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哺乳动物防御素的研究及应用

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导读哺乳动物防御素的研究及应用
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第8卷第2期 北华大学学报(自然科学版) V01.8 No.2 2007年4月 JOURNAL OF BEIHUA UNIVERSITY(Natural Science) Apr.2007 文章编号:1009—4822(2007)02—0124—04 哺乳动物防御素的研究及应用 魏大军 ,盖晓东 ,徐鸿洁2,欧阳红生3 (J.北华大学医学院,吉林吉林 132013;2.北华大学附属医院,吉林吉林 132011; 3.中国人民解放军军需大学,吉林长春 130062) 摘要:防御素(Defensins) ̄年来发现的广泛存在于生物界的一类阳离子抗茵活性肽.其中哺乳动物防御素的 抗茵谱最为广泛,具有很高的应用潜力.文章针对哺乳动物防御素的组成分布、表达调控、生物学活性、基因工程 等方面进行了研究. 关键词:防御素;哺乳动物;基因工程 中图分类号:Q813 文献标识码:A 近来在植物、被囊动物、昆虫、鱼、两栖动物和 胞、哺乳动物肠的Paneth细胞内.也在哺乳动物的 哺乳动物中发现了一组具有抗菌作用的多肽,称之 消化道和泌尿生殖道的上皮细胞、兔的肾内表达. 为抗菌肽.它们参与了抵抗微生物侵害的最初宿主 已发现的人类a一防御素有6种。命名为HD一1~ 防御活动,是内源免疫体系成分,防御素就是其中 HI)一6.其中4种是在中性粒细胞的分泌型颗粒内收 一大类.防御素最早是在老鼠和豚鼠的多型核白细 集到的,故也将其称为人中性粒细胞肽(Human 胞中被发现的_1 J,以后又从很多哺乳动物中性粒细 neutrophil peptidesl一4,HNP1—4).HD一1~HD.4在 胞【 、小肠Paneth细胞【 、人白细胞及尿、颈部黏 中性粒细胞内表达,在人的泪腺内和正常泪液中也 液_4 J、腮腺、植物种子、叶片等组织中分离纯化出 可检测到HI)一1~HD一3_6 J.而HI)一5,HD一6在肠上皮 来.防御素是富含精氨酸残基的阳离子多肽,相对 细胞和生殖道上皮细胞内表达,但HD.5,HD.6在 分子质量为4~6 ku左右,分子中含有6~8个半胱 肠内的表达量非常的有限,其中,在十二指肠内表 氨酸残基,并形成3~4对分子内二硫键,具有稳定 达量非常的少,在空肠和回肠内表达量最多,而且 的分子结构和广谱抗菌活性.本文就哺乳动物防御 个体间有较大的差异.在兔的嗜中性粒细胞中有 素的组成分布、表达调控、生物学活性、基因工程以 NP一1,NP一2,NP一3a,NP一3b,NP一4,NP一5 6种防御 及在医学中的应用前景进行了研究. 素,其总量占细胞蛋白总量的15%~20%.在兔的 1 哺乳动物防御素的表达及分布 巨噬细胞中含有防御素MCP一1,MCP一2,但其表达 因组织起源及动物年龄的不同而不同H].此外,在 哺乳动物防御素根据半胱氨酸的位置和连接 鼠小肠Paneth细胞及皮肤中也发现防御素,命名 方式、前体性质及表达位置的差异可分为a、 两 为CRYPT1-20. 类.最近,Tang等通过反向高效液相色谱(RP— 1.2 口一防御素 HPLC)法从猕猴白细胞中又分离出一种环状的防 一防御素是Diamond[’]等首次在牛的气管黏 御素,称之为猕猴0防御素(RTD一1),0防御素的发 膜上皮细胞中发现的短肽.也有报道哺乳动物的消 现为哺乳动物防御素家族又增添了新的成员_5 J. 化道上皮、泌尿生殖道上皮、粒细胞和巨噬细胞也 1.1 一防御素 能产生 一防御素.已发现的人类 一防御素有4种, a.防御素主要表达于中性粒细胞颗粒、巨噬细 已证实HBD一1在肾管内固有表达,在胰腺及其他 收稿日期:2006—12—05 基金项目:吉林省卫生厅科研基金课题(第106号) 作者简介:魏大军(1977一),男,硕士研究生,主要从事肿瘤诊断与治疗研究; 盖晓东(1963一),女,教授,博士,硕士生导师,主要从事肿瘤诊断与治疗研究 维普资讯 http://www.cqvip.com

