LTP — белки аллергии

Татьяна Цедилина
(«ХиЖ», 2019, №2)

pic_2019_02_31.jpg

Фото: flickr com /Henry T. McLin

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.


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.

pic_2019_02_31-2.jpg

1. Механизм возникновения аллергической реакции

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).

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

pic_2019_02_32-1.jpg

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

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.

pic_2019_02_32-2.jpg

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», 2018, 7(1), 6; doi: 10.3390/plants7010006, полный текст).

pic_2019_02_32-3.jpg

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.

pic_2019_02_33.jpg

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», 2014; doi: 10.1007/s12016-012-8338-7).

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», 2008; doi: 10.1016/j.tplants.2008.04.004). 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», 2012, 2:5; doi: 10.1186/2045-7022-2-5 (полный текст), 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.

pic_2019_02_30.jpg

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

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.



Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 2/2019) на с. 31 — 33.

123

Разные разности

20.05.2020 18:30:00

Вакцины – какие, сколько и на какой стадии?

Даже когда острая фаза пандемии COVID-19 закончится и меры карантина больше не будут нужны, сам вирус никуда не денется, а продолжит жить среди нас. Самый эффективный способ от него защититься – сделать вакцину.

>>
18.05.2020 19:00:00

Коронавирусы: в семье не без урода

Найдены молекулярные отличия более патогенных коронавирусов от менее патогенных. Пока не вполне ясно, как эти отличия работают. Но возможно ученые смогут понять, почему настолько похожие инфекционные агенты приводят к таким разным последствиям для человека.

>>
13.05.2020 17:00:00

…из-за снижения транспортных потоков во время пандемии коронавируса уменьшились сейсмические шумы в коре Земли; специалисты считают, что это облегчит мониторинг слабых землетрясений, вулканической активности и других сейсмических событий...

…6 марта с мыса Канаверал стартовала миссия Space X CRS-20, которая доставит на МКС 250 пробирок со стволовыми клетками человека; на протяжении месяца они будут развиваться в кости, хрящи и другие ткани в условиях невесомости...

…по мере того как на рынок выходят художественные произведения, разработанные с помощью генеративных алгоритмов и когнитивной робототехники, встает вопрос об авторском праве на них…

>>
05.05.2020 17:00:00

Смартфон может незаметно передавать секретные сведения посторонним через неучтенную разработчиками прореху на границе между столом и смартфоном. Как же это может быть? Ответ в ходе серии экспериментов получили исследователи из Вашингтонского университета.

>>
29.04.2020 17:00:00

Загадочное внезапное похолодание, случившееся на планете 13 тысяч лет назад, не устает привлекать внимание климатологов. Сейчас есть двое подозреваемых: ледниковое озеро Агассис и кометы, упавшие в Северной Америке. Теперь же, стараниями ученых из Геологической службы США, возник третий участник драмы – ледниковое озера Миссула, катастрофически опорожнившееся в Тихий океан.

>>