李鈺芳,楊 昆,顧韋維,趙 瓊,黃艾祥,施婭楠
(云南農業大學食品科學技術學院,云南 昆明 650201)
金黃色葡萄球菌屬于有害的革蘭氏陽性病原體,是世界第三大食源性微生物[1-2],多重耐藥金黃色葡萄球菌在動物產品中檢出率較高[3-4],特別是在生奶和奶制品中[5-6],目前由多重耐藥金黃色葡萄球菌引發的公共衛生問題十分嚴峻[7]。抗菌肽因其具有抗菌譜廣、抗菌活性強以及多靶點抗菌不易產生耐藥性的原因[8],成為國內外學者研究的熱點。
目前研究認為,抗菌肽的抑菌作用機制主要分為膜結構破壞模式和非膜結構破壞模式[9],郭娟等[10]發現抗菌肽P-1通過影響粉紅單端孢(Trichothecium roseum)壁膜通透性、抑制蛋白和核酸的合成3個方面共同作用達到抑菌效果;鐘亨任等[11]發現抗菌肽Brevinin-GR23通過破壞細菌細胞膜進入細胞與DNA相互作用,干擾DNA的轉錄;4 種富含脯氨酸的pyrrhocoricin、drosocin、apidaecin和Bac7均能與細菌的熱休克蛋白Dnak和分子伴侶GroEl結合,抑制其活性[12-13];Miao Jianyin等[14]報道,經抗菌肽F1處理后埃希氏大腸桿菌蛋白表達受到影響,31個差異蛋白通過影響其三羧酸循環、氧化磷酸化、甘油磷脂代謝和細胞周期的途徑,抑制細胞生長、誘導細胞形態改變和細胞死亡。蛋白質翻譯后修飾可調節蛋白質的活性、折疊以及蛋白與其他生物大分子間(包括蛋白、核酸、脂質等)相互作用,是機體快速高效適應環境的保證,包括蛋白的磷酸化、乙酰化、琥珀酰化、丙二酰化、糖基化、2-羥基異丁酰化、丙酰化等。近年來,越來越多的研究發現,許多生命活動、生理功能、疾病的發生不僅與蛋白質的豐度相關,更重要的是還與各類蛋白質翻譯后修飾有關。目前對致病菌蛋白修飾的研究主要集中在各種修飾對菌體分泌毒素、菌體耐藥基因等的影響以及酸、堿、鹽、金屬離子等對致病菌蛋白修飾的影響[15-16],對蛋白修飾介導的抗菌肽抑菌機理的研究報道較少。
本實驗所用抗菌肽BCp12為自主研發,利用貫筋藤凝乳酶酶解檳榔江水牛乳后,基于活菌親和吸附聯合反相高相液相色譜純化,得到單一色譜峰,經液相色譜串聯質譜鑒定,該色譜峰中包含了4個肽段,經活性篩選確定目標活性肽BCp12,其氨基酸序列為YLGYLEQLLRLK,是一種αs1酪蛋白源抗菌肽。該抗菌肽穩定性好,具有廣譜抗菌效果,對哺乳動物顯示低溶血性和低毒性[17-18],但對多重耐藥金黃色葡萄球菌的抑菌效果及抑菌機制尚不明確。本實驗以乳制品中分離出的多重耐藥金黃色葡萄球菌(對青霉素、苯唑西林、紅霉素、克林霉素、四環素、頭孢西丁顯示耐藥性)為靶標菌,明確BCp12對其壁膜損傷、核酸合成、蛋白合成及蛋白翻譯后修飾4個方面的影響,以期從膜透化致死和非膜靶向致死兩方面闡明BCp12對耐藥金黃色葡萄球菌的抑菌機制,旨在為乳源抗菌肽、天然食品防腐劑的研制提供理論依據。
抗菌肽BCp12分離純化于貫筋藤凝乳酶酶解的檳榔江水牛酪蛋白,由安徽國平藥業有限公司合成,純度為98.798%。
金黃色葡萄球菌DC.RB-015(Staphylococcus aureus)由云南省疾病預防控制中心提供。
