1 概述 抗菌肽(matimicroblal peptides)是具有抗菌活性短肽的总称，这些短肽分子量在2000～7000左右，由2O～60个氨基酸残基组成。这类活性肽多数具有强碱性、热稳定性及 J 谱抗菌等特点。1975年瑞典科学家G．1~man等人⋯ 等从惜古比天蚕蛹巾诱导分离得到一种杀菌肽。此后，科学家相继从细菌、真菌、两栖类、昆虫、高等植物、哺乳动物和人体内发现并分离获得具有抗菌活性的多肽，一些抗菌肽的氨基酸一级结构和基因序列得到确定。随着分子生物学技术的发展，抗菌肽已成为近年来分子免疫学和分子生物学的研究热点。研究的内容包括：抗菌肽的分离与提纯，氪基酸序列的分析，蛋白质构型与功能的关系；抗菌肽的作用机理l2,3 ；虚用基因工程克隆和表达抗菌肽基因，改造合成抗菌肽基因以及动植物的转抗菌肽基因工程等，其中昆虫抗菌肽基因工程研究最受重视【4,5 J。这种内源性的抗菌肽经诱导而合成，在机体抵抗病原体的入侵方面起着重要的作用，被认为是生物非特异性免疫功能的重要防御成分。抗菌肽具有广谱杀菌作用，对某些真菌、原生动物，耐药性细菌都有杀灭作用，并可选择性的杀伤肿瘤细胞，抑制乙型肝炎病毒等的复制。
2 抗菌肽的分类 迄今为止从不同生物体内诱导获得的抗菌肽已有200 多种，仅从昆虫体内分离得到的就有170余种。根据结构不同可把抗菌肽分为5类：单链无半胱氨酸(Cys)的抗菌肽，或由无规则卷曲连接的两段a一螺旋组成的肽。该类包括天蚕素Cecropins，Ma 鼬inins等 Magainins最初是从非洲爪蟾的皮肤中发现的，它是爪蟾的皮肤在一定的环境压力下分泌出的抗感染和促进伤口愈合的成分，由两个紧密相连的肽链组成，每一个肽链有 23个氨基酸，低浓度便可抑制许多细菌和真菌生长 6]。富含某些氨基酸残基但不含Cys的抗菌肽。如富含脯氨酸(Pro)或甘氨酸(Gly)残基的抗菌肽。如从猪肠内分离的抗菌肽PR39中PIo含量占49％[6 J。鞘翅肽Coleoptericln 和半翅肽Hemiptericin的全序中富含Glyl7j。含一个二硫键的抗菌肽，该二硫键的位置通常在肽链 C端。如爪蟾皮肤细胞中产生的Brev i 引。有两个或两个以上二硫键，具有G一折叠结构的抗菌肽。如绿蝇防御索(Phomlindefensin)，分子内有6个Cys形成3个分子内二硫键，肽链C末段是带有拟B一转角的反向平行的口片层[ 。实验证明，分子中的二硫键在其抗菌作用中至关重要。由其他已知功能较大的多肽衍生而来的具有抗菌活力的肽。
3 抗菌肽的作用机制 目前对抗菌肽作用机制的研究尚无定论，多数学者认为抗菌肽主要通过以下几种机制杀伤肿瘤细胞和微生物： 3．1 胞膜攻击作用大多数抗菌肽基本的作用机制是破坏肿瘤细胞或细菌质膜结构，引起细胞内容物大量渗出，最终导致肿瘤细胞和细菌的死亡[m]，而抗菌肽分子的结构特征是保证上述机制发挥作用的重要基础。昆虫天蚕索的抗菌肽分子是通过其两亲性a一2螺旋上的正电荷与细菌细胞膜磷脂分子上负电荷之间的静电吸引而结合聚集在质膜上，然后抗菌肽分子中的疏水段c端(酰胺基)n一2螺旋插入到疏水的细菌细胞膜中央，双亲的 一2螺旋留在质膜表面，打乱了质膜上蛋白质和脂质原有的排列秩序，使得膜外正电荷增多，超过阈值导致膜去极化。