CN116023461A - 一种高效安全的抗菌肽变体及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效安全的抗菌肽变体及其应用，以天然抗菌肽Uperin3.6序列(如序列SEQNO:1所示)为基础，通过用碱性氨基酸精氨酸替换其无序N端区段；重复两个淀粉样C端序列并在其两端各加上3个精氨酸；以及在重复的两个淀粉样C端序列之间插入四氨基酸序列DPDG(DPDG具有形成β‑turn结构的最大倾向性)并在其两端各加上3个精氨酸。本发明抗菌肽能够提升抗菌肽的活性和安全性，对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌均有较好的抗菌性能，本发明的抗菌肽作为新型抗菌剂具有广泛的应用前景。

Description

一种高效安全的抗菌肽变体及其应用

技术领域

本发明属于生物技术领域，具体涉及一种高效安全的抗菌肽变体及其应用。

背景技术

抗菌肽(Antimicrobial Peptides，AMPs)又称宿主防御肽，广泛地存在于生物界，是机体先天免疫系统的重要组成成分，构成宿主防御病原微生物入侵的第一道屏障。这类活性多肽多数具有强耐酸碱性、热稳定性以及广谱抗菌等特点。1980年，瑞典科学家G.Boman等人发现了世界上第一个抗菌肽，定名为Cecropins。自从抗生素被发现以来，其对人类及动物的健康起到了重要的作用，对动物的生产及生长起到了重要的促进作用，但是，由于其耐药性、残留等问题越来越突出，越来越多的国家和地区都逐步实现了在动物饲料中禁止添加抗生素，同时不断规范临床抗生素的使用。近些年来，新的医用药物以及动物饲料中替代抗生素物质的研究成为人们关注和研究的热点，抗菌肽在医药、动物生产中的应用研究也越来越多。

当今，抗菌肽已经可以由原核生物到人类的大部分有机生物体中成功分离和分类。抗菌肽通常作用于细菌，在真核生物的天然免疫方面发挥着重要作用，被认为是古代进化中哺乳动物体内有效保留的免疫分子。因此，抗菌肽作为广泛存在于自然界生物中的一类多肽物质，可作为生物机体的第一道防线，能够抵抗病原体的侵害。抗菌肽具有抗细菌、真菌、病毒，抑杀癌细胞等多种生物活性，且不易产生抗药性。

目前抗菌肽在医学上的应用取得了一些令人满意的成果，已经有许多新型药物逐步迈入医药市场。研究最充分的是短杆菌素、多粘菌素和乳酸素。短杆菌素被限制用于表面伤口和上呼吸道系统感染；相反，多粘菌素不仅可用于治疗眼部感染，还可用于耐药革兰氏阴性菌引起的胃肠道感染和全身感染。另一种有效的环AMP在治疗金黄色葡萄球菌感染引起的复杂皮肤和皮肤结构感染中起作用的是达托霉素，常用于联合治疗以提高治疗成功率。乳酸链球菌素用于牙科护理，胃溃疡治疗，结肠感染的治疗。两栖类抗菌肽magainin开发的抗菌肽药品MAI278已经接近完成Ⅲ期临床试验，对病毒和肿瘤细胞显示较好的杀伤作用。daptomycin是一种阴离子抗菌肽，由Cubit Pharmaceuticals公司研发，2003年9月由美国食品与药物管理局批准上市，其可用于金黄色葡萄球菌等革兰氏阳性菌引起的皮肤感染和脓毒症的治疗。除此之外，抗生素作为饲料添加剂应用于动物生产中，对畜牧业的发展起了重要作用，但其在动物体内和动物产品中的残留，以及病原菌产生的抗药性问题，对人类的健康和环境产生了负面的影响。可见，抗菌肽作为最有希望代替传统抗生素的物质，在医药行业和食品添加剂等领域有良好的应用前景。

发明内容

本发明主要目的在于提供一种高效安全的抗菌肽变体及其应用。研究表明来源于Toadlet Uperoleiamjobergii(澳大利亚蟾蜍)皮肤腺体分泌物的天然抗菌肽Uperin3.6对部分细菌具有良好的抗菌活性，但对大肠杆菌的抗菌效果不好(MIC值>100μg/mL)。因此，本发明以抗菌肽Uperin3.6基础，通过对其进行改造获得了比天然抗菌肽Uperin3.6抗菌性能更高的变体，以作为新一代抗菌药物的有力备选。

