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乳铁蛋白分子结构及其抗菌机制



全 文 :·综述与专论·
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2010 年第 6 期
乳铁蛋白分子结构及其抗菌机制
朱艳萍 滕达 田子罡 白雪晶 杨雅麟 王建华
(中国农业科学院饲料研究所基因室 农业部饲料生物技术重点实验室,北京 100081)
摘 要: 乳铁蛋白是一种单体糖蛋白,是哺乳动物非特异性免疫系统的第一道防线,具有防御微生物感染的功能。分析了
乳铁蛋白氨基酸组成、多肽链折叠、铁结合结构、分子表面特性等与抗菌有关的分子结构。综述了乳铁蛋白抗微生物活性的作用
机制,包括限制 Fe3 +利用,抑制细菌生物膜形成,与负电性生物大分子结合,降解细菌毒力因子以及阻止细菌入侵等。
关键词: 乳铁蛋白 分子结构 抗菌机制
Molecular Structure and Antibacterial Mechanism of Lactoferrin
Zhu Yanping Teng Da Tian Zigang Bai Xuejing Yang Yalin Wang Jianhua
(Key Laboratory of Feed Biotechnology,The Ministry of Agriculture;Gene Engineering
Laboratory,Feed Research Institute,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100081)
Abstract: Lactoferrin is a monomeric glycoprotein,which has been considered as the first line defense protein of mammalian non-
specific immune system and involves in protection against microbial infection Lf s antibacterial-related molecular structure,including
the amino acid sequence,polypeptide fold,iron binding structure and surface properties were summrized The antibacterial mechanism
was reviewed,including its structure,deprivation of iron,influence of biofilm formation,interaction with macromolecular with negative
charge,degradation virulence factors of bacterial and inhibition of bacterial invasion
Key words: Lactoferrin Molecular structure Antibacterial mechanism
收稿日期:2010-02-04
基金项目:国家自然科学基金项目(30972125,30771574,30810303084) ,北京市自然科学基金项目(5062031,5093030)
作者简介:朱艳萍,女,硕士研究生,从事功能蛋白表达研究;E-mail:yanpingzhu1983@ 163 com
通讯作者:王建华,男,研究员,博士生导师,主要从事微生物学和生物技术研究;E-mail:wangjianhua@ mail caas net cn
乳铁蛋白(lactoferrin,LF)属转铁蛋白家族成
员,是哺乳动物体内一种重要的非血红素铁结合糖
蛋白[1]。LF主要由嗜中性粒细胞分泌,广泛存在于
乳汁、泪液、唾液、汗液、胰液、胆汁、精液等内外分泌
液中[2]。LF分子量约 80 kD,其高级结构由一条多
肽链折叠形成的两个结构相似的球状叶组成。由于
具抗炎症反应、免疫调节和铁离子结合功能,LF 被
认为是一种天然免疫因子和广谱抗菌剂[3]。LF 具
有抗革兰氏阳性菌(G +)和革兰氏阴性菌(G -)的
活性,其抗菌机制曾被认为主要与铁结合能力有关。
此外,大量体外试验提出了基于 LF 与细菌表面相
