Лактоферрин - Lactoferrin
Лактоферрин ( LF ), также известный как лактотрансферрин ( LTF ), представляет собой многофункциональный белок семейства трансферринов . Лактоферрин представляет собой глобулярный гликопротеин с молекулярной массой около 80 кДа, который широко представлен в различных секреторных жидкостях, таких как молоко , слюна , слезы и носовые выделения . Лактоферрин также присутствует во вторичных гранулах PMN и секретируется некоторыми ацинарными клетками . Лактоферрин можно очистить от молока или получить рекомбинантно . Наибольшую концентрацию имеет человеческое молозиво ( «первое молоко» ), за ним следует грудное молоко, затем коровье молоко (150 мг / л).
Лактоферрин - один из компонентов иммунной системы организма; он обладает противомикробной активностью ( бактерицид , фунгицид ) и является частью врожденной защиты, главным образом, в слизистых оболочках. В частности, лактоферрин обеспечивает антибактериальную активность младенцам. Лактоферрин взаимодействует с ДНК и РНК , полисахаридами и гепарином и проявляет некоторые из своих биологических функций в комплексах с этими лигандами .
История
О появлении железосодержащего красного белка в коровьем молоке сообщалось еще в 1939 году; однако этот белок нельзя было должным образом охарактеризовать, поскольку его нельзя было экстрагировать с достаточной чистотой. Его первые подробные исследования были опубликованы примерно в 1960 году. Они задокументировали молекулярную массу, изоэлектрическую точку , спектры оптического поглощения и присутствие двух атомов железа на молекулу белка. Белок был извлечен из молока, содержал железо и был структурно и химически подобен трансферрину сыворотки . Поэтому в 1961 году он был назван лактоферрином, хотя название лактотрансферрин использовалось в некоторых более ранних публикациях, а более поздние исследования показали, что белок не ограничивается молоком. Антибактериальное действие лактоферрина было также зарегистрировано в 1961 году и было связано с его способностью связывать железо.
Состав
Гены лактоферрина
По крайней мере, 60 генных последовательностей лактоферрина охарактеризованы у 11 видов млекопитающих. У большинства видов стоп-кодоном является TAA, а у Mus musculus - TGA . Делеции, вставки и мутации стоп-кодонов влияют на кодирующую часть, и ее длина колеблется от 2055 до 2190 пар нуклеотидов . Полиморфизм генов между видами гораздо более разнообразен, чем внутривидовой полиморфизм лактоферрина. Имеются различия в аминокислотных последовательностях: 8 у Homo sapiens , 6 у Mus musculus , 6 у Capra hircus , 10 у Bos taurus и 20 у Sus scrofa . Это изменение может указывать на функциональные различия между разными типами лактоферрина.
У человека ген лактоферрина LTF расположен на третьей хромосоме в локусе 3q21-q23. У волов кодирующая последовательность состоит из 17 экзонов и имеет длину около 34 500 пар нуклеотидов . Экзоны гена лактоферрина у быков имеют такой же размер, что и экзоны других генов семейства трансферринов , тогда как размеры интронов различаются внутри семейства. Сходство размеров экзонов и их распределения в доменах белковой молекулы указывает на то, что эволюционное развитие гена лактоферрина происходило путем дупликации. Изучение полиморфизма генов, кодирующих лактоферрин, помогает отбирать породы скота, устойчивые к маститу .
Молекулярная структура
Лактоферрин - один из белков трансферрина, которые переносят железо в клетки и контролируют уровень свободного железа в крови и внешних секрециях. Он присутствует в молоке человека и других млекопитающих, в плазме крови и нейтрофилах и является одним из основных белков практически всех экзокринных секретов млекопитающих, таких как слюна , желчь , слезы и поджелудочная железа . Концентрация лактоферрина в молоке колеблется от 7 г / л в молозиве до 1 г / л в зрелом молоке.
Рентгеновская дифракция показывает, что лактоферрин основан на одной полипептидной цепи, которая содержит около 700 аминокислот и образует два гомологичных глобулярных домена, названных N- и C-долями. N-доля соответствует аминокислотным остаткам 1–333, а C-доля - 345–692, и концы этих доменов соединены короткой α-спиралью. Каждая доля состоит из двух субдоменов, N1, N2 и C1, C2, и содержит один сайт связывания железа и один сайт гликозилирования . Степень гликозилирования белка может быть разной, поэтому молекулярная масса лактоферрина колеблется от 76 до 80 кДа. Стабильность лактоферрина связана с высокой степенью гликозилирования.
