2024年4月20日发(作者：墨曼语)
专题论述
DOI
:
.1005-6521.2021.05.035
貪品研究与开发
2021
年
3
月
第
42
卷第
5
期
207
—
无前导肽细菌素的研究进展及在食品保藏中的
应用
张晓峰
，
王丹
，户萌菲,孙西玉
，
潘春梅
*
*
(河南牧业经济学院食品与生物工程学院
，
河南郑州
450046
)
摘
要
：
细菌素作为食品防腐剂在食品工业中已广泛应用
。无前导肽细菌素是一类由核糖体合成
、
不进行任何翻译后
修饰
、
N
端没有前导肽序列的细菌素
。该文对目前无前导肽细菌素的类型
、
生物合成
、
理化特征
、
抗菌机制及在食品保
藏中的应用进行综述
。
分析表明，
该类细菌素通常含
27
个~
53
个氨基酸
，
富含赖氨酸残基而缺少半胱氨酸残基
，
均带
有正电荷
，
有较高的等电点
；
该类细菌素受受体影响小
，
静电作用和疏水作用在抑菌机制中发挥重要作用
，
多数具有
广谱抑菌活性;该类细菌素遗传结构简单
，
便于在其它微生物中表达
，
易于规模化生产
。
关键词
：
细菌素;无前导肽细菌素;抗菌机制
；
抑菌活性;食品保藏
Advances
on
Leaderless
Bacteriocins
and
Application
in
Food
Preservation
ZHANG
Xiao-feng,
WANG
Dan,
HU
Meng-fei,
SUN
Xi-yu,
PAN
Chun-mei
*
(
College
of
Food
Science
and
Engineering
,
Henan
University
of
Animal
Husbandry
and
Economy
,
Zhengzhou
450046,
Henan
,
China)
Abstract
:
Bacteriocins
are
widely
used
as
food
preservatives.
Leaderless
bacteriocins
represent
a
class
of
antimicrobial
peptides
derived
from
ribosome
and
characterized
by
the
absence
of
an
N-terminal
leader
peptide
and
posttranslational
modifications.
In
this
review
,
the
types
,
biosynthesis
,
physical
and
chemical
characteristics
,
antibacterial
mechanism
and
application
of
bacteriocins
in
food
preservation
were
reviewed.
Analysis
showed
that
bacteriocins
usually
comprised
27
to
53
amino
acids
,
and
were
positively
charge
with
high
isoelectric
point.
Also,
these
were
rich
in
lysine
residues
but
lacks
cysteine
residues.
Leaderless
bacteriocins
were
less
affected
by
receptors
and
most
of
them
exhibit
broad
-spectrum
antibacterial
activities
, since
electrostatic
and
hydrophobic
forces
play
an
important
role
in
the
antibacterial
mechanism.
Leaderless
bacteriocins
could
be
conveniently
expressed
through
other
microorganisms
and
were
easy
to
produce
on
a
large
scale
since
these
exhibit
a
simple
genetic
structure.
Key
words
:
bacteriocins
;
leaderless
bacteriocins
;
antibacterial
mechanism;
antibacterial
activity;
food
preser
vation
引文格式
：
张晓峰
，
王丹
，
户萌菲
，
等.无前导肽细菌素的研究进展及在食品保藏中的应用
[J].
食品研究与开发
,2021,42(5):207-
213.
ZHANG
Xiaofeng
,
WANG
Dan,
HU
Mengfei
,
et
al.
Advances
on
Leaderless
Bacteriocins
and
Application
in
Food
Preserva-
tion[J].Food
Research
and
Development
,2021,
42(5):207-213.
基金项目:河南省重大科技专项(⑻
100211400)
；
河南牧业经济学院重点科研创新基金
(XKYCXJJ2017010
)
作者简介:张晓峰
(1978-),
男(汉)
，
副教授
，
博士
，
研究方向:微生物资源及应用
。
*
通信作者:潘春梅
(1975
—
),
女(汉)
，
教授
，
硕士生导师
，
研究方向:微生物资源及应用
。
2021
年
3
月
第
42
卷第
5
期
食品硏究与开发
专题论述
—
208
细菌素是细菌在代谢过程中由核糖体合成的
、
对
产生菌具有自身免疫性的一类具有抗菌活性的多肽
类物质叫细菌素在生物合成
、
作用模式
、
抗性机制及
抗菌活性方面与抗生素存在明显不同,被认为是抗生
素的最佳替代品之一叫据统计
，
一半以上的细菌可产
生不同种类的细菌素叫随着大量微生物基因组的公
布和细菌素在线比对工具的应用
,
越来越多的细菌素
被发现和鉴定
。
Xin
B
Y
等通过在线比对工具
BAGEL3
对
GenBank
中的
223
株苏云金芽胞杆菌基因组的细
菌素基因簇进行预测
，
从
77
个菌株的基因组中预测到
了
101
个羊毛硫细菌素的基因簇
，
通过对部分预测结
果进行验证
，
最后获得了含有
4
条肽链的新型羊毛硫
细菌素
thuricin4ARi
。
目前研究的最多
、最深入的是来
源于乳酸菌的羊毛硫细菌素叫虽然
1951
年就提出细
菌素可作为防腐剂在食品中使用
,
然而
,
迄今为止仅
有广谱活性细菌素
nisin
和
pediocinPA-1
被授权做为
食品保藏剂使用叫所以
，
开发新型的
、
具有广谱活性
的细菌素具有广泛的应用前景叫不同于大多数细菌
素
,
无前导肽细菌素是细菌素家族中一类由核糖体合
成的
、不进行任何翻译后修饰的
、
N
端没有前导肽序列
的细菌素叫该类细菌素遗传结构简单
，
抗菌机制独
特
，
产生菌多来源于食品且易于在其它微生物中表
达,适合通过生物工程进行规模化生产
，
具有巨大的
商业应用潜能。
目前已有近
20
种无前导肽细菌素被
鉴定和报道
，
本文对该类细菌素的类型
、
理化特性、
生
物合成
、
作用机制及在食品保藏中的应用进行了综
述
，
使人们深入理解无前导肽细菌素的特性和优势
，
为其进一步应用提供一定的理论基础。
1
无前导肽细菌素的类型
细菌素的分类有不同的方法
，
目前广泛接受的是
由
Cotter
等在
2013
年修订后的分类方案
，
按照该分类
方案
，
细菌素主要分为
I
类细菌素(也称为翻译后可修
饰细菌素)和
II
类细菌素(也称为翻译后非修饰细菌
素)两类
。
其中
I
类细菌素主要包含羊毛硫细菌素等可
修饰细菌素
。
II
类细菌素又分为
5
小类
,
Ila
类为
pe-
diocinPA-
1
类细菌素
，
如
pediocinPA-
1;
lib
类为由两
条肽链组成的具有协同作用的二肽细菌素
，
如
betas
inF
;
He
类为环肽类细菌素
，如
enterocinAS-48
;
lid
类
为非修饰的
、线状的、
不属于
pediocinPA-1
的细菌素
，
如
microcinS
、
无前导肽细菌素等;
lie
类为具有铁载体
修饰的竣基末端富含丝氨酸的细菌素
，
如
microcin
E492
O
另外
,2016
年,
Alvarez
等⑼在前人基础上对来源
于乳酸菌的细菌素进行了分类,该分类方案同样将细
菌素主要分为修饰细菌素和非修饰细菌素两大类
(
I
类和
II
类)
，
其中环肽类细菌素被作为
I
类细菌素
，
无前
导肽细菌素被作为
II
类细菌素中的一小类
。无论哪种
分类方案,无前导肽细菌素都属于比较特殊的一类
。
首次报道的无前导肽细菌素是
1998
年由菌株
E.