第2期 魏大军,等:哺乳动物防御素的研究及应用 125 上皮组织中也有少量表达;HBD一2最早是在牛皮癣 性菌.在体外,防御素浓度在10~100 mg/L时,就 患者的皮肤上发现的,在人类的皮肤、血浆、唾液以 对多种细菌有杀伤作用,防御素在中性粒细胞中的 及泌尿生殖道等上皮组织感染过程中被诱导表达. 浓度为g/L级,远超过这个数值.表明在体内,防御 HBD一3在成年人的心脏、骨骼肌、胎盘、皮肤、食道、 素可能有很强的杀菌活性.但中性粒细胞防御素的 齿龈的角化细胞、气管以及胎儿的胸腺中表达.最 活性往往会受到血清或阳离子如Na ,Ca2 等不同 近发现HBD一4在睾丸、子宫、甲状腺、肺、肾脏感染 程度的抑制.从目前的研究水平来看,防御素对G+ 过程中可被诱导并微量表达.Zhang等通过RT— 菌杀伤能力强于G.菌[ ,a一防御素优于 一防御素, PCR发现猪的 一防御(pBD21)mRNA几乎无处不 而a一防御素中以NP.1,CRYPT-4作用较强.Ander 在,在猪舌的上皮组织中表达量最高_5 J.鼠科动物 J等用放射扩散分析方法对两者进行了对比性研 一防御素(MBD)在骨骼肌、食道、气管、舌、肠、肝脏 等组织中表达或被诱导表达.在鸡、兔、羊等动物体 内也有p一防御素分布. 1.3 e.防御素 0.防御素是Tang等最近在猕猴白细胞中发现 的防御素家族中又一新成员,命名为RTD一1.研究 发现,RTD.1的mRNA只在骨髓中表达_5 J. 2 表达调控 防御素的表达有两种方式:组成性表达和诱导 性表达,哺乳动物的防御素表达包括这两种方式, 在组织中的表达受多种因素的调控.如对于HBD. 1,炎症刺激物对其表达产量没有明显的作用.而对 于HBD一2,在前炎症细胞因子IL一1 和某些系统中 TNF—a、假单胞绿脓杆菌类粘蛋白、细菌脂多糖 (LPS)的作用下,表达量大量增加.HBD.3可在IL. 1口作用下发生诱导性表达.地塞米松抑制HBD一3 的表达.牛的BD.4,BD一5在细菌脂多糖(LPS)作用 下,其表达量则不受影响.高浓度的异亮氨酸(5~ 20 retoo1)和一些异亮氨酸类似物能诱导猪肾细胞 上皮 .防御素(EBD)的表达,刺激发生在转录 水平. 3防御素的生物学活性 3.1 作用机制 目前公认的观点为:带正电荷的防御素分子与 带负电荷的靶细胞膜相接触,随后通过靶细胞膜所 产生的电动势将形成疏水面的防御素二聚体注入 细胞膜,最后多个二聚体或高聚体在一起形成跨膜 的离子通道使膜通透化,从而扰乱细胞膜的通透性 及细胞能量状态,导致细胞膜去极化,呼吸作用受 到抑制以及细胞ATP含量严重下降,最终使靶细 胞死亡.防御素的抗病毒作用则是通过与病毒外壳 蛋白结合而导致病毒失去生物活性 J. 3.2抗细菌作用 防御素可以有效的杀灭革兰氏阴性、革兰氏阳 究,发现在浓度达到100 mg/L和300 mg/L时 CRYPT一4的活性是NP一1的50倍【l0 J. 3.3抗真菌作用 a一和 一防御素都有强的抗真菌作用.如实验观 察到NP一1和NP一2均可在几分钟之内以相当低的 剂量浓度杀灭真菌.防御素对真菌的作用需依赖于 目标菌的种类、外界因素,如离子强度、温度等. 3.4抗病毒作用 防御素能杀灭一些被膜病毒,如HIV、疱疹病 毒、水泡型口炎病毒ll川.许多a一防御素,如兔NP1 ~2,人HNP1~3,大鼠RatNP一1,豚鼠GPNP一1等 已被验证了对病毒的杀伤作用.这些防御素对病毒 的抑制作用是直接的,且与防御素附着于病毒上有 关.对病毒的抑制程度依赖于防御素的浓度,分子 内二硫键的紧密程度.防御素抗病毒功效同样受时 间、pH、温度等因素的影响.同时,当在实验体系中 加入血清或血清蛋白时也可大大减弱防御素的抗 病毒功效.据报道,人和鼠的防御素对囊状口炎病 毒和流感病毒APWSN等有囊膜病毒有显著的抑 制作用,但对无囊膜的巨细胞病毒和艾可病毒群 无效[ ¨. 3.5细胞毒性作用 在体外实验研究中,观察发现防御素能杀伤多 种肿瘤细胞,特别是对抗肿瘤坏死因子的U9TR细 胞系及抗NK细胞毒因子的YAG1和U937细胞 系具有杀伤性.但防御素的这种细胞毒活性是非肿 瘤细胞特异的,它对正常的人和动物细胞也具有毒 性作用,并且对人的淋巴造血细胞及实体瘤细胞作 用更为显著.而且防御素的这种杀伤作用呈剂量、 时间依赖性.但组织中的血浆蛋白接触防御素后, 可以中和防御素的细胞毒性作用.此外,经研究发 现过氧化氢(H2O2)与防御素有协同作用_l ,此协 同作用随H2 02浓度的增加而增强.这可能是由于 H202使防御素结合增加,并使防御素易于进入靶 细胞膜或细胞内环境所致. 维普资讯 http://www.cqvip.com