本发明高效安全的抗菌肽变体，以天然抗菌肽Uperin3.6(如序列SEQ NO:1所示)的淀粉样区段C端序列(Uperin3.6的第8个至第17个氨基酸)为基础，用碱性氨基酸精氨酸(相对其它氨基酸有更强的抑制聚集作用)替换Uperin3.6的原始无序N段(第1至第7个氨基酸)序列得到抗菌肽变体Uperin3.6-N_7R，其氨基酸序列如序列SEQ NO:2所示。

本发明高效安全的抗菌肽变体，重复Uperin3.6(如序列SEQ NO:1所示)的淀粉样C端序列(Uperin3.6的第8个至第17个氨基酸)并在其两端各加上3个精氨酸得到抗菌肽变体Uperin3.6C-C-6R，其氨基酸序列如序列SEQ NO:3所示。

本发明高效安全的抗菌肽变体，重复Uperin3.6(如序列SEQ NO:1所示)的淀粉样C端序列(Uperin3.6的第8个至第17个氨基酸)并在其两端各加上3个精氨酸，以及在重复的两个Uperin3.6淀粉样C端序列之间插入四氨基酸序列DPDG(具有形成β-turn的强烈倾向并抑制淀粉样聚集)得到抗菌肽变体Uperin3.6C-6R-DPDG，其氨基酸序列如序列SEQ NO:4所示。

进一步地，所述抗菌肽的C-端采用酰胺化修饰，N-端采用乙酰化修饰。

进一步地，所述改造体抗菌肽Uperin3.6-N_7R的分子量为2307.79Da；Uperin3.6C-C-6R的分子量为3307.04Da；Uperin3.6C-6R-DPDG的分子量为3691.38Da。

本发明提供的多肽序列编码也在本发明的保护范围。

本发明抗菌肽变体的应用，是以所述抗菌肽变体制备抗菌制剂及相关制剂如抗癌制剂。

所述抗菌制剂对革兰氏阴性菌和/或革兰氏阳性菌均具有抑制和杀灭效果。具体包括大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、藤黄微球菌、弗格森埃希菌、表皮葡萄球菌、铜绿假单胞菌、诺英式李斯特菌等。

对野生型和改造后的抗菌肽进行理化性能评估分析，所述理化性能评估分析包括最低抑菌浓度MIC值、聚集动力学、二级结构分析、与膜相互作用分析及溶血活性分析。所述MIC值是抑制革兰氏阳性菌枯草芽孢杆菌、藤黄微球菌、表皮葡萄球菌、诺英式李斯特菌以及革兰氏阴性菌大肠杆菌、弗格森埃希菌、铜绿假单胞菌的最低浓度值；聚集动力学是将抗菌肽与硫黄素T(ThT)孵育，抗菌肽聚集形成的β-折叠片能够特异性地与硫黄素T(ThT)结合，从而使荧光强度发生变化，通过硫黄素T结合荧光强度的变化来指示形成的聚集体数量变化；二级结构分析是检测抗菌肽在PBS缓冲液和模拟膜环境的2，2，2-三氟乙醇TFEA中的远紫外圆二色谱；与膜相互作用分析是通过扫描电镜检测抗菌肽与细菌孵育后细菌细胞膜的变化；溶血活性分析是通过抗菌肽破坏红细胞膜释放血红蛋白的活性来评价抗菌肽对正常哺乳动物细胞的杀伤作用。

相较于现有技术，本发明的有益效果体现在：

本发明以现有天然抗菌肽序列为基础，插入具特定结构和效应的序列(有强烈形成β-turn倾向性、抑制淀粉样聚集的DPDG)和在末端添加有特定效应的序列(可抑制淀粉样聚集的连续3个Arg)进行改造，通过人工合成获得短肽，测定所得系列短肽的抗菌活性等相关理化性质以评估其是否为AMP及活性强度；本发明基于现有AMP序列和抗菌活性信息，对其进行理性设计改造，并通过实验进行验证，能够高效快速地优筛抗菌肽，解决目前某些天然AMP活性低和改造成功率低等问题。

