昆虫作为世界上种类最多的生物(大约有100多万个品种),有着高度的适应能力和高效的防御机制。抗菌肽是昆虫在受到微生物感染或意外伤害时，由血淋巴及机体组织中产生的一类多肽。昆虫的抗菌肽在体液免疫防御中发挥了重要作用，其脂肪体(功能类似于哺乳动物的肝脏)合成的抗菌肽分泌到血淋巴中对全身的病原体起反应^[9]。迄今为止，已经有200多种来自昆虫体内的抗菌肽被发现。这些多肽根据其氨基酸的序列和抗菌的功能被分为5种：cecropins、防御素、富含脯氨酸的多肽、富含甘氨酸的多肽及溶菌酶^[10]。最近在昆虫体内发现的新抗菌肽有hinnavin Ⅱ、S1家蚕抗菌肽(Sl moricin)、奢锦天牛天蚕素(A. luxuriosa cecropin)、防御素NV(defensin-NV)、ASABF-6Cys-α、(acaloleptin isoform 5)、armadillidin、细菌素1(bactrocerin-1)、OdVP1、SK84、富含脯氨酸肽2(proline-rich peptide 2)等^[11]。

抗菌肽起初是在无脊椎动物动物中发现的，随后在脊椎动物中也有发现，这些肽显示出多样的序列结构和特异性的靶标。基因编码的抗菌肽能够在哺乳动物、两栖动物、鱼类、昆虫等多种不同生物体的组织中表达^{[21, 22]}。

由于长期使用抗生素导致耐药性菌株增多，人类需要寻找一种新型的抗菌剂。抗菌肽有着广谱抗菌活性，能快速杀死作用靶标，它最有希望成为传统抗菌素的替代品^[23]。但是实际生产中应用抗菌肽还有一定的问题，最主要是昂贵的生产成本限制了抗菌肽的应用。利用基因工程重组技术异源表达系统来生产抗菌肽是一种新模式^[24]。其中，大肠杆菌是生产抗菌肽良好的表达系统，但是这种小肽很难在这种高水平工程菌株中表达，特别是遇到毒肽类时，会对宿主菌有杀伤作用。最近有人开发利用甲基毕赤酵母表达系统来大规模表达不同来源的蛋白质，有良好的表达效果^[25]。

近年来，随着人们对抗菌肽研究的深入，科研人员尝试人工合成抗菌肽，并在医疗应用方面取得了一定的成果。利用抗菌肽研制的药物已进入市场，如：美国马盖宁制药公司研发出来的马盖宁(magainin)药物可杀死病毒和肿瘤细胞，柞蚕抗菌肽能抑制乙型肝炎和杀灭肿瘤细胞，在医药上已制成肾肝宁胶囊治疗肾炎及肝炎等^[26]。

抗菌肽的抗细菌功能包括抗革兰氏阳性细菌、革兰氏阴性细菌以及革兰氏兼行细菌。大部分抗菌肽均具有抗革兰氏阳性细菌的功能，但不同抗菌肽的抗菌活性有较大差异，且抗菌谱也不同。如表1^{[27, 28]}所示，家蚕抗菌肽可分为7大家族：cecropins、moricins、attacins、lebocins、enbocins、gloverins及defensins，各个家族中的抗菌肽抗菌活性和抗菌谱均不相同。最近研究表明，在抗菌时不同的抗菌肽之间甚至抗菌肽与传统的抗生素之间有协同和辅助作用，将抗菌肽和抗生素两者连用可以提高药物疗效，或者拓宽传统抗生素的抗菌谱^[29]。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 家蚕的抗菌肽基因 Table 1 Antimicrobial peptide genes in Bombyx mori 抗菌肽名称 Name of AMPs 基因座名 Gene locus name 基因数目 Number of genes 有完整ORF的基因数目 Number of genes with complete ORF 抗菌谱 Antibacterial spectrum 攻击素Attacins Bmatt 3 2 抗革兰氏阴性菌 天蚕素Cecropins Bmcec 12 12 抗革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌和真菌 Enbocins Bmenb 2 2 抗革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌 葛佬素Gloverins Bmglv 7 4 抗革兰氏阴性菌 Lebocins Bmleb 2 1 抗革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌 Moricins Bmmor 12 12 抗革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌 防御素Defensins Bmdef 2 2 抗革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌

