抗菌肽抗菌机制的研究进展

中国抗生素杂志２０１３年８月第３８卷第８期抗菌肽抗菌机制的研究进展孙红薛越黄宁＋（四川大学华西基础医学与法医学院，成都６１００４１）

文章编号：１００１—８６８９（２０１３）０８－０５６８—０５

摘要：抗菌肽是广泛存在于生物体内的一类小分子多肽，是生物固有免疫系统的重要组成部分。抗菌肽不仅能够有效杀灭细菌，而且还对真菌、病毒、寄生虫甚至肿瘤细胞都具有一定的杀伤作用。抗菌肽因其作用迅速、广谱抗菌、不易产生耐药性等诸多特点，已成为医药卫生、畜牧养殖、水产动物等领域研究的热点。本文就当前抗菌肽抗菌机制的研究进展作一综述。关键词：抗菌肽；抗菌机制中图分类号：Ｑ７４；Ｑ５１文献标志码：Ａ

Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎａｎｔｉｂａｃｔｅｒｉａｌｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｏｆａｎｔｉｍｉｃｒｏｂｉａｌｐｅｐｔｉｄｅｓ

ＳｕｎＨｏｎｇ，ＸｕｅＹｕｅａｎｄＨｕａｎｇＮｉｎｇ

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６１００４１）

ＡｂｓｔｒａｃｔＡｎｔｉｍｉｃｒｏｂｉａｌｐｅｐｔｉｄｅｓ（ＡＭＰｓ），ａｋｉｎｄｏｆｓｍａｌｌｐｅｐｔｉｄｅｓｗｈｉｃｈｗｉｄｅｌｙｅｘｉｓｔｉｎｍａｎｙｏｒｇａｎｉｓｍｓ，ａｒｅ

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ｂａｃｔｅｒｉａ．ｂｕｔ

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自从２０世纪４０年代人们将第一种抗生素．青霉素投入临床使用以来，至今已有７０多年的历史。由于抗生素的发现和使用，医学得到了长足进步。然而随着全球抗生素的滥用，不断涌现的耐药菌甚至超级耐药菌使得细菌感染性疾病再次成为困扰人类的难题【ｌ＿２１。相对于多重耐药菌的不断出现，新型抗生素的研发则相对缓慢，研发高效、安全的新型抗菌药物迫在眉睫。抗微生物肽（简称抗菌肽）是机体抵御病原微生物侵袭过程中产生的一类具有抗微生物活性的小分子多肽，在宿主天然免疫和获得性免疫中起着重要作用。与传统抗生素相比，抗茵肽不仅具有广谱的抗菌活性，而且还能有效抑制和杀灭某些真菌、病毒、寄生虫和肿瘤细胞［３】。因此，抗菌肽很有可能成为新一代的抗菌药物，具有广阔的开发应用前景。１抗菌肽概述１．１抗菌肽的发现早在２０世纪７０年代，Ｈｉｎｋ、Ｂａｋｕｌａ等［４＿５１科学家率先从大蜡螟（Ｇａｌｌｅｒｉａｍｅｌｌｏｎｅｌｌａ）和黑腹果蝇ｆＤｒｏｓｏｐｈｉｌａｍｅｌａｎｏｇａｓｔｅｒ）ｉｆｌｌ淋巴中发现了可以杀灭细菌的物质。１９７４年，Ｂｏｍａｎ和他的同事［６】预先将

Ｅ．ｃｏｌｉＫ１２注入眉纹天蚕蛾（Ｓａｍｉａｃｙｎｔｈｉａ）蛹血淋

巴中，随后在血淋巴提取物中发现了具有可抗细菌活性的物质，且极低浓度（１％）的提取物在５ｒａｉｎ

收稿日期：２０１３．０４—１０基金项目：国家理科人才培养基金能力提高项目（ＮＯ．儿１０３６０４）作者简介：’通讯作者，黄宁，男，教授，Ｅ．ｍａｉｌ：ｈｕａｎｇｐａｎｘｉａｏ＠ｓｉｎａ．ｔｏｍ

