抗菌肽LL-37的生物學(xué)活性及其作用

劉安平 段海真 汪松

摘要：抗菌肽LL-37是一種具有雙親性a螺旋結(jié)構(gòu)抗菌活性的天然免疫效應(yīng)肽，由多種細(xì)胞分泌，包括單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、肥大細(xì)胞、角蛋白細(xì)胞和上皮細(xì)胞，通過直接殺死細(xì)菌或增強(qiáng)天然免疫參與調(diào)節(jié)體內(nèi)炎癥的發(fā)生和發(fā)展，或通過免疫細(xì)胞間接調(diào)節(jié)機(jī)體的防御功能在機(jī)體的抗炎、防御功能中發(fā)揮重要作用。本文就抗菌肽LL-37的結(jié)構(gòu)、生物學(xué)活性及其作用進(jìn)行總結(jié)。

關(guān)鍵詞：抗菌肽;LL-37;膿毒癥

中圖分類號：R96;Q786 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2019.24.005

文章編號：1006-1959（2019）24-0013-03

Biological Activity and Effect of Antibacterial Peptide LL-37

LIU An-ping，DUAN Hai-zhen，WANG Song

（Department of Emergency，Affiliated Hospital of Zunyi Medical University，Zunyi 563003，Guizhou，China）

Abstract：Antibacterial peptide LL-37 is a natural immune effector peptide with amphiphilic a-helix structure antibacterial activity， secreted by a variety of cells， including monocytes， macrophages， neutrophils， mast cells， keratin cells And epithelial cells， by directly killing bacteria or enhancing natural immunity， participate in regulating the occurrence and development of inflammation in the body， or indirectly regulating the body's defense function through immune cells， and play an important role in the body's anti-inflammatory and defense functions. This article summarizes the structure， biological activity and function of antibacterial peptide LL-37.

Key words：Antibacterial peptide;LL-37;Sepsis

人體內(nèi)有多種防御機(jī)制可預(yù)防感染的擴(kuò)散或進(jìn)展，包括先天免疫和獲得性免疫。其中先天免疫是抵御外來病原菌侵襲的第一道屏障，而抗菌肽LL-37是機(jī)體先天免疫的重要組成部分，在疾病的演變過程中起重要作用。在生理狀態(tài)下，LL-37主要由hCAP-18（human cationic antibacterial protein of 18kDa）分解產(chǎn)生，分布于人體免疫細(xì)胞、上皮細(xì)胞、皮膚及口腔粘膜中，健康成人中含量極低。當(dāng)機(jī)體感染炎癥時，通過免疫細(xì)胞趨化作用、調(diào)節(jié)細(xì)胞因子釋放、中和內(nèi)毒素（lipopolysaccharide，LPS）、抑制細(xì)胞凋亡等發(fā)揮廣譜抗微生物、趨化作用及中和毒素等作用，是人體先天免疫中重要的多功能分子[1]，在感染性疾病的發(fā)生、發(fā)展與防治中有著重要的作用。近年來，抗菌肽LL-37因其廣譜的抗菌活性、免疫調(diào)節(jié)功能、趨化作用、刺激血管生成及抗瘤等特性已成為臨床學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。本文現(xiàn)就抗菌肽LL-37的結(jié)構(gòu)、生物學(xué)功能及其作用進(jìn)行綜述。

1 LL-37的結(jié)構(gòu)與分布

1995年首次發(fā)現(xiàn)存在于人體的小分子肽LL-37，包含C末端的抗菌結(jié)構(gòu)域和N末端結(jié)構(gòu)域，其命名主要是依據(jù)N端前兩個氨基酸殘基為賴氨酸，且由37個氨基酸殘基組成而得名[1]，LL-37長度約為2 kb，含有3個內(nèi)含子及4個外顯子，其中外顯子1編碼由37個N端氨基酸和30個氨基酸殘基組成的信號肽，外顯子4含有43個氨基酸殘基，包括3'端多聚腺苷酸非翻譯區(qū)及C端6個氨基酸殘基，N末端結(jié)構(gòu)域通常由94～114個氨基酸組成，并與cathelin具有序列同源性，在加工過程中，特定的蛋白酶除去前肽并釋放C末端結(jié)構(gòu)域，該結(jié)構(gòu)起主要作用。帶正電荷的LL-37與帶負(fù)電荷LPS分子結(jié)合，競爭性抑制LPS與CD14細(xì)胞的結(jié)合，從而減少LPS誘導(dǎo)炎癥因子的產(chǎn)生，是人體內(nèi)唯一存在的抗菌肽，在人體的各個器官和組織中均有表達(dá)，特別是在人體呼吸、消化、泌尿、皮膚、口腔等上皮細(xì)胞中表達(dá)明顯[2]。此外，LL-37在體內(nèi)的傷口滲出物、汗液、血液中均有表達(dá)。LL-37基因啟動子區(qū)域內(nèi)包含1個NF-IL-6結(jié)合位點(diǎn)、1個TAAA序列及3個急性期反應(yīng)因子（APRF），與體內(nèi)產(chǎn)生的炎癥因子相結(jié)合，使抗菌肽LL-37基因表達(dá)水平明顯增加，產(chǎn)生廣譜的抗菌活性、增強(qiáng)免疫功能等生物學(xué)效應(yīng)[3]。