faecium
L50
产生的细菌素
enterocinL50
(
entL50
),
该
细菌素含有两条肽链
,
分别为
enterocinL50-A
(
entL50-
A
)
^enterocinL50-B
(
entL50-B
)叫
除此之夕卜
,
到目前为止
已经对来自不同种属细菌的多个无前导肽细菌素进
行了报道
，
分别有来自屎肠球菌的
enterocinQ(entQ
)
、
enterocinKl
(entKl
);
来自粪肠球菌的
enterocinEJ97
(
entEJ97
)
enterocin7
(ent7,
与报道的
enterocinMR10
相同)
，
ent7
含有两条肽链
，
分别为
enterocin7-A
(
ent7-A
)
、
enten
)
cin7
-B
(
ent7
-
B);
来自金黄色葡萄球
菌的
aureocinA53
(
aurA53
)>aureocinA70
(
aurA70
),
au-
rA70
含有
4
条肽链
，
分别为
aureocinA7
0
-A
(aurA7
0
-
A
)
、
auTeocinA70
-B
(
aurA70
-B
)
^aureocinA70
-C
(
au-
rA70-G
)
>a
ureocmA70-D
(
aurA70-D
)
；
来自表皮葡萄球
菌的
epidermicinNIOl
(epiNIOl);
来自乳酸乳球菌的
lacticinQ
(lnqQ)
、
lacticinZ
(lnqZ
)
、
IsbB
、
lactolisterinBU
(UiBU
)
;来自鼠链球菌的
BHT-B
,
来自希腊魏氏杆菌
的
weisselicinY
(welY
)
、
weisselicinM
(welM
);
来自格氏
乳球菌的
garvicinKS
(
garKS
),
garKS
含有
3
条肽链
,
分
别为
garvicinKS-A
(
garKS-A
)
garvicinKS-B
(
garKS
-
B
)
.garvicinKS-C
(garKS-C);
来自蜡样芽胞杆菌的
cereucinX
(
cerX
)
、
cereucinH
(
cerH
)
、
cereucinV
(
cerV
),
它们是经生物信息学预测后化学合成的无前导肽细
菌素
，
其中
cerX
含有
3
条肽链
，
分别为
cereucinX-A
(
cerX-A
)
cereucinX-B
(
cerX-B
)
^cereucinX-C
(
cerX-
C
),
cerH
含有
4
条肽链
，
分别为
cereucinH-A
(
cerH-
A
)
^cereucinH-B
(cerH
一
B
)
、
cereucinH-C
(
cerH
一
C
)
、
cereucinH-D
(cerH-D
)
,cerV
含有
3
条肽链
，
分别为
cereucinV
-A
(cerV
-A)
>
cereucinV
-B
(
cerV
-B
)
、
cereucinV-G
(
cerV-G
)
[11_12]
o
根据组成无前导肽细菌素
的氨基酸序列
，
采用在线软件
clustal
omega
对其氨基
酸序列
_
致性进行比对
，
结果如图
]
所示
。
由图
1
可见
，
根据组成细菌素的氨基酸序列一致
性
，
无前导肽细菌素可以明显分为
a
、
b
、
c
、
d
4
类
，其中
a
类无前导肽细菌素肽链的
N
端和
C
端氨基酸序列都
较保守,
N
端保守序列为
MXXXAKXXXK(X
为任意氨
基酸),
C
端保守序列为
GWXXXKKXYXXXMQ
-
FIGXGW,
包括
welY
、
ent7
和
entL50;b
类富含甘氨酸
和丙氨酸
，
包括
aur70
、
garKS
、
cerX
、
cerH
、
cerV;c
类
N
端较保守而
C
端相对不保守
，
其中
N
端保守序列为
专题论述
食品研究与开发
2021
年
3
月
第
42
卷第
5
期
209^
a
weisselicinY
-----------------------
MANIVLRY
---------------------
GSV
—
—
AYNYAPKIFKWIGEGVSYNQIIKWGHNKGWW
—
42
weisselicin/il
-----------------------
MVSAAKVALK
---------------------
VGWGLVKKYYTKVMQFIGEGWSVDQIADKLKRH
--------
43
enterocinE50-A
-----------------------
MGAIAKLVAK
---------------------
FGWPIVKKYYKQIMQFIGEGWAimiEKIKKKI
—
—
44
ent
eroci
n7-A
-----------------------
MGAIAKLVAK
---------------------
FGWPIVKKYYKQIMQFIGEGWAimiDWIKKHI
—
—
44
enterocinD50-B
-----------------------
MGAIAKLVAK
---------------------
FGWPFIKKFYKQIMQFIGQGWTIDQEEKITLKRH
--------
43
enterocin7-B
-----------------------
MGAIAKLVAK
---------------------
FGWPFIKKFYKQIMQFIGQGWTIDQIEKVLKRH
--------
43
aureocinA70
-
A
MGKLAIKAGKII
—
—
GGGIASALGWAAGEKAVGK-
31
aureocinA70
_
C
-----------------------
MGA11KTGAKH
—
—
GSGAAGGLGTYIGHKILGK
-------------------------------------------
31
D
*
&ureocinA70
-----------------------MGAVIKVGAKVT-
■
—
GWGAASGAGLYGLEKILKK
-------------------------------------------
31
-----------------------
MGAL
—
—
FKAALKAAGGGAAGGATYGGLKHFFG
---------------------------------------------
30
cereucinX-C
-----------------------
MGAIIKGGLKLV
—
—
GGGAAGGFTYGGLKKIFG
---------------------------------------------
30
cereucinH~C
garvicinKS~B
-----------------------
MGAHKAGAmGKGLLGGAASATYSLKKIFG
---------------------------------------------
34
-----------------------------
MGAVAKFLGKAALGGAAGGAT
Y
AGLKKIFG---------------------------------------------
30
aureocinA70
_
B
------------------------------
MGAAVKMLGKAFAGGVAGGATYWLKKIFG
--------------------------------------------
30
cereucinV-B
-----------------------
MGAWKGALKII-
―
G3GAASGGAVYGLERIFGR
-------------------------------------------
31
---
b
cereucinV-C
cereucinV-A
cereucinX~B
cereucinX-B
cereucinX~A
cereucinH~A
cereucinK~D
garvi
cinKS~A
garvicinKS
_
C
lactoli
sterinBV
BHT-B
aureocinA53
epi
dermicinlUOl
l&ctcinQ
lactcinZ
enterocinQ
IsbB
enterocinEJ97
enterocinKl
-----------------------
MGAWKGGLKH
—
—
GGTAASWLGWEAGTRIWK
---------------------------------------------
30
-----------------------
MGALVKGCLKLI
—
—
GGTAASWLGWEAGERVWK
---------------------------------------------
30
------------------
MKYLGTLI
-------------
KGAAGGAGAYVGEKIYNWYKN
---------------------------------------------
29
----------------------------------
MGKKIGKWIITGAAGWAGWEIGEGIWK
--------------------------------------------
