Katelicydyny endogenne peptydy przeciwdrobnoustrojowe

Transkrypt

1 Katelicydyny endogenne peptydy przeciwdrobnoustrojowe STRESZCZENIE ciągu ostatniej dekady odkryto i opisano szereg peptydów przeciwdrobnoustrojowych W (AMP). Jedną z grup AMP jest rodzina katelicydyn charakteryzująca się zachowaną w ewolucji domeną katelinową i zmienną C-końcową domeną przeciwdrobnoustrojową. Peptydy te są syntetyzowane przez różne komórki, w tym leukocyty oraz komórki nabłonka. Katelicydyny wykazują bezpośrednie działanie przeciwdrobnoustrojowe, ale mogą także regulować przebieg zapalenia i wpływają na mechanizmy odporności wrodzonej. W pracy omówiono biologię katelicydyn różnych gatunków zwierząt, ich budowę, syntezę i funkcję. WPROWADZENIE Podstawową funkcją układu odpornościowego jest obrona organizmu przed patogenami. W istocie, organizmy żywe mają stały kontakt z różnorodnymi czynnikami infekcyjnymi, w tym szczególnie z bakteriami. Dlatego w toku ewolucji wykształciły się liczne i bardzo zróżnicowane, ale równocześnie wzajemnie się uzupełniające, mechanizmy obronne. Pierwszą barierę obronną z pewnością stanowią przeszkody anatomiczno-fizjologiczne, skóra, nabłonek wyściełający jamy i kanały ciała, błony śluzowe, ale także ruch rzęsek, perystaltyka jelit, niskie ph soku żołądkowego, wydzieliny śluzowo-surowicze i ślina, odruchy kaszlu i kichania. Niezwykle istotnym mechanizmem obronnym jest prawidłowa fizjologiczna flora bakteryjna zasiedlająca różne nisze ekologiczne, w tym szczególnie przewód pokarmowy. W odpowiedzi na infekcję rozwijane są bardzo szybko także różnorodne mechanizmy obrony wrodzonej (nieswoistej), zarówno humoralne, głównie z udziałem składowych dopełniacza oraz cytokin/chemokin, jak i komórkowe, głównie z udziałem monocytów/makrofagów, neutrofili, komórek NK oraz komórek tucznych, co z reguły prowadzi do rozwoju ostrej nieswoistej reakcji zapalnej w miejscu wniknięcia patogenów. Wreszcie, z udziałem różnych populacji limfocytów T i limfocytów B, komórek prezentujących antygen i komórek plazmatycznych, dochodzi do uruchomienia odpowiedzi humoralnej, z udziałem przeciwciał i komórkowej odpowiedzi nabytej (swoistej). Karolina Wódz Ewa Brzezińska-Błaszczyk Zakład Immunologii Doświadczalnej, Uniwersytet Medyczny w Łodzi, Łódź Zakład Immunologii Doświadczalnej, Uniwersytet Medyczny w Łodzi, ul. Pomorska 251, Łódź; tel.: (42) , karolina.wodz@umed.lodz.pl Artykuł otrzymano 5 października 2014 r. Artykuł zaakceptowano 15 stycznia 2015 r. Słowa kluczowe: katelicydyny, peptydy przeciwdrobnoustrojowe, naturalne antybiotyki, LL-37, odporność wrodzona Wykaz skrótów: AMP peptydy przeciwdrobnoustrojowe; EGFR receptor naskórkowego czynnika wzrostu; GPCR receptor sprzężony z białkiem G; IFN interferon; IGF insulinopodobny czynnik wzrostu; IL interleukina; LPS lipopolisacharyd; PGN peptydoglikan; TNF czynnik martwicy nowotworu Niezwykle istotną rolę w procesach obronnych, szczególnie w mechanizmach odporności wrodzonej, pełnią liczne i zróżnicowane czynniki humoralne wykazujące bezpośrednią aktywność przeciwdrobnoustrojową. Do tej grupy czynników zalicza się przede wszystkim enzymy bezpośrednio niszczące elementy strukturalne patogenu, na przykład lizozym, elastaza, a także czynniki wykazujące działanie bakteriostatyczne, wiążące jony niezbędne do rozwoju bakterii, na przykład laktoferyna wiążąca jony Fe 3+ czy kalprotektyna chelatująca jony cynku [1]. Trzecią grupę czynników humoralnych niezwykle istotnych w obronie skierowanej przeciwko patogenom stanowią bardzo liczne i zróżnicowane peptydy przeciwdrobnoustrojowe (AMPs, ang. antimicrobial peptides) wykazujące m.in. zdolność uszkadzania błony komórkowej mikroorganizmów poprzez wytwarzanie w niej kanałów. Z naciskiem należy podkreślić, iż AMP wykazują ponadto wielokierunkowe działanie modulujące i ukierunkowujące przebieg procesów odpornościowych, tym samym pośrednio regulując odpowiedź układu odpornościowego skierowaną przeciwko patogenom [2,3,22]. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA AMP AMP są wytwarzane przez organizmy zaliczane zarówno do Prokaryota, jak i Eukaryota, w tym przez wiele bakterii, roślin, owadów oraz kręgowców. Tak szerokie występowanie tych peptydów wskazuje na zachowanie w ewolucji genów kodujących AMP, ale także na ich kluczową i uniwersalną rolę w odporności wrodzonej skierowanej przeciwko mikroorganizmom. Do chwili obecnej zidentyfikowano 2480 peptydów przeciwdrobnoustrojowych opisanych w bazie APD (Antimicrobial Peptide Database, [3]. Postępy Biochemii 61 (1)

2 Pomimo olbrzymiej różnorodności AMP, istnieją wspólne cechy charakterystyczne dla wszystkich peptydów z tej grupy. Są to z reguły małe peptydy zbudowane z reszt aminokwasowych, o masie cząsteczkowej 3-10 kda. Cechują się obecnością 2-9 ładunków dodatnich wynikających z obecności dużej liczby reszt aminokwasów zasadowych, w tym argininy i lizyny. Z tego względu AMP nazywane są często peptydami kationowymi. Aminokwasy hydrofobowe, takie jak cysteina czy prolina, stanowią 30-50% składu tych cząsteczek [3]. Z uwagi na olbrzymią różnorodność AMP ich klasyfikacja jest bardzo trudna. W piśmiennictwie spotkać można wiele różnych podziałów tych peptydów w zależności od rozważanego kryterium, jak na przykład budowa peptydu, liczba reszt aminokwasowych czy obecność mostków disiarczkowych. Rozważając konformację przestrzenną, ale także sekwencję aminokwasową, AMP podzielono na: 1) liniowe peptydy o budowie α-helikalnej nie zawierające mostków disiarczkowych; 2) peptydy o strukturze β-kartki lub szpilki do włosów, stabilizowane przez jeden lub kilka mostków disiarczkowych; 3) peptydy o strukturze pętli z jednym mostkiem disiarczkowym oraz 4) peptydy bogate w niektóre aminokwasy (prolina, arginina, tryptofan, histydyna, glicyna). Wszystkie AMP są syntetyzowane w postaci pre-pro-peptydu, co pozwala na transkrypcyjną i potranskrypcyjną regulację ich występowania oraz zabezpiecza przed niekontrolowaną aktywnością [1,3,5,22]. Generalnie, wszystkie klasyczne AMP dzielimy na dwie główne klasy, defensyny i katelicydyny (kateliny). Obecnie znacznie lepiej poznane i opisane są defensyny. Defensyny to peptydy zbudowane z reszt aminokwasowych, cechujące się dużą zawartością reszt