Научный журнал

Фундаментальные исследования

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Микеров А.Н. 1

---

1 Саратовский государственный медицинский университет им. В.И. Разумовского, Саратов

Механизмы врождённого компонента иммунитета играют важную роль в первичном ответе на инфекцию. Врождённый иммунитет лёгких связан с функцией лёгочного сурфактанта, который наряду с поддержанием необходимого для дыхания поверхностного натяжения, обеспечивает иммунную защиту лёгких. В организме человека белок SP-A (SP-A, Surfactant Protein A), наиболее обильный белок сурфактанта лёгких человека с выраженными иммуномодулирующими свойствами, кодируется двумя генами – SP-A1 и SP-A2. Соотношение белков SP-A1 и SP-A2 в лёгких может отличаться у разных индивидумов. В данном обзоре рассматриваются вопросы, связанные с ролью лёгочного сурфактанта в имунной защите. Описаны строение и функции сурфактантного белка А. Значительное внимание уделено различиям в иммунобиологической активности между SP-A1 и SP-A2 вариантами белка SP-A и механизмам, лежащим в основе данных различий.

Статья в формате PDF

295 KB

иммунный ответ в лёгких

сурфактантный белок А

иммуномодулирование

1. Surfactant protein A inhibits T cell proliferation via its collagen-like tail and a 210-kDa receptor / P. Borron, F.X. McCormack, B.M. Elhalwagi, Z.C. Chroneos, J.F. Lewis, S. Zhu, J.R. Wright, V.L. Shepherd, F. Possmayer, K. Inchley, L.J. Fraher // Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol 275: L679-686. - 1998.

2. Surfactant-associated protein A inhibits LPS-induced cytokine and nitric oxide production in vivo / P. Borron, J.C. McIntosh, T.R. Korfhagen, J.A. Whitsett, J. Taylor, J.R. Wright // Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol 278: L840-847. - 2000.

3. Brinker K.G., Garner H., Wright J.R. Surfactant protein A modulates the differentiation of murine bone marrow-derived dendritic cells // Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol 284:

L232-241. - 2003.

4. Chroneos Z.C., Sever-Chroneos Z., Shepherd V.L. Pulmonary surfactant: an immunological perspective // Cell Physiol Biochem 25: 13-26. - 2010.

5. Structural analysis and lipid-binding properties of recombinant human surfactant protein a derived from one or both genes / I. Garcia-Verdugo, G. Wang, J. Floros, C. Casals // Biochemistry 41: 14041-14053. - 2002.

6. By binding SIRPalpha or calreticulin/CD91, lung collectins act as dual function surveillance molecules to suppress or enhance inflammation / S.J. Gardai, Y.Q. Xiao, M. Dickinson, J.A. Nick, D.R. Voelker, K.E. Greene, P.M. Henson // Cell 115: 13-23. - 2003.

7. Pulmonary surfactant, lung function, and endobronchial inflammation in cystic fibrosis / M. Griese, R. Essl, R. Schmidt, E. Rietschel, F. Ratjen, M. Ballmann, K. Paul // Am J Respir Crit Care Med 170: 1000-1005. - 2004.

8. Role of surfactant protein-A in nitric oxide production and mycoplasma killing in congenic C57BL/6 mice / J.M. Hickman-Davis, J. Gibbs-Erwin, J.R. Lindsey, S. Matalon // American journal of respiratory cell and molecular biology 30: 319-325. - 2004.

9. Killing of Klebsiella pneumoniae by human alveolar macrophages / J.M. Hickman-Davis, P. O´Reilly, I.C. Davis, J. Peti-Peterdi, G. Davis, K.R. Young, R.B. Devlin, S. Matalon // Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol 282: L944-956. - 2002.

10. Decreased contents of surfactant proteins A and D in BAL fluids of healthy smokers / Y. Honda, H. Takahashi, Y. Kuroki, T. Akino, S. Abe // Chest 109: 1006-1009. - 1996.

