徐珂 張麗萍 張園園 劉俊果

摘 要:針對抗菌肽的生物活性、重組表達系統以及分子改造設計進行了回顧總結,提出了抗菌肽研究及技術開發領域目前存在的問題, 包括抗菌活性較弱、生物合成效率不高、選擇性差等。同時提出分子改造是提高抗菌活性和選擇性的有效策略,而優化重組表達系統是提高生物合成效率的關鍵途徑。認為針對抗菌肽的研究和開發,一方面會深化人類對于抗菌肽的結構與抗菌性、選擇性、毒性關系的認識,深化對重組表達系統關鍵步驟及調控機理的認識,具有顯著的科學意義;另一方面,由于抗菌肽獨特的抗菌機制,不易產生耐藥性,對抗菌肽的研發將會大大推動其在藥品、食品、化妝品、飼料等領域的應用。
關鍵詞:蛋白質工程;抗菌肽;生物活性;表達系統;重組表達;分子改造
中圖分類號:Q816 文獻標志碼:A
doi:10.7535/hbkd.2019yx05011
Advances in microbial antimicrobial peptides expression
system and transformation strategy
XU Ke1, ZHANG Liping2, ZHANG Yuanyuan1, LIU Junguo1
(1. School of Bioscience and Bioengineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China;2. Institute of Biology, Hebei Academy of Sciences, Shijiazhuang, Hebei 050081, China)
Abstract:In this paper, a review on antimicrobial peptides, including the bioactivity, recombinant expression system and molecular transformation strategy, is provided. The main problems in the fields of antimicrobial peptides are put out,including low antibacterial activity, small productivity, and weak selectivity. It is considered that molecular structure modification is a valid strategy to enhance its antibacterial activity and selectivity. Optimization of recombinant expression system would be the key way to improve productivity. On one hand, the research and development on antibacterial peptides will strengthen the knowledge on the relationship between structure and function, including selectivity, antibacterial activity and toxicity, and the regulation strategies on gene expression system, both of which show significant scientific importance. On the other hand, antimicrobial peptides seldom shows drug resistance because of its antibacterial mechanism, and the research and development on antibacterial peptides will promote greatly its application in the fields of food, pharmaceuticals, cosmetics, and feed industry, etc.