北华大学学报(自然科学版) 第8卷 3.6免疫调节作用 作为一种新型的生物活性肽,由于作用机制特殊, 防御素不仅可以直接抵抗病原微生物的感染, 抗菌谱广泛,微生物不易产生耐药性等众多优点, 还具有免疫调节作用的特性.如人类的a一防御素家 向我们预示了一条开发新型的、理想的抗生素药物 族成员HNP一1与补体C1的Clq成分结合,抑制补 途径;另一方面,如果对防御素的细胞毒性进行研 体的溶血活性.对单核细胞、树突状细胞和T细胞 究并加以利用,将对肿瘤的治疗有重要的意义.此 具有趋化作用.人、鼠、猪、兔的中性粒细胞防御素 外,研究表明在烧伤患者的水疱中没有HBD-2,这 有诱导肥大细胞脱粒、释放组胺的作用-1引.兔子的 可能与患者的后期出现败血症有关.所以,防御素 a一防御素可以作为兔子齿槽巨噬细胞的调理素;人 很可能可用于烧伤患者的治疗. 类的嗜中性防御素123还能刺激支气管上皮细胞 来增加白细胞介素8(IL一8)基因的转录和促进它的 6存在的问题 生长. 一防御素可通过CCR6受体,吸引不成熟的 1)目前,关于防御素的作用机制中多聚体的形 树突状细胞和记忆T细胞到炎症部位,激活细胞免 成、离子通道的出现以及受体蛋白的结构等诸多问 疫和体液免疫,杀灭和清除细菌.防御素也可以直 题还没有弄清.要想发现防御素作用的真正原因及 接促进感染部位嗜中性粒细胞的补充和积聚. 开辟抗生素的新领域,这些问题有待进一步研究 4基因工程研究 2)防御素的细胞毒作用表现在对正常、异常细 胞的杀伤.如何加强防御素对正常细胞的识别、降 由于防御素的这些优点,其应用价值引起人们 低其细胞毒性、剂量的选择等是用于肿瘤治疗前必 的关注.然而,生物机体内天然的防御素含量很低, 须解决的问题. 远远不能满足人们的需要.因此,人们把目光投向 3)利用基因工程技术可以大量表达防御素,而 基因工程技术,希望以此来大量生产防御素. 转基因防御素的抗菌活性往往较差,如何提高其活 Piers等1993年报道利用蛋白A作载体分别 性、纯化、大批量规模化的生产需进一步探索. 与人防御素HNP一1和昆虫杀菌肽[Cecropin/ 4)o一防御素的发现为防御素家族增添了新鲜的 melittin(CMEM)]构建融合蛋白,在细菌 成员,由于e一防御素不受盐离子浓度的影响,可以 Staphylococcus.aureus和E.coli中得到表达,并分 弥补a, 一防御素的不足.但现今对e一防御素的研究 别测其活性,但只发现CMEM有活性,而HNP一1 还只是初步阶段,要想使0一防御素成为新一代抗菌 不具活性[¨】.张满朝等曾报道将人防御素HNP一1 药物还需深入研究. 基因转入大肠杆菌中,蛋白电泳和ELISA检测到 目前,尽管防御素的研究工作还存在一些困 HNP一1表达的蛋白存在,但未见有关其抗菌活性的 难,但前景非常乐观,相信不久的将来,防御素在医 报道[ ].孙勇如等以单细胞的真核藻类小球藻作 药领域将占有重要的地位. 为受体,将兔防御素NP一1的基因转入后,获得了稳 定表达NP一1的转基因藻株,并提取纯化了具有正 参考文献: 常的生物活性的NP一1[ ].蔡绍辉等将人 防御素 [1]Zeya HI. Cationic Proteins of Polymorphonuclear HBD.2全长cDNA片段插入带有报告基因的真核 Leukocyte[J].J Bacteriol,1996,91:750—754. 表达质粒pCMV. [2]Ganz T,Lehrer RI.Defensins[J].Pharmacol Ther,1995, tag2B中构建出HBD一2的重组表达载体 66:191—205. pCMV.tag2B/HB一2.通过脂质体介导法将此表达 [3]Selsted Me,Miller SI,Hnschen AH,et a1.Enteric 载体导入非洲绿猴肾纤维母细胞COS-7细胞.RT— Defensins:Antibiotic Peptide Components of in Testinal PCR和免疫印迹分别从mRNA水平和蛋白质水平 Host Defense[J].J cell Bio,1992,118(4):929—936. 检测到被转化的COS-7细胞系能有效表达HBD一2. [4]Valore EV,Park CH,Quayle AJ,et a1.Human p— 其抑菌活性租是否永久表达目的基因尚待进一步 defensin-1:Antimicmbial Peptide of Urogenital Tissues 研究[1 7I. [J].J Clin Inest,1998,101(5):1633—1642. 5 医用前景 E5] ̄i静华,李有志,汪以真.哺乳动物体内的防御素[J].中 国兽医杂志,2004,40(1):45—47. 由于传统的抗生素的毒副作用及耐药菌株的 [6]Haynes RJ,Tighe PJ,Dua HS.Antimicrobiol Peptides of 出现,人们正在努力寻找抗生素的替代品.防御素 the Human Occlar Surface[J].Br J Ophtalomo,1999,183 维普资讯 http://www.cqvip.com

