抗菌肽結構優化與改造策略研究進展

肖懷秋，李玉珍，林親錄，趙謀明，劉 軍，周 全

（1.湖南化工職業技術學院 制藥與生物工程學院，湖南 株洲 412000；2.中南林業科技大學 食品科學與工程學院，湖南 長沙 410004；3.華南理工大學 食品科學與工程學院，廣東 廣州 510641）

抗菌肽（antibacterial peptides，AMPs）是具有抗菌活性的生物活性肽，一般由10～60個氨基酸殘基組成，為雙親結構陽離子肽，具有熱穩定性好、抗菌活性高、特異性強、哺乳動物細胞毒性小且不易產生耐藥性等特性，一級結構中的氨基端常富含親水性氨基酸，羧基端富含疏水性氨基酸，在細胞膜脂質疏水性環境中可形成α-螺旋和β-折疊等二級結構構象，對細菌、真菌和病毒，甚至癌細胞都有較好的抑制活性[1-2]，在生物體內抑制致病微生物增殖、提升主動防御及增強免疫等生理活動發揮重要作用，有望成為抗菌藥物的理想替代品[3]。抗菌肽根據所帶電荷不同可分為陽離子抗菌肽和陰離子抗菌肽，根據來源不同可分為昆蟲抗菌肽、哺乳動物抗菌肽、兩棲動物抗菌肽、魚類抗菌肽及微生物抗菌肽等，按結構不同可分為含α-螺旋結構抗菌肽、含β-折疊結構抗菌肽和其他結構抗菌肽等[4-5]。近些年，由于抗菌肽特殊的抑菌機理與活性及潛在抗菌藥物替代性而備受關注并取得大量研究成果。本文簡要介紹了抗菌肽分類，綜述了抗菌肽一級結構與空間結構特點及抗菌肽結構改造策略，并對抗菌肽結構改造優化策略進行了展望，旨在為抗菌肽結構優化策略的選擇提供理論參考，并推動抗菌肽的理論與應用研究。

1 抗菌肽的分子結構

1.1 一級結構

抗菌肽常為含有親水性與疏水性區域的雙親結構，其一級結構的-NH2端富含賴氨酸（Lys）、精氨酸（Arg）和組氨酸（His）等親水性氨基酸，而-COOH端常富含甘氨酸（Gly）、丙氨酸（Ala）和纈氨酸（Val）等疏水性氨基酸且被酰胺化[6]，氨基酸殘基數量一般少于100個，親水與疏水氨基酸比例及氨基酸序列呈現多樣化，形成完整的疏水面和親水面，有利于抗菌肽與細胞膜（脂）蛋白結合，形成跨膜通道，改變細胞膜通透性而發揮抗菌活性[4，7]。所有植物抗菌肽都富含半胱氨酸（Cys）和-S-S-鍵[8]，抗菌肽一級結構序列中Cys和Gly含量高于非抗菌肽，天冬氨酸（Asp）和谷氨酸（Glu）含量偏低[4]。抗菌肽一級結構常不穩定，在細胞膜脂質疏水環境中可折疊形成特定的穩定的空間結構或構象，結構疏水性對抑菌活性與溶血毒性有重要影響[9]。

1.2 二級結構

1.2.1α-螺旋結構

α-螺旋是抗菌肽最常見且目前研究最廣泛的二級結構構象，含α-螺旋抗菌肽在水溶液中大多為無序狀態，當與三氟乙醇、高于臨界膠束濃度的去污劑和表面活性劑（如十二烷基硫酸鈉（sodium dodecyl sulfate，SDS）、膠束和脂質體）接觸時會形成特定α-螺旋結構，兩個相鄰氨基酸殘基距離約為0.15 nm，相對于中心的角度約為100°（俯視），常存在脯氨酸（Pro）或Gly形成的鉸鏈區，無分子內二硫鍵，有廣譜抗菌性，其氨基端和羧基端分別含親水性和疏水性氨基酸殘基，為雙親結構，可通過靜電吸引結合到細胞膜脂質疏水區發揮抑菌活性[4]，螺旋性有利于穿膜和破壞細胞膜結構，但過高螺旋性會增加細胞毒性[4，10]。α-螺旋抗菌肽結構[11]和作用機制[12]如下：

?：（A）抗菌肽螺旋輪投影（俯視），序列中相鄰兩個氨基酸角為100°，虛線表示一級結構中的相鄰兩個氨基酸；（B）抗菌肽的側鏈結構圖，兩個相鄰氨基酸的距離n為0.15 nm。