2 LL-37的生物學(xué)功能

2.1抗感染作用 ?感染性疾病尤以膿毒癥的治療最為棘手，其主要發(fā)病機(jī)制是病原體感染所致自我級聯(lián)放大的瀑布樣炎癥及炎性因子風(fēng)暴，即失控的炎癥反應(yīng)[4，5]，引起危及生命的多個器官功能障礙。膿毒癥的病理生理過程涉及以免疫失衡為中心的復(fù)雜炎癥改變，且受個體差異、遺傳因素、病原菌多變、易耐藥、不易檢出及基礎(chǔ)疾病等多方面的影響，給治療帶來了巨大的挑戰(zhàn)和不可控性，盡管數(shù)十年來努力開發(fā)藥物來治療膿毒癥，但超過40項試驗采用各種治療方法仍未能改善其死亡率，病死率高達(dá)30%[6]。膿毒癥的發(fā)生與防御素等內(nèi)源性抗菌肽的分泌水平改變相關(guān)，有文獻(xiàn)報道顯示[7]，遲發(fā)性膿毒癥的早產(chǎn)兒體內(nèi)人β-防御素（human β-defensin，HBD）表達(dá)較足月兒低，而殺菌/通透性增加蛋白（bactericidal/permeability increasing protein，BPI）表達(dá)較足月兒高，BPI與LPS具有高親合力，在膿毒癥可中和內(nèi)毒素從而發(fā)揮保護(hù)作用。LL-37具有廣譜的抗菌作用，對革蘭陰性菌及革蘭陽性菌均具有較強(qiáng)殺菌能力，既能與LPS結(jié)合，也可能與CD14分子結(jié)合，從而阻止LPS-CD14復(fù)合物的形成，阻斷LPS誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)的發(fā)生。

2.1.1抗細(xì)菌作用 ?LL-37是內(nèi)源性免疫系統(tǒng)的重要組成部分，對多種革蘭陽性球菌及陰性桿菌均具有較好的抗菌活性[8]。在靜電作用下，LL-37可與細(xì)胞膜表面帶負(fù)電荷的細(xì)菌結(jié)合，由線性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪Y(jié)構(gòu)，并插入細(xì)菌的細(xì)胞膜，破壞細(xì)胞膜的完整性而造成其溶解死亡[9]。除直接殺菌作用外，LL-37還可抑制細(xì)菌產(chǎn)生的內(nèi)毒素和CD14+結(jié)合，有助于改善敗血癥并減少感染導(dǎo)致的死亡[10]。研究發(fā)現(xiàn)[11]，LL-37通過dTHP1細(xì)胞增強(qiáng)了FcyRs清除細(xì)菌的能力，當(dāng)THP1細(xì)胞在濃度為20 ml LL-37溶液中溫育8 h后，可增強(qiáng)免疫球蛋白G調(diào)理大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的吞噬能力。其次，LL-37的構(gòu)象與其抗菌活性密切相關(guān)，LL-37分子中的部分氨基酸具有雙親性螺旋結(jié)構(gòu)，在疏水作用下易形成寡聚體。該寡聚體形式的a螺旋結(jié)構(gòu)與機(jī)體的抗體活性成正比，即a螺旋結(jié)構(gòu)的寡聚體越多，其抗菌活性越強(qiáng)[12]。

