CC BY
103
Теоретична медицина
УДК 616.2:543.645.6/.7(049.2):612.648:612.017 АБАТУРОВ А.Е.
Днепропетровская государственная медицинская академия
КАТИОННЫЕ АНТИМИКРОБНЫЕ ПЕПТИДЫ СИСТЕМЫ НЕСПЕЦИФИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ РЕСПИРАТОРНОГО ТРАКТА: ДЕФЕНЗИНЫ И КАТЕЛИЦИДИНЫ.
Дефензины — молекулы, переживающие ренессанс (часть 3)
Резюме. В обзоре показано, что дефензины обладают широким спектром антибактериальной, противовирусной и противогрибковой активности, которую они проявляют в первые часы после инфицирования организма. Представлены молекулярные механизмы бактерицидного, вирулицидного и фунги-цидного действия дефензинов.
Ключевые слова:респираторный тракт, неспецифическая защита, антимикробные пептиды, дефензины.
Сокращения: HBD (human b-defensins) — человеческий b-дефензин; HD (human defensin) — человеческий a-дефензин клеток Панета; HNP (human neutrophils peptide) — человеческий нейтрофильный пептид.
Бактерицидная, вирулицидная и фунгицидная активность дефензинов
Дефензины обладают широким спектром антибактериальной, противовирусной и противогрибковой активности [250].
Бактерицидная активность дефензинов
Дефензины проявляют выраженную бактерицидную активность по отношению как к грамотрицатель-ным, так и к грамположительным бактериям. Бактерицидное действие дефензинов проявляется через 3—4 часа от момента инфицирования и реализуется в виде многоступенчатого процесса, который включает в себя непосредственное взаимодействие дефензинов с инфекционным агентом, порообразование в клеточной мембране бактерий, интернализацию молекул дефен-зина с последующим антиметаболическим эффектом (рис. 1). Первичное взаимодействие дефензинов с инфекционными агентами обусловлено электр о статическими силами (пептиды несут положительный, а поверхность бактериальной мембраны — отрицательный заряд) и специфическим взаимодействием дефензи-новых пептидов с определенными молекулярными детерминантами бактериальной мембраны. Бактерицид-ность практически всех дефензинов, исключая HBD-3, зависит от концентрации NaCl. При концентрации NaCl выше 150 мкмоль/л происходит достоверное снижение активности дефензинов [83, 92, 108, 155, 233].
Дефензины отличаются по силе бактерицидной активности к различным группам патогенных бактерий (табл. 1). Практически уже в первых исследованиях, посвященных изучению биологических свойств дефензинов, было установлено, что пептиды HNP-1, HNP-2, HNP-3, HD-5, HBD-1, HBD-2 и HBD-3 обладают высокой бактерицидной активностью против широкого круга грампо-ложительных, грамотрицательных бактерий [47, 91, 192]. Особо высокая бактерицидная активность характерна для ß-дефензинов с единственной дисульфидной связью в С-терминальном регионе — HBD-1 (ACPIFTKIQGTYRGKAKCK), HBD-2 (FCPRRYKQIGTGLPGTKCK) и HBD-3 (SCLPKEEQIGKSTRGRKCRRKK) [159].
Миелоидные a-дефензины проявляют выраженную бактерицидную активность по отношению к Haemophilus influenzae, Moraxella catarrhalis, Staphylococcus aureus и некоторым другим бактериальным инфектам [34]. Максимальный бактерицидный эффект у HNP отмечается при значениях pH среды от 7 до 8 [217].
