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《吖啶偶联法转化核定位序列为高活性抗菌肽》
500工程第1卷·第4期·2015年12www.engineering.org.cn研究药物 工程-文章吖啶偶联法将核定位序列转化为高活性抗菌肽工程2015,1(4):500-张伟1,2#,杨晓丽1,2#,宋晶晶1,2#,郑鑫1,2#,陈建波1,2#,马盼盼1,2#,张邦智1,2#*,王瑞1,2#*摘要多重耐药细菌的出现迫切需要具有新作用机制的替代抗生素。在这项研究中,我们合成了一种新型的抗菌剂,Acr3-NLS,通过缀合疏水性吖啶的核定位序列(NLS),一个短的阳离子肽的N-末端。为了进一步提高我们的试剂的抗微生物活性,通过经由二硫键接头将两个单体Acr3-NLS连接在一起来同时合成二聚体(Acr3-NLS)2。我们的结果表明,与NLS相比,Acr3-NLS,特别是(Acr3- NLS)2显示出对革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌的显著抗微生物活性随后,来自作用机制的研究结果表明,Acr 3-NLS和(Acr 3- NLS)2可以通过膜破坏和DNA结合来杀死细菌。双靶点-细胞膜和细胞内DNA-将降低细菌对Acr3-NLS和(Acr 3-NLS)2产生耐药性的风险。总的来说,这项研究提供了一种新的策略,以设计具有双重作用模式的高效抗菌药物用于感染治疗。关键词吖啶,核定位序列,偶联物,抗菌活性,作用1引言由细菌引起的传染病影响着全世界数百万人。抗生素的发现对人类健康产生了深远的影响。不幸的是,随着耐药菌株的频繁出现,传统抗生素变得越来越无效[1]。这一趋势促使迫切需要一类具有新作用机制的新型抗生素。核定位序列(NLS,PKKKRKV)SV 40 T大抗原是一种广泛研究的肽,可促进异源分子的核转运[2-4]。有趣的是,据报道NLS对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌均显示出抗微生物活性,尽管其作用机制仍不清楚,且其抗微生物活性相对较低[5]。吖啶(Acr)是一种杂芳族多环分子,因其DNA嵌入能力和药理学性质而众所周知[6]。大量吖啶衍生物已被合成并用作抗微生物、抗疟疾和抗癌药物[7-10]。吖啶作为抗菌剂的首次临床应用发生在1917年[10]。在抗菌治疗中,具有更高疗效的青霉素类药物的出现使吖啶类药物黯然失色。然而,抗生素耐药性的严重问题再次将相当大的注意力转向吖啶[10]。将小分子药物连接到肽上已被证明是一种有效的策略,提供了多种益处,如增加水溶性、改善药代动力学和克服耐药性[11,12]。 在这项研究中,我们试图设计一种新型的有效的抗菌剂通过共轭吖啶NLS。因此,本研究通过在NLS的N-末端连接三个赖氨酸(吖啶)来设计和合成Acr3-NLS。据报道,二聚化是增强抗微生物肽的抗微生物效力和对蛋白酶的抗性的有用策略[13,14]。因此,为了提高我们试剂的抗微生物活性,我们还通过二硫化物接头将两个Acr3-NLS单体在C末端连接在一起来合成二聚体(Acr3-NLS)2,该接头已广泛用于药物缀合[15]。图1显示了这些缀合物。我们随后评价了Acr3-NLS和(Acr3-NLS)2的抗菌活性并研究了其作用机制。1兰州大学基础医学院甘肃省新药临床前研究重点实验室,兰州730000;2兰州大学生命科学学院生物化学与分子生物学研究所,兰州730000#这些作者为这项工作做出了同样的* 通讯作者。