cysteinowych. Z reguły mają strukturę β-kartki stabilizowaną trzema mostkami disiarczkowymi. Peptydy te opisano u wielu organizmów wyższych, a także u roślin i owadów. U kręgowców, w tym u człowieka, wyróżniono dwie podstawowe grupy defensyn: α-defensyny wytwarzane konstytutywnie głównie przez neutrofile, ale również przez komórki Panetha (kryptydyny) oraz β-defensyny syntetyzowane przez neutrofile i keratynocyty, z reguły dopiero w odpowiedzi na stymulację (synteza indukowana). Ostatnio opisano θ-defensyny syntetyzowane przez neutrofile niektórych gatunków z rzędu naczelne [4]. Warto podkreślić, iż u człowieka geny kodujące defensyny charakteryzują się wysokim stopniem polimorfizmu. Podobnie jak inne AMP, katelicydyny syntetyzowane są jako nieaktywne pre- -pro-peptydy, ale ich budowa jest unikalna i bardzo charakterystyczna dla tej grupy związków. Prekursory katelicydyn składają się z N-końcowego peptydu sygnałowego, domeny katelinowej o sekwencji zachowanej w ewolucji oraz C-końcowego rejonu zmiennego stanowiącego dojrzały peptyd. Sekwencja pre-pro-rejonu jest zachowana w ewolucji i składa się w większości przypadków z reszt aminokwasowych. W skład tej sekwencji wchodzi sekwencja sygnałowa zbudowana z reszt aminokwasowych, która reguluje uwalnianie biologicznie aktywnego peptydu. Domena katelinowa, o masie cząsteczkowej około 11 kda, składa się z 99 do 114 reszt aminokwasowych i jest charakterystyczna wyłącznie dla katelicydyn [5] (Ryc. 1). W jej obrębie zidentyfikowano dwie charakterystyczne dla katelicydyn sekwencje: na N-końcu sekwencję (Y-x-[ED]-x- V-x-[RQ]-A-[LIVMA]-[DQG]-x-[LIVMFY]-N-[EQ]) i w centralnej części sekwencję (F-x-[LIVM]-K-E-T-x-C-x(10)-C-x- -F-[KR]-[KE]) zawierającą dwie zachowane w ewolucji reszty cysteiny. Domena katelinowa wykazuje ponad 70% identyczności sekwencji z kateliną, białkiem wyizolowanym z neutrofili świni, będącym inhibitorem proteazy cysteinowej katepsyny L [6]. Sekwencje domeny katelinowej w katelicydynach pochodzących od różnych gatunków są do siebie w wysokim stopniu podobne, co wskazuje, że te peptydy ewoluowały poprzez powielanie i modyfikację wspólnego genu. Obecność tej unikalnej domeny katelinowej stało się podstawą wyróżnienia w 1995 roku odrębnej grupy AMP, katelicydyn [5]. Najbardziej zróżnicowana domena C-końcowa, zbudowana z reszt aminokwasowych, stanowi biologicznie aktywny dojrzały peptyd uwalniany z propeptydu w wyniku działania endogennych proteaz (proteinaza 3, proteazy serynowe, azurofilna elastaza, gastryksyna) [6-8]. Jest to możliwe dzięki temu, że domena C-końcowa jest połączona z domeną katelinową poprzez reszty aminokwasowe rozpoznawane przez specyficzne proteazy; najczęściej BUDOWA KATELICYDYN Rycina. 1. Schematyczne przedstawienie struktury i przetwarzania enzymatycznego katelicydyn. Pre-pro-peptyd składa się z zachowanej w ewolucji domeny katelinowej oraz rejonu zmiennego. W rejonie o sekwencji zachowanej w ewolucji znajduje się peptyd sygnałowy, który ukierunkowuje pre-pro-peptyd do ziarnistości lub błon komórkowych. Obok peptydu sygnałowego znajduje się domena katelinowa o sekwencji zachowanej w ewolucji, a następnie rejon zmienny o aktywności przeciwdrobnoustrojowej. Przetwarzanie pro-peptydu w dojrzały, aktywny peptyd katelicydyny zachodzi przy udziale różnych proteaz, w zależności od typu komórki lub tkanki. 94

3 jest to reszta waliny, w niektórych przypadkach reszty alaniny, izoleucyny lub treoniny. Katelicydyny ssaków wykazują duże zróżnicowanie strukturalne [9]. Co ciekawe, w obrębie katelicydyn homologia sekwencji C-końcowej jest niska, a zróżnicowanie masy cząsteczkowej oraz długości sekwencji jest znacznie większe, niż w przypadku innych rodzin peptydów przeciwdrobnoustrojowych. Najczęściej katelicydyny ssaków mają konformację α-helikalną i składają się z reszt aminokwasowych, są one jednak zupełnie różne od katelicydyn o strukturze α-helisy opisanych u owadów, płazów i ryb [10]. Opisano także cykliczne katelicydyny (cykliczny dodekapeptyd owcy, baktenecyna bydła), protegrynę o strukturze β-kartki oraz katelicydyny, których cząsteczki są bogate w reszty proliny i argininy (katelicydyny OaBac owcy, ChBac kozy oraz Bac u bydła) lub w tryptofan (indolicydyna). Początkowo katelicydyny klasyfikowano na podstawie sekwencji N-końcowych zachowanych w ewolucji. W kolejnych latach klasyfikację oparto na sekwencji zmiennej domeny C-końcowej. Nazwa danej katelicydyny jest albo akronimem (CRAMP, ang. cathelin-related antimicrobial peptide; BMAP, ang. bovine myeloid antimicrobial peptide), albo tworzona jest poprzez jednoliterowe symbole dwóch pierwszych reszt aminokwasowych obecnych w sekwencji danego peptydu wraz z określeniem liczby reszt aminokwasowych w danej cząsteczce (LL-37). W niektórych przypadkach nazwa odnosi się do specyficznych cech danego peptydu (cykliczny dodekapeptyd). Pierwszymi opisanymi katelicydynami są cekropiny A i B (37 reszt aminokwasowych) wyizolowane z poczwarek ciem gatunku Hyalophora cekropia [10], a pierwszą katelicydyną opisaną u ssaków jest wyizolowany z neutrofili bydlęcych cykliczny dodekapeptyd, baktenecyna [9]; nazwa pochodzi od sformułowania bacterium necare, czyli zabijający bakterie. Cząsteczka cyklicznego dodekapeptydu zawierająca dwie reszty cysteinowe jest pętlą złożoną z 12 reszt aminokwasowych stabilizowaną przez wiązania disiarczkowe. Interesujące wydaje się, że cykliczny dodekapeptyd wykazuje podobieństwo strukturalne do niektórych peptydów przeciwdrobnoustrojowych występujących u stawonogów i roślin [11]. Pochodną liniową cyklicznego dodekapeptydu jest peptyd Bac2A uzyskany poprzez zamianę dwóch reszt cysteinowych na dwie reszty alaninowe oraz dodanie reszty amidowej na C-końcu; wskazuje to, że reszty cysteiny są kluczowe dla utworzenia struktury kolistej [9,10]. Z neutrofilów bydlęcych wyizolowano także inne baktenecyny (Bac) posiadające strukturę liniową. Obecnie znane są trzy baktenecyny: Bac-4 (36 reszt aminokwasowych), Bac-5 (43 reszty aminokwasowe) i Bac-7 (60 reszt aminokwasowych) bogate w reszty proliny i argininy. Dodatkowo cząsteczka Bac-5 ma dołączoną na C-końcu grupę amidową [6,9,10], a w sekwencji powtarzające się motywy prolinowe PPIRPP. Z granulocytów królika wyizolowano