技术领域
本发明涉及生物医学领域,尤其涉及一种小分子多肽及其应用。
背景技术
结核病被列为全世界重大传染病之一。结核杆菌是引起该病的病原菌,可感染全身器官,但以肺结核最为常见,是一种严重的呼吸道传染疾病。由于常规BCG疫苗对肺结核预防的无效性,结核耐药菌株的出现以及HIV感染导致的结核合并感染,肺结核的发病及死亡目前居高不下,形势十分严重。全球有1/3的人口感染结核杆菌,大约有10%感染者表现出临床症状。每年都会有900万新增结核杆菌感染病例,有200万人死于结核病。结核病仍然是当今威胁人类健康的一个主要的传染病杀手。
目前世界卫生组织提倡使用的一线抗结核药有异烟肼、利福平、吡嗪酰胺、链霉素、乙胺丁醇和氨硫脲等。这些药物虽然十分有效,但是由于近年抗结核药物的不规范使用导致耐药性结核菌株的变异和流行,出现了严重的结核杆菌耐药性问题。异烟肼主要通过抑制菌体细胞壁分枝菌酸的合成,致细胞壁缺损而死亡;利福平则与依赖DNA的RNA多聚酶的β亚单位牢固结合,防止该酶与DNA连接,抑制细菌RNA的合成,从而阻断RNA转录过程,致使DNA和蛋白的合成停止而死亡。两者的抗菌机理均抑制结核杆菌代谢过程中关键细胞结构组分的合成,这类抗菌机理极易诱发微生物的耐药性。在过去的几十年里,对付耐药性结核病的进展非常缓慢,全球范围内每五名耐药性患者中只有一人可以被准确诊断出来。耐药结核菌株的出现,使病程延长,死亡危险性上升,还可能会导致长期传染性,扩大耐药性传播的机会,增加治疗费用。随着耐药结核菌株的快速增长和缺乏有效的新的抗结核药,亟待研发具有独特杀菌机制的生物类抗结核药物。
抗菌肽的独特抗菌机理,使其成为当前世界上新型抗感染药物研发的热点。抗菌肽主要是通过其两亲性的螺旋结构和净正电荷相互作用直接结合在微生物细胞膜表面,改变微生物细胞膜的通透性,导致微生物细胞渗透压发生改变,形成穿孔而导致细胞质外流。该杀菌机理不同于传统抗生素通过抑制微生物代谢、蛋白质合成等方式,因此其杀菌速度快(目前已报道的抗菌肽中有的可以在不到一分钟内发挥杀菌效果,而作为阳性对照的抗生素需要至少3小时),较短的杀菌时间很难导致微生物耐药。抗生素诱发微生物释放内毒素从而导致脓毒症的产生,而抗菌肽不仅不诱发内毒素的释放,还可中和内毒素,不诱发脓毒症。因此,以抗菌肽抑制结核分枝杆菌具备杀菌直接、速度快、不易诱导耐药性的良好特性。
噬菌体(Bacteriophage)作为一种专性寄生于细菌的病毒,已经进化出一种可以与宿主细菌相互作用的独特机制,富含着丰富的生物活性物质,包括许多活性多肽和蛋白,是筛选抗结核杆菌多肽的良好资源库。目前已经有报道来源于噬菌体基因编码的多肽和蛋白,能够快速杀死细菌。还有一些噬菌体来源的多肽和蛋白能够靶向作用于细菌的代谢过程,抑制细菌生长的作用。我国研究人员对26种铜绿假单胞杆菌噬菌体的基因组进行测序,鉴定出了31个多肽,这些多肽可以靶向作用于DNA的复制与RNA的转录,从而抑制细菌的生长与增殖。目前需要寻找多种作用于结核杆菌的多肽与蛋白,特别是发现一些有效的小分子多肽,为研发新型生物类抗结核(辅助)药物提供优秀模板分子,同时降低多肽药物研发的成本。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明的目的是提供一种小分子多肽及其应用,该小分子多肽分子量小,合成成本低,抗结核杆菌效果明显,对其他细菌和真菌没有影响,在制备抗结核药物中具有较好的应用前景。
本发明的一种小分子多肽,其氨基酸序列如SEQ ID No.1所示。其分子量为1827.25Da,等电点为12.03。将其命名为AK15。
进一步地,序列中的氨基酸均为L-型。
进一步地,AK15小分子多肽来源于分枝杆菌噬菌体。
进一步地,分枝杆菌噬菌体为分枝杆菌噬菌体Che12或分枝杆菌噬菌体Adzzy。