LB肉湯 廣東環凱微生物科技有限公司;正十六烷、碘化丙啶(polyimide,PI)、溴化乙錠(ethidium bromide,EB) 山東西亞化學工業有限公司;細菌基因組DNA提取試劑盒 北京索萊寶科技有限公司;十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳(sodium dodecyl sulfatepolyacrylamide gel electrophoresis,SDS-PAGE)蛋白上樣緩沖液(5×) 北京蘭杰柯科技有限公司;革蘭氏陽性菌蛋白提取試劑盒 上海貝博生物科技有限公司;SDS-PAGE凝膠速配試劑盒 美國GenScript公司;一抗(賴氨酸乙酰化抗體PTM-101、賴氨酸琥珀酰化抗體PTM-419、賴氨酸2-羥基異丁酰化抗體PTM-802、賴氨酸丙二酰化抗體PTM-902) 杭州景杰生物科技有限公司;二抗(Pierce抗體) 美國賽默飛世爾公司。
LDZM-60KCS高壓滅菌鍋 上海申安醫療器械廠;FlexSEM1000掃描電子顯微鏡 日本日立高新公司;JEM-2100透射電子顯微鏡 日本電子公司;C6流式細胞儀 美國BD Biosciences公司;全波長熒光酶標儀美國Biotek公司;BioPowerPacTM電泳儀、Chem1DOC MF電泳自動成像儀 美國Biorad公司;TGL20M高速冷凍離心機 湖南湘立科學儀器有限公司。
1.3.1 抗菌肽BCp12對金黃色葡萄球菌抑菌活性的測定
參照曹海鵬等[19]的方法測定BCp12的最小抑菌質量濃度(minimum inhibitory concentration,MIC)。取對數期的菌體,用0.02 mol/L pH 7.2磷酸鹽緩沖液(phosphate buffer saline,PBS)洗滌菌體3 次后制備成菌懸液(菌液濃度為108CFU/mL),加入96 孔板內。用二倍稀釋法將BCp12稀釋后加入菌懸液中,空白對照組為等量無菌水。將96 孔板置于37 ℃恒溫培養箱孵育18 h,測定OD600nm值,以抗菌肽質量濃度為橫坐標、OD600nm值為縱坐標繪制曲線,拐點即為MIC。
參照付云等[20]的方法將BCp12加入到金黃色葡萄球菌菌懸液(菌液濃度為108CFU/mL)中,使其終質量濃度為MIC。37 ℃恒溫培養箱連續培養24 h,每隔2 h進行取樣,測定OD600nm值,繪制生長曲線,空白對照組為等量無菌水代替抗菌肽加入菌懸液中。
1.3.2 抗菌肽BCp12對金黃色葡萄球菌壁膜影響的測定
1.3.2.1 菌體細胞表面疏水性的測定
參照Hou Lixia[21]和Prasath[22]等的方法稍作修改,離心收集對數期菌體,用PBS洗滌3 次后用0.1 mol/L KNO3溶液重懸(菌液濃度為108CFU/mL),取不同質量濃度BCp12溶液與菌懸液等體積混合,使BCp12終質量濃度分別為1/4 MIC、1/2 MIC、MIC、3/2 MIC、2 MIC,對照組為等量無菌水。37 ℃恒溫培養12 h,測定OD405nm值(記為A0);然后吸取體積為1.2 mL的菌懸液,向其中加入200 μL十六烷,漩渦2 min,靜置15 min,直至菌懸液和十六烷兩相溶液完全分層,小心吸取水相,測定OD405nm值(記為A1)。細菌細胞表面疏水性用細胞吸附率表征,計算公式如下。

1.3.2.2 菌體細胞膜完整性的測定
根據陳飛龍[23]的方法測定細胞膜完整性,離心收集對數期菌體,PBS洗滌3 次后重懸得到菌懸液(菌液濃度為108CFU/mL),加入BCp12使其終質量濃度為MIC,以加入無菌水組作為對照,置于37 ℃搖床中,120 r/min振蕩培養2 h,加入終質量濃度為10 μg/mL的PI溶液,4 ℃避光靜置孵育15 min,用流式細胞儀記錄被PI著染的細菌細胞數。
1.3.2.3 透射電子顯微鏡觀察菌體微觀結構
