摘要:
關(guān)鍵詞:腸桿菌肽;抗菌;抗炎;腸道健康
抗生素在養(yǎng)殖業(yè)中的使用非常普遍,但濫用抗生素造成的藥物殘留和細(xì)菌耐藥性問題已經(jīng)嚴(yán)重威脅到人體健康和環(huán)境的發(fā)展,美國(guó)每年有200萬(wàn)人遭受抗生素耐藥性感染,且其中有2.3萬(wàn)人由于抗生素耐藥性感染而死亡[1]。目前很多國(guó)家都出臺(tái)了禁用抗生素的政策,抗生素替代問題也引起了人們的重視。自1981年,瑞典科學(xué)家Boman 等從惜古比天蠶蛹中首次分離出天蠶素以來(lái),人們?cè)趧?dòng)植物及細(xì)菌、真菌體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了超過3400種抗菌肽??咕牟粌H來(lái)源廣泛,而且熱穩(wěn)定性高、抑菌譜廣、耐酸堿和蛋白酶,能夠有選擇性地殺滅細(xì)菌或真菌。此外,還具有抗病毒、抗氧化、促生長(zhǎng)、調(diào)節(jié)免疫等多種生物學(xué)功能。 腸桿菌肽(Lasso Peptides)由美國(guó)普林斯頓大學(xué)于1993年從腸道細(xì)菌中分離得到的一種新型抗菌肽,由21個(gè)氨基酸組成,具有套索狀結(jié)構(gòu),無(wú)溶血性,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,對(duì)胃蛋白酶、胰蛋白酶以及高溫環(huán)境有著良好耐受性,能夠有效的殺滅大腸桿菌、沙門氏菌、志賀氏菌等革蘭氏陰性菌,且不易產(chǎn)生耐藥性[2,3]。目前,已經(jīng)有大量動(dòng)物臨床試驗(yàn)證明,腸桿菌肽在替代抗生素添加到畜禽飼料中具有較好的抗菌消炎、增強(qiáng)腸道屏障、改善腸道菌群的效果。相信腸桿菌肽未來(lái)在畜牧養(yǎng)殖領(lǐng)域會(huì)發(fā)揮越來(lái)越重要的作用,減少動(dòng)物性食品的藥物殘留,為人類健康保駕護(hù)航。 腸桿菌肽國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展 腸桿菌肽的理化性質(zhì) 圖1 腸桿菌肽三維立體結(jié)構(gòu) 抗菌肽的抑菌機(jī)制 腸桿菌肽的攝取機(jī)制:外膜蛋白FhuA的表達(dá)是成熟腸桿菌肽進(jìn)入細(xì)胞的前提和所必需的蛋白。腸桿菌肽首先與FhuA受體的外環(huán)結(jié)合,然后內(nèi)膜TonB-ExbB-ExbD復(fù)合物和SbmA將其轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)中[4-6],進(jìn)而發(fā)揮細(xì)胞內(nèi)抗菌機(jī)制。腸桿菌肽主要以Salmnella和E coli 為靶點(diǎn),作用機(jī)制是:一,通過抑制RNA聚合酶活性來(lái)干擾細(xì)菌mRNA以及蛋白質(zhì)的合成。RNA 聚合酶的β亞基發(fā)生突變后,其對(duì)腸桿菌肽產(chǎn)生耐受性,從而確定其靶位點(diǎn)為RNA 聚合酶[7];腸桿菌肽與RNA聚合酶次級(jí)通道的結(jié)合會(huì)阻礙核苷酸進(jìn)入酶的活性位點(diǎn),從而抑制 mRNA的形成和進(jìn)一步蛋白質(zhì)的合成[8]。二,腸桿菌肽通過改變細(xì)胞膜的通透性,使細(xì)菌細(xì)胞膜破碎,內(nèi)容物外滲,導(dǎo)致病原菌死亡。如圖2所示。 圖2 腸桿菌肽的攝取及抑菌機(jī)制 腸桿菌肽具有廣譜的抗革蘭氏陰性菌活性,包括致病性大腸桿菌、沙門氏菌和志賀氏菌。據(jù)報(bào)道,腸桿菌肽對(duì)沙門氏菌的MIC為3.12 μg/mL,對(duì)大腸桿菌O157:H7的MIC為1 μg/mL,0.3%的腸桿菌肽對(duì)大腸桿菌 ATCC25922的MIC為300μg/mL,對(duì)大腸桿菌AZ1、大腸桿菌W1和W2的MIC均為200μg/mL,對(duì)沙門氏菌SK226和沙門氏菌1791的MIC均為100μg /mL[9-11]。而且腸桿菌肽對(duì)大腸桿菌和沙門氏菌野毒株也具有明顯的殺滅作用,隨著腸桿菌肽濃度的變大,其抑菌圈直徑不斷變大。Yu等[12-13]研究發(fā)現(xiàn)腸桿菌肽不僅對(duì)大腸桿菌和沙門氏菌具有顯著的抑殺效果,而且適量的腸桿菌肽還可以增加乳酸桿菌和雙歧桿菌等有益數(shù)量,并且還對(duì)腸桿菌肽對(duì)大腸桿菌和沙門氏菌的最小抑菌濃度做了詳細(xì)的比較,如表1、表2。 表1 腸桿菌肽對(duì)標(biāo)準(zhǔn)致病菌的最小抑菌濃度
