<<
>>

Цекропины

Изучение молекулярных основ естественного иммунитета у некоторых групп насекомых привело к открытию шведскими исследователями катионных антимикробных пептидов, получивших название цекропины (cecropins) (Hultmark et al., 1980; Boman, Hultmark,

1987) .

Цекропины впервые были выделены из гемолимфы куколок гигантского шелкопряда {Hyalophora cecropia) и вскоре была определена их первичная структура (Steiner et al., 1981). В дальнейшем гомологичные пептиды были выделены и охарактеризованы из гемолимфы китайского дубового шелкопряда (Antheraca pernyi) (Qu et al., 1982), серой мясной мухи Sarcophagaperegrina (Matsumoto et al., 1986), тутового шелкопряда Bombyx mori (Teshima et al., 1986; Morishima et al., 1990), бражника Manduca sexta (Dickinson et al.,

1988) . Ген, ответственный за синтез пептида цекропиновой природы, идентифицирован в геноме у плодовой мушки Drosophila melanogaster и секвенирован (Kylsten et al., 1990). Структура многих известных в настоящее время цекропинов характеризуется рядом общих закономерностей (рис. 24). Молекула цекропина может быть условно разделена на полярный положительно заряженный N-концевой участок, переходящий в преимущественно гидрофобный срединный отрезок, соединяемый пролином или (и) глицином с С-концевой последовательностью. Все С-концевые аминокислоты известных цекропинов насекомых амидированы. Структурнофункциональная значимость амидирования остается до конца пока не понятной, хотя, известно, что подобная модификация защищает белково-пептидные молекулы от действия карбоксипептидаз. Вторичная структура цекропина А представляет собой короткий неупорядоченный N-концевой участок (1—4 остатка), переходящий в классическую амфипатическую а-спираль (5—21 остаток), которая шарнирной последовательностью (A-G-P) соединена с С-концевой преимущественно гидрофобной а-спиралью (25—37 остатка) (Holak et al., 1988).

Клонирование и анализ нуклеотидной последовательности генов цекропинов, наряду с анализом продуктов их транскрипции и трансляции, свидетельствует о том, что биосинтез рассматриваемых антимикробных пептидов имеет сходство с таковым дефенсинов млекопитающих.

Как и дефенсины (Ganz, 1994), цекропины синтезируются в форме большой молекулы-предшественницы (препроцекропина), состоящей из более чем 60 аминокислотных остатков (Boman et al., 1989). Структура препро-

Наименование пептида и его

видовой источник Первичная структура пептида

Цекропин Р1 нематоды Ascaris suum SWLSKTAKKL ENSAK-KR-- -1SEGIAIAI QGG------- PR
Цекропины из чешуекрылых насекомых
Цекропин 0 Hyalophora cecropia W- -NPFKEL EKVGQRVEDA VISAGPAVAT VAQATALAK*
Цекропин D Antheraea pemyi W--NPFKEL ERAGQRVRDA IISAGPAVAT VAQATALAK*
Цекропин В-2 Manduca sexta W--NPFKEL ERAGQRVRDA VISAAPAVAT VGQAAAIAR*
Цекропин В-3 Manduca sexta W--NPFKEL ERAGQRVRDA IISAGPAVAT VGQAAAIAR*
Цекропин А Hyalophora cecropia KW--KLFKKI EKVGQNIXOG IIKAGPAVAV VGQATQIAK*
Цекропин В Hyalophora cecropia KW--KVFKKI EKMGRNIRNG IVKAGPAIAV LGEAKAL*
Цекропин В Antheraea pemyi KW--KIFKKI EKVGRNIRNG IIKAGPAVAV LGEAKAL*
Цекропин А ВотЬух топ RW—KLFKKI EKVGRMVRDG LIKAGPAIAV IGQAKSL*
Цекропин В RW--KIFXKI EKMGRNIRDG IVKAGPAIEV LGSAKAI*
ВотЬух mori

