Defensiny – důležitá složka přirozené imunity v obraně proti infekci
Defensins – an Important Component of Natural Immunity in Defense against Infection
Defensins are antimicrobial and immunomodulation peptides, which are the important part of natural immunity. The authors briefly characterize natural immunity, chemical structure and function of defensins. The review deals preferentially with human defensins on respiratory mucous membranes and their effects on bacteria, mainly on gram-negative Staphylococcus aureus.
Defensins exert a direct destructive effect on bacterial wall, but they possess an immunomodulation effect as well. Human defensins are divided according to their structure to alpha, beta 1, beta 2, beta 3 and beta 4. Alpha defensins are in granulocytes, in mucosa of urogenital and intestinal tract. Beta defensins are in all epithelial tissues. In the epithelium of respiratory pathways beta defensins 1 are produced constitutively and beta defensins 2 and 3 are induced as a response to infection agents.
Some bacteria can modify their wall and thereby become less sensitive to defensins. In the bacteria Staphylococcus aureus the genes Dlt and Mrpf were found responsible for modification of teichoic acid and phosphatidylglycerol in the membrane in such a way that it decreases attractiveness of the bacteria for the positively charged defensins. Defects in these genes caused increased sensitivity of this bacterium to defensins.
New knowledge of antibacterial peptides helps us to understand better infectious diseases and offers new perspectives in the therapy of these diseases.
Key words:
defensins, respiratory tract, Staphylococcus aureus.
Authors:
Z. Kuchynková 1; H. Pácová 1,2
Authors‘ workplace:
Klinika otorinolaryngologie a chirurgie hlavy a krku 1. LF UK a FN Motol
Katedra otolaryngologie IPVZ, Praha
; přednosta prof. MUDr. J. Betka, DrSc.
Ústav pro histologii a embryologii, 1. LF UK, Praha
1; přednosta doc. MUDr. P. Hach, DrSc.
2
Published in:
Otorinolaryngol Foniatr, 57, 2008, No. 1, pp. 36-39.
Category:
Comprehensive Reports
Overview
Defensiny jsou antimikrobiální a imunomodulační peptidy, které jsou důležitou součástí přirozené imunity. Autoři stručně charakterizují přirozenou imunitu, chemickou stavbu a funkci defensinů. Zabývají se především lidskými defensiny na respiračních sliznicích a jejich účinkem na bakterie, a to hlavně na grampozitivní bakterii Staphylococcus aureus.
Defensiny mají přímý destrukční účinek na bakteriální stěnu, ale mají i imunomodulační účinek. Lidské defensiny dělíme podle struktury na alfa a beta 1, beta 2, beta 3 a beta 4. Alfa jsou v granulocytech, ve sliznici urogenitálního a intestinálního traktu. Beta defensiny jsou ve všech epiteliálních tkáních. V epitelu dýchacích cest jsou beta defensiny 1 produkovány konstitučně a beta defensiny 2 a 3 jsou indukovány jako odpověď na infekční agens.
Některé bakterie mohou modifikovat svoji stěnu tak, aby byly méně citlivé na defensiny. U bakterie Staphylococcus aureus byly zjištěny geny Dlt a MprF, které jsou zodpovědné za modifikaci kyseliny teichoové a phosphatidylglycerolu v membráně takovým způsobem, že se sníží atraktivita bakterie pro pozitivně nabité defensiny. Poruchy těchto genů způsobují zvýšenou senzitivitu této bakterie na defensiny.
Nové poznatky o antimikrobiálních peptidech nám umožňují lépe rozumět infekčním onemocněním a nabízejí nové perspektivy v terapii těchto onemocnění.
Klíčová slova:
defensiny, respirační sliznice, Staphylococcus aureus.
ÚVOD
Defensiny jsou antimikrobiální a imunomodulační peptidy, které jsou důležitou součástí přirozené imunity. Defensiny se vyskytují u rostlin, bezobratlých a obratlovců, působí na viry, bakterie, plísně a parazity. U člověka jsou přítomny v leukocytech, na sliznicích a kůži. Nové poznatky o těchto látkách nám umožňují lépe rozumět infekčním onemocněním a nabízejí nové perspektivy v terapii těchto onemocnění. Defensiny, které lze snadno synteticky připravit, by mohly částečně nahradit antibiotika, na něž jsou bakterie čím dál více rezistentní.
V přehledném referátě stručně charakterizujeme přirozenou imunitu, chemickou stavbu a funkci defensinů. Budeme se zabývat především lidskými defensiny na respiračních sliznicích a jejich účinkem na bakterie, a to hlavně na grampozitivní bakterii Staphylococcus aureus.
