抗菌肽在畜牧生产上的应用

李子瑞

（东北农业大学动物营养研究所，哈尔滨 150030）

长期使用抗生素会引发细菌耐药性，威胁人类健康。寻求和开发有利于环保的新型抗菌药物替代抗生素具有重要意义。抗菌肽（Antimicrobial peptides）最初是从昆虫免疫后的血淋巴细胞中发现的碱性多肽类物质，分子量很小，是一类广泛存在于动物体内具有广谱抗菌活性的阳离子型多肽，是生物先天免疫的重要组成成分[1]。抗菌肽易通过环境与宿主反应起到抗病原微生物的作用，一般不易产生耐药性，现已成为当前学术界中的研究热点。

1 抗菌肽的概述

抗菌肽是生物体内存在的一类具有广谱抗菌活性的小分子多肽，具有两亲性结构。Boman等首先在果蝇中发现抗菌肽，随后从惜古比天蚕蛹中诱导分离并命名为天蚕素或杀菌肽（cecropin）[2]。此后，大量类似的抗菌肽被发现并分离出来。其共同特点为分子量小、多聚阳离子型和两亲性结构。抗菌肽主要由免疫系统的细胞产生，如多形核嗜中性白细胞（PMNs）、巨噬细胞、淋巴细胞和自然杀伤细胞[3]。

Wang等对525种抗菌肽分析研究，发现抗菌肽的一级结构差异很大，含有6～84个氨基酸残基，能与革兰氏阴性菌的脂多糖和革兰氏阳性菌的磷壁酸结合，发挥抗菌作用[4]。抗菌肽在自然界分布广泛，来源不一，有许多种不同的分类方法。Martin等按氨基酸残基特点和二级结构将抗菌肽分为4类[5]。第一类为含有半胱氨酸的两亲性的β-折叠抗菌肽。该类抗菌肽分子内含有2～6个二硫键最具有代表性的是动物防御素。其是动物体内防御系统的最大成员，可分为α、β、θ3大类。α-防御素在哺乳动物粒细胞或巨噬细胞中表达，β-防御素在哺乳动物的上皮细胞中表达；第二类为含有两亲性的α-螺旋抗菌肽，此类抗菌肽N端富含碱性氨基酸残基，C末端含有较多的疏水性氨基酸残基，这一结构有利于其插入细菌的质膜。除此之外，这类抗菌肽所带正电荷利于与细菌膜上的负电荷相互吸引而结合到细菌的细胞膜上。分子的两端各形成一个两亲性α-螺旋，两个螺旋之间有甘氨酸和脯氨酸形成的铰链区，这种螺结构是破坏、裂解细菌的主要结构；第三类为含有二硫键的半胱氨酸环状结构的抗菌肽，该类抗菌肽在C末端有分子内二硫键，形成一个环链结构，而N末端为线状结构；第四类为含有1～2个氨基酸的线性伸展结构的抗菌肽[6]。该类抗菌肽由15～34个氨基酸组成，不含半胱氨酸，但富含脯氨酸、精氨酸或色氨酸。

其中，α-螺旋和β-折叠这两种结构占自然界中天然抗菌肽的80%以上。这些抗菌肽具有广谱抗菌和其他优良的特性，如高效的抗真菌、抗病毒、原虫和抗肿瘤活性，这与其自身的结构特点密不可分[7－8]。因此，这类抗菌物质充分显示了其在畜牧养殖上的应用前景。

2 抗菌肽的作用机理

传统抗生素的抗菌机理是与病原体上的某些特殊部位结合，破坏病原体的结构或者阻碍其生物合成，以达到抑菌或杀菌的目的。当作用的靶点改变时，病原体就会产生抗药性。抗菌肽对真菌、病毒及发生细胞病变的真核细胞也具有抗菌作用。其抗菌作用一般不涉及特定受体，完全是阴阳离子的相互作用，这种独特的抗菌机理形成了不耐药的特性[9]。尽管人们对抗菌机理已经研究较多，但目前仍处在理论假设阶段。主要有3种理论模型，包括孔洞学、可变毯模型和离子通道学说[10]。尽管有关抗菌肽的抗菌机理研究的争论比较多，目前尚无定论，但许多研究已经证明，静电荷、疏水性以及两性分子性质是调节抗菌肽活性的重要参数[11]。带有正电荷阳离子结构的抗菌肽与带有负电荷细菌质膜的磷脂表面通过静电相互吸引而靠近，抗菌肽分子中的疏水端插入质膜中，N端的两亲性α-螺旋也插入质膜中，从而破坏了脂质双层原有的结构，在质膜上形成离子通道，通过改变膜的构象，多个抗菌肽聚合在膜上形成离子通道，造成细胞内容物泄露致细胞死亡。人们对抗菌肽与细胞膜的接触也有许多不同的看法，一种是抗菌肽与细胞膜作用，使细胞膜上的蛋白凝聚，变性失活，形成离子通道，改变细胞膜的通透性，最后导致细胞死亡，另一种是细胞膜上存在特异受体及其他因子协助细菌死亡。目前研究倾向于第一种假设。

