Кателицидины

Кателицидины — это семейство антимикробных пептидов, обнаруженных у млекопитающих, включая человека, которые играют ключевую роль в врождённом иммунитете. Они обладают широким спектром противомикробной активности в отношении бактерий, грибов, вирусов и простейших, а также участвуют в модуляции воспалительных реакций, хемотаксисе и заживлении ран. У человека единственным представителем этого семейства является кателицидин LL-37.

История открытия

Первые кателицидины были идентифицированы в 1990-х годах. В 1995 году из нейтрофилов крупного рогатого скота был выделен пептид Bac5, а в 1996 году — Bac7. В 1997 году группа исследователей под руководством М. Заслоффа (США) впервые описала человеческий кателицидин, который получил название LL-37. Название происходит от структуры: «L» — аминокислота лейцин, «37» — количество аминокислотных остатков в зрелом пептиде. Исследования показали, что LL-37 экспрессируется не только в нейтрофилах, но и в эпителиальных клетках кожи, слизистых оболочек, лёгких, кишечника и других тканей.

Структура и биосинтез

Кателицидины синтезируются в виде предшественников — препрогормонов, которые включают сигнальный пептид, консервативный кателиновый домен (отсюда название) и вариабельный С-концевой антимикробный домен. После расщепления сигнального пептида образуется прогормон (прокателицидин), который хранится в гранулах нейтрофилов. При активации клетки (например, при бактериальной инфекции) прогормон расщепляется протеазами, высвобождая зрелый антимикробный пептид.

У человека ген кателицидина (CAMP) расположен на 3-й хромосоме. Единственный продукт этого гена — прокателицидин (hCAP18), который после протеолиза превращается в LL-37. Структура LL-37 представляет собой α-спираль с амфифильными свойствами, что позволяет ему взаимодействовать с мембранами микроорганизмов.

Механизм действия

Основной механизм антимикробной активности кателицидинов связан с разрушением клеточных мембран. Благодаря положительному заряду (катионные пептиды) они связываются с отрицательно заряженными компонентами мембран бактерий (липополисахариды у грамотрицательных, липотейхоевые кислоты у грамположительных). После связывания пептиды встраиваются в мембрану, образуя поры, что приводит к утечке цитоплазмы и гибели клетки. В отличие от многих антибиотиков, кателицидины действуют быстро и редко вызывают устойчивость у микроорганизмов.

Кроме прямого антимикробного действия, LL-37 и другие кателицидины обладают иммуномодулирующими свойствами:

• стимулируют хемотаксис нейтрофилов, моноцитов и Т-лимфоцитов;
• подавляют высвобождение провоспалительных цитокинов (например, TNF-α) при связывании с липополисахаридами;
• способствуют ангиогенезу и реэпителизации при заживлении ран;
• нейтрализуют эндотоксины (липополисахариды) грамотрицательных бактерий.

Классификация и виды

Кателицидины подразделяются на две основные группы по структуре:

• α-спиральные (например, человеческий LL-37, мышиный CRAMP) — образуют амфифильные α-спирали;
• β-складчатые (например, бычий Bac5, Bac7) — содержат β-листы и часто обогащены пролином и аргинином.

У разных видов млекопитающих количество кателицидинов варьирует:

• Человек: 1 ген (CAMP), 1 зрелый пептид (LL-37).
• Мышь: 1 ген (Camp), пептид CRAMP.
• Крупный рогатый скот: 11 генов, кодирующих кателицидины (Bac5, Bac7, BMAP-27, BMAP-28 и др.).
• Свинья: 5 генов (PR-39, PMAP-23, PMAP-37 и др.).
• Курица: 1 ген (CAMP).

Роль в иммунитете

Кателицидины являются частью врождённого иммунитета — первой линии защиты организма от инфекций. Они экспрессируются конститутивно (постоянно) в нейтрофилах и индуцибельно (в ответ на инфекцию или воспаление) в эпителиальных клетках. Например, при повреждении кожи или слизистых оболочек уровень LL-37 резко возрастает, что способствует уничтожению патогенов и привлечению иммунных клеток.

