人防御素的抗病毒活性及机制

人防御素的抗病毒活性及机制
朱颜鑫(综述);江滟(审校)
【摘要】防御素属于阳离子抗菌肽家族，具有广泛的抗微生物活性、细胞毒性和
免疫趋化作用，在先天免疫系统中起着重要作用。

近些年，随着防御素抗病毒的研究更加深入，越来越多的证据表明防御素不仅能直接灭活病毒和阻止病毒吸附、穿入及细胞内信号转导抑制病毒复制，还可以间接通过介导免疫反应发挥抗病毒作用。

这种天然的抗菌肽具有抗包膜病毒和无包膜病毒的活性。

%Defensins belong to the cationic antimicrobial peptide family and have extensive antimicrobial activity,cell toxicity and immune chemotaxis,playing an important role in the innate immune system.In recent years,with the deepening of the study on antiviral defense,more and more evidence showed that defensins not only can directly inactivate virus and prevent virus adsorption,penetration and intracellular sig-nal transduction and inhibit virus replication,they also play an indirect antiviral role by mediating immune response.The natural antibacterial peptides have the antibacterial activity against both enveloped and non-enveloped viruses.
【期刊名称】《医学综述》
【年(卷),期】2016(022)006
【总页数】4页(P1066-1069)
【关键词】防御素;病毒感染;抗菌肽;抗病毒活性
【作者】朱颜鑫(综述);江滟(审校)
【作者单位】贵阳医学院微生物学教研室，贵阳 550001;贵阳医学院微生物学教研室，贵阳 550001
【正文语种】中文
【中图分类】R373
病毒是个体最小、结构简单、严格胞内寄生，以复制进行增殖的一类非细胞型微生物。

病毒虽然微小，但人类传染病约2/3是由病毒感染引起的。

病毒感染具有数量多、传染性强、传播广泛、病死率高、缺乏有效预防和治疗药物等特点，如流感病毒引起流行性感冒[1]、人类免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus，HIV)引起的免疫缺陷综合征[2]、中东呼吸综合征冠状病毒引起的中东呼吸衰竭综征[3]、埃博拉出血热[4]等，造成新的全球性感染病威胁[5-6]。

与抗菌药物相比，抗病毒药物的种类甚少，加之病毒对传统抗病毒药物的耐药性也逐渐上升[7]，寻找新型抗病毒药物以及新的抗病毒策略更加迫切，直到天然抗菌肽的出现，成为研发抗病毒制剂的一个选择。

防御素是抗菌肽的一种重要类型，是先天免疫系统中抗微生物的第一道防线，多由29～42个氨基酸残基组成，含三对分子内二硫键，相对分子质量为2000～6000，根据结构和二硫键位置分为α-防御素，β-防御素和θ-防御素三种类型[8]。

