Катионные антимикробные пептиды системы неспецифической защиты респираторного тракта: дефензины и кателицидины. Дефензины - молекулы, переживающие Ренессанс (часть 2) Текст научной статьи по специальности «Фундаментальная медицина»

Оф

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 2)

Резюме. В обзоре представлены механизмы синтеза и посттрансляционной модификации дефензинов. Дана характеристика конститутивной и индуцибельной экспрессии дефензинов в респираторном тракте. Ключевые слова:респираторный тракт, неспецифическая защита, антимикробные пептиды, дефензины.

Сокращения: дцРНК — двухцепочечная РНК; АМП (antimicrobial peptide) — антимикробные пептиды; ERK (extracellular signal-regulated kinase) — экс-трацеллюлярная сигнал-регулируемая киназа; JNK (c-Jun N-terminal kinase) — c-Jun N-терминальная киназа; HBD (human b-defensins) — человеческий b-дефензин; HD (human defensin) — человеческий a-дефензин клеток Панета; HNP (human neutrophils peptide) — человеческий нейтрофильный пептид, нейтрофильный a-дефензин; МАРК (mitogen-acti-vated protein kinase) — митоген-активируемая про-теинкиназа; MKP-1 (MAPK kinase phosphatase 1) — МАРК фосфатаза 1; MMP-1 (matrix metallopeptidase 1) — матриксная металлопротеаза 1/интерстициаль-ная коллагеназа; NF-kB (nuclear factor of kappa light polypeptide gene enhancer in B-cells) — ядерный фактор транскрипции каппа В; NLR (Nod-like receptor) — Nod-подобные рецепторы; PAMP (pathogen-associated molecular pattern) — патоген-ассоциированные молекулярные структуры; PAR (protease-activated receptor) — активируемый протеазой рецептор; TLR (Tolllike receptor) — Toll-подобные рецепторы.

Синтез и посттрансляционная модификация дефензинов

Дефензины синтезируются в виде больших прекур-сорных молекул, которые состоят из 64—100 аминокислотных остатков. Препропептидные молекулы содержат сигнальный участок, который состоит в среднем из 19 аминокислотных остатков, анионный участок, включающий в себя в среднем 45 аминокислотных остатков, и регион зрелого пептида [2]. Посттрансляционная модификация дефензиновых препропепти-дов, которая происходит в аппарате Гольджи, характеризуется протеолитическим удалением сигнальной последовательности и последующим отщеплением

определенных сегментов от ^терминального региона молекулы (рис. 1). В результате данных событий от одной материнской молекулы могут образовываться несколько молекулярных форм, которые отличаются ^терминальным регионом, что способствует увеличению разнообразия антимикробных пептидов [86]. Дальнейшее протеолитическое расщепление дефен-зиновых пептидов приводит к образованию фрагментов, которые обладают более мощным бактерицидным действием на инфекты и значительно меньшим токсичным влиянием на клетки макроорганизма, чем родительская молекула [229].

Локализация и индукция экспрессии дефензинов

Дефензиновые пептиды экспрессируются различными клетками человеческого организма как конститутивно, так и индуцибельно (табл. 1) [61, 73, 258].

Локализация экспрессии а-дефензинов

Человеческие миелоидные а-дефензины HNP-1, HNP-2, HNP-3 экспрессируются нейтрофилами, незрелыми дендритными клетками моноцитарного происхождения, моноцитами, макрофагами, натуральными киллерами, у8Т-лимфоцитами, эпители-оцитами и обнаруживаются в тканях слизистой оболочки кишечника, шейки матки, плаценты; HNP-4 экспрессируются исключительно нейтрофилами. HD-5, HD-6 продуцируются клетками Панета, а HD-5 — и эпителиальными клетками вагины. Пептиды HD-5, HD-6 экспрессируются в тканях слюнных желез, в эпителии пищеварительной, мочевой систем, в слизистой оболочке глаз. Для дефензина HD-5 также характерной является экспрессия в тканях женских репродуктивных органов [207].

