富脯氨酸抗菌肽的功能与作用机制.pdf
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1、第4 6卷3期2 0 2 3年9月 辽宁师范大学学报(自然科学版)J o u r n a l o fL i a o n i n gN o r m a lU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)V o l.4 6 N o.3S e p.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-1 1-2 3作者简介:王继红(1 9 6 6-),女,辽宁大连人,辽宁师范大学教授,博士.E-m a i l:j i h o n g w a n g 9 9 9h o t m a i l.c o m 文章编号:1 0 0 0-1 7 3 5(
2、2 0 2 3)0 3-0 3 5 4-0 9 D O I:1 0.1 1 6 7 9/l s x b l k 2 0 2 3 0 3 0 3 5 4富脯氨酸抗菌肽的功能与作用机制王继红,韩雯旭,宁淑香(辽宁师范大学 生命科学学院,辽宁 大连 1 1 6 0 8 1)摘 要:富脯氨酸抗菌肽(p r o l i n e-r i c ha n t i m i c r o b i a l p e p t i d e s,P r AMP s)是最早分离自动物的线性多肽,具有较高的抗菌活性且细胞毒性较低,在天然免疫中具有重要的作用,是对抗多种耐药病原体的理想药物.富脯氨酸抗菌肽主要有3种来源:昆虫、哺乳
3、动物和植物,其中,绝大多数P r AMP s来自前两种动物,只有少部分来自植物.这些P r AMP s的最大特点就是都富含脯氨酸,对革兰氏阴性菌和少部分革兰氏阳性菌、真菌均具有抑制作用.P r AMP s的作用机制不同于其他抗菌肽(a n t i m i c r o b i a lp e p t i d e s,AMP s)的膜破坏作用模式,其是通过进入细菌细胞质后与其内部靶点(D n a K蛋白)结合的模式对D n a K的生物学功能进行抑制,从而最终导致细菌死亡.这一作用机制对于抗菌新药的开发很有意义.除了抗菌作用外,P r AMP s还具有其他重要的生物学功能,其在抑制炎症反应、刺激血管
4、生 成 以 及 对N F-B信 号 的 影 响 等 方 面 都 具 有 重 要 作 用.这 些 发 现 表 明P r AMP s在伤口修复、炎症、缺血-再灌注损伤以及诱导血管生成等方面具有很好的应用前景.关键词:抗菌肽;富脯氨酸抗菌肽;抗菌机制;D n a K中图分类号:Q 5 1 文献标识码:A随着后抗生素时代的来临,多重耐药细菌无处不在,寻找新的抗菌药物成为亟待解决的热点问题.抗菌肽(AMP s)代表着一类有前途的化合物,有助于解决这一全球性问题.AMP s对细菌的破坏作用主要得益于其膜破坏作用模式,这种作用模式会造成细菌细胞裂解进而导致细菌死亡1.然而,随着对AMP s研究的深入,发现了
5、许多非溶性的AMP s具有细胞内作用模式,富脯氨酸抗菌肽(P r AMP s)就是这样的一类抗菌肽2-4.富脯氨酸抗菌肽是一类主要来源于昆虫、哺乳动物和植物的线性多肽,这些不同来源的P r AMP s都具有抗菌活性,在天然免疫中具有重要的作用5.P r AMP s通常是膜渗透性的,从而抑制蛋白质合成,达到杀菌的效果6.本实验室一直致力于海洋生物活性肽的研究,在对海参c D NA文库的生物信息学分析中发现了能翻译出海参富脯氨酸肽的基因序列.因此,海参富脯氨酸肽具有什么功能及其作用机制引起了我们的兴趣.为了对其进行全方位研究,笔者将从富脯氨酸抗菌肽的来源、分类、功能和作用机制等方面进行综述,为未来
6、对富脯氨酸抗菌肽进行更有效的药物开发和应用提供参考.第3期王继红等:富脯氨酸抗菌肽的功能与作用机制3 5 5 1 富脯氨酸抗菌肽的来源据文献报道,富脯氨酸抗菌肽主要来源于昆虫、哺乳动物和部分植物7.第一个P r AMP s是发现于2 0世纪8 0年代末的a p i d a e c i n8.C a s t e e l s等将亚致死剂量的大肠杆菌注射到成年蜜蜂的体腔中,用反向高效液相色谱法鉴定出3种活性形式的a p i d a e c i n(a p i d a e c i na,a p i d a e c i nb,a p i d a e c i n),并进一步对其进行了纯化与表征8.这3种a
