Artyku³ przegl¹dowy Review
Zastosowanie antybiotyków w leczeniu chorób wy-wo³anych drobnoustrojami by³o jednym z najwiêk-szych osi¹gniêæ medycyny XX wieku, jednak zdol-noæ do nabywania przez bakterie opornoci stanowi jeden z najpowa¿niejszych problemów leczenia anty-biotykami. Naukowcy ca³ego wiata podejmuj¹ wiele prób opracowania strategii przezwyciê¿ania lekoopor-noci patogennych szczepów bakterii. Jedn¹ z prze-widywanych strategii jest wykorzystanie bójczych zdolnoci licznej grupy peptydów (11, 18), nazwanych peptydami przeciwdrobnoustrojowymi (Antimicrobial Peptides, AMP). Celem niniejszego opracowania by³o przedstawienie historii badañ nad substancjami bak-teriobójczymi pochodzenia biologicznego, do jakich mo¿na zaliczyæ przeciwdrobnoustrojowe peptydy, oraz omówienie dotychczas poznanych lub hipotetycznych mechanizmów ich dzia³ania.
Zarys historii badañ
nad przeciwdrobnoustrojowymi peptydami Za prekursora badañ nad przeciwdrobnoustrojowy-mi peptydaprzeciwdrobnoustrojowy-mi i bia³kaprzeciwdrobnoustrojowy-mi mo¿na uznaæ rosyjskiego zoologa i mikrobiologa Iljê Miecznikowa (1845-1916)
odkrywcê zjawiska fagocytozy. W 1883 r. wysun¹³ on teoriê, wed³ug której fagocytoza odgrywa g³ówn¹ rolê w zjawiskach odpornoci oraz przedstawi³ fago-cytarn¹ teoriê zapalenia. Miecznikow stwierdzi³, ¿e substancje przeciwdrobnoustrojowe musz¹ byæ obec-ne w fagocytach. Zosta³y oobec-ne nazwaobec-ne fermentami (enzymami). Z kolei odkrywca penicyliny, szkocki le-karz i mikrobiolog Aleksander Fleming, prowadz¹cy badania nad rodkami bakteriobójczymi pochodzenia biologicznego, równie¿ w latach dwudziestych ubieg-³ego wieku stwierdzi³, ¿e substancje tworz¹ce warst-wê okrywaj¹c¹ nab³onek zawieraj¹ enzymy o dzia³a-niu przeciwbakteryjnym i bakteriolitycznym; w 1929 r. nazwa³ je lizozymem. Fleming stwierdzi³, ¿e te same substancje s¹ obecne równie¿ w fagocytach (12). Li-zozym jest enzymem z grupy hydrolaz glikozydowych, rozk³adaj¹cym glikozydowe wi¹zania w polisacha-rydach, które zawieraj¹ kwas muraminowy wystêpu-j¹cy w cianie komórkowej bakterii. Na jego dzia³a-nie wra¿liwe s¹ przede wszystkim bakterie Gram-do-datnie.
Pierwsze doniesienia o wyizolowaniu 24-aminokwa-sowego antybakteryjnego i hemolitycznego peptydu, nazwanego bombinin¹, obecnego w skórnej wydzieli-nie ¿ab Bombina variegata pochodz¹ z 1962 r. (20). W 1972 r. Habermann (17) opisa³ równie¿ antybakte-ryjny i hemolityczny peptyd melittynê, wyizolowany z jadu pszczo³y. W 1973 r. Araki i wsp. (2)
wyizolo-Peptydy przeciwdrobnoustrojowe
rys historyczny i mechanizm ich dzia³ania*
)
EMILIA BAGNICKA, ARTUR JÓWIK, NINA STRZA£KOWSKA, JÓZEF KRZY¯EWSKI, LECH ZWIERZCHOWSKI
Instytut Genetyki i Hodowli Zwierz¹t PAN w Jastrzêbcu, ul. Postêpu 1, 05-552 Wólka Kosowska
Bagnicka E., Jówik A., Strza³kowska N., Krzy¿ewski J., Zwierzchowski L.
Antimicrobial peptides outline of the history of studies and mode of action
Summary
By now, over 800 different antimicrobial peptides have been identified in fauna and flora. Antimicrobial peptides (AMPs) are an important part of the innate immunity of all living organisms. The first animal AMP was found in 1962 by Kiss and Michl in the venomous skin secretion of the orange speckled frog Bombina variegata. Most known AMPs are multifunctional as effectors of innate immunity and have direct antimicro-bial activity against various bacteria, enveloped viruses, and fungi. Most of them share a common mechanism of antimicrobial action: permeabilization of the cell membrane of the pathogen. There is a real chance to use these peptides for developing a new generation of medicines. The present review outlines the history of studies on antimicrobial peptides and the current state of knowledge about their activity.
