劉安平 段海真 汪松
摘要:抗菌肽LL-37是一種具有雙親性a螺旋結構抗菌活性的天然免疫效應肽,由多種細胞分泌,包括單核細胞、巨噬細胞、中性粒細胞、肥大細胞、角蛋白細胞和上皮細胞,通過直接殺死細菌或增強天然免疫參與調節(jié)體內(nèi)炎癥的發(fā)生和發(fā)展,或通過免疫細胞間接調節(jié)機體的防御功能在機體的抗炎、防御功能中發(fā)揮重要作用。本文就抗菌肽LL-37的結構、生物學活性及其作用進行總結。
關鍵詞:抗菌肽;LL-37;膿毒癥
中圖分類號:R96;Q786 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼:A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI:10.3969/j.issn.1006-1959.2019.24.005
文章編號:1006-1959(2019)24-0013-03
Biological Activity and Effect of Antibacterial Peptide LL-37
LIU An-ping,DUAN Hai-zhen,WANG Song
(Department of Emergency,Affiliated Hospital of Zunyi Medical University,Zunyi 563003,Guizhou,China)
Abstract:Antibacterial peptide LL-37 is a natural immune effector peptide with amphiphilic a-helix structure antibacterial activity, secreted by a variety of cells, including monocytes, macrophages, neutrophils, mast cells, keratin cells And epithelial cells, by directly killing bacteria or enhancing natural immunity, participate in regulating the occurrence and development of inflammation in the body, or indirectly regulating the body's defense function through immune cells, and play an important role in the body's anti-inflammatory and defense functions. This article summarizes the structure, biological activity and function of antibacterial peptide LL-37.
Key words:Antibacterial peptide;LL-37;Sepsis
人體內(nèi)有多種防御機制可預防感染的擴散或進展,包括先天免疫和獲得性免疫。其中先天免疫是抵御外來病原菌侵襲的第一道屏障,而抗菌肽LL-37是機體先天免疫的重要組成部分,在疾病的演變過程中起重要作用。在生理狀態(tài)下,LL-37主要由hCAP-18(human cationic antibacterial protein of 18kDa)分解產(chǎn)生,分布于人體免疫細胞、上皮細胞、皮膚及口腔粘膜中,健康成人中含量極低。當機體感染炎癥時,通過免疫細胞趨化作用、調節(jié)細胞因子釋放、中和內(nèi)毒素(lipopolysaccharide,LPS)、抑制細胞凋亡等發(fā)揮廣譜抗微生物、趨化作用及中和毒素等作用,是人體先天免疫中重要的多功能分子[1],在感染性疾病的發(fā)生、發(fā)展與防治中有著重要的作用。近年來,抗菌肽LL-37因其廣譜的抗菌活性、免疫調節(jié)功能、趨化作用、刺激血管生成及抗瘤等特性已成為臨床學者關注的熱點。本文現(xiàn)就抗菌肽LL-37的結構、生物學功能及其作用進行綜述。
1 LL-37的結構與分布