表1 家蚕的抗菌肽基因 Table 1 Antimicrobial peptide genes in Bombyx mori

目前已有超过7万种真菌被发现，其中一部分是威胁人类健康的。许多抗菌肽除了抗细菌之外还有抗真菌的功能，其中一个重要因素就是抗菌肽与质膜的相互作用^[30]。目前已经发现的抗真菌肽有cecropins、果蝇抗菌肽、线肽素、贻贝素、蝎血素以及人工改造的各种抗菌肽等^[31]。研究证明，抗菌肽抗真菌能力与真菌的属、种和孢子的状态有关^[32]。

在全球范围内寄生虫引起的热带疾病已经对社会经济造成巨大损失。由于寄生虫对药物毒素耐药性的增加，导致对新型疾病治疗方法需求的增加。抗菌肽可用于疾病控制、治疗宿主感染，或防止携带寄生虫的昆虫宿主对疾病的传播。有些抗菌肽可以有效地杀死寄生于人类或动物体内的寄生虫。如：cecropins类似物shiva-1、蛙皮抗菌肽爪蛙素等可以杀死疟原虫^[33]。来自蛔虫体内的抗菌肽可以杀死利什曼鞭毛虫^[34]。柞蚕抗菌肽cecropins D对引导毛滴虫也有杀伤作用^[35]。抗菌肽靶目标是寄生虫的质膜，从而间接引起细胞内部结构和细胞器改变，干扰细胞正常代谢^[36]。

众所周知，病毒可以通过感染所有生物细胞进行自我复制。研究表明，多种抗菌肽都具有抗病毒活性，这些病毒的共同特点是拥有膜结构，如艾滋病病毒、疱疹病毒和疱疹病毒型口炎病毒等^[35]。抗菌肽可能通过多种机制发挥抗病毒作用，与病毒的包膜相结合、抑制病毒的繁殖，或者干扰病毒的组装合成^[37]。

一些阳离子抗菌肽对肿瘤细胞有广谱杀灭活性效果，这为癌症患者提供了一类新型的抗癌药物。其抗肿瘤机制主要有：溶解肿瘤细胞膜、破坏细胞内线粒体、对细胞DNA造成损伤、破坏细胞骨架、促进机体免疫效应、诱导细胞凋亡、抑制肿瘤血管生成等^[38]。目前，已有文献报道抗菌肽对肝癌细胞、膀胱癌细胞、宫颈癌细胞等的杀伤作用和剂量相关性研究^{[39, 40, 41]}。

抗菌肽能够与细胞膜表面相互作用，使膜的通透性改变。阳离子抗菌肽的正电荷区域与细胞膜上的负电荷区域相互作用，使抗菌肽分子的疏水端插入细胞膜的脂质膜中，进而改变脂质膜结构。抗菌肽与细胞膜作用后形成跨膜电位，打破酸碱平衡，影响渗透压平衡，抑制呼吸作用，总之抗菌肽与膜的相互作用直接关系到抗菌肽的抗菌活性^[42]。如图1^[43]所示，目前，常用的至少有4个模型来描述抗菌肽的作用机制。A为聚集体模型(aggregate channel)，即抗菌肽与细胞膜上的磷脂分子结合成复合物，一旦复合物崩溃，抗菌肽就进入到细胞内，细胞膜也因受到弯曲张力导致细胞死亡。如：鲎肽等^{[44, 45, 46]}。B为环孔模型(toroidal)，认为聚集的抗菌肽分子是垂直嵌入到细胞膜上，其疏水区的位移可以使细胞膜疏水中心形成裂口，引发磷脂单分子层向内弯曲，形成一个直径为1~2 nm的环孔。如：magainins等^{[46, 47]}。C为桶板模型(barrel-stave)，有研究人员指出结合于细胞膜表面的抗菌肽相互聚集，以多聚体的形式插入细胞膜双分子层中，因而形成一个跨膜离子通道。离子通道的形成使外界的水分子和离子等可以渗入到细胞内部，细胞质也可以外流。严重时细胞膜会崩裂导致细胞死亡^[48]。D为地毯模型(carpet-like)，抗菌肽先是平行排列在细胞膜上，当数量达到一定程度时就像地毯一样覆盖在膜表面，以“去垢剂”的作用方式破坏细胞膜而引起细胞死亡。此模型中，地毯模型无需抗菌肽的特殊结构，也无需形成孔道，但抗菌肽的正电荷需要分布于多肽全长，且在整个过程中抗菌肽始终与脂质头端作用而无多肽垂直重排过程^[49]。