电子邮件:zhangbz@lzu.edu.cn,wangrui@lzu.edu.cn接收日期:2015年10月13日;接收日期:2015年11月22日;接受日期:2015年11月26日作者(S)2015出版社:Engineering Sciences Press这是CC BY许可下的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)501www.engineering.org.cn第1卷·第4期·2015年12月工程制药工程-文章研究图1.Acr3-NLS和(Acr3-NLS)2的结构。2 材料和方法2.1 肽合成和纯化使 用 标 准 的 基 于 Fmoc 化 学 的 策 略 在 对 甲 基 - 二 苯 甲 基 胺(MBHA)树脂上合成NLS和Acr3-NLS.按照先前文献[16]中报道的程序,合成Fmoc-Lys(吖啶)并偶联为氨基酸。(Acr3-NLS)2的合成根据我们先前报道的方法进行[17]。所有粗肽通过反相高效液相色谱(RP-HPLC)在C18柱上纯化,然后通过电喷雾电离质谱(ESI-MS)表征。采用反相高效液相色谱法(RP-HPLC)进行纯度分析,以5%~ 95%乙腈的0.1%三氯乙酸溶液为线性梯度洗脱2.2 抗菌活性测定将革兰氏阴性(大肠杆菌,ATCC 25922;铜绿假单胞菌,ATCC 27853)和革兰氏阳性(枯草芽孢杆菌,ATCC 23857;金黄 色 葡 萄 球 菌 , ATCC 25923 ) 细 菌 在 37 °C 下 在 Mueller-Hinton(MH)肉汤中培养。使用标准系列稀释法测量试剂对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的抗微生物活性。将1~ 128 μmol·L-1浓度范围内的100 μL二倍系列稀释液孵育18-20 h后测定最低抑菌浓度(MIC)。在不存在试剂的情况下进行对照。实验一式三份进行。2.3 时间杀灭试验偶联物对大肠杆菌的杀伤动力学。大肠杆菌进行时间杀灭试验。E.将大肠杆菌培养至对数生长期,用MH肉汤稀释至106CFU· mL-1。将缀合物以MIC的0.5倍、1倍和2倍的浓度添加到细菌悬浮液中。在0、15 min、30 min、60 min、90 min和120min时,将100 μL细胞悬液加入到培养液中。收集并稀释到生长培养基中,然后铺在MH琼脂平板上。在肽处理24小时后计数集落。实验一式三份进行。2.4 碘化丙啶摄取测定为了验证缀合物的膜溶解活性,我们使用碘化丙啶(PI)摄取测定。E.将大肠杆菌培养至对数生长期,用MH肉汤稀释至106CFU· mL-1。培养基中加入1mL含E.大肠杆菌(1 × 106 CFU· mL-1)培养液中加入大肠杆菌(E.在37 °C下用1倍MIC的缀合物处理大肠杆菌细胞。在不同的时间间隔孵育后,加入PI并继续孵育10 min,使用激光共聚焦扫描显微镜观察PI摄取。2.5 扫描电子显微镜对于扫描电子显微镜(SEM)样品的处理,E.将大肠杆菌细胞洗涤并以5 × 108 CFU· mL-1重悬于PBS中,与缀合物(1倍MIC)在37 °C下孵育1h。然后以10000 r· min-1离心5 min将所有固定的细胞在2.5%单宁酸(Sigma)中浸渍2天,并用2%四氧化锇(Sigma)反向固定2小时,然后在乙醇中脱水并在临界点干燥器(Ion Tech,Teddington)中干燥。E.用扫描电镜(JSM-6380 Lv)观察细胞形态。2.6 溶血试验将新鲜采集的小鼠血液离心以除去血沉棕黄层,并将获得的红细胞用PBS洗涤三次,以1000g(g= 9.8 m·s将100 μL不同浓度的结合物溶液加入含有100 μL红细胞悬液的96孔板中。用PBS和0.1%Triton X-100处理的细胞分别为0和100%溶血。处理1 h后,将平板以1000g离心10 min,并将100 μL上清液转移至96孔板中。使用酶标仪在450 nm下测定血红蛋白的释放。2.7 DNA结合试验进行凝胶阻滞实验以评价缀合物的DNA结合能力。