LL-37

Что такое LL-37 (CAP-18)?

LL-37 — единственный известный человеческий кателицидин, который представляет собой большое семейство белков с разнообразной функцией. Эти пептиды, которые в основном встречаются в макрофагах и полиморфноядерных лейкоцитах (оба типа белых кровяных клеток), важны для уничтожения бактерий, но, как было обнаружено, обладают и другими драматическими эффектами. Весь класс часто называют антимикробными пептидами (AMP). Было обнаружено, что LL-37 играет важную роль в аутоиммунных заболеваниях, раке и заживлении ран.

Структура LL-37

Последовательность: -Leu-Leu-Gly-Asp-Phe-Phe-Arg-Lys-Ser-Lys-Glu-Lys-Ile-Gly-Lys-Glu-Phe-Lys-Arg-Ile-Val-Gln-Arg-Ile-Lys-Asp-Phe-Leu-Arg-Asn-Leu-Val-Pro-Arg-Thr-Glu-Ser
Молекулярная формула: C₂₀₅H₃₄₀N₆₀O₅₃
Молекулярная масса: 4493,342 г/моль
PubChem CID: 16198951
Номер CAS: 154947-66-7
Синонимы: CAP-18, кателицидин, антибактериальный пептид LL-37

Исследования LL-37

LL-37 и воспалительные заболевания

LL-37, в первую очередь позиционируемый как антимикробный пептид, на самом деле играет роль в ряде воспалительных заболеваний, таких как псориаз, волчанка, ревматоидный артрит и атеросклероз. В зависимости от локальной воспалительной среды и конкретных вовлеченных клеток, LL-37 имеет несколько различных модулирующих иммунную систему поведений. Было обнаружено, что он:

• уменьшить апоптоз кератиноцитов,
• увеличить выработку IFN-альфа,
• изменяют хемотаксис нейтрофилов и эозинофилов,
• подавляют сигнализацию через толл-подобный рецептор 4 (TLR4),
• увеличить выработку ИЛ-18 и
• снижение уровня атеросклеротических бляшек [1].

Интересно, что LL-37 не влияет на иммунную систему одинаково все время. Исследования в клеточной культуре показали, что воспалительная среда влияет на то, как клетки иммунной системы реагируют на LL-37. Например, Т-клетки будут усиливать свои воспалительные действия в ответ на LL-37, когда они не активированы, но уменьшать воспалительные действия, когда они уже активированы [2]. Похоже, что LL-37 обладает мощным гомеостатическим эффектом, помогая сбалансировать иммунный ответ и не давая ему стать сверхактивным в условиях инфекции. Эти результаты предполагают, что LL-37 может играть роль в регулировании неконтролируемого воспаления при аутоиммунных заболеваниях. Это может объяснить, почему существует сильная корреляция между уровнями LL-37 и аутоиммунным заболеванием. Ранее считалось, что LL-37 может вызывать аутоиммунное воспаление, но более поздние данные свидетельствуют о том, что высокие уровни LL-37 при аутоиммунном заболевании могут на самом деле предотвращать более молниеносное воспаление.

LL-37 — мощный антимикробный препарат

LL-37 является частью врожденной иммунной системы и, как таковой, является одним из первых компонентов иммунной системы, активируемых во время инфекции. Исследования кожных инфекций показывают, что нормальная кожа имеет очень низкие уровни LL-37, но что пептид быстро накапливается в присутствии вторгающихся патогенов. Было показано, что пептид работает в тандеме с другими белками, такими как человеческий бета-дефензин 2, для борьбы с инфекцией [3].

LL-37 в первую очередь работает путем связывания с бактериальным липополисахаридом (ЛПС), основным компонентом внешней мембраны грамотрицательных бактерий. ЛПС является критическим компонентом целостности мембраны у этих бактерий. Способность LL-37 связываться с ЛПС и взаимодействовать с ними означает, что он исключительно смертелен для определенных бактерий. Существует интерес к использованию пептида экзогенно для лечения серьезных бактериальных инфекций у людей [4].

