Важные составляющие иммунитета пчелиной семьи — антимикробные пептиды (АМП) (Hoffmann et al., 1999). Они активируются и доставляются к месту инфицирования в организме пчелы за короткий промежуток времени (Aerts et al., 2008). Многие проблемы пчеловодства можно решить через активацию иммунитета пчелиной семьи увеличением уровня экспрессии АМП у отдельных особей [5].
На данный момент у медоносной пчелы обнаружено четыре вида АМП: апидацин (apidaecin) (Casteels et al., 1989), абецин (abaecin) (Casteels et al., 1990), гименоптецин (hymenoptaecin) (Casteels et al., 1993) и дефенсины (defensin). Последние — одни из важнейших компонентов противоинфекционной защиты, представляют собой большое семейство цистеин-богатых АМП [2]. Они — гомологи формицинов мухи Phormia terranovae и отличаются от других пептидов своеобразной структурой, а также избирательной активностью по отношению к грамположительным бактериям и некоторым мицелиальным грибам (Klaudiny et al., 1994; Черныш и др., 1999).
Дефенсины медоносной пчелы — дефенсин 1 и дефенсин 2 с молекулярным весом 5,5 и 4,8 кДа соответственно — кодируются генами defensin 1 и defensin 2. Дефенсин 1 представлен тремя изоформами: дефенсином гемолимфы, дефенсином маточного молочка (роялизином), имеющего изоформы Ro-F (Fujiwara et al., 1990) и Ro-K (Klaudiny et al., 2005) с молекулярной массой 5525,1 и 5515,5 Да соответственно. Роялизин отличается от дефенсина гемолимфы пчелы двумя аминокислотными заменами [6].
Большинство АМП при инфекциях и повреждениях покровов продуцируются клетками жирового тела (адипоцитами) и гемолимфы (гемоцитами) насекомых, которые выделяются в плазму гемолимфы (Hoffmann et al., 1999; Choi et al., 2008). Доля АМП, синтезируемых гемоцитами, незначительна. Основную часть защитных пептидов продуцируют адипоциты (Hoffmann, Richhart, 1997). Вместе с тем методом RT-PCR (полимеразная цепная реакция в режиме реального времени) было показано, что дефенсин 1 экспрессируется в голове и тораксе пчелы гипофаренгиальными, мандибулярными и торакальными железами (Lopez et al., 2003; Klaudiny et al., 2005) и выделяется в маточное молочко (Qu et al., 2008) и мед (Kwakman et al., 2010). Таким образом, можно сделать вывод о преимущественной роли дефенсина 1 в формировании социального иммунитета пчелиной семьи в отличие от дефенсина 2, вырабатываемого адипоцитами и гемоцитами и являющегося компонентом индивидуального иммунитета. Низкий уровень транскрипции в норме и присутствие регуляторных элементов в промоторном регионе гена дефенсина 2 доказывают, что пептид индуцируется патогенным фактором (Casteels et al., 1993; Klaudiny et al., 2005). Широкое присутствие дефенсинов в организме медоносной пчелы свидетельствует о его универсальных и значимых функциях в индивидуальном и социальном иммунитете [2].
Широкая вариабельность количества и уровня активности дефенсинов в маточном молочке у разных здоровых семей медоносной пчелы, вероятно, связана, в частности, с генетической вариабельностью уровней экспрессии дефенсинов.
Инициация транскрипционной активности генов АMП происходит при ранении и попадании в гемолимфу различных по природе и происхождению иммунных индукторов — бактерий, грибов, фрагментов пептидогликанов и липополисахаридов клеточных стенок бактерий (Dunn, 1990), некоторых инсектицидов (Zhu, Lu, 1992), олигомеров хитина (Furukawa et al., 1999; Салтыкова и др., 2010). Активация синтеза АМП в адипоцитах и гемоцитах осуществляется несколькими механизмами. Предполагается, что в генерации индукторов синтеза АМП — липополисахаридов, пептидогликанов и β-1,3-гликанов — участвуют фагоциты, выделяющие в гемолимфу компоненты клеточных стенок поглощенных и переваренных бактерий (Taniani et al., 1997). Деятельность адипоцитов и гемоцитов усиливают гемоцитарные медиаторы, в роли которых могут выступать простагландины (Stanley-Samuelson, 1994). Показано, что фагоциты с поглощенными микроорганизмами способны непосредственно прикрепляться к клеткам жирового тела, что также стимулирует синтез АМП (Faye, Wyatt, 1980). Кроме того, предполагается активация синтеза АМП в адипоцитах и гемоцитах под действием медиаторов эндокринной системы [1].