11. Hoover R.R., Floros J. Organization of the human SP-A and SP-D loci at 10q22-q23. Physical and radiation hybrid mapping reveal gene order and orientation // American journal of respiratory cell and molecular biology 18: 353-362. - 1998.

12. Surfactant proteins SP-A and SP-D: structure, function and receptors / U. Kishore, T.J. Greenhough, P. Waters, A.K. Shrive, R. Ghai, M.F. Kamran, A.L. Bernal, K.B. Reid, T. Madan, T. Chakraborty // Mol Immunol 43: 1293-1315. - 2006.

13. Kremlev S.G., Phelps D.S. Surfactant protein A stimulation of inflammatory cytokine and immunoglobulin production // Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol 267: L712-719. - 1994.

14. Kremlev S.G., Umstead T.M., Phelps D.S. Effects of surfactant protein A and surfactant lipids on lymphocyte proliferation in vitro // Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol 267: L357-364. - 1994.

15. Surfactant protein A-deficient mice are susceptible to group B streptococcal infection / A.M. LeVine, M.D. Bruno, K.M. Huelsman, G.F. Ross, J.A. Whitsett, T.R. Korfhagen // J Immunol 158: 4336-4340. - 1997.

16. Surfactant protein-A-deficient mice are susceptible to Pseudomonas aeruginosa infection / A.M. LeVine, K.E. Kurak, M.D. Bruno, J.M. Stark, J.A. Whitsett, T.R. Korfhagen // American journal of respiratory cell and molecular biology 19: 700-708. - 1998.

17. Distinct effects of surfactant protein A or D deficiency during bacterial infection on the lung / A.M. LeVine, J.A. Whitsett, J.A. Gwozdz, T.R. Richardson, J.H. Fisher, M.S. Burhans, T.R. Korfhagen // J Immunol 165: 3934-3940. - 2000.

18. Immunosuppressed surfactant protein A-deficient mice have increased susceptibility to Pneumocystis carinii infection / M.J. Linke, C.E. Harris, T.R. Korfhagen, F.X. McCormack, A.D. Ashbaugh, P. Steele, J.A. Whitsett, P.D. Walzer // J Infect Dis 183: 943-952. - 2001.

19. Surfactant proteins A and D protect mice against pulmonary hypersensitivity induced by Aspergillus fumigatus antigens and allergens / T. Madan, U. Kishore, M. Singh, P. Strong, H. Clark, E.M. Hussain, K.B. Reid, P.U. Sarma // J Clin Invest 107: 467-475. - 2001.

20. Ablation of SP-A has a negative impact on the susceptibility of mice to Klebsiella pneumoniae infection after ozone exposure: sex differences / A.N. Mikerov, R. Haque, X. Gan, X. Guo, D.S. Phelps, J. Floros // Respir Res 9: 77. - 2008.

21. SP-A1 and SP-A2 variants differentially enhance association of Pseudomonas aeruginosa with rat alveolar macrophages / A.N. Mikerov, T.M. Umstead, W. Huang, W. Liu, D.S. Phelps, J. Floros // Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol 288: 150-158. - 2005.

22. Surfactant protein A2 (SP-A2) variants expressed in CHO cells stimulate phagocytosis of Pseudomonas aeruginosa more than Do SP-A1 variants / A.N. Mikerov, G. Wang, T.M. Umstead, M. Zacharatos, N.J. Thomas, D.S. Phelps, J. Floros // Infect Immun 75: 1403-1412. - 2007.

23. Oberley R.E., Snyder J.M. Recombinant human SP-A1 and SP-A2 proteins have different carbohydrate-binding characteristics //Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol 284: L871-881, 2003.

24. Pastva A.M., Wright J.R., Williams K.L. Immuno- modulatory roles of surfactant proteins A and D: implications in lung disease // Proc Am Thorac Soc 4: 252-257. - 2007.

25. Phelps D.S. Surfactant regulation of host defense function in the lung: a question of balance // Pediatr Pathol Mol Med 20: 269-292. - 2001.

26. Schagat T.L., Wofford J.A., Wright J.R. Surfactant protein A enhances alveolar macrophage phagocytosis of apoptotic neutrophils // J Immunol 166: 2727-2733. - 2001.