Цекропины из двукрылых насекомых

Цекропин A

Drosophila melanogaster

GWLKKIGKKI ERVGQHTEDA TI-QGLGIAQ QAANVAATAR*
Цекропин В

Drosophila melanogaster

GWLRKLGKKI ERIGQHTEDA SI-QVLGIAQ QAANVAATAR*
Цекропин C

Drosophila melanogaster

GWLKKLGKRI ERIGQHTEDA TI-QGLGIAQ QAAMVAATAR*
Цекропин IA Sarcophaga peregrins GWLKKIGKKI ERVGQHTEDA TI-QGLGIAQ QAANVAATAR*
Цекропин IB Sarcophaga peregrine GWLKKIGKKI ERVGQHTEDA TI-QVIGVAQ QAANVAATAR*
Цекропины целомоцитов асцидии
Стиелин С GWFGKAFRSV SNFYKKHKTY -IHAGLS----- -------- AATLLG
Styela clava

Рис.

24. Первичные последовательности цекропинов.

Консервативные аминокислотные остатки отмечены жирным шрифтам. Звездочкой (*) помечены амидированные С-концевыс аминокислоты.

цекропина А выглядит следующим образом (структура, соответствующая цекропину А, подчеркнута):

MNFSRIFFFVFASCLTALA А/КУУЛ APEPWKLFKKIEKVGONIR DGIIKAGPAVAVVGOATOIAKG.

Первые N-концевые 24—26 аминокислот отсутствуют в конечном зрелом пептиде. Сигнальный пептид препроцекропина включает в себя первые 22 остатка и является гидрофобным. Про-фрагмент прекурсорной молекулы цекропина в отличие от соответствующей части дефенсиновой молекулы-предшественницы является очень коротким (4 аминокислотных остатка) и нет оснований рассматривать его в качестве пептида, нейтрализующего цитотоксическую активность конечной зрелой молекулы цекропина. Скорее всего препрочасть прекурсорной молекулы цекропина выполняет сигнально-транспортную функцию в местах синтеза пептида, который происходит в клетках жирового тела и гемоцитах насекомых (Boman et al., 1991).

Изучение механизмов регуляции цекропиновых генов выявило их интересные особенности. Оказалось, что они имеют черты сходства с механизмами, ответственными за контроль активности генов иммуноглобулинов и белков острой фазы у позвоночных животных. Установлено, что цекропиновые гены Cecropia hyalo- phora в области энхансера содержат кВ-подобный структурный мотив, который в случае контакта куколок с живыми бактериями, липополисахаридом или форболовым эфиром связывает цитоплазматический иммунореактивный фактор Cif, инициирующий синтез цекропинов (Sun, Faye, 1992b). Эти исследования свидетельствуют об универсальности механизмов регуляции индуци- бельных генов у беспозвоночных и позвоночных животных.

Антимикробная активность цекропинов А и В изучена против широкого круга грамположительных и грамотрицательных бактерий, причем последние, как правило, более чувствительны к их действию. Интересно отметить, что в эквимолярных концентрациях цекропины проявляют большую антимикробную активность по отношению к Escherichia coli, Salmonella typhimurium, Pseudomonas aeruginosa и Acinetobacter calcoaceticus нежели известный антибиотик микробного происхождения — тетрациклин (Boman, 1994).

Они не лизируют эукариотические клетки (Steiner et al., 1981), что принципиально отличает их от дефенси- нов (Lehrer et al., 1993). Подобная избирательность цитотоксического действия цекропинов стимулировала серию исследований по разработке химически-синтезированных модифицированных гомологов цекропинов с повышенной антимикробной активностью, которые могут в перспективе найти применение в медицинской и ветеринарной практике (Merrifield et al., 1994).

