什么是穿膜肽
多肽、蛋白质和基因类生物大分子药物在许多疾病的治疗中发挥着重要的作用，但由于其尺寸较大 和低亲脂特性，导致其不能有效穿过细胞膜，使得这些具有治疗价值的生物大分子在医学等领域的 应用受到了极大限制。当前常用的将生物大分子导入细胞的方法有脂质体介导法、病毒载体介导法 、电穿孔法和显微注射法等，但这些方法具有转运效率低、细胞毒性大、安全性差、靶向特异性差 等缺点，极大地限制了其大规模应用。因此，开发高效、安全的生物大分子跨膜转运技术成为了一 项重要挑战，而细胞穿膜肽(cell-penetrating peptides，CPPs)的发现为以上问题的解决提供了新的思路。
Vives等又证实，TAT蛋白的47-57位氨基酸对穿膜效应起关键作用。像这类具有跨膜转运能力的小分子短肽被称为细胞穿膜肽，其由5~30个氨基酸残基组成，不仅能够自身穿透细胞膜，还能以共价或非共价结合的方式携带多肽、蛋白质、核酸和纳米颗粒等多种外源性物质进入细胞，又被称为膜转运蛋白(membrane transduction�peptides,MTPs)或蛋白转导结构域(protein transduction domains,PTDs)
根据其物理化学特性，CPPs可以分为三种类型：阳离子型、两亲型和疏水型。其中以阳离子型和两亲型CPPs为主，约占85%，而疏水型CPPs仅占15%。
CPPs种类：阳离子型
阳离子型穿膜肽由富含碱性氨基酸(在中性pH时具有净正电荷)精氨酸（R）、赖氨酸(K)和组氨酸(H)的短肽组成，如TAT，Penetratin，Polyarginine，P22N，DPV3和DPV6等。其中，精氨酸含有胍基(胍基是一种碱性的、易于水解的化学基团，化学式为-CN3H4)，能和细胞膜上带负电荷的磷酸基团以氢键连接，在生理PH值条件下介导穿膜肽入膜。寡聚精氨酸(从3 R到12 R)的研究表明，精氨酸的数量至少为8时才具有穿膜能力，且随着精氨酸数量的增加，穿膜能力也逐渐增加。而赖氨酸虽然和精氨酸一样带有阳离子，但其不含胍基，因此当其单独存在时，其穿膜效率就不太高 。Futaki等(2001)发现阳离子型细胞穿膜肽至少含有8个带正电荷的氨基酸时才能达到好的穿膜效果。尽管带正电荷的氨基酸残基对于穿膜肽穿膜至关重要，但其他氨基酸也同样重要，例如当W14突变成F后，Penetratin的穿膜性就消失了。
有一类特殊的阳离子型穿膜肽为核定位信号序列(nuclear localization sequences，NLSs)，是由一段富含精氨酸、赖氨酸和脯氨酸的短肽组成，能够通过核孔复合体而转运到细胞核内。NLSs可以进一步分为单分型和双分型，分别由一簇和两簇碱性氨基酸组成，例如来至猿猴病毒40(SV40)的PKKKRKV为单分型NLS，而核质蛋白为双分型NLS，其发挥穿膜能力的短序列为KRPAATKKAGQAKKKL。由于大多数NLSs的电荷数小于8，所以NLSs并不是有效的细胞穿膜肽，但当其与疏水性肽序列共价连接形成两亲型穿膜肽时可以有效穿膜。
CPPs种类：两亲型穿膜肽
两亲型穿膜肽由亲水结构域和疏水结构域构成，分为初级两亲型、次级α-螺旋两亲型、β-折叠两亲型和脯氨酸（P）富集两亲型共四种 。
初级两亲型穿膜肽分为两类，一类由疏水性肽序列和NLSs共价连接而成，如MPG (GLAFLGFLGAAGSTMGAWSQPKKKRKV)和Pep-1 (KETWWETWWTEWSQPKKRKV)，二者均以SV40的核定位信号PKKKRKV为基础，其中MPG的疏水结构域来至于HIV糖蛋白41的融合序列(GALFLGFLGAAGSTMGA)，而Pep-1的疏水结构域来至于对膜有高亲和性的色氨酸富集簇(KETWWET WWTEW)，但二者的疏水结构域均通过WSQP与核定位信号PKKKRKV连接。另一类初级两亲型穿膜肽则从天然蛋白质中分离获得，如pVEC，ARF(1-22)和BPrPr(1-28)。
次级α-螺旋两亲型穿膜肽则是通过α-螺旋与膜结合，其亲水性氨基酸残基和疏水性氨基酸残基分别位于螺旋结构的不同表面，如MAP (KLALKLALK ALKAALKLA)。对于β-折叠两亲型穿膜肽，其形成β-折叠片的能力对其穿膜能力是至关重要的，如在VT5 (DPKGDPKGVTVTVTVTVTGKGDPKPD)的穿膜能力研究过程中，运用D-型氨基酸突变产生的类似物不能形成β-折叠片，其穿膜能力则变得非常差。在脯氨酸富集的两亲型穿膜肽中，当脯氨酸在多肽结构中非常富集时，其在纯水中极易形成聚脯氨酸II (PPII)。PPII为左旋螺旋，每圈含3.0个氨基酸残基，与标准的右旋α-螺旋结构每圈3.6个氨基酸残基完全相反。脯氨酸富集的两亲型穿膜肽有牛抗菌肽7(Bac7)、合成多肽(PPR)n(其中n可为3、4、5和6)等。
CPPs种类：疏水型穿膜肽
疏水型穿膜肽只含有非极性氨基酸残基，净电荷量低于氨基酸序列总电荷量的20%，或者含有穿膜至关重要的疏水性基序或化学基团。尽管这类细胞穿膜肽常常被忽视，但它们确实存在，如来源于卡波西式肉瘤的成纤维细胞生长因子(K-FGF)和成纤维细胞生长因子12(F-GF12)。
疏水性可以通过添加脂肪族或芳香族结构来实现。一些细胞穿透肽模拟物的研究证实，芳香族活化性优于脂肪族。 脂化是通过将不同长度的烃链（烷基）连接到已知细胞穿透肽的N端 或其它合适的官能团上。这种烷基化改性通过增强与膜的疏水相互作用提高细胞穿透肽的内化效果。除了整合脂肪链外，多肽分子疏水性的提高也可以通过引入疏水性氨基酸（例如亮氨酸L、异亮氨酸I、丙氨酸A、缬氨酸V、苯丙氨酸F）来实现。有报道称，在使用更疏水的丁基替换甲基之后，一个细胞穿透肽的活性提升了三倍。
参考
[1]陈月如等. "细胞穿膜肽的研究概况." 海洋科学前沿 5.2(2018):9.