Локализация экспрессии Ь-дефензинов

Основными продуцентами |-дефензинов являются кератиноциты, эпителиоциты слизистых оболочек, макрофаги, моноциты, дендритные клетки [72, 96]. Пептиды HBD экспрессируются множеством различных эпителиоцитов, в том числе кератиноцитами, эпителиоцитами респираторного и урогенитального трактов, энтероцитами толстого кишечника, клетками роговицы, эпителиоцитами конъюнктивы. Пептиды HBD-1, HBD-2, HBD-3 также экспрес-сируются моноцитами, макрофагами, натуральными киллерами, дендритными клетками. Экспрессия |-дефензинов имеет тканеспецифическое распределение. Конститутивно экспрессируемый пептид HBD-1 представлен преимущественно в тканях почки и мочевыводящих путей. Пептид HBD-2 наиболее высоко экспрессирован в эпителиоцитах кожи, респираторного тракта (трахеи, легких), слизистой оболочке желудка, крайней плоти, яичках и не встречается в тканях слюнных желез, тонкой кишки, желчевыво-дящих путей. HBD-3 экспрессируется в кератиноци-тах, в тканях миндалин, сердца, печени и плаценты; мРНК пептида HBD-4 была обнаружена в эпителии желудка, яичках, яичниках [61, 73, 258].

Экспрессия дефензинов в ротовой полости и респираторном тракте представлена в табл. 2 [127, 137, 161, 164, 194, 201].

Индукция экспрессии дефензинов

Индуцированная продукция дефензинов обусловлена стимулирующим действием РАМР инфекционных агентов или провоспалительных цитокинов и хемокинов. Различают TLR-зависимый и TLR-независимый сигнальные пути индукции синтеза или высвобождения дефензинов [79].

Таблица 1. Характеристика экспрессии дефензинов [2 (с дополнением)]

Пептид Место экспрессии Тип Фактор транскрипции Агонист Механизмы высвобождения

HNP-1-4 Нейтрофилы, незрелые дендритные клетки, натуральные киллеры, макрофаги, моноциты, В- и Т-клетки, эпителиоциты Конститутивный, индуцибельный ^-кВ ^-6 и TNF-a, агонисты NLRC2 Дегрануляция

HD-5-6 Клетки Панета Конститутивный, индуцибельный Агонисты NLRC2 Дегрануляция

HBD-1 Кожа, респираторный, пищеварительный, урогенитальный тракты Конститутивный Неизвестный IFN-y (исключение) Секреция

HBD-2 Кожа, респираторный, пищеварительный тракты Индуцибельный NF-кB АР-1 БТАТЗ ^-17, ^-22, TNF-a, IFN-к, лептин, агонисты ^ и NLR Секреция

HBD-3

HBD-4 Кожа Конститутивный NF-кB Секреция

Респираторный, пищеварительный тракты,яички Индуцибельный

HBD-5 Урогенитальный тракт Конститутивный Неизвестный - -

HBD-6 - -

Рисунок 1. Синтез и депонирование а-дефензинов [85] (ЭР — эндоплазматический ретикулум)

Примечание: синтез человеческих миелоидных а-дефензинов происходит в промиелоцитах костного мозга. Первично образуется длинная форма препродефензина, который быстро преобразуется в аппарате Гольджи в продефензин путем делеции сигнальной 19-аминокислотной последовательности из N-терминального региона. Последующий протеолиз, протекающий достаточно длительное время, обеспечивает образование «зрелого» дефензина, который накапливается в азурофильных гранулах. Пептиды HNP составляют от 30 до 50 % белкового содержимого азурофильных гранул нейтрофи-лов. Нейтрофилы, созревшие в костном мозге, попадая в кровеносное русло, прекращают синтез дефензинов. Во время фагоцитоза происходит быстрое высвобождение дефензинов из азурофильных гранул в цитоплазматическое пространство нейтрофилов.

TLR-зависимый путь индукции синтеза или высвобождения дефензинов

В активации высвобождения миелоидных a-дефензинов участвуют TLR2 и TLR5. Так, стимуляция мембранными липопротеинами и флагел-лином Klebsiella pneumoniae TLR2 и TLR5, соответственно, CD56+CD3- и CD56+CD3+ клеток приводит к активации процесса высвобождения HNP. Ней-трофилы выделяют HNP в фагосомы, а натуральные киллеры высвобождают HNP в экстрацеллюлярное пространство [79].

В активации продукции ß-дефензинов участвуют TLR2, TLR3, TLR4, TLR5, TLR9. David Moranta и соавт. [153] показали, что в человеческих альвеоло-цитах пептидогликаны и LPS, активируя, соответственно, TLR2 и TLR4, через фактор транскрипции AP-1 (c-Jun) сигнальный путь; а флагеллин, активируя TLR5 через JNK, p38 и ERK-сигнальные пути, индуцируют экспрессию HBD-2 и HBD-3 (рис. 2). В активации экспрессии HBD-2 принимает участие и фактор транскрипции NF-kB [153]. Активация двух-цепочечной РНК (дцРНК) TLR3 первичных бронхиальных эпителиальных клеток (PBEC) индуцирует экспрессию HBD-2 и HBD-3. Взаимодействие TLR9 с бактериальной ДНК или CpG олигодеоксинукле-отидом характеризуется дозозависимой продукцией HBD-2 [79].