进一步地,AK15小分子多肽由分枝杆菌噬菌体Che12基因组(NC_008203.1)中的gp65基因(GeneID:4156925)编码或分枝杆菌噬菌体Adzzy基因组(NC_022058.1)中的ADZZY_66基因(GeneID:16546204)编码。
进一步地,AK15小分子多肽的前体由47个氨基酸残基组成(YP_655644.1,YP_008409360.1)。
本发明还公开了上述AK15小分子多肽在制备抗结核杆菌药物中的应用。
进一步地,结核杆菌为结核杆菌H37Rv或H37Ra。AK15对结核杆菌有毒株、无毒株都表现出极强的抗菌活性。AK15对利福平耐受的结核杆菌H37Rv也具有抗菌活性。
进一步地,AK15对细菌和真菌没有影响。细菌为金黄色葡萄球菌ATCC 6538、金黄色葡萄球菌ATCC 25923、枯草芽孢杆菌ATCC 6633等革兰氏阳性菌以及大肠杆菌ATCC 25922、大肠杆菌ATCC 35218、铜绿假单胞菌ATCC 27853等革兰氏阴性菌。真菌为白色念珠菌ATCC 10231、白色念珠菌ATCC 2002等。
进一步地,AK15小分子多肽对结核杆菌的最小抑菌浓度为37.5μg/ml。AK15对利福平耐受的结核杆菌H37Rv的最小抑菌浓度也为37.5μg/ml。
进一步地,AK15小分子多肽在浓度为37.5-200μg/ml时发挥杀菌效果。
进一步地,杀菌时间为14天以下。
进一步地,小分子多肽在0-200μg/ml的浓度范围内,对红细胞没有溶血活性,对小鼠腹腔巨噬细胞、RAW264.7和HeLa细胞没有细胞毒性。
借由上述方案,本发明至少具有以下优点:
1、本发明中的AK15是基于分枝杆菌噬菌体侵染分枝杆菌策略的基础上鉴定到的小分子多肽,来源天然。
2、分枝杆菌噬菌体来源的抗结核杆菌小分子多肽AK15具有分子量小,合成成本低的优点。
3、本发明还公开了上述小分子多肽AK15在作为抗结核杆菌药物中的应用,其能够特异性杀灭结核杆菌,对耐药性结核杆菌同样有效,且对其他正常细菌和真菌没有影响,能够改变结核杆菌细胞膜的形态,使细胞膜的通透性发生改变,对哺乳细胞安全,在制备抗结核药物中具有较好的应用前景。
上述说明仅是本发明技术方案的概述,为了能够更清楚了解本发明的技术手段,并可依照说明书的内容予以实施,以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明小分子多肽AK15与结核杆菌细胞结合的测试结果;
图2是本发明小分子多肽AK15对结核杆菌细胞膜的形态影响结果;
图3是本发明小分子多肽AK15对结核杆菌细胞膜通透性影响的激光共聚焦测试结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
实施例1 AK15的制备
找到编码分枝杆菌噬菌体Che12(Mycobacterium phage Che12)基因组(NC_008203.1)中的gp65的基因(GeneID:4156925)或分枝杆菌噬菌体Adzzy(Mycobacterium phage Adzzy)基因组(NC_022058.1)中的ADZZY_66基因(GeneID:16546204)编码的一种未知功能的直链多肽,其前体由47个氨基酸残基组成(Mycobacterium phage Che12:YP_655644.1,Mycobacterium phage Adzzy:YP_008409360.1),进一步利用生物信息学方法对该多肽前体进行分析预测,用自动多肽合成仪(433A,Applied Biosystems)合成AK15的全序列,通过HPLC反相柱层析脱盐纯化。采用高效液相色谱HPLC方法鉴定AK15的纯度,采用基质辅助激光解析电离飞行时间质谱(MALDI-TOF)测定其分子量,用自动氨基酸测序仪测定其氨基酸序列。
AK15的序列由15个氨基酸组成,分子量为1827.25道尔顿,等电点为12.03,其全序列一级结构如SEQ ID No.1所示,其中所有氨基酸均为L-型。
