TS. NguyÔn Lai Thµnh



tải về 329.51 Kb.
trang3/9
Chuyển đổi dữ liệu07.07.2016
Kích329.51 Kb.
1   2   3   4   5   6   7   8   9

1.2. PEPTIDE KHÁNG KHUẨN CECROPIN

1.2.1. Nguồn gốc của peptide kháng khuẩn


Peptide kháng khuẩn (antimicrobial peptide – AMP) còn được gọi là peptide bảo vệ vật chủ, là một họ các protein có trọng lượng phân tử nhỏ, hoạt tính kháng khuẩn phổ rộng [25]. Peptide kháng khuẩn là một thành phần bảo tồn tiến hóa của các phản ứng miễn dịch bẩm sinh và được tìm thấy trong tất cả các dạng sống, từ vi khuẩn tới thực vật, từ động vật không xương sống đến động vật có xương sống, kể cả động vật có vú. Các Peptide kháng khuẩn có thể tiêu diệt vi khuẩn G(+) và G(-) (bao gồm cả các chủng kháng được thuốc kháng sinh thông thường), mycobacteria (cả Mycobacterium gây bệnh lao), virus, nấm và thậm chí đôi khi cả các tế bào ung thư [58].

Hầu hết các cơ quan trong cơ thể đều sản xuất ra peptide kháng khuẩn. Loại peptide này là hàng rào phòng vệ đầu tiên chống lại sự nhiễm khuẩn, hình thành nên một phần của hệ thống miễn dịch tự nhiên cho hầu hết mọi cơ thể sống [14].

Các peptide kháng khuẩn có thể được kích thích sinh ra trong trường hợp phản ứng lại với các nguy cơ gây bệnh. Tầm quan trọng của những hoạt động này trong hệ thống phòng vệ có thể thay đổi với các vùng khác nhau của cùng một cơ quan cụ thể, cũng như đối với các cơ quan khác nhau. Cho tới hiện tại, hàng trăm loại peptide kháng khuẩn đã được phát hiện, và chứng minh tầm quan trọng của chúng trong hệ thống miễn dịch tự nhiên [25].

1.2.2. Phân bố tự nhiên của peptide kháng khuẩn


Peptide kháng khuẩn lần đầu tiên được phân lập từ vi khuẩn, chúng giết chết các vi khuẩn khác có thể cạnh tranh chất dinh dưỡng [37]. Peptide kháng khuẩn vi khuẩn được gọi là bacteriocins, có hoạt tính rất mạnh so với peptide kháng khuẩn của nhân thực. Hoạt tính của chúng có thể có phổ hẹp hoặc rộng, có thể giết chết vi khuẩn cùng loài hoặc khác loài [26].

Ở thực vật, peptide kháng khuẩn đóng vai trò quan trọng trong chống nhiễm trùng do vi khuẩn và nấm gây nên. Cho đến nay, chỉ có peptide có cấu trúc gấp nếp  được xác định trong thực vật, với hai nhóm được nghiên cứu nhiều nhất là thionins và defensins. Nghiên cứu thực vật chuyển gen cho thấy tác động của thionins trong việc chống lại vi khuẩn gây bệnh. Chúng có mặt ở lá, hoa, hạt, củ [26].

Nhiều peptide kháng khuẩn được xác định ở động vật không xương sống và nó đóng vai trò quan trọng bảo vệ cơ thể khỏi sinh vật gây bệnh. Thật vậy, vai trò của peptide kháng khuẩn và điều chỉnh sự biểu hiện của chúng, bao gồm các tín hiệu có liên quan, được hiểu rõ nhất ở Drosophila [24]. Peptide kháng khuẩn được tìm thấy ở các tế bào máu dòng lympho, trong tế bào thực bào, và trong một số tế bào biểu mô động vật. Một số peptide kháng khuẩn ở động vật không xương sống: cecropin và melittin có cấu trúc xoắn các peptide dạng kẹp tóc  như tachyplesin và polyphemusin [36]. Nhóm peptide phổ biến nhất ở động vật không xương sống là các defesins, có cấu trúc vòng mở rộng với ba hoặc bốn cầu disulfide, defesins chủ yếu kháng lại vi khuẩn và nấm [26].