27
------------------------------------
MAKIGKWVVKGAAGYLGWEIGEGIWK
--------------------------------------------
26
-----------------------
MAGIIKGAAKVLGKGAATGCVIYGIJEKLFR
---------------------------------------------------
30
-----------------------
MGAIIKAGAKIVGKGVLGGGASWLGW1JVGEKIWK
---------------------------------------------
34
-----------------------
MGAIIKAGAKIVGKGALTGWVWLAEKLFGGK
------------------------------------------------
32
--------------
MWGRILGTVAKYGPKAV
---------------
SW
------
AWQHKWE1JN
■一
MG
—
DLAFRYIQR-IWG-
・
43
--------------MWGRIIAFVAKYGTKAV---------------
QW
------
AWKNKWFLLS
一-
LG
―
EAVFDYIRS-IWGG-
44
-------------
MSWUIFLKYIAKYGKKAV
---------------
SA
------
AWKYKGKVLEWUIVGPTLEWWQKLKK-IAGL-
51
-----------
MAAFMKHQFIATKGQKYV
---------------SL------
AWKHKGTILKWINAGQSFEWIYKQIKK-LWA
—
51
-----------
MAGFLKWQLUvKYGSKAV
---------------
QW
------
AWANKGKILDWLNAGQAIDWVVSKIKQ-ILGIK
53
-----------
MAGFLKWQILAKYGSKAV
---------------
QW
------
AWANKGKILDWINAGQAIDWWEKIKQ-ILGIK
53
-----------
MN
—
F-LKNGIAKWMTGAE
--------------
LQ
---------AYKKKYGCLPWEKIS------------------
C
----------
34
-----------------------
MKTILRFVAGYD
--------------
IA
--------
SHKKKTGGYPWERGK
------------------
A-
30
MLAKIKAHIKKFPNPYTUiAKLTTYE
--------------
IN
--------
WYKQQYGRYPWERPV
------------------
A-
44
37
-----------
MKFKFNPTGTIVKKLTQYE
--------------
IA
--------
WFKNKHGYYPWEIPR
------------------
C*
C
-
d
a
类
N
端和
C
端都较保守;
b
类富含甘氨酸和丙氨酸
；
c
类
N
端较保守而
C
端相对不保守;
d
类
C
端较保守而
N
端相对不保守
。
图
1
无前导肽细菌素氨基酸序列比对结果
Fig.l
Amino
acid
sequence
alignment
results
of
leaderless
bacteriocins
AXXGXKXV,
包括
lliBU
、
BHT-B
、
aur53
、
epiNI01
、
lnqQ
及
lnqZ;d
类
C
端较保守而
N
端相对不保守
，
其中
C
端保守序列为
KXXXGXXPWE,
包括
entQ
、
lsbB
、
en-
信息
，
类似简单的遗传组织在
entL50
中也有发现函
。
另外
，
除
welM
、
welY
的结构基因位于不同操纵子外
,
其余由同一菌株所产细菌素的各条肽链结构基因均
存在于同_操纵子内
，
并且肽链之间存在协同效应,
tEJ97
和
entKl
o
包括
ent7
、
entL50
、
aurA70
、
garKS
、
cerX
、
cerH
、
cerV
。无
2
无前导肽细菌素的生物合成
通常
，
细菌素的合成分为
3
个过程
，
首先合成无活
前导肽细菌素这种简单的遗传组织使其很容易与其
它微生物蛋白的
N
端扩展融合,因此也更容易被其它
性的
、
N
端含有前导肽序列的前体肽
,
前体肽在修饰酶
的作用下进行翻译后修饰
,
最后除去前体肽中的前导
细菌
、
真菌或真核细胞表达
。
如来源于乳酸乳球菌的
InqQ
和来源于金黄色葡萄球菌的
aurA53
能够在大肠
杆菌
BL21
中大量表达
，
另外
InqQ
也已在枯草
芽胞杆菌中成功表达呵
。
来源于
m
L50
的细菌
肽序列从而变为有活性的成熟肽问
。
前导肽是细菌素
生物合成酶的识别位点
，
是酶-底物相互作用所必需
的,并对细菌素产生菌有保护作用网
。
大部分细菌素前
导肽的切割和分泌需要其专门的前导肽序列,前导肽
素
entL50-A
和
entL50-B
也已经在酿酒酵母和毕赤酵
母中成功表达吟叫
在细菌素的生物合成中起重要作用丽
。
长期以来人们
认为前导肽是细菌素生物合成所必需的
，
然而
，
无前
3
无前导肽细菌素的理化特征
无前导肽细菌素因其肽链
N
端不含前导肽序列
导肽细菌素的生物合成过程却不形成前导肽序列
,
在
翻译后不经任何修饰即转变有活性的成熟肽
。
如
au-
而得名
，
无前导肽细菌素通常含
27
个~
53
个氨基酸
,
肽链相对较短
，
相对分子质量在
2.7
kDa~6.1
kDa
之
rA53
的生物合成除结构基因外几乎不需要其它遗传
—
210
2021
年
3
月
第
42
卷第
5
期
食品硏究与开发
专题论述
间
，
富含赖氨酸残基而缺少半胱氨酸残基
。
研究显示,
大多数无前导肽细菌素
N
端的甲硫氨酸残基进行了
分别为
10.68,10.95,
水溶液中具有高度的结构性
。
InqQ
含有
53
个氨基酸残基
，
其中有
8
个赖氨酸和
4
个色氨酸残基
，
带有
8
个正电荷
，
等电点为
10.7
。
au-
甲酰化，
形成了
N-
甲酰甲硫氨酸
，
如
aurA53
、
lnqQ
、
lsbB
、
garKS
、
aurA70
、
ent7
、
welY
、
welM
等
，
但其功能一-
宜未知
。
在大肠杆菌菌株
E.
coli
BL21
中异源表达的
rA53
含有
51
个氨基酸残基
，
其中
10
个赖氨酸和
5
个
色氨酸残基
，
带有
8
个正电荷
，
等电点为
10.8,
对蛋白
lnqQ
、
aurA53
都不含甲酰甲硫氨酸残基
，
但其保持有
完整的生物活性
。
lnqZ
、
lnqQ
中甲酰甲硫氨酸残基的去
酶不敏感
，
在水溶液中呈刚性结构同
。
IsbB
含
30
个氨
基酸残基
，
带有
6
个正电荷
，
等电点为
10.75
同
。
除也不影响其抗菌活性
。
可见,
N
端的甲酰甲硫氨酸残
另外
,
除
IsbB
仅对乳酸乳球菌有活性外
,多数无前
基并不影响无前导肽细菌素的抗菌活性
。
另外
，
所有
无前导肽细菌素都带
2
个~
8
个不等的正电荷,有较高
导肽细菌素有广谱抑菌活性
,
特别是对食品腐败菌李
斯特菌属的微生物
。
值得注意的是
garKS
对革兰氏阴
性菌
Acinetobacter
baumannii
Bl
162
等有抑菌活性
，
而
的等电点
，
通常大于
9,
由于其氨基酸序列的差异
,
细
菌素的亲水疏水作用各不相同
。
例如,
ent7-A
和
ent7-
ent7-A
、
ent7-B
对革兰氏阴性菌
Brevundimonas
dimin
—
B
分别含有
44,43
个氨基酸残基
,7
个正电荷,等电点
Ma
有抑菌活性
。部分无前导肽细菌素抑菌谱见表
1
。
表
1
部分无前导肽细菌素的抑菌谱
Table
1
Antibacterial
spectrum
of
part
leaderless
bacteriocins
指示菌种类
aurA53
aurA70
LnqQ
garKSIsbB
ent7
welY
welM
索丝'菌属
(Brochothri%
)
+
—
—
—
+
+
—
—
+
+
—
—
+
+
—
—
—
-
—
—
—
—
—
—
芽胞杆菌属(加汎血
)
纤维菌属
(
Cellulomonas
)
肉食杆菌属
(
camobacterium
)
+
—
—
—
+
—
—
—
+
—
+
—
梭菌属
(
Clos
tridium
)
肠球菌属
(Enterococcus
)
+
—
—
—
—
+
—
+
—
+
—
+
—
-
—
+
+
+
—
+
+
+
—
考克氏菌属
(Kocuria)
乳杆菌属
(Lactobacillus
)
乳球菌属
(Lactococcal
)
+
+
+
—
+
+
+
+
+
—
—
+
+
+
+
+
—
—
+
+
+
+
+
+
-
+
—
—
明串珠菌属
(Leuconostoc
)
李斯特菌属
(
E
诫
ria)
+
+
+
—
——
+
+
+
-
+
—
+
+
-
片球菌属