27. Characterization of a human surfactant protein A1 (SP-A1) gene-specific antibody; SP-A1 content variation among individuals of varying age and pulmonary health / H.R. Tagaram, G. Wang, T.M. Umstead, A.N. Mikerov, N.J. Thomas, G.R. Graff, J.C. Hess, M.J. Thomassen, M.S. Kavuru, D.S. Phelps, J. Floros // American journal of physiology 292: L1052-1063. - 2007.

28. Pulmonary surfactant protein A enhances the host-defense mechanism of rat alveolar macrophages / F. van Iwaar- den, B. Welmers, J. Verhoef, H.P. Haagsman, L.M. van Golde // American journal of respiratory cell and molecular biology 2: 91-98. - 1990.

29. Voss T., Melchers K., Scheirle G., Schafer K.P. Stru- ctural comparison of recombinant pulmonary surfactant protein SP-A derived from two human coding sequences: implications for the chain composition of natural human SP-A // American journal of respiratory cell and molecular biology 4: 88-94. - 1991.

30. Differences in biochemical properties and in biological function between human SP-A1 and SP-A2 variants, and the impact of ozone-induced oxidation / G. Wang, S.R. Bates-Kenney, J.Q. Tao, D.S. Phelps, J. Floros // Biochemistry 43: 4227-4239. - 2004.

31. Effect of cysteine 85 on biochemical properties and biological function of human surfactant protein A variants Wang G., Myers C., Mikerov A., Floros J. // Biochemistry 46: 8425-8435. - 2007.

32. Wang G., Phelps D.S., Umstead T.M., Floros J. Human SP-A protein variants derived from one or both genes stimulate TNF-alpha production in the THP-1 cell line // Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol 278: L946-954. - 2000.

33. Wright J.R. Immunoregulatory functions of surfactant proteins // Nat Rev Immunol 5: 58-68, 2005.

34. Wright J.R., Youmans D.C. Pulmonary surfactant protein A stimulates chemotaxis of alveolar macrophage // Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol 264: L338-344. - 1993.

35. Surfactant proteins A and D inhibit the growth of Gram-negative bacteria by increasing membrane permeability / H. Wu, A. Kuzmenko, S. Wan, L. Schaffer, A. Weiss, J.H. Fisher, K.S. Kim, F.X. McCormack // J Clin Invest 111: 1589-1602. - 2003.

36. Розенберг О.А. Лёгочный сурфактант и его применение при заболеваниях лёгких. Общая реаниматология. - 20073. - №1. - С. 66-77.

Известно, что лёгкие выполняют две главные функции в организме: обеспечение дыхания и функционирование механизмов врождённого иммунитета. Для выполнения этих двух функций важное значение отводится лёгочному сурфактанту, покрывающему поверхность альвеолярного эпителия лёгких. Лёгочный сурфактант состоит из липидов (~90 %) и белков (~10 %), представляя собой липопротеидный комплекс. Сурфактантные белки представлены белками SP-A, (Surfactant Protein A, ~5,3 %), SP-D (~0,6 %), SP-B (~0,7 %), and SP-C (~0,4 %). [4]. Компоненты липидной фракции и гидрофобные белки SP-B и SP-C участвуют в снижении поверхностного натяжения в лёгких, что позволяет предотвращать слипание альвеол в конце выдоха. Гидрофильные белки SP-A и SP-D отвечают за регулирование механизмов врождённого иммунитета. Нарушение состава и свойств сурфактанта связано с такими заболеваниями, как респираторный дистресс-синдром новорожденных, острый респираторный дистресс-синдром взрослых, бронхиальная астма, пневмония, туберкулез легких и др. [36].