Peptide kháng khuẩn được phân lập từ nhiều loài động vật có xương sống, bao gồm cá, lưỡng cư, động vật có vú và nó có vai trò quan trọng trong việc bảo vệ cơ thể. Hoạt động kháng khuẩn trực tiếp liên quan đến peptide kháng khuẩn ở động vật có xương sống có nhiều mức độ khác nhau phụ thuộc vào điều kiện sinh lý. Ngoài ra các peptide kháng khuẩn còn tham gia điều hòa miễn dịch và kiểm soát viêm nhiễm. Chúng được tìm thấy ở những vị trí thường xuyên gặp tác nhân gây bệnh như niêm mạc, da và các tế bào miễn dịch. Cathelicidins là một nhóm lớn và đa dạng trong các peptide kháng khuẩn ở động vật có xương sống. Chúng đặc trưng bởi đầu tận cùng NH2 bảo thủ và bị cắt trong quá trình hoàn thiện, hoạt động của chúng chủ yếu phụ thuộc vào đầu COOH. Do đó, hầu hết cathelicidins được dự trữ ở trạng thái không hoạt động trong các tế bào miễn dịch, chủ yếu là trong bạch cầu trung tính. Cấu trúc của cathelicidins trưởng thành rất đa dạng: xoắn gấp nếp giàu proline/arginine. Cathelicidins được phân lập từ nhiều loài động vật có vú như chuột, thỏ, cừu, ngựa, và con người [26].


1.2.3. Cấu tạo của peptide kháng khuẩn


Peptide kháng khuẩn là một nhóm các phân tử đa dạng và độc đáo, thường có khoảng 12-50 axit amin, tích điện dương, là phân tử lưỡng tính (có cả tính ưa nước và kị nước). Chúng được chia thành các phân nhóm dựa trên cơ sở thành phần và cấu trúc các axit amin. Những peptide này bao gồm hai hoặc nhiều chuỗi giàu arginine, lysine (trong môi trường axit có histidine) và một tỷ lệ lớn (thường trên 50%) các phần kỵ nước [38], [58].

Peptide kháng khuẩn có 4 dạng cấu trúc chính: peptide lưỡng tính (có đầu ưa nước và đầu kỵ nước) – đây là cấu trúc đáng chú ý nhất với 2-4 nếp gấp beta (Hình 1C); peptide lưỡng cực (phân cực và không phân cực) có cấu trúc xoắn alpha (Hình 1E); cấu trúc hỗn hợp và cấu trúc mở rộng (Hình 1A, F) [26].



Hình 1. Cấu trúc peptide kháng khuẩn



(A) Cấu trúc hỗn hợp của β-defesin-2 ở người, (B) Vòng β của thanatin,

(C) Nếp gấp β của polyphemusin, (D) Tấm beta của defesin-1 ở thận thỏ,

(E) Xoắn α-helic của magarin-2, (F) Cấu trúc mở rộng của indolicidin [26].

Ngoài ra, một số dạng peptide kháng khuẩn không tạo cấu trúc rõ ràng mà chỉ hình thành cấu trúc ổn định khi phân bố trên màng sinh chất, trong đó các chuỗi axit amin ưa nước và các chuỗi axit amin kỵ nước nằm đối nhau trong một phân tử xoắn, tạo điều kiện cho việc xen vào lớp lipit kép [58].


1.2.4. Tác động của peptide kháng khuẩn

1.2.4.1. Cơ chế tác động


Các phương thức hoạt động kháng khuẩn của peptide kháng khuẩn khá đa dạng, bao gồm phá vỡ màng, cản trở sự trao đổi chất và nhằm vào các thành phần trong tế bào chất (Hình 2) [58].

