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抗菌肽研究进展及在畜牧生产上的应用

发表时间:2022-01-19 15:40
产 品 说 明

                          孙科   邹晓庭
首先要区分两个概念,即多肽类抗生素和抗菌肽,它们都属于肽类抗生素。多肽类抗生素是指非核糖体合成的肽类抗生素,它包括多黏菌素、杆菌肽和那西肽等;而抗菌肽是指核糖体合成的相对分子质量通常在1×10^4以下,具有抗菌活性的多肽类物质,它包括cecropins、defensins等。随着研究的深入,人们相继发现这类多肽还具有抗寄生虫、病毒、癌细胞等功能,尤其是随着这类多肽物质在医药学上的应用,许多学者倾向于称之为“多肽抗生素”。为了和多肽类抗生素相区别,本文用“抗菌肽”一词。

1发展历程
1972 年瑞典科学家Boman等从惜古比天蚕(Hyatophora - cecropia)蛹中诱导分离出第一种杀菌肽, 并将其命名为天蚕素Cecropin。此后人们又在细菌、真菌、两栖类、哺乳动物、植物和人类中相继发现并分离得到了抗菌肽。2007年3月,中国科学院昆明动物研究所在动物来源的抗菌肽研究方面取得重要进展。研究小组在单个两栖动物个体中发现了107 种新型的抗菌肽类似多肽,占全世界已知抗菌肽总数的10%左右,并克隆了372条抗菌肽基因,分属于30个不同的多肽家族,是目前世界上发现的最丰富的抗菌肽资源。抗菌肽是一类很难导致微生物耐药性的新型抗感染药物多肽,目前世界上已知的抗菌肽共有1200多种。
据介绍,该成果为开发设计新型抗感染药物提供了丰富的多肽来源,对推动新型抗感染药物研发具有一定意义。

2理化性质与分类
多肽类抗生素属于传统的抗生素,多是细菌、真菌和链霉菌分泌并经N - 甲基化、酰化、糖基化或杂环形成作用等化学修饰结构修饰的具有抗菌活性的肽类物质,在肽合成酶作用下由酶促反应人工合成。而抗菌肽是由核糖体合成的,由基因编码、宿主细胞产生的,是有机体在进化中为适应环境而产生的免疫活性分子,是机体先天免疫的重要效应因子。与多肽类
抗生素相比,抗菌肽具有分子量小、广谱抗菌、热稳定性好、抗菌机理独特等优点。
据氨基酸组成和结构特征可把抗菌肽分为4类, (1)α- 螺旋型抗菌肽。分子内有α-螺旋结构,如非洲爪蟾(Xenopuslaevis) 的皮肤分泌出的magainin; (2)β- 折叠型抗菌肽。具有反平行的β-折叠结构,分子内含有两个或以上的二硫键,如防御素defensin; (3)片层结构的抗菌肽。缺少典型的二级结构,富含Pro、Gly,如从牛的嗜中性细胞里分离出的indolicidin;( 4)环状结构的抗菌肽。具有高度可变性结构,通常在C端有一个二硫键,如来自刺肩蝽(Podisus maculiventris) 的thanatin。按其来源可分为哺乳动物抗菌肽、两栖动物抗菌肽、昆虫抗菌肽、植物抗菌肽、细菌抗菌肽和病毒抗菌肽。

3 作用机制
3.1胞膜攻击作用
首先,抗菌肽分子通过静电作用结合于细胞膜带负电荷的磷脂双层,使磷脂双层局部变薄;然后在细胞膜电势的作用下,抗菌肽分子的疏水部分插入细胞膜,而其两性分子α- 螺旋插入膜内,多个抗菌肽分子共同形成离子通道,使膜通透化;最终改变细胞膜的通透性及细胞能量状态,导致细胞膜去极化,呼吸作用受到抑制以及细胞ATP含量严重下降,导致靶细胞死亡。
3.2线粒体攻击作用
当抗菌肽MUC7 作用于细菌时,在其超微结构中发现线粒体出现肿胀、空泡化、嵴脱落、内容物溢出等现象,因此认为MUC7 等抗菌肽的作用机制可能与抑制细胞呼吸有关。
3.3对染色体的破坏作用
此类抗菌肽并不破坏膜结构,而是穿过细胞膜或核膜使肿瘤细胞的DNA 发生断裂从而引起细胞死亡。
3.4癌细胞骨架的断裂作用
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,破坏肿瘤细胞骨架的完整性。而真核生物细胞膜富含膜蛋白和胆固醇,特别是胆固醇的存在维持了细胞膜的稳定性,因此对哺乳动物正常的细胞破坏作用不明显。另外,哺乳动物细胞中微丝、微管和质膜内层存在许多结合位点,这种高度发达的细胞骨架
结构抵抗抗菌肽的破坏作用。
3.5其他作用机制
通过荧光免疫法和Western印迹杂交法研究发现,抗菌肽可以促进凋亡相关蛋白及其配体的表达,通过诱导细胞凋亡杀死肿瘤细胞。在抗菌肽抑制病毒的繁殖与扩散的研究中发现,抗菌肽可以从核酸的复制、转录、翻译病毒颗粒包装等全过程抑制细胞内病毒的复制。另外某些酶也是抗菌肽的作用靶标。

