Antimicrobial peptides (AMPs) have been isolated and characterized from tissues and organisms representing virtually every kingdom and phylum. Their amino acid composition, amphipathicity, cationic charge, and size allow them to attach to and insert into membrane bilayers to form pores by 'barrel-stave', 'carpet' or 'toroidal-pore' mechanisms. Although these models are helpful for defining mechanisms of AMP activity, their relevance to resolving how peptides damage and kill microorganisms still needs to be clarified. Moreover, many AMPs employ sophisticated and dynamic mechanisms of action to carry out their likely roles in antimicrobial host defense. Recently, it has been speculated that transmembrane pore formation is not the only mechanism of microbial killing by AMPs. In fact, several observations suggest that translocated AMPs can alter cytoplasmic membrane septum formation, reduce cell-wall, nucleic acid, and protein synthesis, and inhibit enzymatic activity. In this review, we present the structures of several AMPs as well as models of how AMPs induce pore formation. AMPs have received special attention as a possible alternative way to combat antibiotic-resistant bacterial strains. It may be possible to design synthetic AMPs with enhanced activity for microbial cells, especially those with antibiotic resistance, as well as synergistic effects with conventional antibiotic agents that lack cytotoxic or hemolytic activity.
Antimicrobial peptides (AMPs) are one of the critical components in host innate immune responses to imbalanced and invading microbial pathogens. Although the antimicrobial activity and mechanism of action have been thoroughly investigated for decades, the exact biological properties of AMPs are still elusive. Most AMPs generally exert the antimicrobial effect by targeting the microbial membrane, such as barrel stave, toroidal, and carpet mechanisms. Thus, the mode of action in model membranes and the discrimination of AMPs to discrepant lipid compositions between mammalian cells and microbial pathogens (cell selectivity) have been studied intensively. However, the latest reports suggest that not only AMPs recently isolated but also well-known membrane-disruptive AMPs play a role in intracellular killing, such as apoptosis induction. In this mini-review, we will review some representative AMPs and their antimicrobial mechanisms and provide new insights into the dual mechanism of AMPs.
Recently, marine organisms are emerging as a leading group for identifying and extracting novel bioactive substances. These substances are known to possess a potential regarding not only as a source of pharmaceutical products but also their beneficial effects on humans. Among the substances, antimicrobial peptides (AMPs) specifically have attracted considerable interest for possible use in the development of new antibiotics. AMPs are characterized by relatively short cationic peptides containing the ability to adopt a structure in which cationic or hydrophobic amino acids are spatially scattered. Although a few reports address novel marine organisms-derived AMPs, their antimicrobial mechanism(s) are still remain unknown. In this review, we summarized the peptides previously investigated, such as Pleurocidin, Urechistachykinins, Piscidins and Arenicin-1. These peptides exhibited significant antimicrobial activities against human microbial pathogens without remarkable hemolytic effects against human erythrocytes, and their mode of actions are based on permeabilization of the plasma membrane of the pathogen. Therefore, the study of antimicrobial peptides derived from marine organisms may prove to be useful in the design of future therapeutic antimicrobial drugs.
Lee, Joon Ha;Kim, In-Woo;Kim, Mi-Ae;Yun, Eun Young;Hwang, Jae Sam
Journal of Life Science
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v.26
no.6
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pp.737-748
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2016
By this time, insect antimicrobial peptides (AMPs) have been characterized more than 150 peptides since purification of cecropin in the hemolymph of pupae from Hyalophora cecropia in 1980. Therefore, it is considered that insects are good sources of AMP selection. Insect AMPs are small (low molecular weight) and cationic, and amphipathic with variable length, sequence, and structure. They perform a pivotal role on humoral immunity in the insect innate immune system against invading pathogens such as bacteria, fungi, parasites, and viruses. Most of the insect AMPs are induced rapidly in the fat bodies and other specific tissues of insects after septic injury or immune challenge. Then the AMPs subsequently released into the hemolymph to act against microorganisms. These peptides have a broad antimicrobial spectrum against various microbes including anticancer activities. Insect AMPs could be divided into four families based on their structures and sequences. That is the α-helical peptides, cysteine-rich peptides, proline-rich peptides, and glycine-rich peptides/proteins. For instance, cecropins, insect defensins, proline-rich peptides, and attacins are common insect AMPs, but gloverins and moricins have been identified only in lepidopteran species. This review focuses on AMPs from insects and discusses current knowledge and recent progress with potential applications of insect AMPs.
