动物和植物体内的抗菌肽
摘要：抗菌肽是一类对细菌、真菌等微生物有抑制或杀灭作用的小分子多肽，文章介绍了植物和动物抗菌肽的主要类型、结构和功能。
关键词植物抗菌肽动物抗菌肽昆虫抗菌肽
抗菌肽是一类对细菌、真菌等微生物有抑制或杀灭作用的小分子多肽，它能被细菌、真菌或物理、化学的刺激所诱导。
有些抗菌肽甚至在植物体内能自动表达、成为植物的化学组分。
抗菌肽是宿主先天性非特异性防御系统的重要组分，机体受到损伤或病原微生物入侵时，能迅速产生抗菌肽来杀伤入侵者。
自20世纪80年代初天蚕素和防御素纯化鉴定以来，天然抗菌肽的研究引起人们的极大兴趣。
迄今为止，已经发现抗菌肽广泛分布于植物、动物、微生物及人体中，目前已有大约2000多种抗菌肽被分离出来。
本文介绍植物和动物抗菌肽的主要类型、结构和功能。
1 植物抗菌肽
植物对微生物的防御一直是植物病理学研究的热点，病菌危害是世界范围内农作物减产的重要原因。
植物的生长时时都可遭受微生物的侵袭，目前研究表明，它虽然没有哺乳动物那样特异的免疫系统，但非特异的天然免疫体系却十分惊人：不同类型的具抗菌作用的物质(如过氧化氢酶裂解酶)、次生代谢物质以及抗菌蛋白(如病原相关蛋白、PR蛋白)和抗菌肽等在植物中广泛存在。
其中，对植物抗菌肽的研究近年来十分活跃，在许多研究领域都显示出越来越重要的理论和应用价值。
1．1 硫堇硫堇是一类首先在禾本科植物种子中发现的分子量为5kD左右的碱性蛋白，氨基酸残基数为45～47。
根据含有Cys的多少可分为两类：一类含8个Cys；而另一类只含6个Cys，如在萝卜(radish)储藏器官及阿比西尼亚甘蓝(abyssinian cabbage)种子中得到的硫堇都含6个Cys，而禾本科植物的种子和叶的硫堇蛋白都含有8个Cys。
在所有的硫堇蛋白中保守的氨基酸残基序列是3、4、l6、27、33和4l位的Cys，10位的Arg以及l3位的芳香族氨基酸残基。
三维结构研究表明无论是含8个Cys或6个Cys的硫堇都具有相似的“L”型结构，其长臂由两条反平行的ot一螺旋构成，短臂由两条反平行的p一链构成的B一折叠形成⋯。
硫堇广泛分布于单子叶植物和双子叶植物，在植物体的根、种子及叶也得到了多种硫堇蛋白。
50多年前，人们知道硫堇在体外能抑制细菌及真菌的生长。
近年来的研究表明，硫堇能抑制许多病原细菌(包括革兰氏阳性和阴性菌)和真菌的生长，其抗菌机制可能是造成细菌细胞内物质的泄漏。
5mol／L Ca¨离子就能抑制硫堇的抗菌活性，而对其它离子如Ba“、K 、Mg 等相对不敏感。
1．2 植物防卫素植物防卫素因与动物防御素同源而得名，分子量与硫堇相当，一般有45—54个氨基酸残基，含8个Cys。
典型的植物防卫素包含一条三链反平行的8一折叠和一段d一螺旋。
其中，d一螺旋中的CXXXC(C代表Cys，X代表任意氨基酸)片段的Cys残基通过二硫键与c端的8一链中CXC片段的Cys残基相连，这种由Cys残基形成稳定的d一螺旋结构也见于昆虫防卫素L 。
植物防卫素能抑制多种真菌的生长，大量研究表明它能导致真菌显著而持续的钙离子流入和钾离子渗出，培养基中离子浓度的增加，会降低防卫素的抗真菌能力。
植物防卫素广泛分布于种子植物，在植物的各种器官中都发现了防卫素。
研究表明，植物防卫素基因表达呈现严格的器官特异性。
目前已知，至少有四种防卫素是由真菌感染诱导的，因此防卫素在植物的防御反应中起着重要作用。
1．3 脂转移蛋白脂转移蛋白约含90—93个氨基酸残基，是具有8个Cys的同源肽家族。
由于其在体外能将磷脂从线粒体表面转运到内部而得名。
但从橡胶种子中得到的脂转移蛋白却不具转脂活性，而有很强的抗菌活性。
特别是近几年的研究表明，多种脂转移蛋白具有抗菌活性，不仅能抑制许多革兰氏阴性菌，还能抑制革兰氏阳性菌和多种真菌的生长，是一类特殊的抗菌肽家族。
大量脂转移蛋白家族的氨基酸序列比较表明，高达30％的氨基酸序列在所有转脂蛋白中明显保守，包括8个Cys、以及12个疏水氨基酸和芳香氨基酸的位置。
通过核磁共振(NMR)对其立体结构的研究发