Keywords:protein engineering; antimicrobial peptides; biological activity; expression system; recombinant expression; molecular transformation
抗生素依賴于單一酶參與的代謝調控途徑,容易使細菌產生耐藥性,長期服用會引起機體產生嚴重的抗藥性[1]。抗菌肽(antimicrobial peptides,AMP)作為生物合成的先天免疫成分,憑借其種類多樣、安全無害而被認為是傳統抗生素的替代品[2],具有熱穩定性、耐受性、pH值穩定性、消化酶穩定性等生物學特性。抗菌肽是一類攜帶正電荷、具有廣譜抗菌能力且不易產生抗藥性的小分子多肽類物質[3],大部分抗菌肽分子質量小,由12~50個氨基酸殘基組成,具有兩親性特征[4],部分抗菌肽具有靶向性。抗菌肽在自然界中分布廣泛,原核和脊椎動物體內都有發現[5],同時在線數據庫(http://aps.unmc.edu/AP/main.php)共記錄有2 971種抗菌肽,主要來源于動植物、細菌、真菌、古細菌和原生生物,按其結構特性進行分類,主要有α-螺旋類、β-折疊類、片層結構類和環狀結構類抗菌肽[6]。
目前,獲得抗菌肽的方法主要有直接提取法、化學合成法以及基因工程法。從生物體內直接分離、純化得到的抗菌肽濃度低,操作程序復雜,成本高,工藝流程中的強酸、強堿和有機溶劑會產生較大的污染。而化學合成法不僅成本高、耗時長,合成目標肽的結構和生物活性也得不到保證?;蚬こ谭ㄒ呀洺蔀楂@取抗菌肽的主要途徑之一,除少數采用動植物表達系統外,其余大部分均采用細菌和酵母表達系統。研究能夠高效表達、并且對宿主無抑制作用的微生物表達系統及其改造成為近年來抗菌肽領域的重點。本文對不同微生物來源的抗菌肽及其生物活性、靶向性、重組表達系統、分子改造設計的研究進行綜述,以期為今后抗菌肽的研究提供理論基礎。
1 抗菌肽的生物活性及靶向性
抗菌肽的抗菌機制主要是其自身結構與細菌細胞膜上的離子產生靜電作用,通過相互吸引與細菌細胞膜結合,抗菌肽轉化為二級結構,平行或垂直于細胞膜,再通過毯式模型(Carpet model)、桶板模型(Barrel-stave model)或環形孔洞模型(Torodial pore model)穿透細胞膜(見圖1),形成的這種離子通道使膜內的大量內容物外流,從而發揮抑菌作用。除此之外,抗菌肽還具有抵抗真菌和病毒的活性,對腫瘤細胞、原生生物和寄生蟲均有殺傷破壞能力,同時具有抗內毒素、促進傷口愈合等免疫調節活性。
盡管抗菌肽優點眾多,但自身的一些特性仍然限制了其應用的范圍。
抗菌肽具有一定的溶血性,在高濃度的環境中,陽離子抗菌肽會與帶有負電荷的細菌細胞膜產生接觸。在動物細胞環境中,抗菌肽能夠損傷哺乳動物細胞,造成細胞自溶。高濃度的抗菌肽對宿主細胞會產生抑制作用[7],靶性抗菌肽的能夠克服對普通菌群包含宿主細胞
的抑制或殺傷作用,對目標細菌的治療更具高效性。革蘭氏陰性菌的脂多糖(LPS)是細菌外壁層中特有的一種化學物質,是細菌內毒素的主要成分,是一類重要的信號分子。FRECER等[8]設計并合成了針對LPS的抗菌肽,屬于環狀陽離子多肽,對LPS和LA均有辨識能力;多肽含有相同的兩親性序列,能夠與LPS或LA結合,在Cys1—Cys19之間形成二硫鍵以及β-發夾結構;LPS-targeted及其擬肽對革蘭氏陰性菌有很好的選擇性作用。CHOU等[9]設計的抗菌肽GW-Q4,GW-Q6和GW-H1抑菌活性明顯高于天然抗菌肽magainin 2a與pleurocdin,人工設計合成的抗菌肽所具有的螺旋結構能夠特異識別Vibriospp,為海洋病原菌提供了一類新的靶向藥物。