natomiast pierwszą katelicydynę o strukturze α-helisy, CAP18 [12]. Wkrótce po jej odkryciu zaczęto poznawać i opisywać kolejne katelicydyny u wielu gatunków ssaków, ryb, gadów i płazów [7]. Do chwili obecnej u ssaków opisano wiele liniowych katelicydyn o zróżnicowanym składzie reszt aminokwasowych (Tab. 1). Są to m.in.: bydlęca indolicydyna (13 reszt aminokwasowych) zawierająca trzy regularnie rozmieszczone reszty proliny oraz niezwykle wysoki odsetek reszt tryptofanu (5 reszt), profeniny świni (1 i 2) i PR-39 oraz kozy (ChBac3.4 i ChBac5) [6,9,10]. Cechą wspólną tych katelicydyn jest obecność wielu reszt proliny i specyficzna sekwencja aminokwasów, które uniemożliwiają formowanie struktury α-helisy. Mogą one jednak w błonach biologicznych tworzyć większe struktury, takie jak dimery lub oligomery. Unikalną strukturę wykazuje katelicydyna CAP11 opisana u świnki morskiej, która dzięki obecności pojedynczej reszty cysteinowej na C-końcu dojrzałego peptydu tworzy homodimer połączony wiązaniem disiarczkowym. Ciekawą grupę katelicydyn stanowią protegryny świni (od PG-1 do PG-5) składające się z reszt aminokwasowych (w tym jedną lub dwie pary cystein), charakteryzujące się obecnością dwóch wewnątrzłańcuchowych wiązań disiarczkowych oraz grupą amidową na C-końcu. Badania z wykorzystaniem spektroskopii NMR wykazały, że PG-1 posiada dwuniciową, przeciwrównolegle ułożoną strukturę β-kartki, z łańcuchami połączonymi przez zakręty β, co decyduje o amfipatycznej konformacji cząsteczki, z centralnym obszarem hydrofobowym i dwoma hydrofilowymi końcami [6]. Należy podkreślić, że u wielu zwierząt opisano występowanie kilku katelicydyn kodowanych przez różne geny (Tab. 1). U owcy opisano 7 katelicydyn, u bydła 8, 11 katelicydyn o zróżnicowanej budowie zidentyfikowano u świń i są to katelicydyny o budowie α-helisy lub β-kartki, bogate w reszty proliny i argininy oraz cząsteczki stabilizowane przez wiązania disiarczkowe. Przyczyna takiej różnorodno- Tabela 1. Pochodzenie, struktura i sekwencja reszt aminokwasowych katelicydyn ssaków. Reszty cysteinowe tworzące mostki disiarczkowe zostały pogrubione i podkreślone. pochodzenie peptyd Gen struktura sekwencja (liczba reszt aminokwasowych) królik CAP18 CAMP α-helisa GLRKRLRKFRNKIKEKLKKIGQKIQGLLPKLAPRTDY (37) mysz mcramp Camp α-helisa GLLRKGGEKIGEKLKKIGQKIKNFFQKLVPQPEQ (34) szczur rcramp Camp α-helisa GLVRKGGEKFGEKLRKIGQKIKEFFQKLALEIEQ (34) świnka morska CAP11 Camp α-helisa homodimer połączony S-S (GLRKKFRKTRKRIQKLGRKIGKTGRKVWK AWREYGQIPYPCRI)2 (43)2 człowiek LL-37 CAMP α-helisa LLGDFFRKSKEKIGKEFKRIVQRIKDFLRNLVPRTES (37) rezus RL-37 CAMP α-helisa RLGNFFRKVKEKIGGGLKKVGQKIKDFLGNLVPRTAS (37) makak pobrl-37 α-helisa RLGNFFRKAKKKIGRGLKKIGQKIKDFLGNLVPRTES (37) orangutan ppprl-37 α-helisa LLGDFFRKAREKIGEEFKRIVQRIKDFLRNLVPRTES (37) Postępy Biochemii 61 (1)

4 Tabela 1 cd. Pochodzenie, struktura i sekwencja reszt aminokwasowych katelicydyn ssaków. Reszty cysteinowe tworzące mostki disiarczkowe zostały pogrubione i podkreślone. pochodzenie peptyd Gen struktura sekwencja (liczba reszt aminokwasowych) gibbon hmdsl-37 α-helisa SLGNFFRKARKKIGEEFKRIVQRIKDFLQHLIPRTEA (37) kot FeCath CAMP α-helisa QLGELIQQGGQKIVEKIQKIGQRIRDF (37) pies K9CATH CAMP α-helisa RLKELITTGGQKIGEKIRRIGQRIKDFF (38) panda Cathelicidin-AM nieznana GRLRNLIEKAGQNIRGKIQGIGRRIKDILKNLQPRPQV (38) SMAP-29 SC5 α-helisa RGLRRLGRKIAHGVKKYGPTVLRIIRIAG (29) SMAP-34 α-helisa GLFGRLRDSLQRGGQKILEKAERIWCKIKDIFR (33) OaBac5 BAC5 bogata w Pro i Arg RFRPPIRRPPIRPPFRPPFRPPVRPPIRPPFRPPFRPPIGPFP (43) OaBac6 bogata w Pro i Arg RRLRPRHQHFPSERPWPKPLPLPLPRPGPRP WPKPLPLPLPRPGLRPWPKPL (52) owca RRLRPRRPRLPRPRPRPRPRPRSLPLPRPQPRRI OaBac7.5 CATHL3 bogata w Pro i Arg PRPILLPWRPPRPIPRPQIQPIPRWL (60) cykliczny dodekapeptyd CATHL1B nieznana RICRIIFLRVCR (12) OaBac11 bogata w Pro i Arg RRLRPRRPRLPRPRPRPRPRPRSLPLPRPKPRPIPRPLPLPRPRPKPI PRPLPLPRPRPRRIPRPLPLPRPRPRPIPRPLPLPQ (94) koza ChBac3.4 bogata w Pro i Arg RFRLPFRRPPIRIHPP (26) ChBac5 BAC5 bogata w Pro i Arg RFRPPIRRPPIRPPFNPPFRPPVRPPFRPPFRPPFRPPIGPFP (43) ecath-1 ECATH-3 α-helisa KRFGRLAKSFLRMRIL (26) koń ecath-2 ECATH-2 α-helisa KRRHWFPLSFQEFLEQLRRFRDQLPFP (27) ecath-3 ECATH-3 α-helisa KRFHSVGSLIQRHQQMIRDKSEATRHGIRI (40) osioł EA-CATH1 α-helisa KRRGSVTTRYQFLMIHLLRPKKLFA (25) indolicydyna CATHL4 bogata w Trp ILPWKWPWWPWRR-NH2 (13) baktenecyna CATHL1 cykliczny dodekapeptyd RLCRIVVIRVCR (12) Bac-4 bogata w Pro i Arg RRLHPQHQRFPRERPWPKPLSLPLPRPGPRPWPKPL (36) Bac-5 CATHL2 bogata w Pro i Arg RFRPPIRRPPIRPPFYPPFRPPIRPPIFPPIRPPFRPPLGPFP (43) bydło RRIRPRPPRLPRPRPRPLPFPRPGPRPIPRPLPFP Bac-7 CATHL3 bogata w Pro i Arg RPGPRPIPRPLPFPRPGPRPIPRPL (60) BMAP-27 CATHL6 α-helisa GRFKRFRKKFKKLFKKL (27) BMAP-28 CATHL5 α-helisa GGLRSLGRKILRAWKKYGPIIVPIIRIG (28) BMAP-34 nieznana GLFRRLRDSIRRGQQKILEKARRIGERIKDIFRG (34) jeleń P9 bogata w Pro i Arg RFIPPILRPPVRPPFRPPFRPPFRPPPIIRFFGG (34) protegryna-1 NPG1 beta RGGRLCYCRRRFCVCVGR (18) protegryna-2 PG-2 mostek S-S RGGRLCYCRRRFCICV (16) protegryna-3 NPG3 mostek S-S RGGGLCYCRRRFCVCVGR (18) protegryna-4 NPG4 mostek S-S RGGRLCYCRGWICFCVGR (18) protegryna-5 mostek S-S RGGRLCYCRPRFCVCVGR (18) PMAP-23 PMAP-23 α-helisa RIIDLLWRVRRPQ (23) świnia PMAP-36 PMAP-36 α-helisa VGRFRRLRKKTRKRLKKIGKVLKWIPPIVGSIPLGCG (37) PMAP-37 NPG4 α-helisa GLLSRLRDFLSDRGRRLGEKIERIGQKIKDLSEFFQS (37) PR-39 PR39 bogata w Pro i Arg RRRPRPPYLPRPRPPPFFPPRLPPRIPPGFPPRFPPRFP (39) profenina-1 bogata w Pro AFPPPNVPGPRFPPPNFPGPRFPPPNFPGPRF PPPNFPGPRFPPPNFP GPPFPPPIFPGPWFPPPPPFR (79) profenina-2 bogata w Pro AFPPPNVPGPRFPPPNVPGPRFPPPNFPGPRFPPPNFPGPRF PPPNFPGPPFPPPIFPGPWFPPPPPFRPPPFGPPRFP (79) walabia WAM1 nieznana KRGFGKKLRKRLKKFRNSIKKRLKNFNVVIPIPLPG (36) WAM2 nieznana KRGLWESLKRKATKLGDDIRNTLRNFKIKFPVPRQG (36) dziobak PAM1 nieznana RTKRRIKLIKNGVKKVKDILKNNNIIILPGSNEK (34) PAM2 nieznana RPWAGNGSVHRYTVLSPRLKTQ (22) 96