由于抗菌肽分子的a一2螺旋是亲、疏水两亲性的，所以当抗菌肽分子相互聚集在一起时可形成离子通道，导致阳离子外流，最后细菌失去保护，不能保持正常的渗透压而死亡。从猪小肠中分离得到的抗菌肽(Cecp)与天蚕素的作用机制类似，也是通过膜攻击来完成对细菌的杀伤，但其C端为羧基而非酰胺基，其抗菌谱也有所不同，其作用机制主要是通过碱性氨基酸与细菌外膜表面的磷脂酰头部结合，由于分子的旋转导致cecp的疏水基与膜的疏水区结合，超过阈值时，则在质膜上形成瞬时小孔，导致菌体内容物溢出。菌体裂解死亡⋯ 引。防御素作用于细胞膜，可增加生物膜的通透性而发挥作用。在人工脂质膜的实验显示，防御素作用于膜上形成稳定的通道，且具有依赖电压的传导特性[¨]，因为防御素分子很小。不能以单聚体的形式造成膜穿子L，但防御素分子能以多聚体的形式作用于胞膜。有学者基于抗茵肽HNP2与生物膜疏水区和极性区的作用方式以及形成膜孔的大小等，提出由 6个防御素分子的同源二聚体组成一个穿孔环的模型[14]。 3．2 诱导细胞凋亡 Mai等Ll 5J以融合抗菌肽DP1局部注射到小鼠实体瘤内，研究DP1对肿瘤细胞株MCA20凋亡的影响，发现DPI 可迅速诱导肿瘤细胞凋亡，并使肿瘤体积缩小。Chen 等【 J以抗菌肽RGD tachypl~in作用于前列腺癌细胞株 TSU。以荧光免疫法和W~tern印迹杂交法检测，结果发现凋亡相关蛋白caspase9、ca~pase8、caspa~3以及Fas配体表达均升高，提示抗菌肽ROD tachypl~；n可以诱导与Fas相关的凋亡，由此推断诱导凋亡可能是某些抗菌肽的作用机制之一。
3．3 线粒体攻击作用 Bobek等_】7l以人唾液中提取的抗菌肽MUC7作用于临床常见的真菌、杆菌和球菌，发现MUC'7对真菌和细菌都有很强的杀伤作用。在超微结构中发现线粒体出现肿胀、空泡化、嵴脱落和不规则排列，核膜界限不清，有的核破裂，内容物溢出。这表明抗菌肽MUC7的作用机制可能与抑制肿瘤细胞呼吸有关。Che兀等118]也发现抗菌肽Tachy， plain的作用机制与抑制线粒体相关的casp~ 和casp~ 蛋白有关。Fehlaum 等【19 J发现Thanatin在0．3～0．6 tanol／LB~，就对大肠杆菌表现出强烈的杀菌作用。但当其浓度提高到)0panol／L时，仍然检测不到细胞内K十的泄漏，提示Thanatin不是通过形成离子通道来杀灭细菌。当利用40／mlol／L的Thanatin处理细菌时，1h后可检测到细胞的呼吸作用变弱，6h后完全停止。因此认为Than~in是通过抑制细胞呼吸作用来杀菌的。 3．4 对细胞核染色体的影响以往的研究多集中于抗菌肽对细胞膜的破坏作用。但 tt~iton等¨9J用具有同源性的两种抗菌肽dernk~eptinS4， dem~septinS4(13)作用于HeLa肿瘤细胞株。荧光免疫染发现S4不能进入到肿瘤细胞内部；S4(13)M r较小，可以进入到细胞内部，但： 能结合到细胞核上。对其进行氨基酸序列加工改造后获得的新型抗菌肽PVS4(13)和 RRS4(t3)却具有更强的穿透性，同时也可以结合到肿瘤的细胞核上。结果表明，经这两种改造后的抗菌肽作用后的肿瘤细胞DNA出现断裂，并最终导致死亡。由此推测抗菌肽可以通过直接作用于肿瘤细胞的染色质发挥杀伤作用。 3．