НАУЧНЫЕ РАБОТЫ/

Лактоферрин: уникальный многофункциональный белок.

E. N. Baker

С момента идентификации лактоферрина как «красного» белка в составе коровьего молока 65 лет назад [1], и его выделения в 1960 г из человеческого молока [2–4], этот белок вызывает повышенный интерес исследователей. Основной вопрос, который пытаются разрешить ученые, это основная физиологическая функция лактоферрина (ЛФ). Его способность связывать ионы железа и то, что ЛФ находится в молоке преимущественно в свободной форме, косвенно указывало на то, что ЛФ выполняет защитную функцию и, возможно, этот белок важен в питании. На это указывало и то, что ЛФ ингибирует бактериальный рост, вызывая дефицит железа в среде [5], но роль этого белка в процессе абсорбции железа в пищеварительном тракте оставалась неясной. Определение аминокислотной последовательности [6], а в дальнейшем, и 3-х мерной структуры ЛФ [7], с определением механизма связывания ионов металла позволило отнести этот белок к семейству трансферринов и предположить, что основная биологическая функция ЛФ относится к транспорту железа. Но к настоящему времени появилось достаточно данных указывающих на то, что ситуация с функциями этого белка намного сложнее.

Наши современные знания об этой биомолекуле позволяют утверждать, что ЛФ абсолютно не подчиняется одной из основных догм молекулярной биологии - «один белок – одна функция». Неполный список свойств лактоферрина включает в себя антибактериальные, антивирусные, и антиканцерные активности, регуляцию роста и дифференциацию клеток, противовоспалительные, и иммуномодуляционные характеристики. Примечательно, что каждые год или два исследователи открывают новую активность ЛФ, например, протеолитическую активность [8], способность ингибировать образование бактериальной пленки [9], активацию роста костных клеток [10]. Большинство этих свойств можно отнести к защитной функции, но абсолютно ясно, что проявление этих активностей определяется различными механизмами действия молекулы ЛФ. Пока остается неопределенным, эти активности характерны для всех белков лактоферрина, или отдельные активности проявляются определенной формой ЛФ из определенного источника? Тем не менее, уже известные свойства ЛФ открывают широкие возможности для использования этой биомолекулы как терапевтического агента при различных заболеваниях.

В настоящем сборнике обзоров мы постарались критически рассмотреть современные данные по всему диапазону известных молекулярных и биохимических свойств этого необычного белка. Первые два обзора посвящены структурным и функциональным особенностям ЛФ. В первом подробно рассматривается 3-х мерная структура белка, ее влияние на металло-связывающую активность ЛФ. Структурные особенности молекулы играют критическую роль в образовании доменов связывания или освобождения ионов металла. Указывается, что молекула ЛФ может связывать и другие металлы, что расширяет его возможную роль при влиянии на гомеостаз. Поверхностно расположенные группы белковой глобулы ЛФ также очень важны при проявлении определенных свойств этой биомолекулы. Несмотря на присутствие крайне консервативного позитивно заряженного участка в молекуле ЛФ, генетические вариации ряда поверхностных аминокислотных остатков определяют, видимо, специфичность молекулы ЛФ к различным клеткам и биомолекулам, что важно учитывать при исследовании функций этого, выделенного из различных организмов.

Во-втором обзоре Ward с соавторами представляют современные научные материалы по функциональным свойствам ЛФ. Представлены очень интересные результаты по изучению гомеостаза железа на основе модели мыши с дефицитом по ЛФ гену [11], которые полностью изменяют наши представления о роли ЛФ в абсорбции железа и подтверждают его универсальные защитные свойства. Авторы рассматривают активности ЛФ, которые через модуляцию цитокиновых сигналов приводят к подавлению воспалительных процессов, усилению пролиферации костной ткани и ингибированию процессов канцерогенеза.

Современные исследования установили, что противовоспалительная активность ЛФ объясняется его способностью ингибировать синтез, так называемых, провоспалительных цитокинов, а активация костного роста происходит через механизм активации митоза остеобластов, который инициируется молекулой ЛФ. В обзоре представлены последние данные по изучению противоопухолевых свойств ЛФ, в настоящее время число публикаций на эту тему значительно выросло после установления регуляторной роли ЛФ на биосинтез молекулы интерлейкина-18 и его действие на клеточный цикл.