有报道，在一些病毒感染过程中，防御素起着早期抗病毒的作用[9]，现就人防御素在病毒感染中的作用予以综述。

植物、无脊椎动物和脊椎动物均拥有特殊的防御系统来抵抗生存环境中的有害微生物的侵害。

众所周知，不同的物种产生一系列小分子肽的有效作用是使宿主在早期形成防御屏障。

而这些肽具有广谱抗菌活性，是名副其实的抗菌肽。

防御素是抗菌肽家族中的一种，通常在哺乳动物，昆虫和植物中表达。

在20世纪80年代，4种人α-防御素HNP1～4，从骨髓中性粒细胞中分离，被命名为中性粒细胞防御素[10]。

防御素的抗病毒活性最早是从α-防御素的研究中发现[11]。

人α-防御素进
一步分为中性粒细胞产生的防御素(HNP1～4)和肠黏膜上皮产生的防御素(human α-defensins，HD)包括HD5～6[12]。

在中性粒细胞中，HNP1～3占细胞总蛋白含量的5%～7%，并且HNP1～3是人嗜天青颗粒中最丰富的蛋白质，占蛋白质
含量的30%～50%[10]。

HNP1～3也表达在免疫细胞中，包括了自然杀伤细胞、B细胞、单核细胞或巨噬细胞和未成熟的树突状细胞[10]。

1992年和1993年，
两种肠道防御素，HD-5和HD-6被发现在潘氏细胞内表达[13]。

HD-5也可在男
性和女性泌尿生殖道上皮细胞内表达[14]。

人β-防御素(human β-defensins，HBD)分布广泛[15]。

HBD1～3可在上皮细胞和免疫细胞(包含了巨噬细胞，单核
细胞以及单核细胞衍生的树突状细胞)中表达[16] 。

其中HBD-1表达于肾上皮细胞、女性生殖道、呼吸道、胰腺和其他组织如牙龈、腮腺、颊部和舌。

HBD-2广
泛表达于肺和气管以及牙龈黏膜[16-17]。

相反，HBD-2在肾脏、子宫和唾液腺组织中少量表达[16-17]。

HBD-3表达于皮肤和扁桃体中[16]。

HBD1是组成型表达，HBD2和HBD3可通过病毒、细菌、微生物产物、Toll样受体、表皮细胞生长因
子和促炎因子等诱导产生[16]。

θ-防御素被发现在某些非人类灵长类动物体内，目前对θ-防御素的研究大多是人工合成的，对某些病毒有一定的抗病毒活性，如HIV、甲型流感病毒等[18]。

防御素除了具有广谱的抗细菌、真菌和病毒的特性外，还有广泛调节免疫功能的作用，防御素可以通过细胞信号传递作用，上调非特异性免疫细胞，尤其是巨噬细胞的活性和趋化性，还可以促进机体T细胞的趋化和增殖，提高机体免疫应答能力，调节特异性免疫，增强生物机体主动防御功能[19]。

2.1 抗病毒活性
2.1.1 HIV 研究表明，人α-防御素、β-防御素具有抗HIV的作用[20-22]。

除了
HD5和HD6增强了病毒复制能力[20]，HNP1～4在病毒感染细胞的过程中均起
到抑制病毒的作用，只是机制不同而已。

到目前为止，已经发现了β-防御素亚家
族的HBD2及HBD3均有明显的抗病毒活性[21-22]，而且θ-防御素也表现出抑
制病毒的效果[23]。

防御素抗HIV过程中，血清和盐浓度均会影响其活性，在无
血清情况下，高浓度的防御素有细胞毒性，会引起靶细胞膜通透性的增加，而这种细胞毒性可以被血清所终止[24]。

2.1.2 单纯疱疹病毒(herpes simplex virus，HSV) 人类HSV分为两型，即HSV-
1和HSV-2。

Ⅰ型主要引起生殖器以外的皮肤、黏膜(口腔黏膜)和器官(脑)的感染。

Ⅱ型主要引起生殖器部位皮肤黏膜感染。

研究人员发现HNP1～4、HD5～6、HBD3、θ-防御素均有抗HSV活性，而HBD1和HBD2没有表现出抗HSV-2的
活性，同时还发现血清浓度能显著影响HD-5抗HSV-2的活性，依赖温度和pH
的HNP-1抗HSV-1可被血清抑制[25]。

2.1.3 甲型流感病毒 HNP1～3是气道中最丰富的抗菌肽，它们由中性粒细胞和气道上皮细胞产生，在甲型流感病毒感染后诱导其表达上调。

HNP1～2、HNP4、HD5～6、HBD1～3及θ-防御素均有抑制流感病毒感染的活性[26-27]。

2.1.4 呼吸道合胞病毒目前，只有HBD2被证实有抗呼吸道合胞病毒的活性，其
机制是通过阻止病毒穿入宿主细胞，而HBD1对呼吸道合胞病毒感染没有效果，
并未起到抑制病毒的作用[28]。