Đích tác động đầu tiên của peptide kháng khuẩn là cấu trúc thành và màng tế bào vi khuẩn. Thông thường, các peptide kháng khuẩn tích điện dương có ái lực cao với các thành phần tích điện âm trên màng tế bào vi khuẩn, các lypopolysaccaride ở vi khuẩn G(-) và các axit teichoic, axit lipoteichoic, lysylphosphatidylglycerol ở vi khuẩn G(+). Nhờ điện tích và kích thước phù hợp, Peptide kháng khuẩn chèn vào lớp màng lipid kép, hình thành các kênh vận chuyển tự do dẫn đến làm dung giải màng tế bào vi khuẩn [58].



Hình 2. Mô hình hoạt động kháng khuẩn của các peptide kháng khuẩn



(Theo mô hình hoạt động của các peptide kháng khuẩn xoắn anpha, được đề xuất bởi Phòng thí nghiệm Các peptide kháng khuẩn, khoa Hóa sinh học – Lý sinh học và các Cao phân tử hóa học, trường Đại học Trieste, Italy)[58].

Một số mô hình khác nhau đã được đề xuất để giải thích làm thế nào sau khi tiếp xúc, các peptide kháng khuẩn có thể chèn vào màng tế bào vi khuẩn và tạo thành những lỗ trên màng, làm thay đổi tính thấm của màng. Tính lưỡng tính của peptide kháng khuẩn là chìa khóa quan trọng cho quá trình này, các khu vực kị nước tương tác trực tiếp với các thành phần lipid của màng tế bào, trong khi vùng ưa nước tương tác với các nhóm đầu photpholipid hoặc với các lỗ màng [26].

Khi xâm nhập vào tế bào, peptide kháng khuẩn liên kết với các thành phần quan trọng trong tế bào, kích hoạt giải phóng enzyme tự phân giải, ức chế tổng hợp DNA, RNA cũng như protein và ức chế hoạt động của một số enzyme nhất định. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, cơ chế chính xác còn chưa biết đến [18].

Mô hình “tập h­ợp” (Hình 3A), peptide kháng khuẩn di chuyển qua màng khi tập hợp với các mixen (vi hạt) – giống như phức hợp của peptide và lipid. Mô hình “lỗ hình xuyến” (Hình 3B) đề xuất rằng peptide kháng khuẩn chèn vuông góc với bề mặt màng với vùng ưa nước liên kết với đầu photpholipid trong khi vùng kị nước liên kết với lõi lipid. Trong quá trình này, màng uốn cong vào trong để tạo thành lỗ với đầu ưa nước đối mặt với trung tâm của lỗ. Mô hình “thùng-ván thùng” (Hình 3C), Peptide kháng khuẩn chèn vuông góc với bề mặt màng hình thành “ván thùng” trong “thùng” – có hình bó, với vùng ưa nước của Peptide kháng khuẩn lót bên trong thành lỗ và vùng kị nước tương tác với lớp kép lipid. Trái ngược với cơ chế “thùng-ván thùng” và cơ chế lỗ hình xuyến, mô hình thảm đề xuất rằng tập hợp các peptide kháng khuẩn gắn song song với lớp kép lipit, phủ ngoài giống như tấm thảm [43]. (Hình 3D). Ở nồng độ đủ cao, nó hoạt động như chất tẩy rửa, gây ra những bất ổn trên màng dẫn đến hình thành các lỗ trên màng.

Tất cả các peptide kháng khuẩn đều phải tương tác với màng tế bào, một số peptide không gây tổn thương màng tế bào nhưng vẫn giết chết vi khuẩn thông qua ức chế quá trình tổng hợp axit nucleic, tổng hợp protein, thành tế bào và hoạt động enzyme (Hình 3) [26].

