litceysel.ru
добавить свой файл
1 2 3 4


IMBIO-50621; Количество страниц 12

СТАТЬЯ В ПРЕССЕ



Иммунология xxx (2010) xxx–xxx


Содержание можно просмотреть на «Сайенс Директ» [Science Direct]


Иммунобиология



Веб-сайт журнала: www.elsevier.de/imbio


Обзор


Иммунозащитные пептиды и двойственность их антимикробных и иммуномодуляторных свойств

Ларс Штайнштрессер*, Урсула Крейнберг, Франк Джэкобсен, Сэмми Ал-Бенна


Лаборатория молекулярной онкологии и регенерации тканей, Отделение пластической хирургии, Университетская клиника BG Бергманшайль, Рурский университет в Бохуме, адрес: Buerkle-de-la Camp-Platz-1, 44789 Бохум, Германия



Краткий обзор информации

История статьи:

Получена 25 февраля 2010 г.

Принята 1 июля 2010


Ключевые слова:

Иммунозащитные пептиды

Врожденный иммунитет

Бактериальная инфекция

Воспаление

Иммунозащитные пептиды (ИЗП) представляют собой короткие положительно заряженные молекулы, которые продуцируются иммунной системой большинства многоклеточных организмов и играют главную роль как молекулы-эффекторы врожденного иммунитета. Иммунозащитные пептиды обладают широким спектром биологических свойств от прямого убивания проникающего патогена до модулирования иммунных и других биологических реакций организма-хозяина. ИЗП выполняют важные функции во многих клинически значимых патологических процессах и их несбалансированная экспрессия ассоциируется с патологией в разных системах органов и типах клеток. Кроме того, ИЗП на данный момент рассматриваются как образцы для разработки новых натуральных антибиотиков и иммунорегуляторных соединений. Данная статья представляет собой обзор ИЗП в аспекте их антимикробной и иммуномодуляторной двойственности.


© 2010 Опубликовано «Эльзевир ГмбХ»





Содержание

Введение

00

Значение врожденного иммунитета

00

Особенности строения дефензинов и кателицидинов

00

Иммунозащитные пептиды — синтез, экспрессия и механизм действия ............................................................................

00

Биологическая активность ИЗП .............................................................................................................................

00

Иммунозащитные пептиды и модуляция врожденной иммунной системы ччччеловекачеловека..............................................................................

00

Действие иммунозащитных пептидов при заживлении ран ,.....................................................................................................................

00

Заключение

00


Список литературы

00

Введение

Выживание в мире, полном микроорганизмов, без унаследованной защиты врожденного иммунитета кажется фактически невозможным. Удивительно, что при полном отсутствии механизмов приобретенного иммунитета, растения, грибы и беспозвоночные успешно выживают под защитой одних лишь только механизмов врожденного иммунитета (Hancock, Scott 2000; Steinstraesser et al. 2009). Врожденный иммунитет как таковой представляет собой древний эволюционный механизм, который базируется на сравнительно обобщённой, но, тем не менее, довольно эффективной стратегии защиты.

Помимо естественных непосредственных анатомических барьеров организма, таких как кожа, эта наследственная система резистентности поддерживается, в первую очередь, образраспознающими рецепторами и ассоциированными сигнальными путями, цитокинами, каскадом реакций комплемента, лейкоцитами и в значительной мере Иммунозащитными пептидами (ИЗП) (Liu et al. 2009; Oppenheim et al. 2003).

Контакты для переписки. тел.: +49 234 302 3442; факс: +49 234 302 6379.

Email: lars.steinstraesser@ruhr-uni-bochum.de (Ларс Штайнштрессер).

0171-2985/$ – см. обложку и титульные листы © 2010 Опубликовано «Эльзевир ГмбХ».

doi:10.1016/j.imbio.2010.07.003

Количество природных соединений, обладающих противомикробной, активностью велико, однако, в основном состоит из трех функциональных групп: (1) пищеварительные ферменты, разрушающие структуру микроорганизма (например, лизоцим), (2) пептиды способные связывать такие жизненно необходимые элементы, как цинк или железо (например, кальпротектин и лактоферрин, соответственно), и (3) пептиды, которые проникают сквозь микробные мембраны (например, дефензины и кателицидины, рассмотренные ниже) (Yacoby and Benhar 2007; Deans et al. 2005; Ohlsen et al. 2008; Hancock 2001; Steinstraesser et al.) Лизоцим, как первый пептид с противомикробной активностью, был открыт Александром Флемингом в конце 1920-х годов. Только два десятилетия назад, благодаря развитию методов молекулярной биологии, позволившему изолировать и идентифицировать отдельные пептиды, удалось установить их структурные и функциональные особенности. На сегодняшний день известно более 1220 ИЗП, в том числе, более 940 ИЗП эукариотических организмов, которые перечислены в трех базах данных (Brahmachary et al. 2004; Fjell et al. 2007; Wang et al. 2009).


