自從青黴素被發現以來,抗生素壹直是人類治療由病原微生物感染的疾病的有力武器。然而,隨著抗生素的長期廣泛應用,病原菌耐藥性的形成日益嚴重,迫切需要開發新的抗生素,從微生物中尋找新的生物變得越來越困難。動物源抗菌肽(又稱殺菌肽、動物多肽抗生素)的發現為新型抗生素的開發提供了新的廣闊來源。近年來,抗菌肽的理論和應用研究發展迅速。
抗菌肽的發現源於對昆蟲免疫機制的研究。昆蟲受到外界刺激時會產生免疫反應,並在體內誘導產生具有較強抗菌活性的物質,抗菌肽就是其中的重要成分。後來從兩棲動物和哺乳動物中分離出具有抗菌活性的類似肽,使人們對抗菌肽的起源及其在進化中的作用有了新的認識。隨著對抗菌肽的結構和功能、抗菌肽與生物膜的相互作用機制、抗菌肽基因的分子生物學和抗菌肽基因工程的深入研究,抗菌肽在醫學和農業領域顯示出廣闊的應用前景。
抗菌肽的概念和分類
抗菌肽是指在昆蟲體內誘導產生的壹類分子量約為4KD的具有抗菌活性的堿性多肽。最初,人們在研究北美天蠶的免疫機制時,發現外界刺激誘導滯育蛹後,天蠶的血淋巴產生抗菌肽,命名為天蠶素。後來,從其他昆蟲、兩棲動物和哺乳動物中也分離出了結構相似的抗菌肽。到目前為止,已經在不同的動物組織中發現了許多抗菌蛋白和抗菌肽,並確定了70多種抗菌肽的結構,大大擴展了抗菌肽的概念。
根據抗菌肽的結構可分為五類:(1)無半胱氨酸殘基的單鏈α螺旋,或由兩個α螺旋隨機卷曲連接而成的肽;(2)富含某些氨基酸殘基但不含半胱氨酸殘基的抗菌肽;(3)含有1個二硫鍵的抗菌多肽;(4)具有兩個或多個二硫鍵和β-折疊結構的抗菌肽;(5)由其他已知功能的大多肽衍生的具有抗菌活性的肽。其中,最早從非洲爪蟾中分離出的天蠶素和Magainins屬於第壹類抗菌肽,通常稱為天蠶素抗菌肽,目前對這些抗菌肽的研究也比較深入。
抗菌肽的生物學效應
抗菌肽具有廣譜的抗菌活性,對細菌有很強的殺滅作用,尤其是其對壹些耐藥病原菌的殺滅作用受到了更多的關註。
此外,還發現壹些抗菌肽可以殺死壹些病毒、真菌、原蟲和癌細胞,甚至可以提高免疫力,加速傷口愈合。
抗菌肽廣泛的生物活性顯示了其在醫學上良好的應用前景。
抗菌肽的作用機制
自從發現抗菌肽以來,人們對抗菌肽的作用機制進行了大量的研究。目前已知抗菌肽作用於細菌細胞膜。在此基礎上,提出了抗菌肽作用於細胞膜的各種模型。但嚴格來說,抗菌肽殺死細菌的機制還沒有完全弄清楚。
目前普遍認為,天蠶素抗菌肽作用於細胞膜,在膜上形成跨膜離子通道,破壞膜的完整性,造成細胞內容物的滲漏,從而殺死細胞。
抗菌肽破壞膜的完整性,使細胞內外屏障喪失,從而殺死細菌的觀點已經基本得到認可,但具體的作用過程,是否有特定的膜受體,是否有其他因子相互協同作用,還不是很清楚,有不同的看法。不同抗菌肽的作用機制可能不同,需要進壹步研究。
抗菌肽的基因工程
抗菌肽在動物體內的含量很少。從動物體內提取抗菌肽產量低、耗時長、工藝復雜且價格昂貴,無法實現規模化生產,成為抗菌肽實際應用的最大障礙。因此,開展抗菌肽的基因工程研究具有重要意義。
目前,大多數進入臨床應用的基因工程藥物都是通過原核表達系統生產的。但是由於抗菌肽對細菌的殺傷作用,具有生物活性的抗菌肽不能直接用原核表達系統表達,如果以融合蛋白的形式表達,會給表達產物的後處理帶來很大的麻煩。因此,國內外研究人員大多利用真核表達系統對抗菌肽進行基因工程研究。
近年來,人們越來越重視酵母作為基因工程受體的研究。酵母具有比大腸桿菌更完善的基因表達調控機制和加工、修飾、分泌表達產物的能力,且不會產生內毒素,是基因工程中良好的真核基因受體。自1978酵母轉化成功以來,已有幹擾素基因、乙肝表面抗原基因、α-澱粉酶基因等數十種外源基因在酵母中表達。國內研究者的大量研究表明,利用酵母表達抗菌肽是壹種可行的方法。如果能進壹步提高表達量,將為抗菌肽的早期應用打下良好的基礎。