万方数据抗菌肽抗菌机制的研究进展孙红等之内即能够杀灭１０３～１０４数量级的Ｅ．ｃｏｌｉ。在随后的研究中，该研究小组从受免疫刺激的惜古比天蚕ｆＨｙａｌｏｐｈｒａｃｅｃｒｏｐｉａ）１血淋巴中提取到了３种抗菌活性物质：Ｐ７、Ｐ９Ａ和Ｐ９Ｂｔ７１。１９８１年，他们研究得出了Ｐ９Ａ和Ｐ９Ｂ这两种抗菌物质的氨基酸序列，并将其命名为ｃｅｃｒｏｐｉｎＡ和ｃｅｃｒｏｐｉｎＢ，这是人类历史发现的第一种抗菌肽【ｓ】。在后续的研究中，科学家们在哺乳类、两栖类、爬行类、鱼类、昆虫类、鸟类动物以及植物等生物体内均发现了抗茵肽。１．２抗菌肽的结构特点及理化性质抗菌肽在一级结构上具有一定的保守性，其Ｎ端分子富含亲水性的Ｌｙｓ、Ａｒｐ等碱性氨基酸残基，而Ｃ端则含有较多的疏水残基且通常酰胺化。尽管不同来源的抗菌肽或同一来源的不同抗菌肽在氨基酸组成和序列上存在着很大的差异，但其二级结构却存在一些相似的特点。大多数抗菌肽都具有水脂两亲的１３，．螺旋结构【９】。此外，Ｂ．折叠，伸展片层结构和环形结构也都是最常见的二级结构【１０】。根据抗菌肽所携带电荷性质，可将其分为阳离子抗菌肽（ｃＡＭＰｓ）、阴离子抗菌肽（ａＡＭＰｓ）币Ｈ中性抗菌肽（ｎＡＭＰｓ），其中绝大多数抗菌肽属于阳离子抗菌肽。抗菌肽通常由１２～５０个氨基酸残基组成，相对分子质量小，大约为４～１０ｋＤａ；热稳定性好，在１００℃条件下３０ｍｉｎ仍能保持一定的活性；等电点一般＞７，表现出较强的阳离子性；具有较强的抗酸碱抗离子强度的特性，在较低的ｐＨ环境和较强的离子强度条件下仍可保持较好的活性；部分抗菌肽还能通过作用于胰蛋白酶上的特殊位点，抵抗胰蛋白酶的水解作用…］。１．３抗菌肽的选择杀伤性细菌的外膜含有较多带负电荷的分子，如脂多糖、磷壁酸等。阳离子抗菌肽可通过静电吸引与脂多糖或磷壁酸的二价阳离子结合位点相互作用，竞争性取代Ｍｇ：＋或Ｃａ２＋，从而与细胞膜结合。相比于原核细胞，真核细胞膜在结构和组成成份上有很大差异。在结构上，真核细胞膜的磷脂呈不对称性分布。磷脂双分子层的外层由不带电荷的中性磷脂组成，而对阳离子抗菌肽亲和的负性磷脂则分布在内层且磷脂基头部朝向细胞质侧。在成份上，真核细胞膜含有丰富的胆固醇和膜蛋白。两者的存在使细胞膜趋于稳定，能阻止抗菌肽渗透进入真核细胞。因此，细胞膜结构和组成成份的差异使得抗菌肽对细菌具有选择杀伤的特点【１２】。２抗菌肽的直接杀菌机制抗菌肽不仅能够有效的杀灭细菌和真菌，而且对临床上分离的多重耐药菌也具有较强的杀伤作用［１３】，在预防感染、清除病原体方面起着重要作用。尽管当下对抗菌肽抗菌机制的研究炙手可热，但其作用机制仍未被完全阐明。目前大量研究证实抗菌肽可通过作用于细胞膜和胞内不同的靶点发挥广谱抗菌作用。２．１胞膜渗透作用绝大多数的抗菌肽都具有阳离子性、水脂两亲性等结构特点，可通过静电吸引或受体介导作用…］与细菌细胞膜结合。抗菌肽与细菌细胞膜结合后，疏水部分与胞膜磷脂结合并插入到细胞膜中，亲水部分与胞膜脂质结合构成通道内壁，从而形成跨细菌细胞膜的通道。细胞膜脂质双分子层结构和完整性受到破环，通透性增加，导致细胞内容物大量外流，细胞外有害物质大量内流，使细胞渗透压发生改变，诱导细菌细胞死亡。Ｓｏｎｇ等【”］采用固态核磁共振、质谱分析、电生理等方法研究发现，Ｄｅｒｍｃｌｄｌｎ脏…够在细菌细胞膜上形成高电导跨膜通道，进而抑制金黄色酿脓葡萄球菌的生长。从噬菌体中提取出的抗菌肽ＥＣ５能够快速通过Ｅ．ｃＤ，ｆ和Ｐ口Ｐ埘ｌｇｆ聆∞口的外膜，引起细胞膜的快速去极化，从而有效杀灭革兰阴性菌［１６１。Ｈｕ等［・，佣透射电镜观察到ｍｏｒｉｃｉｎ和ｃｅｃｒｏｐｉｎＢ这两种昆虫来源的抗菌肽通过广泛破环副猪嗜血杆菌ＳＨ０１６５细胞膜，从而有效地清除猪体内的病原菌。Ｂａｉ等［１８】研究发现抗菌肽Ｂ２０８８能够作用于细菌内膜，使内膜上的脂质重新分布，从而增加细胞膜的通透性，加速细菌溶解。由于微生物细胞膜超微结构的特异性以及研究者采用人工脂质膜模型的不同，同种抗菌肽可能通过不同的抗菌机制作用于细菌，不同种类的抗菌肽也可通过同一种抗菌肽机制发挥抗菌作用。根据长期大量的研究，研究者们构建了４种不同的胞膜渗透模型。２．１．１桶板模型（ｂａｒｒｅｌ．ｓｔａｖｅｍｏｄｅｌ）

