Молекулярный щит респираторного тракта от грамотрицательных бактериальных агентов
 
Абатуров А.Е.

Днепропетровская государственная медицинская академия

Резюме

В обзоре научной литературы показана роль протеинов молекулярного семейства BPI в защите респираторного тракта при инфекционных заболеваниях. Протеин BPI и некоторые протеины PLUNC обладают бактерицидным и бактериостатическим действием, преимущественно на грамотрицательные бактерии. Протеины семейства BPI являются важнейшими компонентами процесса распознавания ЛПС. Баланс противовоспалительных и провоспалительных протеинов семейства BPI определяет характер реакции иммунной системы при инфекционном процессе, нарушения этого баланса могут привести к гипо- или гиперреакциям, которые могут лежать в основе неуправляемого течения инфекционного процесса.

Введение

Исследование экспрессии более 20 тысяч известных и гипотетических генов, проведенное при помощи системы генетического анализа SAGE, показало наличие активности генов бронхиального эпителия, ответственных за синтез антимикробных и бронхопротективных протеинов, в том числе и протеинов молекулярного семейства протеинов липидного трансфера. Представители семейства протеинов липидного трансфера принимают участие в защите респираторного тракта от инфицирования грамотрицательными бактериями. Первыми белками из данной группы были идентифицированы липополисахарид-связывающий протеин (LBP — lipopolysaccharide binding protein) и бактерицидный протеин, увеличивающий проницаемость мембран (BPI), которые способны к рекогниции липополисахаридов (ЛПС). Распознавание ЛПС является самым чувствительным и специфическим механизмом реакции макроорганизма в ответ на вторжение грамотрицательных бактерий. 

В настоящее время протеины с гомологичной молекулярной структурой BPI выделены в отдельное молекулярное семейство. В ряде научных исследований показано, что они принимают участие в защите респираторного тракта при острых респираторных вирусных и бактериальных инфекциях, хронических заболеваниях легких, муковисцидозе. А также представлены доказательства возможности применения протеинов семейства BPI при лечении инфекционно-воспалительных заболеваний органов дыхания.
 


Краткая характеристика семейства бактерицидного протеина, увеличивающего проницаемость мембран

Молекулярное семейство BPI включает в себя протеин BPI, протеины субсемейства продуктов небно-легочно-назального эпителиального клона (PLUNC), PLTP, CETP (табл. 1).
 

 

BPI — солютабный белок с молекулярной массой 50 kD, состоящий из 456 аминокислотных остатков и обладающий высокой комплементарностью к липидным областям ЛПС клеточной мембраны грамотрицательных бактерий. Впервые BPI был идентифицирован J. Weiss и соавт. в 1978 году в азурофильных гранулах нейтрофилов, а в 2002 году экспрессия его мРНК была обнаружена в эпителиоцитах респираторного тракта.

Молекула BPI, по форме напоминающая бумеранг, состоит из двух подобных C- и N-регионов, характеризующихся зеркальной симметрией (рис. 1). C-терминальный регион выполняет роль «якоря», с помощью которого молекула BPI крепится к мембране клетки, а N-терминальный регион способен связываться с ЛПС грамотрицательных бактерий. BPI продуцируется эпителиоцитами, нейтрофилами и в меньшей степени эозинофилами респираторного тракта. В нейтрофилах он содержится как в азурофильных гранулах, составляя 0,5–1 % общего содержания белка, так и на поверхности клеточной мембраны.

В субсемействе PLUNC в зависимости от размера молекул различают две группы — группу коротких PLUNC (SPLUNC-1, -2, -3) и группу длинных PLUNC (LPLUNC-1, -2, -3, -4) белков (рис. 2, 3). Протеины LPLUNC состоят приблизительно из 480, белки SPLUNC — из 250 аминокислотных остатков и представляют N-терминальный домен LPLUNC. 

Протеины субсемейства PLUNC продуцируются нереснитчатым эпителием слизистой оболочки полости носа, трахеи, крупных бронхов и клетками подслизистых желез. Основным продуцентом протеина SPLUNC2 (PSP) являются околоушные слюнные железы. Относительно недавно J.A. Bartlett и соавт. обнаружили протеины PLUNC в гранулах нейтрофилов, в связи с чем авторы сделали предположение об участии данных белков в регуляции иммунной системы. Основным белком семейства PLUNC, который продуцируется в респираторном тракте, является SPLUNC1.

Гены, кодирующие синтез BPI и PLUNC, расположены на хромосоме 20.
 
