胞膜的前提下通過(guò)大量的氫鍵堆積與細(xì)胞70s核糖體相互作用,影響生物蛋白的合成[15];陽(yáng)離子抗菌肽Mel4則通過(guò)激活細(xì)菌內(nèi)部自溶酶從而誘導(dǎo)細(xì)菌死亡[16];這就解釋了抗菌肽濃度在較低的情況下仍有殺菌能力。
炎癥反應(yīng)是機(jī)體天然免疫細(xì)胞(如樹(shù)突狀細(xì)胞以及巨噬細(xì)胞等)識(shí)別外源性物質(zhì)或壞死組織等致炎因子并激發(fā)的防御性反應(yīng),然而炎癥反應(yīng)過(guò)度會(huì)造成機(jī)體自身?yè)p傷[17]??咕目梢杂行б种粕镏卵滓蜃樱ㄈ缂?xì)菌、真菌、病毒等病原體)從而發(fā)揮抗炎作用,減輕炎癥對(duì)機(jī)體的傷害。如魚(yú)源抗菌肽(chionodracine,Cnd)衍生肽Cnd-m3a對(duì)多重耐藥細(xì)菌有很好的抑制作用[18];根據(jù)蛙源抗菌肽Ranacyclin AJ設(shè)計(jì)出的抗菌肽AKK8對(duì)白色念珠菌展現(xiàn)出較強(qiáng)的抗菌活性,且有效抑制了白色念珠菌感染引起的小鼠全身性炎癥反應(yīng)[19];人角質(zhì)形成細(xì)胞產(chǎn)生的抗菌肽LL-37、HBD等可以通過(guò)破壞病毒包膜以及抑制病毒與細(xì)胞表面受體結(jié)合等方式阻止病毒進(jìn)入細(xì)胞或者干擾病毒在細(xì)胞內(nèi)復(fù)制來(lái)抵抗病毒感染[20];宿主防御肽(host defense peptides,HDPs)在體外表現(xiàn)出脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)結(jié)合活性,從而抑制THP-1細(xì)胞中核轉(zhuǎn)錄因子-B(nu?clear factor-kappa B,NF-κB)炎癥信號(hào)通路的活化,減少LPS介導(dǎo)的促炎因子的產(chǎn)生[21];而豬乳鐵蛋白肽(lactoferrin peptide,LFP)-20可直接影響炎癥通路中重要的銜接蛋白髓樣分化因子88(myeloid differentia?tion factor 88,MyD88)的表達(dá),阻斷了其與絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases,MAPK)和NF-κB依賴(lài)的信號(hào)分子間相互作用,調(diào)控LPS介導(dǎo)的活化巨噬細(xì)胞的炎癥反應(yīng),發(fā)揮抗炎作用[22]。
趨化作用是指趨化因子控制免疫細(xì)胞定向遷移至炎癥部位,是機(jī)體免疫應(yīng)答發(fā)生和完成的必要條件。抗菌肽可以直接或間接誘導(dǎo)趨化作用,如抗菌肽KSL-W對(duì)中性粒細(xì)胞顯示出微摩爾量的趨化性,并且能夠誘導(dǎo)中性粒細(xì)胞中的肌動(dòng)蛋白聚合[23];而先天防御調(diào)節(jié)肽(innate defense regulator,IDR)和HDPs通過(guò)誘導(dǎo)趨化因子的產(chǎn)生進(jìn)而對(duì)中性粒細(xì)胞和單核細(xì)胞起到間接趨化作用[24]。淋巴細(xì)胞增殖是衡量機(jī)體免疫能力的一個(gè)重要指標(biāo),在仔豬日糧中添加抗菌肽加強(qiáng)T淋巴細(xì)胞的增殖功能,降低凋亡細(xì)胞的百分率,明顯改善斷奶仔豬細(xì)胞免疫[25]。天蠶桿菌肽顯著提高了肉雞新城疫抗體水平和T淋巴細(xì)胞轉(zhuǎn)化率,有效增強(qiáng)機(jī)體免疫力[26]。抗菌肽還可提高血清補(bǔ)體C4(complement-4,C4)的含量以增強(qiáng)免疫功能[27]。