Рисунок 1. Порообразующее действие дефензинов (микрофотография Suzie Fisher, Ethan Fry, Quynh Pham и Micah Tobin, 2009) [76]
Таблица 1. Спектр антибактериального действия дефензинов [43, 51, 118]
Инфекционный агент Штамм HNP-1-3 (MIC, мкг/мл) HBD-1 (MIC, мкг/мл) HBD-2 (MIC, мкг/мл) HBD-3 (MIC, мкг/мл)
1 2 3 4 5 6
Грамотрицательные бактерии
Actinobacillus actinomycetemcomitans ATCC 29523 > 250
Burkholderia cepacia ATCC25416 1,56 1,56
ATCC17770 0,78 0,78
ATCC 35416 0,78 0,78
Fusobacterium nucleatum ATCC 49256 4,5
Haemophilus influenzae 9,5
Moraxella catarrhalis 7,7
Escherichia coli ATCC 11303 6
ATCC 11775 62
ATCC25922 9-23 (LD99) 102 (LD99)
ATCC 35218 62
DH5D
D31 62
ML-35 0,7 4-40
Porphyromonas gingivalis ATCC33277 34,6 5,7-31,3
WA50 > 250 50 > 250 200-250
381
ATCC 49417 62,5
Pseudomonas aeruginosa NCTC 6750 1
MR3007 > 250
PA01 10 26,5
ATCC 27853 100 75 25
ATCC17648
Proteus mirabilis ATCC 7002 > 250
Proteus vulgaris ATCC 13315 > 79,1
Salmonella typhimurium 7953s 8,4
Stenotrophomonas maltophilia 411 A-15 > 4,3
Грамположительные бактерии
Actinomyces naeslundii 11A01 7,2
Actinomyces israelii 5A40 9
Listeria monocytogenes EGD 39,7
Peptostreptococcus micros ATCC 33270 > 250
Staphylococcus aureus 29213 7-16 (LD90) 9,5 210
COL > 50 10 5
MRSA 2,5-25 25
ATCC 12600 12,5 1,56
ATCC 25923 21-52 (LD90) 12,5 3,125
ATCC29213 25 3,125
Me™^.n.nMH-pe3MCTeHTHbm Staphylococcus aureus ATCC 33591 21,2
Staphylococcus epidermis 5,2
140
(^¿^рвИши
Окончание табл. 1
1 2 3 4 5 6
Streptococcus sanguis NP506 7,6
Streptococcus mutans ATCC 25175 5
ATCC 10449
NCTC 10449 4,1
ATCC 25175 4,1 5
MT403R 25
LM-7 20 5 1
По всей вероятности, pH среды влияет на взаимодействие пептида с клеткой-мишенью, изменяя конфор-мацию молекулы пептида или молекулярных структур поверхности стенки бактерии [24]. На основании сравнительного анализа результатов кинетического турбидиметрического метода исследования шести человеческих a-дефензинов Bryan Ericksen и соавт. [70] показали, что миелоидные a-дефензины располагаются в последовательности HNP-2 > HNP-1 > HNP-3 > HNP-4 по уровню активности против Staphylococ-cus aureus; и в последовательности HNP-4 > HNP-2 > HNP-1 = HNP-3 по силе активности против Escherichia coli. Бактерицидная активность пептида HD-5 против Staphylococcus aureus сравнима с эффективностью HNP-2, а против грамотрицательных бактерий — с эффективностью HNP-4.
Пептид HBD-1 преимущественно проявляет активность по отношению к Moraxella catarrhalis, Streptococcus pneumoniae. В то время как HBD-2 практически не оказывает бактерицидного действия на грамположительные бактерии, но высоко активен по отношению к грамотрицательным бактериям (Acine-tobacter baumannii, Escherichia coli, Enterococcus faecium, Pseudomonasa eruginosa) и грибам (Candida albicans) [98, 133].
HBD-1 играет особое значение в предотвращении перехода комменсальных бактерий в оппортунистические патогены [1].
Согласно мнению многих исследователей, самым мощным антимикробным пептидом из субсемейства b-дефензинов является HBD-3. Пептид HBD-3 даже в микромолярных концентрациях проявляет выраженную бактерицидную активность против Staphylococ-cus aureus, Enterococcus faecium, Pseudomonasa eruginosa, Stenotrophomonas maltophilia, Acinetobacter baumannii [127, 134, 170]. В отличие от других b-дефензинов бактерицидная активность к грамположительным бактериям HBD-3 не зависит от концентрации NaCl [14, 98].