參照孫亞楠[24]的方法稍作修改,離心收集對數期金黃色葡萄球菌,用PBS緩沖液洗滌3 次,并重懸(菌液濃度為108CFU/mL),實驗組加入終質量濃度為MIC的BCp12,對照組加入等量的無菌水,于37 ℃恒溫培養箱培養14 h,離心去上清液,PBS洗滌3 次后再離心收集菌體沉淀。菌體沉淀加2.5%戊二醛固定12 h,將固定好的金黃色葡萄球菌離心后除去固定液,PBS洗滌3 次后加入鋨酸固定2 h,用PBS洗滌3 次得到菌體沉淀。分別依次用30%、50%、70%、80%、90%和100%乙醇脫水,每次脫水時間為10 min。然后用包埋劑浸透菌體室溫靜置2 h,包埋過夜,再于60 ℃靜置48 h后取出,切片染色后透射電子顯微鏡下觀察、拍照。
1.3.3 抗菌肽對金黃色葡萄球菌DNA和蛋白合成影響的測定
1.3.3.1 抗菌肽對菌體DNA的影響
參照李莉蓉[25]的方法稍作修改,離心收集對數期菌體,利用細菌基因組DNA提取試劑盒參照其說明書提取菌體DNA,用蒸餾水將菌體DNA稀釋為50 μg/mL,加入96 孔板內,每孔加入50 μL DNA溶液和0.75 μL 100 μg/mL EB溶液,混勻后置于37 ℃培養箱中避光孵育10 min,加入50 μL不同質量濃度的BCp12溶液,對照組用50 μL無菌水代替BCp12溶液,混勻之后置于37 ℃恒溫培養箱中避光孵育30 min。孵育結束后,用多功能酶標儀測定樣品在激發波長535 nm及發射波長550~700 nm范圍內的熒光光譜。
1.3.3.2 抗菌肽對菌體蛋白合成的影響
參照寧亞維等[26]的方法稍作修改,離心收集對數期菌體用PBS洗滌3 次并重懸(菌液濃度為108CFU/mL),分別加入不同質量濃度的BCp12溶液,使其終質量濃度分別達到MIC和2 MIC,對照組加入等體積的無菌水,37 ℃培養箱培養12 h,離心收集菌體沉淀,參照革蘭氏陽性菌蛋白提取試劑盒的步驟對其總蛋白進行提取,用BCA法測定蛋白濃度,對提取的總蛋白進行SDS-PAGE。每個樣品取等量蛋白到離心管中,加入5 μL 4×蛋白上樣緩沖液,再加入2% SDS使總體積為20 μL,依次上樣1 μL預染蛋白Marker和20 μL蛋白樣品,調節電流至35 mA開始電泳,待樣品跑至膠底部,將膠板取下銀染2 h,加入脫色液脫色至背景無色、條帶清晰后放置凝膠成像系統觀察。
1.3.4 抗菌肽對金黃色葡萄球菌蛋白翻譯后修飾的影響
參照杭天蓉[27]的方法稍作修改,離心收集對數期菌體用PBS洗滌3 次并重懸(菌液濃度為108CFU/mL),加入BCp12使其終質量濃度為MIC,對照組加入等體積的無菌水,37 ℃培養箱培養12 h,離心收集菌體沉淀,參照革蘭氏陽性菌蛋白提取試劑盒的步驟對菌體總蛋白進行提取,將提取的蛋白質濃度調節至2 mg/mL,進行SDS-PAGE(分離膠質量分數12%),通過電轉印跡將蛋白轉移至聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)膜上。室溫用5%牛血清白蛋白(bovine serum albumin,BSA)的TBS緩沖液(25 mmol/L Tris-HCl,pH 8.0,150 mmol/L NaCl)對膜封閉2 h。加入一抗(賴氨酸乙酰化抗體、賴氨酸琥珀酰化抗體、賴氨酸2-羥基異丁酰化抗體、賴氨酸丙二酰化抗體),1∶1 000稀釋,孵育過夜。用TBST緩沖液(25 mmol/L Tris-HCl,pH 8.0,150 mmol/L NaCl、0.1% Tween 20)洗滌3 次后,37 ℃加二抗羊抗鼠IgG,1∶5 000稀釋,孵育1 h。將膜用TBS緩沖液重新洗滌,再加入熒光底物孵育5 min后進行曝光處理。