5 ści pozostaje do chwili obecnej niejasna. Interesujące wydaje się, że u wszystkich ssaków co najmniej jedna katelicydyna ma budowę α-helikalną, co mogłoby wskazywać, że to właśnie taka cząsteczka jest prototypem dla innych katelicydyn. Istnieją sugestie, że obecność wielu różnych katelicydyn u jednego gatunku może wynikać ze specyficznych warunków środowiskowych i występowania w nich określonych patogenów. Interesujące są dane, że zarówno u gryzoni (mysz, szczur, świnka morska), królików, małp, psów i kotów, opisano dotychczas pojedyncze geny dla katelicydyny [6]. Wszystkie z nich kodują peptydy o strukturze α-helisy oraz podobnej sekwencji domeny prekursorowej, ale z bardzo zróżnicowaną sekwencją C-końcową. Kilka katelicydyn zidentyfikowano także u innych kręgowców, przy czym większość z nich posiada strukturę α-helisy. U kury domowej opisano dotychczas 4 katelicydyny [13]: CATH-1 (26 reszt aminokwasowych), CATH-3 (29 reszt aminokwasowych), CATH-2 (27 reszt aminokwasowych) oraz Cath-B1 (94 reszty aminokwasowe); w ich sekwencji występują reszty cysteiny w pozycji charakterystycznej dla wszystkich katelicydyn. Obecność katelicydyn opisano także u ryb. U łososia jest to rtcath-1, 66 aminokwasowa katelicydyna bogata w glicynę; u dorsza atlantyckiego CodCath, 67 aminokwasowa katelicydyna bogata w reszty glicyny i seryny. U ewolucyjnie bardziej rozwiniętych węży opisano natomiast obecność katelicydyn o budowie α-helikalnej, OH-CATH (kobra królewska; 36 reszt aminokwasowych) i NA-CATH (kobra pospolita; 34 reszty aminokwasowe), BF-CATH (Bungarus fasciatus; 34 reszty aminokwasowe) oraz występującą w jadzie Bungarus fasciatus katelicydyna-bf (30 reszt aminokwasowych). Obecność dwóch katelicydyn stwierdzono także u prymitywnych kręgowców, śluzic. Są to kodowane przez geny MgCaths peptydy HFIAP-1 (37 reszt aminokwasowych) oraz HFIAP-3 (30 reszt aminokwasowych), o typowym układzie reszt hydrofilowych i hydrofobowych, który obserwuje się w katelicydynach o strukturze α-helisy [14]. Z drugiej strony, katelicydyny śluzic posiadają w sekwencji jedną lub dwie nietypowe reszty mono-bromowanego tryptofanu, co prawdopodobnie czyni je mniej podatnymi na degradację proteolityczną [8]. Domeny katelinowe u śluzic wykazują bardzo niski poziom podobieństwa sekwencji z domenami katelinowymi u innych kręgowców, szczególnie u ssaków. Jednak w domenie katelinowej u śluzic, podobnie jak u ptaków, ryb i u większości ssaków, zachowane jest charakterystyczne rozmieszczenie czterech reszt cysteiny oraz obecność konserwatywnego odcinka F-x-[IV]-x-E-T-x- -C-x(10)-C zawierającego 2 reszty cysteiny. KATELICYDYNA LL-37 U człowieka opisano dotychczas tylko jedną katelicydynę LL-37. Badania z wykorzystaniem metod spektroskopii, zarówno w podczerwieni [15], jak i spektroskopii NMR [16] wykazały, że LL-37 to kationowy peptyd, o liniowej, α-helikalnej strukturze. W czystej wodzie LL-37 tworzy strukturę zwoju, a w obecności błon biologicznych lub w roztworach o milimolarnym stężeniu soli tworzy kationowe, amfipatyczne struktury α-helikalne, składające się z trzech części [16]. Są to rozdzielone od siebie N-końcowa i C-końcowa α-helisa oraz odcinek na C-końcu. Dotychczasowe badania wykazały, że N-końcowa helisa bierze udział w oligomeryzacji peptydu oraz zapewnia cząsteczce oporność na trawienie przez proteazy, a sekwencja C-końcowa ma znaczenie dla powstawania tetramerów peptydów katelicydyn [7]. Nieaktywne białko prekursorowe hcap18 jest kodowane przez gen CAMP. Aktywna forma LL-37 pierwotnie wchodzi w skład C-końca hcap18. Gen CAMP składa się z czterech eksonów i jest zlokalizowany na chromosomie 3 (3p21.31), w bliskim sąsiedztwie genów kodujących receptor TLR9 oraz białko Myd88 (3p22). Opisano dwa warianty splicingowe tego genu, kodujące odpowiednio białko prekursorowe o długości 173 (745 pz) i 170 (714 pz) reszt aminokwasowych. Do niedawna uważano, że LL-37 jest jedyną aktywną formą katelicydyny człowieka. Wykazano jednak, że LL-37 jest peptydem wrażliwym na trawienie proteolityczne, co prowadzi do powstania, głównie w skórze, wielu peptydów będących pochodnymi LL-37. Obecnie uważa się, że peptyd LL-37 stanowi jedynie około 20% katelicydyn obecnych w skórze, natomiast większość to małe peptydy będące jej pochodnymi. Powstają one w skutek proteolitycznego trawienia LL-37 przez dwie proteazy serynowe należące do rodziny kalikrein tkankowych: SCTE (ang. stratum corneum tryptic enzyme; kalikreina 5) oraz SCCE (ang. stratum corneum chymotryptic enzyme; kalikreina 7). Ze względu na specyficzność działania, każda z tych proteaz generuje inne pochodne LL-37. Pod wpływem działania SCTE powstają trzy peptydy: KS30, KS22 oraz LL29, a rozszczepienie LL- 37 przez SCCE prowadzi do powstania peptydów RK31 i KR20. Co niezwykle interesujące, działanie SCTE prowadzi do powstania pochodnych LL-37 (KS30, KS22 i LL29) o bardzo silnych właściwościach przeciwdrobnoustrojowych, ale nie wykazujących aktywności chemotaktycznej. Z kolei SCCE pełni raczej funkcję inaktywatora LL-37, zamiast generatora peptydów przeciwbakteryjnych [17,18], a peptydy RK31 i KR20 wykazują silną aktywność przeciwgrzybową [19]. Tym samym stosunek ilościowy pomiędzy pochodnymi LL-37 może mieć wpływ na utrzymanie równowagi pomiędzy ich aktywnością przeciwdrobnoustrojową, a funkcją immunomodulacyjną. Niezwykle interesującą pochodną LL-37 jest peptyd ALL-38 zawierający dodatkową resztę alaniny na N-końcu. Aktywny peptyd ALL-38 powstaje w pochwie w warunkach kwaśnego ph, na drodze rozszczepienia białka prekursorowego hcap18 pochodzącego ze spermy przez obecną w nasieniu proteinazę, gastriksinę. Istnieją sugestie, że mechanizm ten stanowi ważny element obrony zapobiegający zakażeniom po stosunku płciowym [20]. Należy podkreślić, że LL-37 wykazuje działanie przeciwbakteryjne [6,7,9,10,21], przeciwwirusowe [18] i przeciwgrzybowe [19,22] oraz chemotaktyczne, jak i nasilające uwalnianie cytokin [23], podobnie jak defensyny w niskich, mikromolarnych stężeniach. SYNTEZA KATELICYDYN I ICH RECEPTOR Zawartość katelicydyn w znacznym stopniu zależy od rodzaju komórki oraz jej stanu czynnościowego [24]. Peptydy te są syntetyzowane przez komórki pozostające w bezpośrednim kontakcie ze środowiskiem zewnętrznym, gdzie stanowią niezwykle ważny mechanizm obrony wrodzonej skierowanej przeciwko patogenom. Ich obecność stwier- Postępy Biochemii 61 (1)