2.1.2 抗病毒作用 ?LL-37的抗病毒活性針對多種病毒，包括人類獲得性免疫缺陷病毒（HIV-1）、甲型流感病毒（IAV）、呼吸道合胞病毒（RSV）、鼻病毒（HRV）、牛痘病毒（VACV）、單純皰疹病毒（HSV）和丙型肝炎病毒（HCV）等，主要通過與細(xì)胞膜和病毒外殼之間的相互作用而產(chǎn)生抗病毒作用[13]。抗菌肽LL-37可以誘導(dǎo)抗原提呈細(xì)胞產(chǎn)生強(qiáng)有力的免疫應(yīng)答，通過產(chǎn)生和釋放Ⅰ型干擾素及促進(jìn)樹突細(xì)胞的成熟，增強(qiáng)病毒dsDNA向位于細(xì)胞核附近的toll樣受體的傳遞，從而達(dá)到有效的抗病毒作用。

2.1.3抗真菌作用 ?LL-37還具有抗真菌作用，特別是對白色念珠菌有很好的殺菌作用[14]，對皮膚上產(chǎn)生的LL-37的片段（KR-20，KS-30，RK-31）也顯示了有效的抗真菌作用，其機(jī)制與細(xì)胞膜磷脂結(jié)構(gòu)的破壞及其在真菌細(xì)胞中誘導(dǎo)ROS活性相關(guān)[15]。

2.2免疫調(diào)節(jié)作用 ?機(jī)體在炎癥感染過程中，常常合并出現(xiàn)免疫功能的損害，部分重癥感染患者在治療時往往需要使用免疫抑制劑，而在免疫功能損害患者體內(nèi)，LL-37表達(dá)明顯升高，參與免疫復(fù)合物自體核酸抗體的形成。LL-37對體內(nèi)多種細(xì)胞（如單核細(xì)胞、上皮細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞等）均有免疫調(diào)節(jié)作用，與GM-CSF及IL-1b有協(xié)同作用，前者主要通過激活單核細(xì)胞并產(chǎn)生IL-8，后者通過激活A(yù)KT、CREB、NFkB等途徑增強(qiáng)多種細(xì)胞因子和趨化因子活性。此外，最近報道了在嗜中性粒細(xì)胞中LL-37和白三烯B4之間的相互作用，并提出了在體外和體內(nèi)誘導(dǎo)兩種免疫介質(zhì)的表達(dá)和釋放[17]。在重癥感染時，含LL-37的小顆粒自中性粒細(xì)胞中釋放，并在上皮細(xì)胞誘導(dǎo)下加速轉(zhuǎn)錄。此外，LL-37還能誘導(dǎo)上皮細(xì)胞產(chǎn)生IL-6、IL-8等活性物質(zhì)，從而提高單核細(xì)胞及中性粒細(xì)胞滲透性，增強(qiáng)免疫調(diào)節(jié)功能。

2.3抗內(nèi)毒素作用 ?LPS主要位于革蘭陰性桿菌外膜上，在膿毒癥的發(fā)生發(fā)展中扮演著重要的角色。其機(jī)制主要有：①LL-37參與LPS誘導(dǎo)的Toll樣受體（TLR）-核因子KB（NF-KB）信號通路調(diào)節(jié)，對LPS誘導(dǎo)的NF-KB亞單位p65及p50的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生抑制作用[1];②激活有絲分裂原活化蛋白激酶（MAPK）通道，從而提高促炎反應(yīng)通道活性;③選擇性調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致促炎反應(yīng)基因（TNF-α、p50等）表達(dá)減少;④抑制LPS與髓樣分化蛋白2（MD-2）、LPS結(jié)合蛋白（LBP）或Toll樣受體復(fù)合物結(jié)合，削弱對其下游通路的激活。

2.4趨化作用 ?LL-37及其部分預(yù)警蛋白的一個主要作用在于能夠處理感染部位的微生物，被感染的上皮細(xì)胞表達(dá)的LL-37可以直接吸引先天免疫系統(tǒng)的細(xì)胞（如單核細(xì)胞、嗜中性粒細(xì)胞和樹突細(xì)胞），并對上述免疫細(xì)胞具有趨化作用[17]。研究表明[11]，LL-37可上調(diào)人體內(nèi)IL-6、IL-8、IL-12及趨化因子MCP-1的表達(dá)，這些趨化因子能夠幫助吸引更多的嗜中性粒細(xì)胞和LL-37來協(xié)同抗感染。