Сурфактантный белок А (SP-A, Surfactant Protein A) является основным белком лёгочного сурфактанта, обладающим выраженными иммуномодулирующими свойствами. Белок SP-A функционирует как в качестве опсонизирующего агента, так и в качестве иммуномодулятора. Опсонизация и аггрегация патогенных микроорганизмов белком SP-A способствует их последующему фагоцитозу и киллингу. Было показано, что SP-A воздействует на рост и жизнеспособность микроорганизмов, повышая проницаемость микробной клеточной мембраны [35]. Более того, SP-A регулирует механизмы иммунной защиты в лёгких путём связывания звеньев врождённого и приобретённого компонентов иммунитета [3]. Среди регуляторных функций SP-A - его способность стимулировать хемотаксис макрофагов [34], влиять на пролиферацию клеток иммунного ответа [14] и на продукцию провоспалительных цитокинов [2, 13], повышать продукцию реактивных оксидантов [28], регулировать продукцию оксида азота [8], повышать фагоцитоз клеток, подвергшихся апоптозу [26], и стимулировать фагоцитоз [9, 21]. Роль SP-A во многих процессах была также доказана при использовании генетически модифицированных SP-A (-/-) нокаут мышей, у которых отсутсвует ген SP-A. Такие мыши проявляли повышенную чувствительность к ряду патогенных микроорганизмов, включая группу B Streptococcus (GBS) [15], Pseudomonas aeruginosa [16], Haemophillus influenza [17], Pneumocystis carinii [18], Klebsiella pneumonia [20].

Gardai с соавт. [6] предложили модель, согласно которой SP-A может опосредовать как про-, так и антивоспалительные процессы в лёгких в зависимости от обстоятельств. В случае, если углевод-связывающий домен (CRD, Carbohydrate Recognition Domain) белка SP-A не связан c микробными лигандами, он может взаимодействовать с рецептором SIRPα, приводя к снижению активации NF-κB, что, в конечном итоге, будет снижать продукцию про-воспалительных цитокинов и активацию альвеолярных макрофагов. В случае лёгочной инфекции, CRD домен связывается с микробными лигандами и поэтому связь CRD с SIRPα становится невозможной. Вместо этого появляется возможность связывания «коллагенового хвоста» SP-A с рецепторами калретикулин/CD91. Такое взаимодействие стимулирует активацию NF-κB, что, в конечном итоге, повышает продукцию провоспалительных цитокинов и активацию альвеолярных макрофагов. Данная модель объясняет, каким образом один и тот же белок, в данном случае белок SP-A, может оказывать как позитивный, так и негативный эффект на регуляцию воспаления в лёгких в зависимости от наличия или отсутствия лёгочной инфекции, соответственно. В то же время, показано, что SP-A всё же проявляет базовый уровень про-воспалительной активности и в отсутствии микробных лигандов [25]. Это может иметь большое физиологическое значение в поддержании имунного статуса лёгких в состоянии постоянной готовности, поскольку лёгкие находятся в постоянном контакте с бактериями, вирусами, токсинами, аллергенами и т.д., поступающими вместе с вдыхаемым воздухом.

Исследования последних лет показали, что SP-A, являясь частью системы врождённого иммунитета, способен координировать врождённый и приобретённый компоненты иммунитета посредством взаимодействия с дендритными клетками и Т-клетками, регулируя, таким образом, иммунный ответ в лёгких [24, 33]. Функция дендритных клеток в регулировании иммунного ответа зависит от уровня их «созревания». «Незрелые» дендритные клетки обладают фагоцитирующей способностью, в то время как «зрелые» дендритные клетки презентируют антиген Т-клеткам и стимулируют Т-клетки в региональных лимфатических узлах и тканях. SP-A ингибирует пролиферацию Т-клеток двумя способами:

1. опосредованно, т.е. через торможение созревания дендритных клеток [3];
2. путём прямого взаимодействия с Т-клетками [1].

На основании накопленных данных было предложено [33], что основной функцией SP-A в лёгких является регулирование «иммунологической среды» и предотвращение чрезмерной активации каскадов воспалительного ответа, что потенциально может привести к повреждению лёгочной ткани и, как следствие, к нарушению газообмена.