(
/Wiococcws
)
葡萄球菌属
(
Stcphylococcus
)
+
—
魏氏菌属
(
Weis$e"a)
不动杆菌属
(Acinetobacter)
+
—
短波单胞菌属
(
Brevundimonas
)
—
——
—
+
注:
+
赫有抑菌活性
;
-表示无抑菌活性
;
一妬未对该属内菌株进行抑菌活性检测
。
4
无前导肽细菌素的抗菌机制
理解细菌素抗菌机制是其能够进行广泛应用的
些疏水氨基酸暴露溶剂使其表面形成一定的疏水区
域
。
如
aurA53
中所有的赖氨酸残基位于表面
,5
个色
基础和关键,而三维结构的解析对理解细菌素的抗菌
机制有重要作用
。
第一个三维结构被解析的无前导肽
氨酸中有
4
个暴露于表面
，
形成一定的疏水区域
。
但
IsbB
的三维结构显示其
N
末端为
a-
螺旋,
C
末端无结
构
，
在水溶液中呈非结构状态㈣
。
通常细菌素通过与靶标细胞膜上的特定受体结
细菌素是
ent7-A
、
ent7-B,
除此之外
，
到目前为止四-
rA53
、
lnqQ
、
lsbB
的三维结构也已获得解析
，
因此
，
它们的
抑菌机制可认为是无前导肽细菌素抗菌机制的代表
。
合形成“
孔道
”
结构破坏细胞膜或抑制细胞壁的形
核磁共振的结构解析显示
，
ent7-A
、
ent7-B
、
au-
成
,
发挥抑菌作用
，
如羊毛硫细菌素
nisin
是通过与靶
rA53
及
InqQ
具有相似的三维结构
，
它们的
N
末端和
标细胞膜上的细胞壁合成前体脂质
II
绑定形成
“
孔
道
”
并抑制细胞壁的合成从而抑制细菌生长冋
。
细菌素
C
末端均由两亲性的
a-
螺旋构成
，
其三维结构高度折
叠
，
表面含有较高的阳离子
，
疏水残基位于核心而亲
水残基暴露于溶剂,形成亲水的表面区域
,
但也有某
pediocinPA-1
通过与靶标细胞膜上的甘露糖磷酸转移
酶绑定形成
“
孔道
”
而获得抗菌活性网
。
与大多数细菌
专题论述
貪品研究与开发
2021
年
3
月
第
42
卷第
5
期
素的作用机制不同
，
无前导肽细菌素
ent7-A
、
ent7-B
、
aurA53
及
lnqQ
发挥抑菌作用却不需要任何受体参
与
。
lnqQ
首先通过静电吸引与带负电的靶标细胞膜结
合
，
然后通过渗透在靶标细胞膜上形成
“
环形孔
”
使细
胞内容物泄露而杀死细菌㈣
，
也有报道称细菌素
lnqQ
并不形成
“
环形孔
”
,
而是通过轻自由基的积累来杀死
靶标细菌的㈣
。
aurA53
既不需要任何特殊受体,也不形
成
“
孔道
”
结构
,
而是渗透到靶标细胞膜后使重要分子
泄露
、
膜电位消失
、
大分子合成终止而发挥抗菌作用
。
有研究显示,
aurA53
与中性细胞膜的相互作用强于阴
性细胞膜,推测其疏水作用在与靶标细胞膜的相互作
用过程中发挥重要作用
。
同样,
ent7_A
、
ent7_B
也是通
过静电吸引和疏水作用与靶标细胞膜结合
，
随后
a-
螺
旋解旋，
疏水核暴露并插入膜靶标细胞膜中㈣
。
然而
，
研究显示
,
IsbB
却需要受体介导来发挥抑菌作用
，
其
C
末端最外的
8
个氨基酸序列为受体结合部分
,
IsbB
需
要与靶标细胞膜上的受体锌依赖的金属肽酶结合
，
从
而导致靶标细胞膜破坏而发挥抗菌作用
,
但带正电荷
的
IsbB
与带负电荷的靶标细胞膜之间的静电作用对
其与受体的结合有重要影响
。
由此可见
，
静电吸引在
无前导肽细菌素的抗菌机制中发挥重要作用
,
所有无
前导肽细菌素均带有正电荷
，
这使其更易与带负电荷
的靶标细胞相互作用而减少对特定受体的依赖
，
可能
也是其拥有广谱抗菌活性的原因之一,这种机制与多
细胞生物的小阳离子抗菌肽
（
20
个~
40
个残基
）
的膜
渗透作用类似冏
。
另外
，疏水作用在无前导肽细菌素的
抗菌机制中也发挥重要作用
，
如
-
rA53
及
lnqQ
虽然具有极其相似的三维结构
，
但由于
氨基酸序列的差异仍使其具有不同的抗菌活性
,
这可
能与其不同的疏水作用相关
。
5
无前导肽细菌素在食品中的应用
单核细胞增生性李斯特菌
（
单增李斯特菌
）
、
金黄
色葡萄球菌
、
大肠杆菌
、
芽胞杆菌等都是导致食品污
染或腐败的常见微生物
。
如单增李斯特菌是一种食源
性病原菌
，
其广泛存在于水
、
土壤、植物中
。
该菌可污
染牛奶
、
肉制品
、
蔬菜等食品
,
在加工运输和冷藏条件
下均可生长
。
单增李斯特菌是人畜共患菌
，
可引起人
和动物脑膜炎
、
败血症
、
胃肠炎等疾病
,
威胁人类生命
与健康吐叫许多无前导肽细菌素是由食品中分离的
微生物产生的
，
如细菌素
aurA53
、
aurA70
、
garKS
、
lsbB
是由分离自商品牛奶或奶酪中的微生物产生的,
ent7
是从碎牛肉中分离到的微生物产生的,
welY
、
welM
是
由分离自日本泡菜桶中的微生物产生的，
它们很多是
211
—
食品级乳酸菌产生的
，
如
garKS
、
l
訪
B
、
ent7
、
welY
、
welM
等
，
这种特性使其在食品中的应用具有先天的安全
性
。
多数无前导肽细菌素对革兰氏阳性细菌有广泛的
抑菌活性
，
尤其是单增李斯特菌
。
虽然多数无前导肽
细菌素对革兰氏阴性细菌无活性
,
但与其它抑菌物质
的联合使用对很多食源性病原菌有协同抑菌作用
。
如
garK
是由分离自原料牛乳中的乳酸菌
Lc.
garvieae
KS1546
产生的含有
3
条肽链的无前导肽细菌素
，
其与
polymyxinB
联合使用对不动杆菌和大肠杆菌有协同抑
菌活性
，
与
polymyxinB
、
nisin
联合使用能够快速杀灭
并完全根除不动杆菌和大肠杆菌
，
与
nisin
联合使用对
金黄色葡萄球菌有协同作用
，
与
nisin
、
金合欢醇联合
使用在低浓度下能快速根除金黄色葡萄球菌玛
。
另外
,
无前导肽细菌素没有毒性
,
易降解而不易
残留
，
耐热
、
耐酸碱
，
对某些抗生素抗性菌株有活性
。
如
aurA53
对真核细胞无毒
,
没有溶血活性
，
在
4
乜可
至少存放
48
周
,
在
-20
P
可保持
72
周活性不变
,
对模
拟胃液和胆盐敏感
,
在模拟胃液
3
h
活性丧失
87.5%,
对胆盐
90
min
丧失
68.5%
。
aurA53
对接种单增李斯特
菌的脱脂牛奶抑菌试验表明
,4
P
条件下存放
7
d
后
，
与对照相比
,aurA53
可使牛奶中的活菌总数减少
107.7
CFU/mL,aurA53
可作为保鲜剂应用于牛乳产
品国创
。
ent7
除对单增李斯特菌
、
梭菌属的细菌有活性
外
，
还对耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌及耐万古霉
素的肠球菌有活性閃
。
除此之外
,
无前导肽细菌素由于
其简单的遗传组织使其更易于在其它微生物细胞中
表达
、
更易于通过生物工程手段进行规模化生产
、
更
易于进行分子改造而生产出新型的
、
更具优势功能的
细菌素
。
如通过在原生产菌株中增加
garKS
基因簇的
拷贝数
,
优化培养基成分
,
优化培养条件使其表达量
增加
2
000
倍閃
。
6
结论
无前导肽细菌素是由核糖体合成的
、
N
端不含
前导肽序列的一种细菌素
，
该类细菌素通常含
27
个~
53
个氨基酸
，
富含赖氨酸残基而缺少半胱氨酸残基，
均带有正电荷，
有较高的等电点。
根据氨基酸序列的
一致性
，
该类细菌素可分为
4
类
。
无前导肽细菌素具
有相似的三维结构
，
作用于靶标细胞时受特定受体依
赖较小
，
静电作用和疏水作用在抑菌机制中发挥重要
作用
,多数具有广谱抑菌活性,
特别是对食品腐败菌
李斯特菌属的微生物
。
无前导肽细菌素不需要前导肽
序列就能生物合成
,
翻译后不经任何修饰或简单的甲
基化即可成为有活性的成熟肽
,
这种简单的遗传结构
2021
年
3
月
第
42
卷第
5
期
食品硏究与开发
专题论述
—
272
更易被其它细菌
、
真菌或真核细胞表达
，
有利于通过
生物工程进行大规模生产
，
具有巨大的商业应用潜
能
,
无前导肽细菌素未来会在食品工业及其它领域有
更广泛的应用
。
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HOLO
H.
Synergistic
antimicrobial
activity
between
the
broad
spectrum
bacteriocin
garvicin
KS
and
nisin,
farnesol
and
polymyxin
B
against
gram-positive
and
gram-negative
bacteria
[J].
Current
Microbiology,
201
&
75(3):
272-277.
213
—
[33]
FAGUNDES
P
C,
FARIAS
F
M,
SANTOS
O
C
S,
et
al.
The
antimi
crobial
peptide
aureocin
A53
as
an
alternative
agent
for
biopreser
vation
of
dairy
products
[J].
Journal
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Applied
Microbiology,
2016,
⑵⑵
:
435-444.