Keywords: antimicrobial peptides, activity, animals
*) Praca wykonana w ramach projektu BIO¯YWNOÆ innowacyjne,
funk-cjonalne produkty pochodzenia zwierzêcego nr POIG.01.01.02-014-090/09 wspó³finansowanego przez Uniê Europejsk¹ ze rodków Europejskiego Fundu-szu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka 2007-2013.
wali ze skóry afrykañskiej ¿aby Xneopus laevis aktyw-ny peptyd, nazwaaktyw-ny przez nich Xenopsin. Obecnoæ ksenopsyny stwierdzono w wielu organach tej ¿aby, w³¹czaj¹c skórê, jelita i mózg. Na podstawie jej dys-trybucji i biologicznej aktywnoci wyci¹gniêto wnio-sek, ¿e peptyd ten odgrywa ogromn¹ rolê przy gojeniu siê ran, w procesach zapalnych jako regulator lokal-nego przep³ywu krwi i przepuszczalnoci naczyñ krwiononych (8). Po dziesiêciu latach pracy nad od-pornoci¹ u owadów w 1980 r. wyizolowano z tkanek æmy Hyalophora cecropia kolejny peptyd cekropinê (4). Peptyd ten zakwalifikowano do rodziny katelicy-dyn, stanowi¹cych grupê przeciwdrobnoustrojowych prekursorów peptydowych, ró¿ni¹cych siê struktur¹, sekwencj¹ aminokwasow¹ oraz d³ugoci¹ (od 12 do 79 reszt aminokwasowych). U zwierz¹t gospodarskich pierwsz¹ katelicydynê, o nazwie cekropina P1, ziden-tyfikowano w 1989 r. u wiñ (28). Wykazuje ona wy-sok¹ aktywnoæ przeciwko bakteriom Gram-ujemnym i niektórym bakteriom Gram-dodatnim. Propeptydy te zosta³y nastêpnie zidentyfikowane u wielu zwierz¹t, w³¹czaj¹c ssaki naczelne, kopytne i gryzonie (14).
W 1980 r. Lehrer wraz ze wspó³pracownikami wy-izolowali z króliczych makrofagów pierwszych szeæ peptydów o podobnej strukturze â-antyharmonijkowej, o wielkoci od 32 do 34 reszt aminokwasowych, w tym 6 reszt cysteinowych i od 4 do 10 reszt argininowych (12). Wkrótce peptydy te zosta³y zidentyfikowane rów-nie¿ w króliczych granulocytach (PMN), a nastêpnie w fagocytach niektórych ssaków, w tym cz³owieka. Z azuroch³onnych ziarnistoci neutrofilów ludzkich wyizolowano trzy peptydy o masie molekularnej < 3.500 Da, wykazuj¹ce aktywnoæ podobn¹ do dzia-³ania antybiotyków. Nazwano je ludzkimi, neutrofilo-wymi peptydami (human neutrophil peptide): HNP-1, 2 i 3, zawieraj¹cymi, odpowiednio, 30, 29 i 30 reszt aminokwasowych, za ca³ej grupie nadano nazwê defensyny (13) (obecnie á-defensyny). Te trzy ludz-kie defensyny wykaza³y wysoki konserwatyzm struk-turalny i wysok¹ homologiê sekwencji (11 identycz-nych reszt aminokwasowych, w³¹czaj¹c 6 cystein) do wspomnianych wy¿ej peptydów wyizolowanych z kró-liczych makrofagów (29). Defensyny te zidentyfiko-wano równie¿ w neutrofilach wielu innych gatunków ssaków, takich jak: winki morskie, króliki, szczury, my-szy i chomiki oraz makaki (12). Wykazuj¹ one aktyw-noæ przeciwko bakteriom, grzybom i wirusom (13).