大量研究證實(shí)抗菌肽對(duì)屏障組織具有很好的調(diào)控作用。Otvos等[28]研究發(fā)現(xiàn)LFP能夠調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)、改善角質(zhì)形成細(xì)胞功能、促進(jìn)傷口再上皮化以及成纖維細(xì)胞的增殖和遷移,人源抗菌肽LL-37同樣具有類(lèi)似的作用。腸道屏障功能主要由調(diào)節(jié)黏蛋白和緊密連接蛋白共同維持[29],緊密連接蛋白是腸道物理性屏障的基礎(chǔ)。外源添加抗菌肽LL-37重建了鼠傷寒沙門(mén)氏菌破壞的結(jié)腸T84細(xì)胞緊密連接中閉合小環(huán)蛋白-1(zonula occludens proteins-1,ZO-1)的網(wǎng)狀模式[30]。而有些抗菌肽卻加大了緊密連接和細(xì)胞質(zhì)膜的通透性,研究人員通過(guò)分子模擬確定了緊密連接蛋白claudins為抗菌肽PN159潛在作用靶點(diǎn),發(fā)現(xiàn)PN159通過(guò)與claudin-4和claudin-7保守氨基酸殘基相互作用打開(kāi)了細(xì)胞旁通路,安全且可逆地增強(qiáng)了Caco-2腸屏障模型的通透性,并發(fā)現(xiàn)其還具有增強(qiáng)細(xì)胞膜通透性以及抗菌功能[31]。
反芻動(dòng)物的瘤胃里面生活著大量微生物,抗菌肽可通過(guò)作用于細(xì)菌、原蟲(chóng)、古菌以及真菌等微生物,從而對(duì)瘤胃發(fā)酵產(chǎn)生重要影響。抗菌肽通過(guò)與古菌細(xì)胞壁相互作用或與其細(xì)胞內(nèi)遺傳物質(zhì)相結(jié)合的方式對(duì)古菌產(chǎn)生抑制作用,減少甲烷氣體的產(chǎn)生[32]。牛鏈球菌細(xì)菌素Bovicin HC5可以抑制瘤胃古菌,減少近50%甲烷的產(chǎn)生[33]。乳酸鏈球菌素(Nisin)在抑制甲烷產(chǎn)生、調(diào)節(jié)瘤胃微生物菌群,降低瘤胃乙丙酸比值方面較莫能菌素具有更大的優(yōu)勢(shì)[34]。Liu等[35]在山羊精料中添加抗菌肽影響了瘤胃中微生物多樣性及纖毛蟲(chóng)的群落結(jié)構(gòu),并對(duì)幼山羊的生長(zhǎng)性能、瘤胃發(fā)酵功能、酶活性和瘤胃形態(tài)均有一定的促進(jìn)作用。Ren等[36]研究發(fā)現(xiàn),添加抗菌肽調(diào)節(jié)了山羊瘤胃微生物結(jié)構(gòu),從而影響了瘤胃總揮發(fā)性脂肪酸(total volatile fatty acid,TVFA)的濃度及消化酶的組成,提高了飼料利用率,改善了山羊的生長(zhǎng)性能。陳亞迎[37]在湖羊日糧中添加Nisin和溶菌酶降低了瘤胃中高效產(chǎn)氨菌(hyper ammonia-producing bacteria,HAB),減少了氨氮的生成,增加了氮沉積,并降低了古菌的相對(duì)豐度,提高了能量利用率,促進(jìn)了湖羊的生長(zhǎng)。李世易[38]通過(guò)在湖羊日糧中添加蜂蜜肽增加了湖羊的日采食量、平均日增重和飼料轉(zhuǎn)化率,抑制了瘤胃革蘭氏陰性菌,調(diào)節(jié)瘤胃發(fā)酵,提高了育肥湖羊的生產(chǎn)性能。
研究表明,抗菌肽可以通過(guò)間接機(jī)制為機(jī)體提供保護(hù),它們不僅僅可以殺死微生物,還可以作為免疫調(diào)節(jié)劑,改變宿主基因的表達(dá),或者作為趨化因子以及誘導(dǎo)趨化因子的產(chǎn)生抑制促炎細(xì)胞因子的分泌,并調(diào)節(jié)T淋巴細(xì)胞對(duì)適應(yīng)性免疫反應(yīng)的反應(yīng)[39]。楊顏銥[40]在山羊日糧中添加高精料和抗菌肽促進(jìn)了血清中免疫球蛋白,促炎因子白細(xì)胞介素(interleukin,IL)-1β、IL-2、IL-12的分泌,提高了血清中補(bǔ)體的含量以及淋巴細(xì)胞的轉(zhuǎn)化率和紅細(xì)胞免疫,增強(qiáng)了山羊的體液免疫和細(xì)胞免疫。陳憧[41]研究表明,山羊日糧中添加復(fù)合抗菌肽增強(qiáng)了山羊的紅細(xì)胞免疫,提高了血清中免疫球蛋白含量,并對(duì)山羊的抗氧化能力也有顯著提升。秦龍[42]研究發(fā)現(xiàn),在羔羊日糧中添加抗菌肽提高了血清中免疫球蛋白含量,并降低了羔羊肝臟組織中炎癥基因IL-2、IL-6、腫瘤壞死因子(tumor ne?crosis factor,TNF)-α和干擾素(interferon,IFN)-γ的表達(dá),有助于羔羊免疫系統(tǒng)的建立。