Antimicrobial peptides (AMPs) are important components of living organisms acting against Gram-negative and Gram-positive bacterial and fungal pathogens. Cathelicidin human peptides have a variety of biological activities that can be used in clinical applications. AMPs are not produced naturally in large quantities, and chemical synthesis is also economically impractical, especially for long peptides. Therefore, as an alternative, heterologous expression of AMPs by recombinant techniques has been studied as a means to reduce production costs. E. coli is an excellent host for the expression of AMPs, as well as other recombinant proteins, because of the low cost involved and its easy manipulation. However, overexpression of AMPs in E. coli has been shown to cause difficulties resulting from the toxicity of the subsequently produced AMPs. Therefore, fusion expression was theorized to be a solution to this problem. In this study, AMPs were expressed as fused proteins with the glutathione S-transferase (GST) binding protein to protect against the toxicity of AMPs when expressed in E. coli. The LL37, and hybrid gaegurin and LL37 (GGN4(1-16)-LL37(17-32), which we designated as GL32, peptides were expressed as GST-fusion proteins in E. coli and the fusion proteins were then purified by affinity columns. The purified peptides were obtained by removal of GST and were confirmed by western blot analysis. The purified antimicrobial peptides then demonstrated antimicrobial activities against Gram-negative and Gram-positive bacterial strains.
Inflammatory skin diseases such as atopic dermatitis (AD) and rosacea were complicated by barrier abrogation and deficiency in innate immunity. The first defender of epidermal innate immune response is the antimicrobial peptides (AMPs) that exhibit a broad-spectrum antimicrobial activity against multiple pathogens, including Gram-positive and Gram-negative bacteria, viruses, and fungi. The deficiency of these AMPs in the skin of AD fails to protect our body against virulent pathogen infections. In contrast to AD where there is a suppression of AMPs, rosacea is characterized by overexpression of cathelicidin antimicrobial peptide (CAMP), the products of which result in chronic epidermal inflammation. In this regard, AMP generation that is controlled by a key ceramide metabolite S1P-dependent mechanism could be considered as alternate therapeutic approaches to treat these skin disorders, i.e., Increased S1P levels strongly stimulated the CAMP expression which elevated the antimicrobial activity against multiple pathogens resulting the improved AD patient skin.
Cho, Jaeyong;Hwang, In-Sok;Choi, Hyemin;Hwang, Ji Hong;Hwang, Jae-Sam;Lee, Dong Gun
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.22
no.11
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pp.1457-1466
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2012
Antimicrobial peptides (AMPs) exert antimicrobial activity against Gram-positive and Gram-negative bacteria, fungi, and viruses by various mechanisms. AMPs commonly possess particular characteristics by harboring cationic and amphipathic structures and binding to cell membranes, resulting in the leakage of essential cell contents by forming pores or disturbing lipid organization. These membrane disruptive mechanisms of AMPs are possible to explain according to the various structure forming pores in the membrane. Some AMPs inhibit DNA and/or RNA synthesis as well as apoptosis induction by reactive oxygen species (ROS) accumulation and mitochondrial dysfunction. Specifically, mitochondria play a major role in the apoptotic pathway. During apoptosis induced by AMPs, cells undergo cytochrome c release, caspase activation, phosphatidylserine externalization, plasma or mitochondrial membrane depolarization, DNA and nuclei damage, cell shrinkage, apoptotic body formation, and membrane blebbing. Even AMPs, which have been reported to exert membrane-active mechanisms, induce apoptosis in yeast. These phenomena were also discovered in tumor cells treated with AMPs. The apoptosis mechanism of AMPs is available for various therapeutics such as antibiotics for antibiotic-resistant pathogens that resist to the membrane active mechanism, and antitumor agents with selectivity to tumor cells.
