Дефенсины насекомых были открыты независимо друг от друга двумя группами исследователей. Первоначально они были обнаружены в культуральной среде клеток NIH Sape-4, которые представляют собой поддерживаемую in vitro линию эмбриональных клеток серой мясной мухи Sarcophaga peregrina. Эти пептиды в литературе получили название сапецины. В 1989 г. французские исследователи выделили из гемолимфы личинки падальной мухи Phormia terranovae два антибактериальных пептида, получивших название формицин А и формицин В, которые имели частичное структурное сходство с дефенсином NP-1 из псевдоэозинофилов и альвеолярных макрофагов кролика.

Сравнение первичной структуры формицин а, выделенного из гемолимфы личинки падальной мухи, и дефенсина NP-1 из нейтрофилов кролика

Первичные структуры дефенсинов насекомых

Жирным шрифтам отмечены консервативные аминокислотные остатки. X - С-концевая часть роялизина: TSFK0LWDKYF.

В дальнейшем выяснилось, что эта гомология носит случайный характер и, как правило, не свойственна пептидам, принадлежащим к семейству дефенсинов насекомых, которых сейчас ухе известно более десятка. В частности, из представителей отряда двукрылых кроме формицинов и сапецинов были выделены и секвенированы дефенсины из мухи-пчеловидки Eristalis tenax, плодовой мушки Drosophila melanogaster, комара Aedes aegypti; из отряда жесткокрылых, или жуков, — из Zophobas atrarus, Tenebrio molitor, Allomyrina dichotoma; из отряда полужесткокрылых — из бескрылого красного клопа Pyrrhocoris apterus, зеленого древесного клопа Palomena prasina; из отряда перепончатокрылых — из медоносной пчелы Apis mellifera и шмеля; из отряда Odonata таким представителем является стрекоза Aeschia cyanea.

Первичная структура большинства представителей дефенсинов насекомых характеризуется заметной гомологией на всех участках молекул. Несколько особняком в сравниваемом ряду гомологичных пептидов стоит структура дефенсина из стрекозы Aeschna суа-пеа — представителя одного из наиболее эволюционно древних отрядов насекомых. Однако среди дефенсинов, выделенных из гемолимфы представителей «молодых» отрядов, также встречаются исключения, как в случае сапецина В из серой мясной мухи Sarcophaga peregrina. Дефенсины насекомых являются катионными молекулами, состоящими из 38—43 аминокислотных остатков. Исключение из этого правила составляют 2 пептида: — сапецин В и роялизин. Последний выделен как из маточного молочка пчел, так и гемолимфы взрослого животного. Для всех дефенсинов насекомых характерно присутствие 6 консервативно расположенных цистеиновых остатков, образующих стереотипно 3 внутримолекулярных дисульфидных мостика. Изучение надпервичной структуры формицина А методом ядерного магнитного резонанса выявило в его молекуле 3 различно организованных участка в пептидной цепи: гибкий и малоупорядоченный N-концевой, включающий аминокислотные остатки от 1-го до 13-го, центральный, представленный амфипатической а-спиралью, и третий — С-концевой, являющийся р-слоем, сформированным 2 антипараллельными Р-тяжами, которые связаны Р-изгибом. Дисульфидные мостики являются фактором, стабилизирующим вторичные структуры пептидов и поддерживающим их третичную структуру, которая необходима для максимальной реализации антимикробных свойств дефенсиновой молекулы. На основании сравнения первичных структур дефенсинов насекомых можно допустить, что для большинства из них характерна подобная надпервичная структура, подтвержденная экспериментально, однако, только в случае сапецинов. Она отлична от вторичной структуры а- и р-дефенсинов, которая представлена 3 антипараллельными р-тяжами. Отличная от а- и Р-дефенсинов аранжировка дисульфидных связей дефенсинов насекомых наряду с особенностями их первичной и вторичной структур определяет различия третичных структур рассматриваемых пептидов. У дефенсинов насекомых она ближе к трехмерной структуре пептидного нейротоксина из яда скорпиона — харибдотоксина, который является ингибитором К+-каналов. В связи с этим, по-видимому, не случайным является факт обнаружения у сапецина В способности ингибировать К+-каналы в клетках Пуркинье из мозжечка крысы.