抗菌肽對(duì)動(dòng)物腸道屏障的影響主要集中于仔豬[43]和家禽[44]方面,而關(guān)于抗菌肽對(duì)反芻動(dòng)物腸道屏障的研究很少見(jiàn)報(bào)道。由于食管溝反射,反芻動(dòng)物哺乳期采食乳汁直接由食管進(jìn)入瓣胃,主要在皺胃和小腸內(nèi)消化吸收[45],因此在羔羊日糧中添加抗菌肽效果與哺乳仔豬類(lèi)似。秦龍[42]在羔羊日糧中添加人工合成抗菌肽CC31改善了腸道組織形態(tài)結(jié)構(gòu),腸道上皮緊密連接蛋白基因表達(dá)量也相對(duì)上調(diào),另外提高了腸道菌群的豐富性和多樣性,促進(jìn)了有益菌群的定植,抑制了有害菌的增殖,增強(qiáng)了腸道屏障,有利于羔羊的健康。
國(guó)內(nèi)外對(duì)抗菌肽替代抗生素治療乳房炎等疾病方面也進(jìn)行了大量的研究,Maina等[46]報(bào)道枯草芽孢桿菌和短小芽孢桿菌產(chǎn)生的細(xì)菌素有較好的穩(wěn)定性,對(duì)奶牛乳房炎病原菌大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有抑制作用。丁酸鈉可以通過(guò)組蛋白去乙?;?、NF-κB途徑等影響牛乳腺上皮細(xì)胞內(nèi)源性抗菌肽的基因表達(dá),進(jìn)而在金黃色葡萄球菌感染和脂磷壁酸(lipotei?choic acid,LTA)刺激的牛乳腺上皮細(xì)胞中發(fā)揮抑菌抗炎作用[47]。研究發(fā)現(xiàn)真菌防御素plectasin的衍生肽NZ2114針對(duì)乳房炎病原菌無(wú)乳鏈球菌相比于抗生素有更好的殺菌活性,且對(duì)無(wú)乳鏈球菌生成的生物膜有很好的抑制作用;另外通過(guò)金黃色葡萄球菌體外抑菌試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其可以作用于細(xì)胞膜以及胞內(nèi)脫氧核糖核酸(deoxyribo-nucleic acid,DNA),降低細(xì)菌的耐藥性并消除耐藥基因[48-49]??咕倪€可以提高隱形乳房炎奶牛的產(chǎn)奶量、乳品質(zhì)、降低牛奶中體細(xì)胞數(shù),提高隱形乳房炎治愈率[50]。有研究證實(shí)牛抗菌肽NK-lysin衍生肽對(duì)睡眠嗜血桿菌以及牛支原體等多種牛呼吸道疾病綜合征(bovine respiratory disease complex,BRDC)致病菌表現(xiàn)出抗菌活性[51-52]。
有研究發(fā)現(xiàn)靜脈注射抗菌肽會(huì)對(duì)腎臟和神經(jīng)產(chǎn)生毒副作用,另外有些抗菌肽在殺菌的同時(shí)具有溶血性。研究人員發(fā)現(xiàn)取代彼得異蝎肽Hp1404 N端的第一個(gè)氨基酸殘基設(shè)計(jì)的衍生肽K1K8,極大地降低了其溶血性[53]。真核細(xì)胞表面不帶電荷,因此抗菌肽只能依靠?jī)捎H性與細(xì)胞相結(jié)合,研究發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)破壞抗菌肽的兩親性從而減少抗菌肽與真核細(xì)胞間發(fā)揮作用,以此減少細(xì)胞毒性[54]。
天然抗菌肽穩(wěn)定性的問(wèn)題制約著其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。研究人員通過(guò)將黃蜂Polybiapadista毒液中提取的抗菌肽Polybia-MPI中所有的L-氨基酸用非天然D-氨基酸替換,由于空間構(gòu)型上的差異,使蛋白酶無(wú)法水解D-氨基酸構(gòu)成的肽鍵[55],或者通過(guò)構(gòu)建抗菌肽遞送載體的方式[56]提高了抗菌肽的蛋白酶穩(wěn)定性。羅文杰等[57]通過(guò)截取天然抗菌肽N端氨基酸殘基,并進(jìn)行固相合成,證明其在100℃以及在不同鹽濃度以及酸堿度(pH)條件下均可保持抗菌活性。