Химически синтезированный аналог цекропина А, построенный из D-аминокислот, обладает практически той же антибак- термальной активностью, что и природный пептид (Wade et al., 1990). Это свидетельствует о независимости проявления антимикробных свойств природного и искусственного пептидов от оптических свойств, составляющих их молекул, а также указывает на то, что их взаимодействие с мембранами не носит лигандрецепторного характера. Однако это не означает того, что рассматриваемое взаимодействие пептидов с фосфолипидами мембран лишено какой-либо избирательности. Опыты с варьированием фосфолипидного состава искусственных мембран-мишеней свидетельствуют о повышенном аффинитете (сродстве) катионных пептидов к структурам, обогащенным анионными фосфолипидами (фосфатидинглицерин, кардиолипин), которые являются характерным структурным элементом большинства цитоплазматических мембран бактерий (Кагава, 1985). Модификации первичной структуры природных цекропинов позволяют оценить значимость отдельных аминокислотных остатков в реализации антимикробных и цитотоксических свойств молекулы. Например, замена лейцина в 4-м или изолейцина в 8-м положении цекро- пина А на пролин заметно снижает антимикробную активность молекулы, особенно в отношении грамположительной бактерии М. luteus. Пролин в данном случае нарушает амфипатическую N-концевую а-спираль. Важное значение в реализации антимикробных свойств цекропина А имеет триптофан во 2-м положении, удаление которого на два порядка снижает активность пептида в отношении Р. aeuruginosa и М. luteus. Существует предположение о том, что триптофан в этой позиции взаимодействует с остатками фенилаланина в 5-м положении и лейцина/ изолейцина в 8-м соседних молекул, участвующих в формировании структуры ионного канала (Durell et al., 1992). Структурные аналоги цекропина со свободными С-карбоксильными группами характеризуются меньшей антимикробной активностью по сравнению с природными пептидами, у которых эти группы амиди- рованы (Merrifield et al., 1982). Как и в случае с дефенсинами кролика, более основные представители семейства цекропинов (цекропины А и В) обладают повышенной антимикробной активностью по сравнению с менее катионным цекропином D, в молекуле которого на три положительных заряда меньше (Boman et al., 1991).

С целью получения антибиотических пептидов с повышенной функциональной активностью и селективностью антимикробного действия идут исследования по разработке химически синтезируемых молекул, сочетающих в себе структурные особенности нескольких цитотоксических пептидов. В настоящее время в американо-шведских исследованиях получены разнообразные химерные молекулы, фрагменты которых гомологичны цекро- пинам и мелиттину. Мелиттин является основным пептидным компонентом пчелиного яда. Он состоит из 26 аминокислотных остатков: GIGAVLKVLTTGLPALISWIKRKRQQ-NH2, образующих на N-конце молекулы гидрофобную о-спираль, а на С-кон- це — гидрофильную а-спираль. Подобная организация молекулы делает ее сильно токсическим соединением с антимикробными и гемолитическими свойствами. В серии осуществлено получение химическим твердофазным методом гибридных (химерных) молекул, фрагменты структур которых представлены как последовательностями мелиттина (М), так и цекропина А (СА) одновременно в разных сочетаниях. Антимикробная активность таких гибридных молекул оказалась максимальной в сочетаниях СА(1—24)М(1—13) и М(1—13)СА(1—22), причем для всех них была характерна низкая гемолитическая активность, свойственная цекропинам.

Опыты по влиянию на проницаемость искусственной плоской липидной мембраны цекропина и его синтетических гомологов выявили следующие закономерности взаимодействия пептидов и мембран-мишеней. В водных растворах цекропины имеют тенденцию к ассоциации молекул с образованием олигомеров, как минимум состоящих из 2 молекул. Эти олигомеры адсорбируются на поверхности липидных бислоев за счет электростатических взаимодействий основных групп пептида и фосфатных групп фосфолипидов мембран. Следующий этап взаимодействия определяется гидрофобными взаимодействиями липофильной поверхности амфипатической N-концевой а-спира- ли и гидрофобной С-концевой а-спирали цекропиновой молекулы с алифатическими хвостами жирных кислот фосфолипидов. Заключительный этап взаимодействия цекропинов с мембранами связан с образованием в структуре последних каналов (пор), несущих на своей внутренней поверхности положительные заряды. Это предопределяет относительную избирательность проникновения через подобные поры анионов (Christensen et al., 1988).