注:aLKFZ菌株由北京生物飼料添加劑重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供。臨床來(lái)源菌株SWI、BRO和CATT由中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)獸醫(yī)學(xué)院獸藥檢測(cè)中心提供。SWI、BRO和CATT臨床來(lái)源的菌株是耐抗生素(林可霉素和替米考星)的沙門氏菌和大腸桿菌。b所有MIC和MBC值代表3個(gè)獨(dú)立的試驗(yàn)均值。
腸桿菌肽除了抗菌消炎的作用,還具有提高采食量、降低料肉比、提高生產(chǎn)性能和調(diào)節(jié)免疫的功能。有研究發(fā)現(xiàn),在飼料中添加500g/t 腸桿菌肽可以提高斷奶仔豬的日采食量、日增重、降低料肉比、降低腹瀉率、使仔豬毛色變優(yōu)[17-19]。孫何軍等[20]研究報(bào)道,在基礎(chǔ)飼糧中添加100 g/t的腸桿菌肽可以使蛋雞產(chǎn)蛋率提高3.88%、臟蛋率降低12.68%、料蛋比下降0.07、死淘率降低40%、破蛋率降低14.63%,添加腸桿菌肽能顯著提高蛋雞的產(chǎn)蛋性能。關(guān)靜姝等[21]研究發(fā)現(xiàn),在肉雞基礎(chǔ)日糧中添加300g/t 腸桿菌肽增加了肉雞的出欄體重和平均日增重,降低了料重比,提高了飼料的轉(zhuǎn)化率。卜艷玲等[22]通過在仔豬飼喂的基礎(chǔ)飼糧中分別添加30 g/t硫酸黏菌素、300 g/t天蠶素抗菌肽以及300、400和500 g/t腸桿菌肽對(duì)比發(fā)現(xiàn),添加500 g/t 腸桿菌肽對(duì)提高斷奶仔豬生產(chǎn)性能、免疫性能和抗氧化能力均有顯著效果,且優(yōu)于硫酸黏菌素。程振峰[23]研究發(fā)現(xiàn)腸桿菌肽(500g/t)、微生態(tài)制劑(500g/t)+腸桿菌肽(500g/t)組合對(duì)提高生長(zhǎng)育肥豬平均日增重、降低料重比、提高仔豬血液中白細(xì)胞總數(shù)和淋巴細(xì)胞比率方面也具有顯著效果。
腸桿菌肽的穩(wěn)定性與安全性
腸桿菌肽是利用蛋白工程技術(shù)在植物乳桿菌中高效生產(chǎn)的一種抗菌肽,腸桿菌肽的結(jié)構(gòu)包含一個(gè)由Gly1的ɑ氨基和Glu8的γ羧基之間形成的內(nèi)酰胺鍵連接的8個(gè)氨基酸殘基組成的(Gly1-Glu8)套索結(jié)構(gòu)環(huán),該多肽的尾部(Tyr9-Gly21)從這個(gè)套索環(huán)中穿過,且Ple19和Tyr20分別卡于環(huán)的兩側(cè),在空間上通過非共價(jià)作用將這個(gè)尾部固定在環(huán)內(nèi),這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其性質(zhì)非常穩(wěn)定。劉揚(yáng)科等[24]通過體外進(jìn)行的腸桿菌肽對(duì)大腸桿菌和沙門氏菌的抑菌效果研究發(fā)現(xiàn),在人工胃液、腸液和熱處理的環(huán)境下,0.3%腸桿菌肽對(duì)腸桿菌和沙門氏菌的MIC為128 μg/mL,表明腸桿菌肽具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。卜艷玲[22]也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果。表明腸桿菌肽對(duì)高溫、酸堿、蛋白酶等具有很好的耐受性。 目前,還未見有使用腸桿菌肽后出現(xiàn)不良反應(yīng)的報(bào)道。Lopez等[9]研究報(bào)道,腸桿菌肽體外經(jīng)過24 h在全血、血漿以及血清中仍保持完全活性,且不會(huì)出現(xiàn)溶血現(xiàn)象,能顯著抑制全血、同源的血漿和血清中沙門氏菌的數(shù)量。腸桿菌肽與傳統(tǒng)的抗生素抗菌作用機(jī)理具有很大的不同點(diǎn),不易產(chǎn)生耐藥性,作為新藥開發(fā)來(lái)對(duì)抗細(xì)菌感染的潛力巨大[25,26]。
腸桿菌肽應(yīng)用研究前景分析
目前,腸桿菌肽的研發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)日趨成熟,一些抗菌肽產(chǎn)品已經(jīng)規(guī)?;a(chǎn)并投入到了生產(chǎn)一線,且得到了較好的反饋效果。除了腸桿菌肽原有的一些生物功能以外,通過生物工程等先進(jìn)技術(shù),對(duì)腸桿菌肽進(jìn)行改造,發(fā)揮腸桿菌肽更優(yōu)質(zhì)的療效和特異性功能以后可能會(huì)成為一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。提高腸桿菌肽的特異性可以通過減少或改變胃腸道細(xì)菌群落中的微生物群的組成,有效的預(yù)防原發(fā)性和機(jī)會(huì)性感染[27]。腸桿菌肽未來(lái)在畜牧業(yè)、化妝品和食品防腐等領(lǐng)域的應(yīng)用前景將會(huì)更加的廣泛。