Индукция синтеза бактерицидного протеина, увеличивающего проницаемость мембран

По всей вероятности, индукция синтеза BPI только косвенно связана с активацией TLR4. Показано, что синтез BPI в эпителиальных клетках индуцируют производные арахидоновой кислоты биоактивные эйкозаноиды — липоксины, в частности липоксин A4 (LXA4), обладающий противовоспалительной активностью. Согласно современным представлениям, LXA4 является молекулой торможения, так называемым «стоп-сигналом» для воспалительного процесса. Увеличение продукции LXA4 ингибирует трансмиграцию нейтрофилов через высокодифференцированный бронхиальный эпителий и эндотелий сосудов, подавляя экспрессию CD11b/CD18 и L-селектина, тормозит активацию Т-лимфоцитов и цитокиновую продукцию. Молекула LXA4, взаимодействуя с LXA4-рецептором эпителиоцитов и нейтрофилов, вызывает синтез BPI. Индукция транскрипционной активности гена BPI обусловлена взаимодействием факторов транскрипции C/EBP-b и C/EBP-n, активируемых внутриклеточными сигнальными путями LXA4-рецептора, с cis-элементами его промоторной области (рис. 4). Необходимо отметить, что в период новорожденности в отличие от дефензинов и миелопероксидазы для BPI характерен низкий уровень продукции. Его содержание в нейтрофилах новорожденных детей в 3–4 раза ниже, чем в нейтрофилах взрослых людей.
 

 

Синтез PLUNC усиливается при инфекционных респираторных заболеваниях и раздражении слизистой оболочки респираторного тракта паром, сигаретным дымом и другими ирритантами.
 
Антибактериальное действие протеинов семейства бактерицидного протеина, увеличивающего проницаемость мембран

Протеин BPI и некоторые протеины семейства PLUNC оказывают выраженное бактериостатическое действие на колонии грамотрицательных бактерий. Белки семейства BPI (BPI, PLUNC), присоединяясь к липиду АIV липополисахарида грам¬отрицательных бактерий, увеличивают проницаемость бактериальной мембраны и ингибируют процессы клеточного деления. Протеин BPI обладает и бактерицидным действием. Он может проникать через наружную к внутренней мембране бактерий, нарушать ее целостность, обусловливая гибель микроорганизма. Показано, что BPI принимает участие в саногенезе инфекционных заболеваний, вызванных и грамположительной флорой, в частности стрептококком.
 

 

Протеолитическая деградация BPI, PLUNC, LBP приводит к появлению маленьких катионных пептидов с выраженной антимикробной активностью. 
 
Иммуномодулирующее действие протеинов семейства бактерицидного протеина, увеличивающего проницаемость мембран

Протеины BPI и LBP являются важнейшими компонентами процесса распознавания ЛПС, при этом они выполняют разнонаправленные действия. 

ЛПС представляет собой исключительный структурный полуконсервативный компонент мембран грам¬отрицательных бактерий, занимающий около 75 % поверхности наружной мембраны. Молекула ЛПС содержит высоковариабельный внешний регион — O-сегмент и консервативный внутренний регион — липид AIV, который является основным субстратом TLR-зависимого распознавания патоген-ассоциированных молекулярных структур. 

Липид AIV с гексаацильной молекулярной структурой характерен для ЛПС внешней мембраны Escherichia coli, Klebsiella pneumonia, Enterobacter cloacae, Serratia marcescens, Proteus mirabilis, Providencia rettgeri, Shigella sonnei, S. flexneri, Haemophilus influenza, Neisseria gonorrhoeae, N. meningitides, Bordetella bronchiseptica, Campylobacter sp., Aeromonas salmonicida, Plesiomonas shigelloides, Burkholderia cenocepacia, Stenotrophomonas maltophilia; липид AIV с негексаацильной молекулярной структурой — для ЛПС внешней мембраны Moraxella catarrhalis, Bordetella pertussis, Helicobacter pylori, Chlamydophila trachomatis, Yersinia enterocolitica, Salmonella enterica serovar Typhimurium, Legionella pneumophila, Capnocytophaga canimorsus, Pseudomonas aeruginosa, Burkholderia, Enterobacter agglomerans, Rhodobacter sphaeroides, Rhizobium etli, Sinorhizobium sp., Xanthomonas campestris, Bacteroides fragilis, Prevotella intermedia, Porphyromonas gingivalis.
 