HBD-4 бактерициден по отношению к Staphylococcic arnosus, Pseudomonasa eruginosa, Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae, Staphylococcus aureus, Streptococcuspneumoniaeu Burkholderia cepacia [124, 195, 234].
Показано, что устойчивые к действию a- и b-дефензинов штаммы Staphylococcus aureus продуцируют стафилокиназу, которая нарушает вторичную структуру дефензинов [98, 224, 225].
Bruno Rivas-Santiago и соавт. [109] показали, что после инфицирования Mycobacterium tuberculosis в эпителиальных альвеолярных клетках линии А549 происходит индукция экспрессии мРНК HBD-2. Большинство человеческих дефензинов обладают достаточно выраженной бактерицидной активностью против Mycobacterium tuberculosis. Пептид HNP-1 увеличивает скорость эрадикации Mycobacterium tuberculosis H37Rv из организма мышей [219].
Противовирусная активность дефензинов
Дефензины проявляют выраженное противовирусное действие по отношению к оболочечным и безоболо-чечным, к РНК- и ДНК-содержащим вирусам (табл. 2).
Вирулицидное действие дефензины проявляют во вне- и внутриклеточном пространстве.
Пептиды во внеклеточном пространстве HNP и HBD-2 могут индуцировать агрегацию вирусов, в частности вирусов гриппа, и увеличивать активность их поглощения нейтрофилами, а также взаимодействовать с белком сурфактанта D (SP-D), присутствие которого характерно для альвеолярного эпителия, усиливая его противовирусную активность [247].
Было продемонстрировано, что для обеспечения защиты от внутриклеточных инфекционных агентов HNP-1 и HD-5 обладают способностью накапливаться в цитоплазме синтезирующих и несинтези-рующих дефензины клеток. Механизмы кумуляции a-дефензинов к настоящему времени практически не изучены. Ehsan Hazrati и соавт. [115] предполагают, что дефензины проникают в клетку путем рецептор-зависимого, рецептор-независимого эндоцитоза или за счет трансмембранного транспорта через неопределенные каналы.
Дефензины нейтрализуют потенции вирусных агентов, непосредственно связываясь с белками кап-сида, или блокируют проникновение вирусов в клетку (вирусов иммунодефицита человека и вирусов простого герпеса), взаимодействуя со специфическими клеточными рецепторами [65, 115, 221]. В частности, показано, что дефензины оказывают противовирусное действие, ингибируя:
1) экспрессию вирусных рецепторов (например, HBD-3 подавляет экспрессию CXCR4, который является рецептором для вируса иммунодефицита человека 1 [75]; a-дефензины модулируют экспрессию рецептора CD4, взаимодействующего с гликопротеином gp120 вируса иммунодефицита человека 1) [10];
Таблица 2. Противовирусное действие дефензинов [58, 141]
Вирус Дефензин Механизм действия
Аденовирус HNP-1 Ингибирует проникновение вируса в клетку
HD-5
HBD-3 Ингибирует проникновение вируса в клетку
Вирус гриппа А HNP-1 Инактивирует вирионы
HNP-1, HNP-2, HD-5 Агрегируют вирусы, увеличивают скорость клиренса вирусов
HBD-3 Ингибирует проникновение вируса в клетку
Респираторно-синцитиальный вирус HBD-2 Ингибирует проникновение вируса в клетку, разрушает вирусную оболочку
Вирус парагриппа 3-го типа HD-6 Неизвестно
Вирус везикулярного стоматита HNP-1 Инактивирует вирионы
Вирус иммунодефицита человека HNP-1 Инактивирует вирионы, блокирует вирусный нуклеар-ный импорт и транскрипцию
HNP-1, HNP-2 Усиливают СС-хемокиновую продукцию макрофагами, связываются с др120 и CD4
HNP-4 Связывается с др120 и CD4
Вирус простого герпеса HNP-1 Инактивирует вирионы, активирует сигнальные клетки организма
Цитомегаловирус
2) функционирование вирусных эндосом (вирусов гриппа, аденовирусов, папилломавирусов);
3) активность протеинкиназы С (PKC), которая необходима для репликации вируса гриппа [9];
4) активность вирусных ДНК и РНК, связываясь непосредственно с нуклеиновыми кислотами [44, 62, 173].
