套索肽是一类由核糖体合成和翻译后修饰的活性肽（RiPPs），因具有互锁套索拓扑结构特征而得名。其带有螺旋结构的C端穿过N端的内酰胺环而形成互锁套索样的结构，其中N端的肽环通常由7 ~ 9个氨基酸组成。大多数套索肽N末端的氨基酸残基通常为甘氨酸（Gly）、丝氨酸（Ser）、半胱氨酸（Cys）或丙氨酸（Ala），但近期也发现了N末端氨基酸为亮氨酸（Leu）的新型套索肽。套索肽大的肽环在 N-末端的氨基酸的α-氨基与天冬氨酸（Asp）或谷氨酸（Glu）的羧酸侧链之间形成。这种结构赋予了套索肽对化学、热和蛋白酶降解高度的稳定性。

       套索肽的结构及分类

       根据套索肽所含二硫键的数量和形成的位置不同可将其分为4类，如下图所示。C 端肽链与大肽环通过2个二硫键连接的套索肽被定义为Ⅰ类套索多肽（Class I）；若肽链尾在穿出肽环之后，C 端肽链与大肽环间无二硫键连接，而是通过空间相互作用稳定套索拓扑结构，则被称为Ⅱ类套索多肽（Class II）；若肽链尾C端方向序列与肽环之间只形成一个二硫键的套索多肽，根据其二硫键形成位置不同，分为Ⅲ类或Ⅳ类套索肽（Class III，Class IV），具体而言，Ⅲ类套索肽的二硫键将肽环与肽链尾相连接，而Ⅳ类的二硫键仅存在于肽链尾。其中，II 类套索肽是目前已知的套索肽中最常见且最 具有特征性的套索肽，通常来源于变形菌，Ⅰ类、Ⅲ类和Ⅳ类套索肽则通常来源于放线菌。来源变形菌的Ⅱ类套索肽通常具有极性亲水性，从链霉菌中分离出来的Ⅰ类套索肽和Ⅱ类套索肽（如 MccJ25、propeptin 和anantin）则为疏水性，正是这些结构特征决定了套索肽所具有的多种生物活性。

       （黄色区域代表二硫健，来源参考资料[1]）

       套索肽的功能应用

       至今为止，已有报道称某些套索肽如链霉菌来源的套索肽 Siamycin 等可在糖尿病的治疗、靶向与癌症有关的受体如内皮素 β 受体等中发挥作用，同时 Microcin J25 也被报道具有抗菌及受体拮抗剂等生物活性。

       1、抑菌活性

       目前已发现的大部分套索肽是在变形杆菌和放线菌中合成的，如羊毛硫细菌素、小菌素、微环素、蓝内酯和硫肽等。大多数套索肽都具有抗细菌的作用。许多羊毛硫抗生素对多种革兰阳性菌具有杀菌作用，有些对耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌（MRSA）、耐万古霉素肠球菌和耐奥沙西林的革兰阳性菌等具有较好的活性。套索肽 MccJ25 对于革兰阴性菌（如大肠埃希菌和沙门菌等）有杀伤作用，同时能够中和内毒素，并通过其免疫调节作用抑制炎症细胞因子的产生；活性肽MccJ25 还可以防止由肠毒素ETEC K88 引起的肠道损伤和炎症反应，可作为一种新的预防性药物来减少动物、食品或人类的病原体感染。来源于链霉菌属 Streptomyces sannurensis的套索肽 marinopyrroles A-F 对 MRSA 也具有极强的抗菌活性。目前认为套索肽的抗菌作用主要是通过2 种机制：其一是作用于细菌的细胞膜，在膜上形成离子通道，引起胞内物质的外漏而杀死细菌；其二是套索肽不破坏细胞膜而进入胞内，与胞内靶标结合后抑制其谢，从而杀死细菌。例如，MccJ25 与细菌外膜受体蛋白 FhuA 结合，进入细菌后抑制 RNA 聚合酶的作用，起到杀菌的作用。

