文摘
抗菌肽(安培)被激活,以应对感染性损伤和在脊椎动物和无脊椎动物的免疫系统中所扮演的重要角色。安培法直接对病原体和伤口愈合和抗肿瘤的活动。尽管鞘翅类包括真核生物的最大和最多样化的顺序和占领更早的分支比果蝇在昆虫的完全变态的血统,他们的免疫系统没有得到广泛的研究。然而,最初的研究报告表明,鞘翅类具有独特的免疫反应机制,并研究这些小说有助于进一步阐明先天免疫机制。最近,的完整基因组序列种有害甲虫类之昆虫研究发表,增加免疫力,导致识别的种有害安培是共享的果蝇和哺乳动物,以及其他安培是独一无二的。安培在疫苗的发展潜在的适用性。在这里,我们审查甲虫类之昆虫安培,对临床医学的潜在影响,免疫防御的分子基础。
1。概述
先天免疫的研究导致了信息的积累,提供抗菌治疗药物和疫苗的发展前景。发现新的抗生素的低利率,香烟烟雾耐药性的出现,惊人的死亡率由于感染指示显然需要替代的发展意味着对抗感染。20世纪的一大亮点是疫苗的发现导致根除小儿麻痹症等疾病,天花等等。即使在二十多年之后,然而,高度可变的人类免疫缺陷病毒疫苗还有待发展,说明需要新的策略来生产疫苗。更好的理解先天免疫显示重要的先天和适应性免疫系统之间的联系,可能导致疫苗发展的有效方法。
360000目前已知的昆虫鞘翅类占40%,因此真核生物的最大和最多样化的顺序(1]。种有害,甲虫类之昆虫模型,提出了一个更好的模式果蝇,特别是对于进化研究,它被公认为最成功的后生动物的进化和更具代表性的昆虫比果蝇(1,2]。鞘翅类,这个星球上没有适应性免疫,茁壮成长。甲虫类之昆虫免疫的分子基础的研究因此可能导致更好的理解先天免疫系统的进化。大部分的先天免疫和功能方面的研究抗菌肽(安培)已经完成使用果蝇,代表双翅类昆虫,而研究鞘翅类落后。昆虫和人类分享先天免疫,但人类也有适应性免疫。一些保守分子信号通路,昆虫和人类使用的免疫防御也用于昆虫的早期胚胎发育,但也有明显的差异,可能是因为无脊椎动物和脊椎动物的先天免疫系统分化大约8亿年前,和适应性免疫出现在脊椎动物分支只有大约5亿年前3,4]。鞘翅目和双翅类昆虫的分歧发生在约2.84亿年前,和果蝇双翅类的分支,展品显著加速蛋白质进化(5]。此外,尽管这些独立的进化路径、分子进化可能发生鞘翅目和哺乳动物之间由于相互依存,也就是常见的栖息地和资源共享。
当大部分的工作在免疫进行使用果蝇作为一个模型,有证据表明,鞘翅目保留许多脊椎动物祖先的基因,表明甲虫类的研究可能提供更多的洞察属性和先天免疫的进化。例如,种有害有许多祖先的基因存在于脊椎动物和缺席果蝇(6]。同样,测序种有害基因组显示保留祖先的基因参与信息交流和发展种有害,但不是在果蝇(2]。此外,在同源性搜索,人类基因比较更好种有害比果蝇(5]。
安培是小肽具有整体正电荷(阳离子),疏水性,amphipathicity。在结构上,他们分为两大类:线性的α螺旋和cysteine-containing形式与一个或多个二硫桥和β时发针形般的,β表,或混合α螺旋/β表结构。肽假定这些构象在接触目标膜(7- - - - - -9]。其特有的物理化学性质促进与细胞膜的磷脂双分子层的交互病原体(10- - - - - -12]。安培已被证明杀死病原体直接通过扰乱膜使用机制不完全清楚。然而,一些模型。首先是“barrel-stave”模式,即由两性分子的跨膜孔隙α螺旋肽,破坏细胞膜的病原体。其次,提出的“地毯”模型肽溶解的膜相互作用的脂质组负责人病原体细胞表面。这个模型还提出了病毒杀死(13]。另一个是聚合模型的sapecin展出Sarcophaga peregrina基于存在的疏水性和亲水性域安培。这些结构特点使肽形成毛孔与亲水墙和疏水区域面临的病原体膜磷脂酰基侧链,从而促进通过孔隙(亲水分子的运动14]。最后,环形模型中,一种微妙的变化的聚合模型,包括一个动态的形成脂肪层的亲水区域核心肽和脂质组和由蛙皮素诱导,蜂毒肽,protegrins [15- - - - - -17]。而不可缺少的阳离子多肽的结构特点病原体杀死正在辩论中,电荷阳离子肽和脂质膜之间的差异被认为是至关重要的。这可能是他们的选择性的基础活动nonhemolytic多肽具有较高的净正电荷分布沿肽长度,而溶血肽有较低的负电荷(10,11]。证据表明,安培有细胞内的目标。这是弹力素,以阳离子α螺旋人类先天防御AMP不溶解细菌膜易位到细胞质中。在体外分析使用流动转变分析显示抑弹性酶蛋白结合DNA (18]。histone-derived肽buforin II结合核酸凝胶阻滞化验和迅速杀死大肠杆菌通过把到细胞质的病原体和可能干扰DNA或RNA的功能。结构相似的蛙皮素2也杀死了大肠杆菌但不进入细胞质(19]。同样,阳离子抗菌肽进入细胞质曲霉属真菌nidulans并杀死真菌通过瞄准细胞内分子的身份没有被验证(20.]。一个优秀的细胞内目标的回顾安培是最近出版的21]。然而,需要更多的研究证实存在和实际的行动方式与细胞内目标安培。