Hình 3. Cơ chế hoạt động của peptide kháng khuẩn



Màng vi khuẩn là lớp kép lipid vàng với peptide là các hình trụ, vùng ưa nước màu đỏ và vùng kị nước màu xanh. Cơ chế giải thích quá trình tương tác của peptide kháng khuẩn với màng tế bào vi khuẩn: (A) mô hình “tập h­ợp”; (B) mô hình “lỗ hình xuyến”; (C) mô hình “thùng-ván thùng” và (D) mô hình “thảm”. Cơ chế hoạt động của peptide không phá hủy màng: (E) ngăn cản quá trình tổng hợp mRNA; (F) ngăn cản quá trình tổng hợp protein; (G), (H): tác động vào hoạt động của enzyme; (I): ngăn cản quá trình hình thành các thành phần cấu trúc tế bào ví dụ như thành tế bào.

Peptide kháng khuẩn buforin II ở ếch di chuyển qua màng vi khuẩn và gắn vào cả DNA và RNA trong tế bào chất vi khuẩn E.coli [26]. Tương tự peptide xoắn  như pleurocidin – một peptide kháng khuẩn có nguồn gốc từ cá, và dermaseptin từ da ếch gây ức chế tổng hợp DNA và RNA mà không gây mất ổn định màng tế bào E.coli (Hình 3E). Ức chế tổng hợp axit nucleic cũng được chứng minh ở các nhóm Peptide kháng khuẩn khác như defesin (cấu trúc gấp ) ở người, và indolicidin (cấu trúc mở rộng) ở bò [52].

Hơn nữa, một số eptide kháng khuẩn can thiệp vào quá trình tổng hợp protein (Hình 3F). Hoạt tính ức chế hoạt động của enzyme: pyrhocidin đi vào tế bào đích, liên kết với DNAK – một protein liên quan đến quá trình gấp protein. Cụ thể, peptide ức chế hoạt động ATPase của DNAK, ngăn chặn cuộn gấp protein dẫn đến tích tụ protein không biến đổi và tế bào chết (Hình 3G) [29], [42].

Peptide kháng khuẩn cũng ngăn cản quá trình hình thành các thành phần của tế bào như thành peptidoglycan (Hình 3I). Vi khuẩn tổng hợp nên các lantibiotic mersacidin ngăn cản quá trình chuyển glycoside của lipid II, bước cần thiết trong tổng hợp peptidoglycan [26]. Nisin, một lantibiotic khác, cũng liên kết với lipid II do đó ức chế tổng hợp thành tế bào. Ngăn cản tổng hợp peptidoglican cũng là đích tác động của vancomycin, nhưng nisin tương tác với các phân tử riêng biệt trong lipid II do đó chúng vẫn hoạt động chống lại vi khuẩn kháng vancomycin [15], [31].

Cơ chế hoạt động của từng peptide kháng khuẩn khác nhau tùy thuộc vào tế bào đích, nồng độ và tính chất vật lý của màng tương tác. Cũng có khả năng, trong trường hợp nhiễm trùng, peptide kháng khuẩn có thể sử dụng nhiều cơ chế ví dụ như gây bất ổn màng kết hợp với ức chế các quá trình bên trong tế bào. Tính phức tạp của cơ chế này cùng với tác động đa đích chính là nguyên nhân chủ yếu cho việc rất khó khăn để tạo đột biến kháng lại các peptide kháng khuẩn [26].

Peptide kháng khuẩn còn được chứng minh là có một số chức năng điều hòa miễn dịch, có thể tham gia vào việc khắc phục nhiễm trùng. Chẳng hạn hepcidine ở người có khả năng thay đổi biểu hiện gen của vật chủ, nó hoạt động như các chemokine và kích thích sản xuất chemokine, ức chế cảm ứng lipopolysaccharide để sản xuất cytokine gây viêm, do đó đẩy mạnh chữa lành vết thương và điều chỉnh các phản ứng của tế bào đáp ứng miễn dịch thích ứng.