互作用的多种抗菌机制。
1 乳铁蛋白的分子结构
1 1 氨基酸组成
乳铁蛋白多肽链约由 700 个氨基酸组成,一般
含 2 - 4 条多聚糖侧链。多肽链氨基酸组成中 Arg
和 Lys含量较高,除含有少量 Cys,几乎不含其它含
硫氨基酸[4]。不同物种来源乳铁蛋白氨基酸序列
同源性高,分析 9 个物种(人、牛、野牛、骆驼、山羊、
绵羊、马、小鼠和猪)LF 氨基酸序列[5]发现,人、小
鼠和牛的同源性较高。其中,人和小鼠同源性达
70%,人和牛的达 69%,小鼠和牛的达 63%。
1 2 结构域
LF二级结构主要由 α-螺旋和 β-折叠交替排
列组成,α-螺旋多于 β-折叠[6]。X 射线所测人 LF
溶液和晶体三维结构[4]显示,在二级结构基础上
折叠形成的高级结构是两个极其相似且对称的球
状叶,即 N-叶(1 - 333)和 C-叶(345 - 691) ;两叶
序列同源性约 40%,这可能是生物进化中基因重
复复制所致[7]。N-叶和 C-叶均由两个 α /β 亚结
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2010 年第 6 期
构域组成,称为 N1、N2、C1、C2 亚结构域,N1 与
N2、C1 与 C2 亚结构域之间深裂隙为 Fe3 +结合位
点。N-叶和 C-叶之间由一条约含 10 - 15 个氨基
酸残基且对蛋白酶敏感的 α-螺旋连接。人乳铁蛋
白(hLF)连接区(334 - 344)对 N-叶和 C-叶铁结
合结构域的开闭起重要作用,具稳定铁结合结构
的作用。N-叶和 C-叶间无共价键连接,主要依赖
两叶间疏水作用维持空间结构稳定性。这种由两
个球状叶,4 个结构域构成的分子结构是转铁蛋白
家族成员分子动力学特点的结构基础[4]。
1 3 铁结合结构域
LF位于 N-叶和 C-叶的 Fe3 +结合配基是高度
保守的,均由 2 个酪氨酸、1 个精氨酸和 1 个组氨
酸残基以及与 Fe3 +协同结合的 CO2 -3 离子组成。
例如,Tyr92,Tyr192,Asp60 和 His253 组成位于
LF N-叶的 Fe3 +结合配基。在铁结合过程中,配基
提供 3 个负电荷中和 Fe3 +的正电荷;Arg121 和 N
端的第 5 个 α 螺旋所带正电荷中和协同结合的
CO2 -3 所带负电荷(图 1)
[8],从而起到稳定铁结合
作用,配位体发生突变会削弱乳铁蛋白的铁结合
能力。当 Fe3 +进入 LF亚结构域裂隙内部时,此区
域闭合,分子结构趋于紧密。晶体学结构分析发
现,当铁饱和乳铁蛋白(Holo-LF)释放 Fe3 +时,两
叶发生相对旋转,暴露出铁结合位点,同时位于铁
结合位点后的 2 个碱性氨基酸残基 Arg210 和
Lys310 参与调节 Fe3 +的释放[8]。LF 释放 Fe3 +受
环境 pH影响,低 pH 值能使 CO2 -3 质子化,阴离子
质子化弱化了配基 Tyr,His等对 Fe3 +的结合作用,
从而实现通过 pH调节控制 Fe3 +释放[9]。LF 除了
结合 Fe3 + 外,还能与 Ga3 +,Al3 +,Mn2 +,Cu2 +,
Ca2 +,Mg2 +及镧系金属结合,但是缔结常数远低于
铁缔合常数[8]。
LF构象随铁饱和状态不同而变。X-射线晶体
衍射[8]发现,铁不饱和人乳铁蛋白(Apo-hLF)存在
多种构象,一种构象中 N2 亚结构域相对于 N1 亚结
构域转动 54°,C2 亚结构域相对于 C1 亚结构域转
动 18°;另一种构象中则分别转动 55°和 27°。这种
构象差异非 hLF 特有,不同物种 Apo-LF 构象间也
有差异,马 Apo-LF两叶都处于闭合状态[10],而骆驼
Apo-LF两叶都处于开放状态[11]。这可能由于 LF
构象细微差异引起的能量变化所造成,这种能量变
化帮助实现铁结合结构域的开或闭。同时 LF 分子
构象的变化仅是亚结构域相互移动,并不影响分子
表面特性,不会破坏其表面的一些大分子结合位点。
1 4 分子表面特性
LF分子等电点 pI 较高约为 9,具较强阳离子
性,是 LF 能结合不同类型细胞及阴离子的主要原
因。晶体结构分析显示[8],LF分子表面正电荷浓度
很高且不均匀,有 3 个显著的正电荷富集区域:N端
1 - 7 个氨基酸残基,第 1 个 α-螺旋(13 - 30 氨基酸
残基)和两球状叶连接区域的 α-螺旋附近(图 2)。
从图 2 可看出正电荷多分布于 N 端区域第 1 个 α-