Дефицит кателицидинов связан с повышенной восприимчивостью к инфекциям. У людей с мутациями в гене CAMP или сниженной экспрессией LL-37 (например, при атопическом дерматите) наблюдается хроническая бактериальная и грибковая инфекция кожи. У мышей с нокаутом гена Camp (CRAMP-дефицитные) отмечена высокая смертность от бактериального сепсиса.

Клиническое значение

Инфекционные заболевания

Кателицидины активны против широкого спектра патогенов, включая:

• Бактерии: Staphylococcus aureus, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Mycobacterium tuberculosis.
• Грибы: Candida albicans, Aspergillus fumigatus.
• Вирусы: вирус простого герпеса, ВИЧ, вирус гриппа A.
• Простейшие: Plasmodium falciparum (возбудитель малярии).

Воспалительные заболевания

При хронических воспалительных заболеваниях, таких как псориаз, розацеа и болезнь Крона, уровень LL-37 в тканях повышен. В случае псориаза LL-37, взаимодействуя с ДНК клеток, образует комплексы, которые стимулируют плазмоцитоидные дендритные клетки, что запускает аутоиммунный ответ. При розацеа аномально высокий уровень LL-37 вызывает воспаление и расширение сосудов.

Заживление ран

LL-37 стимулирует миграцию и пролиферацию кератиноцитов и фибробластов, а также ангиогенез. Это делает его перспективным для терапии хронических ран (например, диабетических язв). В экспериментальных моделях нанесение синтетического LL-37 ускоряет заживление.

Исследования и перспективы

Кателицидины рассматриваются как потенциальная основа для новых антибиотиков, особенно в условиях роста устойчивости бактерий к традиционным препаратам. Синтетические аналоги LL-37 (например, P60.4-Ac) проходят доклинические испытания. Однако их применение ограничено токсичностью для клеток млекопитающих при высоких концентрациях и нестабильностью в биологических жидкостях.

Ведутся работы по созданию пептидомиметиков — непептидных соединений, имитирующих структуру и активность кателицидинов. Также изучается возможность индукции эндогенного синтеза LL-37 с помощью витамина D (1,25-дигидроксивитамин D3), который активирует транскрипцию гена CAMP.

Интересные факты

• LL-37 получил своё название из-за того, что начинается с двух лейцинов (L) и состоит из 37 аминокислот. Полная последовательность: LLGDFFRKSKEKIGKEFKRIVQRIKDFLRNLVPRTES.
• Кателицидины обнаружены не только у млекопитающих, но и у рыб, птиц и рептилий, однако их структура и функции у разных классов животных различаются.
• У человека уровень LL-37 в крови составляет около 1–2 мкг/мл, но при инфекции может возрастать в десятки раз.

Источники

1. Zasloff M. Antimicrobial peptides of multicellular organisms. Nature. 2002;415(6870):389-395.
2. Nizet V, Gallo RL. Cathelicidins and innate defense against invasive bacterial infection. Scandinavian Journal of Infectious Diseases. 2003;35(9):670-676.
3. Lai Y, Gallo RL. AMPed up immunity: how antimicrobial peptides have multiple roles in immune defense. Trends in Immunology. 2009;30(3):131-141.
4. Gombart AF. The vitamin D–antimicrobial peptide pathway and its role in protection against infection. Future Microbiology. 2009;4(9):1151-1165.
5. Kahlenberg JM, Kaplan MJ. Little peptide, big effects: the role of LL-37 in inflammation and autoimmune disease. Journal of Immunology. 2013;191(10):4895-4901.
6. Zanetti M. Cathelicidins, multifunctional peptides of the innate immunity. Journal of Leukocyte Biology. 2004;75(1):39-48.