В настоящем обзоре дается полное представление о современном понимании ИЗП, при этом особое внимание уделяется дефензинам и кателицидинам и их роли в иммунологической защите человека.



Дефензины и кателицидины хорошо изучены, и широко обсуждаются потенциальные возможности их использования в качестве натуральных противомикробных соединений, а также как моделей для разработки новых синтетических антибиотиков и иммунорегулирующих препаратов.


Значение врожденного иммунитета


Неспецифическая защитная система немедленного действия совершенно необходима для сохранения здоровья, так как она направлена на эффективную защиту от потенциальных инфекционных, а также неинфекционных угроз. В прошлом иммунологи считали, что основной задачей иммунной системы является распознавание своих и чужеродных агентов. Однако, функции иммунной системы намного шире, как описала Метцингер в своей концепции “Danger-Model” [«Опасность – модель»]. Активация иммунного ответа происходит не только в ответ на микроорганизмы (чужеродные агенты), но также как реакция на все остальные типы поражений (или «сигналы опасности»), включая физические травмы, ионизирующую радиацию, окислительный стресс, ишемию, а также воздействие экстремальных температур (Matzinger 1994). Врожденный иммунитет обеспечивает немедленный вид защиты практически у всех живых организмов. Основу этого врожденного иммунного ответа составляют многофункциональные ИЗП, как эволюционное усовершенствование для предотвращения микробного заражения и повреждения тканей (Boman 2003; Kim et al. 2009).

Патогенный микроорганизм имеет возможность проникнуть в любую часть организма хозяина. В большинстве случаев, первоначальное взаимодействие происходит на поверхности кожи или на выстилающем эпителии дыхательного, желудочно-кишечного, репродуктивного или мочевыделительного трактов (Hegedus et al. 2008; Tew et al. 2006; Chromek et al. 2006; Koczulla and Bals 2003; Tani et al. 2000; Thompson et al. 2006; Zhou et al. 2004a,b). Таким образом, эпителиальные клетки позвоночных продуцируют ИЗП в качестве составных элементов первой линии защиты. Поврежденная кожа может быть основными входными воротами инфекции и создавать условия для размножения и распространения патогенных микроорганизмов; самым простым примером этому может служить столбняк или инфицирование ожоговых ран. Изначальный каскад реакций врожденного иммунитета, который включает в себя продуцирование ИЗП воспалительными клетками, такими как нейтрофилы, и тканевые фагоциты, и в том числе макрофаги, является частью ответа на воспалительный процесс (Bhat and Milner 2007; Finlay and Hancock 2004; Jacobsen et al. 2005a,b; Sima et al. 2003).


ИЗП свойственна высокая специфичность к микробным агентам, при этом они относительно гораздо менее токсичны для клеток многоклеточного хозяина. Тем не менее, некоторые из них также влияют на эукариотические клетки. Эта особенность обеспечивает животным врожденный иммунитет, в отличие от хорошо изученного приобретенного иммунитета, получаемого благодаря размножению B- и T-клеток. Значение этой системы как препятствия для инфекции становится очевидным, если принять во внимание то, что время жизни поколения большинства бактерий составляет 20–30 мин., тогда как формирование специфического иммунного ответа, обусловленного образованием клеток в организме млекопитающего, может занять целые дни или недели.

Во время инфицирования или воспаления количество многих ИЗП возрастает. Например, человеческий β-дефензин (hBD)-2 активизируется во многих типах клеток, таких как моноциты, клетки эпителия и кератиноциты во время бактериальных инфекций и под воздействием стимуляции различными бактериальными компонентами, которые активируют Toll-подобный рецептор (TLR) на пути к ядерному фактору (NF)-kB (Harder et al. 2004; Proud et al. 2004; Vora et al. 2004). Кроме того, при ожогах пониженный уровень дефензина может способствовать инфицированию и последующему развитию сепсиса (Bhat and Milner 2007).

