人防御素分子生物学研究进展及其应用
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・综述与专论・
生物技术通报
B10TECHNOLOGYBULLETIN2009年第12期人防御素分子生物学研究进展及其应用
高金湖唐存多邬敏辰
(江南大学医药学院,无锡214122)
摘要:人防御素(humandefensins)是一类内源性阳离子抗微生物肤,在天然免疫防御中起重要作用,也能增强继承性免疫应答。
它具有强烈的广谱抗微生物活性,并且不易对微生物产生耐药性。
对人防御素的分子生物学特性方面的研究进展作一综述,重点在于比较和探讨其结构的异同,并对其应用和发展的前景进行展望。
关键词:人防御素抗茵肽分子生物学特性
AdvancesintheResearchandApplicationofHumanDefensins
GaoJinhuTangCunduoWuMinchen
(CollegeofMedwiwandPharmaceutics,JiangnanUniversity,Wuxi214122)
Abstract:Humandefensinsa8afamilyofendogenouscationicantimicrobialpeptides,playallimportantrolebothininnateanda・daptivedefensesystems.Theyexhibitabroadrangeofintensiveantimicrobialactivitiesanddonotbeardrugresistanceagainstmicroor-ganismeasily.Anoverviewofthemolleeularbiologicalcharacteristicsofhumandefensinswithsomeemphasisoncomparinganddiscus—singthedifferencesoftheirconstructionswaspresented.Theprospectsforapplicationanddevelopmentofhumandefensinswerealso
di-cussed.
Keywords:HumandefensinsAntimicrobialpeptidesMollecularbiologicalcharacteristics
人防御素是一类内源性阳离子抗微生物肽,富含精氨酸,并含有二硫键连接、位置保守的半胱氨酸残基…。
人防御素的分子量约为3.5~6kD,包含6个半胱氨酸残基形成的3个经典的分子内二硫键。
根据防御素分子内半胱氨酸的位置和连接方式、前体性质及表达位置的差异,可将防御素可分成d、B、0三种。
在人体内仅发现前两种,而第3种防御素0.防御素(retrocylins)是从猕猴白细胞中分离出来的一种环状防御素,称之为猕猴0.防御素(RTD-1)¨1。
0一防御素采用封闭式的两条B.片层形成梯形二硫键结构口]。
0.防御素比其他两种类型防御素更有效地抵御HIV.1,并且能够在实验室进行开发,这两个特征表示0.防御素仍然是人类抵御这种病毒的有效途径卜1。
1人d一防御素
1.1Ot一防御素的发现
d-防御素中HNP.1(humanneutrophilpeptide-1)至HNP-4最初是在人中性粒细胞分离获得。
被看作肠内防御素的HD.5(humandefensin-5)和HD-6∞1,主要是在潘氏细胞中合成和表达分泌。
由于天然的HNP一1,HNP-2和HNP.3易从中性粒细胞纯化制得,因此被广泛用于研究。
而其他相继发现的天然a-防御素多肽的数量很少,所以对它们的性质研究仍不够清楚。
但新近的合成手段使得体外研究这6种0c.防御素变得可行,尤其是对HNP-4、HD・5和HD-6特征的鉴定非常有效。
近来,在回肠Crohn’s疾病的患者体内检测到HD-5¨1。
根据这一发现可推测,作为先天性免疫效应分子的HD-5可能在维持粘膜平衡中起重要作用,以及因其缺乏导致粘膜抗菌能力的减弱而发病。
目前,HD-5和HD-6已在大肠杆菌中获得可溶性表达…。
1.2a一防御素的结构
1.2.10[-防御素的一级结构成熟的a.防御素是富含精氨酸的单链分子,由29~35个氨基酸残基组
收稿日期:2009.09.09
作者简介:高金湖(1985-),女,硕十研究生.研究方向:基因工程制药;E-mail:gaojinhul91@163.corn通讯作者:邬敏辰(1962.),男,教授,研究方向:分子生物学;E-mail:bioch@163.corn