У насекомых существует два основных NF-kB-опосредованных (nuclear factor kappa B) сигнальных пути: Imd-путь (Imd-immune deficiency signaling pathways) и Toll-путь (Toll-like receptor signaling pathways), — контролирующие экспрессию генов АМП (Глупов, 2001; Osta et al., 2004). Toll-путь отвечает за защиту от грибов и грамположительных бактерий, тогда как Imd-путь обеспечивает в основном защиту от грамотрицательных бактерий (Evans, Spivak, 2010). Вместе с тем контроль экспрессии генов дефенсинов осуществляется взаимодействием этих двух путей (Aronstein et al., 2010), что свидетельствует о важности данного элемента системы АМП. АМП активны при низкой концентрации и показывают широкий спектр активности, взаимодействуя с мембранами клеточных стенок патогенов и действуя совместно с другими агентами иммунного ответа (Osta et al., 2004).
Дефенсины проявляют цитотоксическую активность по отношению к грамположительным бактериям (Casteels-Josson et al., 1994; Bulet, Stocklin, 2005) и нескольким видам грамотрицательных (Arbia, Babbay, 2011). Механизм их действия сводится к нарушению целостности и проницаемости цитоплазматической мембраны клеток патогенных организмов [2]. P. H. S. Kwakman et al. (2010) показали антимикробные свойства меда, который в 10%-ном разведении убивает таких опасных возбудителей, как Bacillus subtilis, резистентных к метициллину Staphylococcus aureus, β-лактамазопродуцирующих Escherichia coli, ципрофлоксацин-резистентных Pseudomonas aeruginosa и ванкомицин-резистентных Enterococcus faecium. Было показано, что антимикробные свойства меда обеспечивают присутствующие в нем перекись водорода, метилглиоксаль и антимикробный пептид дефенсин 1.
Один из факторов социального иммунитета пчелиной семьи — роялизин маточного молочка, защищающий личинок от бактерий. Было показано, что этот АМП в основном эффективен против грамотрицательных бактерий и частично против грамположительных [6]: отмечена его активность против американского гнильца P. l. larvae (Bilikovaet et al., 2001; Bachanova et al., 2002; Yoshiyama, Kimura, 2010).
Непатогенные для пчелы бактерии Lactobacillus стимулируют увеличение уровня экспрессии генов абецина и дефенсинов, что обусловливает возможность их использования в качестве пробиотиков для усиления иммунитета пчелиной семьи (Arbia, Babbay, 2011). Это касается и хитозанов, которые, имитируя вторжение микроорганизмов, инициируют экспрессию генов дефенсинов [3].
Дефенсины медоносной пчелы обладают цитотоксической активностью против мицелиальных грибков и дрожжей — возбудителей известкового расплода (Ascosphaera apis), аспергиллеза (Aspergillus flavus Link и Aspergillus niger Tieghem), дрожжеподобных грибков Candida albicans и Aurobasidium pullulans (Черныш, Гордя, Филатова, 1999; Aronstein, Murray, Saldivar, 2010). В частности, K. A. Aronstein, E. Saldivar (2005) показали рост профиля уровня экспрессии дефенсинов в пятидневных личинках Apis mellifera, экспериментально инфицированных Ascosphaera apis [2].
Известно увеличение уровня экспрессии генов дефенсинов в организме медоносной пчелы при паразитировании в ней микроспоридии Nosema apis и уменьшение — при поражении ее Nosema ceranae (Antunez et al., 2009). Вероятно, это следствие длительной коэволюции A. mellifera с N. apis, определившей возникновение специфических иммунных механизмов у хозяина к данному паразиту. А N. ceranae как новый паразит для медоносной пчелы вызывает более серьезные нарушения в кишечнике, подавляет иммунитет в целом и экспрессию дефенсинов в частности (Klee et al., 2007).