Лактоферрин относится к основным белкам, его изоэлектрическая точка 8,7. Он существует в двух формах: богатый железом хололактоферрин и аполактоферрин без железа. Их третичные структуры различны; аполактоферрин характеризуется «открытой» конформацией N-доли и «закрытой» конформацией C-доли, и обе доли закрыты в хололактоферрине.
Каждая молекула лактоферрина может обратимо связывать два иона железа, цинка , меди или других металлов. Сайты связывания локализованы в каждой из двух белковых глобул. Там каждый ион связан с шестью лигандами: четыре из полипептидной цепи (два остатка тирозина , один остаток гистидина и один остаток аспарагиновой кислоты ) и два из карбонатных или бикарбонатных ионов.
Лактоферрин образует с железом красноватый комплекс; его сродство к железу в 300 раз выше, чем у трансферрина . Сродство увеличивается в слабокислой среде. Это способствует передаче железа от трансферрина к лактоферрину при воспалениях , когда pH тканей снижается из-за накопления молочной и других кислот. Концентрация насыщенного железа в лактоферрине в материнском молоке оценивается от 10 до 30% (100% соответствует всем молекулам лактоферрина, содержащим 2 атома железа). Показано, что лактоферрин участвует не только в транспорте железа, цинка и меди, но и в регуляции их поступления. Наличие свободных ионов цинка и меди не влияет на способность лактоферрина связывать железо, а может даже увеличивать ее.
Полимерные формы
Как в плазме крови, так и в секреторных жидкостях лактоферрин может существовать в различных полимерных формах, от мономеров до тетрамеров . Лактоферрин имеет тенденцию к полимеризации как in vitro, так и in vivo , особенно при высоких концентрациях. Несколько авторов обнаружили, что доминирующей формой лактоферрина в физиологических условиях является тетрамер с соотношением мономер: тетрамер 1: 4 при концентрациях белка 10 -5 М.
Предполагается, что олигомерное состояние лактоферрина определяется его концентрацией и что на полимеризацию лактоферрина сильно влияет присутствие ионов Ca 2+ . В частности, мономеры преобладали при концентрациях ниже 10 -10 -10 -11 М в присутствии Са 2+ , но они превращались в тетрамеры при концентрациях лактоферрина выше 10 -9 -10 -10 М. Титр лактоферрина в крови соответствует к этой конкретной «переходной концентрации» и, следовательно, лактоферрин в крови должен быть представлен как мономер, так и тетрамер. Многие функциональные свойства лактоферрина зависят от его олигомерного состояния. В частности, мономерный, но не тетрамерный лактоферрин может прочно связываться с ДНК.
Функция
Лактоферрин относится к системе врожденного иммунитета . Помимо своей основной биологической функции, а именно связывания и транспорта ионов железа, лактоферрин также обладает антибактериальными, противовирусными, противопаразитарными , каталитическими, противораковыми и противоаллергическими функциями и свойствами.
Ферментативная активность лактоферрина
Лактоферрин гидролизует РНК и проявляет свойства пиримидин- специфичных секреторных рибонуклеаз . В частности, разрушая геном РНК, молочная РНКаза подавляет обратную транскрипцию ретровирусов , вызывающих рак груди у мышей. У женщин- парсов в Западной Индии уровень молочной РНКазы заметно ниже, чем в других группах, а уровень заболеваемости раком груди у них в три раза выше, чем в среднем. Таким образом, рибонуклеазы молока и, в частности, лактоферрин могут играть важную роль в патогенезе .
Рецептор лактоферрина
Рецепторы лактоферрина играет важную роль в интернализации лактоферрина; он также способствует абсорбции ионов железа лактоферрином. Было показано, что экспрессия генов увеличивается с возрастом в двенадцатиперстной кишке и снижается в тощей кишке . Было продемонстрировано, что подрабатывающий гликолитический фермент глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа ( GAPDH ) действует как рецептор лактоферрина.
