哺乳动物肽聚糖识别蛋白抗菌作用及其机制的研究进展

哺乳动物肽聚糖识别蛋白抗菌作用及其机制的 研究进展* 郭 睿** , 王 银 扬州大学兽医学院, 扬州 225009 摘 要: 哺乳动物肽聚糖识别蛋白( PGRPs)是一类可识别肽聚糖的免疫激活分子, 具有抗菌活性。它的抗菌 机制与其他抗菌肽明显不同。最新研究发现, 哺乳动物 PGRPs 通过与肽聚糖结合, 激活在细菌中识别胞浆外 错误折叠蛋白质分子的 CssR-CssS 或 CpxA-CpxR双部件系统, 最终导至细菌死亡。文中总结了肽聚糖识别蛋 白的抗菌作用及其机制的相关研究进展。 关键词: 肽聚糖识别蛋白; 杀菌; CssR-CssS 中图分类号: S85216 文献标识码: A 文章编号: 1000-5684( 2013) 02-0236-05 网络出版地址: http: / / www. cnki. net/ kcms/ detail/ 22. 1100. S. 20130121. 1100. 001. html 引文格式: 郭睿, 王银.哺乳动物肽聚糖识别蛋白抗菌作用及其机制的研究进展[ J] .吉林农业大学学报, 2013, 35( 2) : 236-240. Progress of Researches on Antibacterial Functions and Mechanisms of Mammalian Peptidoglycan Recognition Proteins GUO Rui, WANG Yin Veterinary College of Yangzhou University , Yangzhou 225009, China Abstract: Mammalian peptidoglycan recognition proteins ( PGRPs) were a kind of innate immunity molecules, which could recognize peptidoglycan and had antibacterial activities. However, the ant ibacte- rial mechanism of PGRPs was different from most antibacterial peptides. The latest findings indicated that mammalian PGRPs could activate the CssR-CssS two-component system, which finally resulted in bacter-i al death. This review focused on the antibacterial activities and mechanisms of PGRP. Key words: PGRPs; antibacterium; CssR-CssS 肽聚糖识别蛋白( Peptidoglycan recognition pro- teins, PGRPs)是近年来在昆虫和哺乳动物体内发 现的一种高度保守的先天性免疫激活分子。截至 目前,在昆虫上发现的19种PGRPs被证实具有激 活Toll和 Imd信号转导途径、诱导蛋白裂解酶的 表达、诱导吞噬作用、水解肽聚糖和激活昆虫抗感 染免疫的作用。哺乳动物具有 4种 PGRPs, 这 4 种PGRPs分子均具有较高的抗菌活性。然而, 这 些PGRPs分子与先前在脊椎动物所发现抗菌肽 分子(防御素等) , 无论在结构上、作用机制上, 还 是在表达模式上都完全不同。因此, PGRPs分子 属于一类新型的抗菌蛋白。 1 肽聚糖的结构和功能 肽聚糖是存在于革兰氏阳性和阴性细菌细胞 壁中的一种复合糖类, 由于其不存在于真核细胞 中,因此该种蛋白被认为是真核细胞先天性免疫 系统识别细菌的最佳目标分子。肽聚糖是一类由 * ** 通讯作者 基金项目: 教育部博士点基金项目(02318962023532) 作者简介: 郭睿,男,在读硕士,研究方向:微生物学。 