E.大肠杆菌ATCC 25922基因组DNA使用TIANamp细菌DNA试剂盒提取。将10 μL基因组DNA(约400 ng)溶于TE缓冲液中,并与等体积的不同浓度的缀合物混合。将反应混合物在室温下孵育30 min。然后将混合物和天然上样缓冲液在1%琼脂糖凝胶上进行凝胶电泳。用溴化乙锭荧光法检测DNA的迁移。2.8 缀合物的细胞摄取E.大肠杆菌细胞与0.5倍MIC的缀合物一起孵育1小时。然后用PBS洗涤细胞三次。图像用倒置的Zeiss LSM 710 con.研究制药工程-文章502工程第1卷·第4期·2015年12www.engineering.org.cn聚焦显微镜通过405nm线进行激发,并且观察到在487nm处的荧光发射最大值。与两个荧光通道一起拍摄微分干涉对比(DIC)图像,在使用这些参数的共定位研究期间未观察到渗漏。3 结果和讨论3.1 缀合物的抗微生物活性多重耐药细菌的出现迫切需要具有新作用机制的替代抗生素。在这项研究中,我们合成了一种新型的抗菌剂通过共轭吖啶的N-末端的NLS。所有试剂的抗微生物活性针对两种革兰氏阴性菌(E.大肠杆菌和铜绿假单胞菌)和两种革兰氏阳性菌(S. aureus和B.枯草芽孢杆菌)。表1总结了所有药剂的MIC。虽然NLS被报道显示出抗菌活性[5],但我们的结果表明它确实在本研究中测试的浓度下不能杀死细菌。正如预期的那样,与NLS相比,Acr3-NLS和二聚体(Acr3-NLS)2显示出对革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌的显著抗微生物活性。重要的是,二聚体(Acr3-NLS)2的抗微生物活性显著高于Acr3-NLS。我们随后研究了Acr 3-NLS和(Acr 3-NLS)2对E. 杆菌如图2所示,我们的结果表明Acr3- NLS和(Acr3-NLS)2都可以在短时间内杀死细菌,特别是在较高浓度下。此外,在相同MIC下,二聚体(Acr3-NLS)2的杀伤活性明显快于Acr3-NLS。基于它们的快速杀菌活性和物理化学性质,我们推测Acr3-NLS和(Acr3-NLS)2可以通过破坏它们的膜来杀死细菌,就像大多数抗微生物肽一样[18,19]。表1. NLS及其吖啶类似物的氨基酸序列、理化性质和抗菌活性。物理过程[18]。首先,我们采用PI摄取法研究Acr3-NLS或(Acr3-NLS)2处理后细胞膜完整性的变化。PI是一种可被活细胞膜排除但可穿过受损质膜的荧光分子。 如图3所示,我们的结果表明PI可以快速进入E。Acr 3-NLS或(Acr 3 -NLS)2处理后,E. coli细胞中的蛋白质含量显著降低,表明Acr3 -NLS或(Acr 3 -NLS)2处理后E. coli细胞中的蛋白质含量显著降低。coli细胞膜受损。我们观察到E.用扫描电镜观察Acr 3-NLS或(Acr 3-NLS)2处理后的大肠杆菌细胞膜。如图4所示,E.用偶联物处理的大肠杆菌似乎显示在细胞表面上形成泡,这可能代表孔的形成,而未处理的大肠杆菌则显示在细胞表面上形成泡。大肠杆菌显示正常光滑表面。SEM结果与PI摄取试验结果一致,证实Acr3-NLS和(Acr3-NLS)2可通过膜破坏杀死细菌,就像许多天然存在的抗微生物剂一样。M*M **t$MIC(µmol·L细菌肽。 膜溶解活性肽calc.-1奥布斯河.-1(克/摩尔)(克/摩尔)(分钟)E. 大肠杆菌铜绿假单胞菌 金黄色 湾枯草城市可以赋予Acr3-NLS和(Acr3 - NLS)。NLS984.6985.611.4> 128> 128> 128> 128NLS)2具有以下优点:Acr3-NLS1901.71901.114.316641616①与传统抗生素不同,(Acr3-NLS)23801.43801.215.081688可以用来杀死抗药性细菌,9-氯吖啶---> 128> 128> 128> 128* 计算的单一同位素摩尔质量。