4 生物活性作用
4.1抗菌
Cirioni等挑选3 种阳离子抗菌肽对感染性休克的小鼠进行治疗效果观察,结果表明,抗菌肽可抑制细菌增长、血浆内毒素和TNF2 的浓度。Mygind 等从腐物寄生的子囊菌 (Pseudoplectania nigrella)中分离得到抗菌肽Plectasin,研究表明对肺炎链球菌具有良好的杀菌活性,效果与万古霉素和青霉素相当。Zhang等 在试验中发现4 种抗菌肽HBCM2、HBCM3、HBCP2和HB71 可显著减轻小鼠肺脏因感染Pseudom onas造成的炎症。Chromek等在小鼠感染试验中发现,由肾脏中性白细胞和上皮细胞分泌的抗菌肽cathelicidin LL - 37可明显抵抗尿道感染,表明LL - 37在尿道黏膜免疫中发挥着重要的作用。
4.2抗病毒
Wachinger等的研究结果表明,蜂毒素和天蚕素可以在亚毒性浓度下抑制艾滋病毒HIV-1的基因表达,减少HIV-1的增殖。烟草花叶病毒衣壳蛋白的部分氨基酸序列和蜂毒素序列存在相似性,而这部分序列在病毒颗粒组装中与RNA和蛋白质结合密切相关,这样蜂毒素蛋白质可以伪装成病毒包被蛋白,导致RNA构象的改变,不能与正常蛋白质结合,病毒颗粒无法正常组装。朱元军等在无血清存在的情况下,高浓度(   >100g/mL)防御素有细胞毒性,会引发HIV膜通透性大大提高。
4.3抗肿瘤
Jaynes首次报道抗菌肽对肿瘤细胞有杀伤作用。胡云龙等报道家蚕抗菌肽对小鼠S180 肉瘤有抑制作用。抗菌肽能特异性抑制某些肿瘤的生长, 对人体正常细胞无害,极有可能成为无毒或低毒的抗肿瘤新药。
4.4抗寄生虫
Diazachirica等发现一种合成的天蚕素- 蜂毒素杂合体对莱仕曼原鞭毛虫有损伤作用。Shahabuddin等发现昆虫抗菌肽对感染蚊子的疟原虫发育的不同时期有不同的作用,主要对疟原虫的卵囊期和子孢子期造成明显损伤。Efron 等 报道,从南美叶泡蛙皮肤得到的抗菌多肽dermasep tin对疟原虫显示抑制作用。
4.5其他活性
抗菌肽还具有抗精子作用、胚胎毒性、溶血活性、神经毒性、加快伤口愈合、调节细菌以及在LDS或LPS协同下增强的人和鼠巨噬细胞的呼吸暴发等生物学功能。另外自然界中确实存在一些特殊的抗菌肽如蜂毒素、蜂毒肽、蝎毒素等对正常的宿主细胞有潜在的毒性。

5 畜牧生产上的应用
5.1作为饲料添加剂
为了保证畜牧业走一条绿色、无公害发展的道路,抗生素被安全、高效的新型饲料添加剂替代已成为必然趋势,而抗菌肽独特的杀菌机制和理化性质可使其作为一种无毒、无害、无残留的绿色饲料添加剂。Bals等研究表明抗菌肽可促进动物生长,提高动物抗病能力,不
容易产生耐药性。温刘发等通过在断奶仔猪的饲料中用抗菌肽代替抗生素,对仔猪的腹泻、生产性能等作了比较。结果表明,抗菌肽在仔猪断奶应激期间抗腹泻效果不比抗生素差。适量的抗菌肽比抗生素促生长的效果要好,但高剂量的抗菌肽则降低了仔猪的生长。黄永彤等发现,抗菌肽对肉鸡有促进生长和提高免疫力作用。与中草药抗生素相比,在出栏率、平均体重、饲料效率等方面均无显著性差异,且在出栏前3 d停喂,抽检无残留。陈晓生等于肉鸭日粮中添加液体的蚕抗菌肽AD - 酵母制剂发现血清代谢激素的活动显著增强, IGF - 1 浓度升高,营养物质合成加强;甲状腺素升高,脂肪、T4 降低;尿素氮浓度显著降低,体内氮排出减少。王广军等研究了抗菌蛋白在南美白对虾养殖中的应用效果,结果表明,在饲料中添加抗菌蛋白无论是在日生长速度、相对增重率、饲料系数、成活率,还是抗病力方面均有显著提高。
5.2转基因动物研究
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,产生了抗菌肽转基因植物和动物。Yarus等用显微注射法将牛气管AMP基因转入小鼠,转基因鼠成功地表达了牛气管AMP,鼠乳中的牛气管AMP对大肠杆菌具有抗菌活性。可见抗菌肽的转基因动植物明显增强抗病原微生物的能力,这在作物培育和动物养殖中具有重要的现实意义。
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、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,将为畜牧业和养殖业的发展带来新的契机。

6存在的问题
天然抗菌肽来源有限,提取工艺复杂,成本昂贵,化学合成也存在成本高、批量生产困难等问题,通过基因工程获得的抗菌肽抗菌活性、生产困难等问题。某些抗菌肽抗菌谱广、杀伤力强,但其对哺乳动物细胞也有一定的细胞毒性,如何在保持其结构与活性的同时降低其细
胞毒性也是需要解决的问题。

7应用前景
随着分子生物学和纳米技术发展和广泛应用,人们对抗菌肽的性质和特征有了进一步地了解。研究发现,不同表达体系所产生的抗菌肽不尽相同,而且,在对宿主免疫反应进行研究的过程中,往往涉及到某些新基因的寻找和鉴定。因此,从不同的表达体系内寻找其独特的新型抗菌肽,正逐渐成为人们热衷的研究目标。


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