抗菌肽的研究及畜牧业中的应用

1975年瑞典科学家G．Boman等人从惜古比天蚕蛹中诱导分离得到一种杀菌肽，并将其命名为cecropin。这是人们第一次真正意义上发现抗菌肽。此后，抗菌肽的研究主要集中在昆虫的研究上，直到1989年Lee等首次从猪小肠分离到抗菌肽cecmpinPl，这一新的发现揭示了抗菌肽广泛存在于生物界。

抗菌肽是指广泛存在于生物体内具有抵抗外界微生物侵害，消除体内突变细胞的一类小分子多肽，是生物天然免疫防御系统的重要组成部分。具有相对分子量小、对热和酸碱稳定、水溶性好、无免疫原性和抗菌谱广等特点，它不仅能抗多种细菌或真菌，而且还抗原虫、病毒或肿瘤细胞，对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、真菌均有抑杀作用，更为重要的是抗菌肽对正常的真核细胞凡乎没有作用，仅仅作用于原核细胞和发生病变的真核细胞。抗菌肽一般是通过作用于靶细胞的细胞膜，破坏其完整性并产生穿孔现象，导致细菌细胞质膜通透性增大，引起胞内水溶性物质大量渗出而达到广谱抗菌的效果。所以抗菌肽的使用不容易产生抗性菌和交叉抗性；并且在病原菌感染时，用抗生素治疗实际上对有机体是有害的，因为它能刺激内毒素的释放，有时还会造成中毒休克，但使用抗菌肽则无此现象，而且抗菌肽还能抑制细菌产物诱导产生的对人体有害的细胞因子。

1抗菌肽的分类

抗菌肽的分类结构根据其结构可分为5类：

1．1单链无半胱氨酸残基的α-螺旋．或由无规卷曲连接的两段α-螺旋组成的肽此类抗菌肽的主要代表天蚕素是最早从昆虫中分离得到的抗菌肽类物质，目前已在鳞翅目和双翅目昆虫中分离出20多种天蚕素类似物，包括sarcotoxins、hyphancin、enbocin和spodopsin等。

1．2富含某些氨基酸残基但不含半胱氨酸残基的抗菌肽

此类抗菌肽目前已在双翅目、膜翅目、半翅目、鞘翅目昆虫中发现呈线形，由14～39个氨基酸残基组成。如富含脯氨酸的abaecins、apidaecins、formaecins、drosocins(果蝇素)．metchnikowins、lebocins、pyrrhocoricin红蝽素)；富含甘氨酸的鞘翅肽和半翅肽，双翅目凝集素。

1．3含1个二硫键的抗菌多肽

该抗菌肽最早发现于半翅目昆虫斑腹刺益蝽(Podisusmaculiventris)。此类抗菌肽作用范围很广，既可以在很低剂量下杀灭革兰氏阳性／阴性菌，又可以在不损伤血细胞的前提下作用于丝状真菌和酵母。Fehlbaum等发现，该抗菌肽在应对不同微生物的过程中采用不同的杀伤机制。这无疑说明了此类抗菌肽在今后治疗多重耐药菌感染方面的巨大潜力。

1．4有2个或2个以上二硫键、具有β-折叠结构的抗菌肽

此类抗菌肽包括phrmicins、sapecins、myalisin及spodoptericin，其中绝大多数为阳离子小肽，一般由33～46个氨基酸残基组成，分子中含有多个Cys，形成3～4个二硫键以稳定其结构。

1．5由其它已知功能的较大的多肽衍生而来的具有抗菌活性的肽

其中最早分离到的是Cecropins以及从非洲爪蟾中分离到的Magainins等都属于此类抗菌肽，通常也将其称为Cecropin类抗菌肽。此类抗菌肽不仅对绿脓杆菌，金黄色葡萄球菌具有致命作用，还能杀死病毒，寄生虫和某些动植物的致病菌。

2抗菌肽的作用机制

2．1形成细胞膜电势依赖性通道

严格的说，抗菌肽是怎样作用于细菌的还并不清楚，但是其作用机制却是研究的热门。已提出了许多不同的认识，其中提出最多的是抗菌肽的两亲性结构能选择性地破坏细胞膜，发挥离子泵的作用，形成电势依赖性通道，造成细胞内容物溢出胞外而死亡。

其杀菌过程为：抗菌肽分子两亲性α-螺旋上的正电荷与细菌质膜磷脂分子上的负电荷通过静电相吸而靠近；接着借助于分子中N端与c端间的连续结构的柔性，抗菌肽分子中的疏水端插入质膜中；然后两亲性α-螺旋也插入质膜中，这样就破坏了脂质双层原有的有序结构，由于α-螺旋的两亲性使抗菌肽分子通过膜内分子间的位移而相互聚集在一起，从而在膜上形成离子通道，细菌最终不能保持正常渗透压而致死。

2．2诱导细胞凋亡

Chen等曾以抗菌肽RGD-tachyplesin作用于前列腺癌细胞株Tsu，然后用荧光免疫法和Western印迹杂交法检测，发现一些与细胞凋亡相关的蛋白，如Caspase3、Caspase 8、Caspase9以及Fas配体的表达升高。这说明该抗菌肽能诱导与Fas相关的细胞凋亡。与此同时，Mai等在研究融合抗菌肽DPl对肿瘤细胞株MCA20凋亡的影响的时候发现，DPl可快速诱导细胞凋亡，并使肿瘤体积缩小。因此，诱导细胞凋亡可能是一些抗菌肽的作用机制之一。