1.2.2β-折疊結構

β-折疊為反平行結構且存在分子內二硫鍵，二硫鍵對維持抗菌肽β-折疊結構至為關鍵[4]，能增強抗菌肽膜穿透性，含有由兩個反平行折疊構成的具有較好保守性的γ-核心區域（gamma-core motif，γ-CM）[13]；含β-折疊結構抗菌肽幾乎都含有保守且形成二硫鍵的半胱氨酸殘基，二硫鍵能增加抗菌肽的結構穩定性和酶耐受性，防御素是β-折疊結構抗菌肽典型代表[14]。

1.2.3β-發夾結構與無規則卷曲結構

β-發夾結構抗菌肽-COOH末端含有1個分子內二硫鍵，-NH2端為線性結構，也為雙親結構，β-發夾結構可改變細胞膜通透性而導致細胞壞死[4，15]。無規則卷曲抗菌肽結構中富含Gly和Pro等氨基酸，通常不含Cys，常形成無序線性卷曲結構，在細胞質中發揮抗菌活性，可與胞內生物大分子結合，對脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）復制、核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）轉錄與基因調控等關鍵過程發揮重要影響，干擾胞內蛋白質空間結構形成及酶催化活性發揮[6]。

1.3 三級與四級結構

抗菌肽疏水區域在特定疏水環境中可形成穩定的三級或四級空間結構[9]。如抗菌肽Gaegurin 4處于親水環境時不表現特定二級結構，但在脂質疏水環境時卻表現出了α-螺旋與β-折疊空間結構，核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）研究發現，在親水性環境時沒有形成穩定的三級空間結構，但在三氟乙醇水溶液中和體積分數為80%甲醇水溶液等疏水環境中表現出不同的三維空間結構[16]。

2 抗菌肽結構優化與改造策略

2.1 改變凈正電荷數量與分布

陽離子抗菌肽主要是因為富含Arg、Lys和His等堿性氨基酸殘基，正電荷多寡能影響抗菌肽與細胞膜帶負電荷磷脂的靜電吸附力及抗菌肽抑菌濃度[17]。用精氨酸（Arg）和Lys替換Tenecin1結構中α-螺旋區域的氨基酸殘基能增加凈電荷并顯著增強抗菌活性[18]；用Lys替換抗菌肽Rr-AFP2第39位谷氨酰胺（Gln）可增強抗菌活性，而用Gln替換44位Lys后抗菌活性降低[4]；JIANG Z Q等[19]將LV13K改造成凈電荷-5至+10的系列抗菌肽并發現，凈電荷-5至+8的系列抗菌肽抑菌活性隨凈電荷增加而增加，凈電荷為+8時抑菌活性最大，凈電荷增加至+10時，抑菌活性下降且溶血活性明顯增強。抗菌活性與凈電荷并非簡單正相關關系主要是因為凈電荷過高時，抗菌肽分子間靜電荷斥力超過抗菌肽與細胞膜磷脂的靜電吸附力，抗菌活性降低且增加細胞溶血活性。電荷和抗菌活性出現間接或完全反向關系可能是由于抗菌肽與磷脂頭基團之間極強的相互作用阻止該肽易位到內膜中[4]。研究發現，含His殘基抗菌肽表現pH依賴性殺菌活性，在His殘基被質子化的酸性pH下觀察到了抗菌活性顯著提高，主要是因為增加抗菌肽的凈電荷能增強與細胞膜表面相互作用，酸性pH值產生類似金屬離子的作用[20]。ZHANG S K等[21]通過置換正電荷殘基以改變凈電荷多寡及正電荷殘基分布改造抗菌肽AR-23，研究發現凈電荷增加能影響抗菌活性，但與正電荷殘基數量無關。因此，適當增加抗菌肽凈電荷數量和優化正電荷分布可提高抗菌肽的抗菌活性。