[34]
MARTHUR
H,
FIELD
D,
REA
M
C,
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Bacteriocin
—
Antimicro
bial
Synergy:A
Medical
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Food
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LIU
X
J,
VEDERAS
J
C,
WHITTAL
R
M,
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Identification
of
an
N-teiminal
formylated,
two-peptide
bacteriocin
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Enterococcus
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[36]
TELKE
A
A,
OVCHINNIKOV
K
V,
VUORISTO
K
S,
et
al.
Over
2000
-fold
increased
production
of
the
leaderless
bacteriocin
gar
vicin
KS
by
increasing
gene
dose and
optimization
of
culture
condi
—
tions[JJ.
Frontiers
in
Microbiology,
2019,10:
389.
加工编辑:姚骏
收稿日期:
2020-03-31
2024年4月20日发(作者：墨曼语)
专题论述
DOI
:
.1005-6521.2021.05.035
貪品研究与开发
2021
年
3
月
第
42
卷第
5
期
207
—
无前导肽细菌素的研究进展及在食品保藏中的
应用
张晓峰
，
王丹
，户萌菲,孙西玉
，
潘春梅
*
*
(河南牧业经济学院食品与生物工程学院
，
河南郑州
450046
)
摘
要
：
细菌素作为食品防腐剂在食品工业中已广泛应用
。无前导肽细菌素是一类由核糖体合成
、
不进行任何翻译后
修饰
、
N
端没有前导肽序列的细菌素
。该文对目前无前导肽细菌素的类型
、
生物合成
、
理化特征
、
抗菌机制及在食品保
藏中的应用进行综述
。
分析表明，
该类细菌素通常含
27
个~
53
个氨基酸
，
富含赖氨酸残基而缺少半胱氨酸残基
，
均带
有正电荷
，
有较高的等电点
；
该类细菌素受受体影响小
，
静电作用和疏水作用在抑菌机制中发挥重要作用
，
多数具有
广谱抑菌活性;该类细菌素遗传结构简单
，
便于在其它微生物中表达
，
易于规模化生产
。
关键词
：
细菌素;无前导肽细菌素;抗菌机制
；
抑菌活性;食品保藏
Advances
on
Leaderless
Bacteriocins
and
Application
in
Food
Preservation
ZHANG
Xiao-feng,
WANG
Dan,
HU
Meng-fei,
SUN
Xi-yu,
PAN
Chun-mei
*
(
College
of
Food
Science
and
Engineering
,
Henan
University
of
Animal
Husbandry
and
Economy
,
Zhengzhou
450046,
Henan
,
China)
Abstract
:
Bacteriocins
are
widely
used
as
food
preservatives.
Leaderless
bacteriocins
represent
a
class
of
antimicrobial
peptides
derived
from
ribosome
and
characterized
by
the
absence
of
an
N-terminal
leader
peptide
and
posttranslational
modifications.
In
this
review
,
the
types
,
biosynthesis
,
physical
and
chemical
characteristics
,
antibacterial
mechanism
and
application
of
bacteriocins
in
food
preservation
were
reviewed.
Analysis
showed
that
bacteriocins
usually
comprised
27
to
53
amino
acids
,
and
were
positively
charge
with
high
isoelectric
point.
Also,
these
were
rich
in
lysine
residues
but
lacks
cysteine
residues.
Leaderless
bacteriocins
were
less
affected
by
receptors
and
most
of
them
exhibit
broad
-spectrum
antibacterial
activities
, since
electrostatic
and
hydrophobic
forces
play
an
important
role
in
the
antibacterial
mechanism.
Leaderless
bacteriocins
could
be
conveniently
expressed
through
other
microorganisms
and
were
easy
to
produce
on
a
large
scale
since
these
exhibit
a
simple
genetic
structure.
Key
words
:
bacteriocins
;
leaderless
bacteriocins
;
antibacterial
mechanism;
antibacterial
activity;
food
preser
vation
引文格式
：
张晓峰
，
王丹
，
户萌菲
，
等.无前导肽细菌素的研究进展及在食品保藏中的应用
[J].
食品研究与开发
,2021,42(5):207-
213.
ZHANG
Xiaofeng
,
WANG
Dan,
HU
Mengfei
,
et
al.
Advances
on
Leaderless
Bacteriocins
and
Application
in
Food
Preserva-
tion[J].Food
Research
and
Development
,2021,
42(5):207-213.
基金项目:河南省重大科技专项(⑻
100211400)
；
河南牧业经济学院重点科研创新基金
(XKYCXJJ2017010
)
作者简介:张晓峰
(1978-),
男(汉)
，
副教授
，
博士
，
研究方向:微生物资源及应用
。
*
通信作者:潘春梅
(1975
—
),
女(汉)
，
教授
，
硕士生导师
，
研究方向:微生物资源及应用
。
2021
年
3
月
第
42
卷第
5
期
食品硏究与开发
专题论述
—
208
细菌素是细菌在代谢过程中由核糖体合成的
、
对
产生菌具有自身免疫性的一类具有抗菌活性的多肽
类物质叫细菌素在生物合成
、
作用模式
、
抗性机制及
抗菌活性方面与抗生素存在明显不同,被认为是抗生
素的最佳替代品之一叫据统计
，
一半以上的细菌可产
生不同种类的细菌素叫随着大量微生物基因组的公
布和细菌素在线比对工具的应用
,
越来越多的细菌素
被发现和鉴定
。
Xin
B
Y
等通过在线比对工具
BAGEL3
对
GenBank
中的
223
株苏云金芽胞杆菌基因组的细
菌素基因簇进行预测
，
从
77
个菌株的基因组中预测到
了
101
个羊毛硫细菌素的基因簇
，
通过对部分预测结
果进行验证
，
最后获得了含有
4
条肽链的新型羊毛硫
细菌素
thuricin4ARi
。
目前研究的最多
、最深入的是来
源于乳酸菌的羊毛硫细菌素叫虽然
1951
年就提出细
菌素可作为防腐剂在食品中使用
,
然而
,
迄今为止仅
有广谱活性细菌素
nisin
和
pediocinPA-1
被授权做为
食品保藏剂使用叫所以
，
开发新型的
、
具有广谱活性
的细菌素具有广泛的应用前景叫不同于大多数细菌
素
,
无前导肽细菌素是细菌素家族中一类由核糖体合
成的
、不进行任何翻译后修饰的
、
N
端没有前导肽序列
的细菌素叫该类细菌素遗传结构简单
，
抗菌机制独
特
，
产生菌多来源于食品且易于在其它微生物中表
达,适合通过生物工程进行规模化生产
，
具有巨大的
商业应用潜能。
目前已有近
20
种无前导肽细菌素被
鉴定和报道
，
本文对该类细菌素的类型
、
理化特性、
生
物合成
、
作用机制及在食品保藏中的应用进行了综
述
，
使人们深入理解无前导肽细菌素的特性和优势
，
为其进一步应用提供一定的理论基础。
1
无前导肽细菌素的类型
细菌素的分类有不同的方法
，
目前广泛接受的是
由
Cotter
等在
2013
年修订后的分类方案
，
按照该分类
方案
，
细菌素主要分为
I
类细菌素(也称为翻译后可修
饰细菌素)和
II
类细菌素(也称为翻译后非修饰细菌
素)两类
。
其中
I
类细菌素主要包含羊毛硫细菌素等可
修饰细菌素
。
II
类细菌素又分为
5
小类
,
Ila
类为
pe-
diocinPA-
1
类细菌素
，
如
pediocinPA-
1;
lib
类为由两
条肽链组成的具有协同作用的二肽细菌素
，
如
betas
inF
;
He
类为环肽类细菌素
，如
enterocinAS-48
;
lid
类
为非修饰的
、线状的、
不属于
pediocinPA-1
的细菌素
，
如
microcinS
、
无前导肽细菌素等;
lie
类为具有铁载体
修饰的竣基末端富含丝氨酸的细菌素
，
如
microcin
E492
O
另外
,2016
年,
Alvarez
等⑼在前人基础上对来源
于乳酸菌的细菌素进行了分类,该分类方案同样将细
菌素主要分为修饰细菌素和非修饰细菌素两大类
(
I
类和
II
类)
，
其中环肽类细菌素被作为
I
类细菌素
，
无前
导肽细菌素被作为
II
类细菌素中的一小类
。无论哪种
分类方案,无前导肽细菌素都属于比较特殊的一类
。
首次报道的无前导肽细菌素是
1998
年由菌株
E.