Дефензины обладают противовирусным действием по отношению к респираторно-синцитиальному вирусу, вирусам гриппа A, вирусам парагриппа 3-го типа, риновирусам, аденовирусам, аденоассоциированным вирусам (ААВ), вирусам папилломы человека, но особо активны по отношению к вирусам простого герпеса 1-го и 2-го типа [117, 141].
Kathleen A. Daher и соавт. [42] показали, что ней-трофильный пептид человека HNP-1 непосредственно инактивирует вирус простого герпеса 1-го и 2-го типа, цитомегаловирус. Ehsan Hazrati и соавт. [115], исследуя действие дефензинов при инфицировании герпесви-русом, установили, что все a-дефензины тормозят поражение клетки вирусом. Причем четыре a-дефензина (HNP-1, HNP-2, HNP-3 и HD-5) с высокой степенью аффинитета связываются с гликопротеином B герпес-вируса, HNP-4 и HD-6 взаимодействуют с гепарансуль-фат-протеогликанами поверхности цитоплазмати-ческой мембраны клетки; а HBD-3 связывается как с гликопротеином B герпесвируса, так и с гепарансуль-фат-протеогликанами мембраны клетки.
Согласно данным исследования Mona Doss и соавт. [142], пептиды HNP-1,HNP-2, HNP-3, аминокислотные последовательности которых отличаются друг от друга всего на один аминокислотный остаток, существенно различаются по уровню противовирусной активности по отношению к вирусу гриппа. Так, HNP-1, HNP-2 превосходят по противовирусной активности
HNP-3, а пептид HNP-4, аминокислотная последовательность которого существенно отличается от других миелоидных дефензинов, проявляет достоверно менее выраженную нейтрализующую активность по отношению к вирусу гриппа A, чем HNP-1, HNP-2, HNP-3. Миелоидные a-дефензины характеризуются достоверно более высокой вирулицидной активностью против вируса гриппа А (A/PR/8/34/H1N1) по сравнению с противовирусным действием ß-дефензинов — HBD-1 и HBD-2. Однако при достаточно высоком уровне концентрации ß-дефензиновых пептидов на слизистой оболочке респираторного тракта их противовирусное действие является саногенетически значимым во время инфекционного процесса, вызванного вирусом гриппа А.
Пептиды HNP-1 и HD-5 при микромолярных концентрациях ингибируют активность аденовирусов (HAdV-5). Jason G. Smith и соавт. [141] показали, что дефензины стабилизируют капсидные белки вируса и высвобождение эндоплазматического протеина VI, тем самым блокируя проникновение вируса в клетку (рис. 2). Пептид HBD-3 также проявляет способность ингибировать жизнедеятельность аденовируса Ad5.F5, в то время как HBD-2 не обладает активностью против данного вируса [221].
В то же время такие безоболочечные вирусы, как ЕСНО-вирус 11-го типа и реовирус 3-го типа, устойчивы к действию дефензинов.
Противогрибковая активность дефензинов
Миелоидные a-дефензины [34] и ß-дефензины HBD-2, HBD-3 [19, 146] обладают достаточно выраженной противогрибковой активностью (табл. 3).
Показано, что рекомбинантный HBD-2 практически в 10 раз более фунгициден, чем HBD-3 [243].