Более того, как менее важная универсальная функция механизмов врожденного иммунитета, ИЗП также представлены менее типичными видами клеток, такими как эндотелиальные клетки и миоциты (Ganz 2005; Linde et al. 2007). Возможно, правильнее рассматривать иммунную систему не только как некую совокупность «профессиональных» иммунных клеток, проверяющих тело на наличие потенциально опасных агентов, а как всеобъемлющую систему, содержащую совокупность связанных между собой клеток, слаженно работающих, чтобы обеспечить поддержание гомеостаза (Matzinger 2007).

ИЗП были выделены у большого числа видов животных, растений, грибков и бактерий (Hancock and Scott 2000). Так как они успешно сохраняли свою антимикробную активность на протяжении миллионов лет, некоторые ИЗП действуют как природные антибиотики, демонстрируя необычайно широкий спектр активности, от грам-положительных и грам-отрицательных бактерий до грибков и вирусов (Hancock and Scott2000; Hancock 2001; Steinstraesser et al. 2004; Zasloff 2002). Существуют два разных характерных механизма воздействия: наружный и внутренний. Различают ИЗП, которые нарушают проницемость мембраны бактериальной клетки и/или разрушают ее, и ИЗП, которые проникают через клеточную мембрану и взаимодействуют с цитозольной мишенью (Dorschner et al. 2006; Andres and Dimarcq 2007; Johansson et al. 1998; Oren et al. 1999). В более широком понимании, ИЗП способны определять любые организмы с безхолестериновыми негативно заряженными мембранами как цели для «поражения». Важно, что ИЗП способны убивать измененные или раковые клетки, и этой цитотоксичности не свойственна ни видоспецифичность, ни избирательность. (Oppenheim et al. 2003; Yang et al. 2002, 2004). Например, было доказано, что hCAP/LL-37 активизирует клетки опухоли, что приводит к усилению роста клеток in vitro и in vivo (Coffelt et al. 2008; von Haussen et al. 2008). В противоположность этому, Бозе и соавторы (Bose et al.) продемонстрировали, что hBD-1 индуцирует стремительный цитолиз клеток рака простаты и что PAX2 онкоген подавляет экспрессию hBD-1 при раке простаты (Bose et al. 2009).


Такие свойства ИЗП, как ангиогенез, хемотаксические функции, выработка цитокинов, высвобождение гистамина, способность к реакциям связывания липополисахаридов и другие иммуномодуляторные функции могут приводить к антимикробной активности и обеспечивают адекватную стимуляцию ответных реакций приобретенного иммунитета (Yang et al. 2002; Bals and Wilson 2003). Например, связь с инициированием рекций приобретенного иммунитета наблюдалась у дефензинов, которые действовали как прямые хемоаттрактанты для незрелых дендритных клеток (Yang et al.2002, 2004; Bowdish et al. 2005). Некоторые дефензины обладают опсонизирующей активностью и имеют способность модифицировать гормональные реакции (Klotman and Chang 2006; Yang et al. 2007). Таким образом, ИЗП являются не просто «обычными природными антибиотиками”, а также, как оказалось, играют главную роль во многих клинически значимых патологических процессах, таких как неспецифическое воспаление, ожирение, диабет и гиперлипидемия (Froy et al. 2007; Hollox 2008; Kougias et al. 2005; Nassar et al. 2007). В нескольких исследованиях была продемонстрирована корелляция между тяжестью течения заболевания и уровнем выработки ИЗП (Morrison et al. 2002; Niyonsaba et al. 2009). Моррисон и др. смог продемонстрировать повышение восприимчивости к инфекциям, вызванным золотистым стафиллококом (Staphylococcus aureus) у hBD-2 нокаутных мышей, при этом была обнаружена способность изолированного дермицидин-пептида DCD-1L, который вырабатывается эккринными потовыми железами, стимулировать выработку цитокинов/хемокинов кератиноцитами человека (Morrison et al. 2002; Niyonsaba et al. 2009). Пониженная экспрессия дермицидина в поту пациентов с атопическими дерматитами ассоциировалось с высокой восприимчивостью данных пациентов к кожным инфекциям и видоизмененной микрофлорой кожи (Rieg et al. 2005). Физиологические свойства и регуляция ИЗП могут, таким образом, быть ключом к объяснению многих сложных вопросов в медицине.