Костная активность
Обогащенный рибонуклеазой лактоферрин использовался для изучения того, как лактоферрин влияет на кости. Было показано, что лактоферрин положительно влияет на метаболизм костей. Это способствовало уменьшению резорбции костной ткани и увеличению костеобразования. На это указывало снижение уровней двух маркеров резорбции кости ( дезоксипиридинолина и N-телопептида ) и повышение уровней двух маркеров костеобразования ( остеокальцина и щелочной фосфатазы ). Он снижает образование остеокластов , что означает снижение провоспалительных реакций и усиление противовоспалительных реакций, что также указывает на снижение резорбции костей.
Взаимодействие с нуклеиновыми кислотами
Одним из важных свойств лактоферрина является его способность связываться с нуклеиновыми кислотами. Фракция белка, экстрагированного из молока, содержит 3,3% РНК, но белок предпочтительно связывается с двухцепочечной ДНК, а не с одноцепочечной ДНК. Способность лактоферрина связывать ДНК используется для его выделения и очистки с помощью аффинной хроматографии с колонками, содержащими иммобилизованные ДНК-содержащие сорбенты , такие как агароза с иммобилизованной одноцепочечной ДНК.
Клиническое значение
Антибактериальная активность
Основная роль лактоферрина - связывать свободное железо и при этом удалять необходимый субстрат, необходимый для роста бактерий. Антибактериальное действие лактоферрина объясняется также наличием специфических рецепторов на поверхности клеток микроорганизмов. Лактоферрин связывается с липополисахаридом бактериальных стенок, а окисленная железная часть лактоферрина окисляет бактерии посредством образования пероксидов . Это влияет на проницаемость мембраны и приводит к разрушению ( лизису ) клеток .
Хотя лактоферрин также обладает другими антибактериальными механизмами, не связанными с железом, такими как стимуляция фагоцитоза, взаимодействие с внешней бактериальной мембраной, описанное выше, является наиболее доминирующим и наиболее изученным. Лактоферрин не только разрушает мембрану, но даже проникает внутрь клетки. Его связывание со стенкой бактерии связано со специфическим пептидом лактоферрицином , который расположен в N-доле лактоферрина и продуцируется in vitro расщеплением лактоферрина другим белком, трипсином . Сообщается о механизме антимикробного действия лактоферрина, поскольку лактоферрин нацелен на H + -АТФазу и препятствует транслокации протонов в клеточной мембране, что приводит к летальному исходу in vitro .
Лактоферрин предотвращает прикрепление H. pylori в желудке, что, в свою очередь, помогает уменьшить расстройства пищеварительной системы. Лактоферрин крупного рогатого скота более активен против H. pylori, чем лактоферрин человека.
Противовирусная активность
Лактоферрин в достаточной степени действует на широкий спектр вирусов человека и животных на основе геномов ДНК и РНК , включая вирус простого герпеса 1 и 2, цитомегаловирус , ВИЧ , вирус гепатита С , хантавирусы , ротавирусы , полиовирус типа 1, респираторно-синцитиальный вирус человека. , вирусы мышиного лейкоза и вирус Маяро . Активность против COVID-19 предполагалась, но не доказана.
Наиболее изученным механизмом противовирусной активности лактоферрина является отведение вирусных частиц от клеток-мишеней. Многие вирусы, как правило, связываются с липопротеинами клеточных мембран, а затем проникают в клетку. Лактоферрин связывается с теми же липопротеинами, тем самым отталкивая вирусные частицы. Аполактоферрин, не содержащий железа, более эффективен в этой функции, чем хололактоферрин; а лактоферрицин, отвечающий за антимикробные свойства лактоферрина, почти не проявляет противовирусной активности.
Помимо взаимодействия с клеточной мембраной, лактоферрин также напрямую связывается с вирусными частицами, такими как вирусы гепатита . Этот механизм также подтверждается противовирусной активностью лактоферрина против ротавирусов, которые действуют на разные типы клеток.
Лактоферрин также подавляет репликацию вируса после проникновения вируса в клетку. Такой непрямой противовирусный эффект достигается за счет воздействия на естественные клетки-киллеры , гранулоциты и макрофаги - клетки, которые играют решающую роль на ранних стадиях вирусных инфекций, таких как тяжелый острый респираторный синдром (SARS).