А (12) В1(3, 16) (7)
В2(11, 14,
С (2, 5)
35)
DFNPVYPFDPFDTS-DVPFVTPPFTS SFNPVYPYEDESSS-QHPFINPGFIS SFNPVYPYEDESTS-QHPFINPGFIS SFNPVYPYEDESTS-QHPFINPGFIS TFNPVYPYDTETGPPTVPFLTPPFVS
D (19с, 25, 37)DFNPVYPYGYARNQ-NIPFLTPPFVS
Е (4) GFDPVYPYDADNDRPCPSSTLPSFSS
F (41, S) DFNPVYPYDTFSTP-SIPYVAPPFVS
(41, L) DFNPVYPYEHYNPL-DIPFITPPFAS
УП
Рисунок 2. Взаимодействие пептида HNP-5 с пентамерной белковой структурой (пентоном) капсида аденовируса [141]: А — N-терминальные последовательности молекул, взаимодействующих с пентоном капсида аденовируса (выделены черным цветом); В — модель пентона аденовируса; С и D — модель взаимодействия мономера HNP-5 с пентоном капсида аденовируса
Таблица 3. Спектр фунгицидного действия дефензинов [43, 51]
Инфекционный агент Штамм HNP-1-3 (MIC, мкг/мл) HBD-1 (MIC, мкг/мл) HBD-2 (MIC, мкг/мл) HBD-3 (MIC, мкг/мл)
Candida albicans OPC76 > 41 4,1 4,1
FC16 9,4 3,2
ATCC 10231
ATCC 820 > 250
Candida glabrata NP506 33,8
Candida krusei NP506 2
Candida parapsilosis ATCC 22019 12,4
Candida tropicalis 932474 5,1
Мембрана клетки
Рисунок 3. Механизм фунгицидного действия гистатина 5 [244]
Одним из наиболее активных противогрибковых АМП считается представитель семейства обогащенных гистидином белков — гистатин-5 слюны. Гистатин-5 связывается с протеином Ssa на поверхности стенки клетки Candida albicans и транспортируется во внутриклеточное пространство гриба. Интернализированный гистатин-5, активируя транспортер калия Trklp, обусловливает высвобождение АТФ из внутриклеточного пространства, что приводит к гибели грибковой клетки (рис. 3). Учитывая данные Slavena Vylkova и соавт. [243], которые продемонстрировали наличие специфического взаимодействия пептида HBD-3 с белком теплового шока 70 семейства Ssalp клеточной мембраны Candida albicans, можно предположить, что по механизму фунгицидного действия HBD-3 подобен гистатину-5 слюны.
Миелоидные a-дефензины оказывают фунгицид-ное действие независимо от активности транспортера калия TRK1 [158, 165].
Установлено, что дефензины принимают участие в патогенезе аспергиллеза. Людмила Алексеева и соавт. [137] в эксперименте показали, что в ответ на инфицирование Aspergillus fumigatus человеческие бронхиальные эпителиальные клетки (16HBE) и пневмоциты (A549) индуцибельно продуцируют HBD-2 и HBD-9.
Список литературы находится в редакции Получено 02.12.11 □
Абатуров O.e.
Дн1пропетровська державна медична академ!я
KATiOHHi AHTMMiKPOBHi ПЕПТИДИ СИСТЕМИ НЕСПЕЦИФ1ЧНОГО ЗАХИСТУ PECniPATOPHOrO ТРАКТУ:
ДЕФЕНЗИНИ Й KATEЛiЦИДИHИ. Дефензини — молекули, що переживають ренесанс (частина 3)
Резюме. В оглядi показано, що дефензини мають широкий спектр антибактерiальноi, противiрусноi та протигриб-ково1 активностi, яку вони проявляють у першi години тс-ля iнфiкування органiзму. Наведет молекулярш механiзми бактерицидноi, вiрулiцидноi та фунгiцидноi ди дефензинiв.
Ключовi слова: ресшраторний тракт, неcпецифiчний за-хист, антимшробш пептиди, дефензини.
Abaturov A.Ye.
Dnipropetrovsk State Medical Academy, Ukraine
CATIONIC ANTIMICROBIAL PEPTIDES OF NON-SPECIFIC PROTECTION RESPIRATORY TRACT SYSTEM: DEFENSINS AND CATHELICIDINS. Defensins — Molecules Undergoing Renaissance (Part 3)
Summary. The review showed that defensins have a broad spectrum of antibacterial, antiviral and antifungal activity manifesting in the first hours after infection of the organism. The molecular mechanisms of bactericidal, antiviral and fungicidal action of defensins have been considered.
Key words: respiratory tract, non-specific protection, antimicrobial peptides, defensins.
