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近年来,细菌及肿瘤细胞对传统药物的抗性问题越来越严重,人们亟待寻找一些作用机制不同而且高效低毒的新型药物。抗菌肽是一类存在于几乎所有生物体内的先天免疫效应分子,呈现广谱的抗菌抗肿瘤活性,具有很好的药物开发潜能。其中具有两亲α-螺旋结构的抗菌肽分子,在自然界中分布尤为广泛,由于这类抗菌肽分子长度较短,易于人工合成,所以常被作为多肽结构与活性关系研究的模式分子。
本研究依据天然抗菌肽序列特征以及α-螺旋折叠理论,人工设计了一系列具有不同抗菌抗肿瘤活性的两亲螺旋短肽分子(长度≤18AA)。这些多肽中除G(IIKK)I-NH2和G(VVKK)3V-NH2外,其它多肽与天然螺旋抗菌肽类似,在进入疏水环境或接触负电性磷脂囊泡后,均可以发生二级结构的转变形成两亲α-螺旋结构。我们还通过修改氨基酸序列考察了不同结构因素对螺旋多肽生物活性的影响。通过活性检测选取选择性最好的肽序列G(IIKK)3I-NH2来进一步研究它的抗菌抗肿瘤机制。论文还利用共培养体系证实了该多肽对细菌和肿瘤细胞的选择性。以上这些研究可以为今后更好的人工设计活性螺旋短肽分子提供实验基础和理论参考。逐渐增加G(IIKK)nI-NH2分子中序列单元的重复次数n(1-4),多肽抗菌抗肿瘤活性以及对正常细胞的毒性都会随之增强。其中只有G(IIKK)31-NH2具有高效低毒的特点。通过分析得出n≤3时,增加多肽重复单元的数目,可以保证多肽对正常细胞低毒的同时明显提高多肽的抗菌抗肿瘤活性,当n>3后,对多肽抗菌抗肿瘤活性的影响变小,但对正常细胞的毒性会随n的增加显著的增强。
本文通过研究多肽两亲螺旋结构中亲/疏水面分离程度以及亲/疏水面交叉位置不同对多肽活性的影响发现,亲/疏水面完全分离的多肽分子对正常细胞的毒性明显增大,在疏水面插入一个Lys分子后可明显降低多肽对正常细胞的毒性而不影响多肽分子的抗菌抗肿瘤活性。我们还发现亲水氨基酸在疏水面的插入位置不同对多肽的活性影响并不明显。除此实验结果还证实当疏水面具有连续4个疏水氨基酸时,就可以满足螺旋多肽与磷脂膜疏水核心之间所需的疏水作用力。改变疏水氨基酸侧链构型后,抗菌肽对正常细胞的毒性明显改变。Leu、Nle与Ile相比,前两种氨基酸的疏水性以及形成螺旋的能力都有所增强。保持多肽长度以及阳离子性不变时,多肽疏水性的增加对多肽与中性磷脂膜作用的影响要大于对多肽与负电磷脂膜作用的影响。缩短疏水氨基酸侧链长度后,分子疏水性明显降低,多肽的各项生物活性都明显降低,这也说明多肽疏水面保证一定的疏水性对多肽的活性也是必须的。通过考察亲水面氨基酸侧链长度对多肽活性的影响发现,在一定范围内缩短亲水氨基酸的侧链长度,可以明显提高多肽抗菌抗肿瘤活性以及对正常细胞的毒性,当缩短到一定程度后(一个-CH2-),多肽在低浓度时的活性降低,高浓度时活性增加,这可能是亲水氨基酸侧链太短时,会对疏水面与磷脂膜疏水核心的相互作用产生影响。研究中我们还发现,多肽分子的溶血活性与多肽分子的表面活性存在明显的正相关特性。这可能是由于螺旋多肽向红细胞膜表面吸附时,不存在足够的静电作用,所以表面活性强的螺旋多肽向中性磷脂膜表面吸附的能力越强,导致溶血毒性增强。比较所有的多肽分子,只有G(IIKK)3I-NH2分子具有高效抗菌抗肿瘤活性时对正常细胞的毒性较低,即该多肽具有很高的选择性。我们利用体外共培养体系也证实了这种选择性的存在。同时我们在实验中也发现所有多肽分子对革兰氏阳性菌的作用要强于革兰氏阴性菌,这种对细菌种类的选择性与不同细菌在细胞膜组成的差异有关。通过对多肽G(IIKK)3I-NH2的抗菌抗肿瘤机制研究发现,该多肽也可以像多数天然抗菌肽一样破坏细菌和肿瘤细胞的膜结构,但是该多肽分子还可以通过破损的细胞膜快速转移到细胞内部,从而具有与细胞内重要的负电生物大分子发生作用的可能,所以该多肽的抗菌机制可能同时包括了破膜与细胞内作用。由于哺乳动物细胞的复杂性,抗肿瘤机制相比抗菌机制更为复杂,通过研究发现,除了破膜作用外,该多肽还可以通过激活死亡受体以及线粒体通路诱导肿瘤细胞发生凋亡。