Несмотря на то, что LL-37 действует на компоненты клеточной мембраны грамотрицательных бактерий, он все еще имеет мощные эффекты и на грамположительные. Это может сделать его полезным средством для лечения стафилококковых инфекций и других серьезных бактерий. Исследования in vitro показывают, что LL-37 усиливает действие лизоцима, фермента, ответственного за разрушение грамположительных бактерий, таких как Staph aureus [5].

LL-37 и заболевания легких

ЛПС, как упоминалось выше, не является уникальным для стенок бактериальных клеток. Он обнаружен в ряде различных организмов и в некоторых случаях попадает в воздух, когда окружающая среда загрязнена плесенью или другими грибками. При вдыхании ЛПС нормальная легочная ткань реагирует на это, вырабатывая. К сожалению, реакция часто недостаточна для предотвращения синдрома токсической пыли и патогенеза респираторных заболеваний, таких как астма, ХОБЛ и другие. В настоящее время ведутся исследования по использованию LL-37 в качестве ингаляционного лечения синдрома токсической пыли [6].

Одним из интересных результатов исследований влияния LL-37 на заболевания легких является то, что пептид способствует пролиферации эпителиальных клеток и закрытию ран. Похоже, что одним из основных свойств LL-37, по крайней мере в легких, является привлечение эпителиальных клеток дыхательных путей к месту повреждения и содействие как заживлению ран, так и росту кровеносных сосудов, необходимых для обеспечения питательных веществ новой ткани. Похоже, что LL-37 является важным гомеостатическим регулятором в дыхательных путях, так же как было обнаружено, что он является гомеостатическим регулятором иммунной функции [7].

Понимание LL-37 при артрите

Исследования на крысах показывают, что LL-37 обнаруживается в высоких концентрациях в суставах, пораженных ревматоидным артритом. В частности, пептид, по-видимому, связан с патологическими явлениями артрита. Однако неясно, является ли пептид причиной или его повышение в этих суставах является частью попытки организма контролировать патологический процесс [8]. Однако некоторые факты указывают на то, что LL-37 полезен при воспалении, а не является его причиной.

Во-первых, нет никаких доказательств того, что LL-37 или любой другой кателицидин участвует в патогенезе воспалительного заболевания. Это не исключает пептид как причинный, но доказательства довольно весомы против этого. В частности, дефицит LL-37 не влияет на результаты в животных моделях артрита или волчанки. Другими словами, животные без LL-37 испытывают ту же патологическую прогрессию, что и животные, у которых есть пептид. Основываясь на этих результатах, ученые предположили, что реактивность против кателицидинов при артрите, вероятно, является эпифеноменом, который возникает в результате обширной сверхэкспрессии пептида в воспаленных тканях [9]. Другими словами, это случайно.

Исследования на мышиных моделях артрита показывают, что пептиды, полученные из LL-37, обеспечивают защиту от повреждения коллагена, которое часто происходит при воспалительном артрите. Введение этих пептидов непосредственно в пораженные суставы снижает тяжесть заболевания, а также уровень антител против коллагенов типа II в сыворотке [10]. На основании этого исследования можно предположить, что LL-37, вероятно, обладает защитной активностью при артрите, что может объяснить его высокие концентрации в тканях со значительным воспалением. Это предположение подтверждается тем фактом, что LL-37 и его производные, как было показано, регулируют воспаление, вызванное интерлейкином-32, молекулой, которая напрямую связана с тяжестью воспалительного артрита [11].

Артрит также связан с повышением регуляции толл-подобного рецептора 3 в фибробластах синовиальной жидкости, фактора, который, вероятно, усугубляет артрит за счет повышения уровня воспалительных цитокинов [12]. Было показано, что LL-37 связывается с TLR4 и способствует либо провоспалительному, либо противовоспалительному эффекту. Что он делает в условиях повышения регуляции TLR3, неясно, но исследования продолжаются. Идея о том, что он может избирательно уменьшать воспаление, не лишена оснований, учитывая, что в прошлом было обнаружено, что LL-37 избирательно уменьшает провоспалительные реакции макрофагов [13].