2.5促血管生成 ?一旦感染被清除，被微生物破壞的組織或免疫系統(tǒng)需要修復(fù)，LL-37在這一過程中也扮演著重要的角色。上皮傷口愈合需要上皮細(xì)胞的遷移和增殖，血管生成，以及成纖維細(xì)胞抑制膠原的生成，以避免瘢痕組織過多。這些效應(yīng)中有許多是通過表皮生長因子受體（EGFR）的轉(zhuǎn)活介導(dǎo)的，LL-37可加速G蛋白偶聯(lián)受體反式激活EGFR，引起角化細(xì)胞遷移，促進(jìn)傷口的修復(fù)。LL-37具有促血管新生，在傷口愈合的部位吸引內(nèi)皮祖細(xì)胞，并誘導(dǎo)其增殖。其機(jī)制可能為[18]：LL-37作用于血管內(nèi)皮細(xì)胞，誘導(dǎo)磷脂酶A2（PLA2）的活化，活化的PLA2促進(jìn)環(huán)氧化物1（COX1）的產(chǎn)生，促進(jìn)前列腺素E2（PGE2）的合成，而PGE2在腫瘤血管生成的過程中起重要作用。

2.6 LL-37在癌癥中的作用 ?LL-37在腫瘤發(fā)生發(fā)展中扮演著極其復(fù)雜的角色。在正常情況下，LL-37在腫瘤轉(zhuǎn)移系統(tǒng)中起作用。然而，由于LL-37參與增殖、遷移和血管生成，不加控制的LL-37表達(dá)也可能導(dǎo)致上述過程的異?？刂?，并實際上促進(jìn)癌癥。Ciornei CD 等[19]和Xi C等[20]的研究均發(fā)現(xiàn)，卵巢上皮細(xì)胞中過量表達(dá)的LL-37是作為卵巢腫瘤惡化的正調(diào)節(jié)因子，通過促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞植入腫瘤基質(zhì)來誘發(fā)和加重腫瘤的發(fā)生。其次，LL-37在肺癌、乳腺癌、前列腺癌、胰腺癌、惡性黑色素瘤和皮膚鱗狀細(xì)胞癌中誘導(dǎo)致癌作用。相反，LL-37在結(jié)腸癌、胃癌、血液惡性腫瘤和口腔鱗狀細(xì)胞癌中顯示出抗癌作用，其作用機(jī)制考慮與LL-37誘導(dǎo)的膜受體活化和隨后的信號傳導(dǎo)途徑導(dǎo)致細(xì)胞功能的改變有關(guān)，各種癌細(xì)胞上的不同膜受體似乎是造成LL-37的組織特異性作用的原因。因此，LL-37在結(jié)腸癌、胃癌等腫瘤疾病的治療中具有重要意義。

3總結(jié)與展望

LL-37作為機(jī)體唯一的天然抗菌肽，是機(jī)體先天免疫系統(tǒng)的重要組成部分，在外界細(xì)菌、病毒、真菌等入侵機(jī)體時，在人體各個系統(tǒng)（呼吸、胃腸道、皮膚、免疫等）發(fā)揮積極的防御作用，具有廣譜殺菌及免疫調(diào)節(jié)功能，同時還參與調(diào)節(jié)細(xì)胞因子釋放、誘導(dǎo)細(xì)胞分化、促進(jìn)傷口愈合、血管生成和抗腫瘤作用。但LL-37的多功能性質(zhì)在治療的同時也可能給機(jī)體帶來傷害，可能導(dǎo)致某些腫瘤性疾病（如卵巢癌、乳腺癌、前列腺癌等）的發(fā)生，同時在亞抑制濃度下促進(jìn)銅綠假單胞菌的變異?？傊琇L-37逐漸成為一種具有多種適用性的有效治療選擇，但在選擇時需仔細(xì)評估。可以根據(jù)其廣譜的抗菌活性及免疫功能研發(fā)相應(yīng)的抗菌藥物，也可以依據(jù)其抗腫瘤作用研制出相關(guān)的抗癌藥物，但這需要大量臨床實驗研究，更加深入的探討抗菌肽LL-37在感染性疾病及腫瘤性疾病中的抗炎機(jī)制及促調(diào)亡的相關(guān)機(jī)制，為感染性疾病及腫瘤的治療提供新的靶點(diǎn)。

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收稿日期：2019-10-22;修回日期：2019-12-5

編輯/肖婷婷