2．3攻击线粒体、抑制细胞呼吸

我们知道，线粒体是细胞通过呼吸作用进行能量代谢的器官，它的损害直接导致细胞的死亡。Bobek等发现，从人唾液中提取出的抗菌肽Muc7对真菌和细菌都有很强的杀伤作用，而这种杀伤作用体现在细胞的结构上是：线粒体出现肿胀、空泡化、脊脱落和排列不规范，核膜界线不清，有的核破裂，内容物溢出。另外，Chen等在研究抗菌肽RGD—taehyplesin时也发现它的作用机制与抑制线粒体相关的Caspase6和Caspase7蛋白有关。这都说明抗菌肽的作用很可能与抑制肿瘤细胞的呼吸有关。

2．4抑制细菌细胞壁的合成

细胞壁对细菌起着保护及维持渗透压等很多方面的功能，但抗菌肽β-defensin-3能够抑制细菌细胞壁的形成，使细菌不能维持正常的细胞形态而生长受阻并使细胞壁穿孔，最终导致细胞的死亡。刘先凯等也曾报道Sar-cotoxinll也有此作用，只是对已经形成的细胞壁不起作用。

2．5抑制细菌细胞外膜蛋白的形成

具有这种功能的抗菌肽主要是通过干扰编码菌体细胞外膜蛋白的基因转录，使这些蛋白的含量减少，结果导致细胞膜的通透性增加，细菌细胞的生长受到抑制。

3抗菌肽在畜牧业中的应用前景

3．1抗菌肽在畜禽疾病防治中的作用

由各种病原微生物引起的感染一直是影响畜牧业发展的常见疾病，特别是随着青霉素等传统抗生素的长期广泛应用，许多细菌都产生了明显的耐药性。更为重要的是，动物食品抗生素残留量的增加，严重威胁了人类的健康。因此，开发全新的抗菌药物已迫在眉睫。随着新的抗菌肽的不断发现和对抗菌肽作用机制的不断深入了解，具有广谱抗菌、不易产生耐药菌株、无毒无残留的抗菌肽在畜禽疾病治疗与预防中具有广阔的应用前景。目前，不少研究者做了一些相关的试验，得到了较好的结果。马卫明等检测了猪小肠抗菌肽对鸡大肠杆菌(O1)C83845株、鸡白痢沙门氏菌C79—13株、大肠杆菌(O2)、大肠杆菌(O78)、猪致病性大肠杆菌自然分离株、鸡致病性大肠杆菌自然分离株、白色葡萄球菌、金黄色葡萄球菌ATCC25923株、猪致病性沙门氏菌自然分离株、绿脓杆菌ATCC27853株、鱼致病性嗜水气单胞菌等11株细菌的作用，结果发现猪小肠抗菌肽对以上各株细菌均有不同程度的抑制作用，杀菌率59．5％～98．5％不等。汪以真等将抗菌肽与抗生素在体外对大肠杆菌K88、大肠杆菌ATCC25922、猪霍乱沙门氏菌ATCC500、鼠伤寒沙门氏菌和金黄色葡萄球菌ATCC25923的效果进行了研究，结果表明，抗生素抗金黄色葡萄球菌的效果要好于抗菌肽，但对大肠杆菌的效果要差得多。

3．2抗菌肽在饲料添加剂中的应用

抗菌肽广泛存在于所有脊椎动物和无脊椎动物机体中，高等动物肠道微生物菌群发达，不同动物的肠道内内源性抗菌肽能抑制其相应的外源性病原菌，而对动物肠道内微生态系统中的微生物和动物细胞无杀伤作用，即高等动物肠道抗菌肽具有“种”特异性。抗菌肽作为饲料添加剂在畜牧生产中的应用越来越广泛，适量添加不仅具有良好的抗菌效果，而且也有利于提高畜禽的生产性能和畜禽产品品质。汪以真等试验表明抗菌肽对肠道内微生物菌群的调节作用与抗生素相似，但抗菌肽能促进有益菌的生长，从而有利于调节体内微生态，起到促进动物生长的作用。马卫明等探讨了从猪小肠分离纯化的抗菌肽对雏鸡促生长发育的机理，结果表明抗菌肽可以增强小肠对营养物质的消化吸收功能，从而促进鸡的生长发育。

4抗菌肽的应用前景

目前关于抗菌肽的研究大多数处于实验室阶段，对于抗菌肽的基础与临床应用研究有待于进一步深入。如：对于抗菌肽的免疫原性、毒性、药动学及药效学的研究还较为有限，抗菌肽的临床试验仍局限于局部治疗。其次，抗菌肽分子量小，分离纯化困难；天然含量极微，提取步骤烦琐、得率低；化学合成成本高，价格昂贵，难以在实际推广中应用。随着基因工程技术的发展，极大地促进了抗菌肽的研究和开发。相信随着对抗菌肽的结构及其作用机制深入的了解，有目的地对抗菌肽进行人工设计与改造，通过基因工程表达生产大量抗菌肽等各种方法。抗菌肽最终必将取代化工合成的抗生素，对人类的健康做出贡献。