2.1.5 痘病毒 HBD3抗痘病毒的活性早已被发现[29]，然而HNP1、HBD1和
HBD2不能中和病毒，其他防御素尚未进行抗痘病毒的研究。

由于防御素抗呼吸道合胞病毒与痘病毒的相关文献甚少，内容无法拓展。

2.1.6 无包膜病毒早期认为防御素并没有抗无包膜病毒的作用，但随着研究的深入，发现防御素能够抑制无包膜病毒，如腺病毒、人乳头瘤病毒、BK多瘤病毒。

通过
抑制早期病毒进入，HNP1和HD5在肺和结膜上皮细胞表现出抑制腺病毒感染的活性[30]。

HNP1、HD5对BK病毒的抑制[31]。

对于θ-防御素，目前尚未有无包膜病毒抗病毒活性的相关研究。

2.2 抗病毒机制防御素敏感的病毒株的多样性反映出抗病毒的多种机制，包括直
接作用于病毒包膜、糖蛋白或抑制病毒融合和进入后的内化作用[19]。

防御素还可以结合和调节宿主细胞表面受体以及通过阻止细胞内信号转导来抑制病毒复制[32]。

2.2.1 直接作用于病毒或病毒复制阶段人防御素可直接作用于病毒或病毒的某些复制阶段，从而保护宿主细胞。

α-防御素被证实能直接灭活HIV-1，减少细胞的病
变效应[33]。

在缺乏血清的情况下，HNP-1可以直接作用于单纯疱疹病毒[25]。

HNP1～4，HD5～6及HBD3通过结合糖蛋白B或者硫酸乙酰肝素受体干扰单纯疱疹病毒对宿主细胞的黏附、侵入，从而抑制病毒进入细胞内[25]。

β-防御素亦可直接作用于病毒，HBD2抗呼吸道合胞病毒作用机制是通过阻止病毒进入宿主细胞内或者破坏病毒包膜发挥抗病毒活性[28]；研究发现，HBD3抗痘病毒机制可能是通过减少DNA依赖RNA聚合酶表达和噬斑形成来抑制病毒复制，但该机制仍有
待阐明[29]。

研究显示，θ-防御素在体外抗病毒活性实验中，能够抑制HSV-1和HSV-2的感染，是通过结合病毒包膜蛋白阻止进入宿主细胞内[34]。

θ-防御素并
没有直接灭活HIV的作用，但通过结合病毒糖蛋白41(glycoprotein 41，gp41)
和以及六螺旋的形成从而阻止病毒融合进入宿主细胞内[23]。

2.2.2 间接通过介导免疫反应发挥抗病毒作用人防御素还可通过调节抗病毒免疫
反应发挥抗病毒作用。

在原始细胞内，α-防御素1可介导蛋白激酶C信号转导对HIV-1[20]或流感病毒[26]发挥抑制效果；而且，HNP1结合CD4和病毒表面糖蛋白，可诱导CD4和CXC趋化性细胞因子受体4的下调并且与HIV的共同受体结
合而相互作用[20]。

也有研究发现HBD3可以诱导多种趋化因子的表达，如单核
细胞趋化蛋白1、巨噬细胞炎性蛋白1α、巨噬细胞炎性蛋白1，单核细胞通过HBD3诱导趋化因子发生迁移，对早期抑制HIV病毒有着重要作用，依赖Toll样
受体1/2可能是HBD3激活这些细胞产生趋化因子的作用机制[22]。

在抗甲型流
感病毒的研究中发现，HNPs可通过作用靶细胞干扰细胞信号或者聚集病毒颗粒以便中性粒细胞清除，其中HNP1～2、HD5能够增强中性粒细胞摄取甲型流感病毒
[26]；而HBD3可通过交联蛋白抑制流感病毒融合达到阻止感染的作用[26]；θ-防御素诱导病毒聚集并且提高中性粒细胞和巨噬细胞对病毒的摄取[27]。

另有一些报道表明，HNP4、HD6及HBD1～3均有抑制流感病毒感染的作用[26-27]，但具
体机制并不明确。

防御素抗无包膜病毒是通过多种机制发挥作用：α-防御素阻止病毒粒子从囊泡内
吞作用中释放[35]；HNP1 、HD5 对BK病毒的抑制主要是和病毒结合，阻止其
受体结合宿主细胞[31]。

而且，防御素在病毒感染机体早期即发挥作用，如与正常者相比，HIV感染者HBD2 信使RNA显著增加[21]。

对于人体来说，口腔黏膜上皮本身就是一道保护屏障，HIV感染可能会损害口腔上皮细胞固有免疫力，从而导致口腔HBD2的表达改变，并且HIV的病毒载量也会影响HBD2的表达[36]。

通过缺乏防御素的个体在遭受多种感染的情况下来证明防御素是人体免疫系统的重要组成部分，如流感病毒感染早期，防御素起着重要的抗病毒作用[9]；牛皮癣患
者的皮肤中检测到HBD-2高水平信使RNA[18]，此外，HBD-3在胎盘膜检测到
有所表达，表明该肽在妊娠期间对胎儿孕妇的保护可能发挥着作用[37]。

人β-防
御素也作为未成熟树突状细胞和记忆T细胞的趋化因子，因此被认为在先天免疫
和适应性免疫对微生物的侵入的反应中发挥重要的作用[38]。

一旦深入了解防御素的表达调控，有可能会开发出能够诱导人防御素在体内产生的化合物。

防御素的研究和开发的进展，在病毒感染引起的疾病治疗上将开创一个新时代。

近些年，在病毒变异及抗病毒药物种类稀少的情况下，研究者们迫切需要寻找新的抗病毒制剂，于是把目光转移到了天然抗菌肽上。

随着对抗菌肽的研究更加深入，多种防御素得以发现并且抗微生物活性谱更加清晰，尽管具体的机制尚不完全清楚，但防御素抗病毒作用机制总结主要有以下几点：①直接灭活病毒；②阻止病毒吸附、穿入；③通过阻止细胞内信号的转导抑制病毒复制；④调节免疫。

