Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd1050710.32607/20758251-2015-7-1-37-47ReviewsОбзорыResearch ArticleStructure and Biological Functions of β-Hairpin Antimicrobial PeptidesСтроение и биологические функции β-шпилечных антимикробных пептидовPanteleevP. V.ПантелеевП. В.
Russian Federation
ovch@ibch.ruBolosovI. A.БолосовИ. A.
Russian Federation
ovch@ibch.ruBalandinS. V.БаландинС. В.
Russian Federation
ovch@ibch.ruOvchinnikovaT. V.ОвчинниковаT. В.
Russian Federation
ovch@ibch.ruM.M. Shemyakin and Yu.A. Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry of the Russian Academy of SciencesИнститут биоорганической химии им. акад. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН1503201571VOL 7, NO1 (2015)ТОМ 7, №1 (2015)374717012020Copyright ©; 2015, Panteleev P.V., Bolosov I.A., Balandin S.V., Ovchinnikova T.V.Copyright ©; 2015, Пантелеев П.В., Болосов И.A., Баландин С.В., Овчинникова T.В.2015Panteleev P.V., Bolosov I.A., Balandin S.V., Ovchinnikova T.V.Пантелеев П.В., Болосов И.A., Баландин С.В., Овчинникова T.В.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/10507

Antimicrobial peptides (AMPs) are evolutionarily ancient factors of the innate immune system that serve as a crucial first line of defense for humans, animals, and plants against infection. This review focuses on the structural organization, biosynthesis, and biological functions of AMPs that possess a β-hairpin spatial structure. Representatives of this class of AMPs are among the most active antibiotic molecules of animal origin. Due to their wide spectrum of activity and resistance to internal environmental factors, natural β-hairpin AMPbased compounds might become the most promising drug candidates.

В настоящее время сформировано представление об антимикробных пептидах (АМП) как о молекулярных факторах системы врожденного иммунитета, обеспечивающих универсальный и эволюционно древний способ защиты человека, животных и высших растений от инфекции. Обзор посвящен рассмотрению особенностей строения, биосинтеза и биологических функций АМП, пространственная структура которых представляет собой β-шпильку. Представители данного семейства АМП относятся к числу наиболее активных молекул животного происхождения с антибиотическими свойствами. Благодаря широкому спектру активности и устойчивости к факторам внутренней среды организма природные β-шпилечные АМП и их аналоги могут стать основой для создания лекарственных препаратов, способных найти применение в различных областях медицины.

antimicrobial peptidesinnate immunityβ-hairpin structureантимикробные пептидыврожденный иммунитетβ-шпилечная структураThis work was supported by a grant from the Russian Science Foundation (agreement No. 14-14-01036).Работа поддержана грантом РНФ (соглашение № 14-14-01036).[1] Kokryakov V.N. // Ocherki o vrozhdennom immunitete (Essays on innate immunity). St. Petersburg: Nauka, 2006. 2006, P.261[2] Zasloff M. // Nature 2002, V.415, №6870, P.389-395[3] Oppenheim J.J., Biragyn A., Kwak L.W., Yang D. // Ann. Rheum. Dis. 2003, V.62, S2, P. ii17-ii21[4] Bergquist D.C., Williams F.M., Fisher C.R. // Nature 2000, V.403, №6769, P.499-500[5] Roscia G., Falciani C., Bracci L., Pini A. // Curr. Protein Pept. Sci. 2013, V.14, №8, P.641-649[6] Zhao X., Wu H., Lu H., Li G., Huang Q. // PLoS One. 2013, V.8, №6, P.e66557[7] Boman H.G. // Annu. Rev. Immunol. 1995, V.13, P.61-92[8] Baumann G., Mueller P. J. // Supramol. Struct. 1974, V.2, №5-6, P.538-557[9] Matsuzaki K., Yoneyama S., Fujii N., Miyajima K., Yamada K., Kirino Y., Anzai K. // Biochemistry. 