6 dzono w komórkach nabłonkowych jelita [25], dróg oddechowych [26], układu moczowo-płciowego [27], powierzchni gałki ocznej [7] oraz skóry [21,28], a także w gruczołach ekrynowych [7,29]. W większości przypadków synteza katelicydyn w komórkach nabłonka jest konstytutywna. Jednak w keratynocytach jest ona indukowana, a białko prekursorowe magazynowane w ziarnistościach i ciałkach lamelarnych [28] i przekształcane w aktywny peptyd pod wpływem kalikreiny [18,30-32]. Do czynników indukujących wytwarzanie katelicydyn zalicza się insulinopodobny czynnik wzrostu 1 (IGF1, somatomedyna C) oraz silne cytokiny prozapalne, takie jak czynnik martwicy nowotworu (TNF) [33], interleukina (IL-1)α, IL-6 [34], interferon (IFN)-γ [35], IL-17A [36]. Synteza katelicydyn jest również stymulowana infekcją bakteryjną [37]. Katelicydyny są wytwarzane konstytutywnie także przez wiele komórek zaangażowanych w mechanizmy odporności wrodzonej, w tym przez neutrofile [6,7,38], komórki NK [39] oraz komórki tuczne [7,40] i magazynowane w ziarnistościach cytoplazmatycznych w postaci prekursorów. Aktywacja tych komórek prowadzi do ich degranulacji, a tym samym do uwolnienia nieaktywnego białka prekursorowego, który w przestrzeni międzykomórkowej ulega przekształceniu przy udziale specyficznych proteaz do postaci aktywnego peptydu [6,8,41]. W przypadku LL-37, przekształcenie w neutrofilach w aktywny peptyd zachodzi pod wpływem proteinazy 3 [30-32]. Syntezę tych peptydów wykazano ponadto w komórkach dendrytycznych [7,38], monocytach/makrofagach oraz limfocytach [7]. Geny kodujące katelicydyny mają wielkość około 2 kpz i posiadają jednakową organizację, składają się z czterech eksonów oraz trzech intronów [9,41]. Peptyd sygnałowy i domena katelinowa są kodowane przez eksony I - III, a C- -końcowy region zmienny przez ekson IV. Sekwencja odpowiadająca dojrzałemu peptydowi w regionie eksonu IV jest jedyną polimorficzną sekwencją w genach kodujących katelicydyny. Praktycznie jednakowa organizacja strukturalna i wysoki procent identycznych nukleotydów w sekwencji genów dla katelicydyn wskazuje na pochodzenie z tego samego prekursora genu. Wskazuje również na to umiejscowienie na chromosomie, gdzie geny kodujące różne katelicydyny u bydła, owiec i świń są położone w bliskim sąsiedztwie [41]. W keratynocytach i monocytach/makrofagach ekspresja genu CAMP pozostaje pod kontrolą aktywnego biologicznie metabolitu witaminy D 3 (1,25-dihydroksywitamina D 3 ), będącego ligandem jądrowego receptora VDR, wiążącego się do licznych sekwencji VDRE (ang. vitamin D-responsive element) umiejscowionych w regionie promotorowym genu [21,42,43]. Co ciekawe, u zwierząt prowadzących głównie nocny tryb życia, ekspresję genu kodującego katelicydyny indukuje nie witamina D, a tlenek azotu (NO) [7]. U myszy, ekspresja genu dla mcramp jest regulowana przez indukowane hipoksją białko HIF-1α (ang. hypoxia-inducible factor) odgrywające kluczową rolę w nasilaniu bakteriobójczych zdolności komórek fagocytarnych, takich jak makrofagi i neutrofile [44]. Dane na temat funkcjonalnego receptora dla katelicydyn są niejednoznaczne i niepełne. LL-37 wydaje się być agonistą receptora formylowanych peptydów FPR2 należącego do rodziny receptorów sprzężonych z białkiem G (GPCR) [23,45]. Specyficzny bloker FPR2 jedynie częściowo hamuje efekt indukowany LL-37, co może wskazywać na istnienie innych receptorów dla tej katelicydyny [7]. LL-37 może aktywować komórki również poprzez receptory MrgX2 (ang. mas-related gene X2) [46] oraz receptor chemokinowy CXCR2 [47]. Niektóre dane dokumentują, iż LL-37 wywiera efekt poprzez receptor purynergiczny P2X 7 [29,48]; rcramp natomiast aktywuje purynergiczny receptor P2Y 11 w komórkach gleju [49]. Wskazuje się, że LL-37 może wywierać efekt poprzez oddziaływanie z receptorami o aktywności kinazy tyrozynowej - receptor insulinopodobnego czynnika wzrostu (IGF-1R) [50] i receptor naskórkowego czynnika wzrostu (EGFR) [51]. MECHANIZM DZIAŁANIA KATELICYDYN I ICH ROLA W ORGANIZMIE Mechanizm działania peptydów kationowych polega na dezintegracji błony komórkowej poprzez tworzenie kanałów, depolaryzację lub fragmentację błony. Biorąc pod uwagę sposób oddziaływania katelicydyn z błoną komórkową wyróżniono kilka modeli zaburzenia ciągłości błony. Według modelu dywanowego peptydy układają się na powierzchni błony komórkowej, równolegle do jej płaszczyzny. Po osiągnięciu odpowiednio wysokiego stężenia zaczynają działać podobnie jak detergenty, co prowadzi do formowania w błonie porów oraz jej fragmentacji w wyniku formowania miceli. Model klepek beczki zakłada, że katelicydyny wbudowują się w błonę komórkową prostopadle do jej płaszczyzny, ich hydrofilowe części są skierowane do światła powstałego kanału, a regiony hydrofobowe oddziałują z warstwą lipidową. Mechanizm porów toroidalnych polega na tworzeniu porów w błonie komórki docelowej, ale hydrofilowe regiony katelicydyny łączą się z resztami fosfolipidowymi, a hydrofobowe z lipidami [10,22]. Model formowania porów toroidalnych wykazują protegryny [22,52], a model dywanowy opisano w przypadku LL-37 [53,54]. Oddziaływania katelicydyn z błonami mają charakter elektrostatyczny i zachodzą pomiędzy kationowym peptydem i anionowymi komponentami powierzchniowymi komórki bakteryjnej [9]. W przypadku bakterii Gram-ujemnych katelicydyny oddziałują z anionowym lipopolisacharydem (LPS), wiążą dwuwartościowe kationy (Ca 2+ i Mg 2+ ) stabilizujące jego strukturę i warunkujące połączenie z błoną zewnętrzną. W przypadku bakterii Gram-dodatnich katelicydyny oddziałują z peptydoglikanem (PGN), kwasami tejchojowymi oraz lipotejchojowymi. Katelicydyny wiążą się również z ujemnie naładowanymi lipidami błon komórkowych, to jest kardiolipiną, fosfatydyloglicerolem lub fosfatydyloseryną [55]. Katelicydyny mogą indukować śmierć komórki docelowej także poprzez hamowanie biosyntezy składników ściany komórkowej [54,56], syntezy białek, DNA lub RNA lub hamowanie aktywności enzymów [22]. Dodatkowo, katelicydyny wykazują działanie protekcyjne poprzez wiązanie i neutralizację wolnych komponentów bakteryjnych, takich jak endotoksyna, kwas lipotejchojowy czy lipoarabinomannan prątków [41]. Wykazano również, 98