PŘIROZENÁ IMUNITA
Nejdůležitější charakteristikou imunitního systému je schopnost rozlišit vlastní buňky od cizích a obrana proti cizím. Jednou ze základních funkcí imunitního systému je ochrana organismu před infekcí. Imunitu dělíme na přirozenou a získanou.
Přirozená imunita je fylogeneticky starší a vyskytuje se i u bezobratlých živočichů. Reakce jsou širokospektré a promptní, nastupují během minut až hodin. Přirozená imunita je dědičná. Vzhledem k tomu, že je fylogeneticky stará, mechanismy přirozené imunity jsou podobné u člověka i u zvířat. Získaná (adaptační) imunita se ve fylogenezi objevila teprve u obratlovců a doplňuje přirozenou imunitu. Reakce jsou specifické (specificky namířené proti určitému antigenu) a nastupují s časovým odstupem několika dní až týdnů. Získaná imunita se plně rozvíjí až během života působením antigenů a odráží tak infekční historii jedince. Tento typ imunity má ale rovněž základ v genetické informaci, protože tkáně, orgány a receptory, které jsou předpokladem specifické imunity, vznikají během ontogeneze (a to už prenatálně) na základě genetické informace.
Základní prvky přirozené imunity jsou intaktní sliznice a kůže, mukociliární clearance a humorální a buněčné složky imunity.
Humorální složka jsou:
- komplement,
- proteiny akutní fáze,
- cytokíny,
- antibakteriální bílkoviny a peptidy.
Celulární složka jsou:
- buňky fagocytující (monocyty/makrofágy a neutrofily),
- buňky uvolňující zánětlivé mediátory (bazofily, mastocyty a eosinofily, dále mikrofágy, epiteliální buňky a hepatocyty),
- natural killer buňky.
V přirozené imunitě se ale uplatňuje i celá řada dalších faktorů. Pro rozpoznání patogenů jsou důležité receptory na epitelových buňkách a na buňkách imunitního systému ( buňkách předkládajících antigen, fagocytech a lymfocytech). Tyto receptory rozeznávají molekulární charakteristiky (pattern), které se běžně vyskytují na povrchu bakterií a nejsou přítomny na povrchu eukaryontních buněk. Mezi tyto bakteriální charakteristiky patří např. lipopolysacharidy, peptidoglykany a kyselina lipoteichoová (patogen associated molecular patterns –PAMP). Po rozpoznání patogenu spustí receptory (pattern recognition receptors - PRR) velice rychle nespecifickou zánětlivou reakci a zahájí reakce přirozené imunity. Receptorů je celá řada a dělí se do několika skupin. Do skupiny signálních receptorů patří toll-like receptory, které rozpoznají patogen a regulují produkci antimikrobiálních peptidů (7, 10), ale také např. cytokinů.
Antimikrobiální peptidy působí destruktivně přímo na mikroorganismy a uplatňují se i v dalších imunitních reakcích. Mají tedy nejen vlastnosti antimikrobiální, ale i imunomodulační. Mezi antimikrobiální peptidy u člověka patří defensiny a cathelicidiny. Lidské defensiny dělíme podle struktury na: alfa, beta 1, beta 2, beta 3, beta 4. Alfa defensiny jsou v granulocytech, ve sliznici urogenitálního a intestinálního traktu, beta defensiny jsou produkovány všemi epiteliálními tkáněmi (2). Beta defensiny (human beta defensin, HBD) se dále dělí na několik skupin. Beta defensiny 1 ( HBD1) jsou produkovány konstitučně v epiteliálních buňkách dýchacích cest (8), beta defensiny 2 (HBD 2) a 3 (HBD 3) jsou indukovány jako odpověď na infekční agens (1).
Skupina genů kódujících defensiny je na chromozomu 8p23.
CHEMICKÁ STAVBA DEFENSINU
Defensiny jsou charakterizovány jako malé proteiny bohaté na disulfidy, téměř všechny jsou typu beta (11). Obecně chemické vlastnosti proteinů určuje jejich struktura, kterou dělíme na primární, sekundární a terciální.
Primární struktura je sekvence aminokyselin určená jejich počtem a pořadím. Defensiny mají méně než 100 aminokyselin ( nejčastěji 12-50) a molekulovou hmotnost nižší než 3,5 - 4,5 kDa. Pro primární strukturu defensinů je charakteristická přítomnost a pořadí šesti cysteinových reziduí. Sekvence ostatních aminokyselin je u různých defensinů velmi variabilní.