收稿日期: 2011-11-17 网络出版时间: 2013-01-21 11: 00 吉林农业大学学报 2013, 35( 2) : 236~ 240 http : / / xuebao. jlau. edu. cn Journal of Jilin Agricultural University E-mail : jlndxb@ vip . sina. com B-1, 4-糖苷键连接的 N-乙酰葡糖胺 ( N-acetylglu- cosamine GlcNAc)和 N-乙酰胞壁酸( N-acetylmuram- ic acid, MurNAc)通过四肽亚单位和肽桥聚合形成 的杂多糖。在不同种类细菌之间, 四肽亚单位的 构成不完全相同: 革兰氏阴性菌和革兰氏阳性杆 菌四肽亚单位的第 3个氨基酸是 m-二氨基庚二 酸( m-diaminopimelic acid, m-DAP) , 而大多数革兰 氏阳性菌在该位置则是 L-赖氨酸(图 1)。在哺乳 动物中, 肽聚糖能够被 NOD 样受体、PGRPs、 TLR2、甘露糖结合凝集素、Reg Ó CC 型凝集素以 及溶酶体等识别[ 1]。 2 哺乳动物 PGRPs 1996年, Yoshida等[ 2]在家蚕血淋巴中发现并 纯化了一种能够识别细菌肽聚糖和激活酚氧化酶 的蛋白, 这种蛋白就是最早发现的 PGRP 分子。 此后, 昆虫和哺乳动物中的 PGRPs的基因不断地 被克隆鉴定出来。PGRPs的遗传进化分析结果表 明,该分子在进化上高度保守: 绝大多数 PGRPs 至少含有 1个(某些有 2个)与噬菌体和 2型细菌 氨基酶同源的结构域[ 3]。哺乳动物含有 4 种 PGRPs, 分别命名为 PGLYRP-1、PGLYRP-2、PG- LYRP-3和 PGLYRP-4 (相对应的曾用名分别为 PGRP-S, PGRP-L, PGRP- Ñ Aand PGRP- Ñ B) [ 4-5]。 最初认为, 哺乳动物 PGLYRP 分子是一类与 Toll 样受体同源的具有跨膜结构域的分子。但是,最 近关于该类分子晶体结构生物化学方面的研究表 明,所有 4种 PGLYRP 分子均为分泌型蛋白。因 此,该类分子也就不具有与Toll样受体一样激活 先天免疫应答的功能,相反,它们能够直接识别细 菌并发挥杀菌效应。其中, PGLYRP-2 是一种 N- 乙酰胞壁酸-L-丙氨酸酰胺酶, 能够降解肽聚糖从 而达到抑菌的效果[ 6] , 而 PGLYRP-1、PGLYRP-3和 PGLYRP-4具有直接杀菌作用[ 7- 11]。 PGLYRP-2是一种N-乙酰胞壁酸-L-丙氨酸酰 胺酶, 能够水解细菌肽聚糖中MurNAc和 L-Ala之 间的共价键(图 1) [ 6]。人 PGLYRP-2主要在肝脏 中表达, 并且可以分泌到血液中, 进入血液循 环[ 12]。试验证明, 肝脏中的 PGLYRP-2和血液中 的 PGLYRP-2均由 pglyrp2基因编码[ 13]。某些动 物具有多种剪接形式的 PGLYRP-2分子, 如猪就 有长和短 2 种剪接形式的 PGLYRP-2 分子。这 2 种分子都具有 N-乙酰胞壁酸-L-丙氨酸酰胺酶的 功能。在表达上, 长型的 PGLYRP-2 与人的 PG- LYRP-2相似,而短型的 PGLYRP-2分子则持续在 猪的骨髓、肠道、肝脏、脾脏、肾脏以及皮肤上表 达[ 14]。在动物体内, PGLYRP-2主要有 3个功能。 第一, PGLYRP-2具有与溶菌酶相似的作用,在直 接杀菌的同时, 也可以增强某些抗菌肽的杀菌活 性。第二, PGLYRP-2可以帮助消除某些肽聚糖类 的促炎因子。研究发现, 被 PGLYRP-2消化过的 肽聚糖丧失了 NOD2 受体分子识别的最基本结 构 ) ) ) 胞壁酰二肽, 因此, NOD2信号转导途径不 能被激活[ 15]。第三, 在 PGLYRP-2消化革兰氏阴 性菌多聚肽聚糖的过程中, 细胞能够产生激活 NOD1 途 径 的 iE-DAP ( C-D-glutamy-l meso-d-i aminopimelic acid ) 分子。Chamaillard 等[ 16] 发现, NOD1主要识别革兰氏阴性菌肽聚糖, 而该受体 识别的核心区域为 iE-DAP 的二肽结构。 