Les peptides antimicrobiens humains

66 | La Lettre de l'Infectiologue • Tome XXXI - n° 2 - mars-avril 2016

MISE AU POINT

Les peptides antimicrobiens humains

Human antimicrobial peptides

E. Cardot-Martin¹, E. Hodille², O. Dumitrescu²

1 Laboratoire de microbiologie, hôpital Foch, Suresnes.

2 Centre international de recherche en infectiologie, Inserm U1111, université Lyon-1 ; hospices civils de Lyon.

L

Historique

Chez l’homme, les propriétés antimicrobiennes des sécrétions, du sang et des tissus lymphatiques ont été décrites dès la fin du XIX^e siècle. Entre 1920 et 1960, différents composants antibactériens, comme le lysozyme et la properdine, sont identi- fiés, mais les peptides antimicrobiens ne sont pas clairement isolés. En revanche, on suspecte que certaines propriétés de ces composants sont liées à leur charge, que la sécrétion de ces composants est induite par la présence de micro-organismes et que ces composants peuvent détruire ou ralentir la croissance des micro-organismes. Quelques années plus tard, J.G. Hirsch purifie un composant ayant une activité antibactérienne qu’il nomme “phago- cytine” à partir des granules des phagocytes (1). Il met donc en évidence en premier certains peptides antimicrobiens. Plus récemment, une avancée est faite lorsque différentes familles de peptides sont isolées et purifiées, notamment celle des défensines humaines (2). Plus de 880 peptides sont aujourd’hui identifiés dans la nature (3).

Classification générale

Les peptides antimicrobiens comprennent générale- ment entre 12 et 50 acides aminés. Une classification des peptides retrouvés dans la nature a été établie en fonction de leur composition en acides aminés et de leur structure, elle comprend 5 grandes classes (tableau) [3-5]. Les peptides antimicrobiens les plus étudiés chez l’homme sont les peptides cationiques, sous-ensemble de peptides généralement riches en résidus basiques et/ou hydrophobes. Leur configu- ration tridimensionnelle permet le regroupement des acides aminés hydrophobes en cluster, rendant la molécule amphiphile. Les peptides antimicrobiens cationiques sont représentés par 4 sous-familles : les peptides à feuillet bêta (les défensines), les peptides à hélice alpha (les cathélicidines), les peptides en boucles et les peptides issus de protéines cationiques.

Les cathélicidines

Chez l’homme, un seul gène codant pour une cathé- licidine est connu. Son produit, hCAP-18 (human Cathelicidin Antimicrobial Protein), est une protéine majeure constitutive des granules des polynucléaires neutrophiles (PNN). Celle-ci est retrouvée dans de nombreuses autres cellules de l’organisme telles que les cellules épithéliales des tractus respiratoire et digestif, mais également les monocytes et les masto- cytes (4). Dans les PNN humains, hCAP-18 subit une protéolyse par la protéinase 3 qui conduit à la forma- tion d’un peptide actif nommé LL-37 (4) correspondant à la partie carboxyterminale de la protéine mère et possédant une structure en hélice alpha. Le peptide est libéré lors de la dégranulation des PNN (4). Au cours d’un stimulus par des cytokines pro-inflammatoires ou par des composants bactériens, la production et la sécrétion de LL-37 sont induites dans les monocytes, les mastocytes et certaines cellules épithéliales par l’intermédiaire des facteurs de transcription (NF-κB).

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Points forts

Les défensines

Les défensines sont codées par 8 gènes, présents au niveau du locus 8p21-23, probablement issus d’un gène ancestral commun aux différents types de défensines. Les défensines sont de petits peptides riches en résidus cystéine comprenant entre 29 et 50 acides aminés. Elles possèdent 3 feuillets bêta stabilisés par leurs 3 ponts disulfures (5). La structure tridimensionnelle des défensines a été montrée par cristallographie (6), et elle indique que les défensines peuvent parfois se trouver sous forme de dimères ou de multimères ; toutefois, la structure de la forme physiologiquement active est actuellement méconnue. Chez l’homme, il existe 2 sous-familles de défensines nommées alpha-défensines et bêta- défensines qui diffèrent structurellement par la longueur des segments entre les ponts disulfures et des combinaisons différentes dans la formation des ponts disulfures entre les 6 cystéines.