5 对癌细胞骨架的断裂作用 CMn等【 0 J研究了天蚕素B、Bl和B3的抗肿瘤作用机制，这3种抗菌肽在空问结构和氨基酸序列上存在着一定差异，但又有一定的同源性。通过作用于体外培养的肿瘤细胞发现，3种抗菌肽都可以使细胞的双分子层发生溶解，微管崩解，肿瘤细胞皱缩、死亡。并且发现这种杀伤作用的效率与3种抗菌肽的空间结构和成分密切相关，证实了抗菌肽不仅可以使细胞膜发生穿孔。而且还可以破坏微管的正常功能。影响细胞骨架的完整性，阻止纺锤丝形成和有丝分裂，进而破坏细胞器，杀伤肿瘤细胞。虽然抗菌肽对肿瘤细胞和工E常人体细胞的细胞骨架均有一定损伤，但后者骨架系统完整，修复快，不会造成不可逆损伤。而肿瘤细胞骨架不完整，经抗菌肽作用后，得不到及时修复，最终导致死亡。 3．6 抑制蛋白质及细胞壁合成 Harder等【2 J发现人的抗菌肽 defensin3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，最终导致细菌死亡。在目前发现的抗菌肽多种作用机制中，膜攻击理论被认为是抗菌肽最主要作用机制，然而同一种抗菌肽也可能通过多种途径发挥作用。
4 抗菌肽研究中存在的问题及其前景 4．1 存在的问题由于抗菌肽的分子小，直接从动植物组织中提取天然抗菌肽时，分离提纯存在一定的困难，故化学合成和基因工程法成为获得抗菌肽的主要手段。但化学合成抗菌肽成本高，而通过基因工程在微生物中直接表达抗菌肽基因时，易被蛋白酶降解，表达产物可能对宿主有害，从而影响了基因的高水平表达。如何提高生产效率、降低成本成为抗菌肽基因工程研究亟待解决的问题之一。另外。与传统抗生索相比，某些抗茵肽的抗菌活性还不够理想，改造已有抗菌肽和设计新抗菌肽分子是提高其活性的有效途径。这就需要进～步研究抗菌肽的结构与活性之间的关系，为抗菌肽分子的改造和设计提供足够的理论依据。 、 4．2 抗菌肽的应用前景抗菌肽与上皮细胞、吞噬细胞、溶酶体等共同构成了机体的非特异性防御系统，在体内具有直接的杀菌活性。由于抗菌肽的高效、广谱抗菌和潜在的抗肿瘤活性等传统抗生素无可比拟的优点，可望成为新型的抗菌和抗肿瘤药物在临床上应用。相信随着对抗菌肽结构与作用机理的不断深入研究，上述问题必将得到解决。新型、高效、低毒、广谱的抗菌肽将会在农业、医药、食品等领域发挥重要的作用，为人类创造巨大的价值。
2 抗菌肽的分类 迄今为止从不同生物体内诱导获得的抗菌肽已有200 多种，仅从昆虫体内分离得到的就有170余种。根据结构不同可把抗菌肽分为5类：单链无半胱氨酸(Cys)的抗菌肽，或由无规则卷曲连接的两段a一螺旋组成的肽。该类包括天蚕素Cecropins，Ma 鼬inins等 Magainins最初是从非洲爪蟾的皮肤中发现的，它是爪蟾的皮肤在一定的环境压力下分泌出的抗感染和促进伤口愈合的成分，由两个紧密相连的肽链组成，每一个肽链有 23个氨基酸，低浓度便可抑制许多细菌和真菌生长 6]。富含某些氨基酸残基但不含Cys的抗菌肽。如富含脯氨酸(Pro)或甘氨酸(Gly)残基的抗菌肽。如从猪肠内分离的抗菌肽PR39中PIo含量占49％[6 J。鞘翅肽Coleoptericln 和半翅肽Hemiptericin的全序中富含Glyl7j。含一个二硫键的抗菌肽，该二硫键的位置通常在肽链 C端。如爪蟾皮肤细胞中产生的Brev i 引。有两个或两个以上二硫键，具有G一折叠结构的抗菌肽。如绿蝇防御索(Phomlindefensin)，分子内有6个Cys形成3个分子内二硫键，肽链C末段是带有拟B一转角的反向平行的口片层[ 。实验证明，分子中的二硫键在其抗菌作用中至关重要。由其他已知功能较大的多肽衍生而来的具有抗菌活力的肽。