现，脂转移蛋白都具有由4个柔环连接成的、d螺旋结构相似的折叠模式l 1，。
有关脂转移蛋白抗菌机制的研究，有的学者认为，转脂蛋白的真正功能在于通过协助转运亲脂物质而保护损伤细胞免受微生物的侵害。
据报道，在植物的许多器官中(胚、子叶、茎、叶、十字花科的果实以及花器官)都存在脂转移蛋白。
1．4 橡胶素类抗茵肽这是一类含几丁质结构域的植物抗菌蛋白。
橡胶素是橡胶乳液中的一种主要蛋3·白，含43个氨基酸残基(其中8个是Cys)，能抑制多种真菌的生长，即使是去几丁质酶的橡胶素制剂也有抑菌作用，与橡胶素同源的抗菌肽家族还能抑制多种革兰氏阳性细菌的生长。
NMR分析显示，橡胶素抗菌肽是由一条3链的8一折叠和一段连接着第二、第三段链的d一螺旋构成。
扭结菌素(knottin)类抗菌肽含6个Cys，三维结构与橡胶素有相似之处，包括一条3链的8一折叠和一个连接着第一、第二段链的长环 j。
1．5 含4个Cys的抗茵肽Duvick等从玉米种子中分离出一种抗菌肽MBP一1，含33个氨基酸残基、4个Cys，分布在两个CXXC片段之中，MBP一1能抑制大多数真菌以及至少一种革兰氏阳性菌和一种革兰氏阴性
菌的生长。
Tailor等在凤仙花种子中发现一种抗菌肽lb—AMPs，它与目前所报道的抗菌序列完全不同，仅有20个氨基酸残基，序列为CC或CXXC，是迄今为止在植物中发现的最短抗菌肽，能抑制多种真菌和革兰氏阳性菌的生长，而对革兰氏阴性菌和培养的人细胞没有影响⋯。
2 动物抗菌肽
动物抗菌肽是宿主先天性非特异性防御系统的重要组成部分。
机体受到损伤或病原微生物入侵时，能迅速产生抗菌肽杀伤入侵者。
1965年人们从蜜蜂毒液中分离出了第一个抗菌肽，抗菌肽的研究丰富了人们对高等生物免疫防御机制的认识l引。
Boman称抗菌肽是机体理想的第一道防线，因为抗菌肽的合成速度迅速且具广谱抗菌作用。
目前，在哺乳动物、两栖动物和昆虫中均已发现各种不同的抗菌肽。
2．1 哺乳动物防御素已经在各种脊椎动物中发现了100余种防御素。
防御素具有广泛的抗革兰氏阴性菌和阳性菌、真菌和一些具包膜病毒的活性。
防御素由29—45个氨基酸残基组成，富含Arg，两性的8折叠结构是它明显的特征结构，其中6个Cys形成3个分子内二硫键，增加了它的稳定性。
也有些抗菌肽形成两性d螺旋结构。
哺乳动物防御素有d一防御素和8一防御素两种。
二者在氨基酸的数量、Cys的位置及连接上存在差异。
8一防御素含38—42个氨基酸，比Ot一防御素略长。
防御素含29～35
个氨基酸，其中约有30％的氨基酸具保守性，而8一防御素中60％一70％的氨基酸是保守的。
d一防御素和$一防御素都为组成型抗菌肽，两者分布不同，d一防御素主要存在于一些具细胞素的颗粒中，而$一防御素则由上皮细胞合成，分泌进入消化道、皮肤和伤口等与空气接触的黏液中。
最早发现的防御素是兔巨噬细胞中的d一防御素，后来在人、鼠、豚鼠等嗜中性颗粒细胞的嗜苯胺蓝颗粒体和一些巨噬细胞的嗜苯胺蓝颗粒体中也以现了d一防御素，占整个细胞总蛋白质的5％还多。
人和鼠中，具宿主防御功能的小肠隐窝富含颗粒体的上皮分泌细胞及帕内特细胞也能分泌一防御素。
人小肠有两个防御素组分，而小鼠有16种或更多，这些肠道d一防御素能抑制肠内细菌的繁殖。
B一防御素是在中性细胞和猫的呼吸道中发现的，鸡白细胞中也发现有B一防御素。
牛呼吸道产生大量B一防御素(又称为气管抗菌肽)，运送到伤口或暴露在脂多糖黏膜上，猜测它们在宿主呼吸道防御中可能起重要作用。
2．2 两栖类抗茵肽蛙皮肽是人们首先从蛙皮中分离得到的抗菌肽，后来在蛙胃也有发现。
极低浓度蛙皮肽就能杀死革兰氏阳性菌和阴性菌、真菌和原生动物。
该肽有2l一27个残基，不存在Cys，以蛋白前体形式在体内合成，前体蛋白被酶切后成几个片段，成为成熟肽。
蛙皮肽具有两性d螺旋结构，一端呈疏水性，而另一端是亲水性的。
在不同的蛙中已经发现有其他类型的抗菌肽。
蛙皮菌素(Bermaseptin)含28—34个氨基酸残基，来自phyllomedusa；铃蟾抗菌肽具25—27个残基，来自铃蟾(Bombina)。