faecium
L50
产生的细菌素
enterocinL50
(
entL50
),
该
细菌素含有两条肽链
,
分别为
enterocinL50-A
(
entL50-
A
)
^enterocinL50-B
(
entL50-B
)叫
除此之夕卜
,
到目前为止
已经对来自不同种属细菌的多个无前导肽细菌素进
行了报道
，
分别有来自屎肠球菌的
enterocinQ(entQ
)
、
enterocinKl
(entKl
);
来自粪肠球菌的
enterocinEJ97
(
entEJ97
)
enterocin7
(ent7,
与报道的
enterocinMR10
相同)
，
ent7
含有两条肽链
，
分别为
enterocin7-A
(
ent7-A
)
、
enten
)
cin7
-B
(
ent7
-
B);
来自金黄色葡萄球
菌的
aureocinA53
(
aurA53
)>aureocinA70
(
aurA70
),
au-
rA70
含有
4
条肽链
，
分别为
aureocinA7
0
-A
(aurA7
0
-
A
)
、
auTeocinA70
-B
(
aurA70
-B
)
^aureocinA70
-C
(
au-
rA70-G
)
>a
ureocmA70-D
(
aurA70-D
)
；
来自表皮葡萄球
菌的
epidermicinNIOl
(epiNIOl);
来自乳酸乳球菌的
lacticinQ
(lnqQ)
、
lacticinZ
(lnqZ
)
、
IsbB
、
lactolisterinBU
(UiBU
)
;来自鼠链球菌的
BHT-B
,
来自希腊魏氏杆菌
的
weisselicinY
(welY
)
、
weisselicinM
(welM
);
来自格氏
乳球菌的
garvicinKS
(
garKS
),
garKS
含有
3
条肽链
,
分
别为
garvicinKS-A
(
garKS-A
)
garvicinKS-B
(
garKS
-
B
)
.garvicinKS-C
(garKS-C);
来自蜡样芽胞杆菌的
cereucinX
(
cerX
)
、
cereucinH
(
cerH
)
、
cereucinV
(
cerV
),
它们是经生物信息学预测后化学合成的无前导肽细
菌素
，
其中
cerX
含有
3
条肽链
，
分别为
cereucinX-A
(
cerX-A
)
cereucinX-B
(
cerX-B
)
^cereucinX-C
(
cerX-
C
),
cerH
含有
4
条肽链
，
分别为
cereucinH-A
(
cerH-
A
)
^cereucinH-B
(cerH
一
B
)
、
cereucinH-C
(
cerH
一
C
)
、
cereucinH-D
(cerH-D
)
,cerV
含有
3
条肽链
，
分别为
cereucinV
-A
(cerV
-A)
>
cereucinV
-B
(
cerV
-B
)
、
cereucinV-G
(
cerV-G
)
[11_12]
o
根据组成无前导肽细菌素
的氨基酸序列
，
采用在线软件
clustal
omega
对其氨基
酸序列
_
致性进行比对
，
结果如图
]
所示
。
由图
1
可见
，
根据组成细菌素的氨基酸序列一致
性
，
无前导肽细菌素可以明显分为
a
、
b
、
c
、
d
4
类
，其中
a
类无前导肽细菌素肽链的
N
端和
C
端氨基酸序列都
较保守,
N
端保守序列为
MXXXAKXXXK(X
为任意氨
基酸),
C
端保守序列为
GWXXXKKXYXXXMQ
-
FIGXGW,
包括
welY
、
ent7
和
entL50;b
类富含甘氨酸
和丙氨酸
，
包括
aur70
、
garKS
、
cerX
、
cerH
、
cerV;c
类
N
端较保守而
C
端相对不保守
，
其中
N
端保守序列为
专题论述
食品研究与开发
2021
年
3
月
第
42
卷第
5
期
209^
a
weisselicinY
-----------------------
MANIVLRY
---------------------
GSV
—
—
AYNYAPKIFKWIGEGVSYNQIIKWGHNKGWW
—
42
weisselicin/il
-----------------------
MVSAAKVALK
---------------------
VGWGLVKKYYTKVMQFIGEGWSVDQIADKLKRH
--------
43
enterocinE50-A
-----------------------
MGAIAKLVAK
---------------------
FGWPIVKKYYKQIMQFIGEGWAimiEKIKKKI
—
—
44
ent
eroci
n7-A
-----------------------
MGAIAKLVAK
---------------------
FGWPIVKKYYKQIMQFIGEGWAimiDWIKKHI
—
—
44
enterocinD50-B
-----------------------
MGAIAKLVAK
---------------------
FGWPFIKKFYKQIMQFIGQGWTIDQEEKITLKRH
--------
43
enterocin7-B
-----------------------
MGAIAKLVAK
---------------------
FGWPFIKKFYKQIMQFIGQGWTIDQIEKVLKRH
--------
43
aureocinA70
-
A
MGKLAIKAGKII
—
—
GGGIASALGWAAGEKAVGK-
31
aureocinA70
_
C
-----------------------
MGA11KTGAKH
—
—
GSGAAGGLGTYIGHKILGK
-------------------------------------------
31
D
*
&ureocinA70
-----------------------MGAVIKVGAKVT-
■
—
GWGAASGAGLYGLEKILKK
-------------------------------------------
31
-----------------------
MGAL
—
—
FKAALKAAGGGAAGGATYGGLKHFFG
---------------------------------------------
30
cereucinX-C
-----------------------
MGAIIKGGLKLV
—
—
GGGAAGGFTYGGLKKIFG
---------------------------------------------
30
cereucinH~C
garvicinKS~B
-----------------------
MGAHKAGAmGKGLLGGAASATYSLKKIFG
---------------------------------------------
34
-----------------------------
MGAVAKFLGKAALGGAAGGAT
Y
AGLKKIFG---------------------------------------------
30
aureocinA70
_
B
------------------------------
MGAAVKMLGKAFAGGVAGGATYWLKKIFG
--------------------------------------------
30
cereucinV-B
-----------------------
MGAWKGALKII-
―
G3GAASGGAVYGLERIFGR
-------------------------------------------
31
---
b
cereucinV-C
cereucinV-A
cereucinX~B
cereucinX-B
cereucinX~A
cereucinH~A
cereucinK~D
garvi
cinKS~A
garvicinKS
_
C
lactoli
sterinBV
BHT-B
aureocinA53
epi
dermicinlUOl
l&ctcinQ
lactcinZ
enterocinQ
IsbB
enterocinEJ97
enterocinKl
-----------------------
MGAWKGGLKH
—
—
GGTAASWLGWEAGTRIWK
---------------------------------------------
30
-----------------------
MGALVKGCLKLI
—
—
GGTAASWLGWEAGERVWK
---------------------------------------------
30
------------------
MKYLGTLI
-------------