第2期 960:731—741. 魏大军,等:哺乳动物防御素的研究及应用 Microbiology,2000,9(8):402.410. 127 [7]Diamond G,Zasloff M,Eck H,el a1.Tracheal Antimicrobial Peptide,a Novel Cysteine-rich Peptide from Mammalian Tracheal Nucosa:Peptide Isolation and [12]Lichenstein AK.Ganz T,Seleted ME,et a1.Defensis n[J].Cell Immunol,1998,114:104—116. [13]Befs AD,Mowaut C,Gilchris M,el a1.Neutrophil ,Cloning of CDNA[M].Pro Natl Acad Sci USA,1991,88 (1O):3952—3956. Defensins Induce Histamine Secretion from Mast Cells [J].J Immunol,1999,163(2):947—953. 【14]Kevin LP,Melissa lib,Robert EW.Recombinant DNA Procedures for Producing Small Antimicrobial Cationic [8]陈颖,葛毅强,张利明,等,哺乳动物防御素的研究进展 及其应用前景[J].生物化学与生物物理进展,2001,28 (1):17—21. Peptides in Bacteria[J].Gene,1993,134(1):7—13. [15]张满朝,许政凯.在大肠杆菌中表达人防御素一1[J].生 物化学杂志,1997,13(6):264—269. [16]Chen Ying,Wag Yinqin,Sun Yongru,et a1.Highly Efficientexpression of Rabbit Neutrophil Peptide-1 in Chlorella Ellipsoidea Cells Curr Genet,2001,39:356— 370. [9]Bals R,Goldman MJ,Wilon Jm,Mouses 一defensin is a Salt—ensistive Antimicrobial Peptide Present in Epithelia of the Lung and Urogential Tract[J].Infect Immun,1 998, 63(3):1225—1232, [10]Ander J,Ouellette.Mouse Panth Cell Defensis:Prnimary Structures and Antibacterial Activitis of Numerous eCryptdin Iofsorms+[J].Infection nd IAmmunty,1994, 11:5040—5047. [17]蔡绍辉,杜军,陈新年,等.重组人 防御素基因在 C ̄Mq27细胞的转染表达[J].华西医大学报,2000,31 (4):433.437. [11]Hancock RE,Diamond G.The Role of Cationic ntAimicrobial Peptides in Innate Host Defesins[J].n Advance and Appl ication of Mammal Defensins WEI Da-j un ,GAI Xiao.dong ,XU Hong-j ie2,OUYANG Hong.sheng (1.Medical College ofBeihua University,jilin 132013,China; 2.Affiliated Hospital fBeiohua University,Jilin 132011,China; 3. P Quartermaster UniversityofPlLA,Changchun 130062,China) Abstract:Defensins is a recently discovered type of Cationic antimicrobial peptides which have been found in a large range of living organisms.The mammal defensins have the widest range antimicrobial spectrum.The distribution,expression regulation,bioactivitis,gene engieneering of mammal defensins were summarized. Key words:Defensins;Mammal;Gene engineering 【责任编辑:王坤】 

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