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天蚕素抗菌肽c a d 研究进展及其在畜牧 生产中的应用 李 希关静姝 李 波陈勇 北京中农颖泰生物技术有限公司 北京 1 0 0 0 8 5 摘要 抗菌肽是进化上高度保守 普遍存在的天然免疫系统因子 具有广谱抗菌 抗病毒 抗肿瘤等多种 生物学活性 且不易形成耐药性和药物残留 天蚕素抗菌肽是最早被分离出的昆虫类抗菌肽 也是迄今为 止研究最为透彻的一类抗菌肽 研究表明 经过人工改造的杂合抗菌肽比天然抗菌肽具有稳定性好 抗菌 谱广 活性更高等优点 本文对天蚕素抗菌肽c a d 的研究进展及其在畜牧生产中的应用进行了综述 关键词 抗菌肽 天蚕素抗菌肽c a d 杂合肽 畜牧生产 其完整性 并在细胞膜表面形成孔径或穿孔现象 改变细胞膜内外电势导致细胞内容物外泄 进而造成细胞死亡 但是随着研究的深入 发现不同类别的抗菌肽因结构不同 其作用机制 不同 且同一种抗菌肽可能通过不同的途径发挥作用 因此抗菌肽改变细胞膜通透性并不是 其发挥作用的唯一机制 1 2 1 抗菌肽的选择性作用 抗菌肽独特的作用机制使其对正常的真核细胞基本没有杀伤作用 仅作用于原核细胞和 发生病变的真核细胞 抗菌肽具有这种识别作用是因为其富含碱性氨基酸 细菌细胞膜脂质 富含磷脂酰甘油 心肌磷脂等而带负电荷 与之相反 哺乳动物正常细胞膜主要由两性离子 磷脂组成 此外哺乳动物细胞膜还有一个重要成分一胆固醇 可以与抗菌肽结合降低其活 性 并且 正常真核细胞内还具有高度发达的细胞骨架 细胞膜外有唾液酸等 这些都可以 阻止抗菌肽与真核细胞膜结合发挥杀伤作用阳1 1 2 2 抗菌肽的作用机制与耐药性 与传统抗生素相比 抗茵肽一大显著优点是不易形成耐药性 由于其独特的作用机制 即通过正负电荷相吸原理作用于细菌细胞膜而不是某一特定的识别位点 如果敏感细菌要产 生耐药性 必须改变细胞膜结构 而这种结构的改变对细菌本身有着更大的生命威胁 因此 敏感细菌产生耐药性的可能微乎其微n 叭 p e r r o n 等报道 1 一些细菌对抗菌肽形成了耐药性 但这些耐抗菌肽菌株都是在严格的试验室条件下 经过多代筛选才会出现 此外 抗菌肽的 多样性 感染细菌方式的不同及作用机制的差异也表明产生耐药菌株非常困难 1 3 抗菌肽分子结构对活性的影响 抗菌肽的生物活性是由其分子结构决定的 迄今为止 大量关于抗菌肽结构一活性分析 研究都揭示了这种构效关系 研究表明 抗菌肽的活性与其所带正电荷数n 引 水脂两亲结构 3 肽链一级结构中的保守氨基酸序列 吲 二级结构中a 螺旋的比例n6 甚至构成肽链 的氨基酸构型u 列等有关 1 4 天然抗菌肽的毒性作用 抗菌肽以其广谱抗菌性 不易形成耐药性和无药物残留等优势成为后抗生素时代的明 星 特别是其通过调整细胞膜的脂质电荷量 胆固醇含量来识别真核细胞和原核细胞 从而 选择性的杀灭病原体 但迄今为止 几乎所有进入临床试验阶段的抗菌肽制剂 如用于治疗 糖尿病患者足部溃疡的p e x i g a n a n 用于治疗细菌性脑膜炎的r b p i 2 1 等均只用于局部的抗感 染阶段 天然抗菌肽对真核细胞的毒性作用是限制其用于全身治疗的主要因素之一 引 这种 毒性作用是因为细胞膜是抗菌肽最主要的作用部位 因此抗菌肽不可避免地对其表现出溶血 毒性及其他细胞毒作用 并且 部分抗菌肽与真核生物的核定位信号肽有部分共同点 这些 抗菌肽 如l l 一3 7 可以自由地转移入细胞 甚至携带其他分子进入细胞核 造成组织损伤 如诱导细胞凋亡和肥大细胞脱颗粒等 引 此外 抗菌肽还可以发挥类似b 一内酰胺类抗生素 的作用 通过激活溶菌酶 导致细菌自溶 通过大量细菌细胞壁的释放造成机体严重的炎症 反应心 因此 如何提高抗菌肽活性和降低其毒性已成为抗菌肽分子改造的目标 设计并改 造已存在的天然抗菌肽 获取具有抗菌 抗病毒和抗肿瘤作用的新型抗菌肽已成为抗菌肽研 究领域发展的重要方向 