In a previous study, we showed that Cecropin A (1-8)-Magainin 2 (1-12) hybrid peptide (CA-MA)'s analogue, Anal P5, exhibit broad-spectrum antimicrobial activity. Anal P5, designed by flexible region (positions 9, 10)-substitution, Lys- (positions 4, 8, 14, 15) and Leu- (positions 5, 6, 12, 13, 16, 17, 20) substitutions, showed an enhanced antimicrobial and antitumor activity without hemolysis. The primary objective of the present study was to gain insight into the relevant mechanisms of antimicrobial activities of Anal P5 by using flow cytometric analysis. Anal P5 exhibits strong antifungal activity in a salt concentration independent manner. In addition, Anal P5 causes significant morphological alterations of the bacterial surfaces as shown by scanning electron microscopy, supporting its antibacterial activity. Its potent antibiotic activity suggests that Anal P5 is an excellent candidate as a lead compound for the development of novel antibiotic agents.
CA(1-8)ME(1-12), the CA-ME hybrid peptide of the amino terminal segments of cecropin A (CA) and melittin (ME), has been reported to have a broad spectrum and improved potency without a hemolytic property. In order to obtain new synthetic peptides with powerful antibacterial activity without hemolytic activity, several hybrid peptides were designed from the sequences of CA, ME, magainin 2, bombinin and lactoferricin. All hybrid peptides were constructed to form an amphipathically basic-flexible-hydrophobic structure and synthesized by the solid phase method. Their hemolytic activities against human red blood cells and antibacterial activities against both Gram-positive and Gram-negative bacteria were detennined. CA(1-8)MA(1-12), CA(1-8)BO(1-12), MA(10-17)ME(1-12) and LF(20-29)ME(1-12) showed comparable activities with broad spectra against both Gram-positive and Gram-negative bacteria relative to CA(1-8)ME(1-12) but without hemolytic properties. These hybrid peptides, therefore, could be useful as model peptides to design a novel peptide with improved antibacterial activity and study on structure-activity relationships of antimicrobial peptides.
Melittin (ME) from honeybee venom has a broad range of strong antimicrobial activity, but it has hemolytic activity against eukaryotic cells. In order to design peptides with powerful antifungal activity without cytotoxic property of ME and understand structure-antifungal activity relationships, the hybrid peptides derived from the sequences of ME and cecropin A (CA) or magainin 2 (MA), MA(10-17)ME(1-12) and CA(1-8)ME(1-12). were synthesized by solid phase method. MA(10-17)ME(1-12) showed potent antifungal activity comparable to ME against Fusarium oxysporum with no hemolytic activity against human red blood cells. The hybrid peptides showed strong inhibi- tion of (1, 3)-$\beta$-D-glucan synthase. This result indicates that the antifungal activity of the hybrid peptides against Fusarium oxysporum is attributed to the inhibition of cell wall synthesis. The results therefore showed a successful design of a peptide having antifungal activity without hemolytic property.
The hybrid peptides, CA-ME, CA-MA and CA-BO, with the N-terminal sequence 1-8 of cecropin A and the N-terminal sequences 1-12 of melittin, magainin 2 and bombinin, respectively, have more improved antibacterial activities. CA-MA was found to have stronger antifungal activity against Trichoderma sp than other hybrid peptides and their parental peptides. In order to elucidate the relationships between the peptide structure and antifungal activity, several analogues of CA-MA or CA-BO were also designed and synthesized by the solid phase method. An tifungal activity was measured against T. reesei and T. viride, and hemolytic activity was measured by a solution method against human red blood cells. The residue 16 of CA-MA, Ser, was found to be important for antifungal activity. When the residue was substituted with Leu, showed powerful antifungal activity was dramatically decreased. CA-MA, P1, P4 and P5 designed in this study showed powerful antifungal activity against T. reesei and T. viride with low hemolytic activity against human red blood cells. These hybrid peptides will be potentially useful model to further design peptides with powerful antifungal activity for the effective therepy of fungal infection and understand the mechanisms of antifungal actions of hybrid peptides.
A 20-residue hybrid peptide CA(1-8)-MA(1-12) (CAMA) incorporating residues 1-8 of cecropin A (CA) and residues 1-12 of magainin 2 (MA) has high antimicrobial activity without toxicity. To investigate the effects of the total positive charges of CAMA on the antibacterial activity and toxicity, a hybrid peptide analogue (CAMA-syn) was designed with substitutions of $Ile^{10}\;and\;Ser^{16}$ with Lys. According to CD spectra, structure of CAMA-syn with increase of cationicity was very similar to that of CAMA in DPC micelle. CAMA-syn showed antimicrobial activity similar with CAMA while CAMA-syn has no hemolytic activity and much lower cytotoxicity against RAW 264.7 macrophage cells than CAMA. Also, CAMA and CAMA-syn significantly inhibited NO production by LPSstimulated RAW264.7 macrophage at 10.0∼20.0 $\mu$M. CAMA-syn displayed salt resistance on antimicrobial activity against Escherichia coli at the physiological concentrations of $CaCl_2\;and\;MgCl_2$. The combination studies of peptides and antibiotics showed that CAMA-syn has synergistic effects with synthetic compound and flavonoid against Enterococcus faecalis and VREF. CAMA-syn can be a good candidate for the development of new antibiotics with potent antibacterial and synergistic activity but without cytotoxicity.
We have designed a 20-residue hybrid peptide CA(1-8)-MA(1-12) (CAMA) incorporating residues 1-8 of cecropin A (CA) and residues 1-12 of magainin 2 (MA) with high bacterial cell selectivity. CAMA-P2 is an ${\alpha}$-helical antimicrobial peptide designed from a CAMA hybrid peptide and substitution of Gly-Ile-Gly hinge sequence of CAMA to Pro influences the flexibility at central part of CAMA. Based on structure-activity relationships of CAMA peptides, to investigate the effects of the total positive charges on antimicrobial activity of CAMA-P2, the $Ser^{14}{\rightarrow}$Lys analogue (CAMA-syn1) was synthesized. The role of tryptophan at C-terminal ${\alpha}$-helix on its antimicrobial activity as well as synergistic activity was also investigated using $Ser^{14}{\rightarrow}$Lys/$Phe^{18}{\rightarrow}$Trp analogue (CAMA-syn2). Also, we designed CAMA-syn3 by substitution of $Lys^{16}$ located opposite side of substituted $Lys^{14}$ of CAMA-syn1 with Leu residue, resulting in increase of hydrophobicity and amphipathicity of the peptide. All of CAMA-syn analogues showed good antimicrobial activities similar to those of CAMA and CAMA-P2. The CAMA-syn1 and CAMA-syn2 showed low hemolytic activity and cytotoxicity against human keratinocyte Haca-T cells while CAMA-syn3 showed hemolytic activity and cytotoxicity at its MIC value. We then investigated their abilities to act synergistically in combination with the antimicrobial flavonoids and synthetic compounds screened in our laboratory. The results showed that all peptides exhibited synergistic effects with dihydrobinetin, while only CAMA-syn2 exhibited synergistic effects with YKAs3001 against both S. aureus and MRSA, suggesting that Trp residue at C-terminus of CAMA-syn2 may facilitate the polar antibiotic flavonoids and synthetic compounds to permeabilize the membrane. This study will be useful for the development of new antibiotic peptides with potent antimicrobial and synergistic activity but without cytotoxicity.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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