实施例2 AK15对结核杆菌最小抑菌浓度(MIC)测定
将结核杆菌H37Rv(ATCC 27294)和H37Ra菌株在含有0.05%Tween 80与10%油酸、白蛋白、葡萄糖和过氧化氢酶(oleic acid,albumin,dextrose,and catalase,OADC)增菌液的Middlebrook 7H9肉汤培养基(购自青岛日水生物技术有限公司)中培养约4周,待结核杆菌密度生长达到马克法兰氏浊度标准McFarland No.1(大约3×107CFU/ml),菌液用含有0.05%Tween 80与10%OADC增菌液的Middlebrook 7H9肉汤培养基稀释到1×105CFU/ml。
在无菌96孔板各孔中预先加入100μl的7H9液体培养基,然后在第一孔中加入100μl用7H9液体培养基稀释到800μg/ml的AK15样品溶液,混匀后取100μl加入第2孔,依次倍比稀释(参见表1),自第9孔吸出100μl弃去,第10孔系对照管。
表1.稀释方法
AK15多肽样品二倍稀释好后,再加入100μl上述稀释好的结核杆菌菌液,将96孔板放置37℃下培养7天,肉眼观察或者于600nm波长处测定光吸收。最小抑菌浓度为看不见细菌生长的最低样品浓度。结果如表2所示。
表2.分枝杆菌噬菌体多肽AK15对结核杆菌的最小抑菌浓度
由表2可见,AK15对结核杆菌有毒株、无毒株都表现出极强的抗菌活性,对有毒株H37Rv的最小抑菌浓度为37.5μg/ml,对无毒株H37Ra的最小抑菌浓度为37.5μg/ml。
实施例3 AK15对结核杆菌的时间-杀菌效果、浓度-杀菌效果测定
将结核杆菌标准株H37Rv(ATCC27294)接种到含有0.05%Tween 80与10%OADC的Middlebrook 7H9的肉汤培养基中,在37℃的培养箱中培养约4周到对数生长期。用Middlebrook 7H9肉汤培养基将菌液稀释至1×106CFU/ml,将样品加入稀释好的菌液中,使其终浓度为0.5×、1×和2×MIC,阴性对照(Control)加入等体积的生理盐水。加入样品的菌液迅速放入37℃培养箱中培养,分别于0天、3天、7天和21天取10μl菌液用灭菌的生理盐水稀释1000倍,取50μl涂布Middlebrook 7H9琼脂培养基上,在37℃培养箱中倒置培养约4周至菌落长出,取出菌落计数。
根据文献,与接种时的菌落数(CFUs)相比,如果处理后CFUs减少量≥3×log10,定义为具有杀菌的效果。结果如表3所示,浓度为1×MIC和2×MIC的AK15分别在第14天和第7天对结核杆菌达到杀菌的效果。
表3.不同浓度的AK15与结核杆菌共孵育不同时间后的CFUs计数
实施例4 AK15与结核杆菌细胞结合能力的测定
用FITC标记的AK15(FITC-AK15,2μg/ml)或FITC标记的对照肽与H37Ra在37℃共孵育5分钟后,用生理盐水洗去游离的FITC-AK15或FITC-control peptide,然后用流式细胞仪(BD FACSCanto TM II,BD Biosciences)检测。
如图1所示,与PBS组相比,FITC-AK15共孵育的结核杆菌的荧光吸收峰发生右移,表明AK15可以与结核杆菌细胞结合,而FITC-control peptide处理组的荧光吸收峰未发生明显右移,表明对照肽不能结合到结核杆菌细胞上。
实施例5 AK15破坏了结核杆菌细胞的形态
将结核杆菌H37Rv转接到含有0.05%Tween 80与10%OADC的Middlebrook 7H9肉汤培养基中,在37℃培养箱中培养到对数生长期。1000g离心5分钟,用Middlebrook 7H9肉汤培养基洗涤两次并悬浮除去结核杆菌的次级代谢产物。向菌液中加入AK15使其终浓度为5×MIC,于37℃继续培养6小时。处理结束后1000g离心10分钟,弃掉上清,沉淀迅速加入2.5%戊二醛溶液,用移液器轻轻吹打,悬浮沉淀的菌体,4℃过夜固定。再用1%四氧化锇固定液4℃固定2小时,取一组菌体经乙醇梯度脱水后,置换于醋酸异戊酯,临界点干燥,真空喷金镀膜,用扫描电镜观察。