2天蚕素抗菌肽c a d 5 5 2 1 天蚕素抗茵肽 天蚕素抗菌肽 c e c r o p i n s 属于阳离子抗菌肽家族中重要的一族 最早由瑞典科学家 b o m a n 陋 等于1 9 8 0 年用阴沟通杆菌及大肠杆菌诱导惜古比天蚕 h y a o p h o r ac e c r o p i a 蛹后 发现 天蚕素抗菌肽是世界上发现最早 也是研究最彻底 效果最明显的一类抗菌肽 是昆 虫非特异性免疫系统的重要组成部分 一般由3 1 3 9 个氨基酸组成 分子量约为3 5 4 k d a 左 右 其分子结构相对保守 主要由a 螺旋构成 属于a 螺旋类抗菌肽 这类抗茵肽热稳定性 好 无免疫原性 抗菌能力强 能有效抑制革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的生长呤2 2 3 1 研 究发现天蚕素抗菌肽对一些真核细胞不具毒性作用 如家蚕c e c r o p i na 和c e c r o p i nb 能够 抑制并杀死白色念珠菌 但对人体细胞株j u r k a t 没有毒性比制 即使在高浓度下 也不会使真 核生物的红血球发生溶解破裂晗 这些结构和功能上的特性使天蚕素类抗菌肽成为抗菌肽应 用和研究的重要对象 2 1 1 天蚕素抗菌肽的构效关系 由于c e c r o p i n 分子结构相对保守 一般为 螺旋一铰链一a 螺旋结构 n 末端双亲a 螺旋 c 末端疏水 螺旋 这种n 末端双亲a 螺旋结构对于天蚕素抗菌肽发挥作用非常重要比引 f u m l 和s s r is a il a m 乜刀等研究表明 螺旋对抗菌肽的杀菌活性强弱起着重要作用 同时其杀菌 能力的强弱还与杀菌过程中c e c r o p i n 在脂质表面聚拢的浓度和分子方向有关 2 1 2 天蚕素抗菌肽的作用机制 目前 对t c e c r o p i n s 的抗菌机制尚无定论 但普遍认为是通过破坏质膜脂质机制造成 即其通过自身阳离子所携带的正电荷与带负电荷的细菌脂膜之间电荷作用 插入其中扰乱磷 脂双分子层结构 使细胞脂膜去极化并在表面形成孔洞 造成细菌细胞因内容物外泄而死亡 堙引 这一过程分为两个阶段 c e c r o p i n s 与脂膜之间的相互作用和c e c r o p i n s 对脂膜的破坏 h i r o m i 等研究发现 不同的天蚕素类抗菌肽可能具有不同的破坏质膜机制 2 1 3 天蚕素抗菌肽杂合肽 为了寻找更高效低毒的抗菌肽 使通过改造后的天然抗菌肽分子更小 活性更高 同时 减少对真核生物的毒性及降低生产成本 研究者通过互联网和计算机软件比较分析了大量有 关抗菌肽的序列和空间结构 根据分析结果设计具有更好抗菌活性的抗菌肽分子 使这些重 组基因抗菌肽与人工设计的抗菌肽具有活性更高 抗菌谱更广 热稳定性好 没有抗原性 没有溶血作用等特点m 1 如f i n k b 等研究发现 将c e c r o p i na 和c e c r o p i nd 的序列片段用 固相法化学合成的杂合肽c a d 其抗菌活性高于天然的c e c r o p i n s 类抗菌肽 且抗菌谱也有所 增加 w a c h i n g e r 3 纠等研究发现 天蚕素和蜂毒素的杂合肽可以在亚毒性浓度下抑制艾滋病 毒h i v 1 的基因表达 从而减少h i v i 的增殖 但由于人工固相合成价格昂贵 不能进入实用 领域 因此 杂合肽作为一类潜在的新型抗菌肽需要进一步研究 目前 国内外学者已经在 杂合肽的基因工程方面做了很多研究工作 为杂合肽的开发和应用奠定了良好的基础 2 2 天蚕素抗菌肽c a d 2 2 1 天蚕素抗茵肽c a d 简介 天蚕素抗菌肽c a d c e c r o p i naa n dd c a d 是对c e c r o p i n s 类抗菌肽改造过程中 通过 氨基酸替换的方法 设计合成的由含正电荷较高的c e c r o p i na 1 