LTP — белки аллергии

Аллергия на пыльцу, на персики, на арахис... На самом деле и то, и другое, и третье может быть аллергией на липид-транспортирующие белки — LTP. К этому семейству принадлежат многие сильные растительные аллергены, а знаем мы об этих белках далеко не все.

Фото: Henry T. McLin / flickr.com

Аллергия как несимметричный ответ

Аллергию без преувеличения можно назвать пандемией — третье по распространенности заболевание в мире, поразившее 20% населения Европы. Даже далекие от биологии люди знают, что причина аллергии — сбой иммунной системы. В чем причина этого сбоя? Почему главный защитник нашего организма от вирусов, бактерий, простейших, гельминтов — одним словом, от патогенов — становится агрессором?

Согласно одной из теорий, в современном мире соблюдение норм гигиены предотвращает контакт со многими патогенами, нагрузка на иммунную систему снижается, в результате организм начинает реагировать на «безобидные» антигены, и возникает аллергия. Антигены, вызывающие аллергию, называют аллергенами. Меру аллергической настроенности организма часто определяют по количеству IgE в крови.

Первая встреча аллергена с иммунной системой стимулирует выработку IgE. Эти антитела связываются хвостовой частью с Fc-рецепторами тучных клеток и базофилов. При повторной встрече аллерген связывается с IgE на поверхности тех же самых тучных клеток и базофилов, вызывая их активацию и дегрануляцию (рис. 1).

1. Механизм возникновения аллергической реакции

Тучные клетки и базофилы выделяют в организм человека биологически активные вещества, в том числе гистамин — производное аминокислоты гистидина. Гистамин обладает комплексным действием. При попадании в межклеточную среду он сразу же воздействует на стенки капилляров, увеличивая их проницаемость, понижает артериальное давление и вызывает спазм гладкой мускулатуры. Из кровяного русла жидкость выходит в ткани и накапливается там — образуется отек. Если аллергическая реакция возникла в дыхательных путях, то высвобождение гистамина приведет к резкому спазму бронхов, что становится причиной возникновения астмы. В других случаях возникают отек слизистой носа, кожные высыпания, конъюнктивит. Гистамин также влияет на воспалительный процесс, то есть является медиатором воспаления — защитной реакции организма, направленной на устранение патогена и продуктов его жизнедеятельности.

Аллергия может возникнуть практически на любое вещество. Поэтому для удобства аллергены подразделяют на группы по происхождению: бытовые, лекарственные, эпидермальные (клетки эпидермиса человека и животных и его производные), грибковые, пыльцевые, пищевые и т. д. Одни из сильнейших аллергенов — представители липид-транспортирующих белков (LTP) растений. Именно эти вещества вызывают иммунные реакции на пыльцу и пищевые продукты растительного происхождения.

Белки покорителей суши

Липид-транспортирующие белки впервые описали испанские ученые в 1992 году; они нашли их в кожице персика («Annals of Allergy», 1992, 69, 128–130). Эти маленькие положительно заряженные белки весом около 7–10 кДа обнаружены только у высших растений, у водорослей они отсутствуют (рис. 2, 3), и, возможно, они помогли растениям выйти на сушу.

2. «Ленточная» модель липид-транспортирующих белков риса — LTP1 и LTP2. Действительно очень небольшие белки, а сколько от них проблем! Изображение: «Acta Naturae», 2016; PMCID: PMC4947988

3. Филогенетическое древо, на котором показано наличие или отсутствие LTP в различных группах рстений Изображение: «Journal of Experimental Botany», 2015; doi: 10.1093/jxb/erv313

Для освоения наземного пространства растениям нужно было решить основную проблему: как защититься от потерь воды. Решением стали гидрофобные полимеры, формирующие водонепроницаемый слой на поверхности эпидермальных клеток. Этот слой называется кутикулой и защищает растительные ткани от обезвоживания, а заодно от радиации и даже в какой-то мере от поедания травоядными животными. А образование кутикулы, в свою очередь, требует транспортировки липидов из клеток на поверхность. Предполагается, что в возникновение и эволюцию кутикулы большой вклад внесли LTP («Plants» – статья в открытом доступе).

4. Функции растительных липид-транспортирующих белков Изображение: «Acta Naturae», 2016; PMCID: PMC4947988

В экспериментах in vitro было установлено, что LTP способны связывать и переносить липиды через биомембраны. Концентрация LTP высока в покровных тканях растений, и это наводит на мысль об их участии в синтезе поверхностного кутикулярного слоя (рис. 5). Мутации, влияющие на синтез этих белков, влияют и на секрецию воска.

5. Предполагаемый механизм переноса липидов через мембрану и их участие в синтезе кутикулы: а — в зеленых тканях, б — в корнях, в — в пыльце Изображение: «Acta Naturae», 2016, PMCID: PMC4947988

Транспортировка липидных молекул из клетки в кутикулу происходит так. Мономеры липидов через специальный белок-транспортер попадают в пространство клеточной стенки. Там они связываются с прикрепленными к наружной стороне мембраны LTPg, те, в свою очередь, передают липид на свободный LTP, который транспортирует гидрофобную молекулу в место синтеза кутикулы. Но до сих пор остается неясным механизм переноса липида по клеточной стенке.