Являясь с химической точки зрения амфипатическими молекулами, цекропины обладают свойствами поверхностно-активных соединений, осуществляющих свое антибактериальное действие путем внедрения в цитоплазматическую мембрану клетки- мишени, формируя в ней неупорядоченные поры (каналы) (Christensen et al., 1988). Нарушение структурной целостности плазмалеммы бактерий приводит к диссипации мембранного потенциала клетки, подавлению энергообеспечивающих клетку процессов гликолиза и окислительного фосфорилирования и зависимых от них транспорта ионов и нутриентов, транскрипции и трансляции. Результирующей всех этих воздействий на микробные клетки является их гибель. Сходное действие на бактерии оказывают такие пептидные антибиотики микробного происхождения как грамицидин А и полимиксины.

Неожиданное продолжение исследований с цекропинами имело место в 1989 г., когда шведские ученые обнаружили цекро- пин-родственный пептид Р1 (рис. 24) в слизистой тонкой кишки свиньи. Треть остатков в молекулах Р1 свиньи и цекропина оказались идентичными, а с учетом эквивалентного характера замен некоторых аминокислотных остатков гомология пептидов составляет около 70% (Lee et al., 1989). Однако в настоящее время однозначно установлено, что цекропиноподобный пептид Р1 является соединением, выделяемым нематодой Ascaris suum, паразитирующей на поверхности слизистой тонкого кишечника свиней (Anderson et al., 2003).

В 1997 г. в лаборатории профессора Лерера (США) были выделены и секвенированы цекропиноподобные пептиды (стиели- ны, styelins) из гемоцитов асцидии Styela clava, относящейся к хордовым животным подтипа оболочники (Lee et al., 1997).

Таким образом, уже в трех крупных эволюционно отдаленных группах беспозвоночных животных (аскариды, насекомые, асцидии) обнаружены антимикробные пептиды, относящиеся к цекропинам, что свидетельствует как об их древнем происхождении, так и особой функциональной значимости в обеспечении резистентности к инфекции.

<< | >>
Источник: Кокряков В. Н.. Очерки о врожденном иммунитете. — СПб.: Наука,2006.—261 с.. 2006

Еще по теме Цекропины:

  1. Коллектив авторов. Медицинская помощь на судах, 2002. — 111 с., 2002
  2. ГЛАВА 1 ОРГАНИЗАЦИЯ ПЕРВОЙ МЕДИЦИНСКОЙ ПОМОЩИ НА СУДАХ
  3. ГЛАВА 2 ОСНОВЫ АНАТОМИИ И ФИЗИОЛОГИИ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА
  4. 2.1. ОПОРНО-ДВИГАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ
  5. 2.2. СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТАЯ СИСТЕМА
  6. 2.3. СИСТЕМА ОРГАНОВ ДЫХАНИЯ
  7. 2.4. ПИЩЕВАРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
  8. 2.5.  СИСТЕМА МОЧЕВЫДЕЛЕНИЯ
  9. 2.6.  СИСТЕМА ПОЛОВЫХ ОРГАНОВ
  10. 2.7.  НЕРВНАЯ СИСТЕМА
  11. 2.8.  ОРГАНЫ ЧУВСТВ
  12. 2.9.  КОЖА
  13. ГЛАВА 3 ПЕРВАЯ ПОМОЩЬ ПРИ НЕСЧАСТНЫХ СЛУЧАЯХ
  14. 3.1.  ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ОКАЗАНИЯ ПЕРВОЙ ПОМОЩИ
  15. 3.2.  АСЕПТИКА И АНТИСЕПТИКА
  16. 3.3 РАНЫ
  17. 3.4. ЛЕЧЕНИЕ РАН