11 片段和疏水性较强的 c e c r o p i nd 1 2 3 7 片段构成的杂合肽m c a d ij 1 3 7 个氨基酸组成 分子量为3 8 k d a 其二 级结构中7 8 3 8 为a 螺旋 其余为无规则卷曲 其中c e c r o p i na 1 1 1 片段被认为能形成 典型的q 螺旋结构曙射 研究表明口 c a d 对被测试的6 种细菌的抗菌活性分别为天蚕素d 抗茵活 性的5 5 5 倍 与天蚕素a 相比 其抗菌活性也略高 在抗枯草芽孢杆菌上 c a d 的活性比天蚕 素a 高6 倍左右 增加的活性源于c a d 在序列中部和羧基端同天蚕素d 具有相类似的结构 即比 天蚕素a b 更强的螺旋程度和羧基末端更强的疏水性 c a d 显著的特征是能够快速在人工膜 上形成电压依赖型离子通道的能力 目前该杂合肽c a d 已由国家饲料工程技术研究中心通过基因工程方法在枯草杆菌表达载 体中表达获得 表达产物活性高 理化特性好 且抗菌特性比目前国内外文献报导的具有优 势啼5 通过微生物发酵生产顺利解决了抗菌肽产品生产成本昂贵这一限制其广泛应用的瓶 颈 在兽药和饲料添加剂领域具有广阔的应用前景 2 2 2 由枯草芽孢杆菌作为c a 喊达系统的优势 用大肠杆菌作为表达载体会形成以不可溶状态内含体形式存在的紧凑型多肽分子 这种 内含体蛋白是丧失生物学活性的 如果要恢复其部分活性需要经过复杂的溶解 再折叠和纯 化过程 1 用酵母表达系统如毕赤酵母表达系统可以解决这些翻译后加工问题 但是随 后的分批培养过程却需要耗费大量的成本 这使酵母表达系统作为抗菌肽的表达系统也不现 实 枯草芽孢杆菌表达系统不会存在上述两种表达系统作为表达载体时出现的问题 特别是 对异种蛋白的分泌上d 8 1 由枯草芽孢杆菌表达的外源蛋白通常以具有生物活性的形式存在 瞄引 且其下游的纯化过程被极大简化 该表达系统还有个优点 在这种理论上较高的表达量 的情况下 表达产物不会在表达系统内累积 为继续培养和生产提供了可能 进而极大的简 化了目的蛋白的表达过程和降低生产成本瑚 2 2 3 天蚕素抗菌肽c 胁稳定性 伍小松 1 等对天蚕素抗菌肽c a d 热稳定性的研究结果表明 天蚕素类抗菌肽c a d 在 3 7 5 5 c 时具有较高活性 而人和畜禽的体温接近4 0 c 这满足其发挥活性的温度条件 此 外 该产品耐热性和耐酸性效果较佳 在1 0 0 c 水浴1 5m i n 后或p h 为l 时仍表现出对金黄色 葡萄球菌的抗性 在被胃蛋白酶和胰蛋白酶作用后 c a d 仍然具有活性 2 2 4 天蚕素抗菌肽c i i 安全性 谯仕彦等 资料未发表 研究了天蚕素抗菌肽c a d 的安全性 结果表明 对大 小鼠经 口急性毒性试验的k d 5 0 大于5 0 0 0 m g k g 体重 小鼠精子畸形和骨髓细胞微核试验结果均为 阴性 对大鼠无亚慢性毒性 无明显生殖毒性和胚胎毒性 无慢性毒性和致癌性 3 天蚕素抗菌肽c a d 在畜牧生产中的应用 3 1 对大鼠生长性能和免疫功能的影响 陈香 等研究表明在大鼠日粮中添加7 5 m g k g 的天蚕素抗菌肽 可提高大鼠平均日增重 和日采食量 并可降低料肉比 在试验第1 4 d 时 抗菌肽促进小鼠脾脏和胸腺的生长发育 脾脏指数和胸腺指数是机体脾脏和胸腺发育程度的一个重要反映 说明天蚕素抗菌肽具有增 强机体免疫功能 王阿荣h 2 1 等也发现 日粮中添加天蚕素抗菌肽能提高断奶仔猪的机体免疫 性能 3 2 对猪生长性能的影响 5 7 陈香n 列等研究发现 在断奶仔猪日粮中用2 5 0m g k g 的天蚕素抗菌肽c a d 替代1 0 的硫酸 抗敌素3 0 0 m g k g 和1 0 的杆菌肽锌1 5 0 0m g k g 的抗生素组合 断奶仔猪日增重提高 5 4 9 7 饲料转化效率改善1 4 1 8 腹泻率降低3 0 以上 说明断奶仔猪日粮中使用天 蚕素能起到显著促生长和保健作用 王阿荣n 