国家自然科学基金资助(39872584，30270995)
在过去的几十年内，已经发现700多种抗菌肽。这些肽类物质被分为两类，一类是非核糖体合成的抗菌肽，如短杆菌肽、多黏菌素、杆菌肽和糖多肽等，主要是由细菌产生，并经结构修饰而获得；另一类是由核糖体合成的天然抗菌肽，是生物机体在抵御病原微生物的防御反应过程中所产生的一类抗微生物与一些恶性细胞的短肽(antimicrobial and malignant-cell-toxic peptides)。这些肽类是由基因编码、宿主细胞产生的一类抗菌分子，是有机体在进化过程中为适应环境、求得生存而最早产生的免疫活性分子，其分子量较小，一般在4000Dr左右，肽链在几十个氨基酸残基左右，被认为是天然免疫的重要介质，对G(右上为＋)菌、G(右上为－)菌、霉菌、螺旋体、病毒(如流感病毒、疱疹病毒、艾滋病病毒)等均具有很强的杀伤活性。
一、非核糖体合成的抗菌肽
1．生物合成。非核糖体合成的抗菌肽是由细菌、真菌和链霉菌等分泌的具有抗菌活性的肽类物质。研究表明，这类抗菌肽是按照多载体硫模板机制在肽合成酶的作用下合成的。肽合成酶基因(如杆菌肽S生物合成操纵子grsB)大小为13kb，含有4--6个模板，每个模板都可识别、激活一个氨基酸残基，并且在必要的时候对其进行修饰，添加到正在合成的肽链上。其中，最小的模板可激活一个氨基酸残基或羟酸残基，在以共价键与模板结合的辅因子(4’－磷酸泛酰巯基乙胺)的协同作用下将激活的氨基酸聚合到肽链上，并且还可稳定已激活的氨基酸残基。在这种机制控制下可以合成许多含有羟基、L-氨基酸和D-基酸的肽类物质，再通过N-基化、酰化、糖基化或杂环形成作用等进一步的化学修饰，成为具有生物活性的抗菌肽。
2．生物活性与抗菌机理。多黏菌素B带有5个正电荷，短杆菌肽S带有2个正电荷，在本质上它们都是阳离子抗菌肽。多黏菌素对G(右上为－)菌的抗菌活性强，主要敏感菌有大肠杆菌、沙门氏菌、巴氏杆菌、布鲁氏菌、弧菌、痢疾杆菌、绿脓杆菌等，尤其对绿脓杆菌具有强大的杀菌作用。短杆菌肽S和杆菌肽主要作用于G(右上为+)菌。杆菌肽对耐药的金黄色葡萄球菌、肠球菌、链球菌有效，对螺旋体和放线菌也有效，但对G(右上为－)菌无效。有资料表明，短杆菌肽S对G(右上为－)菌和白色念珠菌有很强的活性。杆菌肽是通过抑制G(右上为＋)菌胞浆内的肽聚糖前体转变为焦磷酸萜醇，从而起到抑菌作用的；多黏菌素是通过破坏细菌胞膜而起到杀菌作用的；其他非核糖体合成的抗菌肽，如链阳菌素是通过抑制细菌蛋白质合成起到抑菌作用的。
3.临床应用。黏杆菌素是阳离子脂肽多黏菌素E的一种甲硫衍生物，应用其气雾剂治疗肺部绿脓杆菌感染已取得成功。对天然脂肽进行化学修饰的目的是为了降低全身应用时的毒性。天然脂肽的部分毒性可能来自于肽链上的脂尾，有些学者认为多黏菌素的非酰基化衍生物在全身应用时会出现较强的毒性反应，非酰基化短杆菌肽S可引起溶血。因此，该类抗生素的广泛应用受到了限制。