所有實驗均做3 次平行,使用GraphPad Prism 8.0軟件進行數據分析,兩組間比較采用獨立T檢驗(兩尾法),P≤0.05為差異顯著。
如圖1A所示,BCp12對金黃色葡萄球菌的MIC為2 mg/mL;如圖1B所示,在24 h內BCp12能夠顯著抑制菌體的生長(P≤0.05、P≤0.01),BCp12處理組細菌生長8 h開始與對照組相比具有顯著性差異(P≤0.05),生長至16 h趨于穩定。有研究發現,從短芽孢桿菌發酵液中提取出的抗菌肽Tostadin對金黃色葡萄球菌的MIC為32 μg/mL[28],從巴西樹蛙表皮提取得到的抗菌肽HS-1對革蘭氏陽性菌具有顯著抑菌活性,其中對金黃色葡萄球菌的MIC為11.7 μmol/L(0.025 mg/mL)[29],與其相比,BCp12的MIC較大,但BCp12是一種新型乳源抗菌肽,采用酶法水解得到,安全性較高。

圖1 抗菌肽BCp12對金黃色葡萄球菌的抑制作用Fig. 1 Inhibitory effect of antimicrobial peptide BCp12 on S. aureus
2.2.1 抗菌肽BCp12對菌體細胞表面疏水性的影響
如圖2所示,質量濃度大于等于MIC的BCp12作用于金黃色葡萄球菌后,細胞表面的疏水性顯著降低(P≤0.001),從對照組的86.6%降為MIC BCp12處理組的73.1%,且BCp12對菌體細胞表面疏水性的影響呈濃度依賴性。有研究表明,家蠅抗菌肽Hf-1處理6 種細菌后,其表面疏水性由43.71%~45.14%降至2.00%~34.57%[21],螺旋藻抗菌肽SP-1作用于大腸桿菌后其表面疏水性由70.03%降至20.86%[30],說明抗菌肽降低了細菌表面疏水性,所得結果與本實驗一致。郭文杰等[31]提出抗菌肽表面富含正電荷,抗菌肽YD1、Melittin和Bac8c通過其表面的正電荷與耐甲氧西林金黃色葡萄球菌表面的負電荷結合并黏附于細菌表面,進一步破壞細胞膜從而殺滅細菌。BCp12與細胞膜的結合過程及抑菌活性的發揮可能與其誘導的細胞表面疏水性的變化有關。

圖2 抗菌肽BCp12對金黃色葡萄球菌細胞表面疏水性的影響Fig. 2 Effect of antimicrobial peptide BCp12 on the cell surface hydrophobicity of S. aureus
2.2.2 抗菌肽BCp12對細菌細胞膜完整性的影響
如圖3所示,經BCp12處理后,完整細胞比例由對照組的72.8%降至實驗組的47.6%,說明實驗組的細胞膜損傷率為52.4%,BCp12會導致細胞膜完整性顯著降低(P≤0.05)。細胞膜受損主要表現為細胞膜通透性增加,而PI不能透過完整的細胞膜,當細胞膜受到損傷后才可進入細胞內部與核酸結合發出熒光,Chia等[32]發現,抗菌肽Litoria caerlea和抗菌肽Litoria geninaculata通過破壞活細胞細胞膜完整性發揮抑菌作用,陳飛龍[23]研究發現經抗菌肽處理的細胞膜損傷率由對照組的0.53%升高至實驗組10.32%(P≤0.05),與本實驗結果相符,說明抗菌肽能夠破壞金黃色葡萄球菌的細胞膜,引起內容物外泄,致使細胞死亡。

圖3 流式細胞儀分析抗菌肽BCp12處理后的金黃色葡萄球菌細胞膜完整性Fig. 3 Effect of antimicrobial peptide BCp12 on the membrane integrity of S. aureus as analyzed by flow cytometer
2.2.3 抗菌肽BCp12對菌體微觀結構的影響
利用透射電子顯微鏡可以直接觀察到S. aureus細胞膜的損傷情況及超微結構的變化。如圖4A所示,未經BCp12處理的金黃色葡萄球菌細胞呈球形,形態完整飽滿,細胞質分布均勻,其胞內呈現黑色,是蛋白質、DNA等內容物被重金屬染色造成的;由圖4B可知,經MIC BCp12處理后,金黃色葡萄球菌細胞出現皺縮并發生嚴重的形變,細胞顏色變淺,部分細胞的內容物丟失出現空腔。Hartmann等[33]研究發現,金黃色葡萄球菌經抗菌肽PGLa處理后,透射電子顯微鏡觀察到金黃色葡萄球菌細胞發生皺縮,細胞器完全溶解,細胞質丟失甚至出現空腔,從而使染色的細胞顏色變淺;Yang Shen等[34]通過透射電子顯微鏡觀察發現,抗菌肽LCWAP處理金黃色葡萄球菌后,細菌細胞膜被部分破壞并隨細胞質流出,說明抗菌肽能夠破壞金黃色葡萄球菌細胞膜,造成細胞質外泄;Fitriyanti等[35]通過透射電子顯微鏡觀察到抗菌肽CecropinP1導致細菌細胞膜破裂致使細胞內物質泄漏,進而造成細胞死亡,與本研究結果一致。說明BCp12會破壞金黃色葡萄球菌的細胞膜導致細胞內容物外泄形成空腔,致使細胞死亡。

圖4 透射電子顯微鏡觀察抗菌肽BCp12對金黃色葡萄球菌細胞微觀結構的影響Fig. 4 Effect of antimicrobial peptide BCp12 on the microstructure of S. aureus observed by TEM
2.3.1 抗菌肽BCp12對菌體DNA的影響
如圖5所示,對照組菌體DNA的熒光強度明顯高于實驗組,并且熒光強度隨著BCp12質量濃度的增加而下降,說明BCp12存在會與EB競爭結合DNA使EB-DNA復合物體系熒光強度下降。有研究表明,EB是一種可以和DNA結合的熒光染料,其結合方式有兩種,當它與DNA嵌插結合時熒光強度增強,當它通過靜電作用與DNA結合時熒光強度不變[36-37],唐亞麗發現家蠅抗菌肽MDpep5和MDpep9能與細菌DNA結合使熒光強度降低,可進一步影響DNA的復制、轉錄、表達功能,達到迅速抑菌、殺菌的作用[38],與本實驗結果一致。

圖5 抗菌肽BCp12與EB競爭性結合金黃色葡萄球菌DNAFig. 5 Antimicrobial peptide BCp12 and ethidium bromide (EB)competitively bound to DNA of S. aureus
2.3.2 抗菌肽BCp12對菌體蛋白合成的影響
由圖6A可知,經BCp12處理的實驗組與對照組相比胞內蛋白質量濃度呈現顯著下降的趨勢(P≤0.001)。由圖6B可知,對照組的蛋白條帶清晰完整,而經BCp12處理后金黃色葡萄球菌胞內蛋白條帶出現不同程度的缺失現象,其中,菌體經MIC BCp12處理后,蛋白條帶缺失較多的部分主要集中在分子質量為15~35 kDa之間,當BCp12質量濃度上升至2 MIC時,分子質量在10~35、55、100 kDa處的蛋白條帶幾乎消失,說明增大BCp12質量濃度,金黃色葡萄球菌胞內蛋白質量濃度急劇降低,金黃色葡萄球菌胞內蛋白質的合成完全受到抑制。付云等[20]研究了抗菌肽SP-AP-1和Iturin A對金黃色葡萄球菌胞內蛋白的影響,發現抗菌肽能夠造成分子質量為17、20、25~35 kDa的蛋白質含量降低,蛋白條帶顏色顯著變淺,從而導致菌體死亡。

圖6 抗菌肽BCp12對金黃色葡萄球菌蛋白的影響Fig. 6 Effect of antimicrobial peptide BCp12 on the protein profile of S. aureus