别等在仔猪日粮中添加天蚕素抗菌肽研究发现 天蚕素抗菌肽能提高北京原种黑猪断奶仔猪的生产性能和机体免疫性能 雷东风h 刮等研究发 现饲粮中添加天蚕素抗菌肽能增加断奶仔猪平均日增重和饲料转化效率 李波h 朝等在母猪产前3 0d 和产后2 ld 饲粮中添力1 4 0 0m g k g 的天蚕素发现母猪的繁殖性 能和仔猪的生长性能等指标均高于以抗生素作为添加剂的对照组 试验结果显示 添加天蚕 素组活仔率提高5 6 死胎率减少7 4 仔猪腹泻率下降4 7 3 3 对肉鸡生长性能的影响 单达聪m 1 等研究发现 日粮中添加天蚕素抗菌肽能提高艾维茵肉鸡增重率 1 6 7 尸以0 5 和采食量 5 4 6 降低料肉比 i 7 7 李波h 钉等研究发现在肉鸡日粮中添加天 蚕素抗菌肽可提高肉鸡的生产性能和抗病能力 在存活率方面 饲料中添加天蚕素抗菌肽组 比对照组提高了0 2 6 在料肉比方面 试验组比对照组降低了2 4 6 即添加天蚕素抗菌 肽的试验组上述指标明显高于抗生素作为添加剂的对照组 3 4 对水产养殖动物生长性能的影响 王冬冬m 1 等研究发现 添加1 0 0m g k g 天蚕素抗菌肽对鲤鱼末重和特定生长率具有显著 的提高作用 尸 移0 5 黄沧海n 町等研究显示 在罗非鱼日粮中添加1 0 0m g k g 的天蚕素抗 菌肽 特定生长率可提高约3 其它指标与添加2 5 0m g k g 的8 黄霉素无显著性差异 4 展望 抗菌肽具有新的抗生素类所需要的很多特性 它可以作为单独的抗菌剂使用 也可以与 传统的抗生素联合使用发挥协同作用崎1 作为免疫调制剂或中和内毒素 因此抗菌肽的临床 应用潜力很大 尽管抗菌肽在杀灭一些敏感病菌时效果不如特定的传统抗生素好 但其优势 之一就是能有效地作用于多重耐药性菌 其杀菌作用十分迅速且具有复杂的细菌胞内作用靶 点 而不易形成耐药性 经过人工改造的天蚕素抗茵肽c a d 较原有天然天蚕素抗菌肽具有稳 定性好 抗菌谱更广 活性更高的优点 且作为饲料添加剂而言 以工程菌工业化发酵生产 抗菌肽 可大规模生产 生产周期短 生产成本低且不受季节和气候变化等外在环境的影响 同时抗菌肽产品具有的广谱抗菌作用 对畜禽具促生长 保健和治疗疾病的功能 属无毒副 作用 无残留 无致细菌耐药性的一类环保型制剂 对畜牧生产 饲料加工的发展都有巨大 的推动作用 要进一步推动抗菌肽的应用 还必须深入研究以下问题 抗菌肽在生命体特别是高等 生命体防御系统中的准确定位以及生物模式 抗菌肽表达水平与各种疾病的相关性 抗 菌肽构效关系和作用机制 抗菌肽作为药物制剂时的药代动力学相关问题 杂合抗菌肽 大规模高表达的生产方法 随着对抗菌肽更深入地研究和基因工程的进展及生化技术的提 高 不久的将来抗菌肽的临床应用可以部分减少甚至取代抗生素的使用 给人类带来巨大的 经济效益和社会效益 参考文献 l l m a r ra k g o o d e r h a mw j h a n c o c kr e a n t i b a c t e r i a lp e p t i d e sf o rt h e r a p e u t i cu s e o b s t a c l e sa n dr e a l i s t i c 5 8 o u t l o o k c u r r e n to p i n i o ni np h a r m a c o l o g y 2 0 0 6 6 5 4 6 8 4 7 2 2 赵东红 戴竹英 周开亚 等 昆虫抗菌肽的功能 作用机理与分子生物学研究最新进展 j 生物工程进 展 1 9 9 9 1 9 5 1 4 1 8 f 3 3 h a n c o c kre w s c o t tm g t h er o l eo f a n t i m i c r o b i a lp e p t i d e si na n i m a ld e f e n s e s j p r o c n a t l