Równie wa¿nym by³o odkrycie w 1987 r. magainin, wydzielanych przez skórê ¿aby Xneopus laevis przez Michaela Zasloffa (35). Zespó³ Zasloffa, przeprowa-dzaj¹cy zabiegi chirurgicznego pozyskiwania oocytów ¿ab zwróci³ uwagê na fakt, ¿e mimo braku sterylnych warunków operacji oraz natychmiastowego umiesz-czania operowanych ¿ab w pojemnikach z niesteryln¹ wod¹ nastêpowa³o szybkie gojenie siê ran poopera-cyjnych, a ich infekcje zdarza³y siê niezwykle rzadko. Sposób gojenia siê ran wskazywa³ na przeciwdrobno-ustrojow¹ aktywnoæ nieznanych czynników obecnych
w skórze ¿ab. Szczegó³owe badania doprowadzi³y do wyizolowania dwóch peptydów magaininy 1 i 2. Z jednego grama wilgotnej skóry ¿aby z czêci brzusz-nej uzyskano 2 mg magainin, co wiadczy o tym, ¿e peptydy te stanowi¹ g³ówny sk³adnik ochrony prze-ciwbakteryjnej, zlokalizowany w skórze. Peptydy te nie s¹ wydzielane na powierzchniê skóry, lecz s¹ obec-ne wewn¹trz tej tkanki i uwalniaobec-ne do p³ynów ustro-jowych. Póniejsze badania wykaza³y obecnoæ ma-gainin równie¿ w przewodzie pokarmowym tego ga-tunku zwierz¹t (15). Magaininy wykazuj¹ aktywnoæ w stosunku do bakterii Gram-dodatnich, Gram-ujem-nych, grzybów i pierwotniaków (4). Baker i wsp. (3) wykazali równie¿ dzia³anie antynowotworowe maga-ininy-2. Peptydy te zakwalifikowano do rodziny kate-licydyn. W 1988 r. zespó³ Michaela Zasloffa opisa³ dwa kolejne peptydy obecne w skórze ¿ab Xneopus laevis: peptyd PGLa oraz peptyd pochodz¹cy z pre-kursora ksenopsyny XPF. Mimo ¿e sekwencje amino-kwasowe tych peptydów odbiegaj¹ znacznie od sek-wencji magainin, ich aktywnoci biologiczne s¹ po-dobne (31). Badania nad peptydami wydzielanymi przez ró¿ne gatunki ¿ab, zw³aszcza pod k¹tem ich ak-tywnoci przeciwko wirusom, m.in. HIV, trwaj¹ na-dal. Peptydy o nazwach: caerin-1.1, caerin-1.9 i ma-culatin-1.1, wyizolowane z tkanek ró¿nych gatunków ¿ab z rodziny rzekotkowatych (amerykañska rzekotka zielona, chwytnica czerwonooka i ¿aba Litoria geni-maculata) hamuj¹ zaka¿enie komórek T i zapobiega-j¹ przemieszczaniu siê wirusa HIV z komórek den-drycznych do komórek T. Peptydy te ponadto wyka-zuj¹ aktywnoæ w stosunku do tych wirusów, nawet gdy s¹ one ukryte w komórkach dendrycznych (5). Kolejny peptyd wyizolowany ze skóry ¿aby derma-septyna S4 (DS4) wykazuje szerokie spektrum ak-tywnoci w stosunku do bakterii, dro¿d¿y, grzybów oraz wirusów otoczkowych, miêdzy innymi do HIV-1. Mechanizm dzia³ania DS4 przeciwko wirusom pole-ga na przerwaniu ci¹g³oci ich otoczki bia³kowej. Zmodyfikowana DS4 inhibuje wychwytywanie wiru-sa HIV-1 przez komórki dendryczne, u³atwiaj¹c jed-noczenie przenoszenie go do komórek T (25).
Kolejne peptydy ze struktur¹ â-antyharmonijkow¹ (obecnie nazywane â-defensynami) wyizolowano na pocz¹tku lat dziewiêædziesi¹tych ubieg³ego wieku (24). Zawieraj¹ one 38-42 reszt aminokwasowych, w tym du¿¹ liczbê reszt argininowych (7). Pierwsz¹ odkryt¹ w 1991 r. u ssaków â-defensyn¹ by³ peptyd wyizo-lowany z tkanki nab³onkowej tchawicy byd³a (11). Nazwano go przeciwdrobnoustrojowym peptydem tchawicowym (tracheal antimicrobial peptide TAP). Nastêpnie, w 1993 r. zespó³ Selsteda przedstawi³ dane o trzynastu strukturalnie homologicznych peptydach, wyizolowanych z neutrofilów krwi bydlêcej. Te katio-nowe peptydy, zawieraj¹ce 38-42 reszt aminokwaso-wych, z wysoce konserwatywn¹ sekwencj¹ konsensu-sow¹, która zosta³a znaleziona równie¿ w TAP, wyka-za³y antybakteryjn¹ aktywnoæ w warunkach in vitro.
