脂肽类抗生素及其作用机制

陈 萍, 冯 芬, 杨恬然, 辛明秀

(北京师范大学 生命科学学院，北京 100875)



脂肽类抗生素及其作用机制

陈 萍, 冯 芬, 杨恬然, 辛明秀*

(北京师范大学 生命科学学院，北京 100875)

脂肽类抗生素是由微生物代谢产生的一类具有很强表面活性的生物活性物质，含有由亲水性氨基酸和疏水性脂肪酸链组成的特殊分子结构，表现出亲水、亲脂两亲性的特性，具有抗菌、抗肿瘤和抗病毒等多种生物学活性，作为抗菌药物和肿瘤抑制剂在医药和临床应用领域具有良好的应用潜力和前景。本文对脂肽类抗生素的结构、生物学功能和作用机制等最新研究进展进行综述。

芽胞杆菌；脂肽类抗生素；作用机制

脂肽(lipopeptide)类抗生素首先由Arima等于1968年在枯草芽胞杆菌(Bacillussubtilis)中发现，商品名为表面活性素(Surfactin)。脂肽类抗生素主要由芽胞杆菌属(Bacillus)和类芽胞杆菌属(Paenibacillus)的细菌产生[1]，后来发现其他微生物通过代谢也可产生，如Vilela等[2]发现海洋细菌Brevibacteriumluteolum，Sharafi等[3]发现嗜热菌可产生脂肽类抗生素。近年来研究者先后发现了多种结构各异的脂肽类抗生素[4]，这些抗生素具有很好的抗菌、抗病毒和抗肿瘤等多方面的功能。2003年，达托霉素(Daptomycin)成为第一个上市的脂肽类抗生素[5]，随后陆续有十多种脂肽类抗生素进行临床研究或上市[6]。脂肽类抗生素因其独特的生物学活性越来越受到人们的关注，除在医学领域具有重要的应用外，在农业、环境保护中也具有广泛的应用[7]。

1 脂肽类抗生素的结构及特性

脂肽类抗生素是非核糖体合成的次级代谢产物，其结构含有肽链和脂肪烃链，从结构上可分为环状脂肽和线性脂肽，其中研究最多的是环状脂肽，包括脂肪酸接环环状脂肽、脂肪酸成环环状脂肽和脂肪酸离环环状脂肽(常见的3类环脂肽类抗生素的结构见图1)。环脂肽的肽链中多含7个氨基酸，脂肪酸链中的碳原子数一般介于12～17个之间，但有的脂肽中氨基酸超过了7个，如Huang等[8]从PaenibacillusthiaminolyticusOSY-SE中分离出广谱抗菌脂肽(Paenibacterin)，此脂肽中含有13个氨基酸的环肽和1个C15脂肪酸链。目前发现的脂肽类抗生素主要包括表面活性素(Surfactins)、伊枯草菌素(Iturins)和芬荠素(Fengycins)3个家族[9]。Surfactin 是由1个C13～15 β-羟基脂肪酸通过β-羟基和羧基与七肽末端基团形成，常见的有Surfactin A、B和C 三种类型。Iturin 是一类小分子环脂肽类物质，由7个氨基酸和1个β-氨基脂肪酸组成，包括Iturin A、B、C、D、E和芽胞菌素(Bacillomycin)D、F、L等，其中以Iturin A抗真菌的活性最强。Fengycin 包括Fengycin A、B，二者在分子量和氨基酸组成上十分形似。与Surfactin和Iturin不同，Fengycin含有10个氨基酸形成的肽环和1个C13～17的β-羟基脂肪酸链。脂肽类抗生素表现出两亲性特征：含有亲水性氨基酸，在中性pH下分子带负电荷，具有很好的水溶性；由于脂肪酸链和疏水性基团的存在，使其又具有很好的脂溶性，容易与细菌磷脂层反应，由此决定了其良好的抗菌效果。

图1 常见脂肽类抗生素的结构Fig.1 The structure of common lipopeptide antibiotics

2 脂肽类抗生素的生物学功能

2.1 杀菌作用

脂肽类抗生素对革兰阳性细菌、革兰阴性细菌及真菌均具有高效广谱的杀菌作用。体外抗菌研究显示，脂肽类抗生素对15个属35个种的革兰阳性细菌都有抑制作用[10]。不同种类的脂肽抗菌性能不同，如Iturin和Fengycin可抑制病原真菌菌丝的生长，Surfactin主要抑制细菌、病毒、支原体的生长[11]。Huang 等[12]发现Paenibacillusehimensis可产生PE1和PE2两种结构相似的环脂肽，对于甲氧西林抗性的金黄色葡萄球菌、大肠埃希菌、具有广泛抗性的绿脓杆菌等病原菌都具有很好的抗菌作用。由Paenibacillustianmuensis产生的八肽菌素Octapeptin B5抗革兰阴性菌活性最好，大肠埃希菌和假单胞菌对其最为敏感[13]。由于脂肽类抗生素作用于病原菌的细胞壁及细胞膜，因此病原菌不容易产生抗药性，是很有发展前景的抗菌药物。脂肽类抗生素除可用于医学中控制病原菌外，还可用于农业中对植物病原菌的控制[14-16]。

2.2 抗肿瘤功能

脂肽对直肠癌细胞、肝癌细胞和宫颈癌细胞具有杀伤作用[17]。曹小红等[18]研究证明，Surfactin可以抑制人乳腺癌细胞MCF-7的增殖，但对正常人体肝细胞的生长无抑制和细胞毒作用，表明Surfactin对癌细胞具有特异的杀伤作用。Hajare等[19]从1株芽胞杆菌中分离出环脂肽，研究发现其对乳腺癌细胞A549、肾腺癌细胞A498和结肠癌细胞HCT-15均有杀伤作用，Hoechst 33342核染色发现，脂肽诱导细胞凋亡是细胞死亡的首要机制。在蓝细菌中发现的脂肽类表面活性剂Malyngamide 2、3和4也具有抗癌活性。Malyngamide 2抑制H-460人肺癌细胞，Malyngamid 3抑制MCF-7和HT-29结肠癌细胞，Malyngamide 4抑制肿瘤生长[20]。

2.3 抗病毒功能

抑制病毒侵入宿主细胞是发展抗病毒药物的重要手段。研究表明，牛磺胆酸钠协调运输多肽(sodium-taurocholate cotransporting polypeptide，NTCP)是乙型肝炎病毒(hepatitis B virus，HBV)侵入时的重要受体，N-酰化的前S1衍生脂肽可以阻止HBV的侵入[21]。黄现青等[22]研究发现Surfactin可直接作用于新城疫病毒(Newcastle disease virus，NDV)的LaSota株和伪狂犬病病毒(Pseudo rabies virus，PRV),具有一定的抗病毒作用。脂肽类抗生素的抗病毒功能与其特殊的结构密切相关。脂肽类抗生素具有膜活性，可通过与病毒囊膜的相互作用影响病毒的结构，对有囊膜的病毒具有更好的灭活效果。

3 脂肽类抗生素的作用机制

脂肽类抗生素可同时作用于细胞的多个靶点，宿主细胞不容易产生抗药性，因此具有很好的抗菌或抗肿瘤功能。

3.1 引起膜结构的改变或损伤

许多研究都认为脂肽类抗生素的作用机制是影响宿主细胞膜的结构而导致膜结构的损伤。有些脂肽类抗生素可以跨过膜，但不会导致膜结构的破坏，原核生物产生的脂肽优先裂解不含胆固醇的细胞膜[23]。达托霉素用于治疗由一些革兰阳性菌引起的并发性皮肤及皮肤结构感染，如脓肿、手术切口感染和皮肤溃疡，是因其能破坏细菌的细胞膜，使内容物外泄[24]。Mascio等[25]研究表明，在体外实验中脂肽类抗生素CB-183-315虽然没有引起金黄色葡萄球菌细胞膜透性的改变，但能扰乱其细胞膜的潜在功能。Deleu等[26]应用细胞膜模型研究了Surfactin对细胞膜结构的影响，发现Surfactin的刚性区域与其初期插入膜中有关，Surfactin与膜中的极性头部和疏水的酰基链均可发生相互作用。这些结果表明，Surfactin主要是通过与细胞膜发生相互作用而实现其生物活性。

3.2 抑制细胞壁的合成

达托霉素除了作用于细胞膜以外，还结合在细菌细胞膜上，扰乱细菌细胞膜对氨基酸的转运，从而阻碍细胞壁肽聚糖的生物合成[24]。Rubinchik等[27]的研究表明，脂肽类抗生素MX-2401的杀菌机制与达托霉素不同，MX-2401通过与生物合成途径中负责碳转移的物质十一烯酸异戊二烯磷酸盐(undecaprenylphosphate，C55-P)的结合抑制肽聚糖的合成，当MX-2401的浓度较高时可使膜发生轻微的去极化。Boarctti等[28]研究表明，达托霉素可阻碍细菌细胞壁肽聚糖的磷壁(酸)脂质的生物合成，干扰细胞的复制，导致细菌迅速死亡。

我们研究发现脂肽类抗生素作用于枯草芽胞杆菌24 h后，用扫描电镜和透射电镜观察，同时发现菌体的细胞壁受到严重破坏，细胞壁形成孔洞，细胞内容物释放，细胞裂解(待发表)。我们认为细菌细胞壁裂解的原因可能有两种情况，一是脂肽直接作用于细菌细胞壁使其裂解。另一种情况是脂肽激活了细胞壁中的自溶素(autolysis)，导致细胞裂解，其详细的机制正在研究中。这一研究结果对于揭示脂肽抗生素新的杀菌机制、开发新的抗菌药物具有一定的意义。