3 抗菌肽的作用机制 目前对抗菌肽作用机制的研究尚无定论，多数学者认为抗菌肽主要通过以下几种机制杀伤肿瘤细胞和微生物： 3．1 胞膜攻击作用大多数抗菌肽基本的作用机制是破坏肿瘤细胞或细菌质膜结构，引起细胞内容物大量渗出，最终导致肿瘤细胞和细菌的死亡[m]，而抗菌肽分子的结构特征是保证上述机制发挥作用的重要基础。昆虫天蚕索的抗菌肽分子是通过其两亲性a一2螺旋上的正电荷与细菌细胞膜磷脂分子上负电荷之间的静电吸引而结合聚集在质膜上，然后抗菌肽分子中的疏水段c端(酰胺基)n一2螺旋插入到疏水的细菌细胞膜中央，双亲的 一2螺旋留在质膜表面，打乱了质膜上蛋白质和脂质原有的排列秩序，使得膜外正电荷增多，超过阈值导致膜去极化。由于抗菌肽分子的a一2螺旋是亲、疏水两亲性的，所以当抗菌肽分子相互聚集在一起时可形成离子通道，导致阳离子外流，最后细菌失去保护，不能保持正常的渗透压而死亡。从猪小肠中分离得到的抗菌肽(Cecp)与天蚕素的作用机制类似，也是通过膜攻击来完成对细菌的杀伤，但其C端为羧基而非酰胺基，其抗菌谱也有所不同，其作用机制主要是通过碱性氨基酸与细菌外膜表面的磷脂酰头部结合，由于分子的旋转导致cecp的疏水基与膜的疏水区结合，超过阈值时，则在质膜上形成瞬时小孔，导致菌体内容物溢出。菌体裂解死亡⋯ 引。防御素作用于细胞膜，可增加生物膜的通透性而发挥作用。在人工脂质膜的实验显示，防御素作用于膜上形成稳定的通道，且具有依赖电压的传导特性[¨]，因为防御素分子很小。不能以单聚体的形式造成膜穿子L，但防御素分子能以多聚体的形式作用于胞膜。有学者基于抗茵肽HNP2与生物膜疏水区和极性区的作用方式以及形成膜孔的大小等，提出由 6个防御素分子的同源二聚体组成一个穿孔环的模型[14]。 3．2 诱导细胞凋亡 Mai等Ll 5J以融合抗菌肽DP1局部注射到小鼠实体瘤内，研究DP1对肿瘤细胞株MCA20凋亡的影响，发现DPI 可迅速诱导肿瘤细胞凋亡，并使肿瘤体积缩小。Chen 等【 J以抗菌肽RGD tachypl~in作用于前列腺癌细胞株 TSU。以荧光免疫法和W~tern印迹杂交法检测，结果发现凋亡相关蛋白caspase9、ca~pase8、caspa~3以及Fas配体表达均升高，提示抗菌肽ROD tachypl~；n可以诱导与Fas相关的凋亡，由此推断诱导凋亡可能是某些抗菌肽的作用机制之一。
3．3 线粒体攻击作用 Bobek等_】7l以人唾液中提取的抗菌肽MUC7作用于临床常见的真菌、杆菌和球菌，发现MUC'7对真菌和细菌都有很强的杀伤作用。在超微结构中发现线粒体出现肿胀、空泡化、嵴脱落和不规则排列，核膜界限不清，有的核破裂，内容物溢出。这表明抗菌肽MUC7的作用机制可能与抑制肿瘤细胞呼吸有关。Che兀等118]也发现抗菌肽Tachy， plain的作用机制与抑制线粒体相关的casp~ 和casp~ 蛋白有关。Fehlaum 等【19 J发现Thanatin在0．3～0．6 tanol／LB~，就对大肠杆菌表现出强烈的杀菌作用。