Ta sekwencja konsensusowa okaza³a siê jednak ró¿na od tych, które zosta³y ustalone w klasie á-defensyn. Jednak aktywnoæ niektórych bydlêcych peptydów neutrofilowych dorównywa³a aktywnoci najsilniej dzia³aj¹cej, neutrofilowej defensyny króliczej (NP-1). Ze wzglêdu na du¿e podobieñstwo struktury i pe³nio-nej funkcji do defensyny króliczej, lecz w odró¿nie-niu od klasy á-defensyn autorzy zaproponowali dla odkrytej przez siebie rodziny przeciwdrobnoustrojo-wych peptydów nazwê â-defensyny (30).
Ostatni¹ zidentyfikowan¹ grup¹ defensyn wyizolo-wanych z leukocytów rezusa s¹ è-defensyny, charak-teryzuj¹ce siê kolist¹ struktur¹. Wiele kolistych defen-syn wyizolowano wczeniej z rolin (24), podczas gdy u zwierz¹t pierwsz¹ kolist¹ minidefensynê (RTD-1) wyizolowano w 1999 r. (32). Ta minidefensyna ma dwa ró¿ne prekursory mRNA. Ka¿dy z nich kodowany jest przez dwa zmutowane geny á-defensyn; miêdzy trze-cim a czwartym kodonem cysteinowym wystêpuje stop kodon, który powoduje, ¿e ka¿dy z prekurso-rów zawiera tylko trzy cysteiny. Prekursory á-defen-syn, zwane RTD1a i RTD1b, sk³adaj¹ siê z 76 reszt aminokwasowych. Czêæ produktu translacji tych ge-nów jest obcinana tak, ¿e ka¿dy z prekursorów (demi-defensin) jest dawc¹ 9 reszt aminokwasowych, w tym trzech cystein. Koñce dwóch skróconych prekursorów ³¹cz¹ siê ze sob¹, tworz¹c koñcowy kolisty produkt, z³o¿ony z 18 aminokwasów, z trzema wewn¹trzcz¹s-teczkowymi mostkami disiarczkowymi.
W 2001 r. zosta³y opisane dwie nastêpne minide-fensny koliste, tj. RTD-2 i RTD-3, wyizolowane ze szpiku kostnego rezusa (9). £¹cz¹ce siê w pary pre-kursory è-defensyn mog¹ byæ homologiczne lub he-terologiczne. Wystêpuj¹ wiêc ró¿nice w ich sk³adzie aminokwasowym. Cz¹steczka RTD-1 ma strukturê heterodimeryczn¹, natomiast peptydy RTD-2 i RTD-3 maj¹ strukturê homodimeryczn¹. Iloæ è-defensyny RTD-1 izolowanej z leukocytów jest 10 razy wiêksza ni¿ obu pozosta³ych è-defensyn. W 2002 r. Cole i wsp. (9) podali informacjê o ekspresji pseudogenu w ludz-kim szpiku kostnym, który koduje przeciwdrobnoustro-jowy peptyd homologiczny do kolistej minidefensyny (è-defensyny), zidentyfikowanej u rezusa i nazwali j¹ retrocyklin¹. Na poziomie nukleotydowym retrocykli-na jest w 88,9% identyczretrocykli-na z demidefensyn¹ zidenty-fikowan¹ u rezusa oraz wykazuje homologiê do pre-kursorów RTD-1: 1a i 1b. Autorzy ci wykazali aktyw-noæ retrocykliny in vitro w stosunku do HIV-1. Pep-tyd ten jednak nie dzia³a bezporednio na wirusa, ale jest inhibitorem odwrotnej transkrypcji lub innych poprzedzaj¹cych j¹ procesów, np. wi¹zania czy wy-chwytywania wirionu. Mimo i¿ transkrypty è-defen-syny s¹ obecne w szpiku kostnym cz³owieka, ledzio-nie, grasicy, j¹drach i miêniu szkieletowym, przed-wczesny stop kodon uniemo¿liwia ich translacjê. W ludzkim genomie zidentyfikowano 6 pseudogenów è-defensyn (DEFT), piêæ w chromosomie 8p23 i je-den w chromosomie 1. Wszystkie te pseudogeny, jak
równie¿ ich homologi u szympansów i goryli zawie-raj¹ ten sam przedwczesny, powsta³y wskutek mutacji stop kodon. Ponadto wyniki cytowanych badañ wskazuj¹, i¿ gen DEFT i gen è-defensyny pojawi³y siê u ma³p Starego wiata przez mutacjê istniej¹cego wczeniej genu á-defensyny. Chocia¿ niezmieniony gen DEFT przetrwa³ u niektórych naczelnych (z wy-j¹tkiem cz³owieka), przodkowie homo sapiens po roz-dzieleniu siê ewolucyjnych linii orangutana i homini-dów utracili zdolnoæ wytwarzania è-defensyn. Mo¿-liwe, chocia¿ trudne do udowodnienia jest przypusz-czenie, ¿e ta mutacja uczyni³a nasz gatunek bardziej podatnym na infekcje HIV-1.
Podobieñstwo struktury trzeciorzêdowej oraz umiej-scowienie genów á- i â-defensyn u cz³owieka w chro-mosomie 8 w regionie 22-23 wskazuje na wspólne pochodzenie obu grup genów (24). Geny á-, â- oraz è-defensyn wywodz¹ siê od wspólnych genów pier-wotnych, które prawdopodobnie istnia³y w okresie przed rozdzieleniem siê gromad gadów i ptaków (9). Rodzina â-defensyn jest filogenetycznie starsza ni¿ rodzina á-defensyn (23).
Niezale¿nie od siebie Krause i wsp. (21) oraz Park i wsp. (27) opisali 25-aminokwasowy, antybakteryjny peptyd, zawieraj¹cy nie 6 jak u defensyn, lecz 8 cys-tein, tworz¹cych 4 mostki disiarczkowe. Krause i wsp. (21) wyizolowali ten peptyd z krwi ludzkiej, jednak najwy¿sz¹ jego ekspresjê stwierdzili w w¹trobie i z tego wzglêdu nadali mu nazwê Liver-expressed anti-microbial peptide (LEAP-1). Park i wsp. (27) nato-miast wyizolowali taki peptyd z ludzkiego moczu, stwierdzaj¹c jednoczenie, ¿e jest on syntetyzowany w w¹trobie i tam te¿ wystêpuje jego najsilniejsza eks-presja, dlatego te¿ nazwali go hepcydyn¹ (hHEPC).
Sposób dzia³ania peptydów antybakteryjnych Ganz i Lehrer (12) definiuj¹ przeciwdrobnoustro-jowe peptydy jako substancje kodowane przez geny i syntetyzowane w rybosomach, o wielkoci mniejszej ni¿ 100 reszt aminokwasowych. Definicja ta wydaje siê niepe³na, gdy¿, jak podaj¹ Hancock i Chapple (18), czêæ tych peptydów nie jest syntetyzowana w rybo-somach. Do tej grupy zaliczyli oni m.in.: gramicydy-ny, polimyksygramicydy-ny, bacytracyny i glikopeptydy. Wymie-nione peptydy s¹ produkowane przez bakterie i grzy-by. Niektóre z nich, np. bacytracyna, gramicydyna S czy polimyksyna B, s¹ ju¿ od dawna wykorzystywane w medycynie ludzkiej. Peptydy syntetyzowane w ry-bosomach produkowane s¹ przez wszystkie organizmy ¿ywe (w³¹czaj¹c bakterie) jako g³ówny komponent naturalnej odpornoci tych organizmów (34).
Na uwagê zas³uguje fakt, i¿ peptydy te dzia³aj¹ cy-totoksycznie w stosunku do ró¿nych patogenów, nato-miast wiêkszoæ z nich charakteryzuje siê nisk¹ cyto-toksycznoci¹ w stosunku do komórek ssaków, nawet przy wy¿szej ich koncentracji ni¿ jest wymagana do aktywnoci przeciwko patogenom. Pocz¹tkowo s¹dzo-no, ¿e omawiane peptydy wykazuj¹ aktywnoæ
jedy-nie w stosunku do komórek Prokariota. To selektyw-ne dzia³anie uzasadniano istniej¹c¹ ró¿nic¹ w budo-wie b³on komórkowych organizmów eukariotycznych i prokariotycznych. Zewnêtrzna b³ona wy¿szych Eu-kariota, dziêki obecnoci fosfolipidów, np. fosfatydy-locholiny i sfingomieliny, jest elektrycznie obojêtna, podczas gdy membrany bakterii maj¹ ujemny ³adunek tydyloglicerolu i kardiolipiny (difosfatytyloglicerol). W b³onach komórkowych bakterii, w przeciwieñstwie do b³on komórkowych Eucariota, nie wystêpuje cho-lesterol (26). Jednak w wysokich stê¿eniach (³ 100 µg/mL) peptydy te, np. defensyny, mog¹ niszczyæ rów-nie¿ zmienione chorobowo komórki eukariotyczne np. komórki rakowe (19).