4.应用前景。非核糖体合成抗菌肽的发现为人类提供了丰富的新型抗菌药物资源。目前，人们主要通过3种途径开发这类抗生素。第一，对现有抗菌肽及其衍生物通过化学修饰的方法来寻求新的抗生素。比如，链阳菌素是20世纪50年代发现的一环状抗菌肽家族，其抗菌性很强，但是可溶性极差，通过化学方法已得到2种水溶性半合成链阳菌素，即dalfopristin和quinupristin，作为抗耐药G(右上为+)菌制剂已完成Ⅲ期临床试验。第二，利用模板合成抗菌肽，这是比较令人振奋的方法。Schneider等指出，组装新型肽类合成模板，从而得到新的结构，这样，很有可能得到好多抗菌肽骨架化学结构。第三，利用得到的化学结构为母体进行化学合成。短杆菌肽就是一个很好的例子，具有母环大小不一、电荷、氨基酸序列和疏水性各异的短杆菌肽S衍生物对细菌具有高度选择性。
二、核糖体合成的抗菌肽
早在几个世纪以前，人们就知道蛙皮有药用价值，但是直到1962年Kiss和Michl从铃蟾(Bombina variegata)皮肤分泌物中发现具有抗菌且溶血作用的肽类，并且最终从中分离出了含有22个氨基酸的抗菌肽(bombinin)，人们才了解到蛙皮之所以具有抗菌作用，是由于其中含有抗菌肽之类的活性物质。1972年，具有抗菌且溶血作用的肽类melittin从蜜蜂毒液被分离出。此后，人们对这类阳离子抗菌肽的结构与作用机理进行了深入研究，到目前为止，在各种生物体内发现的抗菌肽达700多种。
1．分布。包括细菌、真菌、昆虫、被囊动物(tunicate)、两栖类动物、甲壳类动物、鸟类、鱼类、哺乳动物(包括人类)以及植物在内的所有生物体都可产生抗菌肽。在哺乳动物中，抗菌肽(如defensins)是嗜中性白细胞的主要蛋白成分(占总蛋白10％--18％)。在损伤黏膜表面抗菌肽的浓度升高，成为黏膜防御的重要物质。
2．生物活性与抗菌机理。抗菌肽对G(右上为+)菌、G(右上为-)菌、真菌、囊膜病毒、癌细胞和寄生虫都有活性，能促进创伤愈合，还具有趋化作用。一个好的抗菌肽应该对多数细菌有效，并且对多耐药性绿脓杆菌、耐meticillin金黄色葡萄球菌和Stenotrophomonas maltophilia高度有效。有些细菌也会对抗菌肽产生抗药性，但只是轻度抗药。
尽管抗菌肽在长度上千差万别，几乎所有的抗菌肽在本质上都是阳离子型，其高级结构无论是以а－螺旋还是以β-折叠出现，两亲结构是它们的共同特征。Boman等研究发现猪cecropinP1是通过裂解细菌而达到杀菌目的，而PR-39是通过阻断细菌蛋白质和DNA合成而达到杀菌目的。Christensen等研究认为，在质膜与水相界面上，抗菌肽与脂质双层间首先通过静电相吸而靠近，借助于分子中N端与C端间的连接结构的柔性，抗菌肽分子中的疏水端插入质膜中，然后两亲性а-螺旋也插入质膜中。
从中性粒细胞分离的defensins具两亲β-折叠构型，杀菌活性在于渗透大肠杆菌的外膜和内膜，类似于cecropins在膜上形成离子通道。不管是具有а-螺旋还是β-折叠结构的抗菌肽，都有形成通道的能力，即通道形成在抗菌活性中起着重要作用，此外，阳离子特性也是抗菌活性必需的。对于G(右上为-)菌，抗菌肽易与其外膜上的带负电脂多糖相互作用，从而破坏外膜结构以穿越内膜，而G(右上为+)菌不具有脂多糖膜，但其表面由于肽聚糖中胞壁酸、糖醛酸、磷壁酸和氨基酸羧基的存在而带负电，抗菌肽也能破坏肽聚糖层而穿透质膜。