Противогрибковая активность
Лактоферрин и лактоферрицин подавляют in vitro рост Trichophyton mentagrophytes , которые вызывают несколько кожных заболеваний, таких как стригущий лишай . Лактоферрин также действует против Candida albicans - диплоидного гриба (разновидности дрожжей ), который вызывает у людей оппортунистические инфекции полости рта и половых органов . Флуконазол давно используется против Candida albicans , что привело к появлению штаммов, устойчивых к этому препарату. Однако комбинация лактоферрина с флуконазолом может действовать против устойчивых к флуконазолу штаммов Candida albicans, а также других типов Candida : C. glabrata, C. krusei, C. parapsilosis и C. tropicalis . Противогрибковая активность наблюдается при последовательной инкубации Candida с лактоферрином, а затем с флуконазолом, но не наоборот. По противогрибковой активности лактоферрицин превосходит лактоферрин. В частности, синтетический пептид 1–11 лактоферрицин проявляет гораздо большую активность против Candida albicans, чем нативный лактоферрицин.
Введение лактоферрина с питьевой водой мышам с ослабленной иммунной системой и симптомами афтозной язвы уменьшило количество штаммов Candida albicans во рту и размер поврежденных участков на языке. Пероральное введение лактоферрина животным также снижает количество патогенных организмов в тканях, расположенных вблизи желудочно-кишечного тракта . Candida albicans также можно было полностью искоренить с помощью смеси, содержащей лактоферрин, лизоцим и итраконазол, у ВИЧ-положительных пациентов, которые были устойчивы к другим противогрибковым препаратам. Такое противогрибковое действие при неэффективности других препаратов характерно для лактоферрина и особенно ценно для ВИЧ-инфицированных пациентов. В отличие от противовирусного и антибактериального действия лактоферрина, очень мало известно о механизме его противогрибкового действия. Лактоферрин , кажется, связывает плазматическую мембрану из C. Albicans индукции апоптотических-подобного процесса.
Антиканцерогенная активность
Противораковая активность бычьего лактоферрина (bLF) была продемонстрирована в экспериментальных канцерогенезах легких, мочевого пузыря, языка, толстой кишки и печени у крыс, возможно, путем подавления ферментов фазы I, таких как цитохром P450 1A2 ( CYP1A2 ). Кроме того, в другом эксперименте, проведенном на хомяках , бычий лактоферрин снизил частоту рака полости рта на 50%. В настоящее время bLF используется в качестве ингредиента в йогурте , жевательных резинках , детских смесях и косметике .
Муковисцидоз
Легкие и слюна человека содержат широкий спектр антимикробных соединений, включая систему лактопероксидазы, продуцирующую гипотиоцианит и лактоферрин, при этом гипотиоцианит отсутствует у пациентов с муковисцидозом . Лактоферрин, компонент врожденного иммунитета, предотвращает развитие бактериальной биопленки . У пациентов с муковисцидозом наблюдается потеря микробицидной активности и повышенное образование биопленки из-за снижения активности лактоферрина. При муковисцидозе чувствительность к антибиотикам может быть изменена лактоферрином. Эти данные демонстрируют важную роль лактоферрина в защите человеческого организма-хозяина и особенно в легких. Лактоферрин с гипотиоцианитом получил статус орфанного препарата от EMEA и FDA .
Некротический энтероколит
Доказательства низкого качества свидетельствуют о том, что пероральный прием лактоферрина с добавлением пробиотика или без него может уменьшить позднее начало сепсиса и некротического энтероколита (стадия II или III) у недоношенных новорожденных без каких-либо побочных эффектов.
В диагностике
Было показано, что уровень лактоферрина в слезной жидкости снижается при заболеваниях сухого глаза, таких как синдром Шегрена . Был разработан портативный портативный экспресс-тест с использованием микрофлюидной технологии, позволяющий измерять уровни лактоферрина в слезной жидкости человека в месте оказания медицинской помощи с целью улучшения диагностики синдрома Шегрена и других форм болезни сухого глаза.
Нанотехнологии
Лактотрансферрин был использован в синтезе флуоресцентных квантовых кластеров золота, который имеет потенциальное применение в нанотехнологии.
Смотрите также
использованная литература
внешние ссылки
- Uniprot
- LTF о Национальном центре биотехнологической информации
- FDA считает, что лактоферрин безопасен для борьбы с кишечной палочкой.