图1(Figure 1)

Fig. 1

图1 抗菌肽的作用模式 Fig.1 Mode of action of AMPs

抗菌肽除了作用于细胞膜，还可以作用于细胞内的其他靶标。抗菌肽在进入细胞之后，通过与细胞内靶标的特异性结合干扰细胞代谢，达到抑制和杀灭细菌的目的。此理论解释了许多抗菌肽在非常低的浓度下仍然能够导致细菌死亡的现象。抗菌肽主要通过以下几个方面在细胞内发挥作用：1)与细胞内的酸性物质结合，阻断DNA复制和RNA合成；2)影响蛋白质的合成；3)抑制细胞壁的合成，阻碍细胞分裂；4)抑制细胞内酶活性等^[4]。Nan等^[50]通过对indolicidin的修饰，发现其类似物IN-3和IN-4可以透过大肠杆菌质膜，在细胞内积累并与DNA分子结合。Yenugu等^[51]发现抗菌肽HE2alpha、HE2betal或HE2beta2处理的大肠杆菌也能抑制其蛋白质的合成，而且电镜观察到细菌细胞膜的变化和胞内容物的泄露。Hasper等^[52]研究证明，nisin可将Lipid Ⅱ从细胞壁合成位点或隔膜处移除，以阻断细胞壁的合成。Vincent等^[53]研究发现，由大肠杆菌质粒编码的细菌素microcin J25与RNA聚合酶集合后，可阻断RNA聚合酶中碱基运输和合成过程中副产物的排出，从而阻止碱基与酶的活性中心集合，抑制RNA聚合酶的活性。

综上所述，抗菌肽的抗菌机制复杂，抗菌肽不但能够杀灭大量细菌，还能杀伤肿瘤细胞、真菌、病毒、寄生虫等。抗菌肽的作用对象虽然种类繁多，但共同的特点是作用于有膜成分的靶标。

抗菌肽具有高效、广谱抗菌，潜在的抗肿瘤活性，以及能加速机体免疫和伤口愈合过程等功能，使其可能成为代替传统抗生素和抗肿瘤药物的一种新型药物。由于抗生素的滥用，导致“超级细菌”不断增多，如：发生在印度新德里的超级细菌事件，就是一种携带肺炎克雷伯菌、大肠杆菌耐药酶的革兰氏阴性细菌。而抗菌肽的出现能很好地解决细菌耐药性的问题，抗菌肽的作用机制与传统抗生素不同，其代替传统抗生素成为趋势^[54]。抗菌肽可在不破坏人体健康细胞的条件下对人髓样白血病细胞k552株、艾氏腹水瘤EAC、人宫颈癌细胞、直肠癌HR8340及肝癌细胞BEL27402等起到杀伤作用^[55]。抗菌肽对HIV、疱疹病毒等有膜病毒都有一定的杀伤作用：meliiins和cecropins在亚毒性浓度下可以通过对基因表达的影响来抑制艾滋病病毒的增殖^[56]。除此之外，抗菌肽还能加速伤口处细胞的分裂增殖：如LL-37通过刺激呼吸道上皮细胞移动与增殖，达到加速伤口愈合的目的^[57]。

医药行业是抗菌肽应用最为广泛和最有发展前景的行业，目前国内外科研人员在这一领域取得了丰硕的成果，如：美国马盖宁公司经过设计改造过的抗菌肽magainin对病毒和肿瘤细胞均有较好的杀伤作用。国内的黄自然利用柞蚕抗菌肽研制的治疗肝炎的“五龄丸”；中科院上海生化与细胞所张永连课题组研究的抗菌型多肽对男性生殖疾病的检测与治疗具有重要意义；邓小娟从柞蚕中提取的抗菌肽对耐药性很强的金黄葡萄球菌有杀菌作用；张为民研究柞蚕抗菌肽对人结肠癌细胞LS-174T、人胃黏膜上皮细胞株GES-1有杀伤作用，并发现该抗菌肽在体外对人结肠癌细胞具有选择性杀伤作用等。但是，不同种类的抗菌肽在抗菌活性和抗菌谱方面既有相似之处，也有很大的差异，为了寻找更为高效广谱的生物抗菌肽，仍然需要进一步研究^[58]。