7 że LL-37 wpływa na powstawanie (niskie stężenie LL-37) i utrzymywanie się biofilmów bakteryjnych (wysokie stężenie LL-37) utworzonych przez Pseudomonas aeruginosa. Ma to związek z zaburzeniem przez LL-37 mechanizmu quorum-sensing poprzez zmniejszanie ekspresji genów bakteryjnych (LasI, rhlr) związanych z tym systemem przekazywania informacji. LL-37 zwiększa syntezę pili typu IV, co zaburza strukturę biofilmu i obniża zdolność do łączenia się bakterii ze sobą i z podłożem [57,58]. Należy podkreślić, że dla aktywności LL-37 kluczowa jest struktura drugorzędowa. Zamiana w sekwencji L-aminokwasów na D-aminokwasy nie prowadzi do utraty ich właściwości, czyni jednak peptyd bardziej podatnym na działanie proteaz [9]. Natomiast nawet niewielkie zmiany ładunku, struktury helisy lub hydrofobowości mają znaczny wpływ na aktywność LL-37 [59-61]. Warto zaznaczyć, że wiele enzymów bakteryjnych może degradować katelicydyny. Aureolizyna Staphylococcus aureus całkowicie degraduje LL-37, natomiast proteza V8 tego gatunku trawi LL-37 na mniejsze fragmenty, które nadal wykazują aktywność przeciwbakteryjną [62]. Także inne bakterie mogą syntetyzować enzymy degradujące LL-37. Takie działanie wykazuje elastaza Pseudomonas aeruginosa, metaloproteinazy i żelatynaza Proteus mirabilis i Enterococcus faecalis [62] oraz karylizyna Tannerella forsynthia [7,63]. Katelicydyny wykazują silne bezpośrednie działanie skierowane nie tylko przeciwko bakteriom [57,58,64], ale także grzybom [19,22,65] i wirusom [18,66,67]. Niektóre z nich mają jednak słabą aktywność bakteriobójczą, natomiast wykazują działanie immunomodulujące, warunkujące koordynację mechanizmów obronnych, co pozwala na bardziej skuteczną eliminację patogenów i komórek nowotworowych. Aktywują także wrodzone mechanizmy odpowiedzi odpornościowej i regulują przebieg procesów zapalnych oraz inicjują odporność nabytą [68,69]. Poszczególne aktywności przeciwdrobnoustrojowe różnych katelicydyn w pewnym stopniu pokrywają się, chociaż wykazano specyficzność działania wobec docelowych bakterii, nawet w obrębie peptydów o bardzo podobnej strukturze i właściwościach fizykochemicznych. Dobrym przykładem zróżnicowania aktywności są α-helikalne SMAP-29 oraz BMAP-27 i BMAP-28. Wszystkie trzy katelicydyny, w stężeniach mikromolarnych i sub-mikromolarnych, inaktywują bakterie Gram-ujemne i Gram-dodatnie in vitro, w tym klinicznie istotne szczepy bakterii wielolekoopornych, grzyby, pasożyty i wirusy otoczkowe. Jednak, pomimo wysokiego podobieństwa sekwencji (58,6% pomiędzy BMAP-28 i SMAP-29 oraz 28,5% pomiędzy BMAP-27 i BMAP-28) to SMAP-29 wykazuje najszerszy i najsilniejszy zakres działania [70]. PODSUMOWANIE Podstawową funkcją układu odpornościowego jest obrona organizmu przed patogenami realizowana przez szereg uzupełniających się mechanizmów i czynników, w tym przez peptydy przeciwdrobnoustrojowe (AMP) wykazujące szerokie spektrum działania przeciw bakteriom, wirusom, grzybom oraz pasożytom. W ciągu ostatniej dekady odkryto i opisano szereg AMP, w tym także katelicydyny, cząsteczki posiadające charakterystyczną domenę katelinową o sekwencji zachowanej w ewolucji oraz zmienną C- -końcową domenę stanowiącą dojrzały peptyd o właściwościach przeciwdrobnoustrojowych. Katelicydyny stanowią grupę uniwersalnych czynników przeciwdrobnoustrojowych; opisano je zarówno u owadów jaki i u kręgowców, u tych prymitywnych (śluzice), jak i u ssaków. Tak szerokie ich występowanie wskazuje na ich kluczową rolę w odporności skierowanej przeciwko mikroorganizmom, w obrębie której działają jako endogenne antybiotyki lub jako cząsteczki efektorowe stanowiące istotną część wrodzonego układu odpornościowego. Wyniki wielu badań wykazały, że biologiczna rola katelicydyn jest bardzo zróżnicowana i związana zarówno z bezpośrednim zabijaniem drobnoustrojów, jak działaniem immunomodulującym. Mimo prostej budowy, katelicydyny wykazują wyjątkowy i bardzo złożony mechanizm działania, realizowany z udziałem wielu różnych komórek, ich receptorów oraz różnych szlaków sygnałowych. Należy także podkreślić, że ich działanie jest często uwarunkowane warunkami środowiskowymi oraz stanem fizjologicznym komórek. Ponadto zdolność do modulowania lub wywoływania różnych reakcji związanych z obroną gospodarza, takich jak chemotaksja komórek zapalnych i ich aktywacja, wskazuje na wysoki poziom integracji tych cząstek efektorowych z innymi mechanizmami odporności wrodzonej. AMP takie jak defensyny i katelicydyny pełnią podobne funkcje, co stanowi pprzyczynę silniejszego i bardziej zróżnicowanego działania przeciwdrobnoustrojowego. Podsumowując, zdolność katelicydyn do nasilania wrodzonej odpowiedzi immunologicznej, w celu kontroli infekcji oraz zdolność do kontrolowania zapalenia sprawia, że katelicydyny stanowią atrakcyjne źródło nowych związków terapeutycznych, o działaniu przeciwinfekcyjnym i przeciwzapalnym. PIŚMIENNICTWO 1. Steinstraesser L, Kraneburg U, Jacobsen F, Al-Benna S (2011) Host defense peptides and their antimicrobial-immunomodulatory duality. Immunobiology 216: Auvynet C, Rosenstein Y (2009) Multifunctional host defense peptides: antimicrobial peptides, the small yet big players in innate and adaptive immunity. FEBS J 276: Choi KY, Chow LN, Mookherjee N (2012) Cationic host defence peptides: multifaceted role in immune modulation and inflammation. J Innate Immun 4: Tongaonkar P, Tran P, Roberts K, Schaal J, Osapay G, Tran D, Ouellette AJ, Selsted ME (2011) Rhesus macaque θ-defensin isoforms: expression, antimicrobial activities, and demonstration of a prominent role in neutrophil granule microbicidal activities. J Leukoc Biol 89: Zanetti M, Gennaro R, Romeo D (1995) Cathelicidins: a novel protein family with a common proregion and a variable C-terminal antimicrobial domain. FEBS Lett 374: Tomasinsig L, Zanetti M (2005) The cathelicidins - structure, function and evolution. Curr Protein Pept Sci 6: Vandamme D, Landuyt B, Luyten W, Schoofs L (2012) A comprehensive summary of LL-37, the factotum human cathelicidin peptide. Cell Immunol 280: Shinnar AE, Butler KL, Park HJ (2003) Cathelicidin family of antimicrobial peptides: proteolytic processing and protease resistance. Bioorg Chem 31: Gennaro R, Zanetti M (2000) Structural features and biological activities of the cathelicidin-derived antimicrobial peptides. Biopolymers 55: Postępy Biochemii 61 (1)