Charakterystyczn¹ cech¹ przeciwdrobnoustrojo-wych peptydów jest ich amfofilnoæ (lub inaczej am-fipatycznoæ), która jest konieczna do przerwania b³ony komórkowej patogenu i tworzenia w niej porów (33). Mimo znacznej ró¿norodnoci budowy przeciwdrob-noustrojowych peptydów, wspóln¹ ich cech¹ jest gru-powanie hydrofobowych i kationowych reszt amino-kwasowych, tworz¹cych amfipatyczn¹ strukturê (22). Sposób dzia³ania wiêkszoci peptydów antybakte-ryjnych polega na doprowadzeniu do zwiêkszenia prze-puszczalnoci b³on komórkowych (1). Za hipotez¹ ata-kowania b³on komórkowych przez peptydy przema-wiaj¹ takie przes³anki, jak np. indukcja wycieku
jo-nów K+ i innych sk³adników komórek, ochrona
ko-mórki przed dzia³aniem peptydów dziêki czynnikom depolaryzuj¹cym b³onê komórkow¹, takim jak m-chlo-rofenylohydrazon karbonylocyanidu (carbonylcyanide m-chlorophenylhydrazone CCCP) oraz ich aktyw-noæ przeciwko komórkom Prokariota i niektórym komórkom Eukariota oraz wirusom os³onkowym, a brak aktywnoci przeciwko wirusom nieos³onkowym (10, 19).
Stwierdzono podobieñstwo w dzia³aniu antybiotyków i antybakteryjnych peptydów, takich jak: defensyny, magaininy, cekropiny, bakteneciny oraz dermaseptyny (1). Bakteriobójcze dzia³anie defensyn przypomina równie¿ zabijanie bakterii indukowane przez bia³ko-we toksyny tworz¹ce kana³y w b³onach komórkowych, zwane kolicynami (19). Pierwszym etapem dzia³ania peptydów jest elektrostatyczna interakcja miêdzy kationowym peptydem i ujemnie na³adowan¹ b³on¹ komórkow¹ patogenów. St¹d te¿ wzrost dodatniego ³adunku peptydów zwiêksza ich przeciwbakteryjn¹ czy przeciwwirusow¹ aktywnoæ. Bezporedni¹ korelacjê miêdzy kationowym charakterem peptydów a pozio-mem aktywnoci przeciwbakteryjnej i przeciwwiruso-wej stwierdzono w odniesieniu do analogów magaini-ny i cekropimagaini-ny. Niekiedy jednak mniejszy ³adunek do-datni peptydu nie powoduje zmian jego aktywnoci, jak w przypadku defensyny szczurzej z brakuj¹c¹ jed-n¹ reszt¹ argininow¹. Znane s¹ równie¿ przypadki ob-ni¿enia aktywnoci peptydu w przypadku zwiêksze-nia jego dodatniego ³adunku (np. wysokokationowy analog magaininy). Na aktywnoæ peptydów wp³ywa
równie¿ budowa b³ony komórkowej patogenu, m.in.: sk³ad fosfolipidów, zawartoæ steroli, potencja³ b³ony czy obecnoæ polianionów (1). Kagan i wsp. (19) wy-kazali, ¿e á-defensyna królicza NP-1 ma zdolnoæ tworzenia kana³ów w b³onach komórkowych, zbudo-wanych z: fosfatydyloetanoloamin, fosfatydylocholin (lecytyna), fosfatydyloseryn (serynofosfatyd) oraz mieszaniny tych lipidów. Ponadto zredukowana i kar-bamylowana defensyna, która nie wykazuje w³aci-woci cytotoksycznych, nie ma ¿adnego wp³ywu na b³ony komórkowe. Ludzka á-defensyna HNP-1 wy-kazuje podobne w³asnoci jak królicza á-defensyna zwi¹zane z aktywnoci¹ obu badanych peptydów za-le¿n¹ od napiêcia b³on komórkowych patogenów i kon-centracji samych peptydów.
