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[摘 要]由于对常规抗生素耐药性的临床菌株的出现促使许多研究人员将注意力集中在新型的抗菌分子——抗菌肽（AMPs）。AMPs的结构和序列在抗菌肽的生物活性中起关键作用。 一些微小变化都会导致抗菌肽的性质发生显着变化。
[关键词]抗菌肽；形态结构；功能
中图分类号：S138 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）10-0218-01
随着细菌感染的发病率逐年增加，细菌耐药性日益严峻，常规抗生素治疗效果的下降，寻找新一代抗生素对抗微生物病原体的需求势在必行。从原核生物到复杂真核生物的不同来源的具有长度可变，氨基酸组成和二级结构多样的阳离子抗菌肽（AMP）被大量研究。抗菌肽（AMPs）代表了一种新型的抗生素，它们与传统抗生素相比具有独特的抗菌机制1。目前，已经从动物、植物、细菌等多数物种中分离得到了抗菌肽（AMPs），并且发现它是机体固有免疫系统的重要成员，具有抗菌谱广，在所有物种的防御系统和先天免疫中发挥着重要的作用。
1、抗菌肽的基本结构
AMPs是生物体内由特定基因编码产生的一类具有生物活性作用的多肽。AMPs的结构和氨基酸序列具有多样性，被定义为具有总体正电荷（通常为+2至+9）和大百分比（≥30%）疏水性的短（10-50个氨基酸）肽2。AMPs通常在水溶液中是无结构的，但是与细胞膜接触时折叠成两亲性构象，带正电的极性面通过与带负电荷的磷脂头部基团通过静电相互作用帮助分子结合生物膜；肽的非极性面通过疏水性相互作用插入到膜中，导致靶细胞渗透性增加和屏障功能丧失3。AMPs可以破坏细菌的物理完整性膜杀死细菌，并且不可能引起细菌耐药性4。此外，还发现一些AMPs可以穿过脂质双层而且不引起对细胞膜和靶细胞内组分的任何损伤，通过与DNA结合，从而阻断酶的活性或抑制蛋白质、细胞壁和核酸的合成。如，buforin II，一種部分α-螺旋两亲性肽，在穿透细胞膜后结合核酸而抑制细胞功能，导致快速的细胞死亡。根据抗菌肽的作用机制分为两个家族：膜靶向肽和胞内靶向肽。翻译后不同修饰的革兰氏阳性细菌的核糖体合成肽是不同结构和功能多样性的抗微生物肽的扩展类型。
AMPs的形态结构使其有很多的优点。AMPs对人体细胞没有副作用、微生物的耐药率低，可以迅速使细菌膜损伤和结合细胞内靶点，以及它们在抗炎中的起着关键作用。这些抗菌肽已经被认为是药物开发的新型治疗剂。然而，这些肽的治疗应用受到几个问题的阻碍，其中最重要的是对宿主细胞的毒性。为了解决这个问题，许多天然和合成的抗微生物肽的结构功能被用来设计对所感兴趣的病原体具有活性并且在治疗剂量下具有低毒性的AMPs。
2、抗菌肽的结构与功能
将碱性和疏水性残基分离成极性和非极性面的两性性质被认为是α-螺旋AMP活性的先决条件。然而，完美的两亲性往往导致同时增加的杀菌活性和细胞毒性5。一些研究表明，用带正电荷的残基取代非极性表面以破坏α-螺旋两亲性结构似乎与降低溶血活性有关，同时保持与没有取代的等效肽类似的抗微生物活性6。
Shi-Kun Zhang等研究蜂毒肽（AR-23）的Ala1，Ala8和Ile17被正电荷残基系统地取代，以研究带正电的残基的数量和分布对肽的生物物理性质和生物活性的影响的结果显示：这些肽在水中未结构化，但在与膜环境（30μMSDS和50%TFE）相互作用时被折叠成α螺旋结构。在肽的非极性面上的取代可以显着降低对人细胞的疏水性，两亲性，螺旋性和膜穿透活性以及肽的溶血活性，同时保持或仅略微降低抗微生物活性，并且主要是正电荷残基的位置影响肽的生物物理性质和选择性7。Chang TW等人确定疏水性残基对于两亲性抗微生物肽TP4的螺旋形成，溶血和杀菌活性的至关重要的。通过NMR分析了解了TP4在十二烷基磷酸胆碱溶液中的结构。它在残基Phe10-Arg22上含有典型的α-螺旋，在Ile6-Phe10上含有畸变的螺旋片段，在N-端具有疏水性核心，在C-端具有阳性斑点。残基Ile16，Leu19和Ile20在主螺旋疏水面对于两亲结构的完整性至关重要，其它疏水残基在溶血活性和杀菌活性中起重要作用。Amit Kumar Tripathi等人确定了chrysophsin-1中的GXXXXG基序，用脯氨酸残基替换将这个基序的甘氨酸残基。结果显示脯氨酸取代的Chrysophsin-1类似物显着降低了对哺乳动物细胞的细胞毒性，对革兰氏阳性，革兰氏阴性细菌，耐甲氧西林金黄色葡萄球菌菌株和真菌的广谱活性，并且在存在生理盐，血清和指示其治疗潜力的高温下也保持抗菌活性。因此在GXXXXG基序中脯氨酸取代可以增强其细胞选择性，从而不损害其抗细菌和抗内毒素性质8。
AMPs的结构和序列在抗菌肽的生物活性中起着关键性作用。 一些微小变化都会导致相关蛋白质或肽的性质的发生显着变化。通过部分氨基酸的取代可以降低抗菌肽的细胞毒性，增强抗菌肽的抗菌活性，促进抗菌肽的发展。
参考文献
[1] Sitaram， N. & Nagaraj， R. Host-defense antimicrobial peptides： Importance of structure for activity. Curr Pharm Design 8， 727–742，doi： 10.2174/1381612023395358 （2002）.