[1] Martens E, Demain AL. 2017 The antibiotic resistance crisis, with a focus on the United States[J]. Antibiot,70:520-526. [2] Bayro, Marvin J, Mukhopadhyay J, Swapana G V, et al. Structure of antibacterial peptide microcin J25: A 21-Residue lariat protoknot[J]. J Am Chem Soc, 2003, 125(41): 12382-12383. [3] Maria R R, Beatriz F A, Raúl A S, et al. The antibacterial action of microcin J25: evidence for disruption of cytoplasmic membrane energization in Salmonella newport[J]. FEMS Microbiol Lett, 2001, 204(2): 265-270. [4] Rosengren K J, Clark R J, Daly N L, Go ansson U, Jones A, Craik DJ Microcin J25 has a threaded sidchain-no-backbone ring srcture and not a ha-o-tail cyclized backbon[J]. Jourmal oftheAmerican Chemical Society, 2003, 125(41):12464-12474. [5] Destoumieux-Garzon D, Duquesne S, Peduzzi J, Goulard C, Desmadril M, Letellier L,Rebufat S, Boulanger P. The iron-siderophore transporter FhuA is the receptor for the antimicrobialpeptide microcin J25: Role of the microcin Valn-Pro16 B-hairpin region in the recognition mechanism[J].The Biochemical Journal, 2005, 389(3):869-876. [6] Salomon R A, Farias R N. The pepide antibiotic microcin J25 is imported through the TonBpathway and the SbmA protein[J]. Jourmal of Bacteriology, 1995, 7711.3323-3325. [7] Yuzenkova J, Delgado M, Nechaev S, et al. Mutations of bacterial RNA polymerase leading to resistance to microcin j25[J]. J Biol Chem, 2002, 277(52): 50867-50875. [8] Mukhopadhyay J, Sineva E, Knight J , et al. Antibacterial peptide microcin J25 inhibits transcription by binding within and obstructing the RNA polymerase secondary channel[J]. Mol Cell, 2004, 14(6): 739-752. [9] Lopez F E, Vincent P A, Zenoff A M, et al. Efficacy of microcin J25 in biomatrices and in a mouse model of Salmonella infection[J]. J Antimicrob Chemother, 2007, 59(4): 676-680. [10]熊海濤,劉揚(yáng)科,張志華,等.無(wú)抗日糧中添加腸桿菌肽對(duì)仔豬生長(zhǎng)性能和糞便微生物的影響[J].中國(guó)畜牧雜志,2019,55(02):118-121. [11] Sable S, Pons A M, Gendron-Gaillard S, et al. Antibacterial activity evaluation of microcin J25 against diarrheagenic Escherichia coli[J]. Appl Environ Microbiol, 2000, 66(10): 4595-4597. [12]H.T. Yu, X. L. Ding, N. Li,et al.Dietary supplemented antimicrobial peptide microcin J25 improves the growth performance, apparent total tract digestibility, fecal microbiota, and intestinal barrier function of weaned pigs[J]. J. Anim. Sci. 2017.95:5064–5076. [13]于海濤. 