螺旋上,N叶第 1 个螺旋的 12 - 31 个氨基酸残基构
成主要的抗菌功能区,也是 Lactoferrincin(Lfcin)的
抗菌功能域[12]。所有 LF的这一段螺旋都含有 5 -
6 个碱性残基,其构象不受 Fe3 +饱和度影响。此外,
N叶 1 - 5 个氨基酸残基暴露在分子表面,正电荷密
度高,与邻近 C-叶末端 α-螺旋一起构成 DNA,LPS,
肝素,葡胺聚糖等大分子结合位点[8]。例如,LF 可
与细菌细胞表面蛋白如肺炎链球菌表面蛋白 PspA
结合。另推测,LF蛋白水解酶活性位点位于分子表
面 Ser 残基上且靠近 Lys,但不同物种 LF 的这一功
能区域是不同的。
图示 hLF N-叶铁结合位点,Tyr92、Tyr192、Asp60 和
His253 组成铁结合配基,Arg121 和 N 端的第 5 个 α 螺
旋有助于稳定协同结合的 CO2-3 。同时位于铁结合位点
后的两个碱性氨基酸残基 Arg210 和 Lys310 参与调节
Fe3 +的释放
图 1 乳铁蛋白铁结合位点示意图[8]
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2010 年第 6 期 朱艳萍等:乳铁蛋白分子结构及其抗菌机制
上半部分显示 LF立体空间构象,下半部分显示与空间构象
相对应的多肽链构象。正电荷最密集区域为 N-末端,L表
示抗菌肽 Lactoferricin的功能域,H为两叶间的连接区
图 2 乳铁蛋白表面电荷分布图[8]
1 5 糖基化
LF 是一种糖蛋白,糖基共价结合在 Asn-X-
Thr /Ser(X为任意氨基酸)的天冬酰胺残基上,形成
2 - 4 条 N-连接型糖链。不同物种乳铁蛋白潜在和
实测的糖基化位点和数目有差异[8]。例如小鼠 LF
只有 1 个潜在糖基化位点 Asn476,人乳铁蛋白有 3
个糖基化位点 Asn137、Asn478 和 Asn623,而牛、山
羊、绵羊乳铁蛋白则含 5 个糖基化位点,分别为
Asn233、Asn281、Asn368、Asn476 和 Asn545。某些位
点糖基化反应是受限制的,如 hLF 一般只使用
Asn137 和 Asn478 这两个糖基化位点[13],牛乳铁蛋
白中 Asn281 未被使用[14]。大多数糖基化位点暴露
在分子表面,糖链残基除了和肽链部分形成少量氢
键外,几乎不影响蛋白质结构。糖基化与否并不影
响铁的结合和释放,热稳定性以及 CD 谱图等特
征[8]。但骆驼 LF 糖基化直接影响它的结构和铁结
合能力,这是因为 Asn518 位于骆驼 C-叶铁结合位
点处,此位点又是糖基化位点,此位点一旦糖基化就
会抑制铁结合结构域闭合,造成铁结合能力下
降[11]。乳铁蛋白中糖链功能尚不十分明确,可能参
与 LF与细菌毒素结合位点的识别或与细胞膜上信
号接触及其它活性有关。
2 LF的抗菌机制
LF发挥抗菌功能主要与其分子结构特性有关。
结合 Fe3 +限制细菌生长曾被认为是 LF的一种重要
抗菌机制。然而,体外试验提出了与 LF 分子表面
特性相关的更多抗菌机制,如与负电性的生物大分
子结合或是发挥蛋白水解酶活性降解细菌黏附蛋
白等。
2 1 限制 Fe3 +的利用
LF对铁离子高度亲和性是其发挥抑菌作用的
基础。铁是大多数细菌生长所必需的金属离子,LF
通过螯合 Fe3 +限制细菌对 Fe3 +的利用,抑制 Strepto-
coccus mutans,Vibrio cholerae 等菌生长[3]。LF 能抑
制致病菌 Actinobacillus actinomycetemcomitans 生长,
且抑菌作用受铁饱和状态影响[15]。Griffiths 等[16]
通过体外抑菌试验证明缺铁 LF和铁饱和度 66% LF
可显著抑制 E coli 0157 ∶ H7 的生长,而铁饱和度
98% LF则无明显抑菌活性。人 hLF 多以不饱和形
式存在,能结合 Fe3 +,经结合 Fe3 +使机体内 Fe3 +维
持在细菌生长所需浓度水平以下,防御细菌感染。
但这种依赖螯合 Fe3 +的抑菌作用并不绝对有效,有
的细菌可通过其它途径解除缺 Fe3 +限制。如革兰
氏阴性菌 Salmonella spp 、Klebsiella spp 和 Neisseria
spp 等通过表达铁载体蛋白,与 LF 竞争性结合
Fe3 +,满足自身需要[17]。此外,Neisseria meningitidis