◆Alpha-défensines

Parmi les alpha-défensines, on différencie les HNP (Human Neutrophil Peptides) 1, HNP2, HNP3 et HNP4 (HNP1-4), sécrétés principalement par les PNN, des HD (Human Defensins) 5 et 6, sécrétées par les cellules de Paneth. Découvertes en 1985, les défensines HNP1-4 sont constitu tivement présentes dans les PNN. Ces 4 défensines diffèrent dans leur structure primaire par le type de l’acide aminé situé en position N terminale (7).

Les alpha-défensines sont synthétisées sous forme de prépropeptides dans les promyélocytes, puis

transformées en propeptides et peptides. Les défensines sont ensuite stockées dans les granules azurophiles des PNN où leur concentration peut atteindre 10 mg/ml. Lorsqu’un micro-organisme est phagocyté, le phagosome fusionne avec les granules azurophiles. Le micro-organisme est alors soumis à de fortes concentrations de peptides dans le phagolysosome et est détruit. Les défensines sont également sécrétées lors de la dégranulation et peuvent être trouvées en concentration importante dans des foyers confinés. HNP1 représente environ 50 % des HNP isolés des PNN, HNP2 environ 30 %, et HNP3 20 %. La quantité du peptide HNP4 y est moindre (7).

Découverts plus tard, les peptides HD5 et HD6 sont présents dans les granules sécrétoires des cellules de Paneth, cellules spécialisées dans la défense immu- nitaire de l’intestin grêle (8). Leur production est probablement constitutive. Les granules sont riches en glycosaminoglycanes chargés négativement, ce qui permet un compactage des défensines chargées positivement. Elles sont synthétisées sous forme de propeptides clivés par l’action de 3 formes de trypsine. Ce mécanisme est régulé par la présence d’α1-antitrypsine dans les granules des cellules de Paneth. Leur sécrétion dans la lumière de la crypte intestinale est faite sous l’influence de la présence de composants bactériens ou lors d’un stimulus cholinergique (8).

◆Bêta-défensines

Les bêta-défensines sont généralement produites sous la forme d’un précurseur contenant une

» Les principaux peptides antimicrobiens humains sont les peptides cationiques, séquences de 12 à 50 acides aminés chargées positivement, dont les plus importants appartiennent à la famille des défensines et des cathélicidines.

» Les peptides antimicrobiens sont produits dans les épithéliums et les polynucléaires neutrophiles de façon constitutive ou inductible par des stimuli extérieurs (par exemple, des composants de la paroi bactérienne).

» Le mode d’action antimicrobien est fondé sur la destruction des bicouches lipidiques, mais aussi sur la neutralisation de certains facteurs de virulence et la modulation de la réponse inflammatoire de l’hôte.

Mots-clés

Peptides antimicrobiens Peptides cationiques Défensines

Cathélicidines Immunomodulation

Highlights

»H u m a n a n t i m i c r o b i a l peptides are manly cationic peptides, sequences of 12 to 50 amino acids positively charged;

the most important belong to the family of defensins and cathelicidins.

»Antimicrobial peptides are produced in the epithelia and polymorphonuclear neutrophils in constitutive or inducible ways upon external stimuli (such as components of the bacterial cell wall).

»The antimicrobial mode of action is based on the destruc- tion of lipid bilayers, but also the neutralization of some virulence factors and the modu- lation of the host inflammatory response.

Keywords

Antimicrobial peptides Cationic peptides Defensins Cathelicidins Immune modulation Tableau. Cinq principales classes de peptides antimicrobiens présents dans la nature et les principaux représentants chez

l’homme (4, 5).