KGAAGGAGAYVGEKIYNWYKN
---------------------------------------------
29
----------------------------------
MGKKIGKWIITGAAGWAGWEIGEGIWK
--------------------------------------------
27
------------------------------------
MAKIGKWVVKGAAGYLGWEIGEGIWK
--------------------------------------------
26
-----------------------
MAGIIKGAAKVLGKGAATGCVIYGIJEKLFR
---------------------------------------------------
30
-----------------------
MGAIIKAGAKIVGKGVLGGGASWLGW1JVGEKIWK
---------------------------------------------
34
-----------------------
MGAIIKAGAKIVGKGALTGWVWLAEKLFGGK
------------------------------------------------
32
--------------
MWGRILGTVAKYGPKAV
---------------
SW
------
AWQHKWE1JN
■一
MG
—
DLAFRYIQR-IWG-
・
43
--------------MWGRIIAFVAKYGTKAV---------------
QW
------
AWKNKWFLLS
一-
LG
―
EAVFDYIRS-IWGG-
44
-------------
MSWUIFLKYIAKYGKKAV
---------------
SA
------
AWKYKGKVLEWUIVGPTLEWWQKLKK-IAGL-
51
-----------
MAAFMKHQFIATKGQKYV
---------------SL------
AWKHKGTILKWINAGQSFEWIYKQIKK-LWA
—
51
-----------
MAGFLKWQLUvKYGSKAV
---------------
QW
------
AWANKGKILDWLNAGQAIDWVVSKIKQ-ILGIK
53
-----------
MAGFLKWQILAKYGSKAV
---------------
QW
------
AWANKGKILDWINAGQAIDWWEKIKQ-ILGIK
53
-----------
MN
—
F-LKNGIAKWMTGAE
--------------
LQ
---------AYKKKYGCLPWEKIS------------------
C
----------
34
-----------------------
MKTILRFVAGYD
--------------
IA
--------
SHKKKTGGYPWERGK
------------------
A-
30
MLAKIKAHIKKFPNPYTUiAKLTTYE
--------------
IN
--------
WYKQQYGRYPWERPV
------------------
A-
44
37
-----------
MKFKFNPTGTIVKKLTQYE
--------------
IA
--------
WFKNKHGYYPWEIPR
------------------
C*
C
-
d
a
类
N
端和
C
端都较保守;
b
类富含甘氨酸和丙氨酸
；
c
类
N
端较保守而
C
端相对不保守;
d
类
C
端较保守而
N
端相对不保守
。
图
1
无前导肽细菌素氨基酸序列比对结果
Fig.l
Amino
acid
sequence
alignment
results
of
leaderless
bacteriocins
AXXGXKXV,
包括
lliBU
、
BHT-B
、
aur53
、
epiNI01
、
lnqQ
及
lnqZ;d
类
C
端较保守而
N
端相对不保守
，
其中
C
端保守序列为
KXXXGXXPWE,
包括
entQ
、
lsbB
、
en-
信息
，
类似简单的遗传组织在
entL50
中也有发现函
。
另外
，
除
welM
、
welY
的结构基因位于不同操纵子外
,
其余由同一菌株所产细菌素的各条肽链结构基因均
存在于同_操纵子内
，
并且肽链之间存在协同效应,
tEJ97
和
entKl
o
包括
ent7
、
entL50
、
aurA70
、
garKS
、
cerX
、
cerH
、
cerV
。无
2
无前导肽细菌素的生物合成
通常
，
细菌素的合成分为
3
个过程
，
首先合成无活
前导肽细菌素这种简单的遗传组织使其很容易与其
它微生物蛋白的
N
端扩展融合,因此也更容易被其它
性的
、
N
端含有前导肽序列的前体肽
,
前体肽在修饰酶
的作用下进行翻译后修饰
,
最后除去前体肽中的前导
细菌
、
真菌或真核细胞表达
。
如来源于乳酸乳球菌的
InqQ
和来源于金黄色葡萄球菌的
aurA53
能够在大肠
杆菌
BL21
中大量表达
，
另外
InqQ
也已在枯草
芽胞杆菌中成功表达呵
。
来源于
m
L50
的细菌
肽序列从而变为有活性的成熟肽问
。
前导肽是细菌素
生物合成酶的识别位点
，
是酶-底物相互作用所必需
的,并对细菌素产生菌有保护作用网
。
大部分细菌素前
导肽的切割和分泌需要其专门的前导肽序列,前导肽
素
entL50-A
和
entL50-B
也已经在酿酒酵母和毕赤酵
母中成功表达吟叫
在细菌素的生物合成中起重要作用丽
。
长期以来人们
认为前导肽是细菌素生物合成所必需的
，
然而
，
无前
3
无前导肽细菌素的理化特征
无前导肽细菌素因其肽链
N
端不含前导肽序列
导肽细菌素的生物合成过程却不形成前导肽序列
,
在
翻译后不经任何修饰即转变有活性的成熟肽
。
如
au-
而得名
，
无前导肽细菌素通常含
27
个~
53
个氨基酸
,
肽链相对较短
，
相对分子质量在
2.7
kDa~6.1
kDa
之
rA53
的生物合成除结构基因外几乎不需要其它遗传
—
210
2021
年
3
月
第
42
卷第
5
期
食品硏究与开发
专题论述
间
，
富含赖氨酸残基而缺少半胱氨酸残基
。
研究显示,
大多数无前导肽细菌素
N
端的甲硫氨酸残基进行了
分别为
10.68,10.95,
水溶液中具有高度的结构性
。
InqQ
含有
53
个氨基酸残基
，
其中有
8
个赖氨酸和
4
个色氨酸残基
，
带有
8
个正电荷
，
等电点为
10.7
。
au-
甲酰化，
形成了
N-
甲酰甲硫氨酸
，
如
aurA53
、
lnqQ
、
lsbB
、
garKS
、
aurA70
、
ent7
、
welY
、
welM
等
，
但其功能一-
宜未知
。
在大肠杆菌菌株
E.
coli
BL21
中异源表达的
rA53
含有
51
个氨基酸残基
，
其中
10
个赖氨酸和
5
个
色氨酸残基
，
带有
8
个正电荷
，
等电点为
10.8,
对蛋白
lnqQ
、
aurA53
都不含甲酰甲硫氨酸残基
，
但其保持有
完整的生物活性
。
lnqZ
、
lnqQ
中甲酰甲硫氨酸残基的去
酶不敏感
，
在水溶液中呈刚性结构同
。
IsbB
含
30
个氨
基酸残基
，
带有
6
个正电荷
，
等电点为
10.75
同
。
除也不影响其抗菌活性
。
可见,
N
端的甲酰甲硫氨酸残
另外
,
除
IsbB
仅对乳酸乳球菌有活性外
,多数无前
基并不影响无前导肽细菌素的抗菌活性
。
另外
，
所有
无前导肽细菌素都带
2
个~
8
个不等的正电荷,有较高
导肽细菌素有广谱抑菌活性
,
特别是对食品腐败菌李
斯特菌属的微生物
。
值得注意的是
garKS
对革兰氏阴
性菌
Acinetobacter
baumannii
Bl
162
等有抑菌活性
，
而
的等电点
，
通常大于
9,
由于其氨基酸序列的差异
,
细
菌素的亲水疏水作用各不相同
。
例如,
ent7-A
和
ent7-
ent7-A
、
ent7-B
对革兰氏阴性菌
Brevundimonas
dimin
—
B
分别含有
44,43
个氨基酸残基
,7
个正电荷,等电点
Ma
有抑菌活性
。部分无前导肽细菌素抑菌谱见表
1
。
表
1
部分无前导肽细菌素的抑菌谱
Table
1
Antibacterial
spectrum
of
part
leaderless
bacteriocins
指示菌种类
aurA53
aurA70
LnqQ
garKSIsbB
ent7
welY
welM
索丝'菌属
(Brochothri%
)
+
—
—
—
+
+
—
—
+
+
—
—
+
+
—
—
—
-
—
—
—
—
—
—
芽胞杆菌属(加汎血
)
纤维菌属
(
Cellulomonas
)
肉食杆菌属