8 10. Tossi A, Sandri L, Giangaspero A (2000) Amphipathic, alpha-helical antimicrobial peptides. Biopolymers 55: Gennaro R, Zanetti M, Benincasa M, Podda E, Miani M (2002) Pro-rich antimicrobial peptides from animals: structure, biological functions and mechanism of action. Curr Pharm Des 8: Larrick JW, Morgan JG, Palings I, Hirata M, Yen MH (1991) Complementary DNA sequence of rabbit CAP18 - a unique lipopolysaccharide binding protein. Biochem Biophys Res Commun 179: Lynn DJ, Higgs R, Gaines S, Tierney J, James T, Lloyd AT, Fares MA, Mulcahy G, O Farrelly C (2004) Bioinformatic discovery and initial characterisation of nine novel antimicrobial peptide genes in the chicken. Immunogenetics 56: Uzzell T, Stolzenberg ED, Shinnar AE, Zasloff M (2003) Hagfish intestinal antimicrobial peptides are ancient cathelicidins. Peptides 24: Tossi A, Scocchi M, Skerlavaj B, Gennaro R (1994) Identification and characterization of a primary antibacterial domain in CAP18, a lipopolysaccharide binding protein from rabbit leukocytes. FEBS Lett 339: Porcelli F, Verardi R, Shi L, Henzler-Wildman KA, Ramamoorthy A, Veglia G (2008) NMR structure of the cathelicidin-derived human antimicrobial peptide LL-37 in dodecylphosphocholine micelles. Biochemistry 47: Yamasaki K, Schauber J, Coda A, Lin H, Dorschner RA, Schechter NM, Bonnart C, Descargues P, Hovnanian A, Gallo RL (2006) Kallikrein- -mediated proteolysis regulates the antimicrobial effects of cathelicidins in skin. FASEB J 20: Wang G, Watson KM, Buckheit RW Jr (2008) Anti-human immunodeficiency virus type 1 activities of antimicrobial peptides derived from human and bovine cathelicidins. Antimicrob Agents Chemother 52: Murakami M, Lopez-Garcia B, Braff M, Dorschner RA, Gallo RL (2004) Postsecretory processing generates multiple cathelicidins for enhanced topical antimicrobial defense. J Immunol 172: Sørensen OE, Gram L, Johnsen AH, Andersson E, Bangsbøll S, Tjabringa GS, Hiemstra PS, Malm J, Egesten A, Borregaard N (2003) Processing of seminal plasma hcap-18 to ALL-38 by gastricsin: a novel mechanism of generating antimicrobial peptides in vagina. J Biol Chem 278: Schauber J, Gallo RL (2008) Antimicrobial peptides and the skin immune defense system. J Allergy Clin Immunol 122: Jenssen H, Hamil P, Hancock RE (2006) Peptide antimicrobial agents. Clin Microbiol Rev 19: Tjabringa GS, Ninaber DK, Drijfhout JW, Rabe KF, Hiemstra PS (2006) Human cathelicidin LL-37 is a chemoattractant for eosinophils and neutrophils that acts via formyl-peptide receptors. Int Arch Allergy Immunol 140: Yang D, Biragyn A, Hoover DM, Lubkowski J, Oppenheim JJ (2004) Multiple roles of antimicrobial defensins, cathelicidins, and eosinophil-derived neurotoxin in host defense. Annu Rev Immunol 22: Hase K, Eckmann L, Leopard JD, Varki N, Kagnoff MF (2002) Cell differentiation is a key determinant of cathelicidin LL-37/human cationic antimicrobial protein 18 expression by human colon epithelium. Infect Immun 70: Bals R, Wang X, Zasloff M, Wilson JM (1998) The peptide antibiotic LL-37/hCAP- 18 is expressed in epithelia of the human lung where it has broad antimicrobial activity at the airway surface. Proc Natl Acad Sci USA 95: Frohm NM, Sandstedt B, Sorensen O, Weber G, Borregaard N, Stahle-Backdahl M (1999) The human cationic antimicrobial protein (hcap18), a peptide antibiotic, is widely expressed in human squamous epithelia and colocalizes with interleukin-6. Infect Immun 67: Braff MH, Di NA, Gallo RL (2005) Keratinocytes store the antimicrobial peptide cathelicidin in lamellar bodies. J Invest Dermatol 124: Pochet S, Tandel S, Querriére S, Tre-Hardy M, Garcia-Marcos M, De Lorenzi M, Vandenbranden M, Marino A, Devleeschouwer M, Dehaye JP (2006) Modulation by LL-37 of the responses of salivary glands to purinergic agonists. Mol Pharmacol 69: Anderson RC, Rehders M, Yu PL (2008) Antimicrobial fragments of the pro-region of cathelicidins and other immune peptides. Biotechnol Lett 30: Sorensen OE, Follin P, Johnsen AH, Calafat J, Tjabringa GS, Hiemstra PS, Borregaard N (2001) Human cathelicidin, hcap-18, is processed to the antimicrobial peptide LL-37 by extracellular cleavage with proteinase 3. Blood 97: Morizane S, Yamasaki K, Kabigting FD, Gallo RL (2010) Kallikrein expression and cathelicidin processing are independently controlled in keratinocytes by calcium, vitamin D(3), and retinoic acid. J Invest Dermatol 130: Sorensen OE, Cowland JB, Theilgaard-Monch K, Liu L, Ganz T, Borregaard N (2003) Wound healing and expression of antimicrobial peptides polypeptides in human keratinocytes, a consequence of common growth factors. J Immunol 170: Erdag G (2002) Interleukin-1α and interleukin-6 enhance the antibacterial properties of cultured composite keratinocyte grafts. Ann Surg 235: Koeffler HP, Reichel H, Bishop JE, Norman AW (1985) Gamma-interferon stimulates production of 1,25-dihydroxyvitamin D3 by normal human macrophages. Biochem Biophys Res Commun 127: Peric M, Koglin S, Kim SM, Morizane S, Besch R, Prinz JC, Ruzicka T, RL Gallo, Schauber J (2008) IL-17A enhances vitamin D3-induced expression of cathelicidin antimicrobial peptide in human keratinocytes. J Immunol 181: Midorikawa K, Ouhara K, Komatsuzawa H, Kawai T, Yamada S, Fujiwara T, Yamazaki K, Sayama K, Taubman MA, Kurihara H, Hashimoto K, Sugai M (2003) Staphylococcus aureus susceptibility to innate antimicrobial peptides, beta-defensins and CAP18, expressed by human keratinocytes. Infect Immun 71: Yang D, de la Rosa G, Tewary P, Oppenheim JJ (2009) Alarmins link neutrophils and dendritic cells. Trends Immunol 30: Buchau AS, Morizane S, Trowbridge J, Schauber J, Kotol P, Bui JD, Gallo RL (2010) The host defense peptide cathelicidin is required for NK cell-mediated suppression of tumor growth. J Immunol 184: Di NA, Vitiello A, Gallo RL (2003) Cutting edge: mast cell antimicrobial activity is mediated by expression of cathelicidin antimicrobial peptide. J Immunol 170: Zanetti M (2005) The role of cathelicidins in the innate host defenses of mammals. Curr Issues Mol Biol 7: Gombart AF, Borregaard N, Koeffler HP (2005) Human cathelicidin antimicrobial peptide (CAMP) gene is a direct target of the vitamin D receptor and is strongly up-regulated in myeloid cells by 1,25-dihydroxyvitamin D3. FASEB J 19: Segaert S (2008) Vitamin D regulation of cathelicidin in the skin: toward a renaissance of vitamin D in dermatology? J Invest Dermatol 128: Peyssonnaux C, Boutin AT, Zinkernagel AS, Datta V, Nizet V, Johnson RS (2008) Critical role of HIF-1α in keratinocyte defense against bacterial infection. J Invest Dermatol 128: Fu H, Karlsson J, Bylund J, Movitz C, Karlsson A, Dahlgren C (2006) Ligand recognition and activation of formyl peptide receptors in neutrophils. J Leukoc Biol 79: Subramanian H, Gupta K, Guo Q, Price R, Ali H (2011) Mas-related gene X2 (MrgX2) is a novel G protein-coupled receptor for the antimicrobial peptide LL-37 in human mast cells: resistance to receptor phosphorylation, desensitization, and internalization. J Biol Chem 286: Zhang Z, Cherryholmes G, Chang F, Rose DM, Schraufstatter I, Shively JE (2009) Evidence that cathelicidin peptide LL-37 may act as a functional ligand for CXCR2 on human neutrophils. Eur J Immunol 39:

9 48. Tomasinsig L, Pizzirani C, Skerlavaj B, Pellegatti P, Gulinelli S, Tossi A, Di VF, Zanetti M (2008) The human cathelicidin LL-37 modulates the activities of the P2X7 receptor in a structure-dependent manner. J Biol Chem 283: Brandenburg LO, Jansen S, Wruck CJ, Lucius R, Pufe T (2010) Antimicrobial peptide rcramp induced glial cell activation through P2Y receptor signaling pathways. Mol Immunol 47: Girnita A, Zheng H, Gronberg A, Girnita L, Stahle M (2012) Identification of the cathelicidin peptide LL-37 as agonist for the type I insulinlike growth factor receptor. Oncogene 31: Tjabringa GS, Aarbiou J, Ninaber DK, Drijfhout JW, Sørensen OE, Borregaard N, Rabe KF, Hiemstra PS (2003) The antimicrobial peptide LL-37 activates innate immunity at the airway epithelial surface by transactivation of the epidermal growth factor receptor. J Immunol 171: Andreeva-Kovalevskaya Z, Solonin AS, Sineva EV, Ternovsky VI (2008) Pore forming proteins and adaptation of living organisms to environmental conditions. Biochemistry (Mosc.) 73: Thennarasu S, Tan A, Penumatchu R, Shelburne CE, Heyl DL, Ramamoorthy A (2010) Antimicrobial and membrane disrupting activities of a peptide derived from the human cathelicidin antimicrobial peptide LL37. Biophys J 98: Lee CC, Sun Y, Qian S, Huang HW (2011) Transmembrane pores formed by human antimicrobial peptide LL-37. Biophys J 100: Tomasinsig L, Scocchi M, Mettulio R, Zanetti M (2004) Genome-wide transcriptional profiling of the Escherichia coli response to a prolinerich antimicrobial peptide. Antimicrob Agents Chemother 48: Sochacki KA, Barns KJ, Bucki R, Weisshaar JC (2011) Real-time attack on single Escherichia coli cells by the human antimicrobial peptide LL- 37. Proc Natl Acad Sci USA 108: E77-E Overhage J, Campisano A, Bains M, Torfs EC, Rehm BH, Hancock RE (2008) Human host defense peptide LL-37 prevents bacterial biofilm formation. Infect Immun 76: Dean SN, Bishop BM, van Hoek ML (2011) Susceptibility of Pseudomonas aeruginosa biofilm to α-helical peptides: D-enantiomer of LL-37. Front Microbiol 2: Burton MF, Steel PG (2009) The chemistry and biology of LL-37. Nat Prod Rep 26: Braff MH, Hawkins MA, Di NA, Lopez-Garcia B, Howell MD, Wong C, Lin K, Streib JE, Dorschner R, Leung DY, Gallo RL (2005) Structurefunction relationships among human cathelicidin peptides: dissociation of antimicrobial properties from host immunostimulatory activities. J Immunol 174: Nagaoka I, Hirota S, Niyonsaba F, Hirata M, Adachi Y, Tamura H, Tanaka S, Heumann D (2002) Augmentation of the lipopolysaccharide-neutralizing activities of human cathelicidin CAP18/LL-37-derived antimicrobial peptides by replacement with hydrophobic and cationic amino acid residues. Clin Diagn Lab Immunol 9: Sieprawska-Lupa M, Mydel P, Krawczyk K, Wojcik K, Puklo M, Lupa B, Suder P, Silberring J, Reed M, Pohl J, Shafer W, McAleese F, Foster T, Travis J, Potempa J (2004) Degradation of human antimicrobial peptide LL-37 by Staphylococcus aureus-derived proteinases. Antimicrob Agents Chemother 48: Witkowska D, Bartyś A, Gamian A (2008) Defensyny i katelicydyny jako naturalne antybiotyki peptydowe. Postepy Hig Med Dosw 62: Amer LS, Bishop BM, van Hoek ML (2010) Antimicrobial and antibiofilm activity of cathelicidins and short, synthetic peptides against Francisella. Biochem Biophys Res Commun 396: Wong JH, Ng TB, Legowska A, Rolka K, Hui M, Cho CH (2011) Antifungal action of human cathelicidin fragment (LL13-37) on Candida albicans. Peptides 32: Barlow PG, Svoboda P, Mackellar A, Nash AA, York IA, Pohl J, Davidson DJ, Donis RO (2011) Antiviral activity and increased host defense against influenza infection elicited by the human cathelicidin LL-37. PLoS One 6: e Wong JH, Legowska A, Rolka K, Ng TB, Hui M, Cho CH, Lam WW, Au SW, Gu OW, Wan DC (2011) Effects of cathelicidin and its fragments on three key enzymes of HIV-1. Peptides 32: Lai Y, Gallo RL (2009) AMPed up immunity: how antimicrobial peptides have multiple roles in immune defense. Trends Immunol 30: Davidson DJ, Currie AJ, Reid GS, Bowdish DM, MacDonald KL, Ma RC, Hancock RE, Speert DP (2004) The cationic antimicrobial peptide LL-37 modulates dendritic cell differentiation and dendritic cell-induced T cell polarization. J Immunol 172: Zanetti M, Gennaro R, Skerlavaj B, Tomasinsig L, Circo R (2002) Cathelicidin peptides as candidates for a novel class of antimicrobials. Curr Pharm Des 8: Cathelicidins endogenous antimicrobial peptides Karolina Wódz, Ewa Brzezińska-Błaszczyk Department of Experimental Immunology, Medical University of Lodz, 251 Pomorska St., Lodz, Poland karolina.wodz@umed.lodz.pl Key words: cathelicidins, antimicrobial peptides, natural antibiotics, LL-37, innate immunity ABSTRACT Within the last decade, several antimicrobial peptides (AMPs) have been discovered. Cathelicidins are one family of AMPs characterized by a conserved cathelin domain and a variable C-terminal cationic antimicrobial domain. These peptides are produced by different cells, including leukocytes, epithelial cells and keratinocytes. Besides their direct antimicrobial function, cathelicidins can also regulate the course of inflammation and influence the mechanisms of innate immunity. In this review we discuss the biology of animal cathelicidins, their structure, expression and function. Postępy Biochemii 61 (1)