随着人们对抗菌肽的结构和作用机制认识的深入，越来越多的科研人员希望改造出具有更高效、广谱、低毒性的抗菌肽，改造对象主要针对cecropins、magainins和defensins等家族，其中最多的改造研究是cecropins类抗菌肽。如：由shiva-1改造的shiva-2A抗菌活性明显更强；由cecropins A和cecropins D改造的cecropins Ad，具有强烈的抗菌活性而对真核细胞无害；由cecropins A和melitin合成的cecropins-melitin杂合肽，具有比cecropins A相似或更强的抗菌活性和抗菌谱等^[59]。同样，将抗菌肽基因导入植物体中改造植物，能获得抗菌植株，或者将抗菌肽基因转入动物体内可明显提高动物的抗病能力^[60]。

我国是水产养殖大国，但是近年来随着水产养殖业的高速发展，水产养殖病害问题严重，制约着水产养殖业的发展^[61]。抗菌肽是鱼、虾、贝类等动物防御素系统的主要成分之一。水生生物抗菌肽研究主要集中在甲壳纲的一些种类，如：鲎、蟹、虾、贝等，鱼类方面也有一些报道，这显示出抗菌肽在水产养殖业上的潜在应用前景。研究表明，在对虾的养殖过程中添加抗菌蛋白，可以显著提高生长速度、相对增重率、饲料系数、成活率及抗病能力等^[62]。

抗生素会在水产动物体内积累，破坏体内正常的菌群平衡，也会造成生态平衡紊乱。水生生物抗菌肽的高效抗病毒、抗菌作用等为水产养殖的抗病害问题提供了新的解决方案^[63]。国内在水产养殖方面的研究已有很多报道，如：鲎素抗菌肽在不同温度、pH、体外蛋白酶的作用，利用毕赤酵母表达系统表达贻贝抗菌肽，从对虾体内克隆抗菌肽基因等^[58]。多种研究说明抗菌肽在水产养殖行业拥有广泛的应用前景。

近年来，由于抗生素在饲料添加中的广泛应用，造成药物残留问题严重，从而影响了禽畜产品品质和人体健康。抗菌肽具有独特杀菌机制和抗菌广谱性，且病原菌不易对抗菌肽产生耐药性等特性，成为新型饲料添加剂进入人们的视野。

研究表明，在动物饲粮中添加抗菌肽能够抑制病菌繁殖，改善动物肠道菌群结构，提高动物生产性能。侯振平等^[64]、Tang等^[65]、潘行正等^[66]发现，在仔猪饲粮添加抗菌肽能够增加肠道益生菌数量，控制腹泻率，提高仔猪生长性能，从而提高成活率。王秀青等^[67]、吕尊周等^[68]研究发现，鸡食用添加抗菌肽的饲料能提高日增重及增强免疫性能。这些研究说明抗菌肽具有促进禽畜机体对营养物质的合成和利用，抑制病原菌繁殖，改善肠道菌群结构，提高机体免疫能力等作用。

当前多种食品防腐剂被证实并不安全，使得人们对天然防腐剂的需求不断增加。抗菌肽抑制微生物的生长，对食品中的多种革兰氏阴性细菌和革兰氏阳性细菌都有很强的杀灭作用。抗菌肽在人、畜体内易被消化水解且无毒副作用，在酸性条件下活性强，有良好的溶解性和稳定性，是一种新型的食品防腐剂，如：食品中添加抗菌肽可用来制作各种功能性食品，也可以制成口服型药品、保健营养品等。因其可以激活细胞免疫和适应性免疫机制，抗菌肽还可作为食品质量增效剂。如：LL-37可以作为趋化因子或细胞因子诱导剂而发挥免疫调节作用^[69]。

抗菌肽应用在转基因农作物上可大大减少农药用量，降低环境污染，生产绿色农副产品。目前抗菌肽已经成功应用在马铃薯、烟草、水稻等转基因植物中，用来防止病虫害。而且实际生产中可以利用植物生物反应器来生产抗菌肽，具有低成本、稳定性好、技术相对成熟等特点^[70]。