Однако действие РАМР одного класса, но принадлежащих разным инфекционным возбудителям, на TLR макроорганизма может сопровождаться возникновением совершенно разных, а то и противоположных эффектов. Например, LPS Porphyromonas gingivalis штамма 1690 индуцирует экспрессию мРНК HBD-1, HBD-2 и HBD-3, а LPS Porphyromonas gingivalis штамма 1435/1449 ингибирует активность экспрессии мРНК данных пептидов [56].

TLR-независимый путь индукции синтеза или высвобождения дефензинов

TLR-независимая индукция экспрессии дефен-зинов связана с возбуждением таких рецепторов, как NLR, PAR (pratease-activated receptor — активируемый протеазой рецептор) и некоторые цитокиновые рецепторы, которые участвуют в процессе воспаления.

Возбуждение цитоплазматического рецептора NLRC2, который способен распознавать мурамил-дипептид грамположительных бактерий, приводит к активации p38 и ERK MAPK, фактора транскрипции NF-kB, что индуцирует высвобождение a-дефензинов из азурофильных гранул нейтрофилов [79].

Показано, что агонисты PAR-2, но не PAR-1, индуцируют экспрессию HBD-2 в человеческих ке-ратиноцитах. Активируемый протеазой рецептор PAR является рецептором тромбина, который от-

Таблица 2. Экспрессия дефензинов в ротовой полости и респираторном тракте

Регионы ротовой полости и респираторного тракта Дефензин

Эпителий ротовой полости HNP-1, HNP-2, HNP-3, HBD-1, HBD-2, HBD-3

Эпителий десневых борозд HNP-1, HNP-2, HNP-3, HBD-1, HBD-2

Соединительный эпителий HNP-1, HNP-2, HNP-3

Соединительная ткань HNP-1, HNP-2, HNP-3

Язык HBD-1, HBD-2, HBD-3

Слизистая оболочка щек HBD-1, HBD-2, HBD-3

Слизистая оболочка губ HBD-1, HBD-2, HBD-3

Зубные фолликулы HBD-1, HBD-3

Пульпа зуба HBD-1, HBD-2

Аденоиды HBD-2, HBD-3

Гортань HNP-1, HNP-2, HNP-3, HBD-1, HBD-3

Миндалины HBD-1, HBD-2, HBD-3

Околоушные железы HBD-1, HBD-2, HBD-3

Подчелюстные железы HBD-1, HBD-2, HBD-3

Подъязычная железа HBD-1, HBD-2

Трахея HNP-1, HNP-2, HNP-3, HBD-1, HBD-2

Бронхи HNP-1, HNP-2, HNP-3, HBD-1, HBD-2, HBD-3, HBD-9

Бронхиолы HNP-1, HNP-2, HNP-3, HBD-1, HBD-2, HBD-3, HBD-9

Альвеолярный эпителий HNP-1, HNP-2, HNP-3, HBD-1, HBD-2

Легкие HNP-1, HNP-2, HNP-3, HBD-1, HBD-2, HBD-9

Слюна HNP-1, HNP-2, HNP-3, HBD-1, HBD-2, HBD-3

Жидкость носовой полости HNP-1, HBD-1, HBD-2, HBD-6

Жидкость бронхоальвеолярного лаважа HNP-1, HNP-2, HNP-3, HBD-1, HBD-2

носится к семейству трансмембранных G-протеин-связанных рецепторов и обладает уникальным механизмом активации. В отличие от других видов G-протеин-связанных рецепторов, возбуждение которых обусловлено взаимодействием с лигандами, активация PAR происходит путем протеолитическо-го расщепления его N-терминального домена сери-новыми протеазами: тромбином, фактором свертывания Ха, трипсином, гранзимами, плазмином, MMP-1. Некоторые бактериальные инфекционные агенты, в частности периодонтит-ассоциированный грамотрицательный патоген Porphyromonas gingivalis,

Пептидогликан

Липополисахарид

Флагеллин

I TLR9

ДНК

<$-JUQ>

Рисунок. 2. TLR-зависимая экспрессия ß-дефензинов [163]

продуцируют сериновые протеазы, которые способны расщеплять N-терминальнй домен PAR [79].