本发明提供的改造抗菌肽有如下优点：该系列抗细菌多肽对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌，具体包括大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、藤黄微球菌、弗格森埃希菌、表皮葡萄球菌、铜绿假单胞菌、诺英式李斯特菌，均具有抑制和杀灭效果，具有良好的应用前景。本发明的改造抗菌肽可以用做制备抗菌药物(抗细菌的抑制剂，例如抗革兰氏阴性菌的抑制剂或抗革兰氏阳性菌的抑制剂)。因细菌细胞与癌细胞有很多相似性，很多抗菌肽也表现出抗癌活性，故本发明的改造抗菌肽的抗癌应用也在保护范围。

附图说明

图1为天然抗菌肽Uperin3.6及其突变体的聚集动力学。

图2为天然抗菌肽Uperin3.6及其突变体的远紫外圆二色谱。

图3为天然抗菌肽Uperin3.6突变体与细菌作用的扫描电镜图。

图4为天然抗菌肽Uperin3.6及其突变体的溶血活性对比图。

图5为天然抗菌肽Uperin3.6及其突变体的溶血率。

具体实施方式

本发明不局限于下列具体实施方式，凡是采用本发明的设计结构和思路，做简单变化或更改的，都落入本发明的保护范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合具体实例对本发明做进一步详细的说明。

本发明所用实验药品均可通过商业渠道购买得到，下面对本发明所用部分实验仪器的型号及规格进行说明。

抗菌肽：本发明设计中用到的的抗菌肽由上海吉尔生化公司制备合成，采用Fmoc固相合成，纯度在98％以上。

所用菌种及来源型号：大肠杆菌(E.coli)、枯草芽胞杆菌(B.subtilis)，由实验室提供；藤黄微球菌(M.luteus)、表皮葡萄球菌(S.epidermidis)、铜绿假单胞菌(P.aeruginosa)、英诺克李斯特菌(L.innocua)、鼠伤寒沙门氏菌(S.typhimurium)、蜡样芽孢杆菌(B.cereus)，购于北京百欧博伟生物技术有限公司。

所用试剂：PBS缓冲液、纯水、DMSO、氨苄青霉素(100mg/mL)、硫黄素。

培养基：LB液体培养基(121℃、20min灭菌)。

实验仪器：SpectraMax M5全自动酶标仪(美谷分子仪器(上海)有限公司)、振荡培养箱(上海旻泉仪器有限公司)、圆二色谱仪。

其中Uperin3.6的原始氨基酸序列详见序列SEQ NO:1；抗菌肽变体Uperin3.6-N_7R的氨基酸序列详见序列SEQ NO:2；抗菌肽变体Uperin3.6C-C-6R的氨基酸序列详见序列SEQNO:3；抗菌肽变体Uperin3.6C-6R-DPDG的氨基酸序列详见序列SEQ NO:4。

实施例1：抗细菌多肽的设计

下表1为设计改造后抗菌肽的序列。

表1.基于天然抗菌肽Uperin3.6设计改造的多肽序列(正体为Uprin3.6的淀粉样C端序列，斜体为插入和添加序列)

名称	序列	C端修饰	N端修饰
				UP3.6	GVIDAAKKVVNVLKNLF	酰胺化	乙酰化
<![CDATA[UP3.6-N<sub>7R</sub>]]>	RRRRRRRKVVNVLKNLF	酰胺化	乙酰化
				UP3.6C-C-6R	RRRKVVNVLKNLFKVVNVLKNLFRRR	酰胺化	乙酰化
UP3.6C-6R-DPDG	RRRKVVNVLKNLFDPDGKVVNVLKNLFRRR	酰胺化	乙酰化

天然抗菌肽Uperin3.6及其变体在合成时，均对其C端进行酰胺化修饰，对其N端进行乙酰化修饰。N端乙酰化和C端酰胺化可以降低肽的总电荷，因此其总溶解度可能降低，且使其与母本蛋白更为接近，增强了其进入细胞的能力。且由于末端乙酰化和酰胺化生成了更接近天然蛋白质的模拟物，因此肽的稳定性也可以提高，从而可以提高其对蛋白酶、端解酶及合成酶等外肽酶的抵抗力。所以这些修饰可以提高肽的生物活性。