Польза и вред LTP

Не стоит думать, что человеку от этих белков одни неприятности. Многие LTP препятствуют росту патогенных бактерий и грибов. Чаще всего это происходит избирательно, скорее всего, из-за различий в составе липидов клеточных мембран бактерий, грибов, млекопитающих и растений. Так, некоторые исследования отмечают, что LTP из перца и кофе подавляют активность грибков рода Candida — известных патогенов человека. Механизм этой антимикробной активности неясен, по-видимому, взаимодействия LTP с гидрофобными молекулами в нем не задействованы.

Зато эти взаимодействия активно используются в пивоварении. LTP ячменя обладает поверхностно-активными свойствами, однако до термообработки и пастеризации пива этот белок демонстрирует слабые свойства вспенивания. А вот после пастеризации LTP ячменя модифицируется и становится пенообразующим. При этом его антимикробная активность не нарушается, в результате увеличивается срок хранения, поскольку LTP способен подавлять рост дрожжей. LTP также связывает жиры, что в лучшую сторону сказывается на формировании пены и на вкусе пива.

У некоторых LTP выявлены противораковая и противовирусная активности, механизмы которых опять-таки неизвестны. Пока что из всех разнообразных свойств этих белков медиков интересует в первую очередь их аллергенность.

Способность LTP вызывать аллергию напрямую связана с особенностями их структуры. Четыре дисульфидных мостика обеспечивают устойчивость к разрушению ферментами желудочно-кишечного тракта. Поэтому LTP попадают в неизменном виде в тонкий кишечник и затем через ворсинки всасываются в кровь, где встречаются с иммунной системой человека. Сорок процентов поверхности LTP способно связываться с иммуноглобулинами.

Часто у страдающих аллергией на какой-то один LTP проявляется LTP-синдром — перекрестные аллергические реакции на LTP различных видов растений, в том числе и таксономически далеких. Был описан интересный случай на одном из складов в Европе. Работа сотрудников требовала ежедневного контакта с персиками, а LTP персика Pru p 3, высокие концентрации которого содержатся в кожуре плода, — известный аллерген. Через какое-то время один из служащих начал страдать ринитами, а шесть месяцев спустя у него возникла тяжелая пищевая аллергия на персики, сливы, фундук, арахис... Исследователи сделали вывод, что контакт пациента с кожурой персика мог спровоцировать возникновение аллергической чувствительности через дыхательные пути и дальнейшее развитие пищевой аллергии («Clinical Reviews in Allergy & Immunology»).

По данным Европейской академии аллергии и клинической иммунологии, 150 миллионов европейцев страдают от хронической аллергии, из них у 7 миллионов пищевая аллергия, у 100 миллионов — аллергические риниты. В Испании 11% жителей имеют аллергию на пыльцу, а 10–40% из них — также аллергию на LTP персика. В Северной Европе аллергия на LTP — это чаще всего аллергия на белок пыльцы березы Bet v 1, а от пищевой аллергии на LTP больше страдают жители Средиземноморья. Интересно, что растительные продукты в Северной Европе также содержат LTP в больших количествах, однако аллергии на них встречаются значительно ниже, чем в южноевропейских странах. Одно из возможных объяснений — различные диетические привычки и методы термической обработки продуктов.

Как лечиться?

Несмотря на все успехи современной фармакологии, самым простым и действенным методом борьбы с аллергией остается ограничение контакта с аллергеном. При аллергии на пыль необходимо использовать воздушные фильтры для очистки воздуха, при пищевой аллергии исключить из рациона опасный продукт или использовать его гипоаллергенный аналог. Современные технологии даже позволяют получить генно-модифицированные продукты с безвредными для аллергиков LTP (см., например, «Trends in Plant Science»). Другое дело, что наклейка «ГМО» все еще остается пугалом для производителей и потребителей.

Так или иначе, если аллерген попал в организм, приходится принимать лекарства. Противоаллергические средства можно разделить на три группы. Первая — антигистаминные препараты: они блокируют рецепторы, с которыми связывается гистамин. Однако антигистаминные средства не подходят для лечения аллергии в долгосрочной перспективе из-за побочных эффектов: они вызывают сонливость, негативно влияют на сердечную мышцу.

Другая группа препаратов воздействует на мембраны тучных клеток, блокируя выброс везикул с гистамином, тем самым устраняя отеки слизистой носа и предупреждая появление астмы. Но это опять же симптоматическое средство, оно не решает проблему полностью.

В серьезных случаях для быстрого облегчения острых симптомов принимают препараты на основе глюкокортикоидов — гормонов надпочечников, обладающих противовоспалительной активностью.