LL-37 и кишечник

Исследования клеточных культур показывают, что LL-37 оказывает несколько эффектов на кишечник. Во-первых, пептид увеличивает миграцию клеток, необходимых для поддержания эпителиального барьера кишечника. Во-вторых, LL-37 снижает апоптоз в условиях воспаления кишечника, помогая замедлить патогенез ряда воспалительных состояний. В целом, исследования показывают, что LL-37 может быть полезным вспомогательным средством при воспалительных заболеваниях кишечника, после кишечной хирургии или в условиях острых кишечных инфекций. Он может даже оказаться полезным в качестве вспомогательного средства при антибиотикотерапии, помогая предотвратить побочные эффекты со стороны ЖКТ, которые часто ограничивают пероральное применение антибиотиков [14].

LL-37 не работает в кишечнике в одиночку, снова объединяясь с человеческим бета-дефензином 2 для содействия заживлению ран. Исследования в клеточной культуре показывают, что пептиды работают в тандеме, как для восстановления, так и для поддержания эпителия кишечника, одновременно снижая гибель клеток, связанную с ФНО [15]. В настоящее время ингибиторы ФНО-альфа являются основой лечения воспалительных заболеваний кишечника. Они являются эффективными препаратами, но имеют ряд серьезных побочных эффектов, включая резкое увеличение риска серьезной инфекции, такой как туберкулез. Разработка методов лечения воспалительных заболеваний кишечника на основе LL-37 может помочь снизить зависимость от ингибиторов ФНО-альфа и улучшить заболеваемость и смертность в этой группе пациентов.

LL-37 и рак кишечника

Исследования, касающиеся LL-37 и рака, дали неоднозначные результаты, но пептид, по-видимому, полезен при раке кишечника и желудка, включая плоскоклеточную карциному полости рта, связанную с курением и употреблением табака. Интересно, что эти эффекты, по-видимому, опосредованы зависимым от витамина D путем, что может объяснить, почему прием витамина ранее ассоциировался со снижением риска рака ЖКТ. Похоже, что витамин D индуцирует противораковую активность макрофагов, связанных с опухолью, через LL-37 [16].

LL-37 и рост кровеносных сосудов

LL-37, по-видимому, запускает синтез простагландина E2 (PGE2) в эндотелиальных клетках. PGE2 связан как с воспалительной болью, так и с ростом кровеносных сосудов, но эти эффекты различаются в зависимости от того, где экспрессируется молекула. В эндотелиальных клетках PGE2 запускает развитие кровеносных сосудов в процессе, называемом ангиогенезом [17]. Это может быть как хорошо, так и плохо, в зависимости от конкретной ситуации. Способность регулировать ангиогенез была в центре внимания многих исследований за последние несколько десятилетий, поскольку она влияет на развитие рака, сердечных заболеваний, исходы инсульта, заживление ран и многое другое. Активность LL-37 предлагает полезные средства для исследования пути ангиогенеза, а также модель для потенциальных будущих вмешательств, чтобы как способствовать росту кровеносных сосудов, когда это необходимо (например, сердечные заболевания), так и препятствовать ему, когда он вреден (например, рак).

Будущие исследования LL-37

Одной из интересных особенностей LL-37 является то, что у людей его структура отличается от структуры у других млекопитающих [18]. Эти альтернативные структуры приводят к различным функциям для одного и того же базового пептида и дают представление о том, как трехмерная конфигурация может влиять на связывание рецептора. Эта особенность делает LL-37 чрезвычайно интересным, поскольку она позволяет ученым изучать влияние простых изменений аминокислотной последовательности на структуру и, в конечном счете, на функцию. Это может дать информацию для целой отрасли биохимии и облегчить ученым манипулирование производством белка для достижения очень конкретных результатов.

