由美國加州大學(xué)戴維斯分校衛(wèi)生系統(tǒng)（UC Davis Health System）領(lǐng)導(dǎo)的一組科研人員發(fā)現(xiàn)了人α-防御素6（HD6）——這是人體的天然防御系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵成分——與微生物表面結(jié)合并形成了圍繞,、糾纏微生物并讓微生物失能的“納米網(wǎng)”,，防止細(xì)菌附著在腸道細(xì)胞上或者入侵腸道細(xì)胞,。
該研究描述了防御素的一種全新的作用機(jī)制,。防御素是已知能夠支持血液中的白細(xì)胞的防御作用的一組重要的分子,，它們保護(hù)細(xì)胞邊界不被入侵性病原體傷害,，并調(diào)控哪些“友好的”微生物可以在人體表面生活,。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)為炎癥性腸病提供了重要線索,，特別是克羅恩病,，該病可能部分是由人α-防御素6（HD6）濃度或功能的缺乏導(dǎo)致的,。
描述該研究的論文發(fā)表在了6月22日出版的《科學(xué)》（Science）雜志上。
“在過去的25年中,，科研人員已經(jīng)了解到了防御素的生物功能的許多知識,，但是人α-防御素6（HD6）——這是在腸道高度表達(dá)的一種特殊分子——曾是一個(gè)謎，”加州大學(xué)戴維斯分校的微生物學(xué)與免疫學(xué)教授Charles L. Bevins說,。“我們?nèi)缃裰懒薍D6在人體的天然免疫系統(tǒng)中有一個(gè)非常獨(dú)特的作用,。它的與微生物表面結(jié)合、自我裝配從而在包括沙門氏菌和耶爾森氏菌在內(nèi)的細(xì)菌以及真菌和原生動(dòng)物寄生蟲周圍形成一個(gè)纖維網(wǎng)的能力為腸道這個(gè)人體關(guān)鍵的部分提供了一個(gè)強(qiáng)有力而廣譜的針對潛在威脅的防御,。
Bevins和他在加州大學(xué)戴維斯分校的同事Andreas B,？umler教授、美國加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的終身教授Robert I. Lehrer,、美國馬里蘭大學(xué)醫(yī)學(xué)院（University of Maryland School of Medicine）的合成蛋白質(zhì)化學(xué)家Wuyuan Lu教授是該論文的共同資深作者,。Bevins實(shí)驗(yàn)室的研究生、如今在加州理工學(xué)院工作的Hiutung Chu是這個(gè)為期9年的解決人α-防御素6（HD6）之謎的征程的一個(gè)驅(qū)動(dòng)力量,。
關(guān)于人α-防御素6（HD6）蛋白質(zhì)
防御素是一族在結(jié)構(gòu)上相關(guān)的小肽,，在自然界的植物和動(dòng)物中找得到其所具有的抗生素活性。人類制造6種不同的α-防御素,。其中兩種——人α-防御素5（HD5）和人α-防御素6（HD6）——是由位于小腸內(nèi)壁褶皺上的專門的分泌細(xì)胞潘氏細(xì)胞分泌的,。人α-防御素5（HD5）具有眾所周知的抗菌屬性，但是人α-防御素6（HD6）的功能此前未知,。潘氏細(xì)胞的富含防御素的分泌物與附近的腸道干細(xì)胞一起維持微菌群的平衡并更新腸道細(xì)胞表面,。
Chu的研究生工作把重點(diǎn)放在了描述人α-防御素6（HD6）的生物活性的研究中，這些研究使用經(jīng)培養(yǎng)的腸道上皮細(xì)胞和轉(zhuǎn)基因小鼠模型,。盡管Chu和Bevins預(yù)計(jì)到了人α-防御素6（HD6）的活性會(huì)非常類似于其他在微生物膜上打洞從而殺死病原體的α-防御素,，他們的早期研究一再表明人α-防御素6（HD6）不會(huì)殺死細(xì)菌。他們感到困惑,，然后與加州大學(xué)戴維斯分校教授Angela Gelli 和Scott Dawson合作尋找了其他可能的功能,，從而弄清人α-防御素6（HD6）是否可能只殺死特定細(xì)菌、真菌或寄生蟲,。結(jié)果它沒有這些作用,。