抗菌肽MicrocinJ25抗腸毒素大腸桿菌感染的作用及其機(jī)制研究[D]. 北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué),2020. [14] Gang Wang, Qinglong Song, Shuo Huang, et al. Effect of Antimicrobial Peptide Microcin J25 on Growth Performance, Immune Regulation,and Intestinal Microbiota in Broiler Chickens Challenged with Escherichia coli and Salmonella[J].Animals,2020 Feb 21;10(2):345. [15] Zasloff M. Antimicrobial peptides of multicellular organisms[J]. Nature, 2013, 415(6870): 389-395. [16] V Portrait, S Gendron-Gaillard, G Cottenceau,et al.Inhibition of pathogenic Salmonella enteritidis growth mediated by Escherichia coli microcin J25 producing strains[J].Can J Microbiol. 1999 Dec;45(12):988-94. [17]趙青海, 胡毅. 腸桿菌肽替代土霉素鈣對(duì)斷奶仔豬生長(zhǎng)性能的影響[J]. 湖南飼料,2019,06:30-32. [18]關(guān)靜姝,李成功,等. 日糧中添加腸桿菌肽對(duì)斷奶仔豬生產(chǎn)性能的影響[J]. 廣東飼料,2016,25(5):21-23. [19]李希,何濤,等. 日糧中添加腸桿菌肽對(duì)保育豬生產(chǎn)性能的影響[J]. 飼料博覽, 2016(2):1-4. [20]孫何軍,劉成宏,關(guān)靜姝,等. 日糧中添加腸桿菌肽對(duì)蛋雞產(chǎn)蛋性能的影響[J]. 飼料工業(yè),2016,37(13):28-30. [21] 關(guān)靜姝,劉成宏,等. 日糧中添加腸桿菌肽對(duì)肉雞生長(zhǎng)性能的影響[J]. 飼料與畜牧,2015,(12):50-51. [22]卜艷玲,陳靜,李建濤,等.飼糧中添加腸桿菌肽對(duì)斷奶仔豬生產(chǎn)性能和血清生化指標(biāo)的影響[J].動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)報(bào),2018,30(2):696-706. [23]程振峰.不同抗生素替代物對(duì)生長(zhǎng)肥育豬生長(zhǎng)、腸道形態(tài)與發(fā)育影響的研究[D].山東泰安:山東農(nóng)業(yè)大學(xué),2018. [24]關(guān)靜姝,趙裕川,劉揚(yáng)科,等. 腸桿菌肽對(duì)大腸桿菌和沙門氏菌的體外抑菌效果研究[J]. 中國(guó)畜牧雜志,2018,54(5):122-125. [25] Rania S, Sahar A, Kamaljit K. NGR Peptide ligands for targeting CD13/APN identified through peptide array screening resemble fibronectin sequences[J]. ACS Comb Sci, 2012, 14(11): 590-599. [26] Mathavan I, Zirah S, Mehmood S, et al. Structural basis for hijacking siderophore receptors by antimicrobial lasso peptides[J]. Nat Chem Biol, 2014, 10(5): 340-342. [27] Guinane C M, Cotter P D. Role of the gut microbiota in health and chronic gastrointestinal disease: understanding a hidden metabolic organ[J]. Therap. Adv. Gastroenterol. 2013, 6:295–308. 撰稿人:宋志恒