和 Haemophilus influenzae可在外膜上表达特异的 LF
受体,通过内化 Holo-LF,提高获得 Fe3 +的能力;但
此类 LF受体种属特异性高[18]。
2 2 抑制细菌生物膜的形成
生物膜是指一些病原细菌通过自身分泌大分子
多聚物,吸附营养物质、代谢产物以及细菌裂解产物
等物质,与邻近的菌体形成有组织的细菌群体。形
成生物膜的细菌能够对抗机体免疫防御系统,并对
抗生素产生抗性。生物膜的形成与营养成分、温度、
渗透压、pH、铁离子浓度等环境信号有关。
Weinberg[19]认为在细菌生物膜形成的起始黏
附、发展和成熟 3 个阶段均需 Fe3 + 介导。Singh
等[20]发现,高浓度 Fe3 +能减缓 Pseudomonas aerugi-
93
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2010 年第 6 期
nosa的蹭行性运动,使子代细胞停留在分化位点,
有助于细菌间黏附形成生物膜;当 Pseudomonas
aeruginosa和 Apo-LF 共培养时,随着代数增加,自
由移动的细胞逐渐增多,不利于细菌凝集。Apo-LF
能通过螯合 Fe3 +,降低环境中 Fe3 +浓度,阻止细菌
的粘附和生物膜形成。将 Pseudomonas aeruginosa
和 LF共同孵育,降低了该菌对 H2O2和妥布拉霉素
的抗性。
囊性纤维病(cystic fibrosis,CF)是由 P aerugi-
nosa在肺部集群生长形成生物膜所引起的气管性
疾病,据报道在 CF病人体内,LF含量比正常状态下
高许多倍,但由于患者气管和痰中含大量 Fe3 +(6 3
× 10-5M) ,使 hLF(1 × 10-5 M)处于饱和状态,妨碍
LF发挥抑菌作用[21,22]。但也有研究发现[23]牙周
炎病人唾液中 Fe3 +浓度 < 0 1 μmol /L时,患者口腔
中 Streptococcus mutans更易发生细胞凝集,形成生物
膜;当 Fe3 +浓度 > 1 μmol /L 时,会抑制 S mutans 凝
集和生物膜形成。
2 3 与表面正电荷相关的杀菌作用
如上所述,LF通过铁结合发挥的抑菌作用能随
环境中 Fe3 +浓度增高而解除,但 hLF还具有直接杀
菌活性,LF可与细菌表面分子非特异性结合,封闭
细菌细胞膜上重要的通道位点,阻断营养物质和细
菌毒性蛋白的运送,抑制细菌的合成代谢,导致菌体
死亡。G -外膜上脂多糖(LPS)的释放被认为是最
为重要的抗菌分子机制之一。细菌 LPS 为构成 G -
细胞外膜的主要成分。LF 与细菌细胞外膜上的孔
道蛋白结合,诱导 LPS释放,LPS的释放增加了细胞
外膜对疏水分子的通透性,有利于溶菌酶和其他抗
菌分子进入细胞发挥杀菌作用[24]。LF 可能通过两
条途径来影响 LPS的释放,第一条途径是通过 N 叶
正电荷簇与致病菌细胞外膜 LPS 分子的脂质体 A
结合,直接发挥作用[25]。另一途径与 LF 和 LPS 竞
争性螯合 Ca2 +有关[26],LPS 与 Ca2 +结合后能稳定
外膜空间结构,当 LF与 Ca2 +结合后,外膜结构稳定
性被打破,导致 LPS 释放。Rossi 等[27]试验发现 LF
不需与细菌直接作用,只是通过结合 Ca2 +,就能导
致 G -释放大量 LPS。Ellison 等[26]观察到当 Apo-
bLF在不含 Ca2 +和 Mg2 +的 PBS 中时,能介导浓度
依赖方式的 LPS 释放,当向 PBS 中加入 Ca2 + 和
Mg2 +时,LF则不能显著促进 LPS 的释放。而 Ca2 +
与 bLF的结合具有特异性,Ca2 +在热变性和化学变
性过程中对 LF 结构起显著稳定作用,因为 Ca2 +能
够与 bLF两条糖链上的唾液酸残基结合[27]。
LF的晶体结构显示其正电荷主要分布于 N-
叶,推测 N-叶是发挥杀菌作用的主要功能区域。LF
对 G +的杀菌机理与阳离子抗菌肽[28]和两亲性抗菌
肽[29]的作用机理相似,即阳离子性氨基酸残基与膜
上带负电性的磷壁酸通过静电相互作用结合,两亲
性的氨基酸残基打破了细菌内膜的非极性环境,造
成膜通透性发生改变,使菌体内容物外泄而致
死[30]。
2 4 与蛋白水解酶活性相关的抗菌作用
最新研究发现 LF 具蛋白水解酶活性,为阐释
LF抗菌作用提供了新思路。Plaut 等[31]发现当 H
influenzae在以人乳为惟一营养源的环境中生长时,