实施例2：抗细菌多肽最低抑菌浓度(MIC)的测定

最低抑菌浓度(MIC)的测定参照CLSI的标准方法进行。将菌株的单菌落用接种棒挑至LB液体培养基中，放置在37℃，220rpm的恒温振荡培养箱中过夜培养，然后将其制备104CFU/mL的菌液。在96孔板中加入100μL菌液，将抗菌肽通过2倍倍比稀释法对抗菌肽进行稀释，在每孔中加入100μL的抗菌肽，使其终浓度分别为100、50、25、12.5、6.25、3.125和1.5625μg/mL，阴性对照组将100μL的抗菌肽溶液替换成等量的PBS缓冲液，阳性对照组为将100μL的抗菌肽溶液替换成等量的氨苄青霉素。每个处理共三个平行样。将96孔板放置在37℃、220rpm的恒温振荡培养箱中培养24h，直到阴性对照孔中有肉眼可见的浑浊液出现。能够完全抑制细菌生长的抗菌肽浓度(孔为澄清)即为抗菌肽对该菌的MIC值。

表2为天然抗菌肽Uperin3.6及其突变体对各细菌的MIC值(μg/mL)。

表2.Uperin3.6及其设计改造突变体对各细菌的MIC值(μg/mL)

抗菌活性检测结果显示，相比于天然抗菌肽Uperin3.6，经我们设计改造后的抗菌肽突变体UP3.6-N_7R、Uperin3.6C-C-6R和Uperin3.6C-6R-DPDG的抗菌活性明显增强。

实施例3：抗菌肽的聚集动力学测定

蛋白或多肽形成的β-折叠片聚集体结构能够特异性地与硫黄素T(ThT)结合，从而使荧光强度发生变化，通过硫黄素T结合荧光强度的变化能够来指示形成的聚集体数量变化。检测Uperin3.6、Uperin3.6-C、Uperin3.6-N、Uperin3.6-N_7R、Uperin3.6C-6R-DPDG在不同浓度(20μM、50μM、100μM)下的聚集性，将ThT荧光动力学样品置于96孔黑色酶标板中，对于每个样品均设置三组平行实验和三组对照实验。在SpectraMax M5多检测读数器(Molecular Devices Limited)上于25℃下测量ThT荧光强度，激发波长为440nm，发射波长为480nm，狭缝波长为2nm，每次测量前，需要振动3秒钟混匀样品，每两分钟读取一次荧光。

图1为天然抗菌肽Uperin3.6及其突变体的聚集动力学监测结果。聚集动力学结果显示截断的天然抗菌肽Uperin3.6的C端肽段发生了聚集；无序N端肽段自身不聚集，但其抑制C端的聚集；而设计改造的抗菌肽突变体均没有发生聚集。

实施例4：抗菌肽的二级结构测定

远紫外圆二色谱记录肽分别在在PBS水溶液和10％三氟乙醇TFEA、20％三氟乙醇TFEA中的谱图，波长范围为200～250nm，步长1nm，光程为1cm。

图2为天然抗菌肽Uperin3.6及其突变体的远紫外圆二色谱图。结果显示天然抗菌肽Uperin3.6在模拟膜环境中形成了少量的螺旋结构，说明它可与膜相互作用，但强度不强；而设计改造的抗菌肽在模拟膜环境中则被诱导形成了更多的螺旋结构，说明它们与膜的相互作用更强。因此推断设计改造的抗菌肽可与细菌细胞膜发生更强的相互作用，折叠成更规则的二级结构插入细菌膜，从而导致了更严重的膜损伤和细胞死亡。

实施例5：抗菌肽与细菌细胞膜相互作用分析-SEM表征

将细菌在37℃的LB中培养至指数期，1000rpm离心10min，用10mM PBS洗涤两次，再悬浮至OD600为0.2。细胞悬液在37℃下与不同的多肽在1×MICs下孵育30min。对照组在没有肽的情况下运行。孵育后，在4℃、5000rpm的条件下离心5min收集细胞，然后用PBS洗涤3次。然后，细菌细胞用2.5％(v/v)的戊二醛在4℃下固定过夜，固定后的样品用PBS洗涤两次，然后在分级的乙醇溶液(50，70，90和100％)中脱水15min(100％浓度两次，其余浓度各一次)。然后将它们转移到无水乙醇和叔丁醇(1：1，v/v)的混合物中20min，然后再将其转移到纯叔丁醇30min。冻干、镀金后，用扫描电子显微镜观察。

图3为天然抗菌肽Uperin3.6突变体与细菌作用的扫描电镜图。SEM结果显示改造后的抗菌肽与细菌接触后，其细菌细胞膜均发生了破裂，内容物流出。进一步证明了本发明设计改造抗菌肽是通过与细菌细胞膜发生相互作用从而发挥抗菌作用，其机制可能是抗菌肽作用于细菌细菌膜，将疏水部分插入脂双层核心来显著破坏细菌的膜，导致膜损伤和细胞死亡。