[2] Hancock， R. E. W. & Sahl， H. G. Antimicrobial and host-defense peptides as new anti-infective therapeutic strategies. Nat Biotechnol 24， 1551–1557， doi： 10.1038/nbt1267 （2006）.
[3] Brogden， K. A. Antimicrobial peptides： pore formers or metabolic inhibitors in bacteria？ Nature Reviews Microbiology 3， 238–250， doi： 10.1038/nrmicro1098 （2005）. [4] Hancock， R. E. Cationic peptides： effectors in innate immunity and novel antimicrobials. Lancet Infect Dis 1， 156–164， doi： 10.1016/S1473-3099（01）00092-5 （2001）.
[5] Takahashi， D. Shukla， S. K.， Prakash， O. & Zhang， G. L. Structural determinants of host defense peptides for antimicrobial activity and target cell selectivity. Biochimie 92， 1236–1241， doi： 10.1016/j.biochi.2010.02.023 （2010）.
[6] Mihajlovic， M. & Lazaridis， T. Charge distribution and imperfect amphipathicity affect pore formation by antimicrobial peptides. Biochimica Et Biophysica Acta-Biomembranes 1818， 1274–1283， doi： 10.1016/j.bbamem.2012.01.016 （2012）.
[7] Zhang， S.-K. et al. Design of an α-helical antimicrobial peptide with improved cell-selective and potent anti-biofilm activity. Sci. Rep. 6， 27394； doi： 10.1038/srep27394 （2016）.
[8] Amit Kumar Tripath. Identification of GXXXXG motif in Chrysophsin-1 and its implication in the design of analogs with cell-selective antimicrobial and anti-endotoxin activities. Supplementary information accompanies this paper at doi：10.1038/s41598-017-03576-1（2017）.
[关键词]抗菌肽；形态结构；功能
中图分类号：S138 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）10-0218-01
随着细菌感染的发病率逐年增加，细菌耐药性日益严峻，常规抗生素治疗效果的下降，寻找新一代抗生素对抗微生物病原体的需求势在必行。从原核生物到复杂真核生物的不同来源的具有长度可变，氨基酸组成和二级结构多样的阳离子抗菌肽（AMP）被大量研究。抗菌肽（AMPs）代表了一种新型的抗生素，它们与传统抗生素相比具有独特的抗菌机制1。目前，已经从动物、植物、细菌等多数物种中分离得到了抗菌肽（AMPs），并且发现它是机体固有免疫系统的重要成员，具有抗菌谱广，在所有物种的防御系统和先天免疫中发挥着重要的作用。
1、抗菌肽的基本结构
AMPs是生物体内由特定基因编码产生的一类具有生物活性作用的多肽。AMPs的结构和氨基酸序列具有多样性，被定义为具有总体正电荷（通常为+2至+9）和大百分比（≥30%）疏水性的短（10-50个氨基酸）肽2。AMPs通常在水溶液中是无结构的，但是与细胞膜接触时折叠成两亲性构象，带正电的极性面通过与带负电荷的磷脂头部基团通过静电相互作用帮助分子结合生物膜；肽的非极性面通过疏水性相互作用插入到膜中，导致靶细胞渗透性增加和屏障功能丧失3。AMPs可以破坏细菌的物理完整性膜杀死细菌，并且不可能引起细菌耐药性4。此外，还发现一些AMPs可以穿过脂质双层而且不引起对细胞膜和靶细胞内组分的任何损伤，通过与DNA结合，从而阻断酶的活性或抑制蛋白质、细胞壁和核酸的合成。如，buforin II，一種部分α-螺旋两亲性肽，在穿透细胞膜后结合核酸而抑制细胞功能，导致快速的细胞死亡。根据抗菌肽的作用机制分为两个家族：膜靶向肽和胞内靶向肽。翻译后不同修饰的革兰氏阳性细菌的核糖体合成肽是不同结构和功能多样性的抗微生物肽的扩展类型。
AMPs的形态结构使其有很多的优点。AMPs对人体细胞没有副作用、微生物的耐药率低，可以迅速使细菌膜损伤和结合细胞内靶点，以及它们在抗炎中的起着关键作用。这些抗菌肽已经被认为是药物开发的新型治疗剂。然而，这些肽的治疗应用受到几个问题的阻碍，其中最重要的是对宿主细胞的毒性。为了解决这个问题，许多天然和合成的抗微生物肽的结构功能被用来设计对所感兴趣的病原体具有活性并且在治疗剂量下具有低毒性的AMPs。
2、抗菌肽的结构与功能