a c a d s c i u s a 2 0 0 0 9 7 8 8 5 6 8 8 6 1 1 4 o y s t o n pc f o x m a r i c h a r d s sj e t a l n o v e l p e p t i d e t h e r a p e u t i c s f o r t r e a l m e n t o f i n f e c t i o n s j l j m e d m i c r o b i o l 2 0 0 9 5 8 9 7 7 9 8 7 5 5z a s i o f f m a n t i m i c r o b i a lp e p t i d e so f m u l t i c e l l u l a ro r g a n i s m s j n a t u r e 2 0 0 2 4 1 5 3 8 9 3 9 5 6 b u l e tp s t o c k l i nr i n s e c ta n t i m i c r o b i a lp e p t i d e s s t r u c t u r e s p r o p e r t i e sa n dg e n er e g u l a t i o n j p r o t e i np e p t l e t t 2 0 0 5 1 2 1 3 1 1 7 舒黛廉 任敏 抗菌肽研究现状及其在畜牧业中的应用前景f j 中国畜牧兽医 2 0 0 7 3 4 6 1 0 0 1 0 4 8 王永才 廖仲磊 抗菌肽的研究概况及应用前景川 广东农业科学 2 0 0 6 4 6 4 6 6 9 y e a m a nky o u n tn y m e c h a n i s m so fa n t i m i c r o b i a lp e p f i d ea c t i o na n dr e s i s t a n c e p h a r m a c o lr e v 2 0 0 3 5 5 1 2 7 5 5 1 0 侯晓妹 胡宗利 陈国平 抗菌肽的抗菌机制及其临床应用 j 微生物学通报 2 0 0 9 3 6 1 9 7 1 0 5 l l p e r r o ng g z a s i o f f m b e l lg e x p e r i m e n t a le v o l u t i o no f r e s i s t a n c et oa l la n t i m i c r o b i a lp e p t i d e p r o cb i d i 2 0 0 6 2 7 3 1 5 8 3 2 5 1 2 5 6 1 2 1p a ls o n n e v e n da g a l a d a f is e ta 1 d e s i g no f p o t e n t n o n t o x i ca n t i m i c r o b i a la g e n t sb a s e du p o nt h es t r u c t u r e o f t h ef r o gs k i np e p t i d e p s e u d i n 2 j r e g u l p e p t 2 0 0 5 1 2 9 1 3 8 5 9 1 1 3 f r e c e r v h o b d i n gjl d e n o v o d e s i g n o f p o t e n ta n t i m i c r o b i a l p e p t i d e s j a n t i m i c r o b a g e n t s c h e m o t h e r 2 0 0 4 4 8 9 3 3 4 9 3 3 5 7 1 4 n i s s e n m e y e rj n e sif r i b o s o m a l l ys y n