2 微生物源抗菌肽的重組表達系統
2.1 原核重組表達系統
原核表達系統是最早采用的表達系統。原核生物具有諸多優點,能夠高效地將克隆載體轉化細菌進行誘導表達,進而純化獲得目的蛋白。宿主菌主要有大腸桿菌(Escherichia coli)和枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis),常用的表達載體有pET,pTrc,pLex,pGEX,pQE等。
2.1.1 大腸桿菌表達系統
大腸桿菌表達系統是目前最成熟的抗菌肽表達系統[10]。該系統在表達過程中具有一定的難度,大腸桿菌作為原核生物表達時容易形成包涵體,影響后期的分離和純化,需要進行復性處理,系統也缺乏翻譯后的加工修飾系統。宿主細胞表達的抗菌肽產物會反饋抑制宿主細胞的增殖,從而影響到系統的表達量。大腸桿菌表達多為陽離子肽,本身具有大量的正電荷,對蛋白酶較敏感易造成酶解,而降低表達量,因此抗菌肽通常以融合蛋白的方式進行表達,且具有生物活性[11]。
分子伴侶作為純化標簽可以減少包涵體的形成,同時促進目標蛋白的可溶性表達。這些標簽蛋白有谷胱甘肽轉移酶(GST)[12]、麥芽糖結合蛋白(MBP)[13]、綠色熒光蛋白(GFP)[14]、小泛素相關修飾物(SUMO)[15]和硫氧化還原蛋白(Trx)[16]。GST標簽相對分子質量為26 kD[17],可促進融合蛋白的可溶性表達,若目標蛋白為非水溶性蛋白,需先變性溶解后才能用GST親和柱純化。MBP標簽相對分子質量為40 kD[16],使用時先用交聯淀粉親和層純化,再用專一性蛋白酶切割融合蛋白。GFP標簽相對分子質量為2.6 kD,當GFP表達溫度高于30 ℃時,就能形成大量包涵體,因此可用來生產包涵體或融合蛋白表達的小分子蛋白標簽[18]。SUMO標簽相對分子質量為12 kD,由于其分子質量小,因而有利于保留抗菌肽的天然活性,增加目標蛋白在融合蛋白中的比例,是一種新型的標簽蛋白。除了上述標簽蛋白被報道使用之外,NUSA(55 kD)、ubiquiti(UB,8 kD)等標簽蛋白也被用于大腸桿菌系統的表達中。研究中發現一部分分子伴侶可以促進包涵體的形成,這些蛋白標簽主要包括PurF片段(16.3 kD)、PaP3.30(17.6 kD)和TAF12組蛋白折疊結構域(8.4 kD)等。形成的包涵體能夠保護融合表達的抗菌肽,防止被降解而且可以進行快速純化。
分子質量小的抗菌肽增加了分離、純化和檢測的難度,串聯表達不僅適用于真核表達系統,還可彌補原核表達系統對目標蛋白回收率低的不足,獲得的重組蛋白通過切割仍具有抑菌活性。如按密碼子使用頻率對抗菌肽Spinosan-C進行優化,設計合成8拷貝的串聯8×Spinosan-C基因,轉化到大腸桿菌表達載體pET-28a中進行克隆,再在Rosetta中進行原核表達,獲得重組蛋白,切割獲得的單體仍能抑制枯草芽孢桿菌和大腸桿菌的生長[19]。
2.1.2 枯草芽孢桿菌表達系統
枯草芽孢桿菌是一種表達穩定、生產成本低、無污染、在工業酶和飼用酶工業發酵中應用廣泛、具有良好前景的基因工程受體菌。目前B.Subtilis168基因組已經完成測序,相關基因組被發表,這為枯草芽孢桿菌菌株改造和工程菌的構建提供了極大的幫助。與大腸桿菌表達系統相比,該系統具有較強的蛋白分泌能力,可直接分泌到細胞體外,有利于收集、分離和純化目標蛋白,大大降低了成本。如抗菌肽Fowlicidin-3在枯草芽孢桿菌中高效表達,抑菌實驗表明6種臨床分離菌株的MIC值為11~16 μg/mL[20]。但枯草芽孢桿菌在培養過程中會分泌降解活性很強的蛋白酶,從而降低表達產物的穩定性,獲得的重組蛋白量小于大腸桿菌表達系統,適用的載體數量也少于大腸桿菌表達系統。目前,該系統主要用來防護和治療植物病害,對人類和動物疾病的應用較少。
2.1.3 藍藻表達系統