7、 p i d a e c i n的吸收特性以及用胰蛋白酶处理后其活性的丧失均表明,它们至少部分是由多肽物质组成的.氨基酸组成和序列分析证实了这一点,且发现其高脯氨酸含量(3 3%)是值得特别关注的(图1).a p i d a e c i n的发现很快被其他昆虫和哺乳动物的P r AMP s所证实.昆虫的P r AMP s包括来自蜜蜂(A p i sm e l l i f e r a)的a b a e c i n9,来自黑腹果蝇(D r o s o p h i l a m e l a n o-g a s t e r)的d r o s o i n1 0,来自无翅红蝽(P y r r h o c o
8、 r i sa p t e r u s)的p y r r h o c o r i c i n1 1,来自红尾碧蝽(P a l o m-e n ap r a s i n a)的m e t a l n i k o i n-11 2和来自脊胸长蝽(O n c o p e l t u s f a s c i a t u s)的o n c o c i n1 3-1 4.在甲壳纲动物中,S t e n s v a g等从蜘蛛蟹(H y a s a r a n e u s)中分离出P r AMP sA r a s i n 11 5,并且S c h n a p p等从滨蟹(C a r-c i n u sm a
9、 e n a s)中分离得到一个与B a c 7相似的P r AMP s1 6.在反刍动物奶牛(如B o s t a u r u s)1 7、绵羊(如O v i sa r i e s)和山羊(如C a p r ah i r c u s)1 8-1 9中发现了两种不同的哺 乳动物P r AMP s,由于这两 种成熟肽 的分子量分别 为5和7k D a,因此被 命名 为b a c t e n e c i n5和b a c t e n e c i n7(B a c 5和B a c 7).之后,在猪小肠中分离出来了一种与B a c 7相似的P r AMP s同源物,因其由3 9个氨基酸组成,故被命名为
10、P R-3 92 0.在绵羊基因组中也发现了其他类似b a c t e n e c i n的P r AMP s,如B a c 4、B a c 6.5和B a c 1 1,但仍有待进一步鉴定1 8.随着对P r AMP s研究的不断深入,在部分植物中也发现了P r AMP s的存在.C a o等从甘蓝型油菜中分离出了首个在植物中具有富脯氨酸抗菌肽特征的成员 B n P R P 1,并通过基因组序列分析发现,其他十字花科植物中也具有其同源序列2 1.图1 从蜜蜂的免疫淋巴中纯化得到的a p i d a e c i n sa,b和的氨基酸序列(根据参考文献8 修改)F i g.1 T h ea m
11、i n oa c i ds e q u e n c e f o ra p i d a e c i n sa,ba n d,p u r i f i e df r o mi mm u n e l y m p ho fh o n e y b e e s(m o d i f i f i e df r o mt h er e f e r e n c e8)2 富脯氨酸抗菌肽的分类与结构特点富脯氨酸抗菌肽(P r AMP s)绝大多数发现于昆虫和哺乳动物中,近年来也有部分来自植物,其富含脯氨酸并且带阳电荷,原因是含有的精氨酸多而赖氨酸少,属于在脯氨酸残基中富集的阳离子肽组,与精氨酸残基一起以保守模式开放排
12、列2 2.从以往文献中总结出了一些研究颇多的P r AMP s,并强调了这些肽的关键特征(表1).P r AMP s按来源分,主要分为3大类:来自哺乳动物的P r AMP s,来自昆虫和其他脊椎动物的P r AMP s,来自植物的P r AMP s.3 5 6 辽宁师范大学学报(自然科学版)第4 6卷表1 文献中记录的天然P r AMP s(根据参考文献2 3 改编)T a b l e1 N a t u r a l l yo c c u r r i n gP r AMP s i d e n t i f i e df r o mt h e l i t e r a t u r e(m o d i
13、f i f i e df r o mt h er e f e r e n c e2 3)名称序 列长度P r o/%A r g/%净电荷数A b a e c i nYV P L P NV P Q P G R R P F P T F P GQ G P F N P K I KWP Q3 23 16+4A p i d a e c i naGNN R P VY I P Q P R P P HP R I1 83 31 7+3A p i d a e c i nbG NN R P VY I P Q P R P P H P R L1 83 31 7+3A p i d a e c i nC d 3+G K P