将碱性和疏水性残基分离成极性和非极性面的两性性质被认为是α-螺旋AMP活性的先决条件。然而，完美的两亲性往往导致同时增加的杀菌活性和细胞毒性5。一些研究表明，用带正电荷的残基取代非极性表面以破坏α-螺旋两亲性结构似乎与降低溶血活性有关，同时保持与没有取代的等效肽类似的抗微生物活性6。
Shi-Kun Zhang等研究蜂毒肽（AR-23）的Ala1，Ala8和Ile17被正电荷残基系统地取代，以研究带正电的残基的数量和分布对肽的生物物理性质和生物活性的影响的结果显示：这些肽在水中未结构化，但在与膜环境（30μMSDS和50%TFE）相互作用时被折叠成α螺旋结构。在肽的非极性面上的取代可以显着降低对人细胞的疏水性，两亲性，螺旋性和膜穿透活性以及肽的溶血活性，同时保持或仅略微降低抗微生物活性，并且主要是正电荷残基的位置影响肽的生物物理性质和选择性7。Chang TW等人确定疏水性残基对于两亲性抗微生物肽TP4的螺旋形成，溶血和杀菌活性的至关重要的。通过NMR分析了解了TP4在十二烷基磷酸胆碱溶液中的结构。它在残基Phe10-Arg22上含有典型的α-螺旋，在Ile6-Phe10上含有畸变的螺旋片段，在N-端具有疏水性核心，在C-端具有阳性斑点。残基Ile16，Leu19和Ile20在主螺旋疏水面对于两亲结构的完整性至关重要，其它疏水残基在溶血活性和杀菌活性中起重要作用。Amit Kumar Tripathi等人确定了chrysophsin-1中的GXXXXG基序，用脯氨酸残基替换将这个基序的甘氨酸残基。结果显示脯氨酸取代的Chrysophsin-1类似物显着降低了对哺乳动物细胞的细胞毒性，对革兰氏阳性，革兰氏阴性细菌，耐甲氧西林金黄色葡萄球菌菌株和真菌的广谱活性，并且在存在生理盐，血清和指示其治疗潜力的高温下也保持抗菌活性。因此在GXXXXG基序中脯氨酸取代可以增强其细胞选择性，从而不损害其抗细菌和抗内毒素性质8。
AMPs的结构和序列在抗菌肽的生物活性中起着关键性作用。 一些微小变化都会导致相关蛋白质或肽的性质的发生显着变化。通过部分氨基酸的取代可以降低抗菌肽的细胞毒性，增强抗菌肽的抗菌活性，促进抗菌肽的发展。
参考文献
[1] Sitaram， N. & Nagaraj， R. Host-defense antimicrobial peptides： Importance of structure for activity. Curr Pharm Design 8， 727–742，doi： 10.2174/1381612023395358 （2002）.
[2] Hancock， R. E. W. & Sahl， H. G. Antimicrobial and host-defense peptides as new anti-infective therapeutic strategies. Nat Biotechnol 24， 1551–1557， doi： 10.1038/nbt1267 （2006）.
[3] Brogden， K. A. Antimicrobial peptides： pore formers or metabolic inhibitors in bacteria？ Nature Reviews Microbiology 3， 238–250， doi： 10.1038/nrmicro1098 （2005）. [4] Hancock， R. E. Cationic peptides： effectors in innate immunity and novel antimicrobials. Lancet Infect Dis 1， 156–164， doi： 10.1016/S1473-3099（01）00092-5 （2001）.
[5] Takahashi， D. Shukla， S. K.， Prakash， O. & Zhang， G. L. Structural determinants of host defense peptides for antimicrobial activity and target cell selectivity. Biochimie 92， 1236–1241， doi： 10.1016/j.biochi.2010.02.023 （2010）.
[6] Mihajlovic， M. & Lazaridis， T. Charge distribution and imperfect amphipathicity affect pore formation by antimicrobial peptides. Biochimica Et Biophysica Acta-Biomembranes 1818， 1274–1283， doi： 10.1016/j.bbamem.2012.01.016 （2012）.
[7] Zhang， S.-K. et al. Design of an α-helical antimicrobial peptide with improved cell-selective and potent anti-biofilm activity. Sci. Rep. 6， 27394； doi： 10.1038/srep27394 （2016）.
[8] Amit Kumar Tripath. Identification of GXXXXG motif in Chrysophsin-1 and its implication in the design of analogs with cell-selective antimicrobial and anti-endotoxin activities. Supplementary information accompanies this paper at doi：10.1038/s41598-017-03576-1（2017）.