Кроме описанных выше функций, SP-A опосредует механизмы аллергических реакций в лёгких, участвуя в удалении аллергена, ингибировании связывания IgE и аллергена и освобождения гистамина, супрессии активации сенсибилизированных базофиллов, тучных клеток или эозинофиллов, супрессии пролиферации В- и Т-клеток, и модуляции иммунного ответа дендритными клетками и макрофагами [12]. В модели на мышах выявлено, что внутриносовое введение SP-A снижает эозинофилию в случае аллергического бронхолёгочного аспергиллёза [19].

SP-A человека состоит из двух генных продуктов, SP-A1 и SP-A2, структура и функция которых различна. Генетический локус SP-A человека расположен на хромосоме 10 и представлен двумя функциональными генами - sftpa1 (или SP-A1) и sftpa2 (или SP-A2), расположеными в противоположной транскрипционной ориентации [11]. Белок SP-A собирается как октадекамер, состоящий из шести тримерных субъединиц. Каждый тример SP-A человека состоит из двух молекул SP-A1 и одной молекулы SP-A2 [29]. В то же время, тримеры, состоящие только из одного SP-A варианта, также могут обладать функциональной активностью [21, 31]. «Зрелый» белок SP-A, являясь членом семейства коллектинов C-типа, состоит из четырёх доменов:

1. N-терминальная последовательность;
2. коллагеноподобный домен;
3. углевод-узнающий домен (CRD, carbohydrate recognition domain);
4. «шейка» между коллагеноподобным и углевод-узнающим доменами. Различия в амикнокислотной последовательности между вариантами SP-A1 и SP-A2 локализуются в коллагеноподобном домене.

Функциональные различия между SP-A1 и SP-A2 включают их способность стимулировать фагоцитоз [21, 22], ингибировать секрецию сурфактанта [30], стимулировать продукцию TNF-a [32], так же, как и различия в их аггрегации и олигомеризации [5, 30]. Во всех этих случаях SP-A2 обладал большей активностью, чем SP-A1. Более того, SP-A2 в большей степени, чем SP-A1, связывал углеводы [23]. Всё это указывает на то, что структурные особенности SP-A2 в большей степени, чем SP-A1, способствуют связыванию с углеводами.

Наиболее важное различие в структуре SP-A1 и SP-A2 - аминокислотная позиция 85 коллагеноподобного региона белка SP-A, где SP-A1 имеет цистеин, а SP-A2 - аргинин. Дополнительный цистеин в SP-A1 может быть вовлечён в формирование межтримерной или внутритримерной дисульфидной связи и может отвечать за различия в олигомеризации SP-A1 и SP-A2 [30]. Было показано, что замена Arg⁸⁵ на Cys⁸⁵ в SP-A2 приводит к снижению функциональной активности SP-A2 до уровня SP-A1, а замена Cys⁸⁵ на Arg⁸⁵ в SP-A1 повышает активность SP-A1 до уровня SP-A2. Таким образом, структурные различия в коллагеноподобном домене между SP-A1 и SP-A2 могут отвечать за функциональные различия между ними.

Поскольку продукты гена SP-A2 более функциональны, чем SP-A1, общая активность SP-A в лёгких может зависеть не только от общего содержания SP-A, но и от соотношения SP-A1 к SP-A2. Известно, что заболевания лёгких сопровождаются изменением как общего содержания белка SP-A в бронхоальвеолярной жидкости у различных индивидуумов [7, 10], так и соотношения SP-A1 и SP-A2 в броноальвеолярном лаваже [27]. Следовательно, нарушения экспрессии генов SP-A1 и SP-A2 могут привести к неадекватному соотношению SP-A вариантов в лёгких, что, в свою очередь, может внести вклад в неэффективное модулирование механизмов иммунной защиты в лёгких и соответственно повлиять на остроту и продолжительность инфекционных заболеваний лёгких.

• Фёдорова В.А., д.м.н., зав. отделом зоо- и зооантропонозных инфекций ГНУ Саратовского НИВИ РАСХН, г. Саратов;
• Заднова С.П., д.б.н., в.н.с. лаборатории патогенных вибрионов ФКУЗ «Российского НИПЧИ «Микроб», г. Саратов.

Работа поступила в редакцию 19.12.2011.

Библиографическая ссылка