A.革兰氏阴性菌 Gram-negat ive bacteria; B.和革兰氏阳性菌 Gram-positive bacteria 图 1 肽聚糖结构 Fig. 1. Peptidoglycan structures 237郭睿等: 哺乳动物肽聚糖识别蛋白抗菌作用及其机制的研究进展 吉林农业大学学报 Journal of Jilin Agricultural University PGLYRP-1 是最早克隆得到的哺乳动物 PGRP [ 17]。这种蛋白分子主要以可溶性蛋白的形 式存在于多核形白血球( polymorphonuclear leuco- cytes, PMNs)的微粒中[ 8] , 在牛奶[ 18]以及肠的 M 细胞中[ 19]也有报道。PGLYRP-1的这种分布形式 也从侧面显示出它的抗菌活性。另外, Dziarski 等[ 8]证实 PGLYRP-1基因缺失型小鼠更容易感染 革兰氏阳性菌, 而且这种小鼠的 PMNs 杀灭和消 化革兰氏阳性菌的能力也显著降低。最初,从人 和老鼠上分离纯化得到 PGLYRP-1分子只具有抑 菌活性,然而近年来研究表明, PGLYRP-1的杀菌 活性与Ca2+ 有很大关联[ 19]。另外,从牛白细胞颗 粒中分离纯化得到的 PGLYRP-1分子对革兰氏阳 性菌和阴性菌都具较好的杀灭作用。 PGLYRP-3 和 PGLYRP-4 (包括 PGLYRP-1)均 以分泌型同源二聚体蛋白的形式存在, 亚单位之 间以二硫键相连(图 2[ 20-22] )。另外, 如果 pglyrp3 和pglyrp4在同一个细胞内共表达,所产生的蛋白 仅仅以 PGLYRP3: 4 异源二聚体的形式分泌[ 19]。 pglyrp3和 pglyrp4基因位于 1q21染色体的表皮细 胞分化基因簇上,因此 PGLYRP-3和 PGLYRP-4通 常在各类上皮细胞中表达[ 5, 15]。事实上, 人的 PGLYRP-3和 PGLYRP-4 能够选择性的在一些能 够与外界环境接触的上皮细胞中表达, 比如在皮 肤表皮、眼部的睫状体和眼角膜上皮细胞、咽喉部 的黏液 分泌 腺体 的上 皮细 胞 ( 主 要 表达 PGLYRP-4)以及肠道中的柱状吸收上皮细胞中均 可表达。同样, 小鼠的 PGLYRP-3和 PGLYRP-4也 能在肠道和唾液腺上皮细胞中表达。研究发现, 人类的 PGLYRP-1、PGLYRP-3、PGLYRP-4 以及 PGLYRP-3: 4对致病性的 (如产单核细胞李斯特 菌、金黄色葡萄球菌等)和非致病性的(如乳酸杆 菌等)革兰氏阳性菌均有杀灭作用。PGLYRPs在 浓度达到 011~ 110 Lmol/ L 时的杀菌活性要高于 大多数抗菌肽(如防御素、爪蛙抗菌素等) ,但比磷 脂酶A2的活性要低。人类 PGRPs的表达部位及 功能活性总结,见表 1[ 19]。 A. PGLYRP-1; B. PGLYRP- 2; C. PGLYRP-3 ; D. PGLYRP-4; E. PGLYRP-3: 4 图 2 晶体结构(条带模型) Fig. 2. Crystal structure( fiber model) 表 1 人 PGLYRPs的表达谱及抗菌活性 Table 1. Site of production and activity of human PGRPs PGLYRPs 产生位置 Position 活性 Activity PGLYRP-1 多核淋巴细胞颗粒, M淋巴细胞结节 杀菌作用,对革兰氏阳性菌作用更强 PGLYRP-2 肝脏 (分泌进入血液) ; 皮肤, 口腔和肠道的上皮细胞 氨基酶活性 PGLYRP-3 皮肤、口腔、肠道、眼;皮脂腺、汗腺 杀菌作用,对革兰氏阴性菌作用更强 PGLYRP-4 皮肤、口腔、肠道、眼;皮脂腺、汗腺、唾液腺 杀灭革兰氏阳性菌 3 哺乳动物 PGRPs的抗菌机制 常见的抗菌机制主要有 3种: ( 1) 消化肽聚 糖,肽聚糖可以帮助细胞抵抗高渗透压,一旦肽聚 糖被某些酶破坏了完整性,细菌将在高渗透压的 作用下破裂; ( 2) 破坏细胞膜的完整性,某些抗菌 肽(如防御素)可以穿过细菌细胞壁和细胞膜, 破 坏细菌细胞膜的完整性, 从而达到杀菌的效果; ( 3) 抑制肽聚糖的生物合成。