Различия в структурах дефенсинов насекомых, с одной стороны, и а- и Р-дефенсинов — с другой, ответственны, по всей видимости, за особенности их антимикробной активности. Так, если дефенсины млекопитающих и птиц являются универсальными антибиотическими пептидами, инактивирующими грамположительные и грамотрицательные бактерии, низшие фибы и оболочечные вирусы, то этого нельзя сказать о дефенсинах насекомых, последние действуют преимущественно только на грамположительные бактерии. Необходимы на 1—2 порядка большие концентрации для проявления антимикробной активности дефенсинов насекомых в отношении грамотрицательных бактерий и еще более значительные — в случае воздействия на грибки. Ограниченная функциональная активность дефенсинов насекомых в отношении отдельных групп микробов компенсируется на уровне организма продукцией других антибиотических пептидов, таких как цекропины, апидацины, дрозоцин, метальниковины, которые эффективно инактивируют грамотрицательные бактерии, и дрозомицин, направленно воздействующий на грибки.

Изучение механизмов антимикробного действия дефенсинов насекомых выявило в принципе все те же закономерности проявления их активности, которые были установлены для а- и р-дефенсинов. Основной мишенью их поражающего действия на бактерии является цитоплазматическая мембрана. Перфорируя плазмалемму бактерий, дефенсины насекомых нарушают структурную целостность клетки, ее ионный го-меостаз, вызывают частичную деполяризацию мембраны и уменьшение концентрации цитоплазматического аденозинтрифосфата вследствие ингибирования окислительного фосфорилирования. Остается, однако, не совсем ясным вопрос, почему при столь общих проявлениях воздействия на цитоплазматическую мембрану дефенсины насекомых по сравнению с дефенсинами млекопитающих и птиц характеризуются столь слабой антимикробной активностью в отношении грамотрицательных бактерий. Может быть, фактором, ограничивающим антимикробную активность дефенсинов насекомых в отношении фамотрицательных бактерий, является наружная мембрана последних, которая слабо проницаема именно для рассматриваемого типа пептидных молекул.

У большинства изученных видов насекомых содержание антимикробных пептидов в гемолимфе находится на фоновом уровне. Это касается и присутствия таких пептидов, как цекропины и дефенсины насекомых. Синтез дефенсинов у насекомых, как и большинства других антибиотических пептидов, носит преимущественно индуцибельный характер. Попадание бактерий и грибов, а также липополисахаридов и продуктов их метаболизма во внутреннюю среду животных инициирует защитный процесс продукции жировым телом насекомых широкого спектра антимикробных пептидов, секретируемых в гемолимфу. Меньший вклад в биосинтез этих пептидов вносят гемоциты и другие клеточно-тканевые структуры организма. Антимикробные пептиды продуцируются также эпидермальными клетками в ответ на повреждение или инфицирование кутикулы насекомых. В этом наблюдается существенное сходство данного процесса с биосинтезом и продукцией Р-дефенсинов эпителием трахеи крупного рогатого скота. Более того, существует удивительное совпадение ряда молекулярно-генетических процессов в эпителиях у насекомого и млекопитающего, выражающееся в вовлечении в индуктивный синтез пептидов сходных генетических структур и, в частности, так называемых кр-подобных промоторных участков генов, которые ответственны за синтез антибиотических пептидов у столь эволюционно удаленных видов животных. Необходимо, однако, отметить, что если для насекомых подобный индуцибельный характер биосинтеза антибиотических пептидов является правилом, то для млекопитающих феномен индуцибельного синтеза р-дефенсинов в эпителии трахеи и кератиноцитах кожи человека — это пока, скорее всего, исключение. Для высших животных свойствен конститутивный синтез лейкоцитарных и эпителиальных антимикробных пептидов и белков только на определенной стадии их клеточного развития, с последующей упаковкой этих защитных соединений в гранулы на уровне аппарата Гольджи и сохранения их в соответствующих клетках в преформированном, уже, как правило, готовом для функционирования состоянии. Повреждения, инициирующие фагоцитоз или воспалительную реакцию, запускают процесс мобилизации депонированных в виде предшественников антибиотических пептидов и белков.