Особенности строения кателицидинов и дефензинов


Согласно определению, к ИЗП относятся только генно-кодированные, синтезированные рибосомами полипетидные антимикробные субстанции, которые в длину составляют менее 100 аминокислотных остатков (Ganz and Lehrer 1999). Так как большинство пептидных антибиотиков грибкового и бактериального происхождения являются нерибосомально синтезированными пептидами и содержат атипичные аминокислоты, вышеизложенное определение может служить различительным признаком, позволяющим отделить ИЗП от этой категории. (Ganz and Lehrer 1999). Природные антимикробные вещества многочисленны и по размеру варьируются от относительно больших протеиновых комплексов (напр., каскад комплемента) до малых неорганических молекул (напр., перекись водорода) (Ganz 2005; Ganz and Lehrer 1999). Исходя из молекулярного строения, конформационной структуры или строения пробладающей аминокислоты, ИЗП можно разделить на четыре основных класса: линейные α-спиральные структуры без дисульфидных связей (напрмер, кателицидины, магаинины и цекропины), молекулы со структурой β-листа, которая стабилизируется за счет свойственных ей дисульфидных связей (например, α- и β-дефензины), с пребладанием одной или более аминокислот с высоким содержанием аргинина, глицина, гистидина, пралина, триптофана или их отдельных комбинаций (напр., индолицидин), и петлевидные пептиды с одной дисульфидной связью (напр., бактенецин) (Koczulla and Bals 2003; Hancock 1997; Andreu and Rivas 1998; van ‘t Hof et al. 2001; Hancock and Sahl 2006; Zhang and Falla 2009). Биологическое действие ИЗП зависит в первую очередь от их третичной структуры, соответственно, особенности их строения вызывают непосредственный интерес (Sima et al. 2003).

Два основных класса традиционных ИЗП человека - это дефензины и кателицидины. Классические молекулы дефензина включают группу малых амфифильных, иногда с высоким содержанием аргинина, катионных пептидов, которые, как правило, состоят из 29-45 аминокислотных остатков. Различают α- и β-дефензины; дисульфидные связи α-дефензинов – это Cys1–Cys6, Cys2–Cys4 и Cys3–Cys5 (цифра указывает позицию цистеинового остатка в аминокислотной последовательности относительно N-конца), в то время как для β-дефензинов это Cys1–Cys5, Cys2–Cys4 и Cys3–Cys6 (Oppenheim et al. 2003; Ganz 2005; Matzinger 2007; Kesting et al. 2009). В нейтрофилах человека, дефензины содержат 30-50% зернистых белков (Oppenheim et al. 2003; Matzinger 2007). Кроме этого, дефензины были также идентифицированы в клетках других типов, в том числе в тканевых макрофагах, мелких клетках кишечного эпителия и кардиомицетах (Linde et al. 2007; Scott et al. 2002; Steinstraesser et al. 2008; Wah et al. 2006). В коже человека дефензины продуцируются в основном кератиноцитами, нейтрофилами, потовыми и сальными железами (Koczulla and Bals 2003) и могут выделяться как в обычных условиях, так в ответ на воспалительный стимул. В целом, строение молекулы дефензиновых пептидов сравнивали с изогнутой скрепкой: внутримолекулярные дисульфидные связи между участками с NH2-концом и COOH-концом пептида, создавая цикличную, трижды скрученную, амфифильную структуру β-листа, образуют характерную «дефензиновую» складку и пространственно разделяют гидрофильную и гидрофобную области. Эти три внутримолекулярные дисульфидные связи стабилизируют структуру β-листа и повышают устойчивость к протеолизису, но понижают гибкость молекулы (Campopiano et al. 2004; Maemoto et al. 2004; Wu et al. 2003), хотя дисульфидные мостики неявляются критически необходимыми антимикробной активности дефензинов (Wu et al. 2003).