(
camobacterium
)
+
—
—
—
+
—
—
—
+
—
+
—
梭菌属
(
Clos
tridium
)
肠球菌属
(Enterococcus
)
+
—
—
—
—
+
—
+
—
+
—
+
—
-
—
+
+
+
—
+
+
+
—
考克氏菌属
(Kocuria)
乳杆菌属
(Lactobacillus
)
乳球菌属
(Lactococcal
)
+
+
+
—
+
+
+
+
+
—
—
+
+
+
+
+
—
—
+
+
+
+
+
+
-
+
—
—
明串珠菌属
(Leuconostoc
)
李斯特菌属
(
E
诫
ria)
+
+
+
—
——
+
+
+
-
+
—
+
+
-
片球菌属
(
/Wiococcws
)
葡萄球菌属
(
Stcphylococcus
)
+
—
魏氏菌属
(
Weis$e"a)
不动杆菌属
(Acinetobacter)
+
—
短波单胞菌属
(
Brevundimonas
)
—
——
—
+
注:
+
赫有抑菌活性
;
-表示无抑菌活性
;
一妬未对该属内菌株进行抑菌活性检测
。
4
无前导肽细菌素的抗菌机制
理解细菌素抗菌机制是其能够进行广泛应用的
些疏水氨基酸暴露溶剂使其表面形成一定的疏水区
域
。
如
aurA53
中所有的赖氨酸残基位于表面
,5
个色
基础和关键,而三维结构的解析对理解细菌素的抗菌
机制有重要作用
。
第一个三维结构被解析的无前导肽
氨酸中有
4
个暴露于表面
，
形成一定的疏水区域
。
但
IsbB
的三维结构显示其
N
末端为
a-
螺旋,
C
末端无结
构
，
在水溶液中呈非结构状态㈣
。
通常细菌素通过与靶标细胞膜上的特定受体结
细菌素是
ent7-A
、
ent7-B,
除此之外
，
到目前为止四-
rA53
、
lnqQ
、
lsbB
的三维结构也已获得解析
，
因此
，
它们的
抑菌机制可认为是无前导肽细菌素抗菌机制的代表
。
合形成“
孔道
”
结构破坏细胞膜或抑制细胞壁的形
核磁共振的结构解析显示
，
ent7-A
、
ent7-B
、
au-
成
,
发挥抑菌作用
，
如羊毛硫细菌素
nisin
是通过与靶
rA53
及
InqQ
具有相似的三维结构
，
它们的
N
末端和
标细胞膜上的细胞壁合成前体脂质
II
绑定形成
“
孔
道
”
并抑制细胞壁的合成从而抑制细菌生长冋
。
细菌素
C
末端均由两亲性的
a-
螺旋构成
，
其三维结构高度折
叠
，
表面含有较高的阳离子
，
疏水残基位于核心而亲
水残基暴露于溶剂,形成亲水的表面区域
,
但也有某
pediocinPA-1
通过与靶标细胞膜上的甘露糖磷酸转移
酶绑定形成
“
孔道
”
而获得抗菌活性网
。
与大多数细菌
专题论述
貪品研究与开发
2021
年
3
月
第
42
卷第
5
期
素的作用机制不同
，
无前导肽细菌素
ent7-A
、
ent7-B
、
aurA53
及
lnqQ
发挥抑菌作用却不需要任何受体参
与
。
lnqQ
首先通过静电吸引与带负电的靶标细胞膜结
合
，
然后通过渗透在靶标细胞膜上形成
“
环形孔
”
使细
胞内容物泄露而杀死细菌㈣
，
也有报道称细菌素
lnqQ
并不形成
“
环形孔
”
,
而是通过轻自由基的积累来杀死
靶标细菌的㈣
。
aurA53
既不需要任何特殊受体,也不形
成
“
孔道
”
结构
,
而是渗透到靶标细胞膜后使重要分子
泄露
、
膜电位消失
、
大分子合成终止而发挥抗菌作用
。
有研究显示,
aurA53
与中性细胞膜的相互作用强于阴
性细胞膜,推测其疏水作用在与靶标细胞膜的相互作
用过程中发挥重要作用
。
同样,
ent7_A
、
ent7_B
也是通
过静电吸引和疏水作用与靶标细胞膜结合
，
随后
a-
螺
旋解旋，
疏水核暴露并插入膜靶标细胞膜中㈣
。
然而
，
研究显示
,
IsbB
却需要受体介导来发挥抑菌作用
，
其
C
末端最外的
8
个氨基酸序列为受体结合部分
,
IsbB
需
要与靶标细胞膜上的受体锌依赖的金属肽酶结合
，
从
而导致靶标细胞膜破坏而发挥抗菌作用
,
但带正电荷
的
IsbB
与带负电荷的靶标细胞膜之间的静电作用对
其与受体的结合有重要影响
。
由此可见
，
静电吸引在
无前导肽细菌素的抗菌机制中发挥重要作用
,
所有无
前导肽细菌素均带有正电荷
，
这使其更易与带负电荷
的靶标细胞相互作用而减少对特定受体的依赖
，
可能
也是其拥有广谱抗菌活性的原因之一,这种机制与多
细胞生物的小阳离子抗菌肽
（
20
个~
40
个残基
）
的膜
渗透作用类似冏
。
另外
，疏水作用在无前导肽细菌素的
抗菌机制中也发挥重要作用
，
如
-
rA53
及
lnqQ
虽然具有极其相似的三维结构
，
但由于
氨基酸序列的差异仍使其具有不同的抗菌活性
,
这可
能与其不同的疏水作用相关
。
5
无前导肽细菌素在食品中的应用
单核细胞增生性李斯特菌
（
单增李斯特菌
）
、
金黄
色葡萄球菌
、
大肠杆菌
、
芽胞杆菌等都是导致食品污
染或腐败的常见微生物
。
如单增李斯特菌是一种食源
性病原菌
，
其广泛存在于水
、
土壤、植物中
。
该菌可污
染牛奶
、
肉制品
、
蔬菜等食品
,
在加工运输和冷藏条件
下均可生长
。
单增李斯特菌是人畜共患菌
，
可引起人
和动物脑膜炎
、
败血症
、
胃肠炎等疾病
,
威胁人类生命
与健康吐叫许多无前导肽细菌素是由食品中分离的
微生物产生的
，
如细菌素
aurA53
、
aurA70
、
garKS
、
lsbB
是由分离自商品牛奶或奶酪中的微生物产生的,
ent7
是从碎牛肉中分离到的微生物产生的,
welY
、
welM
是
由分离自日本泡菜桶中的微生物产生的，
它们很多是
211
—
食品级乳酸菌产生的
，
如
garKS
、
l
訪
B
、
ent7
、
welY
、
welM
等
，
这种特性使其在食品中的应用具有先天的安全
性
。
多数无前导肽细菌素对革兰氏阳性细菌有广泛的
抑菌活性
，
尤其是单增李斯特菌
。
虽然多数无前导肽
细菌素对革兰氏阴性细菌无活性
,
但与其它抑菌物质
的联合使用对很多食源性病原菌有协同抑菌作用
。
如
garK
是由分离自原料牛乳中的乳酸菌
Lc.
garvieae
KS1546
产生的含有
3
条肽链的无前导肽细菌素
，
其与
polymyxinB
联合使用对不动杆菌和大肠杆菌有协同抑
菌活性
，
与
polymyxinB
、
nisin
联合使用能够快速杀灭
并完全根除不动杆菌和大肠杆菌
，
与
nisin
联合使用对
金黄色葡萄球菌有协同作用
，
与
nisin
、
金合欢醇联合
使用在低浓度下能快速根除金黄色葡萄球菌玛
。
另外
,
无前导肽细菌素没有毒性
,
易降解而不易
残留
，
耐热
、
耐酸碱
，
对某些抗生素抗性菌株有活性
。
如
aurA53
对真核细胞无毒
,
没有溶血活性
，
在
4
乜可
至少存放
48
周
,
在
-20
P
可保持
72
周活性不变
,
对模
拟胃液和胆盐敏感
,
在模拟胃液
3
h
活性丧失
87.5%,
对胆盐
90
min
丧失
68.5%
。
aurA53
对接种单增李斯特
菌的脱脂牛奶抑菌试验表明
,4
P
条件下存放
7
d
后
，
与对照相比
,aurA53
可使牛奶中的活菌总数减少
107.7
CFU/mL,aurA53
可作为保鲜剂应用于牛乳产
品国创
。
ent7
除对单增李斯特菌
、
梭菌属的细菌有活性
外
，
还对耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌及耐万古霉
素的肠球菌有活性閃
。
除此之外
,
无前导肽细菌素由于
其简单的遗传组织使其更易于在其它微生物细胞中
表达
、
更易于通过生物工程手段进行规模化生产
、
更
易于进行分子改造而生产出新型的
、
更具优势功能的
细菌素
。
如通过在原生产菌株中增加
garKS
基因簇的
拷贝数
,
优化培养基成分
,
优化培养条件使其表达量
增加
2
000
倍閃
。
6
结论
无前导肽细菌素是由核糖体合成的
、
N
端不含
前导肽序列的一种细菌素
，
该类细菌素通常含
27
个~
53
个氨基酸
，
富含赖氨酸残基而缺少半胱氨酸残基，
均带有正电荷，
有较高的等电点。
根据氨基酸序列的
一致性
，
该类细菌素可分为
4
类
。
无前导肽细菌素具
有相似的三维结构
，
作用于靶标细胞时受特定受体依
赖较小
，
静电作用和疏水作用在抑菌机制中发挥重要
作用
,多数具有广谱抑菌活性,
特别是对食品腐败菌
李斯特菌属的微生物
。
无前导肽细菌素不需要前导肽
序列就能生物合成
,
翻译后不经任何修饰或简单的甲
基化即可成为有活性的成熟肽
,
这种简单的遗传结构
2021
年
3
月
第
42
卷第
5
期
食品硏究与开发
专题论述
—
272
更易被其它细菌
、
真菌或真核细胞表达
，
有利于通过
生物工程进行大规模生产
，
具有巨大的商业应用潜
能
,
无前导肽细菌素未来会在食品工业及其它领域有
更广泛的应用
。
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加工编辑:姚骏
收稿日期:
2020-03-31