2.2 調整抗菌肽的α-螺旋度

抗菌肽氨基端形成的α-螺旋空間構象是雙親結構形成的重要先決條件，對抗菌活性有重要影響，用正電荷氨基酸殘基取代非極性面能消除α-螺旋度并降低溶血活性，但對抗菌活性影響較小[22]。抗菌肽Melittin氨基端Gly殘基替換為Leu或去除能提高α-螺旋度，抗菌活性和溶血活性均有所增加[23]。GAGNON M C等[17]研究發現，在凈正電荷和肽鏈長度不變的前提下，抑菌活性隨α-螺旋度消失而降低；用D-氨基酸替換L-氨基酸能降低抗菌肽α-螺旋度并降低溶血活性，是調整抗菌肽α-螺旋度的重要策略[24]。OREN Z等[25]用D-型氨基酸替代抗菌肽melittin B的4個氨基酸殘基發現α-螺旋度降低了79.45%，抑菌活性不變，而動物細胞毒性卻明顯降低；PAPO N等[26]研究發現，D-型氨基酸比L-氨基酸更能有效降低動物細胞毒性和增強抑菌活性。但需注意，α-螺旋肽雖有利穿膜且抗菌活性較高，但螺旋性過高會增強細胞毒性[27]，因此，需權衡α-螺旋度與抗菌活性及細胞毒性的關系。

2.3 提高抗菌肽蛋白酶耐受性

蛋白酶耐受性是抗菌肽在生物體內應用的重要結構基礎。將抗菌肽結構中帶正電荷的Arg用其他帶電荷的非天然氨基酸（如L-鳥氨酸和L-高精氨酸）或D-氨基酸取代[28]，或通過N末端乙酰化阻止氨肽酶活性可增強抗菌肽蛋白酶穩定性[29]。ZHAO Y Y等[30]將富含Lys的蜂毒肽抗菌肽（MPI）中所有氨基酸均用D-氨基酸取代，研究發現，改造后的D-MPI與MPI抗菌活性差異不顯著，且具備較好的胰蛋白酶耐受性，但制備成本極高；抗菌肽環化也能增強抗菌肽蛋白酶耐受性，環狀結構和分子內二硫鍵常賦予環化抗菌肽耐熱、耐酶解且抑菌活性高等理化性質[31]，如人防御素二硫鍵環化可極大提高其血清穩定性，環化過程應注意保留α-螺旋空間結構，應選擇在i和i+4環化（第1和第4個氨基酸被環化），避免i和i+6環化[32]；擬肽是通過修飾肽鏈主側鏈骨架（如改變主鏈通過氮而非α-碳原子鍵合）增強消化耐受性而保留側鏈空間結構獲得的類似肽聚合物[33]，擬肽環化還能增強細胞膜滲透性和抑菌活性[34]。

2.4 改變疏水性及平均疏水矩大小

疏水性強弱是決定抗菌肽進入細胞膜磷脂層和膜通透性重要的結構基礎，抗菌肽疏水性太低，與細胞膜脂質親和力較弱，膜穿透性較差，相反則易造成抗菌肽自我聚集和增強細胞毒性及溶血活性[35]。疏水性在一定范圍內與抑菌活性呈良好正相關關系，引入疏水基團能拓展抗菌譜和增強抗菌活性，但疏水性過強易降低細胞選擇性和增強哺乳動物細胞毒性，不宜超過50%[36]。CHEN Y X等[37]研究確定了抗菌肽V13KL對人類紅細胞有良好抗菌活性和較低溶血活性的最佳疏水性，通過改變序列增加或降低疏水值后抗菌活性顯著降低，可能是因為具有較高疏水性的抗菌肽更容易深入到紅細胞膜疏水中心[37]。平均疏水矩對抗菌活性的影響要大于螺旋度和疏水性，合理調節平均疏水矩有利于提高抑菌活性[38]。LEE K H等[39]將抗菌肽HP第16位Gln和第18位Asp用Trp替換，疏水性與抗菌活性均提高且呈良好正相關，平均疏水矩降低后，抗菌活性與溶血能力隨之降低[40]。抗菌肽結構優化時應注意疏水性和疏水矩合適取值區間，要權衡抗菌活性、抗菌譜與哺乳動物細胞毒性的關系。

2.5 改變抗菌肽的兩親性

兩親性是指抗菌肽結構內親水和疏水殘基或結構域的相對豐度，可認為是在一級序列及空間結構上陽離子殘基和疏水殘基之間的平衡。普遍觀點認為，增加α-螺旋抗菌肽的兩親性可增強抗菌活性和降低紅細胞毒性[41]，但也有研究認為，兩親性增加會降低對紅細胞的細胞毒性[42]；β-折疊抗菌肽反向平行的β-折疊鏈也具有兩親性，通過二硫鍵形成穩定構象，當從水溶液進入細胞膜時不發生主要結構改變，增強β-折疊抗菌肽的兩親性導致其溶血毒性增加，但對抗菌活性影響較小，表明兩親性和溶血之間存在相關性[43]，而電荷和兩親性增加的indolicidin 類似物在抗菌活性不變的條件下卻顯示低溶血毒性[44]，因此，抗菌肽兩親性與抗菌活性及紅細胞毒性關系復雜，尚不明確。