Список источников

1. J. M. Kahlenberg and M. J. Kaplan, “Little peptide, big effects: the role of LL-37 in inflammation and autoimmune disease,” J. Immunol. Baltim. Md 1950, vol. 191, no. 10, Nov. 2013.
2. D. S. Alexandre-Ramos et al., “LL-37 treatment on human peripheral blood mononuclear cells modulates immune response and promotes regulatory T-cells generation,” Biomed. Pharmacother. Biomedecine Pharmacother., vol. 108, pp. 1584–1590, Dec. 2018.
3. P. Y. Ong et al., “Endogenous antimicrobial peptides and skin infections in atopic dermatitis,” N. Engl. J. Med., vol. 347, no. 15, pp. 1151–1160, Oct. 2002.
4. C. D. Ciornei, T. Sigurdardóttir, A. Schmidtchen, and M. Bodelsson, “Antimicrobial and chemoattractant activity, lipopolysaccharide neutralization, cytotoxicity, and inhibition by serum of analogs of human cathelicidin LL-37,” Antimicrob. Agents Chemother., vol. 49, no. 7, pp. 2845–2850, Jul. 2005.
5. X. Chen et al., “Synergistic effect of antibacterial agents human β-defensins, cathelicidin LL-37 and lysozyme against Staphylococcus aureus and Escherichia coli,” J. Dermatol. Sci., vol. 40, no. 2, pp. 123–132, Nov. 2005.
6. M. Golec, “Cathelicidin LL-37: LPS-neutralizing, pleiotropic peptide,” Ann. Agric. Environ. Med. AAEM, vol. 14, no. 1, pp. 1–4, 2007.
7. R. Shaykhiev et al., “Human endogenous antibiotic LL-37 stimulates airway epithelial cell proliferation and wound closure,” Am. J. Physiol. Lung Cell. Mol. Physiol., vol. 789, no. 5, pp. L842-848, Nov. 2005.
8. M. H. Hoffmann et al., “The cathelicidins LL-37 and rCRAMP are associated with pathogenic events of arthritis in humans and rats,” Ann. Rheum. Dis., vol. 72, no. 7, pp. 1239–1248, Jul. 2013.
9. D. Kienhöfer et al., “No evidence of pathogenic involvement of cathelicidins in patient cohorts and mouse models of lupus and arthritis,” PloS One, vol. 9, no. 12, p. e115474, 2014.
10. L. N. Y. Chow et al., “Human cathelicidin LL-37-derived peptide IG-19 confers protection in a murine model of collagen-induced arthritis,” Mol. Immunol., vol. 57, no. 2, pp. 86–92, Feb. 2014.
11. K.-Y. G. Choi, S. Napper, and N. Mookherjee, “Human cathelicidin LL-37 and its derivative IG-19 regulate interleukin-32-induced inflammation,” Immunology, vol. 143, no. 1, pp. 68–80, Sep. 2014.
12. W. Zhu et al., “Arthritis is associated with T-cell-induced upregulation of Toll-like receptor 3 on synovial fibroblasts,” Arthritis Res. Ther., vol. 13, no. 3, p. R103, Jun. 2011.
13. K. L. Brown et al., “Host defense peptide LL-37 selectively reduces proinflammatory macrophage responses,” J. Immunol. Baltim. Md 1950, vol. 186, no. 9, pp. 5497–5505, May 2011.
14. J.-M. Otte et al., “Effects of the cathelicidin LL-37 on intestinal epithelial barrier integrity,” Regul. Pept., vol. 156, no. 1–3, pp. 104–117, Aug. 2009.
15. J.-M. Otte et al., “Human beta defensin 2 promotes intestinal wound healing in vitro,” J. Cell. Biochem., vol. 104, no. 6, pp. 2286–2297, Aug. 2008.
16. X. Chen et al., “Roles and Mechanisms of Human Cathelicidin LL-37 in Cancer,” Cell. Physiol. Biochem. Int. J. Exp. Cell. Physiol. Biochem. Pharmacol., vol. 47, no. 3, pp. 1060–1073, 2018.
17. Salvado M. Dolores, Di Gennaro Antonio, Lindbom Lennart, Agerberth Birgitta, and Haeggström Jesper Z., “Cathelicidin LL-37 Induces Angiogenesis via PGE2–EP3 Signaling in Endothelial Cells, In Vivo Inhibition by Aspirin,” Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol., vol. 33, no. 8, pp. 1965–1972, Aug. 2013.
18. D. Xhindoli, S. Pacor, M. Benincasa, M. Scocchi, R. Gennaro, and A. Tossi, “The human cathelicidin LL-37 — A pore-forming antibacterial peptide and host-cell modulator,” Biochim. Biophys. Acta BBA – Biomembr., vol. 1858, no. 3, pp. 546–566, Mar. 2016.