天然抗菌肽的研究进展及应用前景

·综述与专论·BIOTECHNOLOGYBULLETIN

2009年第1期天然抗菌肽的研究进展及应用前景

吴甜甜

摘

杨洁

（大学生命科学与技术学院，乌鲁木齐830046）

要：天然抗菌肽是生物体内经诱导产生的一种具有抗菌活性的小分子多肽，来源广泛。目前已从多种物种中

分离纯化出千余种抗菌肽，其分子量大约在3~6kD之间，由20~60个氨基酸残基组成。天然抗菌肽具有多种生物活性，如抗细菌、抗真菌、抗病毒和抗癌细胞等作用。综述了天然抗菌肽的分类、生物活性及其作用机理和应用前景。

关键词：抗菌肽分类生物活性作用机理

ProgressinInvestigationofNaturalAntimicrobialPeptidesand

ApplicationProspect

WuTiantianYangJie

（LifeScienceandTechnologyCollegeofXinjiangUniversity，Urumqi830046）

Abstract：

NaturalAntimicrobialpeptides（AMPs），afamilyofshort-chainpeptideswithantibacterialactivity，are

widelyspreadinbiologicaluniverse.Atpresent，therearemorethanonethousandantimicrobialpeptidesthathavebeensolutedandpurifiedfrommanyspecies，themolecularmassofwhichrangefromabout3~6kDandcomposingof20~60aminoacids.NaturalAntimicrobialpeptideshavemanyactivities，suchasantiviralactivity，antifungalactivity，antimicrobialactivityandanticanceractivity.Thisarticlesummarizedthecategorization，biologicalactivity，antibacterialmechanismandprospectiveapplicationofnaturalantimicrobialpeptides.

Keywords：AntimicrobialpeptidesCategorizationBiologicalactivityAntibacterialmechanism

天然抗菌肽（Antimicrobialpeptides，AMPs）是生物体经诱导产生的具有抗菌活性的一类小分子多肽，来源广泛，其分子量小，大约在3~6kD之间，耐热、耐酸性强，水溶性好，显示出高速的杀菌能力和广谱的抗菌活性，包括革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、真菌、寄生虫、病毒和肿瘤细胞[1]。天然抗菌肽具有高效、低毒、无污染等特点，极有可能成为新一代绿色环保抗菌新药物，在畜牧业、养殖业、食品业中也会有广泛的应用前景。简要综述了天然抗菌肽的分类、生物活性及其作用机理和广阔的应用前景。

由于大多数抗菌肽的二级结构中都有a-螺旋和β-折叠，因此可以依据其二级结构特点将其分为a-螺旋型、β-折叠型和环链结构型。a-螺旋型抗菌肽主要包括天蚕素、爪蟾抗菌肽、cathelindia等。典型的β-折叠型抗菌肽是动物防御素。除了防御素外，来自猪的Protegrins和马蹄蟹的tachyplesins等也具备β-折叠结构[2]。

1.2根据结构特点

根据抗菌肽的结构特点和抗菌性等，将动物性

抗菌肽分为4类：（1）天蚕素类（Cecropins）由瑞典科学家Boman等人与1980年于天蚕蛹中分离得到的[3]。该类多肽抗生素一般含有37～39个氨基酸残基，其N端具有强碱性，形成双亲螺旋结构，C端可形成疏水螺旋并被酞胺化，酞胺化对其抗菌活性具有重要作用；（2）防御素类（Defensins）是1980年洛

1天然抗菌肽的分类

天然抗菌肽种类繁多，根据其二级结构、结构

特点和来源等可以有不同的分类方式。

1.1根据二级结构特点

收稿日期：2008-10-18

作者简介：吴甜甜（1982-），女，在读研究生，研究方向：生化制药；E-mail:momowutiantian@126.com

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生物技术通报BiotechnologyBulletin

2009年第1期杉矶Leherer实验室首次从兔肺巨噬细胞中发现两个阳离子性极强的小分子抗菌肽，其后又发现一系列一级结构相似的小肽分子。所有的防御素都有一个共同的6个半胱氨酸基序列，它们形成3个分子内二硫键，呈反向平行折叠结构，对革兰氏阳性菌（G+）有强抗菌活性，对革兰氏阴性菌（G-）的抗菌活性较弱；（3）蛙皮素类（Magainins）富含pro残基，是费城Zaslof研究组于1987年发现，此后相继发现了多种蛙类抗菌肽，如在非洲爪蟾中就有10多种抗菌肽，不仅在皮肤颗粒腺表达，也有存在于胃黏膜和小肠道细胞。蛙类抗菌肽具有协同效应，但不同的蛙类抗菌肽很少具有同源性；（4）蜂毒素（Melittin）富含Gly残基，是蜜蜂毒液中的一种多肽[4]，是从欧洲蜜蜂Apismellifera中分离到的一个26个残基的肽，是蜂毒的一种主要组成成分，除具有溶血活性外，还具有抗微生物的特性。