在這個(gè)項(xiàng)目開展兩年并且對陰性結(jié)果感到失望的時(shí)候,，Bevins 和Chu仔細(xì)地回顧了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。就在那個(gè)時(shí)候他們識別出了兩個(gè)關(guān)鍵的信息,。第一個(gè)信息是當(dāng)把人α-防御素6（HD6）加入到細(xì)菌或真菌懸浮液中的時(shí)候,，在這些溶液中形成了一種白糊或者說沉淀。第二個(gè)信息是與B,？umler合作開展的早期研究證明了盡管人α-防御素6（HD6）不會(huì)殺死細(xì)菌病原體沙門氏菌,，它保護(hù)了轉(zhuǎn)基因小鼠不受另一種致命感染的傷害。
“當(dāng)我們把這兩個(gè)結(jié)果放在一起的時(shí)候,，我們就能夠系統(tǒng)地證明人α-防御素6（HD6）抑制了微生物入侵,，并且我們發(fā)現(xiàn)了人α-防御素6（HD6）的在多個(gè)層次上的獨(dú)特結(jié)構(gòu)以及功能，” Bevins說,。
發(fā)現(xiàn)之路
加州大學(xué)戴維斯分校的這個(gè)研究組然后與Lehrer合作,，后者的研究重點(diǎn)放在了對作為天然抗生素的防御素和其他抗菌肽的研究上。在他的實(shí)驗(yàn)室中,，他有一個(gè)表面等離子體共振儀,，能實(shí)時(shí)測量分子的結(jié)合。這種技術(shù)捕捉到了人α-防御素6（HD6）的逐漸裝配,，從與微生物細(xì)胞膜上的細(xì)菌蛋白質(zhì)結(jié)合到自我裝配從而形成原纖維以及原纖維的順序加入,。
憑借合成蛋白質(zhì)化學(xué)家、防御素結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系專家Lu的專家技能,，這個(gè)研究組獲得了足夠數(shù)量的最高等級的人α-防御素6（HD6）肽以及人α-防御素6（HD6）的細(xì)微的分子變種,，從而用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)他們的假說。Lu成功發(fā)現(xiàn)讓人α-防御素6（HD6）自我裝配成原纖維的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)成分,。HD6的一個(gè)獨(dú)特的特征是4個(gè)人α-防御素6（HD6）分子組合形成一個(gè)基本單元的方式,，這種基本單元進(jìn)一步組裝形成纖維和網(wǎng)。這組科研人員還發(fā)現(xiàn)僅僅改變?nèi)?alpha;-防御素6（HD6）的32個(gè)氨基酸殘基的1個(gè)——組氨酸-27——就能削弱人α-防御素6（HD6）在X射線晶體結(jié)構(gòu)中形成四聚物的能力,。其結(jié)果是,，人α-防御素6（HD6）失去了Lehrer在他的實(shí)時(shí)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的特定結(jié)合能力，阻礙了人α-防御素6（HD6）形成納米網(wǎng)的能力,，終止了它抑制細(xì)菌入侵的能力,。
B？umler實(shí)驗(yàn)室制造出了一種影響人α-防御素6（HD6）最初與微生物表面分子結(jié)合的關(guān)鍵的細(xì)菌變種,。當(dāng)這些分子在轉(zhuǎn)基因小鼠模型中敲除之后,，人α-防御素6（HD6）不會(huì)在細(xì)菌表面形成原纖維。
“這一系列的實(shí)驗(yàn)為把這個(gè)故事的許多因素粘合在一起提供了關(guān)鍵的‘膠水’,，并且讓我們和我們的同行相信了我們終于解決了人α-防御素6（HD6）作用的機(jī)制,，”Bevins評論說,。
天然免疫和炎癥性腸病的線索
加州大學(xué)戴維斯分校的這項(xiàng)研究描述了人α-防御素6（HD6）如何對人體的天然免疫做出貢獻(xiàn),，天然免疫會(huì)抵御免疫系統(tǒng)可能沒有任何管理經(jīng)驗(yàn)的微生物,。
“天然免疫系統(tǒng)需要有能力應(yīng)對可能具有各種導(dǎo)致感染的伎倆的多樣的微生物，”Bevins說,。“人α-防御素6（HD6）是幫助人體防止可能危險(xiǎn)的病原體實(shí)際密切接觸腸道上皮細(xì)胞和持續(xù)更新上皮細(xì)胞表面的干細(xì)胞的一個(gè)主要參與者,。”