藍藻的遺傳背景簡單,對生長環境要求低,人工培育時對培養基的污染小,適合規?;a,是一種具有微生物和植物優點的基因工程的受體。應用的表達宿主主要有魚腥藻、集胞藻、聚球藻和點形念球藻。其中hSM-CSF造血刺激因子是最早在藍藻系統中成功表達的外源蛋白。與大腸桿菌表達系統相比,藍藻表達系統不含內毒素,不容易產出包涵體,便于純化。藍藻的優勢明顯,可能成為比大腸桿菌與酵母等宿主更理想的表達系統[21]。
2.2 真核重組表達系統
真核表達系統主要有畢赤酵母表達系統與釀酒酵母表達系統兩大成熟系統,以及目前處于熱門的萊茵衣藻表達系統。酵母作為真核表達系統的主要宿主菌,包括畢赤酵母(Pichia pastoris)、釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)、乳酸克魯維酵母(Kluyveromyces lactis)和多形漢遜酵母(Hansenula polymorpha)等,表達載體有pPIC9K,pPIC3.5,pGAPZa,pPICZa等。酵母表達系統得益于酵母單細胞真菌的特性,具有繁殖速度快、基因組小的特點,表達產物能夠糖基化、分泌表達,并且表達量高,可彌補原核系統不能進行蛋白折疊和翻譯后修飾的不足,使獲得的目標蛋白更容易純化,操作簡單,生產成本低,適用于大批量發酵工藝,是一種具有商業價值的真核表達系統。
2.2.1 畢赤酵母表達系統
外源線性DNA通過同源重組可直接整合到畢赤酵母基因組以獲得穩定遺傳的菌株[22],不僅擁有高效表達的啟動子,還能將表達的目標蛋白分泌到胞外,便于后續的分離純化[23],并且具有產量高和遺傳穩定的特點,至今有500多種外源蛋白在該系統中獲得高效表達。如利用畢赤酵母密碼子的偏愛性,人工合成多聚陽離子抗菌肽與多聚陰離子抗菌肽的DNA序列,并將其克隆到pPIC9表達載體上,將表達質粒pPIC9-PCAP在GS115中,利用0.5%(體積分數)的甲醇進行誘導表達多聚陽離子抗菌肽(poly-cationic antibacterialpeptide,PCAP)[24]。但甲醇易爆、有一定毒性,在用甲醇做誘導劑時存在危險性。與原核表達系統相比,畢赤酵母自身含有過氧化物酶,不會隨著表達目標蛋白的增加而對自身產生毒害作用。如HD5α對原核宿主菌有毒害作用,而在畢赤酵母中可高效表達[25]。與釀酒酵母表達系統相比,畢赤酵母表達的外源蛋白不易過度糖基化,抗原性相對較弱,更適合臨床應用。
2.2.2 釀酒酵母表達系統
釀酒酵母表達系統已有30多年的研究歷史,不僅具有真核重組表達系統的優點,還是一種安全、無污染、能使用強啟動子獲得高表達量的真核表達系統。真核表達質粒M-pYES2-α-LfcinB在釀酒酵母宿主菌INVScl中的高效表達,為葡萄糖抑制效應提供了實驗基礎。但釀酒酵母在發酵過程中產生乙醇,會影響菌群數量,使目標蛋白產量下降[26],且表達質粒不穩定、外源蛋白易于過度糖基化、分子質量大的外源蛋白表達效率低、信號肽加工不完全等,這些都限制了其規?;a。
2.2.3 萊茵衣藻表達系統
萊茵衣藻作為一種單細胞、帶有鞭毛的真核生物,其生長周期短、生長迅速,并且培養條件簡單、光合效率高,有著“光合酵母”之稱。其生物學特性是可以短時間內獲得大量遺傳穩定的轉基因后代,并為遺傳學分析提供便利條件。目前多采用表達基因串聯得到重組質粒,進行異源表達,且表達量占據細胞蛋白總量的0.31%。與釀酒酵母和畢赤酵母相比,萊茵衣藻表達穩定,如MytichA在pBluescriptⅡ SK+上進行三片段串聯后構建的載體在細胞內高效穩定表達,這一結果為抗菌肽的獲取以及具有抗菌活性的餌料藻的生產和應用提供了新途徑[27]。
3 抗菌肽的分子改造設計
3.1 替換氨基酸殘基
替換氨基酸殘基是一種高效、簡單的分子改造設計方法,在保證原有天然抗菌肽結果的基礎上,對某些位置的氨基酸進行替換,從而改變其理化性質和空間結構,可獲得活性較高的新型抗菌肽衍生物[28]。增加抗菌肽母肽序列中色氨酸(Trp)的比例,可提高其抗G-的活性[29-30]。將天然抗菌肽chensinin-1序列中的甘氨酸(Gly)替換成Trp,即為突變體MC1-1。研究發現,MC1-1對部分菌種的MIC值明顯下降,突變體MC1-3在MC1-1基礎上將組氨酸(His)替換成精氨酸(Arg),其MIC值高于MC1-1[31]。對抗菌肽多肽鏈上的氨基酸進行替換,有利于揭示結構和抑菌活性間的關系,為進一步闡明抗菌機理提供指導。