Влияние ЛФ на регуляторные межклеточные элементы (цитокины) более детально рассматривается Legrand с соавторами в третьем обзоре. Авторы подробно описывают возможность ЛФ модулировать иммунный и воспалительный процессы. Синтез и накопление ЛФ во вторичных гранулах нейтрофилов, как было показано в ранних публикациях [12], косвенно указывало на возможное участие этого белка в процессах врожденного неспецифического иммунитета. В современных исследованиях это предположение полностью нашло экспериментальное подтверждение. Связываясь с иммунными клетками, ЛФ приводит к быстрому созреванию и последующей активации популяции лимфоцитов. Более того, стал понятен механизм регуляции синтеза определенных цитокинов под действием ЛФ и взаимосвязь этого процесса с воспалением и иммунным ответом. Авторы показывают, что ЛФ может связываться с различными типами клеток, используя специфические рецепторы или поверхностные олигосахара, а также имеет высокое сродство к бактериальным липополисахаридам (энтеротоксинам). Это указывает на трудности, с которыми сталкиваются исследователи, когда пытаются дифференцировать одну из активностей ЛФ, и определить механизм действия этого белка в сложных биохимических системах или организме.

Четвертый обзор (Suzuki и соавт.) посвящен описанию известных клеточных рецепторов, специфичных к молекуле ЛФ. Первый описанный и хорошо изученный рецептор (ЛФР) локализован в малом кишечнике человека [13]. Этот белок известен как интелектин и впервые выделен из кишечника мышей, хотя показано, что он экспрессируется во многих тканях млекопитающих. Возможная роль рецептора ЛФР в абсорбции железа и синтезе межклеточных факторов регуляции в настоящее время активно обсуждается – это обусловлено тем, что молекулярные механизмы действия этого белка при взаимодействии с ЛФ хорошо изучены. Связывание молекулы ЛФ с другими клеточными рецепторами, такими, как рецептор-подобный липопротеин гепатоцитов и асиалогликопротеиновый рецептор, рецепторы лимфоцитов и моноцитов также рассматриваются в обзоре, но отмечается, что биохимия этих молекулярных взаимодействий требует дальнейшего изучения.

И наконец, две последние обзорные статьи (Valenti & Antonini и Gifford с соавторами) описывают два современных взгляда на функциональные активности ЛФ, которые получили развитие после самого первого открытия бактериостатических свойств этого белка через связывание ионов железа. Valenti & Antonini показывают, что этот защитный механизм является только верхушкой айсберга многочисленных антибактериальных активностей этого белка. К настоящему времени открыто много других защитных механизмов, посредством которых ЛФ проявляет антипатогенные свойства. Это и прямое связывание молекулы ЛФ с бактериальной мембраной с последующим ее разрушением, и протеолиз вирулентных бактериальных факторов, и подавление процесса адгезии микроорганизма, которое приводит к образованию биопленки. Помимо этого, авторы описывают антивирусные свойства ЛФ против ряда очень важных человеческих вирусов. Несмотря на то, что ряд защитных свойств этого белка установлен в in vitro экспериментах, совершенно ясно, что ЛФ является ключевым защитным фактором организма, а его присутствие в биологических жидкостях и слизистой указывает на то, что этот белок входит в первую линию защиты организма млекопитающих против широкого спектра патогенов.

В обзорной работе Gifford с соавторами описывается наиболее неожиданное и важное открытие, которое было сделано при изучении молекулы ЛФ. Было показано, что N-концевой домен этого белка, который отщепляется in vivo в результате протеолиза от нативной молекулы ЛФ, самостоятельно проявляет антипатогенные свойства [14]. Рассматриваются две пептидных формы этого домена – лактоферицин Н (ЛФц Н, генерируемый из человеческого ЛФ) и лактоферицин В (Лфц В, получаемый из коровьего ЛФ), хотя изучение других вариантов этого пептида также активно изучаются в настоящее время. Помимо структурных особенностей этого пептида, авторы рассматривают механизм транспорта лактоферрицина через бактериальную стенку в цитоплазму бактерии и его действие на микроорганизм. Пока не полностью ясны биохимические процессы бактерицидной активности Лфц, но уже сейчас возможно, используя структурный анализ этого фрагмента, синтезировать искусственные пептиды для биотерапии. Возможно, предположить, что протеолиз молекулы ЛФ приводит к усилению защитных свойств организма вследствие того, что лактоферрицин обладает большей антибактериальной активностью, чем интактный полипептид ЛФ.

Список литературы: