认识植物的防卫武器——抗菌肽

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总体来说,植物来源的抗菌成分包括类黄酮、硫代亚磺酸盐、芥子油苷、酚类、有机酸和皂苷等[1] 含有抗菌成分的常见植物包括草药、香料、水果、蔬菜等等,比如迷迭香、鼠尾草、罗勒、牛至、百里香、豆蔻、丁香、番石榴、卷心菜、大蒜、洋葱、柑橘、葡萄籽、茴香、肉豆蔻、欧芹、橄榄叶中都或多或少含有一些具有抗菌活性的物质[2] 

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植物抗菌肽 (anti-microbial peptide, AMP) 是抗菌物质家族的重要成员,大多数 AMP 富含半胱氨酸,可以形成多个二硫键(通常为 2 到 6 个),从而有助于形成紧凑的结构并抵抗化学和蛋白水解降解。一般来说,植物 AMP 与微生物、昆虫和动物的 AMP 具有几个共同特征。它们包括分子形式、正电荷和两亲性质等特征,所有这些特征都主要与它们作为膜活性抗真菌剂、抗细菌剂和抗病毒剂的防御作用有关。除了富含半胱氨酸外,这些特征还体现在两个植物 AMP 家族——硫素和植物防御素 (defensin) 中。其他植物 AMP 家族对病原体的作用与动物 AMP 不同,例如,类橡胶蛋白肽(hevein-like peptides)结合甲壳素,knottin 型肽抑制蛋白酶等酶,脂质转移蛋白结合脂质以破坏微生物对细胞膜的渗透。

硫素

硫素是一类低分子量(约 5 kDa)的抗菌肽的总称,富含精氨酸、赖氨酸和半胱氨酸残基,通常由 45-48 个氨基酸残基组成,其中 6-8 个氨基酸是半胱氨酸,并形成 3-4 个分子内二硫键。它们在中性 pH 值下带正电,对多种细菌、真菌和酵母都有毒性。硫素按照结构特征可分为两类:α-/β-硫素和 γ-硫素。α- 和 β- 硫素彼此相关,γ-硫素与防御素多肽有更多共同点。α-/β-硫素又分为五类。所有类型在氨基酸序列上都表现出高度同源性。硫素仅存在于高等植物中,例如从槲寄生中提取的硫素家族的Viscotoxin A3 多肽。研究者已在超过 15 种不同的植物物种(单子叶植物、双子叶植物和蔷薇科植物)中鉴定出大约 100 个硫素多肽[3] 大麦 (Hordeum vulgare) 叶硫素对植物病原体具有高毒性,并且参与植物抵御微生物感染的机制[4] 一些硫素具有细胞毒性,因此在开发具有新作用机制的抗癌新药方面具有潜力,不过,目前还没有基于硫素而开发的抗癌药物上市。

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硫素Viscotoxin A3 NMR化学结构。图片来源:PDB

从胚乳到叶子,几乎所有重要的植物组织中都存在硫素。它们的毒性作用确切机制仍然未知。有研究表明,硫素的抗真菌活性基于带正电荷的氨基酸残基与真菌膜中带负电荷的磷脂之间的静电相互作用,该作用导致直接的蛋白质-膜相互作用,诱发了孔洞形成;或者,也可能基于与特定脂质结构域的特异性相互作用[5]

植物防御素

植物防御素是所有具有膜分解功能的植物抗菌肽中最负盛名的一类,包括多种 45-54 个氨基酸的阳离子肽,具有 4 到 5 个二硫键。植物防御素具有多种生物学功能,包括抗真菌、抗细菌以及 α-淀粉酶和胰蛋白酶抑制活性。除了抗菌外,植物防御素还参与生物胁迫反应以及植物生长和发育。研究者首先发现的植物防御素是来自小麦和大麦的γ-硫素、γ1-大麦硫素和 γ1-/γ2-嘌呤硫素。由于它们与 α-/β-硫素的序列有一定的相似性(25%),植物防御素最初被归类为 γ-硫素。后来,根据结构特征发现它们与硫素无关[6] 1995 年,根据它们与哺乳动物和昆虫防御素的序列、结构和功能相似性,它们才被归类为植物防御素[7]

植物防御素包括来自各种植物的 100 多个成员,涵盖了小麦、大麦、烟草、萝卜、芥菜、萝卜、拟南芥、马铃薯、高粱、大豆、豇豆和菠菜等。它们已在多种组织中被发现,其中大部分是从种子和根中鉴定出来的。植物防御素的一般特征是四个固定的二硫键。

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MCh-1:一种来自苦瓜的植物防御素knottin。图片来源:PDB: 2m2q

植物防御素的结构-功能关系被认为与其正电荷和两亲性相关,可以通过与受体特定结合位点相互作用而与微生物膜结合。植物防御素与细胞膜的结合导致 Ca2+K+ 等正离子流入和流出[8] 某些植物防御素也能够以类似Ca2+ 通道阻断剂的方式阻断 Ca2+ 通道。植物基因组通常包含大量不同的防御素基因[9] 一些植物防御素也被确定为 α-淀粉酶或胰蛋白酶的酶抑制剂[10] 据研究,这可能是植物保护自己不被昆虫食用的生物学机制之一[11] 植物防御素的另一利用前景在于抗癌药物,它们被发现可以在体外实验中组织癌细胞的生长,或破坏癌细胞的细胞膜[12]

脂质转移蛋白

在各种单子叶和双子叶植物物种中,存在能够在膜之间交换脂质的非特异性小脂质转移蛋白 (ns-LTP)。ns-LTPs 参与膜生物合成,调节细胞内脂肪酸库,参与对植物病原体的防御反应、角质形成、胚胎发生和共生,以及植物对各种环境条件的适应。它们的抗真菌作用方式尚不清楚。ns-LTP 可将自身插入真菌膜中并形成孔,导致细胞内离子流出,最终导致细胞死亡[13] LTPs 可从烟草、绿豆和大米的新生的气生器官中分离出来。许多 ns-LTP 在体外表现出抗细菌和抗真菌特性。一些 ns-LTP 是水果、蔬菜、坚果、花粉和乳胶中的重要过敏原,引发口腔过敏综合征[14]

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口腔过敏综合征。图片来源:npr.org

嘌呤吲哚蛋白

嘌呤吲哚蛋白(Puroindolines)是小分子量的碱性蛋白质,包含一个独特的富含色氨酸的结构域。这些蛋白质可从小麦胚乳中分离出来,分子量约为 13 kDa,包含五个二硫键。嘌呤吲哚蛋白的抗菌活性与和细胞膜的相互作用有关。PIN-1(Puroindoline-1)能够在人工和生物膜中形成离子通道,这些离子通道对单价阳离子具有一定的选择性。

类橡胶蛋白肽

类橡胶蛋白肽是一类 29-45 个氨基酸组成的碱性肽,具有三到五个二硫键。橡胶蛋白结构域与甲壳素结合,这是它们的主要靶点[15] 橡胶蛋白最初被鉴定为橡胶树(Hevea brasiliensis)胶乳中最丰富的蛋白质成分,并在体外显示出很强的抗真菌活性[16] 据报道,它也是一种主要的乳胶过敏原,与人类乳胶水果综合征 (human latex-fruit syndrome) 有关。大约 30-50% 对天然胶乳过敏的人对某些植物来源的食物也表现出相关的超敏反应,尤其是新鲜食用的水果,这种乳胶过敏和对植物性食物过敏的关联称为乳胶水果综合症[17] 与橡胶蛋白类似,类橡胶蛋白肽可抑制含甲壳素真菌的生长,并保护植物免受多种真菌病原体的攻击[18]

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Snakins

Snakin-1 (63 个氨基酸) 和 snakin-2 (66 个氨基酸) 是从马铃薯 (Solanum tuberosum) 块茎中分离出的具有 12 个半胱氨酸的抗菌肽,在浓度范围1–20 μM 时对真菌和细菌病原体具有活性。Snakins 诱导革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌的聚集,因此被认为植物防御屏障的组成部分。研究者从扁豆中发现了Snakin-2 的 64 个氨基酸同系物,也含有 12 个半胱氨酸,具有甲壳素结合能力,参与植物-病原体相互作用[19] Snakin-Z (31元肽),从酸枣的果实中提取出来,含有类似于 Snakin-2 的 C 末端区域的序列。它在最低浓度 (7.65–28.8 μg/mL) 下对不同的细菌和真菌菌株具有抗菌活性[20]

细胞穿透肽

细胞穿透肽 (Cell-Penetrating Peptides, CPPs) 能够在体外和体内以低微摩尔浓度穿透细胞膜,无需使用任何受体,也不会造成任何明显的膜损伤。它们可以与货物(核酸、寡核苷酸、肽序列和多糖)结合,有效地将其递送到细胞内,因此在药物递送应用中具有很强的利用价值。各种 CPP 和 CPP-货物偶联物可以使用不同的内吞机制进入细胞。这些带正电的短肽具有不同的氨基酸序列,但都包含一个转导结构域并具有 30–100% 的阳离子精氨酸和赖氨酸残基[21] 尽管 CPP 具有很大的序列多样性,但可以确定三大类:阳离子型、两亲型和疏水型[22] CPPs家族的成员广泛存在于植物和动物中,但在酵母中不存在。

上面列举了一些植物抗菌肽,这些分子在制药和生物技术方面具有不错的应用潜力。植物抗菌肽由具有保守序列的小基因编码,基因扩增和转基因是增加产量和提高所选肽比活性的可行途径之一,因此植物抗菌肽可广泛应用于转基因作物的开发。许多研究表明,植物防御素的转基因表达可以保护植物组织免受病原体攻击[23] 此外,硫素是基因改良和开发表达更高水平硫素的转基因植物的重要工具,可提高农业的病原体抗性并减少作物损失,这可能导致减少农业中杀虫剂的使用[24] 细胞穿透肽是非常有前途的候选药物,用于以非破坏性方式进行细胞内递送药物、RNA、DNA 和纳米颗粒。细胞穿透肽已被证明有助于在皮肤上输送多种生物分子,该技术的巨大潜力在于与生物活性货物结合的细胞穿透肽的高效率和相对低的毒性。不同的细胞穿透肽可成功用于将高分子量药物输送到细胞中,以及用于疫苗开发,并在透皮给药系统中具有巨大潜力。

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