t h e s i z e da n t i m i c r o b i a lp e p t i d e s t h e i rf u n c t i o n s t r u c t u r e b i o g e b e s i sa n dm e c h a n i s mo f a c t i o n 唧 a r c hm i c r o b i o l 1 9 9 7 1 6 7 6 7 7 7 15 l e ek s h i nsk i mk e ta 1 a n t i b i o t i ca c t i v i t ya n ds t r u c t u r a la n a l y s i so f t h es c o r p i o n d e r i v e da n t i m i c r o b i a l p e p t i d ei s c ta n di t sa n a l o g s j b i o c h e mb i o p hr e sc o m m u n 2 0 0 4 3 2 3 2 7 1 2 7 1 9 1 6 s a b e r w a lg n a g a r a jr c e l l l y r i ca n da n t i b a c t e r i a lp e p t i d e st h a ta c tb yp e r t u r b i n gt h eb a r r i e rf u n c t i o no f m e n l b r a n e s f a c e t so ft h e i rc o n f o r m a t i o n a if e a t u r e s s t r u c t u r e f u n c t i o nc o r r e l a t i o n sa n dm e m b r a n e p e r t u r b i n g a b i l i t i e s j b i o c h i mb i o p h y s a c t a 1 9 9 4 l1 9 7 2 1 0 9 1 3 1 1 7 c h e ny m a n tct f a r m e rsw e ta 1 r a t i o n a ld e s i g no f a l p h a h e l i c a la n t i m i c r o b i a lp e p t i d e sw i t he n h a n c e d a c t i v i t i e s a n ds p e c i f i c i t y t h e r a p e u t i c i n d e x j d b i o l c h e m 2 0 0 5 2 8 0 1 3 1 2 3 1 6 1 2 3 2 9 1 8 l 方超 张晓巩 周颖 抗菌肽开发与应用的研究进展 j i 中国抗生素杂志2 0 1 0 l1 8 0 9 8 1 4 1 9 s a n d g r e ns w i t t r u pa c h e n gf e ta 1 t h eh u m a na n t i m i c r o b i a lp e p t i d el l 3 7t r a n s f e r se x t r a c e l l u l a rd n a p l a s m i dt o t h en u c l e a rc o m p a o m e n to fm a m m a l i a nc e l l sv i a l i p i d r a f t sa n dp r o t e o g l y c a n d e p e n d e n t e n d o c y t o s i s j d b i 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