Naukowcy sugeruj¹ istnienie kilku mechanizmów przenikania peptydów przez b³onê cytoplazmatyczn¹. S¹ to:
mechanizm klepek beczki (kumulacja peptydów na kszta³t klepek beczki niepolarne czêci ³¹cz¹ siê lipidami b³ony komórkowej, a wewnêtrzna, hydrofi-lowa powierzchnia tworzy szczeliny),
mechanizm ³¹cz¹cych siê kana³ów (peptydy two-rz¹ skupiska, a nastêpnie wytwarzaj¹ szczeliny w b³o-nie, wnikaj¹c do wnêtrza komórki),
mechanizm dywanowy (peptydy pokrywaj¹ szczelnie powierzchniê b³ony wywieraj¹c nacisk, w efekcie powoduj¹c za³amanie siê konstrukcji b³o-ny),
robakowe zagiêcie zewnêtrznej ciany komórko-wej (zewnêtrzna powierzchnia b³ony zagina siê do ty³u, na kszta³t wnêtrza wa³u, formuj¹c szczelinê w regio-nie g³ównych grup dwuwarstwy lipidowej) (6, 34).
Mimo wielu badañ naukowych mechanizm dzia³a-nia peptydów nie jest jeszcze ca³kowicie wyjaniony (6). Niewykluczone jest istnienie innych, nie pozna-nych jeszcze mechanizmów dzia³ania przeciwdrobno-ustrojowych peptydów (16). Prawdopodobnie for-mowanie porów w membranie patogenów nie jest je-dynym mechanizmem ich niszczenia. Niektóre obser-wacje sugeruj¹, ¿e peptydy przeciwdrobnoustrojowe mog¹ hamowaæ syntezê b³on komórkowych, kwasów nukleinowych, bia³ek lub aktywnoæ enzymów (6).
Dotychczas zidentyfikowano ponad 800 ró¿nych peptydów zarówno w organizmach rolinnych, jak i zwierzêcych. Wszystkie poznane peptydy maj¹ w³as-noci umo¿liwiaj¹ce skuteczne niszczenie bakterii, otoczkowych wirusów oraz grzybów. Istnieje zatem realna szansa na wykorzystanie przeciwdrobnoustro-jowych w³asnoci peptydów przy produkcji leków nowej generacji (7, 18).
Pimiennictwo
1.Andreu D., Rivas L.: Animal antimicrobial peptides: An overview. Biopoly-mers (Peptide Sciences) 1998, 47, 415-433.
2.Araki K., Tachibana S., Uchiyama M., Nakajima T., Yasuhara T.: Isolation and structure of a new active peptide Xenopsin on the smooth muscle, especially on a strip of fundus from a rat stomach, from the skin of Xenopus laevis. Chem. Pharm. Bull. (Tokyo) 1973, 21, 2801-2804.
3.Baker M. A., Maloy W. L., Zasloff M., Jacob L. S.: Anticancer efficacy of magainin 2 and analogue peptides. Cancer Res. 1993, 53, 3052-3057. 4.Boman H. G.: Peptide antibiotics and their role in innate immunity. Annu.
Rev. Immunol. 1995, 13, 61-92.
5.Bradbury J.: Frog skin hope for HIV prevention. Drug Discov. Today 2005, 22, 1489-1490.
6.Brogden K. A.: Antimicrobial peptides: pore formation or metabolic inhibi-tors in bacteria? Nat. Rev. Microbiol. 2005, 3, 238-250.
7.Brogden K. A., Ackermann M., McCray Jr. P. B., Tack B. F.: Antimicrobial peptides in animals and their role in host defence. Int. J. Antimicrob. 2003, 22, 465-478.
8.Carraway R. E., Cochrane D. E., Ruane S. E.: Isolation, structures, and biologic activity of neurotensin-related peptides generated in extracts of avian tissue. J. Biol. Chem. 1987, 262, 15886-15889.
9.Cole A. M., Hong T., Boo L. M., Nguyen T., Zhao C., Bristol G., Zack J. A., Waring A. J., Yang O. O., Lehrer R. I.: Retrocyclin: A primate peptide that protects cells from infection by T- and M-tropic strains of HIV-1. PNAS USA 2002, 99, 1813-1818.
10.Daher K. A., Selsted M. E., Lehrer R. I.: Direct inactivation of viruses by human granulocyte defensins. J. Virol. 1986, 60, 1068-1074.
11.Diamond G., Jones D. E., Bevins C. J.: Airway epithelial cells are the site of expression of a mammalian antimicrobial peptide gene. PNAS USA 1993, 90, 4596-4600.
12.Ganz T., Lehrer R. I.: Antibiotic peptides from higher eukaryotes: biology and applications. Mol. Med. Today 1999, 5, 292-297.
13.Ganz T., Selsted M. E., Szklarek D., Harwig S. S. L., Daher K., Bainton D. F., Lehrer R. I.: Natural peptide antibiotics of human neutrophils. J. Clin. Invest. 1985, 76, 1424-1435.