不同防御素的抗病毒活性有着明显的差异，但防御素有许多优点，与传统的抗病毒药物相比，其作
用机制完全不同，有阻止病毒侵袭人类的能力，这些天然的抗菌肽可能是更持久的治疗。

防御素作为机体先天免疫第一道防线，在感染早期起着举足轻重的作用。

人类α-防御素和β-防御素均具有潜在的抗病毒活性，无论是抗包膜病毒还是无包膜病毒。

防御素除了本身的抗病毒活性以外，还有着一般抗病毒药物所没有的免疫调节作用，并且不易使病毒产生耐药性。

除了其抗病毒作用，防御素抗真菌和细菌作用的报道也较多[39-40]。

由于目前对防御素的研究大多是体外实验，不能完全反映出防御素对机体疾病发生、转归的影响；影响防御素抗病毒活性的因素及明确防御素的作用机制都有待进一步深入研究，另外防御素大量获取、防御素对机体的不良反应及其与其他药物的配伍使用情况都尚未解决，所以防御素被广泛应用还需时日。

【相关文献】
[1] Sherbany H,McCauley J,Meningher T,et al.Return of pandemic H1N1 influenza
virus[J].BMC Infect Dis,2014,14:710.
[2] Raskar T,Das A,Hosur MV.187 Drug resistance:crystallography of drug-resistant HIV-1 protease mutant[J].J Biomol Struct Dyn,2015,33 Suppl 1:124.
[3] Mackay IM,Arden KE.Middle East respiratory syndrome:An emerging coronavirus infection tracked by the crowd[J].Virus Res,2015,202:60-88.
[4] Beeching NJ,Fenech M,Houlihan CF.Ebola Virus Disease[J].BMJ,2014,349:g7348.
[5] Erdem H,Ünal S.New global viral threats[J].Saudi Med J,2015,36(4):393-398.
[6] Gilkerson JR,Bailey KE,Diaz-Méndez A,et al.Update on Viral Diseases of the Equine Respiratory Tract[J].Vet Clin Equine,2015,31(1):9-104.
[7] Dong G,Peng C,Luo J,et al.Adamantane-Resistant Influenza A Viruses in the
World(1902-2013):Frequency and Distribution of M2 Gene Mutations[J].PLoS
One,2015,10(3):e0119115.
[8] Grishin DV,Sokolov NN.Defensins - natural peptide antibiotics of higher eukaryotes[J].Biomed Khim,2014,60(4):438-447.
[9] Jiang Y,Wang Y,Kuang Y,et al.Expression of mouse beta-defensin-3 in MDCK cells and its anti-influenza-virus activity[J].Archive Virology,2009,154(4):639-647.
[10] Ganz T,Lehrer RI.Defensins[J].Curr Opin Immunol,1994,6(4):584-589.
[11] Lehrer RI,Daher K,Ganz T,et al.Direct inactivation of viruses by MCP-1 and MCP-
2,natural peptide antibiotics from rabbit leukocytes[J].J Virol,1985,54(2):467-472.
[12] Zins SR,Nelson CD,Maginnis MS,et al.The human alpha defensin HD5 neutralizes JC polyomavirus infection by reducing endoplasmic reticulum traffic and stabilizing the viral capsid[J].J Virol,2014,88(2):948-960.
[13] Lehrer RI,Lu W.alpha-Defensins in human innate immunity[J].Immunol
Rev,2012,245(1):84-112.
[14] Spencer JD,Hains DS,Porter E,et al.Human alpha defensin 5 expression in the human kidney and urinary tract[J].PLoS One,2012,7:e31712.
[15] Semlali A,Al Amri A,Azzi A,et al.Expression and new exon mutations of the human Beta defensins and their association on colon cancer development[J].PLoS
One,2015,10(6):e0126868.
[16] Valore EV,Park CH,Quayle AJ,et al.Human beta-defensin-1:an antimicrobial peptide of urogenital tissues[J].J Clin Invest，1998,101(8):1633-1642.
[17] Gwyer Findlay E,Currie SM,Davidson DJ.Cationic host defence peptides:potential as antiviral therapeutics[J].Bio Drugs,2013,27:479-493.
[18] Doss M,Ruchala P,Tecle T,et al.Hapivirins and Diprovirins:Novel θ-Defensin Analogs With Potent Activity Against Influenza A Virus[J].Immunol,2012,188(6):2759-2768.
[19] Hazlett L,Wu M.Defensins in innate immunity[J].Cell Tissue Res,2011,343(1):175-188.
[20] Demirkhanyan LH,Marin M,Padilla-Parra S,et al.Multifaceted mechanisms of HIV-1 entry inhibition by human alpha-defensin[J].J Biol Chem,2012,287(34):28821-28838. [21] Zapata W,Rodriguez B,Weber J,et al.Increased levels of human betadefensins mRNA in sexually HIV-1 exposed but uninfected individuals[J].Curr HIV Res,2008,6(6):531-538. [22] Petrov V,Funderburg N,Weinberg A,et al.Human beta defensin-3 induces chemokines from monocytes and macrophages:diminished activity in cells from HIV-infected persons[J].Immunology,2013,140(4):413-420.