1.2.4.2. Sự tác động chọn lọc của peptide kháng khuẩn


Các peptide kháng khuẩn luôn ưu tiên tương tác với vi khuẩn hơn với tế bào động vật, nhờ đó chúng tiêu diệt các vi sinh vật mà không gây độc đáng kể đến tế bào chủ. Có nhiều yếu tố liên quan chặt chẽ đến tác động chọn lọc này, trong đó điện tích màng đóng góp nhiều nhất [21], [35].

Màng tế bào vi khuẩn rất giàu axit photpholipit, như photpho atidylglyceron và caridolipin, do đó nó tích điện âm và có ái lực mạnh với các điện tích dương của các peptide kháng khuẩn. Sự tương tác này chủ yếu là lực tương tác tĩnh điện [35].

Ngược lại, phần bên ngoài của màng tế bào động vật có vú bao gồm chủ yếu là các chất béo có đầu tích điện âm ẩn sâu vào bên trong lớp màng sinh chất [21]. Mặt khác, bề mặt ngoài màng được cấu tạo từ photpholipit trung tính, vì vậy sự tương tác kị nước giữa lớp này với mặt kị nước của các peptide kháng khuẩn đóng vai trò quan trọng trong sự kết hợp giữa peptide kháng khuẩn với màng tế bào. Tuy nhiên sự tương tác đó tương đối yếu so với tương tác tĩnh điện, do vậy các peptide kháng khuẩn sẽ ưu tiên tương tác với màng vi khuẩn (Hình 4) [54].

Hình 4. Cơ sở của chọn lọc phân tử tế bào của peptide kháng khuẩn [54] .

Ngoài ra, cholesterol thường phân bố rộng ở màng tế bào động vật giúp màng ổn định, nhưng không có ở màng vi khuẩn. Sự có mặt của cholesterol cũng làm giảm hoạt động của các peptide kháng khuẩn [59]. Bên cạnh đó, khả năng bị các nhân tố lạ xuyên màng của tế bào vi khuẩn là dễ dàng hơn nhiều so với tế bào động vật bình thường, nên màng vi khuẩn dễ bị tấn công bởi các peptide kháng khuẩn tích điện dương [35]. Tương tự như vậy, tế bào động vật có khả năng điều hòa nồng độ ion làm giảm hoạt động của hầu hết các peptide kháng khuẩn trong khi vi khuẩn không có khả năng đó [59].

1.2.5. Ứng dụng của peptide kháng khuẩn


Các peptide kháng khuẩn có khả năng tiêu diệt vi khuẩn, nhưng hầu như không độc với tế bào động vật, nhờ đó có thể sử dụng trong liệu pháp chữa trị. Nhờ hoạt động kháng khuẩn cũng như hoạt động miễn dịch hiệu quả cao, các peptide kháng khuẩn được coi như nguồn “kháng sinh tự nhiên” của sinh giới cần được khai thác trong bối cảnh nguồn thuốc kháng sinh tự nhiên đang dần cạn kiệt [44].

Ngoài ra, gen mã cho peptide kháng khuẩn còn được ứng dụng như một nguồn nguyên liệu quan trọng để tạo nên các sinh vật chuyển gen có khả năng kháng lại mầm bệnh. Việc sử dụng thuốc trừ sâu và các tác nhân kháng khuẩn không còn là biện pháp tốt do giá thành cao và ảnh hưởng xấu tới môi trường cũng như sức khỏe con người. Việc tạo ra các giống cây trồng, vật nuôi chuyển gen kháng khuẩn phần nào sẽ giúp giải quyết được những vấn đề trên. Thông qua các kỹ thuật sinh học phân tử, các nhà khoa học hy vọng rằng sẽ có thể cải biến các peptide kháng khuẩn thành những dạng mới có tính bền vững trong môi trường có nồng độ muối cao [12], [13].