实施例6：抗菌肽的溶血活性测定

抗菌剂对正常哺乳动物细胞的杀伤作用一般用对红细胞的溶血活性来评价。采集小鼠的新鲜血液中加入抗凝剂。将血液用生理盐水稀释，转移至离心管中，在4℃、3000rpm的条件下离心5min，弃去上层血清，留下红细胞沉淀。用等量的生理盐水对红细胞进行离心清洗三次，除去残留的血清。将离心清洗后的红细胞用生理盐水进行稀释至8％(v/v)。取300μL红细胞溶液至离心管中，再加入300μL一系列2倍稀释梯度的抗菌肽溶液。用100μL的生理盐水作为实验的阴性对照，用100μL 0.1％Triton X-100溶液作为实验的阳性对照。将离心管放置在37℃、220rpm的恒温摇床中进行孵育1h。在反应结束后，在4℃、3000rpm的条件下离心5min，使得红细胞沉淀。吸取离心管中上层清液至96孔板中，酶标仪检测540nm处的吸光度，溶血率按下列公式计算：

溶血率(％)＝(Abs肽-Abs阴)/(Abs阳-Abs阴)×100％。

图4为天然抗菌肽Uperin3.6及其突变体的溶血活性对比图。

图5为天然抗菌肽Uperin3.6及其突变体的溶血率。

结果如图4、图5所示，抗菌肽UP3.6C-C-6R在浓度为3.125μg/mL时溶血活性在5.54％(当溶血率大于5％时则视为溶血)；UP3.6C-C-6R在3.125μg/mL以上才能抑菌，在此浓度下已出现溶血现象，说明该抗菌肽不具有较好的安全性；而抗菌肽UP3.6-N_7R和UP3.6C-6R-DPDG在高浓度100μg/mL时溶血活性均在5％以下。这些结果说明设计改造后抗菌肽UP3.6-N_7R和UP3.6C-6R-DPDG在具有高抗菌活性的同时保证了较高的安全性，四氨基酸序列DPDG的插入可以明显降低UP3.6C-C-6R的溶血活性，提升抗菌肽的安全性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高效安全的抗菌肽变体，其特征在于：

所述抗菌肽变体以天然抗菌肽Uperin3.6的淀粉样区段C端序列为基础，用碱性氨基酸精氨酸替换Uperin3.6的无序N端区段的原始氨基酸序列，得到抗菌肽变体Uperin3.6-N_7R，其氨基酸序列如序列SEQNO:2所示。

2.根据权利要求1所述的抗菌肽变体，其特征在于：

所述抗菌肽的C-端采用酰胺化修饰，N-端采用乙酰化修饰。

3.一种权利要求1或2所述的抗菌肽变体的应用，其特征在于：

以所述抗菌肽变体制备抗菌制剂或抗癌制剂。

4.一种高效安全的抗菌肽变体，其特征在于：

所述抗菌肽变体以天然抗菌肽Uperin3.6的淀粉样区段C端序列为基础，在其串联重复序列两端各加上3个精氨酸得到抗菌肽变体Uperin3.6C-C-6R，其氨基酸序列如序列SEQNO:3所示。

5.根据权利要求4所述的抗菌肽变体，其特征在于：

所述抗菌肽的C-端采用酰胺化修饰，N-端采用乙酰化修饰。

6.一种权利要求4或5所述的抗菌肽变体的应用，其特征在于：

以所述抗菌肽变体制备抗菌制剂或抗癌制剂。

7.一种高效安全的抗菌肽变体，其特征在于：

所述抗菌肽变体以天然抗菌肽Uperin3.6的淀粉样区段C端序列为基础，在其串联重复序列两端各加上3个精氨酸，以及在重复的两个Uperin3.6淀粉样C端序列之间插入四氨基酸序列DPDG，得到抗菌肽变体Uperin3.6C-6R-DPDG，其氨基酸序列如序列SEQNO:4所示。

8.根据权利要求7所述的抗菌肽变体，其特征在于：

所述抗菌肽的C-端采用酰胺化修饰，N-端采用乙酰化修饰。

9.一种权利要求7或8所述的抗菌肽变体的应用，其特征在于：

以所述抗菌肽变体制备抗菌制剂或抗癌制剂。

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