2009年第12期高金湖等:人防御素分子生物学研究进展及其应用31
成,含有6个保守的半胱氨酸序列…。
3个二硫键分别连接Cysl.6、2-4、3-5。
d.防御素前原肽一般由93。
100个氨基酸组成,其中包括氨基末端的信号肽、原片段和C.末端的成熟肽,终止密码子紧随成熟肽之后。
信号肽、原片段、成熟肽分别由19个、41—51个、29~35个氨基酸残基组成。
迄今为止,已有5种不同的人d-防御素的基因和6种不同的人a一防御素分子被阐述(表1)‘9|。
表1廿防御素分子一级结构
由表l中q.防御素的成熟肽序列分析可知,
HNP—l。
HNP.4前3种防御素在结构上非常相似,
差别仅在于N.末端的信号氨基酸有所不同,而
HNP-4却与前3者在基因序列和氨基酸组成上存在
明显差异,与前3者仅有32%的同源性¨…。
HNP—I
和HNP-3两者仅在N端的第一个氨基酸有差异,其
余氨基酸组成与排列完全相同。
而HNP-2其实是一种截短了的d一防御素,只比前两者少了N端的一个氨基酸,其余部分完全相同。
1.2.2仅坦f御素的高级结构d.防御素的二级结构是由3对二硫键以带电阳离子的B.发夹环方式¨¨,形成稳定的反向平行三股B.折叠结构域(图1,图2)。
大多数氨基酸侧链暴露在肽链表面。
二硫键可以使小分子防御素紧密连接以防止蛋白酶的水解,所以防御素能在富含蛋白的吞噬溶酶体环境中保持其特性,这也是防御素区别于其他抗微生物肽的主要因素¨…。
例如,HD-5的三维结构显示了其暴露在表面的正电荷独特的分布情况。
两对精氨酸残基在三维结构上处于该分子对侧,一对位于第9和28位氨基酸,另一对在13和32位坤1。
图1HNP-3二级结构模式图
图2由Mol∞fipt和R∞ter3D绘制,蛋白质数据库登录序号为lDrN(HNP.3),194s(HBD—1)
图2HBD-l二级结构模式图
2人B-防御素
2.1B・防御素的发现
B.防御素主要在上皮组织表达,在生物体和环
境之间形成第一道防御线。
第1种人B一防御素
32生物技术通报BiotechnologyBulletin2009年第12期
(humanbeta—defensin.1,HBD.1)是从经受透析治疗的病人血浆中分离,它在与环境和菌群直接接触的上皮细胞(如肺、乳腺、唾液腺、肾、胰腺和前列腺)表达¨…。
HBD.2最初是从牛皮癣患者皮损组织分离得到,而HBD.3几乎是同时从牛皮癣鳞屑纯化得到,采用生物信息学比对并克隆出来。
通过局部比对搜索工具(BLAST),发现了另外3种13-防御素(HBD4—6)¨“。
HBD.4在睾丸和胃窦的位置有最强表达,在嗜中性粒细胞和甲状腺、肺、子宫及肾的上皮细胞中表达微弱,但呈持续性表达¨“。
HBD-5和HBD-6主要在附睾表达。
除了直接从天然组织器官中提取,还可通过转录水平上的逆转录聚合酶链反应(RT.PCR)或mRNA分子杂交证实许多B一防御素的表达。
据已有文献报道,人基因组至少有28种防御素类似序列¨6|。
但目前,作为B.防御素家族成员,只有HBDl-6的特征被描述。
B.防御素与0【.防御素在基因水平、cDNA水平、前体多肽序列都有所不同,但真正区分二者的却是氨基酸序列中位置固定的6个半胱氨酸残基组成的3个二硫键的连接方式。
2.213.防御素的结构
2.2.1B.防御素的一级结构成熟的B-防御素包含36—50个氨基酸残基,包括6个半胱氨酸残基(Cysl-5,2-4,3—6)以独特的空间模式形成二硫键,与t'v.防御素相区别。
Cys2.Cys4桥在多肽核内引入环状共价链(表2)。
根据NCBI所收录的数据资料,B.防御素前原肽(前体)一般由64—200个氨基酸残基组成。
B一防御素前体的结构比较简单,包括信号序列、短的(或者无)原片段、C.末端防御素成熟肽Ⅲ1。
例如,HBDI-6的前原肽含64—78个氨基酸残基(表3),信号肽、成熟肽分别由20一29个、36—51个氨基酸残基组成。
与d.防御素相比,B-防御素中的原片段很短或是不存在¨引。
已知的B一防御素中,仅HBD.1含有11个氨基酸残基的原片段。
迄今为止,NCBI数据库中B-防御素前原肽多数没有给出原片段的序列,因此对于原片段的研究尚待深入。
有趣的是,后续发现的部分由6号和20号染色体编码、含有原片段的B.防御素(如HBD.25、HBD.27、HBD.29)与HBD.1以及d-防御素相比,其成熟肽位于信号肽和原片段之间,而不是位于C.末端;原片段以罕见的长C.末端尾部表现出来。