1.2.6. Peptide kháng khuẩn cecropin B


Cecropin là một họ của peptide kháng khuẩn, được phân lập từ giai đoạn nhộng của loài sâu bướm khổng lồ Hylaphora cecropia trong nghiên cứu của Boman và cộng sự năm 1981 [13]. Cecropin dạng trưởng thành gồm 35-37 axit amin, tích điện dương và tác động lên cả vi khuẩn G(-) và G(+) [9]. Họ cecropin bao gồm ba nhóm chính là cecropin A, B, D [11].

Cecropin A là một peptide kháng khuẩn dạng thẳng, chứa 37 axit amin, có cấu trúc chủ yếu là xoắn và gấp nếpCecropin A tiêu diệt vi khuẩn chủ yếu bằng cách phá hủy màng tế bào, trục dọc của cấu trúc và trục ngang của cấu trúcđịnh hướng song song với bề mặt màng, từ đó xâm nhập và phá vỡ màng tế bào vi khuẩn [48], [49].

Cecropin B là một peptide kháng khuẩn nhỏ gồm 35 axit amin, kháng lại cả vi khuẩn G(-) và G(+). Cấu trúc thứ cấp của cecropin B bao gồm một chuỗi xoắn tận cùng amino lưỡng tính liên kết với một chuỗi xoắn lớn tận cùng cacboxyl kị nước bởi vùng khớp nối [16].

Cecropin D chứa 36 axit amin và kỵ nước hơn so với cecropin A và B, nó xuất hiện sau cecropin A và B khi cơ thể bị nhiễm khuẩn. Cecropin D chống lại cả vi khuẩn Gram âm và Gram dương, đặc biệt là Bacillus megaterium [47].

Hoạt tính của cecropin chủ yếu do cấu trúc của hai vùng NH2 và COOH quy định. Thay đổi cấu trúc của một trong hai vùng này có thể làm thay đổi đáng kể phổ hoạt động. Một số nghiên cứu gần đây cho thấy cecropin được dùng như chỉ thị phân tử để phân biệt các loài vi khuẩn khác nhau [32]. Bên cạnh việc sử dụng trực tiếp như các chất có hoạt tính kháng khuẩn, cecropin biểu hiện trong một số động thực vật chuyển gen làm tăng khả năng chống chịu với vi sinh vật gây bệnh.

Hoạt tính kháng khuẩn của chúng đối với vi khuẩn G(-) thường hiệu quả hơn so với vi khuẩn G(+). Một số loại cecropin còn có khả năng gây ảnh hưởng tới chu kì nhiễm bệnh của virus HIV bằng cách ức chế biểu hiện các gen của HIV–1, qua đó cản trở quá trình nhân lên của virus này [10]. Cecropin làm giảm số lượng tế bào vi khuẩn thông qua việc phân hủy màng tế bào chất. Chúng cũng phân hủy liposome tích điện âm và trung hòa điện nhưng không phân hủy liposome dương cũng như tế bào hồng cầu [56].

Hoạt tính kháng ung thư của cecropin đã được công bố từ những nghiên cứu của các nhà khoa học trường đại học Bradford (Hoa Kì) năm 1994. Những thử nghiệm in vitro cho thấy cecropin B có hoạt tính làm tan bào đối với các dòng tế bào ung thư vú và buồng trứng ở người. Kết quả nghiên cứu trong điều kiện in vivo cho thấy cecropin B giúp kéo dài thời gian sống sót của những con chuột bị ung thư cổ trướng ác tính. Báo cáo mới nhất năm 2008 được công bố cho thấy cecropin B có khả năng ức chế sự tăng sinh của các tế bào ung thư bàng quang, phá hủy cấu trúc màng tế bào và gây chết đối với các tế bào ung thư [22], [38].

1   2   3   4   5   6   7   8   9


Cơ sở dữ liệu được bảo vệ bởi bản quyền ©hocday.com 2016
được sử dụng cho việc quản lý

    Quê hương