經過修飾后,含有賴氨酸的蛋白性質,如結構、穩定性或酶活性發生改變,可發揮控制菌體生長代謝的作用。如圖7所示,金黃色葡萄球菌蛋白存在大量的賴氨酸乙酰化、琥珀酰化、丙二酰化修飾,而賴氨酸2-羥基異丁酰化修飾不明顯。已有研究發現,芽孢桿菌、歐文氏菌、腸炎沙門桿菌、枯草芽孢桿菌內蛋白質存在明顯的賴氨酸乙酰化、琥珀酰化修飾,菌體蛋白質與能量代謝途徑中關鍵代謝酶存在翻譯后修飾,這些發生修飾的蛋白質/酶在蛋白質降解、毒力因子表達、碳源代謝、線粒體能量代謝、脂肪酸合成、氧化應激反應等過程中起著關鍵作用[39]。在哺乳動物中,賴氨酸丙二酰化修飾與能量代謝密切相關,但在原核生物中作用仍知之甚少。Tan Minjia等[40]闡明了大腸桿菌的丙二酰化修飾譜,發現蛋白質的丙二酰化在調節大腸桿菌能量代謝途徑和蛋白質功能中起重要作用。Xie Jianping等[41]發現結核分枝桿菌中大量的代謝酶和抗生素抗性蛋白發生賴氨酸琥珀酰化,揭示了琥珀酰化在結核分枝桿菌中的病理及生理代謝中的作用。

圖7 免疫印跡分析抗菌肽BCp12對金黃色葡萄球菌蛋白修飾的影響Fig. 7 Effect of antimicrobial peptide BCp12 on protein modification in S. aureus evaluated by Western blot
本研究利用MIC BCp12處理金黃色葡萄球菌后,發現菌體的生長受到抑制,通過分析實驗組菌體的4 種賴氨酸酰化修飾程度,發現金黃色葡萄球菌的蛋白丙二酰化修飾發生了明顯的下調,乙酰化修飾水平在一定程度上也發生變化,而對賴氨酸琥珀酰化和2-羥基異丁酰化修飾的影響不明顯。Reynolds等[42]報道了牙齦卟啉單胞菌中用于能量產生的關鍵代謝酶在某些賴氨酸殘基上被賴氨酸乙酰化,證實賴氨酸乙酰化在牙齦卟啉單胞菌的代謝調節中起重要作用,對它的增殖至關重要。Fan Ben等[43]研究得到賴氨酸丙二酰化可能影響糖多孢紅霉菌中心能量代謝和糖多孢紅霉菌的生物合成途徑。β-內酰胺類抗生素能與青霉素結合蛋白PBPs的轉肽酶功能域(TPase domain)選擇性結合,使其乙酰化而滅活TPase,阻斷細菌肽聚糖合成,進而殺滅金黃色葡萄球菌[44]。相關研究報道也指出sirtuin 5(sirt5)作為蛋白質脫酰基酶,能催化去除翻譯后修飾,例如賴氨酸殘基上的琥珀酰化和丙二酰化修飾,進而調節細胞能量代謝[45]。Jin Qi等[46]研究了毛廯菌不同生長階段蛋白質水平和乙酰化修飾水平,并通過細胞實驗表明,外源添加賴氨酸乙酰基轉移酶(k (lysine) acetyltransferase,KATs)抑制劑和組蛋白賴氨酸去乙酰酶(histone deacetylases,KDACs),可以顯著影響真菌細胞的存活,為新型抗真菌藥物的研制提供了直接的實驗依據。蛋白質翻譯后修飾是抗菌肽作用機制研究、抗菌藥物研發、菌體分泌毒素研究中尚未被充分重視的一大方向,對蛋白質翻譯后修飾的深入研究,有助于了解生命活動特征、鑒定作用靶點、揭示代謝通路,為抗菌類藥物、食品防腐劑研發提供思路。
抗菌肽BCp12能夠顯著抑制金黃色葡萄球菌的生長。BCp12破壞細胞壁膜通透性,菌體形變嚴重,部分細胞內容物外泄形成空腔;BCp12以嵌插方式與金黃色葡萄球菌的DNA結合,阻礙菌體遺傳信息正常表達,影響蛋白合成,尤其對分子質量15~35 kDa的蛋白質抑制明顯;金黃色葡萄球菌蛋白存在大量的賴氨酸乙酰化、琥珀酰化、丙二酰化修飾,其中MIC BCp12處理組菌體的丙二酰化修飾下調。基于本研究結果,可以得出抗菌肽BCp12對金黃色葡萄球菌的抑菌作用是通過影響其壁膜通透性、抑制DNA和蛋白的合成、阻礙菌體賴氨酸丙二酰化修飾共同作用的結果。