这些富含阴离子残基的延伸片段,与其他B一防御素相比,没有明显的序列相似性。
研究HBD一18¨9|,推测这些长c.末端可能使抗菌活性对盐的敏感度有所降低。
该假设提出的功能意义有待进一步分析。
表2B・防御素成熟肽一级结构比较注:・代表多肽片段序列LDFSQPFPSG
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HBD-3的氨基酸序列与HBD-2约有43%的同源性ElO]。
由表3中B.防御素的成熟肽序列分析可知,对大多数B-防御素而言,在半胱氨酸附近只有少数几个保守的氨基酸残基。
例如,在Cys2左侧第2位氨基酸残基,大多存在甘氨酸(Gly,G);在Cys2右侧第l位氨基酸残基往往是碱性的精氨酸(Arg,R)或者赖氨酸(Lys,K);Cys3右侧第4位通常是酸性的谷氨酸(Glu,E);Cys4左侧第3位(HBD一1为Cys4左侧第4位)存在异亮氨酸。
这些保守的氨基酸序列可能与维持空间结构以及发挥功能活性相关。
2.2.2B.防御素的二级结构B-防御素家族结构简单,二硫键稳定,但作用却有所不同。
B.防御素二级结构也是由3对二硫键形成3股B一折叠结构和一个带有阳离子的p-发夹环(图3)。
与口.防御素不同的是,在B一防御素N-末端还含有一股Ⅸ一螺旋。
光谱分析表明二硫键的连接对于HBD-3的二级结构并没有显著影响。
因此,HBD-3似乎是通过二硫键独立地形成其二级结构。
紧邻B一片层的d.螺旋区段的包裹主要由Cysll和Cys40之间的二硫键驱使形成忙…。
已经清楚,由于结构上细微的差异,特别是分子表面的性质,决定了功能的特异性。
通过这些多肽的生物学活性所共有的结构折叠推测,它与对应的受体发生相互作用时要达到的最佳尺寸、形状很重要¨“。
2.2.3B.防御素的三级结构虽然d和B一防御素家族在DNA序列或二硫键拓扑结构并不相同,但它们具有相似的三级结构,并表现出共同的性质,如抗微生物活性旧…。
生物技术通报BiotechnologyBulletin2009年第12期
HBD一1HBD.-2
凼凸昌凸DHYNCVSSGGQCLYSACPIFrKIQGTYRGKAKCCKdb嘭岛岛
GIGDPVTCLKSGAICHPVFCPRRYKQIGTCGLPGTKCCKKP凼协岛岛
HBD-3GIrNrLQKYYcRvRGGR’CAVLSCLPKEEoiGKCSTRGRKCCR’RKK
括号中的数字代表有效电荷
图3争防御素二级结构元件对比在整个结构中,分子中心含有一个共同的(类
防御素)拓扑折叠(蛋白质结构分类)。
这种折叠的
原型是人Of..防御素.3的结构。
防御素分子内含3
个反向平行的B一折叠链,由3个分子内二硫键连
接。
在p一防御素中,p一片层与一个可变长度的d-螺36(“)4l(+6)45(+11)
旋片段连接,形成分子N.末端片段(图4)。
a-螺旋
和B-片层的连接位点是通过二硫键来稳定的
(Cysl-Cys5)。
此发现可能不够成熟,因为通过对
HBD.3同源体的研究,提供了同上述观点截然相反
的证据‘2引。
图4B-防御素空间结构模式图
一些其他的观点可能支持B一片层作为防御素的结构和功能中心这一推测。
所有防御素(包括a一类型Ⅲ1)由保守基序Gly—X-Cys组成的第二条B・链部分,形成B.突起Ⅲ】。
J-突起的基本作用是增强B.片层的扭曲,它们的存在对于正确折叠并形成哺乳动物防御素的天然结构十分必要Ⅲ1。
近来发现,形成B.片层的残基在哺乳动物p一防御素基因的进化过程中都不易受到的正向选择或负向选择的影响。
HBD.1到HBD.3中d.螺旋的N-末端大小同在第一个半胱氨酸残基之前的氨基酸数量没有关系。
该螺旋片段的小型分子尺寸和可变长度表明某些HBDs可能完全缺乏它H“。
B.防御素N.末端的特殊结构可能对这些蛋白质性质很重要。
此区域的一级结构对观察B.防御素抗菌特性有重要意义[271。
虽然只有适量保守序列,但多数B一防御素的c.末端片段富含碱性和疏水性氨基酸。
由上可知,HBD.1到HBD.3的C一末端表面的各种分子形式具有明显的、可以确认的两性特征。
不对称分布性和阳离子基序。
2.2.4B一防御素的四级结构人B.防御素分子要比a-防御素大些。
尽管这两个家族在初级序列上几乎没有同源性,但由于3对二硫键的存在,使得它们四级结构非常相似。