Principaux représentants chez l’homme

Principales localisations

Peptides anioniques Petits peptides anioniques Tractus respiratoire

Peptides linéaires cationiques à hélice alpha LL-37 (4) Polynucléaires neutrophiles Peptides cationiques enrichis

en un type d’acides aminés

Histatines Salive

Peptides anioniques et cationiques contenant des ponts disulfures

Défensines (5) Polynucléaires neutrophiles et épithélium Peptides anioniques et cationiques

correspondant à un fragment de protéine

Casocidine-I issue de la caséine

humaine Lait

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Les peptides antimicrobiens humains

Figure. Trois modèles décrivant l’action des peptides au niveau de la membrane bactérienne.

Dans le modèle A (“barillet”), les peptides s’accumulent à la surface membranaire et forment un pore. La partie hydrophobe du peptide (bleu) est positionnée contre les phospholipides. Les acides aminés hydrophiles (rouge) constituent la lumière du pore.

Le modèle B (“tapis”) décrit le mode d’action de l’ovispirine, un peptide antimicrobien ovin. Ces peptides s’orientent parallèlement à la surface membranaire et forment un tapis.

Lorsqu’ils atteignent une concentration importante au niveau de la surface membranaire, ils produisent un effet similaire à celui d’un détergent membranaire, ce qui conduit à la production de micelles. Dans le modèle C (“tore”), les peptides (LL-37) s’insèrent dans la double couche phospholipidique afi n que leurs régions hydrophiles soient associées aux têtes hydrophiles des phospholipides membranaires et forment la lumière du pore (3).

B.

C.

A.

MISE AU POINT

séquence signal dans la cellule. Elles sont présentes dans de nombreux types cellulaires (épithéliums de revêtement des tractus respiratoire, digestif et urinaire) où leur production est constitutive ou induite par des stimuli variés. La numérotation des différentes bêta-défensines fait référence à l’ordre de leur découverte de human beta-defensin-1 (hBD-1) à hBD-5.

Principaux mécanismes d’action des peptides antimicrobiens

La fonction lytique des peptides antimicrobiens cationiques

Les peptides antimicrobiens cationiques sont forte- ment attirés par la paroi bactérienne et jusqu’à la membrane externe par des forces électro- statiques (3) . Le substrat de l’interaction est repré- senté par la charge négative du peptidoglycane et des acides téichoïque et lipotéichoïque chez les bacté- ries à Gram positif et du lipopolysaccharide (LPS) et du lipide A chez les bactéries à Gram négatif.

Les phospho lipides membranaires sont également chargés négativement.

Positionnés à la surface membranaire, les peptides ont une activité lytique sur la membrane bactérienne du fait de leurs propriétés amphiphiles. En fonction du type de peptide, de l’espèce bactérienne et des techniques utilisées pour les décrire, 3 modèles d’ac- tion ont été proposés (fi gure) [3] . Ces 3 modèles ne doivent pas être considérés indépendamment, mais doivent être interprétés comme une succession d’événements aboutissant à la lyse membranaire (3) .

Autres effets bactériens

Les peptides ont également de nombreuses cibles intracellulaires : ils peuvent se fi xer à l’acide désoxy- ribonucléique (ADN), inhiber la transcription et la traduction protéique , inhiber des activités enzy- matiques (3) . En plus de leur effet mécanique, ces peptides fragilisent les membranes bactériennes en inhibant la synthèse de la membrane plasmique, de la paroi cellulaire, mais aussi en activant les autolysines.