3.2 截取短序列抗菌肽
有些天然抗菌肽氨基酸分子質量較大、數量多、成分復雜,影響后期的分離、純化和生產。對這些抗菌肽的結構和活性進行分析后發現,截取多肽鏈某一部分后,其抗菌活性并沒有降低,若只生產具有抗菌活性的多肽分子,不僅降低成本,也便于生產、提高產量。截取抗菌肽PMAP-36 N端16個氨基酸殘基后仍具有完美的兩親性。兩親性是衡量抗菌肽活性的重要參數之一,完美的兩親性對抗菌肽的活性有促進作用,但細胞毒性也會相應增加??咕牡姆肿痈脑煲C合多個因素,才能在原有基礎上研制出優良的抗菌肽[32]。
3.3 改變短肽的結構參數
抗菌肽的電荷量和親、疏水性等理化參數對抗菌活性具有重要的調節作用。在一定范圍內,增加抗菌肽攜帶的正電荷量,有利于增強抗菌肽的抗菌活性,但攜帶的正電荷過多會導致抗菌肽與磷脂頭部結合過牢,使其穿膜效率下降,抗菌肽的抗菌活性也隨之減弱。此外,疏水性和親水性的比例也影響抗菌肽的生物活性。疏水性過低,導致抗菌肽的脂親和能力下降,使得短肽遠離疏水性的細胞膜;疏水性過高會使細胞毒性增強,并引起短肽自身發生聚合效應,也會使抗菌活性下降。因此,要適當增加抗菌肽的疏水性。在抗菌肽LGR16多肽鏈的親水面設計Arg,疏水面設計亮氨酸(Leu)和纈氨酸(Val),有助于降低其溶血活性[33]。對抗菌肽V13KL序列親、疏水性與抗菌活性關系的研究發現,用疏水值高的Leu替換或減少疏水值低的丙氨酸(Ala)的比例,均可增加多肽鏈的疏水性,但疏水性越高,抗菌肽的溶血性也越高,因此要保持適當疏水值,才能更好地利用抗菌肽的抗菌活性[34]。
3.4 合成雜合肽
對不同抗菌肽的功能區域和抗菌活性的研究發現,截取2種或2種以上抗菌肽的功能區域,然后進行拼接,得到的新型雜合抗菌肽具有多種抗菌肽的優點,且毒性小,抗菌活性高。如:抗菌肽Cecropin A的第1~8個氨基酸和Magainin2的第1~12個氨基酸進行拼接后,不僅增加了表達的穩定性,雜合肽的抗菌活性也得到了提高[35]。將Cecropin A和Cecropin B的第1~7個氨基酸分別與Melittin的第4~11個氨基酸拼接得到CAM和CBM,這兩種不同的雜合肽不僅具有原抗菌肽的特征,同時溶血活性也變弱了[36]。將
抗菌肽bovine lactoferricin(LB)與progetrin(PG)的功能區域進行拼接,得到的雜合肽LB-PG的細胞毒性下降,抗菌活性明顯變強[37]。
4 問題和展望
抗菌肽作為天然免疫系統的重要組成部分,對機體感染和炎癥有重要的預防和治療作用。圍繞抗菌肽的研究雖然有了很大發展,但是仍然存在一些問題。
1) 與傳統抗生素相比,抗菌肽的抗菌活性一般較弱。
2) 抗菌肽的生物合成效率不高。使用原核表達系統表達時,抗菌肽對宿主菌的蛋白酶敏感,容易被蛋白酶分解。真核表達系統雖然彌補了原核表達系統中蛋白折疊和翻譯修飾的不足,但酵母系統的制作周期較長,多拷貝和高表達量宿主菌的篩選有相當的難度,導致抗菌肽的生物合成效率難以提高。
3) 選擇性差,某些抗菌肽毒性較強。
隨著對抗菌肽結構、功能的不斷深入了解,對抗菌肽的結構進行分子改造成為可能,降低抗菌肽的毒性以及增加抗菌肽對宿主的選擇性成為新的研究方向[38]。提高對細菌的選擇性以及對腫瘤的靶向性是目前抗菌肽研究的另一熱門領域。目前,抗腫瘤肽主要有線性AMPs、雜合腫瘤肽和人工合成的抗腫瘤肽、α-螺旋AMPs和β-折疊AMPs幾類。
抗菌肽具有良好、廣譜的抗菌活性,不易產生耐藥性,并且幾乎沒有副作用,可望成為抗菌、抗病毒和抗癌癥的新型藥物。此外,在食品、化妝品和飼料生產領域上的推廣應用,也使抗菌肽展現出獨特的商業價值。因此,對抗菌肽的研發不僅具有突出的科學意義,而且具有廣闊的應用前景。
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