结果如图2所示,对照组Control(PBS处理组)结核杆菌细胞形态规则清晰,完整的细胞有规律地聚集在一起,而AK15处理结核杆菌H37Rv细胞后,结核杆菌细胞膜形态发生改变,大量结核杆菌细胞形态模糊、菌体干瘪、细胞结构塌陷、菌体无规律地聚集在一起。
实施例6 AK15对结核杆菌细胞膜通透性的改变
用FITC-葡聚糖(250μg/ml,150kDa)和AK15(10×MIC)与结核杆菌H37Ra共孵育,分别孵育30分钟和60分钟后,用生理盐水洗涤三次,去除游离的FITC-葡聚糖,然后用激光共聚焦(Nikon A1)观察FITC-葡聚糖是否进入细菌胞内。如果FITC-葡聚糖进入细菌细胞内,表明结核杆菌细胞膜的通透性发生改变,FITC的荧光强度间接反映了细胞膜通透性改变的严重程度。
结果如图3所示,可从图中看到FITC-葡聚糖发出的绿色荧光。与对照组Control(PBS处理)的结核杆菌H37Ra相比,AK15以时间依赖的方式促进了FITC-葡聚糖进入结核杆菌细胞内。结核杆菌H37Ra与AK15共孵育30分钟时即可观察到荧光信号,而在60分钟时观察到更强的荧光信号,说明有大量的FITC-葡聚糖进入结核杆菌细胞内,表明结核杆菌H37Ra的细胞膜的通透性被AK15改变。
实施例7结核杆菌H37Rv对利福平和AK15耐受性的比较
将结核杆菌H37Rv转接到含有0.05%Tween 80与10%OADC的Middlebrook 7H9肉汤培养基中,培养基中同时添加sub-MIC(1/8MIC)浓度的AK15或结核杆菌临床一线治疗药物利福平,37℃培养箱中培养,待结核杆菌培养到对数生长期时(约4周),再转接含有sub-MIC(1/8MIC)浓度的AK15或利福平的肉汤培养基中继续培养。在同样的条件下,经过16次转接,同时设置对照组,对照组加入等体积的溶解多肽PBS和溶解利福平的DMSO。
AK15对耐药性结核杆菌的作用结果如表4所示,经过16次转接,对照组PBS处理组和AK15处理组的H37Rv对AK15仍敏感,MIC未发生改变,仍为37.5μg/ml。对照组DMSO处理组的H37Rv对利福平仍敏感,MIC未发生改变。而利福平处理组的H37Rv的MIC从0.012μg/ml增加到1.5625μg/ml,MIC(16)/MIC(0)的比值为128,表明H37Rv经过利福平诱导后,利福平对H37Rv的最小抑菌浓度增加了128倍,结果表明利福平处理的结核杆菌对利福平产生了显著的耐药性,而AK15处理组的H37Rv对AK15未产生耐药性。
表4.AK15和利福平诱导的H37Rv的耐药性比较
aMIC(0)是指AK15和利福平对未处理的H37Rv的MIC,MIC(16)是指AK15和利福平对PBS、AK15、DMSO或利福平处理16次后的H37Rv的MIC。
实施例8 AK15对利福平诱导的耐药性结核杆菌H37Rv的抗菌活性测定
按照实施例2中的方法,利用最小抑菌浓度(MIC)法测定AK15对实施例7中所述条件下诱导的对利福平耐受结核杆菌H37Rv的抗菌功能。
实验结果如表5显示,AK15对利福平耐受的结核杆菌H37Rv的MIC值与利福平敏感的H37Rv相同,也为37.5μg/ml,该结果表明,利福平耐受的结核杆菌菌株和利福平未处理的结核菌株一样对AK15敏感。
表5.AK15对利福平耐药的结核杆菌H37Rv的最小抑菌浓度
实施例9 AK15抗结核杆菌特异性的测定