抗菌肽对原核细胞产生特异的溶菌活性，对低等的真核生物如真菌及某些植物的原生质体以及某些肿瘤细胞也有杀伤作用，而对正常的哺乳动物细胞没有作用，其原因可能是原核细胞和真核细胞膜结构不同，真核细胞含有丰富的膜蛋白和胆固醇，特别是后者能够使膜蛋白趋于稳定，而哺乳动物细胞存在丰富的膜骨架系统，抵抗了抗菌肽的作用。

3 抗菌肽在畜牧生产上的应用

抗菌肽具有广谱抗菌活性，对真核细胞没有伤害作用。有望解决细菌耐药性、抗生素的残留及饲料添加剂等问题。

3.1 临床药用及应用

Wachinger等的研究结果表明，蜂毒素和天蚕素可以在亚毒性浓度下抑制爱滋病毒HIV-1的基因表达，减少HIV-1的增殖[12]。天蚕素、爪蛙素、鼠抗菌肽NP-1和NP-2及人抗菌肽HNP-1均表现出对肿瘤细胞的杀伤活性[13]。这可能是由于肿瘤细胞的细胞骨架系统不发达，抗菌肽易插入细胞脂膜形成离子通道，从而杀死肿瘤细胞。组蛋白衍生物P-113是一个由12个氨基酸组成的阳离子肽，是唾液中天然抗菌肽组蛋白的结构类似物[14]。体外试验已经证实，P-113有很好的抗白色念珠菌、革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的作用，开发P-113用来治疗艾滋病患者口腔白色念珠菌感染的Ⅰ、Ⅱ期临床试验已经完成。另外P-113D也将被用于治疗囊性纤维化患者肺部绿脓杆菌的感染[15]。

3.2 抗菌肽替代抗生素的研究

传统的抗生素是通过阻断生物大分子的合成来杀灭细菌的，而抗菌肽是通过裂解细菌的细胞膜使其内容物外泄而导致细胞死亡的，两者的作用机理完全不同，因此，使用抗菌肽杀灭细菌不会产生抗药性。

设计一种高效、有利于人类健康的抗菌肽来代替抗生素是完全可行的。温刘发等通过在断奶仔猪饲料中用抗菌肽代替抗生素，结果表明，抗菌肽在仔猪断奶应激期间抗腹泻效果较抗生素好，适量的抗菌肽比抗生素的促生长效果更理想。但高剂量的抗菌肽则降低了仔猪的生长速度[16]。黄永彤等发现，抗菌肽有促进肉鸡生长和提高免疫力作用。与中草药抗生素相比，在出栏率、平均体重、饲料效率等方面均无显著差异，且在出栏前3 d停喂，抽检无残留[17]。陈晓生等研究发现，添加抗菌肽制剂2 mL·kg-1能有效提高1～2周龄肉鸭的生产性能，添加2.3 mL·kg-1可显著提高产肉率[18]。添加抗菌肽会使机体在蛋白质合成量变化不大的情况下减少机体蛋白质的分解代谢，从而促进生长。

3.3 抗菌肽的基因工程研究

畜禽病毒性疾病对临床工作者一直是棘手的疾病，不利于畜牧业的发展。借鉴已成功的昆虫抗菌肽转基因工程，把抗菌肽基因转入畜禽特定细胞使其真核表达，从而产生抗病新品种。为养殖业发展提供新思路。抗菌肽天然产量低，用化学合成的方法价格昂贵，利用基因工程手段获得无疑是目前最佳选择，目前多种抗菌肽已在不同的表达体系中得到表达。但如何进一步提高表达水平，提高基因表达产物的稳定性和广谱抗菌性，都是值得深入研究的问题。廖文艳等在大肠杆菌系统里表达了重组禽抗菌肽，该重组抗菌肽对大肠杆菌、多杀性巴氏杆菌、金黄色葡萄球菌、嗜酸乳杆菌和枯草芽胞杆菌有抗菌活性，但对猪霍乱沙门氏菌无抗菌活性[19－20]。该重组禽抗菌肽对温度（-70~100℃）和酸碱度（pH 3～10）有较高的稳定性。这也暗示了这两种重组蛋白在上述温度和pH范围之外仍具有抑菌活性。这些研究结果为基因工程获得的抗菌肽作为饲料添加剂或直接口服等应用的可能性提供了理论依据。

4 结语

近年来，人们一直在寻找可以彻底解决耐药性问题的抗菌药物，尤其当禽流感、疯牛病等一些动物疑难病症的出现，使人们更加渴望绿色、环保抗菌药物的出现，寻找抗生素替代品已成为必然的趋势。抗菌肽为机体内产生的天然成分，具有广谱抗菌、抗病毒和免疫增强的作用，并且对机体无毒害、无残留。并且其有着独特的不同于抗生素的抗菌机理，现在已完全有可能用生物工程的技术方法大量生产有生物活性的抗菌肽，使之成为新一代肽类抗菌药的来源。

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