hLF能降解 H influenzae IgA1 蛋白酶。Hendrixson
等[32]证实 hLF的 N-叶具有与丝氨酸蛋白酶相似的
蛋白水解酶活性,不仅能水解 IgA蛋白酶,还能水解
Hap黏附素,切割位点可能位于蛋白的 Arg-富集区。
G -能够通过 III型分泌系统分泌毒蛋白侵入宿
主细胞,Therese 等[33]发现 hLF 能削弱 Shigella 和
Enteropathogenic E coli (EPEC)模式菌分泌毒蛋白
的能力。用 LF处理 Shigella,能促使 III型分泌系统
分泌的侵袭质粒抗原 IpaB 和 IpaC 的释放和降解,
这两种蛋白能够形成复合物介导 Shigella 侵入宿
主。LF还能通过降解 E coli 分泌的毒蛋白 EspA,
EspB,EspC,阻止 E coli对 HEp2 细胞的黏附。推测
LF可能通过两个步骤抑制 III型分泌系统分泌的毒
蛋白毒性的发挥。首先 LF 刺激细菌分泌毒性抗
原,LF结合细菌外膜 LPS 的脂质体 A 部分,使膜结
构缺乏弹性,影响与细菌分泌毒素相关的针形蛋白
复合物在外膜上的锚定,造成毒性抗原释放。第二
步 LF发挥蛋白水解酶作用,降解毒力蛋白。但是
发现在 Shigella 中,一旦形成 IpaBC 复合体便会对
LF水解作用产生抗性,可能 LF 只能在复合体形成
前发挥作用。
Massucci等[34]用体外合成的底物验证 LF 的蛋
白水解酶活性时发现,LF 的催化常数(kcat)比胰蛋
白酶的低很多个数量级,并能与丝氨酸蛋白酶亲和
04
2010 年第 6 期 朱艳萍等:乳铁蛋白分子结构及其抗菌机制
层析柱相结合的 LF不超过 10%。尽管进行了大量
试验和分子动力学分析,仍不能确定 LF 的蛋白水
解酶活性位点以及其作用的天然底物。总之,由于
LF水解底物的催化常数很低,又缺乏有关催化位点
的几何学正确定位,需要更多更深入的研究以确定
LF蛋白水解酶活性及其生物学意义。
2 5 抑制细菌对宿主的侵袭
许多黏膜病原菌不仅能附着在宿主细胞上,还
能避开宿主防御系统侵入上皮细胞生存和繁殖。细
菌分泌的侵袭素与宿主整联蛋白受体结合是介导细
菌入侵的主要途径。Apo-LF 和 Holo-LF 能与宿主
细胞和细菌结合[35],掩盖了宿主整联蛋白和细菌侵
袭素的互作位点,从而阻止 E coliHB101(pRI203)
进入 HeLa细胞。Di Biase 等[36]发现 bLfcin 在不影
响 Yersinia enterocolitica 对 HEp-2 细胞附着的情况
下,使其侵染能力降低了 10 倍。
糖胺聚糖(glycosaminoglycans,GAGs)是细胞间
质重要组成部分,可与核心蛋白结合形成蛋白聚糖,
能与胞外基质中纤连蛋白结合,形成的异源二聚体
糖蛋白具有多个配体结合结构域,可与肝素,纤维蛋
白等多种配体结合。同时纤连蛋白作为配体能与
α5β1整联蛋白的受体结合,介导微生物的黏附反
应。bLfcin与肝素结合,瓦解了 GAGs,纤连蛋白和
整联蛋白间配体-受体复合物的形成,而它们之间互
作有助于 Yersinia enterocolitica 分泌的 YadA 蛋白发
挥黏附作用。bLfcin与 GAGs 结合还能降低细菌侵
袭素和宿主整联蛋白的亲和性,并抑制整联蛋白受
体的聚集,阻断了由受体聚集产生的内化信号的传
递,从而导致细菌只能在宿主细胞上黏附而无法有
效地内化。
Rose等[37]报道了不同的抗细菌侵入机制,A
actinomycetemcomitans 能分泌一种自主转运蛋白
Aae,有助于细菌与上皮细胞的结合和入侵,hLF 能
切割此蛋白,致其失活。也有认为 LF 能结合在特
定 DNA 序列上,激活相关基因转录,通过调节基因
表达引起对细菌内化起关键作用的细胞骨架的
重排[38]。
3 总结
综上所述,乳铁蛋白通过铁结合,抑制细菌生物
膜形成,破坏细胞膜稳定性,降解细菌毒力蛋白,防
止致病菌入侵等多种方式发挥其广谱抗菌作用。但
大多数抗菌机制的阐明在很大程度上受制于体外试
验条件的影响,如 LF饱和度、环境 pH、温度、缓冲液
离子强度以及微生物自身结构特点和对铁的依赖程
度等,由于体内环境复杂多变,推测 LF 可能通过多
种途径发挥作用。LF 抗菌机理的充分揭示有待更
多更深入的研究。
参 考 文 献
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