1.3根据来源

最早发现的抗菌肽来自植物的硫素（thionin），

实验证明其能杀死多种病原菌的活性，且对植物具有保护功能[5]。随后从植物、动物以及一些微生物中都发现了抗菌肽[6]。根据抗菌肽的来源，可以将其分为哺乳动物抗菌肽、水生动物抗菌肽、两栖类抗菌肽、昆虫抗菌肽、植物抗菌肽和细菌抗菌肽等

[7]

。

2抗菌肽的生物活性

抗菌肽具有广谱抗菌活性，很多抗菌肽不仅能

杀死细菌，而且对真菌、原生动物、包被病毒以及恶性细胞具有细胞毒性。抗菌肽与传统抗生素相比，抗菌肽的抗菌作用有以下特点：（1）抗菌谱广，对G+、

G-真菌都有高效的抗菌作用。（2）杀菌快速，大多

数抗菌肽都可以在5min内引起细胞的死亡；（3）作用专一，原核生物，肿瘤细胞与正常的真核细胞膜结构不同，抗菌肽可以选择地作用于原核细胞肿瘤细胞，而对正常细胞的作用不明显；（4）不产生耐药性；（5）无致畸作用；（6）不易产生蓄积中毒。下面主要介绍抗菌肽的几种主要的生物活性[2]。

2.1抗细菌、抗真菌活性

绝大多数抗菌肽具有抗革兰氏阳性，革兰氏阴

性细菌和真菌的活性。Magainins是爪蟾产生的含

21～27个氨基酸的一类碱性无半胱氨酸的抗菌肽，

微克分子浓度的Magainins就能杀死革兰氏阳性、阴性细菌、真菌。昆虫抗菌肽[8]偏好杀死革兰氏阳性菌；天蚕素P1偏好杀死革兰氏阴性细菌[9]；植物抗菌肽等偏好杀死真菌[10]。

2.2抗病毒活性

研究表明，蜂毒素在亚毒性浓度下可以抑制鼠

逆转录病毒、烟草花叶病毒[11]、单纯疱疹病毒（HSV）[12]和HIV-1病毒的复制[13]。天蚕素类对真核细胞无毒性，对HIV-1有明显的抑制作用[13]。6种蛙皮素和其中的2种组合能够对HSV-1和HSV-2的复制都有抑制作用[14]。南美树蛙皮肤中分离的抗菌肽De-

rmaseptinsS4在体外对HSV-1有明显的杀灭作用[15]，

对HIV-1也有抑制作用[16]。哺乳动物中分离出来的防御素对多种哺乳动物病毒都有抑制或杀死作用，如HSV病毒、疱疹性口腔炎病毒、A型流感病毒等，但对无包膜病毒艾柯病毒-11和呼肠孤病毒-3无抑制作用[17]。研究发现，人α-防御素-l、α-防御素-2、α-防御素-3具有灭活HIV-l的作用[15，16]。

2.3抗肿瘤活性

膀胱癌来源的细胞系在转天蚕素和蜂毒素基

因后，其致癌能力完全丧失或降低。1μg／ml的人源性抗菌肽与肿瘤细胞作用14h有明显的抑癌作用。天蚕素、爪蛙素、鼠抗菌肽NP-1和NP-2及人抗菌肽HNP-1均对纤维瘤细胞、宫颈癌细胞、肺癌细胞具有一定的杀伤能力[2]。中国鲎肽能和整联蛋白结合序列RGD结合，表明它是通过破坏细胞膜并诱导细胞凋亡抑制肿瘤细胞和内皮细胞的增殖，而改造的抗菌肽DPI能够激发肿瘤细胞快速的凋亡[18]。

2.4促进伤口愈合

研究发现，部分抗菌肽能够促进肉芽组织增

生，加快创面愈合，原因是抗菌肽能够刺激纤维母细胞、淋巴细胞和血管内皮细胞的增殖[2]。

3

作用机理

3.1

抗细菌机理

据文献报道[19]，抗菌肽的作用机理归纳起来有

3类：（1）抗菌肽穿过细胞膜后与细胞内目标特异性

结合所产生的破坏，包括抑制DNA、RNA的合成，抑制蛋白质的合成等，或者在细胞膜上打孔导致细胞膜通透性增大，从而破坏细胞膜的完整性而致靶

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细胞死亡；（2）阻断细胞膜组分合成或者抑制呼吸等机制致靶细胞死亡；（3）作用于宿主细胞，激活机体免疫功能。