Insects represent the largest class within the animal kingdom in terms of species number. Humans had been utilized insect in the broad area, including food, agriculture, industry, pharmaceuticals and so on. At present, insects are emerging as a leading group for identifying and extracting novel bioactive substances due to enormous number and a high nutritional value. Insects rely on a suite of systemic response to resist infection such as immune cells, hemocytes, activation of enzymes cascades, and antimicrobial peptide/protein. Among the substances, antimicrobial peptides (AMPs) are main components of potent antimircrobial innate defense system into the insect hemolymph. AMPs raise influential candidate as avenue to resolve the development of antibiotic-resistant microbial organism. Insect AMPs are classified into four main classes: cecropins, insect defensins, glycine/proline-rich peptides. Insect AMPs have been purified, over 150. In this review, AMPs derived from several insects were summarized including honey bee, dung beetle, butterfly and longicorn beetle. These peptides almost exhibited potent antimicrobial activities against human microbial pathogens without causing remarkable hemolysis to erythrocytes excluding melittin, and their mode of action(s) are based on disruption of the plasma membrane or fungal apoptosis. Therefore, study of insect AMPs is expected to be useful for designing novel therapeutic antimicrobial applications.
Park, Yoo Jung;Lee, Sung Kyun;Jung, Young Su;Lee, Mingyu;Lee, Ha Young;Kim, Sang Doo;Park, Joon Seong;Koo, JaeHyung;Hwang, Jae Sam;Bae, Yoe-Sik
BMB Reports
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v.49
no.9
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pp.520-525
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2016
We investigated the effects of two antimicrobial peptides (AMPs) isolated from Scolopendra subspinipes mutilans on neutrophil activity. Stimulation of mouse neutrophils with the two AMPs elicited chemotactic migration of the cells in a pertussis toxin-sensitive manner. The two AMPs also stimulated activation of ERK and Akt, which contribute to chemotactic migration of neutrophils. We found that AMP-stimulated neutrophil chemotaxis was blocked by a formyl peptide receptor (FPR) 1 antagonist (cyclosporin H); moreover the two AMPs stimulated the chemotactic migration of FPR1-expressing RBL-2H3 cells but not of vector-expressing RBL-2H3 cells. We also found that the two AMPs stimulate neutrophil migration in vivo, and that this effect is blocked in FPR1-deficient mice. Taken together, our results suggest that the two AMPs stimulate neutrophils, leading to chemotactic migration through FPR1, and the two AMPs will be useful for the study of FPR1 signaling and neutrophil activation.
Kim, In-Woo;Markkandan, Kesavan;Lee, Joon Ha;Subramaniyam, Sathiyamoorthy;Yoo, Seungil;Park, Junhyung;Hwang, Jae Sam
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.26
no.11
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pp.1863-1870
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2016
Antimicrobial peptides/proteins (AMPs) are present in all types of organisms, from microbes and plants to vertebrates and invertebrates such as insects. The grasshopper Oxya chinensis sinuosa is an insect species that is widely consumed around the world for its broad medicinal value. However, the lack of available genetic information for this species is an obstacle to understanding the full potential of its AMPs. Analysis of the O. chinensis sinuosa transcriptome and expression profile is essential for extending the available genetic information resources. In this study, we determined the whole-body transcriptome of O. chinensis sinuosa and analyzed the potential AMPs induced by bacterial immunization. A high-throughput RNA-Seq approach generated 94,348 contigs and 66,555 unigenes. Of these unigenes, 36,032 (54.14%) matched known proteins in the NCBI database in a BLAST search. Functional analysis demonstrated that 38,219 unigenes were clustered into 5,499 gene ontology terms. In addition, 26 cDNAs encoding novel AMPs were identified by an in silico approach using public databases. Our transcriptome dataset and AMP profile greatly improve our understanding of O. chinensis sinuosa genetics and provide a huge number of gene sequences for further study, including genes of known importance and genes of unknown function.
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