[23] Gallo SA,Wang W,Rawat SS,et al.Theta-defensins prevent HIV-1 Env-mediated fusion by binding gp41 and blocking 6-helix bundle formation[J].J Biol
Chem,2006,281(27):18787-18792.
[24] Lehrer RI,Lichtenstein AK,Ganz T.Defensins:antimicr obial and cytotoxic peptides of mammalian cells[J].Annu Rev Im munol,1993,11:105-128.
[25] Hazrati E,Galen B,Lu W,et al.Human alpha- and beta-defensins block multiple steps in herpes simplex virus infection[J].J Immunol,2006,177(12):8658-8666.
[26] Tecle T,White MR,Gantz D,et al.Human neutrophil defensins increase neutrophil uptake of influenza A virus and bacteria and modify virus-induced respiratory burst responses[J].J Immunol,2007,178(12):8046-8052.
[27] Doss M,White MR,Tecle T,et al.Interactions of alpha-,beta-,and theta-defensins with
influenza A virus and surfactant protein D[J].J Immunol,2009,182(12):7878-7887.
[28] Kota S,Sabbah A,Chang TH,et al.Role of human beta-defensin-2 during tumor necrosis factor-alpha/NF-kappaB-mediated innate antiviral response against human respiratory syncytial virus[J].J Biol Chem,2008,283(33):22417-22429.
[29] Howell MD,Streib JE,Leung DY.Antiviral activity of human beta-defensin 3 against vaccinia virus[J].J Allergy Clin Immunol,2007,119(4):1022-1025.
[30] Smith JG,Nemerow GR.Mechanism of adenovirus neutralization by human alpha-defensins[J].Cell Host Microbe,2008,3(1):11-19.
[31] Dugan AS,Maginnis MS,Jordan JA,et al.Human alpha-defensins inhibit BK virus infection by aggregating virions and blocking binding to host cells[J].J Biol
Chem,2008,283(45):31125-31132.
[32] Wilson SS,Wiens ME,Smith JG.Antiviral mechanisms of human defensins[J].J Mol Biol,2013,425(24):4965-4980.
[33] Demirkhanyan L,Marin M,Lu W,et al.Sub-inhibitory concentrations of human α-defensin potentiate neutralizing antibodies against HIV-1gp41 pre-hairpin intermediates in the presence of serum[J].PLoS Pathog,2013,9(6):e1003431.
[34] Brandt CR,Akkarawongsa R,Altmann S,et al.Evaluation of a theta-defensin in a murine model of herpes simplex virus type 1 keratitis[J].Invest Ophthalmol Vis
Sci,2007,48(11):5118-5124.
[35] Buck CB,Day PM,Thompson CD,et al.Human alpha-defensins block papillomavirus infection[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2006,103(5):1516-1521.
[36] Nittayananta W,Kemapunmanus M,Amornthatree K,et al.Oral human β-defensin2 in HIV-infected subjects with long-term use of antiretroviral therapy[J].Oral Pathol
Med,2013,42(1):53-60.
[37] Jia HP,Schutte BC,Schudy A,et al.Discovery of new human beta-defensins using a genomics-based approach[J].Gene,2001,263(1/2):211-218.
[38] Yang D,Chertov O,Bykovskaia SN,et al.beta-Defensins:linking innate and adaptive immunity through dendritic and T cell CCR6[J].Science,1999,286(5439):525-528.
[39] Schulz A,Kluver E,Schulz-Maronde S,et al.Engineering disulfide bonds of the novel human betadefensins hBD-27 and hBD-28:differences in disulfide formation and biological activity among human beta-defensins[J].Biopolymers,2005,80(1):34-49. [40] Steinz K,Schubert S,Harder J,et al.Bacterial soft tissue infection in psoriasis despite induction of epidermal antimicrobial pepti-des[J].Exp Dermatol,2014,23(11):862-864.。