** 观察到的单一同位素质量。$疏水性表示为tR。图2.(a)Acr 3-NLS和(b)(Acr 3-NLS)2在不同浓度下对E. 杆菌代表一式三份实验。3.2 缀合物的膜溶解活性抗菌肽是疏水残基总含量为50%的阳离子短肽,其表现出有效的广谱抗菌特性[19]。与具有特定分子靶点的传统抗生素不同,抗微生物肽通过一系列的结合选择性地结合并快速破坏带负电荷的细菌膜,而不是中性哺乳动物细胞膜。细菌很难对它们产生耐药性,因为膜系统的重建是不可能的。阳离子性和疏水性在抗菌肽的膜溶解活性中起重要作用[20-22]。正电荷使抗菌肽对细菌膜的外层具有静电亲和力,而疏水性可迫使抗菌肽插入疏水性细菌膜[23]。适当增加正电荷和疏水性将有助于提高抗菌肽的膜溶解活性和杀菌活性[19,21,24]。本研究中的NLS是一种阳离子肽,含有五个碱性氨基酸(四个赖氨酸和一个精氨酸),但只有一个疏水氨基酸。因此,免入息审查贷款计划很难进入一个制药工程-文章研究503www.engineering.org.cn第1卷·第4期·2015年12月工程细菌膜,并形成稳定的孔,因为它的低疏水性[25]。在我们之前的研究中,我们发现,图3. Acr3-NLS和(Acr3-NLS)2以1 × MIC的浓度作用于大肠杆菌不同时间后,PI在大肠杆菌疏水性喜树碱的附着可以将亲水性细胞穿透肽Tat转变为膜溶解肽[26]。在这项研究中,吖啶可能作为一个理想的疏水锚,以促进膜插入和随后的膜破坏的缀合物,从而增加抗菌活性。为了评价吖啶对肽疏水性的影响,我们使用RP-HPLC测定了肽的保留时间(tR),这是一种特别好的表示表观肽疏水性的方法[24]。如表1所示,与NLS相比,Acr3-NLS的保留时间显著延长,表明Acr3-NLS比NLS更疏水。因此,通过与疏水末端标签Lys(吖啶)缀合增加Acr3-NLS的疏水性可以解释其增强的膜溶解活性。同样,具有增加的疏水性的二聚体(Acr3-NLS)2显示出比单体Acr3-NLS更高的抗微生物活性。3.3 结合物的溶血活性对宿主细胞的低毒性对于有效的抗菌肽的临床开发是非常重要的。溶血试验是评估抗菌肽毒性的最常用程序[27]。高水平的抗菌性通常会增强抗菌肽与红细胞中性膜的相互作用,导致溶血活性增加[24]。尽管Acr3-NLS具有比NLS更高的疏水性,但即使高达200 μmol· L-1也没有显示出实际溶血尽管已报道二聚化增加抗微生物肽的溶血[28],但与单体Acr3-NLS相比,二聚体(Acr3-NLS)2未显示出显著增加的溶血总的来说,我们的结果表明,Acr3-NLS和(Acr3-NLS)2对正常细胞显示出低毒性,这意味着更高的药物浓度可以用于感染治疗。3.4 缀合物的DNA结合活性近年来,越来越多的研究表明,质膜断裂不是抗肿瘤的唯一作用机制图4. 大肠杆菌的扫描电子显微照片。(a)对照;(b)Acr 3-NLS处理;(c)(Acr3-NLS)2处理。用1 × MIC的肽处理细菌1 h。在没有肽的情况下进行对照。比例尺= 1 µm。图5. NLS、Acr3-NLS和(Acr3-NLS)2的溶血活性。用10 μmol· L-1的蜂毒素处理细胞。代表一式三份实验。研究制药工程-文章504工程第1卷·第4期·2015年12www.engineering.org.cn微生物肽据报道,一些抗微生物肽通过与一种或多种细胞内靶标(如核酸和酶)相互作用来杀死细菌[29,30]。与其他细胞内靶标相比,阳离子抗微生物肽优先与阴离子核酸结合,导致细菌死亡[30]。在我们之前的研究中,发现NK-18(一种从NK-溶素衍生的截短肽)不仅能够通过破坏细菌膜,而且还能够通过结合DNA来杀死细菌[31]。