На данный момент один из самых эффективных методов борьбы с аллергией — аллерген-специфическая иммунотерапия. Этот метод основан на продолжительном введении пациенту одного аллергена для постепенного уменьшения восприимчивости («Clinical and Translational Allergy» – статья в открытом доступе), о принципе метода см. также «Химию и жизнь» 2014 №3, «Как победить аллергию за четыре инъекции»). Его применяют при аллергии на LTP арахиса, персика, фундука, вишни и т. д. Для предотвращения опасных побочных эффектов природные аллергены заменяют гипоаллергенными аналогами; в случае LTP используют рекомбинантные белки.

Также врачи в качестве лечения назначают сублингвальную терапию. Данная терапия очень похожа по принципу действия на аллергенспецифическую, отличие в том, что здесь используются не один, а несколько аллергенов. Пациенту индивидуально подбирают «коктейль» из аллергенов, который наносят под язык каждый день по нескольку капель в течение продолжительного времени (3–5 лет). Спустя какое-то время организм пациента перестает остро реагировать на контакт с этими аллергенами. Таким образом борются с аллергией на LTP персиков, абрикосов, груш, слив и др.

Количество людей, страдающих от аллергии на растительные липид-транспортирующие белки, увеличивается с каждым годом, и это одна из причин, по которой LTP остаются интереснейшим объектом для изучения. Кто знает, может быть, именно через них лежит путь к новой эффективной терапии.

Словарик иммунитета

Основные игроки в команде иммунитета — лейкоциты. Они подразделяются на несколько групп. Нейтрофилы составляют около 70% от количества всех лейкоцитов. Они способны мигрировать через стенки капилляров к очагам инфекции. Основная их функция — это съесть и переварить, то есть фагоцитировать бактерию.

Дальше идут моноциты и макрофаги: первые курсируют по кровотоку около 30–40 часов с момента своего образования в красном костном мозге, затем выходят через стенки капилляров в межклеточное пространство, превращаясь в макрофагов — крупные клетки, которые не только фагоцитируют патогены, но и способствуют развитию иммунного ответа.

Дендритные клетки по функциям аналогичны макрофагам, их также можно встретить во всех тканях и органах. Они активируются при фагоцитозе патогена, способны сохранить внутри себя фрагменты врага и затем представить их лимфоцитам. Кроме того, дендритные клетки выделяют специальные химические сигналы — цитокины, которые влияют на дальнейший ход развития иммунной реакции, опосредованной Т-лимфоцитами.

Эозинофилов и базофилов в крови здорового человека немного, но именно они участвуют в возникновении аллергических реакций. Число эозинофилов увеличивается также при заражении гельминтами. Эти клетки при определенных условиях выделяют биологически активные вещества (гистамин и другие) в межклеточную среду. С базофилами очень сходны тучные клетки, также играющие ключевую роль в аллергических и воспалительных процессах.

Лимфоциты — большая группа лейкоцитов, включающая Т- и В-лимфоциты. Т-лимфоциты подразделяются на три группы: Т-киллеры распознают и обезвреживают патогены, Т-хелперы распознают патогены и выделяют вещества, помогающие другим клеткам с ним бороться, регуляторные Т-лимфоциты (С-супрессоры) способны ослабить или подавить иммунную реакцию.

В-лимфоциты при контакте с патогеном превращаются в плазматические клетки, которые вырабатывают антитела — белки, способные связываться с антигеном, привлекать макрофагов и других, а также активировать каскады иммунных реакций, приводящих к гибели патогена. Часть В-лимфоцитов при определенных условиях превращается в клетки памяти: при повторной атаке патогена они быстро активируются, делятся и идут устранять врага.

В первом приближении борьба иммунной системы с патогеном протекает так: сначала активируется первая линия защиты — нейтрофилы и макрофаги, затем макрофаги и дендритные клетки активируют лимфоциты, которые целенаправленно истребляют чужаков. Важную роль на этом этапе играют антитела — Y-образные молекулы из суперсемейства белков иммуноглобулинов, содержащие два участка связывания с чужеродной молекулой (антигеном).

У млекопитающих выделяют пять классов антител: IgA, IgD, IgE, IgG, IgM. Каждый класс имеет свой тип тяжелой цепи, а значит, свой уникальный Fc-фрагмент (так называется «ножка» антитела, образованная концевыми участками тяжелых цепей). Строение хвостовой части антитела влияет на такие свойства, как связывание с фагоцитирующими клетками, пересечение плацентарного барьера и другие. Специальные Fc-рецепторы, расположенные на мембране лейкоцитов, распознают Fc-фрагмент антитела определенного класса и связываются с ним; для каждого типа антител есть свой Fc-рецептор.

Для рассказа об аллергии наиболее важен класс антител IgE. В крови здорового человека эти антитела в свободном виде практически отсутствуют. Их хвостовая часть имеет высокое сродство к Fc-рецепторам на поверхности тучных клеток, базофилов и эозинофилов.

Антитело состоит из четырех полипептидных цепей — двух легких и двух тяжелых