Некоторые цитокины (IL-1a, IL- 1ß, IL-2, IL-3, IL-4, IL-5, IL-6, IL-7, IL-8/CXCL8, IL-9, IL-10, IL-11, IL-12, IL-13, IL-15, IL-16, IL-17, IL-18, TNF-a, IFN-g), взаимодействуя с соответствующими рецепторами дефензин-синтезирующих клеток, активно модулируют экспрессию ß-дефензинов [155, 163]. В последнее время установлено, что мощным индуктором экспрессии HBD-2 является IL-17A, активность которого превосходит более чем в 10 раз мощность наиболее сильных дефензин-стимулиру-ющих цитокинов IL- 1ß и TNF-a (рис. 3) [129, 143, 196]. Семейство IL-17 насчитывает 7 цитокинов (IL-17A, IL-17B, IL-17C, IL-17D, IL-17E/IL-25, IL-17F), которые взаимодействуют с соответствующими рецепторами (IL-17RA, IL-17RB/IL-25R, IL-17RC, IL-17RD/SEF и IL-17RE). Провоспалительный IL-17A (cytotoxic T-lymphocyte-associated antigen 8 — CTLA-8) продуцируется преимущественно активированными CD45+RO+CD4+ Т-лимфоцитами (Th17-клетками), но также может быть продуцирован CD8+ и у8Т-клетками, дендритными клетками, эозинофи-лами, нейтрофилами, макрофагами, моноцитами, натуральными киллерами [82, 184]. Возбуждение рецептора IL-17RA эпителиальных и эндотелиальных клеток, фибробластов, моноцитов активирует экспрессию не только HBD-2, но и антимикробных протеинов (S100A9, S100A7, S100A8), TNF-a, интерлей-кинов (IL-1 ß, IL-4, IL-5, IL-6, IL-13), молекул адгезии (ICAM-1), хемокинов (CXCL1/Gro-a, CXCL2/Gro-ß, CXCL5/RANTES, CXCL6/GCP-2, CXCL8/IL-8, CCLH/эотаксин, CCL2/MCP-1) [184, 187].

Характер цитокин-индуцибельной экспрессии дефензинов различных клеток находится в высокой зависимости от типа агониста. Jürgen Harder и соавт.

CCL20

Эпителий респираторного тракта

HBD-2

Рисунок 3. Значение 17-индуцированной экспрессии HBD-2 в активации неспецифических и специфических механизмов иммунитета [129]

140

(^¿^рвИши

[55] было установлено, что экспрессия мРНК HBD-2 в эпителиоцитах респираторного тракта и первичных кератиноцитах происходит при стимуляции TNF-a, лептином, а экспрессия мРНК HBD-3 индуцируется INF-Y, TGF-a. Эталонный стимулятор форбол-миристат ацетат является сильным индуктором экспрессии генов HBD-3 и HBD-4 в человеческих первичных кератиноцитах [56, 149].

В регуляции синтеза и высвобождения дефензи-нов принимают участие различные внутриклеточные сигнальные пути. Например, TNF-a, №N-7 индуцируют экспрессию HBD-2 и HBD-3, активируя факторы транскрипции STAT1 и NF-кB. В то время как ^-4 и IL-13, возбуждая фактор транскрипции STAT-6, индуцируют SOCS1 и SOCS3, которые ин-гибируют TNF-a/IFN-Y-зависимую продукцию де-фензинов [155, 163]. Однако в отсутствж TNF-a, №N-7 интерлейкины IL-4 и IL-13 способствуют усилению экспрессии HBD-2 клетками-продуцентами, в частности эпителиоцитами трахеи [131]. В качестве примера на рис. 4 представлены сигнальные пути индукции гена DEFB4A пептида HBD-2 [79].

Трансактивация рецептора эпидермального фактора роста (EGFR) также индуцирует экспрессию HBD-3 в кератиноцитах [63].

Ингибиция продукции дефензинов

Ингибирующим действием на продукцию HBD-2 [50] обладает дексаметазон, а на продукцию HBD-3 — как дексаметазон, так и конечные продукты гликозилирования [1, 104].

Ингибирующий эффект дексаметазона на IL- 1р-индуцированную экспрессию мРНК HBD-2 в альвео-лоцитах II порядка (A549) обусловлен его влиянием на внутриклеточные сигнальные пути. Byeong-Churl Jang и соавт. [50] установили, что дексаметазон подавляет Ш-1р-индуцированную экспрессию мРНК HBD-2 в альвеолоцитах II порядка (A549) через подавление транскрипционной активности NF-kB и усиление продукции MKP-1, которая дефосфорилирует p38 МАРК.