昆虫产生持续在当地的网站或安培的发布系统在病原感染发起pathogen-killing活动。除了良好的果蝇和鼠标先天免疫信号通路,测序的种有害基因组研究进展大增,因为生物信息学分析显示基于比较公认的免疫相关基因与其他物种的基因组(22]。
安培是多功能分子,除了著名的作为效应器的先天免疫系统,参与多个生物过程和病理条件下,如免疫调制,血管生成,细胞因子和组胺释放23- - - - - -27]。可能由于负电荷在许多癌症细胞的质膜,一些阳离子肽还具有抗癌活性(28,29日]。这些属性可能用于临床的目的(12,30.]。Cecropins癌细胞选择性的细胞毒性,防止他们在膀胱癌的扩散,因此可能在抗癌药物的发展策略31日]。除了抗菌活性,defensins促进诱导适应性免疫,促进细胞增殖和伤口愈合。Defensins显示趋化现象的活动即树突细胞、单核细胞和T细胞被雇来感染的网站。此外,人类β-defensins和抗菌肽LL-37刺激pruritogenic细胞因子的生产,如interleukin-31,白细胞三烯,前列腺素E2,和其他人,这意味着一个重要的角色在过敏反应[32- - - - - -34]。安培也可能有利可图的商业面积的基础“药妆品”——就是有益的局部活动由摩擦,洒,喷涂等等35]。
在这里,我们审查发现甲虫类之昆虫安培的进展的分子基础种有害先天免疫,抗菌肽在医学上的应用前景。
2。发现的过程
2.1。抗菌肽在种有害
第一个大规模的研究种有害免疫系统是由邹等人(2007年22]。利用完全测序种有害基因组预测假定的免疫基因利用生物信息学技术和实时聚合酶链反应(PCR),邹et al。22预计12安培种有害相比20果蝇研究最多的无脊椎动物。另一项研究用差减杂交导致的几个安培这个列表(36)(见表1)。这两项研究四defensins识别种有害和系统发育分析表明,三个在进化分支组成只有鞘翅类。第四defensin (Def4)被发现在混合分支,包括膜翅类。一个搜索的Defensins知识库37)透露,这个defensin不可用的序列信息在公共领域,尽管它的存在已经报道(22]。Attacins,确定了鳞翅类、三个基因被发现在一个集群中。Attacins富含甘氨酸和脯氨酸,coleoptericins结构相似,是由细菌诱导的。此外,果蝇研究表明,感应attacin降低的洛桑国际管理发展学院和Tl−突变体(38]。Coleoptericins首次分离出的幼虫Allomyrina dichotoma甲虫免疫与大肠杆菌。Coleoptericins也显示活动金黄色葡萄球菌,耐甲氧西林金黄色葡萄球菌,枯草芽孢杆菌。像attacins,但与cecropins coleoptericins并不会形成毛孔细菌膜,但导致细胞分裂的缺陷,如脂质体含有大肠杆菌或金黄色葡萄球菌膜成分不泄漏在治疗coleoptericin的重组形式,而是形式链(39]。
种有害cecropins预计是假基因,因为开放阅读框的转变;一些cecropin-related蛋白质异常结构,然而,已报告(22]。cecropin已经报道的至少一个甲虫类之昆虫,Acalolepta luxuriosa(44]。
四个thaumatin-like基因被发现种有害用差减杂交和基因搜索。实验、脓毒性损伤诱发thaumatin-1 defensins种有害(36]。无菌也引发thaumatin-1 defensin-2受伤。此外,重组thaumatin-1不等的过表达大肠杆菌积极与真菌(36]。甲虫类之昆虫阳离子肽可能非常不同于其他已知的肽,因此不易被同源性搜索。一个明确的相同器官的果蝇抗真菌drosomycin无法发现的种有害基因组,但与cysteine-rich弱同源蛋白质序列检测(22]。的概述种有害安培表示与其他鞘翅类相似,但有些差异果蝇。工作报告的这些组织提供了一个良好的甲虫类之昆虫安培推进研究的基础。