但当其浓度提高到)0panol／L时，仍然检测不到细胞内K十的泄漏，提示Thanatin不是通过形成离子通道来杀灭细菌。当利用40／mlol／L的Thanatin处理细菌时，1h后可检测到细胞的呼吸作用变弱，6h后完全停止。因此认为Than~in是通过抑制细胞呼吸作用来杀菌的。 3．4 对细胞核染色体的影响以往的研究多集中于抗菌肽对细胞膜的破坏作用。但 tt~iton等¨9J用具有同源性的两种抗菌肽dernk~eptinS4， dem~septinS4(13)作用于HeLa肿瘤细胞株。荧光免疫染发现S4不能进入到肿瘤细胞内部；S4(13)M r较小，可以进入到细胞内部，但： 能结合到细胞核上。对其进行氨基酸序列加工改造后获得的新型抗菌肽PVS4(13)和 RRS4(t3)却具有更强的穿透性，同时也可以结合到肿瘤的细胞核上。结果表明，经这两种改造后的抗菌肽作用后的肿瘤细胞DNA出现断裂，并最终导致死亡。由此推测抗菌肽可以通过直接作用于肿瘤细胞的染色质发挥杀伤作用。 3．5 对癌细胞骨架的断裂作用 CMn等【 0 J研究了天蚕素B、Bl和B3的抗肿瘤作用机制，这3种抗菌肽在空问结构和氨基酸序列上存在着一定差异，但又有一定的同源性。通过作用于体外培养的肿瘤细胞发现，3种抗菌肽都可以使细胞的双分子层发生溶解，微管崩解，肿瘤细胞皱缩、死亡。并且发现这种杀伤作用的效率与3种抗菌肽的空间结构和成分密切相关，证实了抗菌肽不仅可以使细胞膜发生穿孔。而且还可以破坏微管的正常功能。影响细胞骨架的完整性，阻止纺锤丝形成和有丝分裂，进而破坏细胞器，杀伤肿瘤细胞。虽然抗菌肽对肿瘤细胞和工E常人体细胞的细胞骨架均有一定损伤，但后者骨架系统完整，修复快，不会造成不可逆损伤。而肿瘤细胞骨架不完整，经抗菌肽作用后，得不到及时修复，最终导致死亡。 3．6 抑制蛋白质及细胞壁合成 Harder等【2 J发现人的抗菌肽 defensin3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，最终导致细菌死亡。在目前发现的抗菌肽多种作用机制中，膜攻击理论被认为是抗菌肽最主要作用机制，然而同一种抗菌肽也可能通过多种途径发挥作用。
4 抗菌肽研究中存在的问题及其前景 4．1 存在的问题由于抗菌肽的分子小，直接从动植物组织中提取天然抗菌肽时，分离提纯存在一定的困难，故化学合成和基因工程法成为获得抗菌肽的主要手段。但化学合成抗菌肽成本高，而通过基因工程在微生物中直接表达抗菌肽基因时，易被蛋白酶降解，表达产物可能对宿主有害，从而影响了基因的高水平表达。如何提高生产效率、降低成本成为抗菌肽基因工程研究亟待解决的问题之一。另外。与传统抗生索相比，某些抗茵肽的抗菌活性还不够理想，改造已有抗菌肽和设计新抗菌肽分子是提高其活性的有效途径。这就需要进～步研究抗菌肽的结构与活性之间的关系，为抗菌肽分子的改造和设计提供足够的理论依据。 、 4．2 抗菌肽的应用前景抗菌肽与上皮细胞、吞噬细胞、溶酶体等共同构成了机体的非特异性防御系统，在体内具有直接的杀菌活性。由于抗菌肽的高效、广谱抗菌和潜在的抗肿瘤活性等传统抗生素无可比拟的优点，可望成为新型的抗菌和抗肿瘤药物在临床上应用。相信随着对抗菌肽结构与作用机理的不断深入研究，上述问题必将得到解决。新型、高效、低毒、广谱的抗菌肽将会在农业、医药、食品等领域发挥重要的作用，为人类创造巨大的价值。