3.2抗真菌机理

人们对抗真菌的机理进行的研究结果表明，抗

真菌机理主要有：阻止、破坏真菌细胞壁的合成；如棘球白素（echinocandins）是（1，3）-β-葡聚糖合成酶的非竞争性抑制物，通过抑制葡聚糖的合成抑制真菌细胞生长；与真菌细胞内线粒体、核酸等大分子细胞器相互作用，最终导致真菌死亡；与膜作用，在脂膜上形成孔洞，使重要的内容物外泄[20]。线性、α-螺旋肽与膜作用主要有两种机制：孔洞模型和毯式模型。

3.3抗病毒机理

DatherKA研究发现，抗菌肽中和病毒的程度

与其浓度及分子内二硫键的完整性有关。另外，还受接种时间、pH、温度以及培养液成分等因素的影响。目前已经证明有3种抗菌肽抗病毒的机制[21]。其中包括直接与病毒粒子结合而抗病毒；抑制病毒的繁殖而抗病毒；模仿病毒的侵染过程而抑制或杀死病毒[20]。

3.4抗肿瘤机理

肿瘤细胞的细胞骨架系统发育不完善，抗菌肽

可以插入到细胞质膜，使细胞的双分子层发生溶解，微管崩解，完整性被破坏[2]。此外，抗菌肽能使癌细胞膜上形成孔洞，内容物外泄，线粒体空泡化，嵴脱落，核膜界限模糊不清；有的核膜破裂，核染色体DNA断裂，抑制染色体DNA的合成[22]。有实验研究还证明抗菌肽可以调动机体的免疫功能来抵抗肿瘤的入侵。

4应用前景及其展望

抗菌肽以其广谱抗微生物、作用快、安全、无残

留、能够刺激免疫反应和对环境有较强的抗性[4]等特点将被广泛的应用在多个领域，如畜牧业、果树育种、食品加工业、医疗和制药等。例如陈晓生等

[23]

报道，小鸭阶段添加抗菌肽制剂对生产性能影响明显；马卫明等[24]研究表明抗菌肽添加于断奶猪仔饲料中，可减轻猪仔的腹泻。作为小分子的抗菌肽基因转入植物将大大提高农作物的抗病性[25~27]。实验研究表明，抗菌肽与抗菌药物联用可减少抗菌药物

的用量，降低副作用。加拿大的IntraBiotics公司用

protegrinⅠ开发出的喷雾制剂用于呼吸道感染及口

腔黏膜炎取得满意疗效[28]。传统的抗生素的抗菌谱一般较窄，但大多数的抗菌肽具有广谱的抗病原体活性，可抗革兰氏阳性、阴性细菌、病毒、真菌、肿瘤和多种原虫，这就预示着抗菌肽在治疗和预防癌症、病毒感染等方面具有良好的应用前景。

通过微生物介导，利用基因工程技术将抗菌肽基因转入植物和动物，可以产生抗菌肽转基因植物和动物。可以提高作物的抗感染率和动物的成活率。鸡新城疫、猪瘟、乳牛乳房炎和仔猪腹泻等一直是畜牧业和养殖业中棘手的疾病，严重影响其行业的发展，借鉴已成功的昆虫抗菌肽转基因工程，如转基因马铃薯、转基因蚊子和转基因水稻等，把特异的抗菌肽基因转入畜禽特定细胞让其表达，从而产生抗病新品种，不失为一条发展畜牧业和养殖业的新思路，前景广阔[18]。

但是目前抗菌肽的研究开发中还是有一些亟需解决的问题，如来源问题（天然提取资源有限，成本昂贵）活性问题和应用问题。作为药物应用或食品防腐剂等，还必须加强药理、药代动力学、药效、毒理性等的研究，以及解决毒性、稳定性、用量等问题。

虽然小分子的抗菌肽依然有着来源有限，成本高，提取工艺复杂，容易被酶降解等问题，但是相信随着人们对抗菌肽的结构和作用机制了解的深入，在此基础上对其进行人工设计和改造，抗菌肽最终会给人类生活带来深远影响，在畜牧业、养殖业和食品加工业等行业发挥重要作用。

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