1997, V.36, №32, P.9799-9806[10] Yang L., Harroun T.A., Weiss T.M., Ding L., Huang H.W. // Biophys. J. 2001, V.81, №3, P.1475-1485[11] Shai Y. // Biochim. Biophys. Acta. 1999, V.1462, №1-2, P.55-70[12] Matsuzaki K. // Biochim. Biophys. Acta. 1999, V.1462, №1-2, P.1-10[13] Yonezawa A., Kuwahara J., Fujii N., Sugiura Y. // Biochemistry. 1992, V.31, №11, P.2998-3004[14] Osaki T., Omotezako M., Nagayama R., Hirata M., Iwanaga S., Kasahara J., Hattori J., Ito I., Sugiyama H., Kawabata S.J. // Biol. Chem. 1999, V.274, №37, P.26172-26178[15] Fleischmann J., Selsted M., Lehrer R.I. // Diagn. Microbiol. Dis. 1985, V.3, №3, P.233-242[16] Biragyn A., Surenhu M., Yang D., Ruffini P.A., Haines B.A., Klyushnenkova E., Oppenheim J.J., Kwak L.W. // J. Immunol. 2001, V.167, №11, P.6644-6653[17] Niyonsaba F., Someya A., Hirata M., Ogawa H., Nagaoka I. // Eur. J. Immunol. 2001, V.31, №4, P.1066-1075[18] Davidson D.J., Currie A.J., Reid G.S., Bowdish D.M., Mac-Donald K.L., Ma R.C., Hancock R.E., Speert D.P. // Immunol. 2004, V.172, №2, P.1146-1156[19] Li J., Post M., Volk R., Gao Y., Li M., Metais C., Sato K., Tsai J., Aird W., Rosenberg R. // Nat. Med. 2000, V.6, №1, P.49-55[20] Zhu Q.Z., Hu J., Mulay S., Esch F., Shimasaki S., Solomon S. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1988, V.85, №2, P.592-596[21] Saito T., Miyakawa H., Tamura Y.J. // Dairy Sci. 1991, V.74, №11, P.3724-3730[22] Bellamy W., Takase M., Yamauchi K., Wakabayashi H., Kawase K., Tomita M. // Biochem. Biophys. Acta. 1992. V. 1121. № 1-2. 1992, V.1121, №1-2, P.130-136[23] Hwang P.M., Zhou N., Shan X., Arrowsmith C.H., Vogel H.J. // Biochemistry. 1998, V.37, №12, P.4288-4298[24] Yamauchi K., Tomita M., Giehl T.J., Ellison R.T. // Infect. Immun. 1993, V.61, №2, P.719-728[25] Jenssen H., Andersen J.H., Uhlin-Hansen L., Gutteberg T.J., Rekdal O. // Antiviral Res. 2004, V.61, №2, P.101-109[26] Bellamy W., Yamauchi K., Wakabayashi H., Takase M., Takakura N., Shimamura S., Tomita M. // Lett. Appl. Microbiol. 2008, V.18, P.230-233[27] Yoo Y., Watanabe S., Watanabe R., Hata K., Shimazaki K., Azuma I. // Jpn. J. Cancer Res. 1997, V.88, №2, P.184-190[28] Eliassen L.T., Berge G., Leknessund A., Wikman M., Lindin I., Løkke C., Ponthan F., Johnsen J.I., Sveinbjørnsson B., Kogner P. // Int. J. Cancer. 2006, V.119, №3, P.493-500[29] Mader J.S., Salsman J., Conrad D.M., Hoskin D.W. // Mol. Cancer. Ther. 2005, V.4, №4, P.612-624[30] Mattsby-Baltzer I., Roseanu A., Motas C., Elverfors J., Engberg I., Hanson L.A. // Pediatr. Res. 1996, V.40, №2, P.257-262[31] Britigan B.E., Lewis T.S., Waldshcmidt M., McCormick M.L., Krieg A.M. // J. Immunol. 2001, V.167, №5, P.2921-2928[32] Ellison R. 3rd., Giehl T. // J. Clin. Invest. 1991, V.88, №8, P.1080-1091[33] Velden W.J., van Iersel T.M., Blijlevens N.M., Donnelly J.P. // BMC Med. 2009, V.7, P.44[34] Romeo D., Skerlavaj B., Bolognesi M., Gennaro R. // J. Biol. Chem. 1988, V.263, №20, P.9573-9575[35] Wu M., Hancock R. // Antimicrob. Agents Chemother. 1999, V.43, №5, P.1274-1276[36] Shestakov A., Jenssen H., Hancock R.E., Nordström I., Eriksson K. // Antiviral Res. Nov. 2013, V.100, №2, P.455-459[37] Sai K.P., Jagannadham M.V., Vairamani M., Raju N.P., Devi A.S., Nagaraj R., Sitaram N. // J. Biol. Chem. 2001, V.276, №4, P.2701-2707[38] Sitaram N., Purna Sai K., Singh S., Sankaran K., Nagaraj R. // Antimicrob. Agents Chemother. 2002, V.46, №7, P.2279-2283[39] Ojo O., Abdel-Wahab Y., Flatt P., Mechkarska M., Conlon J. // Diabetes Obes. Metab. 