Lu等[ 19]发现在含 有 0175 mol/ L 蔗糖的原生质体培养基中, 被 PGRPs作用过的细菌尽管失去了肽聚糖结构, 仍 然能够存活。结果表明: PGRPs的抗菌机制与上 述前 2种机制均不相同, 因此科学家推测 PGRPs 很可能是一种分泌型的免疫模式效应分子,通过 激活细菌中某些信号途径, 从而杀灭细菌。最新 研究发现, PGLYRP-1、PGLYRP-3、PGLYRP-4 以及 238 吉林农业大学学报 2013年 4月 Journal of Jilin Agricultural University 2013 , April PGLYRP-3: 4能够迅速并且完全抑制金黄色葡萄 球菌肽聚糖的合成[ 23]。深入研究发现, 对于正在 进行分裂革兰氏阳性菌, PGRPs能够从由 LytE 和 LytF水解酶水解产生的细胞分裂点进入子代细菌 的细胞壁内,与细胞膜周围的肽聚糖结合,激活细 菌中感应胞浆外错误折叠蛋白的 CssR-CssS双部 件系统( CssR-CssS two components system) , 从而诱 导细胞膜去极化并在细胞浆中产生大量[ OH ] .自 由基,最终引起细菌死亡。与革兰氏阳性菌相似, PGRPs能够结合革兰氏阴性菌的外膜并激活 Cpx- A-CpxR双部件系统来发挥杀菌功能[ 23] (图 3)。 上述研究中提到的 CssR-CssS 和 CpxA-CpxR双部 件系统分别来自枯草杆菌和大肠杆菌, 实际上,相 类似双部件系统广泛的存在于几乎所有细菌种类 中。这种系统能够识别细菌中折叠不正确的蛋白 分子。PGRPs分子与肽聚糖结合后, 被 CssR-CssS 识别为错误折叠的蛋白,进而激活了细菌修复防 御应答反应、诱导细胞膜去极化并产生毒性 [OH] . [ 24]。如果这种刺激一直以较高水平存在, 最终会导致细菌的死亡。 图 3 哺乳动物 PGRPs利用 B . subtilis 的 CssR- CssS双部件系统的杀菌机制 Fig. 3. Antibacterial mechanism of mammalian PGRPs by utilizing the CssR-CssS two-component system of B . subtilis 另外, Wang 等[ 25]发现人的 PGLYRP-1、PG- LYRP-3、PGLYRP-4 以及 PGLYRP-3: 4 的针对革兰 氏阳性和阴性菌的杀菌活性具有 Zn2+ 依赖性。 针对部分革兰氏阳性菌, Zn2+ 可以被 Ca2+ 替换, 并且低浓度的 PGRPs 能够与防御素、磷脂酶 A2 等抗菌肽发挥协同效应, 更为有效的杀灭细菌,其 机制还有待进一步研究。 4 结 论 哺乳动物 PGRPs是一种新型抗菌肽,包括具 有直接杀菌活性的 PGLYRP-1、PGLYRP-3、PG- LYRP-4和PGLYRP-3: 4, 以及具有酰胺酶活性的 PGLYRP-2[ 26]。最新研究发现, PGLYRP-1、PG- LYRP-3、PGLYRP-4 和 PGLYRP-3: 4主要作为一种 分泌型的免疫模式效应分子, 通过与肽聚糖结合, 激活 CssR-CssS或 CpxA-CpxR双部件系统,诱导细 胞死亡。PGRPs的抗菌机制与其他抗菌肽存在明 显不同,对它的研究将会为建立新的抗菌方法提 供思路。然而, PGRPs的抗菌机制还未完全弄清, 未来对该类蛋白研究还会进一步深入下去。 参考文献: [ 1] Royet J, Dziarski R. Pept idoglycan recognit ion proteins: pleiotrop- ic sensors and effectors of antimicrobial defenses[ J ] . Nat Rev M-i crobiol, 2007, 5, 264-277. [2] Yoshida H, Kinoshita K, Ashida M. 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