Інформація призначена тільки для фахівців сфери охорони здоров'я, осіб,
які мають вищу або середню спеціальну медичну освіту.

Підтвердіть, що Ви є фахівцем у сфері охорони здоров'я.



СІМЕЙНІ ЛІКАРІ ТА ТЕРАПЕВТИ
день перший
день другий

АКУШЕРИ ГІНЕКОЛОГИ

КАРДІОЛОГИ, СІМЕЙНІ ЛІКАРІ, РЕВМАТОЛОГИ, НЕВРОЛОГИ, ЕНДОКРИНОЛОГИ

СТОМАТОЛОГИ

ІНФЕКЦІОНІСТИ, СІМЕЙНІ ЛІКАРІ, ПЕДІАТРИ, ГАСТРОЕНТЕРОЛОГИ, ГЕПАТОЛОГИ
день перший
день другий

ТРАВМАТОЛОГИ

ОНКОЛОГИ, (ОНКО-ГЕМАТОЛОГИ, ХІМІОТЕРАПЕВТИ, МАМОЛОГИ, ОНКО-ХІРУРГИ)

ЕНДОКРИНОЛОГИ, СІМЕЙНІ ЛІКАРІ, ПЕДІАТРИ, КАРДІОЛОГИ ТА ІНШІ СПЕЦІАЛІСТИ

ПЕДІАТРИ ТА СІМЕЙНІ ЛІКАРІ

АНЕСТЕЗІОЛОГИ, ХІРУРГИ

"Child`s Health" 5(20) 2009

Back to issue

Значение металлосвязывающих белков в неспецифической защите респираторного тракта 2. Калпротектин

Authors: Абатуров А.Е., Днепропетровская государственная медицинская академия

Categories: Pediatrics/Neonatology

print version


Summary

В обзоре представлены механизмы действия протеинов семейства S100 (калпротектина и белка S100A12) как компонентов системы неспецифической защиты респираторного тракта.

Введение

Недавно была выделена новая молекулярная группа, представители которой получили название «смерть-ассоциированные молекулярные структуры» (damage-associated molecular pattern proteins — DAMP) [19, 45, 54]. DAMP несут сигнал о смерти клетки. При высвобождении из внутриклеточного пространства DAMP проявляют высокую провоспалительную или даже повреждающую активность [4]. К данной молекулярной группе были отнесены и протеины семейства S100 [19].

Калпротектин (КП) семейства S100 протеинов впервые был обнаружен в 1983 году I. Dale и соавт. [14] в цитоплазме гранулоцитов как протеин, обладающий противомикробным действием. При инфекционно-воспалительных заболеваниях легких наблюдается быстрое увеличение концентрации КП. У здоровых людей в сыворотке крови концентрация КП составляет < 2 мг/л, а при развитии заболеваний ее уровень повышается в 40–130 раз. Увеличение содержания КП в бронхоальвеолярной жидкости прямо пропорционально местной нейтрофильной реакции [13, 26, 47, 58, 61]. Хронические воспалительные заболевания легких, муковисцидоз также сопровождаются высоким содержанием КП в бронхоальвеолярной жидкости [16, 53]. Показано, что и аллергическое воспаление респираторного тракта сопровождается усилением экспрессии КП [27, 49].

 

Краткая характеристика калпротектина

Семейство S100 объединяет 20 кальцийсвязывающих протеинов, молекулы которых характеризуются наличием 2 кальцийсвязывающих EF-мотивов (рис. 1). Первые S100 протеины были выделены из ткани головного мозга коровы в 1965 году. Концентрация данных белков в ткани мозга в 100 000 раз превышает их содержание в других тканях. Данная группа белков получила название S100 из-за их способности полностью растворятся в 100% растворе сульфата аммония при pH 7,2. В настоящее время показано, что три представителя семейства S100 — протеины S100A8, S100A9, S100A12, обнаруженные в гранулоцитах, моноцитах, макрофагах (на ранних стадиях их дифференцировки) участвуют в неспецифической противоинфекционной защите организма [19, 21, 64].

 

КП представляет собой кальций-, цинксвязывающий протеин, который состоит из двух полипептидных цепей — тяжелой цепи (14 kDa — S100A9/L1H/миелоидно-связанный белок MRP14/калгранулин B) и легкой цепи (8 kDa — S100A8/L1L/MRP8/калгранулин A/CF антиген) (рис. 2) [11, 24, 40, 65, 74]. Для молекулы КП характерны богатые гистидином цинксвязывающие области, аффинитет которых к цинку выше, чем у любых других белков семейства S100 [9, 23, 26].

Синтез протеинов S100A8 и S100A9 осуществляется различными генами, которые расположены на хромосоме 1 (1q12–q21) [62].

Особи мышей с нокаутным геном S100A8 погибают в эмбриональном периоде жизни, а мыши с нокаутным геном S100A9 не отличаются от здоровых особей [1, 35].

 

Индукция синтеза калпротектина

В респираторном тракте КП продуцируется эпителиоцитами, нейтрофилами, альвеолярными макрофагами, моноцитами, макрофагами или высвобождается при гибели клетки [61]. Индукция синтеза КП в респираторном тракте связана с возбуждением Toll-подобных рецепторов-2, -4 (TLR2, TLR4) патоген-ассоциированными молекулярными структурами инфекционных агентов и/или специфических рецепторов некоторыми цитокинами (TNF-α, IFN-γ и IL-1) [5, 69, 72]. Также представлены данные, что индукция экспрессии КП моноцитами может быть обусловлена любыми раздражителями, которые приводят к активации синтеза адреналина [43].

При изучении экспрессии 30 000 генов эпителиоцитов слизистой оболочки бронхов после их экспозиции с Pseudomonas aeruginosa было показано, что транскрипционный ответ исследуемой совокупности генов эпителиоцитов характеризуется выраженным повышением акивности генов 8 представителей семейства S100, особенно S100A8 и S100A9 [70].

КП составляет от 30 до 60 % цитозольного белка неактивных нейтрофилов и 1 % — моноцитов [15]. КП содержится в первичных гранулах нейтрофилов вместе с эластазой и катепсином G, во вторичных гранулах нейтрофилов вместе с лактоферрином и гранулами желатиназы (третичные гранулы) и представлен на мембране моноцитов. После стимуляции нейтрофилов цитоплазматически расположенные молекулы КП перемещаются к клеточной мембране и ассоциируются с ней. Данная ассоциация зависит от внутриклеточной концентрации ионов Ca2+ [62]. Секреция КП является энергозависимым процессом, который сопровождается активацией протеинкиназы С и метаболизма сети микроканальцев клетки. Субъединицы КП секретируются клетками альтернативным тубулинзависимым механизмом, не связанным с аппаратом Гольджи [36].

Индуцибельная продукция КП отмечается уже в первые 4 часа после стимулирующего действия липополисахаридов (ЛПС) или провоспалительных цитокинов [6, 31]. Показано, что через 12 часов после введения ЛПС в эпителиоцитах эпителия бронхиального дерева увеличивается в 2,9 раза экспрессия мРНК S100A8 и в 1,8 раза — мРНК S100A8 [71].

Продукция КП сопряжена с продукцией TNF-α, IL-6 и с генерацией активных радикалов кислорода, азота [61].

 

Механизм действия калпротектина

Противоинфекционное действие калпротектина

КП обладает бактериостатическим, противовирусным и фунгицидным действием (рис. 3). Антибактериальная эффективность действия КП сопоставима с активностью антибактериальных лекарственных средств [3, 39]. Считают, что бактериостатическое и фунгицидное действие КП обусловлено его способностью связывать ионы цинка, тем самым ограничивая потребление цинка микроорганизмами [12]. КП ингибирует рост грамположительных и грам­отрицательных бактерий (в концентрации 50–250 мг/мл), таких как Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Escherichia coli, грибов — Candida albicans (в концентрации 4–32 мг/мл) [42, 74]. По мнению S. Yui и соавт. [74], КП является основным естественным молекулярным противогрибковым фактором в противоинфекционной защите. В своих исследованиях данные авторы показали, что сочетанное действие КП и лактоферрина превосходит фунгицидный эффект каждого отдельно действующего компонента. Локально в месте воспаления тканей наблюдается и гиперэкспрессия протеина S100A12, который также обладает выраженной антибактериальной активностью [8, 18].

 

Провоспалительное действие калпротектина

КП является ранним маркером воспалительного процесса. Показано, что содержание нейтрофилов в бронхоальвеолярном секрете коррелирует с количеством кальпротектин-положительных макрофагов, а уровень КП является маркером макрофагально-нейтрофильной реакции [32, 66].

 

Действие внутриклеточно расположенного калпротектина

После воздействия стимулирующего фактора цитоплазматически расположенные субъединицы КП S100A8 и S100A9 перемещаются к внутренней поверхности цитоплазматической мембраны клетки и микрофиламентам цитоскелета. Приблизившись к микрофиламентам, протеины S100A8 и S100A9 связываются с виментином — белком промежуточных микрофиламентов III типа цитоскелета клетки. По достижении определенного содержания цитоплазматически локализованных протеинов S100A8, S100A9 и уровня внутриклеточной концентрации ионов Ca2+ инициируется димеризация молекул S100A8, S100A9, обусловливая организацию гетеродимера КП и гетеротетрамеров S100 протеинов. Гетеротетрамеры (2 S100A8/S100A9) связываются с микроканальцами клетки, препятствуя полимеризации нитей тубулина. Считают, что влияние КП на активность полимеризации нитей тубулина является одним из молекулярных компонентов, которые обеспечивают способность моноцитов и гранулоцитов очень быстро перестраивать свой цитоскелет. Высокая скорость перестройки цитоскелета — необходимое качество фагоцитирующей клетки. Данное действие гетеротетрамеров (2 S100A8/S100A9) в фагоцитирующих клетках облегчает процесс фагоцитоза, а в эпителиоцитах приводит к цитоскелетной перестройке клетки. Снижение активности возбуждения фагоцитов сопровождается уменьшением внутриклеточной концентрации ионов Ca2+, которые необходимы для димеризации протеинов S100A8, S100A9. Ингибиция процесса димеризации ведет к увеличению концентрации мономерных протеинов S100A8, S100A9. В свою очередь, мономер S100A9 фосфорилирует p38 митогенактивируемую протенкиназу, которая ингибирует S100A8/S100A9-индуцируемую полимеризацию тубулина. В нейтрофилах гетеродимер (S100A8/S100A9) КП связывается и с кортикальным F-актином [10, 19, 34, 36, 37, 60, 64].

Протеин S100A8 индуцирует транслокацию адаптерного белка протеина 88 первичного ответа миелоидной дифференциации (MyD88) TLR4 и активирует внутриклеточные сигнальные IL-1R-ассоциированные серин-треониновые протеинкиназы (IRAK), способствуя возбуждению и перемещению в ядро клетки фактора транскрипции NF-κB [33].

Наличие трех последовательных аминокислотных гистидиновых остатков (His103–His105) в С-терминальном домене позволяет протеину S100A9 взаимодействовать с жирными кислотами, в связи с чем КП играет важную роль в их метаболизме. Предполагают, что КП является транспортным средством арахидоновой кислоты [75]. КП кальцийзависимым способом связывает арахидоновую кислоту, перемещает ее к гетеродимерному (gp91phox/p22phox) флавоцитохрому b558 (Сytb558), что активирует процесс сборки НАДФН-оксидазы [20]. Показано, что КП через субъединицу S100A8 может непосредственно взаимодействовать с p67phox, способствуя активации НАДФН-оксидазы [63].

 

Действие внеклеточно расположенного калпротектина (секретированного калпротектина)

Секретированный КП (сКП) оказывает влияние на клетки, взаимодействуя с гепарансульфатом, протеингликанами и карбоксильными N-гликанами наружной поверхности цитоплазматической мембраны клеток, что обусловливает активацию митоген-активированных протеинкиназ (МАРК) внутриклеточных сигнальных путей [61], индуцируя синтез провоспалительных хемокинов и молекул адгезии [62].

Гетеродимер сКП обладает цитокиноподобным действием [39]. В течение воспалительного процесса сКП принимает активное участие в миграции фагоцитирующих клеток [5, 48]. СКП способствует удержанию нейтрофилов в очаге воспаления. Это действие связано с активностью С-конца тяжелой цепи, которая по строению подобна фактору иммобилизации нейтрофилов (NIF) [15]. Протеин S100A8 является мощным хемоаттрактантом как для нейтрофилов, так и для макрофагов [55].

Субъединица сКП S100A9, по всей вероятности, оказывает опосредованное хемотаксическое действие. Так, показано, что в респираторном тракте S100A9 стимулирует продукцию IL-8, который активирует адгезию нейтрофилов к нестимулированным эндотелиоцитам и усиливает их трансэндотелиальную миграцию в очаг воспаленной ткани [2].

Под влиянием секретированных субъединиц КП — S100A9, S100A8 — индуцируется экспрессия CD11β/CD18 (Mac-1) на цитоплазматической мембране макрофагов, что ведет к возникновению устойчивой b2интегринопосредованной адгезии макрофагов и нейтрофилов с эндотелиоцитами (рис. 4) [38, 46, 59]. СКП активно взаимодействует с эндотелиоцитами и индуцирует продукцию тромбоспондина 1, который вызывает агрегацию тромбоцитов, способствуя развитию диссеминированного внутрисосудистого свертывания [68].

В респираторном тракте КП, секвестрируя цинк, ингибирует матриксные металлопротеиназы (ММР), которые участвуют в ремодуляции, репарации, ангиогенезе бронхопульмональной системы [61]. В свою очередь, субъединицы КП являются субстратами ММР — MMP2 и MMP9, при расщеплении которыми из протеинов S100А8 и S100А9 появляются фрагменты, изменяющие характер перемещения эозинофилов в альвеолярном пространстве. Показано, что отсутствие достаточной активности MMP2 и MMP9 сопровождается снижением концентрации Th2-хемокинов в бронхоальвеолярной жидкости [49].