2.6 改變氨基酸殘基位置及肽鏈長度

超過50%抗菌肽首位氨基酸殘基為Gly，富含Arg和Val的抗菌肽由于和細胞膜脂質層有較強的靜電吸附力而發揮良好抗菌活性，富含Arg有助于膜穿孔，富含Val有助于形成β-折疊空間構象和抗菌活性發揮，富含Pro和Gly對穩定結構與抗菌活性發揮有重要作用[45-46]。LEE D G等[47]逐一剔除抗菌肽P1的C端和N端氨基酸，結果發現Pro是影響抗菌活性的關鍵氨基酸殘基；MISHRA A K等[48]研究富含Try的抗菌肽發現，Try殘基位置改變可影響抗菌活性，而改變Try殘基數對抗菌活性基本無影響；用Lys取代粘菌素序列（GIHDILKYGKPS）的His殘基會導致其抗菌活性降低，在N端添加Try殘基并同時用帶正電荷的Arg置換某些殘基可提高其殺菌活性[49]。合適肽鏈長度也是維持抗菌肽抑菌活性重要因素[7，50]，含較多正電荷的較長抗菌肽抑菌效果較好，而短鏈抗菌肽的正電荷增加其抑菌活性反而降低[51]。

2.7 構建雜合抗菌肽

WANG L N等[52]應用基因工程手段將attacin和thanatin融合構建雜合肽attacin-thanatin并在大腸桿菌中成功表達，該雜合肽抗菌活性比單一attacin要高，且對豬紅細胞無任何毒性，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌等也有較好抑菌活性；張宏剛等[53]構建了雜合抗菌肽Mel-MytB并在畢氏酵母中成功表達，該雜合肽具有廣譜抗菌活性，對細菌有較強抑菌活性且耐熱和耐酸；KIM H K等[54]制備的雜合抗菌肽HP-ma抑菌活性是HP和magainin的2～32倍，比magainin具有更好的膜裂解活性。因此，通過構建雜合抗菌肽是提高抗菌活性和拓寬抗菌譜的重要策略[55]。

2.8 降低哺乳動物細胞毒性

抗菌肽常具有一定細胞選擇性，特別是陽離子抗菌肽，主要是因為細菌細胞膜表面含有比哺乳動物細胞膜更多的負電荷，對陽離子抗菌肽更敏感，G-細菌外膜脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）和G+細菌肽聚糖磷壁酸等陰離子分子也可通過靜電吸附與陽離子抗菌肽結合[56]。酸性磷脂通常位于哺乳動物細胞質膜內部單層中，外部單層主要由兩性離子磷脂酰膽堿和鞘磷脂構成，帶負電荷的神經節苷脂以次要成分存在，抗菌肽疏水表面與細胞表面上兩性離子磷脂間疏水作用起主要作用，哺乳動物細胞中穩定膜的膽固醇可保護免受抗菌肽攻擊[57]。抗菌肽細胞選擇性分子機理[58]如下：

LEE H等[56]基于抗菌肽tritrpticin和indolicidin序列對細胞選擇性差且具有很強溶血活性的富含Trp氨基酸殘基抗菌肽進行結構改造，構建了具有對稱氨基酸序列的α-抗菌肽，研究發現，具有對稱氨基酸序列的α-抗菌肽（α-TRAMPs）對G-和G+細菌有很強抑菌活性且對哺乳動物細胞表現極低細胞毒性和溶血活性。天然抗菌肽通過結構優化可降低哺乳動物細胞毒性，如cathelicidin鉸鏈區Pro用Gly取代溶血性降低了61.54%，Leu取代后無溶血活性，結構優化也可降低哺乳動物細胞毒性，特別是腎毒性[59]；添加輔助基團也可以增強抗菌活性并減弱溶血活性，如在富含Try和Arg的人工合成抗菌肽氨基端接技有機金屬FcCO或RcCO能增強抗菌活性并降低溶血性[60]，聚乙二醇修飾也能增強抗菌肽組織相溶性和肺組織毒性且抗菌活性不變[61]。