14.Gazit E., Boman A., Boman H. G., Shai Y.: Interaction of the mammalian antibacterial peptide cecropin P1 with phosholipid vesicles. Biochemistry 1995, 34, 11479-11488.
15.Gerritsen V. B.: When a frog swallows a fly. Protein Spotlight 2001, 7 16.Gordon Y. J., Romanowski E. G.: A review of antimicrobial peptides and
their therapeutic potential as anti-infective drugs. Curr. Eye Res. 2005, 30, 505-515.
17.Habermann E.: Bee and wasp venoms. Science 1972, 177, 314-322. 18.Hancock R. E. W., Chapple D. S.: Peptide antibiotics. Minireview.
Antimi-crob. Agents 1999, 43, 1317-1323.
19.Kagan B. L., Selsted M. E., Ganz T., Lehrer R. I.: Antimicrobial defensin peptides form voltage-dependent ion-permeable channels in planar lipid bilayer membranes. PNAS USA 1990, 87, 210-214.
20.Kiss G., Michl H.: On the venomus skin secretion of the orange speckled frog Bombina variegata. Toxicon 1962, 1, 33-39.
21.Krause A., Neitz S., M H.-J., Schulz A., Forssmann W.-G., Schulz-Knappe P., Adermann K.: LEAP-1, a novel highly disulfide-bonded human peptide, exhi-bits antimicrobial activity. FEBS Letters 2000, 480, 147-150.
22.Leeuw de E., Lu W.: Human defensins: Turning defense into ofense? Infec-tious Disorders Drug Targets 2007, 7, 67-70.
23.Lehrer R. I., Ganz T.: Antimicrobial peptides in mammalian and insect host defence. Curr. Opin. Immunol. 1999, 11, 23-27.
24.Lehrer R. I., Ganz T.: Cathelicidins: a family of endogenous antimicrobial peptides. Curr. Opin. Hematol. 2002, 9, 18-22.
25.Lorin C., Saidi H., Belaid A., Zairi A., Baleux F. H., Bélec L., Hani K., Tangy F.: The atimicrobial peptide deramseptin S4 inhibits HIV-1 infecti-vity in vitro. Virology 2005, 334, 264-275.
26.Matsuzaki K.: Why and how are peptide-lipid interactions utilized for self-defense? Magainins and tachylepsins as archetypes. Biochim. Biophys. Acta 1999, 1462, 1-10.
27.Park C. H., Valore E. V., Waring A. J., Ganz T.: Hepcidin, a urinary anti-microbial peptide synthesized in the liver. J. Biol. Chem. 2001, 276, 7806--7810.
28.Ritonja A., Kopitar M., Jerala R., Turk V.: Primary structure of a new cys-teine proteinase inhibitor from pig leucocytes. FEBS Letters 1989, 255, 211--214.
29.Selsted M. E., Harwig S. S. L., Ganz T., Schilling J. W., Lehrer R. I.: Primary structures of three human neutrophil defensins. J. Clin. Invest. 1985, 76, 1436-1439.
30.Selsted M. E., Tang Y. Q., Morris W. L., McGuire P. A., Novotny M. J., Smith W., Henschen A. H., Cullor J. S.: Purification, primary structures, and antibacterial activities of â-defensins, a new family of antimicrobial peptides from bovine neutrophils. J. Biol. Chem. 1993, 268, 6641-6648.
31.Soravia E., Martini G., Zasloff M.: Antimicrobial properties of peptides from Xenopus granular gland secretions. FEBS Letters 1988, 228, 337-340. 32.Tang Y. Q., Yuan J., Osapay G., Osapay K., Tran D., Miller C. J., Outllette
A. J., Selsted M. E.: A cyclic antimicrobial peptide produced in primate lucocytes by the ligation of two truncated alpha-defensin. Science 1999, 286, 489-502.
33.White S. H., Wimley W. C., Selsted M. E.: Structure, function, and membrane integration of defensins. Curr. Opin. Struc. Biol. 1995, 5, 521-527. 34.Wiechu³a B. E., Tustanowski J. P., Martirosian G.: Peptydy
antydrobnoustro-jowe. Wiad. Lek. 2006, 59, 542-547.
35.Zasloff M.: Magainins, a class of antimicrobial peptides from Xenopus skin: Isolation, characterization of two active forms, and partial cDNA sequence of a precursor (vertebrate peptide antibiotics). PNAS USA 1987, 84, 5449--5453.
Adres autora: dr hab. Emilia Bagnicka, prof. IGHZ PAN, IGiHZ PAN w Jastrzêbcu, 05-552 Wólka Kosowska