 

Основными молекулярными сенсорными механизмами, распознающими липид AIV ЛПС, являются LBP, mCD14, sCD14, MD-2, TLR4 и белки семейства BPI. Белки семейства BPI и LBP обладают высоким аффинитетом к липиду AIV ЛПС грамотрицательных бактерий. Данный механизм рекогниции липида AIV обнаружен практически у всех позвоночных животных.

Протеин BPI продуцируется эпителиоцитами и нейтрофилами, а LBP преимущественно синтезируется гепатоцитами и в некоторой степени альвеолоцитами II порядка, клетками тканей почек, сердца, в связи с чем в очаге воспаления легочной ткани концентрация BPI всегда преобладает над содержанием LBP. Концентрация LBP в сыворотке крови человека в состоянии клинического здоровья колеблется на уровне 1–15 мкг/мл и быстро увеличивается при развитии заболеваний воспалительного генеза. 

Агрегированные формы ЛПС грамотрицательных бактерий соединяются с N-терминальным доменом LBP. ЛПС различных грамотрицательных бактерий отличаются степенью аффинитета к LBP. Так, ЛПС Helicobacter pylori и Porphyromonas gingivalis в 100 раз менее активно связываются с LBP, чем ЛПС Escherichia coli. Комплекс ЛПС/LBP транспортируется к поверхности мембран клеток, подвергается энзиматическому воздействию, с помощью которого ЛПС в мономерной форме передается солютабному, экстрацеллюлярному или мембраносвязанному протеину CD14. В дальнейшем ЛПС комплекса ЛПС/CD14 областью, содержащей липид AIV, взаимодействует с MD-2 (протеином, ассоциированным с TLR4), обеспечивая его рекогницию TLR4. ЛПС-индуцированное возбуждение TLR4 активирует внутриклеточные сигнальные пути, которые обусловливают возбуждение продукции провоспалительных цитокинов. Необходимо отметить, что эпителиоциты респираторного тракта характеризуются низкой экспрессией MD-2, что, по всей вероятности, в современных условиях распространения госпитальной респираторнотропной флоры лежит в основе затяжного течения бронхолегочных заболеваний, вызванных грамотрицательной флорой. Протеин BPI, связываясь с молекулой ЛПС, нейтрализует ее возможность взаимодействовать с TLR4.

Таким образом, BPI отстраняет ЛПС от MD-2/TLR4, а протеин LBP обусловливает взаимодействие ЛПС с MD-2/TLR4, которое приводит к продукции провоспалительных цитокинов, монооксида азота (NO), активированных кислородсодержащих радикалов. 

Протеины PLUNC также принимают участие в TLR4-зависимой рекогниции ЛПС. Длинные PLUNC могут связываться с ЛПС и в комплексе с CD14 представлять его MD-2/TLR4, а короткие PLUNC выполняют роль, подобную BPI, то есть протеины PLUNC выполняют как про-, так и противовоспалительную функцию. Протеины CETP и PLTP также способны к взаимодействию с ЛПС, которое нейтрализует его провоспалительную активность.

Баланс противовоспалительной активности BPI и провоспалительной активности LBP определяет характер реакции иммунной системы при инфекционном процессе, нарушения этого баланса могут привести к гипо- или гиперреакциям, ведущим к летальному исходу. 

Протеин BPI, взаимодействуя с дендритными клетками, индуцирует экспрессию на поверхности их мембраны костимулирующих молекул CD80, CD83, CD86 и активирует продукцию IL-6, IP-10, RANTES.
 
Заключение

Таким образом, молекулярное семейство BPI принимает участие в защите респираторного тракта при респираторных вирусных и бактериальных инфекциях. Протеин BPI и некоторые протеины PLUNC оказывают выраженное бактериостатическое действие на колонии грамотрицательных бактерий. Протеины семейства BPI являются важнейшими компонентами процесса распознавания ЛПС. Протеины BPI, SPLUNC отстраняют ЛПС от MD-2/TLR4, подавляя инициирование воспалительного процесса, а протеины LBP, LPLUNC обусловливают взаимодействие ЛПС с MD-2/TLR4, которое приводит к продукции провоспалительных цитокинов. Баланс противовоспалительных и провоспалительных протеинов семейства BPI определяет характер реакции иммунной системы при инфекционном процессе, нарушения этого баланса могут привести к гипо- или гиперреакциям, ведущим к неуправляемому течению инфекционного процесса.  
Литература
 

Список литературы находится в редакции 
Опубликовано в журнале «Здоровье ребенка», 6(21) 2009 / Теоретична медицина