抗菌肽利用静电作用结合于细菌细胞膜磷脂双分子层的表面并相互聚合，诱使细胞膜发生构象改变，并以多聚体的形式从垂直于细胞膜的方向插入到细胞膜磷脂双分子层中。多聚体中的肽分子在细胞膜上呈束状排列，疏水面向外朝向细胞膜的酰基链，亲水面朝内形成孔隙或通道，从而形成横跨细胞膜的离子通道。Ｃｅｒａｔｏｔｏｘｉｎ是从地中海果蝇（Ｃｅｒａｔｉｔｉｓｃａｐｉｔａｔａ）中提取的含有０【螺旋的阳离子肽类，其Ｎ端可将抗菌肽锚定细菌细胞膜上，Ｃ端则伸

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入细胞膜中形成螺旋束，并可利用电势梯度使细胞膜发生高度不对称的弯曲，进而形成电压依赖性的跨膜离子通道【１９１。采用桶板模型发挥胞膜渗透作用的抗菌肽一般具有两亲性Ｃ【．螺旋或Ｂ折叠片层结构等特点［２０１。２．１．２毯式模型（ｃａｒｐｅｔｍｏｄｅｌｌ该模型中，抗菌肽平行于细胞膜排列，如同一张“毯子”覆盖于细菌细胞膜表面。当抗菌肽达到一定浓度时，被覆盖区域的细胞膜能量恶化，稳定性降低，随即细胞膜弯曲破裂，最终导致细胞膜结构破环，细胞内容物外渗［２ｌ】。Ｌ６ｐｅｚ—Ｏｙａｍａ等［２２】在探讨抗菌肽Ｂａｃｔｅｎｅｃｉｎ与二棕榈酰磷脂酰胆碱（ＤＰＰＣ）脂双层和十四酰磷脂酸（ＤＭＰＧ）的相互作用时发现，Ｂａｃｔｅｎｅｃｍ陀～自我聚集组装，首先形成长丝状网格，然后逐渐形成毯式结构覆盖于ＤＭＰＧ表面。当抗菌肽达到临界浓度，孔状结构即产生。采用毯式模型抗菌的抗菌肽多含有Ｂ折叠结构，长丝状网格是１３折叠与细胞膜相互作用的结果。２．１．３环形孔模型（ｔｏｒｏｉｄａｌｐｏｒｅｍｏｄｅｌ）抗菌肽与细胞膜表面结合后，其疏水基极性头部的移位可使细胞膜疏水中心形成裂口，引起细胞膜正向弯曲拉伸，细胞膜的裂口和拉伸进一步破环了细胞膜的完整性。相比于桶板模型，环孔模型中抗菌肽不仅要垂直插入脂质双分子层内，而且还要始终与胞膜的磷脂头部相结合共同形成跨膜通道。Ｙｏｎｅｙａｍａ等２３】首先报道了乳酸乳球菌素（１ａｃｔｉｃｉｎＱ）能够通过在革兰阳性菌细胞膜上形成环形孔进而杀灭细菌。