对抗菌肽的抗真菌机理研究的很少。有人认为，抗菌肽可使真菌形态发生改变，内部离子快速外流，或抑制线粒体合成能量。部分抗菌肽对锥虫、疟疾虫和线虫有活性。抗菌肽抗癌细胞也有报道，但是极有可能对正常细胞也有毒性。
3.抗菌肽在天然免疫中的作用。阳离子抗菌肽在宿主天然免疫中起着非常重要的作用。在果蝇的调节基因或信号基因发生变异时可以影响许多肽类的表达，从而导致对细菌和真菌易感性的增加。Wilson等从小鼠体内分离到一种酶matrilysin，可将肠道defensins前体转化为有活性的defensins。剔除该酶基因可以阻断肠道defensins前体转化为有活性的defensins，导致小鼠对微生物的易感性提高10倍。患有特异性颗粒缺乏综合征病人缺乏а-defensins，会经常发生严重细菌感染。可见，抗菌肽在宿主抗感染方面起着很重要的作用。
抗菌肽可以中和G(右上为-)菌脂多糖、G(右上为+)菌脂磷壁酸和细菌未甲基化CpGDNA等细菌信号分子。这些信号分子可以与宿主细胞表面Toll样受体结合，启动信号级联放大和细胞因子(如TNF、IL-6等)正调节。低浓度细菌信号分子可引发机体有益的炎症反应和发热，但是如果反应剧烈或持续时间延长，可以导致全身循环障碍、器官衰竭，甚至死亡。抗菌肽可抑制脂多糖与血清脂多糖结合蛋白因子结合，防止内毒素血症和死亡。
抗菌肽还参与宿主天然免疫的其他反应，比如刺激单核细胞和嗜中性白细胞的趋化作用、促进肥大细胞组织胺的释放、抑制组织蛋白酶以及促进创伤愈合。微量测定实验证明，抗菌肽可以选择性地正调节30多种基因的表达。但是，至今仍没有完整的动物模型资料来证明抗菌肽在这些反应中起着重要作用。
4。临床应用与存在的问题。目前，仅有5个有关抗菌肽临床应用试验。(1)IB-367，一种整合素样分子，治疗癌症病人因放疗和化疗引起的多微生物参与的口腔黏膜炎症的Ⅲ期临床试验；(2)IB-367气雾剂治疗囊性纤维素样肺病患者的肺部绿脓杆菌感染的Ⅱ期临床试验；(3)Indolicidin防止中心静脉插管部位感染的Ⅲ期临床试验；(4)MBI-226防止中心静脉插管部位感染的Ⅲ期临床试验；(5)Indolicidin样肽治疗急性痤疮的Ⅱ期临床试验。
任何一种新药在成功应用于临床以前必须要经过一系列的试验，这些试验能足够证明这种药物具有良好的活性、稳定的制剂、适宜的生产方法、在体内有足够的稳定性和很低的毒性。从理论上来讲，抗菌肽应该是理想的抗菌药物候选者，但是，几乎没有完整的动物体内实验资料。Zhang等研究发现，从马蹄蟹体内分离到的polyphemusin I，在体外具有良好的抗菌活性，但是动物模型实验证明几乎没有抗感染能力。polyphemusin I经序列修饰后，体外抗菌活性降低，体内抗感染能力有所升高，导致抗菌肽缺乏体内抗菌活性的主要原因可能是宿主蛋白酶致使抗菌肽的稳定性降低。可以通过改善制剂(如用脂质体掩饰抗菌肽)、应用前体药物、结合耐蛋白水解酶的肽类或进行序列修饰等方法克服这一缺点。Varbanac等指出，抗菌肽前体可能是蛋白抑制剂，可以通过适当的序列修饰使抗菌肽由蛋白酶底物转变为蛋白酶抑制剂。
作者单位：马卫明，余锐萍 山东农业大学 中国农业大学
摘自2003年第10期《世界农业》