2.2。其他抗菌肽在鞘翅类标识
安培的出现在某些鞘翅类尚未确定种有害(见表2)。其中之一是一个有趣的昆虫类肽,采用knottin褶皱,并于2003年首次发现的丑角甲虫,Acrocinus longimanus。这个类的成员包括Alo-1、Alo-2 Alo3 [42]。Psacotheasin从黄色星天牛Psacothea hilaris也被确认为这个类的成员(43,45]。Alo-3活跃与真菌,而psacotheasin积极对抗细菌和真菌。二硫化knottin褶皱的特征是一个拓扑”的abcabc”类型,二硫桥之间形成第一个半胱氨酸和第四,第二,第五个半胱氨酸,第三和第六个半胱氨酸46]。二硫桥形成肽可能带来重要属性,如稳定性和抗蛋白酶乳沟。knottin家族成员一般序列相似性较低,减少了他们的机会鉴定同源性搜索(46]。相反,然而,甲虫类之昆虫knottin褶皱安培分享序列相似性与几个植物抗真菌肽(42]。尽管这些肽功能的机制还没有完全理解,psacotheasin杀死白色念珠菌通过诱导细胞凋亡(47]。这有临床意义白念珠菌可引起轻度表面在免疫功能低下的患者严重感染。更好的理解至关重要的分子事件细胞凋亡的诱导阳离子肽可能导致新的抗真菌药物开发的目标。令人担忧的是,candidemia、系统性假丝酵母感染,在增加,伴随着抵抗常见药物的再度出现,指着寻找替代的方法治疗真菌感染的紧迫性(48,49]。
2.3。数据库
抗菌肽数据库,一个全面的和可搜索的数据库建立了安培基于信息从文献调查50,51]。目前,在网站上更新版本表明有1773阳离子肽在数据库中,包括抗病毒药物(5.8%),抗菌(78.56%),抗真菌(31.19%),抗肿瘤(6.14%)肽。这些肽功能对超过一种类型的病原体。231这些肽的结构由核磁共振和x射线衍射研究决定。另一个有用的数据库是Defensins知识库,它允许基于文本的搜索信息在这个大家庭的安培37]。这是一个手动策划虾penaeidin数据库和专业数据库相似,PenBase [52]。我们也开始另一个甲虫类之昆虫的分子研究,甲虫Euoniticellus中间部,和成人的转录组测序,研究其免疫系统(53]。这些数据库作为发现有用的工具和设计新的肽。的确,抗菌活性的关键特性为基础研究了使用抗菌肽数据库(54,55]。这种分析产生药物设计的一个重要信息池。
3所示。监管AMP鞘翅类表达式
调节免疫反应的信号通路种有害castaneum最初的预测基于组合在网上研究和实验工作,邹et al。22)和最近的另一项研究涉及埋葬甲虫Nicrophorus vespilloides(56]。此外,研究使用成年甲虫暴露大肠杆菌,m .危害,白念珠菌,和酿酒酵母在信号通路提供了信息。因此,大规模研究使用实时PCR显示先天免疫基因的存在,如PGRP-LA PGRP-LE, PGRP-SA, PGRP-SB,几个人数蛋白,免疫缺陷(IMD)的蛋白质。值得注意的是,一些PGRPs没有直接同源的果蝇,表明特异性的多样性。最近的生化研究使用大甲虫Tenebrio莫利托和全毛亚纲diomphalia进一步阐明细胞外信号网络参与对真菌和细菌感染41,57]。总的来说,甲虫类之昆虫信号似乎发生通过人数和IMD通路(图1)。
人数等pamp通路被激活β1、3-glucans真菌中发现,Lys-type肽聚糖(PGN),发现主要在革兰氏阳性细菌。pamp的复杂和病原体识别受体(PRRs)激活一个顶端蛋白酶,导致三步丝氨酸蛋白酶级联的高潮的一代的活跃的鸡蛋面疙瘩,跨膜受体的配体。后续会导致基因的转录激活细胞内信号编码抗菌肽。
免疫反应的激活DAP-type PGN发现主要在革兰氏阴性细菌和革兰氏阳性杆菌仍知之甚少苍蝇和甲虫。一般来说,据悉,需要IMD通路因为革兰氏阴性细菌洛桑国际管理发展学院−突变体不能表达抗菌肽对革兰氏阴性细菌。在果蝇,候选人transduction-activated革兰氏阴性细菌的信号跨膜受体PGRP-LC PGRPP-LE。分子都可以激活IMD通路(3,58]。因为这些分子存在于甲虫和PGRP-LE是同源的果蝇蛋白质,很可能相应的途径是守恒的。在种有害PGRP-LA和PGRP-LE激活细菌感染,但不激活白念珠菌和m .危害(22]。其他种有害研究表明,由两个革兰氏阴性细菌,IMD通路被激活Xenorhabdus nematophila和大肠杆菌,诱导12安培的5明显依赖于IMD通路通过RNA干扰研究[59]。同样的研究,然而,表明两个革兰氏阳性细菌有不同的肽聚糖表达相同的安培只有defensin-1依赖人数。综上所述,这些研究表明,尽管通路可能是守恒的,pamp识别和信号转导之间存在的差异种有害和果蝇。