Cheng-Che E. Lan [104] продемонстрировал инги-бирующее действие высокой концентрации глюкозы на экспрессию HBD-3 в кератиноцитах. Ингибиция экспрессии HBD-3 в условиях высокой концентрации глюкозы обусловлена блокированием компонента p38 MAPK внутриклеточного сигнального пути конечными продуктами гликозилирования. Учитывая тот факт, что у экспериментальных животных с индуцированным сахарным диабетом высокая экспрессия HBD-3 способствует заживлению инфицированных Staphylococcus aureus ран, вероятно, ингибиция экспрессии HBD-3, ассоциированная с действием конечных продуктов гликозилирования, может быть одной из причин высокого риска бактериального инфицирования больных сахарным диабетом [113].

Содержание дефензинов в некоторых биологических жидкостях

Уровень концентрации миелоидных a-дефен-зинов в сыворотке крови клинически здоровых людей характеризуется достаточно высокой вариабельностью и колеблется от неопределяемых величин

TNF-a

PGN

LPS

дцРНК

Флагеллин

Эпителиоцит

mBD-2

Рисунок 4. Молекулярные пути индукции экспрессии HBD-2 в эпителиальных клетках

респираторного тракта[79]

до 50—100 мкг/л [85]. В среднем в сыворотке крови практически здоровых людей концентрация HNP-1 составляет 31,3 мкг/л, HD-5 — 2,4 мкг/л, HD-6 — 3,1 мкг/л [20]. В бронхиальном секрете пептиды HNP-1, HNP-2, HNP-3 вместе с лизоцимом являются самыми представительными АМП, уровень их концентрации находится в пределах от 86 до 143 мкг/л [213]. В одном миллионе человеческих нейтрофилов содержится около 4—5 мг совокупной массы НОТ-1, НОТ-2, НОТ-3 [85].

Для пептида HBD-2 характерна достаточно высокая концентрация (31,3 мкг/л), а для HBD-1 — относительно низкая (1,7 мкг/л) концентрация в сыворотке крови практически здоровых людей [181]. В состоянии относительного здоровья в слюне человека средний уровень концентраций HBD-2 и HBD-3 составляет 9,5 и 326 мкг/л, а колебания их содержания находятся в пределах 1,2—21 и 50—931 мкг/л соответственно. В общей массе белка жидкости бронхоальвеолярного лаважа содержание HBD-2 составляет 0,04 мкг/г (от 0 до 0,049 мкг/г). Причем

Абатуров O.e.

Дн1пропетровська лержавна мелична акалем1я

KATiOHHi AHTMMiKPOBHi ПЕПТИДИ СИСТЕМИ НЕСПЕЦИФ1ЧНОГО ЗАХИСТУ PECniPATOPHOrO ТРАКТУ:

ДЕФЕНЗИНИ Й KATEЛiЦИДИHИ. Дефензини — молекули, що переживають ренесанс (частина 2)

Резюме. В оглядi предстaвленi мехашзми синтезу та посттрансляцiйноi модифiкацii дефензишв. Подано характеристику конститутивноi та iндуцибельноi експреси дефензинiв у респiраторному тракп.

Ключовi слова: респiраторний тракт, неспецифiчний захист, антимiкробнi пептиди, дефензини.

колебания содержания HBD-2 в слюне и жидкости бронхоальвеолярного лаважа не синхронизированы. Пептид HBD-3 в бронхиальном секрете не обнаруживается [140, 201]. Susanne Schaller-Bals и соавт. [212] установили, что HBD-1 и HBD-2 присутствуют в жидкости бронхоальвеолярного лаважа и у новорожденных, причем даже у недоношенных детей их концентрации эквивалентны уровням содержания этих пептидов в жидкости дыхательных путей взрослых.

Пептиды HNP-1, HD-5, HD-6 идентифицируются в молозиве и женском молоке. HBD-1 экс-прессируется в эпителии молочных желез кормящих женщин, и его концентрация в грудном молоке достигает очень высокого уровня (1 — 10 мкг/мл) [181]. Экспрессия дефензинов идентифицируется в клетках грудного молока: HBD-1 — в 95 %, HNP-1 — в 88 %, HD-5 — в 68 %, HBD-3 — в 22 %, HBD-2 — в 15 %, HBD-4 — в 5 %, HD-6 — в 2 % клеток [20].

Список литературы находится в редакции Получено 18.10.11 □

Abaturov A.E.

Dnepropetrovsk State Medical Academy

CATIONIC ANTIMICROBIAL PEPTIDES SYSTEMS NONSPECIFIC PROTECTION RESPIRATORY TRACT: DEFENSINS AND CATHELICIDINS. Defensins — Molecules Undergoing A Renaissance (Part 2)

Summary. This review presents the mechanisms of synthesis and posttranslational modification of defensins. The characteristic of constitutive and inducible expression of defensins in the respiratory tract.

Key words: respiratory tract, non-specific protection, antimicrobial peptides, defensins.