ＬａｃｔｉｃｉｎＱ能够快速作用于细菌外膜，形成至少４．６ｎｍ的孔道引起细小蛋白质外漏。来源于海葵的ｓｔｉｃｈｏｌｙｓｉｎ是一种成孔毒素，可通过其Ｎ端Ｑ．螺旋使磷脂双分子层倾斜３１０，进而形成约２ｎｍ的环形孔，使细胞内容物大量外漏，从而发挥其毒性作用【２４】。２．１．４凝聚模型（ａｇｇｒｅｇａｔｅｍｏｄｅｌ）该模型认为，结合于细胞膜表面的抗菌肽插入到细胞膜后，可通过自身结构的改变与胞膜脂质分子形成类似胶束状复合物。随后复合物聚集在一起，以肽．脂质分子凝聚物的形式跨越细胞膜，形成动态的孔道。与环形孔模型相比，在凝聚模型中的抗菌肽没有特定的取向。２．２胞内杀菌作用尽管大多数抗菌肽都是通过胞膜渗透作用引起膜结构破环杀灭细菌，但少数抗菌肽也能在并未破环细胞膜的情况下使细菌死亡【：引，说明胞膜渗透作用并不唯一的杀菌机制。随着研究的深入，近年来大量实验结果表明抗菌肽能通过与胞内靶点结合，扰乱细菌细胞正常代谢，发挥杀菌作用。２．２．１抑制ＤＮＡ复制和ＲＮＡ合成抗菌肽能与核酸结合，抑￥１ＪＤＮＡ复制和ＲＮＡ产生。Ｙａｎ等［２６】研究发现ＮＫ－１８能作用于细菌细胞膜和胞陕ＪＤＮＡ，对一些多重耐药菌具有强大抑菌活性。抗菌肽ｂｕｆｏｒｉｎＩＩ的衍生物ｂｕｆｏｒｉｎＩＩ．Ａ平Ｉ］ｂｕｆｏｒｉｎＩＩ—Ｂ穿过金黄色葡萄球菌细胞膜后在细胞内通过与ＤＮＡ结合，特异性的将ＤＮＡ复制阻滞在合成期而发挥抑菌作用。进一步研究发现，ｂｕｆｏｒｉｎＩＩ刖Ｂ能插入ＤＮＡ双链的凹槽中，干扰碱基对的积聚，从而影响ＪＤＮＡ的复制，减弱ＥＢ—ＤＮＡ复合体的荧光度［２７］。２．２．２影响细胞壁和隔膜的形成，抑制细胞分裂抗菌肽能影响细胞壁和隔膜的形成，抑制细胞分裂。Ｌａｃｔｏｃｏｃｃｉｎ９７２是一种非羊毛硫氨酸抗生素的抑菌素，其可以与细胞壁合成前体中的ｌｉｐｉｄＩＩ受体结合，特异性阻碍细菌细胞壁和隔膜的形成【：引。放线菌合成的Ｐ１ａｎｏｓｐｏｒｉｃｉｎ能选择性的阻断肽聚糖的生物合成，引起处于分裂期细菌肽聚糖前体的异常积聚，从而阻断细胞壁的形成【２９】。Ｔｒｉｎｅｔｔａ等【３０】用质谱分析发现纯化的ＳａｋａｃｉｎＡ具有裂解活性，能够作用