1995年首次發(fā)現(xiàn)存在于人體的小分子肽LL-37,包含C末端的抗菌結構域和N末端結構域,其命名主要是依據(jù)N端前兩個氨基酸殘基為賴氨酸,且由37個氨基酸殘基組成而得名[1],LL-37長度約為2 kb,含有3個內(nèi)含子及4個外顯子,其中外顯子1編碼由37個N端氨基酸和30個氨基酸殘基組成的信號肽,外顯子4含有43個氨基酸殘基,包括3'端多聚腺苷酸非翻譯區(qū)及C端6個氨基酸殘基,N末端結構域通常由94~114個氨基酸組成,并與cathelin具有序列同源性,在加工過程中,特定的蛋白酶除去前肽并釋放C末端結構域,該結構起主要作用。帶正電荷的LL-37與帶負電荷LPS分子結合,競爭性抑制LPS與CD14細胞的結合,從而減少LPS誘導炎癥因子的產(chǎn)生,是人體內(nèi)唯一存在的抗菌肽,在人體的各個器官和組織中均有表達,特別是在人體呼吸、消化、泌尿、皮膚、口腔等上皮細胞中表達明顯[2]。此外,LL-37在體內(nèi)的傷口滲出物、汗液、血液中均有表達。LL-37基因啟動子區(qū)域內(nèi)包含1個NF-IL-6結合位點、1個TAAA序列及3個急性期反應因子(APRF),與體內(nèi)產(chǎn)生的炎癥因子相結合,使抗菌肽LL-37基因表達水平明顯增加,產(chǎn)生廣譜的抗菌活性、增強免疫功能等生物學效應[3]。
2 LL-37的生物學功能
2.1抗感染作用 ?感染性疾病尤以膿毒癥的治療最為棘手,其主要發(fā)病機制是病原體感染所致自我級聯(lián)放大的瀑布樣炎癥及炎性因子風暴,即失控的炎癥反應[4,5],引起危及生命的多個器官功能障礙。膿毒癥的病理生理過程涉及以免疫失衡為中心的復雜炎癥改變,且受個體差異、遺傳因素、病原菌多變、易耐藥、不易檢出及基礎疾病等多方面的影響,給治療帶來了巨大的挑戰(zhàn)和不可控性,盡管數(shù)十年來努力開發(fā)藥物來治療膿毒癥,但超過40項試驗采用各種治療方法仍未能改善其死亡率,病死率高達30%[6]。膿毒癥的發(fā)生與防御素等內(nèi)源性抗菌肽的分泌水平改變相關,有文獻報道顯示[7],遲發(fā)性膿毒癥的早產(chǎn)兒體內(nèi)人β-防御素(human β-defensin,HBD)表達較足月兒低,而殺菌/通透性增加蛋白(bactericidal/permeability increasing protein,BPI)表達較足月兒高,BPI與LPS具有高親合力,在膿毒癥可中和內(nèi)毒素從而發(fā)揮保護作用。LL-37具有廣譜的抗菌作用,對革蘭陰性菌及革蘭陽性菌均具有較強殺菌能力,既能與LPS結合,也可能與CD14分子結合,從而阻止LPS-CD14復合物的形成,阻斷LPS誘導的炎癥反應的發(fā)生。
2.1.1抗細菌作用 ?LL-37是內(nèi)源性免疫系統(tǒng)的重要組成部分,對多種革蘭陽性球菌及陰性桿菌均具有較好的抗菌活性[8]。在靜電作用下,LL-37可與細胞膜表面帶負電荷的細菌結合,由線性結構轉變?yōu)槁菪Y構,并插入細菌的細胞膜,破壞細胞膜的完整性而造成其溶解死亡[9]。除直接殺菌作用外,LL-37還可抑制細菌產(chǎn)生的內(nèi)毒素和CD14+結合,有助于改善敗血癥并減少感染導致的死亡[10]。研究發(fā)現(xiàn)[11],LL-37通過dTHP1細胞增強了FcyRs清除細菌的能力,當THP1細胞在濃度為20 ml LL-37溶液中溫育8 h后,可增強免疫球蛋白G調理大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的吞噬能力。其次,LL-37的構象與其抗菌活性密切相關,LL-37分子中的部分氨基酸具有雙親性螺旋結構,在疏水作用下易形成寡聚體。該寡聚體形式的a螺旋結構與機體的抗體活性成正比,即a螺旋結構的寡聚體越多,其抗菌活性越強[12]。
2.1.2 抗病毒作用 ?LL-37的抗病毒活性針對多種病毒,包括人類獲得性免疫缺陷病毒(HIV-1)、甲型流感病毒(IAV)、呼吸道合胞病毒(RSV)、鼻病毒(HRV)、牛痘病毒(VACV)、單純皰疹病毒(HSV)和丙型肝炎病毒(HCV)等,主要通過與細胞膜和病毒外殼之間的相互作用而產(chǎn)生抗病毒作用[13]??咕腖L-37可以誘導抗原提呈細胞產(chǎn)生強有力的免疫應答,通過產(chǎn)生和釋放Ⅰ型干擾素及促進樹突細胞的成熟,增強病毒dsDNA向位于細胞核附近的toll樣受體的傳遞,從而達到有效的抗病毒作用。
2.1.3抗真菌作用 ?LL-37還具有抗真菌作用,特別是對白色念珠菌有很好的殺菌作用[14],對皮膚上產(chǎn)生的LL-37的片段(KR-20,KS-30,RK-31)也顯示了有效的抗真菌作用,其機制與細胞膜磷脂結構的破壞及其在真菌細胞中誘導ROS活性相關[15]。
2.2免疫調節(jié)作用 ?機體在炎癥感染過程中,常常合并出現(xiàn)免疫功能的損害,部分重癥感染患者在治療時往往需要使用免疫抑制劑,而在免疫功能損害患者體內(nèi),LL-37表達明顯升高,參與免疫復合物自體核酸抗體的形成。LL-37對體內(nèi)多種細胞(如單核細胞、上皮細胞和樹突狀細胞等)均有免疫調節(jié)作用,與GM-CSF及IL-1b有協(xié)同作用,前者主要通過激活單核細胞并產(chǎn)生IL-8,后者通過激活AKT、CREB、NFkB等途徑增強多種細胞因子和趨化因子活性。此外,最近報道了在嗜中性粒細胞中LL-37和白三烯B4之間的相互作用,并提出了在體外和體內(nèi)誘導兩種免疫介質的表達和釋放[17]。在重癥感染時,含LL-37的小顆粒自中性粒細胞中釋放,并在上皮細胞誘導下加速轉錄。此外,LL-37還能誘導上皮細胞產(chǎn)生IL-6、IL-8等活性物質,從而提高單核細胞及中性粒細胞滲透性,增強免疫調節(jié)功能。