Помимо хемотаксического действия, сКП вызывает и другие разнообразные иммунотропные эффекты. Так, мономер S100A8 индуцирует экспрессию скавенджер-рецептора на цитоплазматической мембране макрофагов, способствует нейтрализации гипохлорной кислоты [46]. Протеин S100A9 ингибирует антителогенез и продукцию H2O2 [7, 39, 74].

Из протеинового семейства S100 хемоаттрактантами эозинофилов являются мономеры S100A12, S100A2, а CD4+ Т-лимфоцитов — S100A7 [44, 50, 57].

 

Другие действия секретированного калпротектина

Гетеродимер сКП оказывает выраженное антипролиферативное действие [73], является индуктором апоптоза клеток, особенно злокачественных опухолей [30, 74]. Мономер S100A9, активируя экстрацеллюлярные протеинкиназы (ERK), индуцирует пролиферацию фибробластов [59]. Протеин S100A9 обладает анальгезирующим действием [39, 74].

 

Провоспалительное действие секретированного протеина S100A12

В 1999 году был идентифицирован белок семейства S100 — S100A12 (калгранулин C/внеклеточный RAGE-связанный протеин, EN-RAGE), продуцируемый гранулоцитами. В последующем было показано его участие как в неспецифической защите организма, так и в регуляции иммунной системы [41, 56].

Секретированный протеин S100A12 взаимодействует с мультилигандным рецептором RAGE (receptor for advanced glycation end products) цитоплазматической мембраны клеток. Рецептор RAGE распознает не аминокислотные последовательности, а особенности третичных пространственных молекулярных конформаций. Другими лигандами RAGE DAMP-группы являются протеин группы высокой мобильности box 1 (HMGB1), амилоид-β пептид (Aβ) [22, 67]. RAGE достаточно высоко экспрессирован на мембранах эпителиоцитов реснитчатого эпителия бронхов, альвеолоцитов II типа, альвеолярных макрофагов, на эндотелиоцитах сосудов бронхопульмональной системы. Степень экспрессии RAGE увеличивается по мере развития воспалительного процесса [17]. Учитывая, что RAGE также взаимодействует с продуктами неэнзиматического окисления и гликозилирования преимущественно лизиновых и аргининовых аминокислотных остатков протеиновых молекул (AGE — advanced glycation end products), Li Lin считает, что RAGE является особым рецептором распознавания образов, который представляет механизмы рекогниции определенных консервативных эндогенных молекулярных структур, альтернативных системе TLR, распознающей экзогенные молекулярные структуры [29].

Активация RAGE приводит к возбуждению множества сигнальных внутриклеточных киназ MAPK — экстрацеллюлярных сигнал-регулируемых киназ (ERK1/2), p38 и Jun-терминальных киназ (JNK), участвующих в индукции процесса синтеза провоспалительных цитокинов [52]. Возбуждение RAGE активирует внутриклеточные сигнальные пути, которые обусловливают индукцию фактора транскрипции NF-κB, что приводит к продукции межклеточной адгезивной молекулы 1 (ICAM-1), адгезивной молекулы 1 сосудистого эндотелия (VCAM-1), эндотелиальной молекулы адгезии лейкоцитов (ELAM), адгезивной молекулы 1 клеток слизистых оболочек (MACAM-1), TNF-α и других провоспалительных цитокинов (рис. 5) [51]. Показано, что протеин S100A12 способствует миграции эозинофилов в слизистую оболочку бронхов и усилению синтеза IgE, что подтверждает его значение в развитии бронхиальной астмы [57].

 

Заключение

КП и белок S100A12 — представители семейства S100 протеинов — являются компонентами системы неспе­цифической защиты респираторного тракта с провоспалительным действием. Индуцибельная продукция КП развивается в первые 4 часа инфекционного процесса. КП обладает бактериостатическим, противовирусным и фунгицидным действием, которое обусловлено его способностью связывать ионы цинка, тем самым ограничивая потребление цинка микроорганизмами. КП, как мощный хемоаттрактант для макрофагов и нейтрофилов, обладает выраженным провоспалительным эффектом и является ранним маркером макрофагально-нейтрофильного воспалительного процесса. Секретированный протеин S100A12, взаимодействуя с мультилигандным рецептором RAGE, обусловливает индукцию фактора транскрипции NF-κB, что приводит к продукции провоспалительных цитокинов. Протеин S100A12 способствует миграции эозинофилов в слизистую оболочку бронхов и усилению синтеза IgE. 



Back to issue