抗菌肽最初來(lái)源于生物體內(nèi)的天然抗菌肽,但是產(chǎn)量較低且分離困難;化學(xué)合成方法成本較高,且難以保持其空間結(jié)構(gòu)從而影響其生物學(xué)活性;基因工程重組蛋白表達(dá)因其產(chǎn)量較高成為目前較為主流的生產(chǎn)抗菌肽的方法,因其后期產(chǎn)物難以獲得純品而受到限制,但是可以通過(guò)優(yōu)化反應(yīng)條件,并采用鎳離子金屬螯合劑親和層析柱等技術(shù)對(duì)重組蛋白進(jìn)行純化,進(jìn)而獲得高效產(chǎn)出并且純度高的抗菌肽[58]。
抗菌肽對(duì)比抗生素在抗菌活力和抗菌譜方面還是存在差距。有研究表明,抗菌肽的抗菌效價(jià)與其所帶電荷數(shù)有關(guān),如Gong等[59]用帶正電荷的賴(lài)氨酸取代了皮抑菌肽Dermaseptin-AC親水性表面的不帶電荷的丙氨酸,降低了其最小抑菌濃度。但當(dāng)正電荷增加到一定值后導(dǎo)致抗菌肽之間的靜電斥力大于抗菌肽與細(xì)胞膜表面的吸引力,從而抑制抗菌肽與細(xì)胞膜的結(jié)合,導(dǎo)致抗菌能力下降[60]。此外螺旋結(jié)構(gòu)可以促進(jìn)抗菌肽插入細(xì)菌細(xì)胞膜,研究人員發(fā)現(xiàn)CAP-A的N端兩親性α-螺旋片段與LL-37的核心抗菌片段相結(jié)合設(shè)計(jì)出具有更多正電荷和更高螺旋結(jié)構(gòu)含量的雜交肽,從而提高了抗菌肽的抗菌活力并降低了溶血性[61]。
細(xì)菌會(huì)修飾其細(xì)胞壁成分,以減少其表面的凈負(fù)電荷。細(xì)菌細(xì)胞壁的莢膜多糖也可以起到屏蔽作用,阻礙微生物表面與抗菌肽的相互作用。有些細(xì)菌可以通過(guò)下調(diào)機(jī)體抗菌肽基因表達(dá),促進(jìn)細(xì)菌的黏附和侵襲。還有些細(xì)菌分泌降解抗菌肽的肽酶和蛋白酶,從而抑制抗菌肽的抗菌活性,線(xiàn)性肽是這些酶的主要靶標(biāo)[62]。生物被膜也是細(xì)菌產(chǎn)生抗藥性的主要原因??咕牡碾姾伞⑹杷院蜆?gòu)象等理化性質(zhì)在抗菌活性和生物體選擇性方面起著重要作用。
抗菌肽因其獨(dú)特的抑菌機(jī)制,使得細(xì)菌不易對(duì)其產(chǎn)生耐藥性,并且對(duì)抗生素耐藥型菌也展現(xiàn)出良好的抑菌效果,有希望成為抗生素理想替代品??咕钠琳闲迯?fù)和免疫調(diào)節(jié)功能使其具有良好的促生長(zhǎng)和抗病能力。作為一種多肽產(chǎn)物,抗菌肽容易被機(jī)體代謝,不易在動(dòng)物產(chǎn)品中殘留等一系列優(yōu)勢(shì)將在推動(dòng)畜牧業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮重要作用。基因工程技術(shù)結(jié)合適當(dāng)?shù)谋磉_(dá)體系、完善的表達(dá)策略和分離純化技術(shù),使得抗菌肽高效低成本的生產(chǎn)成為可能。氨基酸替換、環(huán)化、包埋,抗菌肽修飾等技術(shù)提高了抗菌肽的安全性以及穩(wěn)定性。隨著對(duì)抗菌肽作用機(jī)制和構(gòu)效關(guān)系研究不斷深入以及細(xì)菌耐藥性發(fā)生機(jī)制的了解,有針對(duì)性地對(duì)抗菌肽結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造,將極大提高抗菌肽的抗菌活性。在無(wú)抗養(yǎng)殖的大趨勢(shì)下,國(guó)內(nèi)外已有相關(guān)企業(yè)對(duì)抗菌肽產(chǎn)品進(jìn)行推廣和研究,應(yīng)用效果也得到證實(shí),但抗菌肽產(chǎn)品的發(fā)展成熟仍需科研人員與生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)一步合作探索,以便在未來(lái)替代抗生素的使用中發(fā)揮巨大作用。