14、S K P R P A P I K P R P P HP R L2 04 01 5+6A r a s i n 1S RWP S P G R P R P F P G R P K P I F R P R P C2 53 62 4+7B a c 5(12 3)R F R P P I R R P P I R P P F Y P P F R P P I2 34 32 6+6B a c 7(13 5)R R I R P R P P R L P R P R P R P L P F P R P G P R P I P R P L P F P3 54 63 1+1 1B n P R P 1P P T QN P
15、S MA P P T QN P Y GQ PMT P P TQN P Y G Q PMA P P 3 53 700B S N-3 7F R P P I R R P P I R P P F Y P P F R P P I R P P I F P P I R P P F R P P3 74 92 2+8D r o s o c i nG K P R P Y S P R P T S H P R P I R V1 93 22 1+5F o r m a e c i n1G R P N P VNNK P T P Y P HL1 63 16+2F o r m a e c i n2G R R N P NNK P
16、 T P HP R L1 52 72 0+4H e l i o c i nR F I HP T Y R P P P Q P R R P V I MR A2 12 92 4+5M e t a l n i k o w i n1V D K P D Y R P R P R P P NM1 53 32 0+2O n c o c i nV D K P P Y L P R P R P P R R I YN R1 93 22 6+5P e n a e i d i n-1Y R G G Y T G P I P R P P P I G R P P L R L VV C A C Y R LS V S D A R N
17、 C C I K F G S C CHL VK5 01 41 2+7P R-3 9R R R P R P P Y L P R P R P P P F F P P R LP P R I P P G F P P R F P P R F P3 94 92 6+1 0P y r r h o c o r i c i nV D K G S Y L P R P T P P R P I YN R N2 02 51 5+3R i p t o c i nV D KG G Y L P R P T P P R P VY R S1 92 61 6+3T u r 1 AR R I R F R P P Y L P R P
18、G R R P R F P P P F P I P R I P R I P3 23 83 1+1 0T u r 1 BR R I P FWP P NWP G PWL P PWS P P D F R I P R I L R K R3 23 11 9+62.1 来自哺乳动物的P r AMP s从哺乳动物中分离出的所有富脯氨酸抗菌肽都属于AMP s的c a t h e l i c i d i n家族.c a t h e l i c i d i n是一个有趣的抗菌肽前体家族,它具有一个保守的前区,名为c a t h e l i n,随后是一个高度可变的C末端结构域,对应于蛋白水解后的活性肽2 4.这类
19、P r AMP s对大部分革兰氏阴性菌及少数革兰氏阳性菌均有抗菌作用:较多实验证明的包括大肠杆菌、肠道沙门氏菌、阴沟肠杆菌、肺炎克雷伯菌和鲍曼不动杆菌等.B a c 5、B a c 7和P R-3 9是分别来自牛和猪的中性粒细胞以及绵羊和山羊的几个同源物中的P r AMP s.B a c 7具有一个特殊的一级结构,由一个高阳离子的N端区组成,其中,前1 6个残基中具有8个精氨酸,其余1 4个残基由3个疏水串联重复序列组成2 5.该肽对革兰氏阴性菌具有很强的抗菌活性,在革兰氏阴性败血症休克实验的大鼠模型中能够中和内毒素,对哺乳动物细胞无毒2 6.此外,合成的B a c 7片段能够在哺乳动物细胞质