发现另一个PRR称为有限合伙人(单体)基于其识别蛋白质大肠杆菌凝集特性表明LPS通路的存在。含血淋巴的循环,不粘合金黄色葡萄球菌或白念珠菌。有趣的是,单体包括六个重复的表皮生长因子(EGF)——例如域,一个不寻常的结构特征对繁殖与呼吸障碍综合症(俗称60]。下游事件在这个通路尚不清楚。
4所示。抗菌肽在临床医学
阳离子肽已成为重要的发展目标疗法对细菌、真菌、病毒和寄生虫。他们是宿主防御的关键效应分子通过直接和间接的抗菌活性。此外,在脊椎动物,这些肽调节多种细胞过程如免疫调节、伤口愈合、肿瘤发生。这些角色的发展提供机会和疫苗治疗产品。安培分子有吸引力的发展临床兽医治疗,因为他们是对易感病原体的快速反应和有效,不太可能导致耐药性的出现与传统抗生素相比,哺乳动物细胞毒性较低,其作用方式往往是更多的身体,而不是针对代谢途径。搜索FreePatentsOnline数据库的使用“抗菌肽”这个词产生了超过66.000,和许多安培经历临床开发(30.]。最近的阳离子肽列出了肽在不同阶段的临床试验29日]。
正如上面提到的,预测种有害安培包括defensins attacin coleoptericin,奇异果甜蛋白,cecropin。Defensins表现出广泛的抗菌活性针对细菌、真菌、病毒和可能是研究最多的一类安培。许多治疗产品建模。不同类型的defensins表达持续或引起的感染控制微生物的组成等表面的小肠和大肠61年]。
许多挑战依然存在,阻碍商业上可行的肽的发展。紧迫的问题关注药物动力学(身体如何处理肽药物)。当肽口服药物,胃肠道可能阻止他们再吸收进入体循环。此外,肽可能引起抗原反应血液中直接注入。这使得局部药物最可行的配方而被追求更多的研究来解决剩下的障碍。尽管存在这些障碍,安培并不黯淡的前景,因为有些人开始临床应用。有一些乐观情绪可能很快会克服这些障碍的新策略,结合天然阳离子肽和稳定合成免疫调节肽(29日]。在这方面,肽B多粘菌素和短杆菌肽等药物用于治疗革兰氏阴性细菌感染据报道是安全有效的,和肽如indolicidin-derived CLS001(以前称为MX594AN)已达到与前景[III期临床试验62年- - - - - -64年]。因为他们的进化距离,对微生物的生存完全依赖于先天免疫,昆虫为小说AMP药物设计提供有趣的模型(65年,66年]。
5。结论
全球耐多药病原体的出现威胁人类健康,提出了迫切需要找到抗菌素与降低诱导阻力的机会。阳离子的肽的作用机制包括非特异性的方式针对质膜,但不涉及具体的蛋白质,提供良好的前景。诚然,需要更多的工作来阐明这些肽的作用机制,作为细胞内的目标有一些证据。阳离子肽的重要性进一步凸显了新兴医学的前景在其他方面,比如癌症治疗和疫苗开发。鞘翅类是最成功的进化群昆虫和昆虫的代表比果蝇。此外,人类基因更可比的种有害比果蝇。因此,鞘翅类新兴作为研究的一个重要的物种,像脊椎动物一样,他们保留了祖先的基因中没有的果蝇。的确,有压倒性的证据表明,鞘翅类更适合比常用的双翅类昆虫类群之间的比较研究。在这里,我们表明,或许鞘翅类的杰出的成功进化是一致的一个强大的免疫系统,保证更多的关注比迄今为止已经收到了。
确认
所有的作者都支持的南非/日本联合科技研究协作通过国家研究基金会和日本促进社会科学。这项工作是支持的战略日本科学技术振兴机构的国际合作项目;从教育部科研补助金,文化,体育,科学,和日本技术;日本促进社会科学;该计划促进基础研究活动创新生物科学(PROBRAIN);美国国立卫生研究院(AI07495);武田科学基金会;三菱的基础;Naito基金会;阿斯特拉研究基础代谢紊乱; a Global COE Research Grant (Tohoku University Ecosystem Adaptability); the National Research Foundation (NRF), South Africa.