3.3 诱导细胞凋亡作用

曹小红等[18]研究发现Surfactin既能诱导ROS的产生，又能诱导JNK和ERK的磷酸化，且二者均与Surfactin诱导的MCF-7细胞调亡相关。Janek等[29]从分离自北极的荧光假单胞菌(PseudomonasfluorescensBD5)中获得环脂肽类抗生素(Pseudofactin II，PFII)，研究发现PFII可引起恶性黑素瘤细胞A375细胞凋亡，其机制是作用于肿瘤细胞的细胞膜，导致膜的解体。

3.4 对细胞核染色体、DNA及蛋白质的作用

Schriever等[30]研究认为，达托霉素还通过与革兰阳性细菌的细胞膜结合使膜电位快速去极化(以钙依赖性方式)，对蛋白质、DNA和RNA的合成产生抑制作用，从而导致细菌细胞的快速死亡。有研究表明，脂肽可与细菌染色体DNA发生相互作用，进而导致DNA的复制、转录、表达功能受到抑制[31]。刘唤明等[32]研究发现，抗菌脂肽能够和副溶血弧菌染色体DNA体外结合，导致DNA最大吸收峰的改变，产生增色效应。但抗菌脂肽进入细胞后能否到达细胞核与细菌染色体DNA发生作用，还需进一步研究。Minagawa 等[33]研究发现环状脂肽多粘菌素能结合到原核生物热休克蛋白(Hsp90)的N-端结构域，通过结合后的相互作用影响其他蛋白质而发挥功能。

4 脂肽类抗生素的临床应用及效果

达托霉素是由玫瑰孢链霉菌(Streptomycesroseoporus)产生的一种环状脂肽类抗生素，其结构包含13个氨基酸的环脂肽，同时含有一个葵酰基侧链。对革兰阳性细菌特别是对临床上大多数重要的革兰阳性耐药性细菌，如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(Methicillin-resistantStaphylococcusaureus，MRSA)、耐青霉素肺炎链球菌(Penicillin-resistantStreptococcuspneumoniae，PRSP)和耐万古霉素肠球菌(Vancomycin-resistantenterococcal，VRE)具有快速杀菌活性[34]。美国食品与药物管理局(FDA)于2003年经过快速审理程序批准注射用达托霉素(商品名cubicin)应用于临床治疗复杂的皮肤感染。2006年FDA又批准了达托霉素用于治疗菌血症和右侧心内膜炎，2007年欧洲也通过将达托霉素用于临床，2011年美国感染病学会发布了达托霉素可作为治疗由MRSA引起的复杂性皮肤软组织感染，可用于治疗难治性MRSA感染。达托霉素快速杀菌，不容易产生抗药性，并可杀灭处于静止期的革兰阳性杆菌。由于其作用机制与现已上市的各类抗菌药物都不相同，至今尚未有交叉耐药菌的报道[35]。卡泊芬净是以PnenumocandinB0为前体半合成制得的半合成脂肽类抗生素，抗真菌效果极佳，其抑制β-1，3-葡聚糖合成酶活性比原抗生素强70～100倍，对曲霉菌属和念珠菌属有强大的抑制作用，对有些丝状真菌也有作用[36]。

5 结 语

近年来，细菌的抗药性日益突出，迫切需要发现新的抗菌药物和新的杀菌机制。Wu等[37]从1株细菌中分离纯化了一种具有抗菌功能的新化合物(琥珀酰二胺)，是细菌琥珀酸脱氢酶的抑制剂，通过抑制细菌琥珀酸脱氢酶的活性起到杀菌作用。脂肽类抗生素分子结构和作用机制独特，具有重要的应用前景，但细菌产生的脂肽种类繁多、结构复杂，分离纯化困难。随着生物技术手段的不断进步，分离纯化问题得到解决，将会得到更多独特结构和特性的脂肽类抗生素。

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Lipopeptide Antibiotics & Its Action Mechanism

CHEN Ping, FENG Fen, YANG Tian-ran, XIN Ming-xiu

(Coll.ofLifeSci.,BeijingNormalUni.,Beijing100875)

Lipopeptide antibiotics are kinds of important antibacterial material with strong surface activity typically synthesized by microorganisms, especially byBacillus. It contains special molecular structure composed of hydrophilic amino acids and hydrophobic fatty acid chains that shows amphipathic features. Lipopeptide antibiotics possesse antibacterial, antifungal, antiviral and antitumor activities, and other multiple bio-activities. As antibiotic medicine and tumor inhibition preparations lipopeptide antibiotics have potential application and outlook in the fields of medicines and clinics. Advances in the structure characteristics, biological function and action mechanism were reviewed in this paper.

Bacillus; lipopeptide antibiotics; action mechanism

中国中医科学院横向课题

陈萍 女，硕士研究生。研究方向为微生物生理生化。Tel: 010-58804722，E-mail: p0503@126.com

* 通讯作者。男，副教授。研究方向为微生物生理生化。Tel: 010-58805185，E-mail: xinmingxiu@bnu.edu.cn

2014-12-22；

2015-03-07

Q936

A

1005-7021(2015)05-0089-05

10.3969/j.issn.1005-7021.2015.05.016