2.3抗內(nèi)毒素作用 ?LPS主要位于革蘭陰性桿菌外膜上,在膿毒癥的發(fā)生發(fā)展中扮演著重要的角色。其機制主要有:①LL-37參與LPS誘導的Toll樣受體(TLR)-核因子KB(NF-KB)信號通路調節(jié),對LPS誘導的NF-KB亞單位p65及p50的轉錄產(chǎn)生抑制作用[1];②激活有絲分裂原活化蛋白激酶(MAPK)通道,從而提高促炎反應通道活性;③選擇性調節(jié)基因轉錄,導致促炎反應基因(TNF-α、p50等)表達減少;④抑制LPS與髓樣分化蛋白2(MD-2)、LPS結合蛋白(LBP)或Toll樣受體復合物結合,削弱對其下游通路的激活。
2.4趨化作用 ?LL-37及其部分預警蛋白的一個主要作用在于能夠處理感染部位的微生物,被感染的上皮細胞表達的LL-37可以直接吸引先天免疫系統(tǒng)的細胞(如單核細胞、嗜中性粒細胞和樹突細胞),并對上述免疫細胞具有趨化作用[17]。研究表明[11],LL-37可上調人體內(nèi)IL-6、IL-8、IL-12及趨化因子MCP-1的表達,這些趨化因子能夠幫助吸引更多的嗜中性粒細胞和LL-37來協(xié)同抗感染。
2.5促血管生成 ?一旦感染被清除,被微生物破壞的組織或免疫系統(tǒng)需要修復,LL-37在這一過程中也扮演著重要的角色。上皮傷口愈合需要上皮細胞的遷移和增殖,血管生成,以及成纖維細胞抑制膠原的生成,以避免瘢痕組織過多。這些效應中有許多是通過表皮生長因子受體(EGFR)的轉活介導的,LL-37可加速G蛋白偶聯(lián)受體反式激活EGFR,引起角化細胞遷移,促進傷口的修復。LL-37具有促血管新生,在傷口愈合的部位吸引內(nèi)皮祖細胞,并誘導其增殖。其機制可能為[18]:LL-37作用于血管內(nèi)皮細胞,誘導磷脂酶A2(PLA2)的活化,活化的PLA2促進環(huán)氧化物1(COX1)的產(chǎn)生,促進前列腺素E2(PGE2)的合成,而PGE2在腫瘤血管生成的過程中起重要作用。
2.6 LL-37在癌癥中的作用 ?LL-37在腫瘤發(fā)生發(fā)展中扮演著極其復雜的角色。在正常情況下,LL-37在腫瘤轉移系統(tǒng)中起作用。然而,由于LL-37參與增殖、遷移和血管生成,不加控制的LL-37表達也可能導致上述過程的異常控制,并實際上促進癌癥。Ciornei CD 等[19]和Xi C等[20]的研究均發(fā)現(xiàn),卵巢上皮細胞中過量表達的LL-37是作為卵巢腫瘤惡化的正調節(jié)因子,通過促進間充質干細胞植入腫瘤基質來誘發(fā)和加重腫瘤的發(fā)生。其次,LL-37在肺癌、乳腺癌、前列腺癌、胰腺癌、惡性黑色素瘤和皮膚鱗狀細胞癌中誘導致癌作用。相反,LL-37在結腸癌、胃癌、血液惡性腫瘤和口腔鱗狀細胞癌中顯示出抗癌作用,其作用機制考慮與LL-37誘導的膜受體活化和隨后的信號傳導途徑導致細胞功能的改變有關,各種癌細胞上的不同膜受體似乎是造成LL-37的組織特異性作用的原因。因此,LL-37在結腸癌、胃癌等腫瘤疾病的治療中具有重要意義。
3總結與展望
LL-37作為機體唯一的天然抗菌肽,是機體先天免疫系統(tǒng)的重要組成部分,在外界細菌、病毒、真菌等入侵機體時,在人體各個系統(tǒng)(呼吸、胃腸道、皮膚、免疫等)發(fā)揮積極的防御作用,具有廣譜殺菌及免疫調節(jié)功能,同時還參與調節(jié)細胞因子釋放、誘導細胞分化、促進傷口愈合、血管生成和抗腫瘤作用。但LL-37的多功能性質在治療的同時也可能給機體帶來傷害,可能導致某些腫瘤性疾?。ㄈ缏殉舶?、乳腺癌、前列腺癌等)的發(fā)生,同時在亞抑制濃度下促進銅綠假單胞菌的變異??傊?,LL-37逐漸成為一種具有多種適用性的有效治療選擇,但在選擇時需仔細評估??梢愿鶕?jù)其廣譜的抗菌活性及免疫功能研發(fā)相應的抗菌藥物,也可以依據(jù)其抗腫瘤作用研制出相關的抗癌藥物,但這需要大量臨床實驗研究,更加深入的探討抗菌肽LL-37在感染性疾病及腫瘤性疾病中的抗炎機制及促調亡的相關機制,為感染性疾病及腫瘤的治療提供新的靶點。
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收稿日期:2019-10-22;修回日期:2019-12-5
編輯/肖婷婷