Sekundární struktura proteinu je charakterizována prostorovým uspořádáním části molekuly nejčastěji do tvaru helicidu nebo beta skládaného listu (beta sheet). Defensiny mají velmi charakteristickou sekundární strukturu, která je určena třemi disulfidickými vazbami mezi cysteiny v molekule. Tyto vazby tvarují molekulu v prostoru do lehce zvlněných stuhovitých útvarů, které odpovídají beta skládanému listu. Podle sekundární struktury dělíme defensiny na čtyři typy: alfa, beta 1, beta 2, beta 3. Kdybychom si označili pořadí cysteinů v molekule defensinu od 1 do 6, tak alfa defensiny mají jednu disulfidickou vazbu mezi cysteinem na pořadí 1 a na pořadí 6, druhou vazbu mezi 2 a 4 a třetí mezi 3 a 5 (lze zapsat 1-6, 2-4, 3-5), beta defensiny mají vazby 1-5, 2-4, 3-6 (obr. 1).
Terciální struktura proteinů je prostorové uspořádání celé molekuly, tedy jak hlavního řetezce tak i postranních řetězců. Zjišťuje se zobrazovacími metodami. Na obrázku 2 je schéma terciální struktury defensinu (9).
Pro funkci defensinů je důležitý fakt, že jsou jak hydrofobní tak hydrofilní, tedy amphiphatické, a že jsou pozitivně nabité, tedy kationické. Obě tyto charakteristiky usnadňují adherenci defensinu na buněčnou stěnu bakterie.
ANTIBAKTERIÁLNÍ PUSOBENÍ
Membrány bakterií obsahují mnoho aniontových molekul (fosfolipidy, lipopolysacharidy, kyselinu teichoovou), které umožňují adsorpci pozitivně nabitých antimikrobiálních peptidů. Mechanismus přímého působení defensinů na bakterie po adsorpci není zcela objasněn. Narušují určitým způsobem funkci bakteriálních membrán, které jsou nejen cytoskeletální element, ale i důležitou funkční strukturou pro interakce mezi bakterií a prostředím. Membrány udržují iontový gradient, zajišťují transport metabolitů, signalizaci a mechanickou práci. Účinnost defensinů je ovlivněna iontovým složením prostředí, ve kterém působí, proto nelze předpokládat, že laboratorní výsledky budou zcela odpovídat situaci in vivo (5).
DEFENSINY A STAPHYLOCOCCUS AUREUS
Bakterie nemají imunitu, ale mají únikové mechanismy, které je chrání proti imunitním reakcím makroorganismu. Defensiny i bakterie jsou fylogeneticky velmi staré, takže bakterie měly dlouhou dobu na to, aby se mohly adaptovat na působení defensinů. Některé bakterie jsou schopny se proti defensinům bránit. Grampozitivní bakterie mohou modifikovat svoji membránu tak, aby se snížil její negativní náboj. Tato změna má za následek menší citlivost na antimikrobiální peptidy (12). U bakterie Staphylococcus aureus (STA) byly zjištěny geny Dlt a MprF, které jsou zodpovědné za modifikaci kyseliny teichoové a phosphatidylglycerolu v membráně takovým způsobem, že se sníží negativní náboj buněčné stěny a bakteriální membrány, a tím se sníží i atraktivita bakterie pro pozitivně nabité defensiny. Poruchy těchto genů způsobují zvýšenou senzitivitu STA na defensiny (4, 13).
IMUNOMODULAČNÍ PUSOBENÍ
Kromě antimikrobiálního působení mají defensiny i aktivity regulační. Antimikrobiální peptidy působí jako chemoatraktory, rekrutují antigen prezentující buňky, které zahajují reakce adaptační imunity a mactocyty. Funkčně se tedy defensiny překrývají částečně s chemokiny. Defensiny vstupují do přímých interakcí s buňkami přirozené imunity, to je s monocyty, dendritickými buňkami, T lymfocyty a epiteliálními buňkami (3).
PERSPEKTIVY VYUŽITÍ DEFENSINU V TERAPII
Nové poznatky o antimikrobiálních peptidech a mechanismech bakterií uniknout imunitním reakcím umožňují určit nové terapeutické koncepce. Defensiny působí na buněčnou stěnu, která je jedním ze základních cílů současné antibiotické terapie.
Teoreticky je možno se pokusit ovlivnit obranné mechanismy bakterií tak, aby byly citlivější na imunitní mechanismy hostitele, například na defensiny.
Antimikrobiální peptidy by se mohly využít nejen jako antibiotika, ale i jako imunomodulátory, které podporují protiinfeční imunitu, ale zároveň tlumí škodlivé zánětlivé reakce (6).