20、膜上易位但不产生细胞毒性2 7.B e n i n c a s a等合成了B a c 7(13 5)和B a c 7(11 6)肽片段,证明了B a c 7对革兰氏阴性菌(大肠杆菌、肠道沙门菌、绿脓杆菌、鲍曼不动杆菌和肺炎克雷伯杆菌)和革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌、粪肠球菌和屎肠球菌)临床分离株(包括多重耐药菌株)均有体外抗菌广谱活性2 8.第3期王继红等:富脯氨酸抗菌肽的功能与作用机制3 5 7 2.2 来自昆虫和其他脊椎动物的P r AMP s昆虫产生的富脯氨酸抗菌肽通常比哺乳动物产生的短,属于短的富含脯氨酸的AMP s家族,包括d r o s o c i n、p y r r o c o
21、r i c i n、a p i d a e c i n、f o r m a e c i n、l e b o c i n和a b a e c i n2 9,它们在氨基酸组成和序列基序模式上非常相似.这些短P r AMP s因其特殊的抗菌机制而引起特别关注.迄今为止,最具特征的短P r AMP s是a p i d a e c i n型肽(也称为a p i d a e c i n).a p i d a e c i n主要对革兰氏阴性菌具有较强的抗菌活性,有研究表明其对革兰氏阴性菌的最小抑菌浓度区间为0.2 76 4M.此外,很多实验结果也证明了它对其他病原微生物,如革兰氏阳性菌、真菌、病毒和原虫也具
22、有一定的抑制作用.a b a e c i n的N端与a p i d a e c i n的N端十分相似,前者具有更强的抗革兰氏阴性菌的广谱活性9,但其对真菌具有一定的抑制作用,且对农药具有一定的解毒效果.l e b o c i n s是富含脯氨酸和O-糖基化的3 2残基肽,该类型肽对革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌和一些真菌均有活性3 0.R a o等通过实验证明了合成的M a n d u c as e x t al e b o c i n-B和l e b o c i n-C的N端富脯氨酸肽对革兰氏阴性(如粘质沙雷氏菌和鼠伤寒沙门氏菌)、革兰氏阳性(如金黄色葡萄球菌和蜡状芽孢杆菌)以及真菌(如新隐球菌
23、)均具有抑制作用3 1.2.3 来自植物的P r AMP s目前在某些植物中也发现了富脯氨酸抗菌肽的存在.C a o等对AMP s进行虚拟筛选时,发现一个编码新型P r AMP s的甘蓝型油菜基因.该基因编码一种含有1 3个脯氨酸残基的肽,将这种特殊的P r AMP s命名为B n P R P 1.B n P R P 1与已知的来自猪的富脯氨酸抗菌肽S P-B具有4 0.5%的同源性.活性分析表明,B n P R P 1对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、酵母菌具有较强的抗菌活性,且对核盘菌、毛霉、稻瘟病菌和灰霉病菌等病原菌也有较强的抗真菌活性.M o y e r等采用质谱分析方法对药用植物苋菜(A
24、m a r a n t h u s t r i c o l o r)中的AMP s进行了检测,发现了一种新型短链富脯氨酸抗菌肽,不仅可显著抑制金黄色葡萄球菌L A C,同时也显示出对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的抗菌能力3 2.3 富脯氨酸抗菌肽的功能与作用机制3.1 富脯氨酸抗菌肽的抗菌功能与作用机制不同于常见的抗菌肽作用于病原体细胞膜的特点,富脯氨酸抗菌肽(P r AMP s)具有细胞内靶点,其通过影响入侵生物体的代谢而对病原体起到抑制作用3 3.大多数AMP s通过破坏细菌膜,引起代谢物外流和细胞破坏,从而达到杀死细菌的目的.然而,P r AMP s主要使用非裂解机制杀灭细菌,基本上不影响
25、膜的完整性.3.1.1 P r AMP s的非裂解机制C a s t e e l s等首次对这种模式进行了研究,证明了富脯氨酸抗菌肽a p i d a e c i n和P R-3 9二者均可以抑制细菌生长而不引起细胞裂解2,3 4.之后,C a s t l e等的研究表明a p i d a e c i n被细菌内化,说明这种P r AMP s不是通过破坏细菌细胞膜抑菌,而是通过抑制重要的代谢途径从内部杀死微生物3.但是在S k e r l a v a j等的研究结果中,与前两种抗菌肽相比,B a c 7在特定条件下可渗透革兰氏阴性菌的包膜,其渗透活性较高,这种情况可能是由于其具有更多、更长的疏
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