人B一防御素有形成多种低聚结构(oligomericstructures)的潜能旧“,这些低聚结构影响着防御素蛋白的生物学活性和功能。
B.防御素中低聚体(oil.gomerization)的本质为特异性蛋白。
关于B.防御素的低聚反应的报道最早来自对HBD-2结晶学的研究,HBD-2中八聚体(octameric)的形成归功于4个非共价二聚体,每个单体的第一条B.折叠链相互连接以稳定聚合物。
这种二聚体与以前提到的a.防御素的拓扑结构截然不同。
a一螺旋的N.末端在HBD-2的八聚体的稳定方面起重要作用。
3防御素的活性、生物合成及修饰
防御素除了具有抗微生物活性外,还表现出其
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他一些性质,如抗肿瘤活性、促进细胞增殖、干预信号传导通路、化学性诱导免疫细胞以及刺激细胞因子和粘连分子的表达等旧“。
a.防御素是以无抗菌活性的前原肽形式表达,其C.末端部分具有抗菌活性。
多数情况下,原片段所带电荷与成熟的防御素接近平衡,这种排列可协助防御素成熟肽稳定、折叠或亚细胞内运输,防止其与细胞膜的胞内相互作用B…,同时也抑制了防御素成熟肽的功能活性Ⅲo。
a一防御素的生物合成发生在骨髓、中性粒前体细胞、前髓细胞中。
血液中流动的或在炎症组织中发现的成熟中性粒细胞内涵有大量防御素,但不会再合成这些肽及其mRNA。
在骨髓细胞株合成的防御素,信号肽序列被迅速切除,而随后经蛋白酶加工生成成熟的防御素则需要数小时,如HNP-2被认为是由proHNP一1和proHNP-3翻译后通过蛋白酶裂解而得¨¨。
最终的裂解发生在成熟化颗粒内¨7|。
该过程非常有效,可检测到只有少量的、加工不完全的中间体在成熟粒细胞中"…。
单一金属蛋白酶可引起肠内活性防御素的释放p1。
HNP.1中N.端2/5的原片段(连续18个氨基酸残基)的缺失对防御素的生物合成没有影响。
然而,包围成保守疏水区的连续13个氨基酸残基的缺失,对防御素正确地运输和分类不利。
因此疏水区被认为对于HNP.1的生物合成及运输所必需"1。
微生物或炎症刺激能诱导结肠上皮细胞中的3种B.防御素(HBD-2,.3,-4)的表达,故发生炎症或感染很可能与浆细胞中B.防御素的表达有关。
结肠浆细胞合成B.防御素并以小囊泡形式释放。
但对于B一防御素除了切除N.端信号序列使其成活性形式外,是否还需要额外的加工仍知之甚少。
对于B一防御素而言,早期研究从人气管上皮细胞中克隆发现,HBD.1的氨基酸序列与其他B一防御素拥有同源的信号肽/原片段和成熟肽¨“。
其他缺少阴离子原片段的B.防御素前体与相对较大阴离子原片段的a一防御素前体相比较,之间的差异还未得到令人满意的解释。
4人防御素的前景展望
人防御素的前景方向必然是从研究和应用这两个方面同时展开。
从研究角度看,防御素分子结构与功能的关系,抗菌机制以及作用机理仍然吸引着众多研究者积极探索。
随着生物和其他学科相关技术的进一步发展,对于人防御素的特性和功能会有更深刻认识。
例如,通过突变研究防御素生物学性质和功能,或者以一般的防御素结构为模板产生一系列带有设定的生物学活性的新防御素。
应用方面,随着对人防御素不断的深入研究,人们逐渐提高了对其作为天然免疫抗菌效应物功能的认识。
体外试验表明,防御素对微生物的膜表面亲和性很高,对人体血清白蛋白亲和性很低,因此具有稳定的抗菌作用和低毒性,是理想候选药物。
与传统的抗菌、抗病毒药物相比,防御素具有特殊的作用机制,并且是内源性物质,能够克服细菌的耐药性和降低抗菌素的毒副作用,避免发生免疫反应。
目前已经考虑将B-防御素作为替代品于治疗多种细菌感染、烫伤和克罗恩病¨引。
这些肽类的抗癌活性也暗示可能会用于癌症的治疗Ⅲ1。
还可以调节或增强免疫反应,暗示着将来新型疫苗的发展方向"-。
此外,在植物基因工程和海洋药物的研究领域中,植物、动物防御素的研究也在逐步展开。
可将不同种人、动植物防御素的结构和功能进行比较分析,根据生产和生活需求,经合理改造修饰或者融合表达。
形成具有特定功能的新防御素。
可以做出一些设想,例如,可考虑将人防御素与植物防御素进行杂合表达,以增强植物抗菌能力,减少化学农药的使用,减少农药的有害残留和富集作用,有效保证农产品的安全。
将人防御素和海洋生物活性多肽进行融合,形成一系列抗肿瘤、抗真菌、提高心血管功能的人融合防御素。
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