Ces dernières années, une fonction additionnelle des peptides antimicrobiens, plus particulièrement des HNP, a été décrite , celle de neutraliser l’activité de certaines toxines bactériennes. Les HNP semblent posséder une activité anti-endotoxine modérée se traduisant par une inhibition de 40 % de la fi xa- tion du LPS à sa protéine de transport (9) . En 2005, C. Kim et al. ont démontré que les HNP1-3 ont une activité inhibitrice sur le lethal factor (LF) de la toxine charbonneuse anthrax de Bacillus anthracis (10) . En 2008, T. Giesemann et al. ont découvert que les HNP inhibent la toxine B de Clostridium diffi cile , responsable de diarrhées et de colites pseudo- membraneuses (11) . Enfin, en 2015, nous avons démontré que HNP3 diminue la cytotoxicité de la leucocidine de Panton-Valentine de Staphylococcus aureus, en ayant un effet protecteur sur les PNN (12) . Les alpha-défensines ont donc des fonctions variées et complémentaires au sein de la défense anti- bactérienne, et ces effets vont bien au-delà d’un effet antibactérien direct.

Actions immunomodulatrices sur les cellules eucaryotes

Lors d’un stimulus infectieux, LL-37 est sécrété à des concentrations allant de 1 à 5 μg/ml par les cellules épithéliales et par les PNN recrutés sur le site infecté. À cette concentration, LL-37 exerce une action chimiotactique sur les PNN, les monocytes,

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mais aussi sur les lymphocytes T via le formyl peptide receptor-like 1, un récepteur couplé à une protéine G (13). À la suite de l’interaction avec ce récepteur membranaire, LL-37 pénètre dans le cytoplasme des monocytes et entraîne la production de l’interleukine 8 (IL-8), principal agent chimio- tactique des PNN.

Parmi les actions immunomodulatrices de LL-37, nous pouvons également citer la différenciation des cellules dendritiques avec une augmentation de la capacité à capter l’antigène et à activer une réponse lymphocytaire de type Th1.

Au sein des peptides antimicrobiens cationiques, LL-37 est sans doute le peptide ayant l’activité anti-endo- toxine la plus importante et la plus étudiée. En effet, LL-37 peut réduire l’interaction du LPS avec ses ligands naturels (le récepteur Toll-like 4), et peut également inhiber la translocation nucléaire des 2 sous-unités de NF-κB et moduler la transcription de certains gènes pro-inflammatoires. Ainsi, LL-37 peut donc à la fois freiner l’inflammation causée par l’endotoxine bactérienne et permettre le recrutement de cellules immunitaires sur le site infecté (9).

Comme LL-37, les HNP sont des molécules chimio- tactiques à faibles concentrations pour différentes populations cellulaires, dont les monocytes, les lymphocytes T naïfs et les cellules dendritiques immatures, via un mécanisme faisant intervenir un

récepteur couplé à une protéine G(iα) [14]. En 2005, l’activité de différenciation et de recrutement sur le site infecté des cellules prédendritiques, la faci- litation de la capture de l’antigène par les cellules dendritiques et la maturation de celles-ci ont conduit J.J. Oppenheim et al. à proposer le nom d’“alarmine”

pour caractériser les défensines et LL-37 (15).

Comme les autres peptides antimicrobiens décrits précédemment, les bêta-défensines ont des propriétés chimiotactiques. Contrairement aux HNP, elles ont une activité chimiotactique sur les lymphocytes T mémoire et non sur les lymphocytes T naïfs (14).

Ce recrutement se fait par l’intermédiaire du récepteur nommé “chemokine (C-C motif) receptor 6” et non par un récepteur couplé à une protéine G comme les HNP (14).

Conclusion

Les peptides antimicrobiens sont des molécules avec de multiples facettes impliquées dans la défense immunitaire primaire. Leurs mécanismes d’action sont variés et vont de l’action antimicrobienne directe par destruction des membranes micro- biennes à la modulation de la réponse inflam- matoire de l’hôte et la neutralisation des facteurs

de virulence bactériens. ■

1. Hirsch JG. Phagocytin: a bactericidal substance from polymorphonuclear leucocytes. J Exp Med 1956;

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15. Oppenheim JJ, Yang D. Alarmins: chemotactic activators of immune responses. Curr Opin Immunol 2005;17(4):359-65.

Références bibliographiques

Les auteurs déclarent ne pas avoir de liens d’intérêts en relation avec cet article.

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