由于核酸是吖啶衍生的抗微生物剂在细菌中的既定作用 位 点 [10] , 我 们 推 测 Acr3- NLS 和(Acr3-NLS)2也可以通过结合DNA并干扰DNA的合成来杀死细菌,因为它们含有吖啶。首先,采用凝胶阻滞法评价多肽与核酸的结合能力。如图6所示,与NLS相比,Acr3-NLS,尤其是(Acr3- NLS)2引起细菌DNA迁移率的显著延迟,表明吖 啶 的 存 在 显 著 增 强 了 Acr3-NLS 和( Acr3-NLS ) 2 的 DNA 结 合 能 力 。 然而,为了与DNA相互作用,Acr3-NLS和(Acr3- NLS)2必须首先易位穿过细菌膜。有趣的是,越来越多的研究表明,许多抗微生物肽可以跨细胞膜转运,非常像细胞穿透肽,因为它们在电荷、结构和初始膜相互作用方面具有相似性[32]。虽然NLS能克服细胞核的跨膜屏障,促进核转位,但关于其跨膜转位的报道很少。本研究观察了Acr 3-NLS和(Acr 3-NLS)2在大肠杆菌中的摄取情况.coli中的表达。如图7所示,Acr 3-NLS和(Acr 3-NLS)2均能穿透并积聚在E.大肠杆菌细胞,像许多细胞穿透肽。 根据以上结果,我们推测Acr 3-NLS和(Acr 3-NLS)2是通过破坏细胞膜和干扰DNA合成而达到杀灭细菌的作用。双重目标细胞图6. NLS、Acr3-NLS和(Acr3-NLS)2的DNA相互作用效应。通过测定DNA迁移的阻滞来测定DNA结合能力。图7. Acr 3-NLS和(Acr 3-NLS)2在E. 大肠杆菌处理后的浓度为0.5× MIC 1 h。细胞膜和细胞内DNA-使细菌对Acr3-NLS和(Acr3-NLS)2的抗性的机会最小化,因为抗性将需要细胞膜的完全改变或绕过几种生化途径。4 结论在本研究中,我们通过将吖啶连接到NLS上开发了一种新型的抗菌肽。我们的新药物可以通过双重作用机制杀死细菌:吖啶可以作为膜锚赋予Acr3-NLS和(Acr3-NLS)2以膜溶解活性,并且吖啶还可以增强Acr3-NLS和(Acr3-NLS)2的DNA结合能力和随后的杀菌活性。因此,Acr3-NLS和(Acr3-NLS)2可以以不易受已知细菌抗性能力影响的方式有效杀灭细菌。虽然还需要进一步的工作来获得这些药物的未来应用的系统评价,这项研究开辟了一个新的途径,设计一种新型的抗菌肽与多种作用机制。确认感谢国家自然科学基金(81402776和81202400)、国家科技部重点科技计划“重大新药开发”项目的资助&(2012 ZX 09504 - 001-003)中央高校基础研究经费(lzujb-ky-2014-142 和 lzujbky-2015-169 ) , 中 国 高 等 教 育 博 士 点 专 项 研 究 基 金(20130211130005)和中国博士后科学基金(2013 T60896)。制药工程-文章研究505www.engineering.org.cn第1卷·第4期·2015年12月工程遵守道德操守准则张伟、杨晓莉、宋晶晶、郑鑫、陈建波、马盼盼、张邦智及王锐声明彼等并无利益冲突或财务冲突须予披露。引用1.M. S. Butler,M. A. Blaskovich,M. A.库珀2013年临床管道中的抗生素。J.Antibiot. 等,2013,66(10):5712.C. W. Pouton,K. M. Wagstaff,D. M. Roth,G. W. Moseley,D. A.简斯焦油状物质被输送到细胞核。高级药物递送Rev. ,2007,59(8):6983.L. J. Branden,A.穆罕默德角I.史密斯一种介导DNA核转运的肽核酸-核定位信号融合体。天然生物技术等,1999,17(8):7844.T.白石河Hamzavi,P. 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