AK15来源于结核杆菌噬菌体,结核杆菌噬菌体是以结核杆菌为宿主的,为了明确结核杆菌噬菌体来源的多肽是否特异性作用于结核杆菌,检测AK15对如表6所示的革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌和真菌的抗菌活性。将试验菌株用Luria–Bertani液体培养基(青岛日水生物技术有限公司)在37℃过夜培养至对数期,然后用新鲜的Mueller-Hinton液体培养基稀释成1×105CFU/ml。
在无菌96孔板各孔中预先加入100μl的Mueller-Hinton液体培养基,然后在第一孔中加入100μl用Mueller-Hinton液体培养基稀释到800μg/ml的AK15样品溶液,混匀后取100μl加入第2孔,依次倍比稀释(参见表1),自第9孔吸出100μl弃去,第10孔系对照管。
AK15多肽样品二倍稀释好后,再加入100μl上述稀释好的结核杆菌菌液,将96孔板放置37℃培养18h,肉眼观察或者于600nm波长处测定光吸收。最小抑菌浓度为看不见细菌生长的最低样品浓度。
结果如表6所示,AK15的浓度在0-200μg/ml范围内,对表6中的革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌和真菌未检测出抗菌活性。以上结果表明分枝杆菌噬菌体来源的AK15多肽特异性的抗结核杆菌。
表6.分枝杆菌噬菌体多肽AK15对其它菌株的抗菌功能
实施例10 AK15对哺乳动物细胞安全性的测定
1、溶血活性测定
新鲜采集的人、兔和小鼠血用生理盐水洗涤两次并稀释,将生理盐水(空白对照)、曲拉通(Triton X-100,阳性对照)和一系列二倍稀释的AK15多肽分别加入到稀释好的红细胞悬液中,37℃培养箱中孵育30min,1000rpm离心5min,上清液于540nm检测光吸收值,按照如下公式计算AK15的溶血率:H%=(A样品-A空白对照)*100%/A阳性对照。
结果表明,在0-200μg/ml的浓度范围内,AK15对人、兔和小鼠的红细胞未检测出溶血活性。
2、细胞毒性测定
分别将C57BL/6小鼠腹腔巨噬细胞、RAW264.7和HeLa细胞铺于96孔培养板中(2×104细胞/孔),用加有2%胎牛血清、100U/ml氨苄青霉素和100μg/ml硫酸链霉素的细胞培养基(100μl/孔,购买自美国Gbico公司)培养,其中腹腔巨噬细胞和RAW264.7细胞用RMPI-1640,HeLa细胞用DMEM培养,待细胞贴壁后,分别加入一系列二倍稀释的AK15多肽,共培养24小时后,每孔加入细胞增殖与毒性检测试剂CCK-8(10μl/孔,购买自北京沃比森科技有限公司),孵育4小时后,检测450nm处光吸收,将溶解多肽用的溶剂(PBS)处理的细胞活力定义为100%,并计算不同浓度AK15处理后的细胞活力。
结果表明,AK15的浓度在0-200μg/ml时,对小鼠腹腔巨噬细胞、RAW264.7和HeLa细胞的细胞未检测到细胞毒性。
以上AK15的溶血活性和细胞毒性的测定结果表明,在浓度为0-200μg/ml的范围内,AK15对哺乳动物细胞是安全的。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,并不用于限制本发明,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变型,这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
序列表
<110> 苏州大学
<120> 小分子多肽及其应用
<160> 1
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 1
<211> 15
<212> PRT
<213> (人工序列)
<400> 1
Ala Lys Lys Lys Leu Ser Arg Trp Trp Leu Arg Gly Ala Val Lys
1 5 10 15