       2、受体拮抗剂

       来源于Streptomyces sp 的套索肽RES-701-1 是内皮素受体ETB 的选择性拮抗剂。目前某些内皮素的肽类拮抗剂由于胃肠道的降解作用而限制了其治疗作用，而通过将套索肽 RES-701-1 序列来改造设计对蛋白水解具有更高稳定的肽类拮抗剂成为近年来的研究热点。由Streptomyces coulescens 产生的套索肽Anantin 是第一个由微生物产生的心房利钠因子拮抗剂( Atrial natriuretic factor antagonist ANP)。利钠肽( NPs) 是一种参与维持渗透压与血管稳态的激素，能引起利钠、利尿和血管舒张作用，它还显示出抗纤维化、抗增殖和抗增生作用，并参与心脏和血管系统的重塑。Burkholderia thailandensis 来源的套索肽 BI-32169 是胰高血糖素受体的强拮抗剂，同时也是第一个序列与胰高血糖素非同源的天然肽类拮抗剂，其一级结构与胰高血糖素有很大不同，因此涉及到 BI-32169 的拮抗作用机制目前还不清楚。由于胰高血糖素受体的肽类拮抗剂普遍的低稳定性，其在治疗方面上的应用也远远少于小分子有机物，而套索肽中套索结构及其特殊的结构特性使得其可为开发新的肽类拮抗剂提高稳定性。

       3、酶抑制剂

       Streptomyces griseoflavus 来源的套索肽 MS-271 是平滑肌肌球蛋白轻链激酶(Myosin light chain kinase，MLCK) 的抑制剂，通常肽类抑制剂具有更好的特异性，但由于肽在体内的低稳定性限制了其应用，而套索肽类抑制剂由于其结构特性所具有的稳定性也为 MLCK 抑制剂药物的研发提供了新思路。由 Microbispora sp. SNA-115 产生的套索肽propeptin 是一种丝氨酸蛋白酶抑制剂。研究表明，Propeptin 作为丝氨酸蛋白酶抑制剂类已在动物模型中显示具有保护神经、抗遗忘以及认知增强的作用。MccJ25和Capistruin 是由 Proteobacteris 产生的通过抑制RNA 聚合酶(RNAP) 活性从而抑制细菌的套索肽。细菌RNAP(RNA 聚合酶，RNA polymerase) 是抗生素作用的重要靶点，它对细菌的生长和生存至关重要，同时在细菌中较为保守，使得其可以在不影响真核生物RNAP 的情况下被选择性靶向。Mukhopadhyay等的研究表明，Mccj25 通过于RNAP 二级通道菌的结合来阻断底物与活性中心的作用来抑制转录。

       4、分子支架

       目前，肽类药物被广泛应用于临床治疗，与小分子药物相比，它们具有更高的靶向性，并且与以往的基于蛋白质的治疗相比，它们表现出较低的免疫原性。然而，传统的多肽药物由于其溶解度低、生物利用度低、稳定性差等特点，其应用往往受到限制。为了解决这一问题，通过将天然产生的具有稳定结构的套索肽作为一种分子支架用于表位移植开发肽类药物成为了其中一个解决方案。在很多肿瘤细胞中，整合素表面αvβ3亚基中的Arginine， Glycine 和 Aspartic(RGD) 是过表达的，用RGD 替换 MccJ25 中的 G12、I13 和G14 形成的杂交肽可用于癌症识别和治疗。RES-701-1具有内皮素 B 受体拮抗功能，由内皮素和RES-701-1 组成的杂交肽对ETB 的亲和力和拮抗作用得到明显提高。此外，将RGD 序列整合到RES-701-1中可以提高其生物活性和结构稳定性。通过对套索肽环和尾部区域进行修饰，可使其获得新的生物活性。遗憾的是，截至目前，套索支架仍不能通过化学合成方法获得，只能依赖于套索肽生物合成修饰酶的作用，而套索肽生物合成修饰酶的难于异源表达纯化也为这一应用带来了挑战。

       套索肽是一类由核糖体合成并经翻译后修饰、具有套索结构的天然肽。特殊的拓扑结构赋予该类肽超强的耐理化及蛋白酶水解的稳定性。近年来，随着质谱分析等技术的改进及基因组测序的发展，对套索肽的序列和结构多样性得到了充分认识，对于套索肽生物合成机制也有了更深入的了解，但套索肽的生物合成及其合成相关修饰酶的异源表达纯化依然面临巨大挑战。若能够通过化学合成和基因重组对套索肽进行定向修饰改造将进一步拓展套索肽在医疗领域的应用。

       参考资料

       [1]成骋,华子春.套索肽——一种可供多肽类药物设计和改造的多功能载体[J].药学进展,2019,43(10):777-785.

       [2]李欣芮,陆美玲.套索肽研究进展[J].药物生物技术,2020,27(06):587-593.

       作者简介：小泥沙，食品科技工作者，食品科学硕士，现就职于国内某大型药物研发公司，从事营养食品的开发与研究。