它们不但相互间无序列相似性，而且与蛙皮肽也无相似性可言。
但和蛙皮肽一样，它们都是线性阳离子肽，呈现两性d螺旋膜相关联的构象【5l。
2．3 昆虫抗茵肽昆虫抗菌肽是发现最早的一类抗菌肽，到目前为止，在昆虫中已发现了大量的抗
细菌肽、抗真菌肽和既抗真菌又抗细菌的抗菌肽。
这些抗菌肽不仅对细菌、真菌有广谱抗菌能力，对病毒、原虫及癌细胞也有杀伤作用。
此外，还具有对高等动物正常细胞无害的特点。
在面临抗药性和筛选新的抗生素极端困难的情况下，昆虫抗菌肽可能成为抗生素的新来源。
昆虫受伤后，能诱导血细胞和脂肪体迅速产生并释放大量不同组分抗菌肽进入血液，杀死外来细菌。
2．3．1 昆虫抗细菌肽根据分子结构和成分，昆虫抗细菌肽可分为四类：①两性分子螺旋的抗细菌肽，例如天蚕素。
它们由3l一39个氨基酸残基组成。
这类抗细菌肽分子内有两性分子的螺旋结构，但不含Cys，不具二硫键，N端和c端都有d螺旋结构。
N端通常呈碱性，带正电荷，亲水；C 端酰胺化，中性或微酸性，不带电或带少量负电荷、疏水。
②有分子内二硫键的抗细菌肽，例如昆虫防御素。
这类抗细菌肽在分子中也形成两性分子的仅螺旋结构，但在肽分子中含有Cys，并形成分子内二硫键。
它们首先从肉蝇中分离得到，与哺乳动物防御素高度同源，后来从麻蝇中也分离生物学教学2004年(第29卷)第9舅到这类防御素。
除双翅目昆虫外，在半翅目、鞘翅目、膜翅目、毛翅目和蜻蜓目昆虫中都已发现了昆虫防御索。
③富含脯氨酸的抗细菌肽，例如，蜜蜂血淋巴中存在4种富Pro的抗菌肽。
其中3种均由l8个氨基酸残基组成，而另一种抗菌肽含有34个氨基酸残基，二者没有明显的同源性。
但这些分子均富含Pro，且都只对革兰氏阴性菌有作用。
果蝇菌素(dms~in)和红蝽菌素(pyrrhocoricin)两种抗菌肽分别来源于果蝇和无翅红蝽，果蝇菌素由19个氨基酸残基组成，红蝽菌素包含22个氨基酸残基。
两类抗菌肽分子中Pro的含量均达到30％，而且都在第11个氨基酸(Thr)残基上发生糖化作用。
已经从碧蝽中分离出4种富含Pro的抗细菌肽。
其中，两种由15个氨基酸残基组成，另外两种由l6个氨基酸残基组成。
四种抗菌肽高度同源，仅在末端3个氨基酸残基上发生变化。
④富含甘氨酸的抗细菌多肽，例如，黏附菌素(attacins)分子量超过20kD。
从天蚕中分离出6种黏附菌素，其中4种呈碱性，2种呈中性或微酸性。
碱性和酸性黏附菌素同源性高达80％。
这类抗菌肽仅对部分革兰氏阴性菌表现抑菌作用。
麻蝇蛆抗菌蛋白(sarcotoxins lI)也是富含Gly的昆虫抗菌肽，分子量为30kD，是目前昆虫中发现的分子量最大的抗细菌多肽，来源于麻蝇。
麻蝇蛆抗菌蛋白分子C端大约250个氨基酸区域内富含Gly，N端约l5
个氨基酸区域内富含Pro j．
2．3．2 昆虫抗真菌肽昆虫抗真菌肽(antifungal pep—tide)是Iijima等首次从麻蝇中发现的。
它曲67个氨基酸组成，分子中富含Gly和His。
在蒸馏水和盐溶液中有较强的杀菌能力，而在萨堡培养基中，必须有呋喃西林的存在才有抗菌活性。
从鞘翅目昆虫东北大黑鳃金龟子幼虫中分离得到的蛴螬菌素(holotricin)，由84个氨基酸残基组成。
与麻蝇抗真菌肽相似，这类抗菌肽分子内也富含Gly和His，而且分子量相近，但在氨基酸序列上却没有明显的同源性。
果蝇幼虫和成虫经细菌诱导，均可产生广谱抗真菌肽～果蝇霉素(drosomycin)。
该抗真菌肽由44个氨基酸残基组成，分子内含8个Cys残基，形成4个二硫键。
2．3．3 既抗真菌叉抗细菌的昆虫抗茵肽梅奇尼可夫菌素(metchnikowin)来自于果蝇，由26个氨基酸残基组成，对革兰氏阳性菌和真菌均表现抗菌作用。
氨基酸序列和cDNA克隆的分析表明，该抗菌肽在果蝇中以两种类似物存在，两者高度同源，只有1个氨基酸不同。
死亡素是刺肩蝽成虫经诱导产生的一种抗菌肽，由21个氨基酸残基组成。
该抗菌肽对革兰氏阳性、革兰氏阴性菌以及真菌都有很强的抗菌活性[ 。