2.9 制備金屬抗菌肽提升抗菌活性與拓展抗菌譜

多肽是金屬離子配位螯合通用配體，多肽主鏈肽鍵中-NH2端、-COOH端和N原子及側鏈相關基團可與金屬離子配位螯合并增強抗菌活性和結構穩定性[62-63]。如具有ATCUN基序的富組蛋白與Fe2+結合導致α-螺旋結構喪失，抗真菌活性大大降低，而與Cu2+或Ni2+配位可增強抗真菌活性，與Zn2+配位螯合可增強抗菌活性[64]。鐵調素為β-折疊肽，人鐵調素25與Cu2+螯合能增強對金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌的抑菌活性，因為Cu2+結合可誘導肽構象變化，增加肽對細胞內靶標的抗菌活性，螯合Fe2+也能增強抗菌活性[65]。與陽離子抗菌肽作用機理不同，陰離子抗菌肽也可利用金屬配位離子與細胞膜結構中帶負電荷組分形成陽離子鹽橋而穿透膜，若抗菌肽易位于細胞質中，還可附著在核糖體或抑制核糖核酸酶活性，如Theromyzin[66]。

3 展望

隨著結構生物學與生物信息學技術的快速發展，高抑菌活性的抗菌肽構-效關系結構精準研究將成為可能。抗菌肽結構優化可圍繞以下幾個關鍵問題展開：（1）抗菌肽結構優化設計與精準修飾。天然抗菌肽常存在構-效關系非最優情況，如陽離子抗菌肽雖然對哺乳動物細胞毒副作用少且有一定細胞選擇性[36]，但結構改造時需注意抗菌肽疏水性和疏水矩參數的優化，疏水性太強易造成自我聚集和膜滲透能力減弱，且溶血活性和細胞毒性增強，一般抗菌肽凈正電荷保持在+4～+8較為合適，并保持合適肽鏈長度，可采取氨基酸殘基替換法改變肽疏水性并控制合適凈正電荷和鏈長[21]；α-螺旋肽動物細胞毒性小且抑菌活性高，可用D-型氨基酸替代L-氨基酸構建合適的α-螺旋度以降低細胞毒性和提高抑菌活性[6，67]；（2）獲得抗菌肽構-效關系精準生物學信息。開展組學技術與抗菌活性構-效關系研究，定位抗菌活性關鍵氨基殘基位點及空間結構與抗菌活性的關聯，構建抗菌肽構-效關系數據庫，基于大數據分析抗菌肽與細胞膜、胞內核酸與蛋白質（酶）以及線粒體等作用機制，或用仿生模擬技術研究抗菌肽在非均相生物體系中與受體分子的作用機理、模擬生物體中胃腸耐受性及體內轉運動力學，以及模擬抗菌肽在生物體內的作用機制，獲得抗菌肽精準的構-效生物學信息[68]；（3）開展抗菌肽耐藥機制的創新研究。最新研究發現[69]，在Phop/Q革蘭氏陰性菌等細菌中發現可通過抗菌肽二元調控系統，或修飾細胞壁（膜）帶負電荷組分，或分泌誘捕陽離子抗菌肽物質阻止抗菌肽吸附至細胞壁膜，或分泌可降解抗菌肽的蛋白酶，或通過外排泵將抗菌肽排出胞外等耐藥機制[70]。近年來，抗菌肽研究主要以細菌細胞膜作為效應靶點[71]，但長期使用抗菌肽也可能存在耐藥性[72]，因此，除將細胞膜作為抗菌肽篩選效應靶點外，也要考慮基于細胞壁、線粒體、胞內生物大分子合成抑制、物質與能量代謝關鍵酶靶點等開展抗菌肽抑菌機制的系統研究[4]；（4）改善抗菌肽生物體內的輸送與轉運效能。如將抗菌肽以共價（或非共價）結合方式與輸送載體（如鈉米金、石墨烯和量子點等）結合，或用脂質（或表面活性劑）包埋，或用聚合材料對抗菌肽進行負載[73]增強抗菌活性與酶耐受性且降低溶血毒性與細胞毒性[74-75]，同時，開展納米緩釋材料等抗菌肽包埋材料的研究，通過包封抗菌肽并使抗菌肽緩慢釋放可維持一定的血藥濃度，從而提升抗菌效果。