Паразитический клещ Varroa destructor отрицательно влияет на гуморальный иммунитет пчел, снижая уровень транскрипции генов дефенсинов (Yang et al., 2004; Gregory et al., 2005). Возможно, что V. destructor вызывает иммуносупрессию пчел посредством репликации вируса деформации крыла DWV, переносчиком которого он является (Genersch, Aubert, 2010).
Данная работа может быть полезна для практического пчеловодства, а также в селекции семей, устойчивых к микробным патогенам. Так, отбор пчелиных семей с наиболее ярко выраженными антимикробными свойствами меда позволит в дальнейшем получить линии с высоким уровнем иммунитета и экспрессии антимикробных пептидов. Представления о механизмах социального иммунитета на уровне пчелиной семьи и индивидуального иммунитета на уровне отдельной особи позволят пчеловоду грамотно проводить мероприятия профилактики и лечения на пасеке. Использование индукторов экспрессии антимикробных пептидов, например пробиотиков, и препаратов хитозана позволит усилить иммунитет пчелиной семьи без использования лекарств и антибиотиков.
Р.А.ИЛЬЯСОВ, Л.Р.ГАЙФУЛЛИНА, Е.С.САЛТЫКОВА, А.В.ПОСКРЯКОВ, А.Г.НИКОЛЕНКО
Институт биохимии и генетики
Уфимского научного центра РАН
e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Дефенсины индуцибельны, контролируются взаимодействием Toll- и Imd-сигнальных путей и обладают широким спектром антимикробного действия. Они существуют в виде двух пептидов — дефенсин 1 и 2. Первый синтезируется в слюнных железах и участвует в формировании общественного иммунитета, тогда как второй синтезируется клетками жирового тела и гемолимфы, являясь фактором индивидуального иммунитета медоносной пчелы.
Ключевые слова:
дефенсины пчел, иммунитет пчелиной семьи, известковый расплод, Varroa destructor.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Глупов В.В. Патогены насекомых: структурные и функциональные аспекты. — М., 2001.
2. Ильясов Р.А., Гайфуллина Л.Р., Салтыкова Е.С., Поскряков А.В., Николенко А.Г. Дефенсины в противоинфекционной защите медоносной пчелы // Журнал эволюционной биохимии и физиологии. — 2012. — Т. 48. — №5.
3. Салтыкова Е.С., Гайфуллина Л.Р., Ильясов Р.А., Николенко А.Г. Действие хитозана на индукцию основных антибактериальных пептидов у медоносной пчелы // Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана: материалы десятой международной конфе- ренции. — Нижний Новгород. — 2010.
4. Aronstein K.A., Saldivar E. Characterization of a honeybee Toll related receptor gene Am18w and its potential involvement in antimicrobial immune defense // Apidologie. — 2005. — V. 36.
5. Bilikova K., Gusui W., Simuth J. Isolation of a peptide fraction from honeybee royal jelly as a potential antifoulbrood factor // Apidologie. — 2001. — V. 32.
6. Klaudiny J., Albert S., Bachanova K., Kopernicky J., Simuth J. Two structurally different defensin genes, one of them encoding a novel defensin isoform, are expressed in honeybee Apis mellifera // Insect Biochemistry and Molecular Biology. — 2005. — V. 35.
The role of the antimicrobial peptide defensin immunity colony
R.A.ILYASOV, L.R.GAYFULLINA, E.S.SALTYKOVA, A.V.POSKRYAKOV, A.G.NIKOLENKO
Inducible defensins, and controlled interaction Toll- Imd-signaling pathways and have a broad spectrum of antimicrobial action. They exist in the form of two peptides - defensin 1 and 2. The first synthesized in the salivary glands and involved in the formation of public immunity, whereas the second is synthesized by cells hemolymph and fat body, being a factor of the individual immune honeybee.
Keywords: defensins bee colony immune system, lime brood, Varroa destructor.
Адрес редакции журнала "Пчеловодство":