Bevins實(shí)驗(yàn)室此前發(fā)表的研究已經(jīng)把α-防御素與克羅恩病聯(lián)系了起來?？肆_恩病是一種與人α-防御素5（HD5）和人α-防御素6（HD6）的缺乏有關(guān)的慢性炎癥性腸病,。這些防御素的分泌通常發(fā)生在小腸表面的基部，在那里它們做好了抵御將要與腸壁危險(xiǎn)性的近距離接觸的細(xì)菌的準(zhǔn)備,。然而,，克羅恩病病人傾向于在同樣的區(qū)域積累入侵性細(xì)菌，發(fā)展出能使自身延續(xù)下去的一種慢性炎癥,。
“如果這些重要的防御分子較少,，正常情況下存在于腸道的細(xì)菌可能讓腸道表面發(fā)炎并導(dǎo)致以克羅恩病為特征的慢性炎癥，”Bevins說,。“我們知道關(guān)于人α-防御素5（HD5）的抗微生物活性的許多知識,，如今我們懷疑人α-防御素6（HD6）的濃度也會(huì)讓這種疾病發(fā)展。”
這個(gè)研究組關(guān)于克羅恩病的未來研究的目標(biāo)是更好地理解究竟為何α-防御素的表達(dá)在罹患克羅恩病的病人中減少,，或許還將設(shè)計(jì)出讓人體增加制造這些關(guān)鍵分子的策略,。
該研究受到了來自美國國立衛(wèi)生研究院的資助的支持。（生物谷Bioon.com）
doi:10.1126/science.1218831
PMC:
PMID:
Human α-Defensin 6 Promotes Mucosal Innate Immunity Through Self-Assembled Peptide Nanonets
Hiutung Chu1, Marzena Pazgier2, Grace Jung3, Sean-Paul Nuccio1, Patricia A. Castillo1, Maarten F. de Jong1, Maria G. Winter1, Sebastian E. Winter1, Jan Wehkamp1,*, Bo Shen4, Nita H. Salzman5, Mark A. Underwood6, Renee M. Tsolis1, Glenn M. Young7, Wuyuan Lu2,†, Robert I. Lehrer3,†, Andreas J. Bäumler1,†, Charles L. Bevins1,†‡
Defensins are antimicrobial peptides that contribute broadly to innate immunity, including protection of mucosal tissues. Human α-defensin (HD) 6 is highly expressed by secretory Paneth cells of the small intestine. However, in contrast to the other defensins, it lacks appreciable bactericidal activity. Nevertheless, we report here that HD6 affords protection against invasion by enteric bacterial pathogens in vitro and in vivo. After stochastic binding to bacterial surface proteins, HD6 undergoes ordered self-assembly to form fibrils and nanonets that surround and entangle bacteria. This self-assembly mechanism occurs in vivo, requires histidine-27, and is consistent with x-ray crystallography data. These findings support a key role for HD6 in protecting the small intestine against invasion by diverse enteric pathogens and may explain the conservation of HD6 throughout Hominidae evolution.