ZÁVĚR
Defensiny jsou důležitou složkou přirozené imunity a jsou přítomny v respiračním traktu. Přirozená imunita a slizniční imunita jsou předmětem intenzivního výzkumu, který by mohl odpovědět na otázky, jak se defensiny uplatňují v rozvoji a perzistenci infekcí dýchacích cest a zdali by se mohly uplatnit v terapii těchto onemocnění.
Práce byla podporována grantem NR8440-3/2005.
MUDr. Zdenka Kuchynková
Klinika ORL a chirurgie hlavy a krku FNM
V Úvalu 84
150 06 Praha 5-Motol
e-mail: Z.Kuchynkova@gmail.com
Došlo 26. 9. 2007
Sources
1. Beder, M. N., Diamid, G, Verghese, M. W., Randell, S. H.: CD14-dependent lipopolysaccharide-induced beta-defensin-2 expression in human tracheobronchial epithelium. J. Biol. Chem., 275, 2000, s. 29731-29736.
2. Boman, H. G.: Antibacterial peptides: basic facts and emerging concepts. Journal of Internal Medicine, 254, 2003, s. 197-215.
3. Bowdish, D. M., Davidson, D. J., Hancock, R. E.: Immunomodulatory properties of defensins and cathelicidins. Curr Top Microbiol. Immunol., 306, 2006, s. 27-66.
4. Collins, L. V., Kristian, S. A., Weidenmaier, C., Faigle, M., Van Kessel, K. P., Van Strijp, J. A., Götz, F., Neumeister, B., Peschel, A.: Staphylococcus aureus strains lacking D-alanine modifications of teichoic acids are highly susceptible to human neutrophil killing and are virulence attenuated in mice. J. Infect. Dis.,186, 2002, s. 214-219.
5. Dorschner, R. A., Lopez-Garcia, B., Peschel, A., Kraus, D., Morikawa, K., Nizet, V., Gallo, R. L.: The mammalian ionic environment dictates microbial susceptibility to antimicrobial defense peptides. FASEB J., 20, 2006, 1, s. 35-42.
6. Hancock, R. E., Sahl, H. G.: Antimicrobial and host-defense peptides as new antiinfective therapeutic strategies. Nature Biotechnology, 24, 2006, s. 1551-1557.
7. Hertz, C. J., Wu, Q., Porter, E. M., Zhang, Y. J., Weismüller, K. H., Godowski, P. J., Ganz, T., Randell, S. H., Modlin, R. L.: Activation of Toll-like receptor 2 on human tracheobronchial epithelial cells induces the antimicrobial peptide human beta defensin-2. J. Immunol., 171, 2003, 12, s. 6820-6826.
8. Laube, D. M., Yim, S., Ryan, L. K., Kisich, K. O., Diamond, G.: Antimicrobial peptides in the airway. Curr Top Microbiol. Immunol., 306, 2006, s. 153-182.
9. Lomize, A. L., Lomize, M., Pogozheva, I. P.: Orientations of proteins in membrane, [online databáze]. University of Michigan, copyright 2005-2007, [cit.2007-09-25]. Dostupný na: <http://opm.phar.umich.edu/protein.php?pdbid=1bnb>
10. MacRedmond, R, Greene, C., Taggart, C. C., McElvaney, N., O‘Neill, S.: Respiratory epithelial cells require Toll-like receptor 4 for induction of human beta-defensin 2 by lipopolysaccharide. Respir. Res., 12, 2005, s. 116.
11. Murzin, A. G., Brenner, S., Hubbard, T., Chothia, C.: Structural classification of proteins. J. Mol. Biol., 247, 1995, s. 536-540.
12. Peschel, A.: How do bacteria resist human antimicrobial peptides? Trends Microbiol, 10, 2002, s. 179-186.
13. Staubitz, P., Neumann, H., Schneider, T., Wiedemann, I., Peschel, A.: MprF-mediated biosynthesis of lysylphosphatidylglycerol, an important determinant in staphylococcal defensin resistence. FEMS Microbiol. Lett, 231, 2004, 1, s. 67-71.
Labels
Audiology Paediatric ENT ENT (Otorhinolaryngology)Article was published in
Otorhinolaryngology and Phoniatrics
2008 Issue 1
Most read in this issue
- Hodnocení edukace sluchu a řeči pomocí testu fonematického sluchu a dichotických testů
- Defensiny – důležitá složka přirozené imunity v obraně proti infekci
- Starostlivosť o pacienta s dysfágiou na ORL pracoviskách v Českej republike a na Slovensku
- Rozštěpové vady a jejich podíl na vzniku chronické otitidy u starších dětí a adolescentů