На сегодняшний день, основываясь на различиях в размерах и структурных особенностях цистеинового звена (вторичная структура), описаны три разные категории дефензинов позвоночных (в дополнение к дефензинам насекомых и растений) (Boman 2003; Zasloff 2002). α-Дефензины представляют собой классические «нейтрофильные дефензины», которые были впервые описаны в середине 1980-х годов, тогда как о более крупных β-дефензинах впервые было упомянуто в начале 1990-х (Ganz and Lehrer 1999). В базе данных Триеста содержатся данные о 90 β-дефензинах и 55 α-дефензинах. Не так давно были описаны более редкие γ-дефензины. Среди видов широко распространены α- и β-Дефензины, а γ-дефензины, как известно, определяются только в гранулоцитах макак-резус и некоторых других приматов, в том числе других приматов семейства мартышковых и орангутангов (Crovella et al. 2005; Selsted 2004; Tran et al. 2008). γ-Дефензины - это небольшие двухспиральные кольцевидные молекулы, в отличие от α- и β-дефензинов, которые представляют из себя плоские трижды скрученные β-листы (Boman 2003). Секретируемые нейтрофилами альфа-дефензины можно обнаружить в биологических жидкостях (Panyutich et al. 1991, 1993, 1994). Концентрация α-дефензинов в плазме человека, соответствующая физиологической норме, составляет 40 нг/мл, методом иммуноферментного анализа (ИФА) (Panyutich et al. 1991). При наличии воспаленительного процесса их концентрация взрастает в 2-4 раза, а при сепсисе достигает микромолярной концентрации (Panyutich et al. 1993). В плазме α- и β-дефензинынеспецифически связываются с протеинами сыворотки крови с большой молекулярной массой такими, как сывороточный альбумин, α2-макроглобулин и C1 комплемент, который понижает их противовирусную и противоопухолевую активность (Panyutich and Ganz 1991). α- и β-дефензины определются в жидкостях тела человека во время воспаления легких, инфекций мочевыводящих путей и в слезах после офтальмологических хирургических вмешательств (Chromek et al. 2006; Thompson et al. 2006; Lemaitre et al. 1996).


hCAP-18, обладающий α-спиральным строением, известный также как LL-37, является единственным изученным антимикробным пептидом из семейства кателицидинов, и впервые был описан в 1995. Кателицидины обнаруживаются в разных количествах во множестве видов, в том числе у млекопитающих (Scott and Hancock 2000; Zanetti 2004). Общим признаком кателицидиновых пептидов является хорошо заметное сходство, определяемое как кателиновый домен в 50 зонах и антимикробный домен С-конца, который, при необходимости, может меняться и высвобождается путем протеолиза. (Otte et al. 2009; Tomasinsig and Zanetti 2005). Кателицидины, как правило, экспрессируются миелоидными клетками-предшественниками, но также известно, что у некоторых видов они экспрессируются в зрелых циркулирующих нейтрофилах и лимфоидной ткани новорожденных (Zanetti 2004). Они накапливаются в виде неактивных пропептидов и процессируют только в ответ на стимуляцию, высвобождая в межклеточную жидкость активные ИЗП (Scott et al. 2002; Zanetti 2004). Вырабатываются они преимущественно лейкоцитами и клетками эпителия и слизистой оболочки, где они накапливаются в специфических гранулах (Scott et al. 2002).

Положительно заряженный C-концевой LL-37, состоящий из 37 аминокислот фрагмент, демонстрирует широкий спектр антимикробной активности опосредованной прямым взаимодействием с мембраной микробной клетки и ее разрушением. Ферментом, ответственным за растворение пропротеинов в нейтрофилах является серинпротеиназа 3. Согласно недавним исследованиям, в коже сериновые протеазы калликреин 5 и 7 выполняют роль посредника в альтернативном процессинге hCAP18, генерируя некоторые ранее неизвестные пептидные фрагменты, из чего можно сделать вывод, что тканевой профиль этого пептида может различаться в зависимости от ткани и биологических условий. То, что их функциональный профиль может различаться, открывает новую потенциальную область для исследований. Помимо противомикробной активности, LL-37, предположительно, участвует в различных биологических процессах, таких как ангиогенез, хемотаксис, выработка цитокинов, высвобождение гистамина и заживление ран. (Koczulla and Bals 2003; Jacobsen et al. 2005a,b; Scott et al. 2002; Shaykhiev et al. 2005; Steinstraesser et al. 2006). Кроме того, количество кателицидиновых антимикробных пептидов различно у разных видов, что сколрее всего является причиной разной степени резистентности различных видов к специфическим типам инфекций. (Lee et al. 2005). Было установлено, что у людей ИЗП являются необходимыми молекулами-эффекторами TLR- индуцированного противомикробного ответа на внутриклеточные микобактерии в макрофагах. Выяснение механизмов этих защитных реакций, используемых макрофагами человека в схватке с патогенном, определяет возможные направления для разработки новых терапевтических стратегий (Liu et al. 2009; Nizet et al. 2001). Интересно, что кателицидины и дефензины проявляют синергизм, подразумевающий их объединенную роль в синхронизации работы врожденного иммунитета, о чем будет более подробно сказано далее (Lee et al. 2005).



следующая страница >>