2011, V.13, №12, P.1114-1122[40] Fehlbaum P., Bulet P., Chernysh S., Briand J.P., Roussel J.P., Letellier L., Hetru C., Hoffmann J.A. // Proc. Natl. Acad. Sci. 1996, V.93, №3, P.1221-1225[41] Morikawa N., Hagiwara K., Nakajima T. // Biochem. Biophys. Res. Commun. 1992, V.189, №1, P.184-190[42] Mandard N., Sodano P., Labbe H., Bonmatin J.M., Bulet P., Hetru C., Ptak M., Vovelle F. // Eur. J. Biochem. 1998, V.256, №2, P.404-410[43] Pages J.M., Dimarcq J.L., Quenin S., Hetru C. // Int. J. Antimicrob. Agents. 2003, V.22, №3, P.265-269[44] Lee M.K., Cha L., Lee S.H., Hahm K.S. // J. Biochem. Mol. Biol. 2002, V.35, №3, P.291-296[45] Hou Z., Da F., Liu B., Xue X., Xu X., Zhou Y., Li M., Li Z., Ma X., Meng J. // Antimicrob. Agents Chemother. 2013, V.57, №10, P.5045-5052[46] Wu G., Deng X., Wu P., Shen Z., Xu H. // Peptides. 2012, V.36, №1, P.109-113[47] Wu G., Wu P., Xue X., Yan X., Liu S., Zhang C., Shen Z., Xi T. // Peptides. 2013, V.45, P.73-77[48] Wu T., Tang D., Chen W., Huang H., Wang R., Chen Y. // Gene. 2013, V.527, №1, P.235-242[49] Imamura T., Yasuda M., Kusano H., Nakashita H., Ohno Y., Kamakura T., Taguchi S., Shimada H. // Transgenic Res. 2010, V.19, №3, P.415-424[50] Ovchinnikova T.V., Aleshina G.M., Balandin S.V., Krasnosdembskaya A.D., Markelov M.L., Frolova E.I., Leonova Y.F., Tagaev A.A., Krasnodembsky E.G., Kokryakov V.N. // FEBS Lett. 2004. V. 577. № 1-2. 2004, V.577, №1-2, P.209-214[51] Andrä J., Jakovkin I., Grötzinger J., Hecht O., Krasnosdembskaya A.D., Goldmann T., Gutsmann T., Leippe M. // Biochem. J. 2008, V.410, №1, P.113-122[52] Cho J., Lee D.G. // Biochim. Biophys. Acta. 2011, V.1810, №12, P.1246-1251[53] Diachenko I.A., Murashev A.N., Yakimenko Z.A., Balandin S.V., Ovchinnikova T.V. // Toksikologicheskii vestnik. (Toxicological review). 2012, V.112, №1, P.40-43[54] Ovchinnikova T.V., Shenkarev Z.O., Nadezhdin K.D., Balandin S.V., Zhmak M.N., Kudelina I.A., Finkina E.I., Kokryakov V.N., Arseniev A.S. // Biochem. Biophys. Res. Commun. 2007, V.360, №1, P.156-162[55] Stavrakoudis A., Tsoulos I.G., Shenkarev Z.O., Ovchinnikova T.V. // Biopolymers. 2009, V.92, №3, P.143-155[56] Ovchinnikova T.V., Shenkarev Z.O., Balandin S.V., Nadezhdin K.D., Paramonov A.S., Kokryakov V.N., Arseniev A.S. // Biopolymers. 2008, V.89, №5, P.455-464[57] Salnikov E.S., Aisenbrey C., Balandin S.V., Zhmak M.N., Ovchinnikova T.V., Bechinger B. // Biochemistry. 2011, V.50, №18, P.3784-3795[58] Shenkarev Z.O., Balandin S.V., Trunov K.I., Paramonov A.S., Sukhanov S.V., Barsukov L.I., Arseniev A.S., Ovchinnikova T.V. // Biochemistry. 2011, V.50, №28, P.6255-6265[59] Mani R., Cady S.D., Tang M., Waring A.J., Lehrer R.I., Hong M. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2006, V.103, №44, P.16242-16247[60] Hoegenhaug H.H.K., Mygind P.H., Kruse T., Segura D.R., Sandvang D., Neve S. // PCT/ EP2011/059,6896. // WO Patent App. 2011[61] Fox J.L. // Nat. Biotechnol. 2013, V.31, №5, P.379-382[62] Nakamura T., Furunaka H., Miyata T., Tokunaga F., Muta T., Iwanaga S., Niwa M., Takao T., Shimonishi Y. // J. Biol. Chem. 1988, V.263, №32, P.16709-16713[63] Miyata T., Tokunaga F., Yoneya T., Yoshikawa K., Iwanaga S., Niwa M., Takao T., Shimonishi Y. // J. Biochem. 1989, V.106, №4, P.663-668[64] Shigenaga T., Takayenoki Y., Kawasaki S., Seki N., Muta T., Toh Y., Ito A., Iwanaga S. // J. Biochem. 1993, V.114, №3, P.307-316[65] Oishi O., Yamashita S., Nishimoto E., Lee S., Sugihara G., Ohno M. // Biochemistry. 1997, V.36, №14, P.4352-4359[66] Fjell C.D., Hiss J.A., Hancock R.E., Schneider G. // Nat. Rev. Drug. Discov. 2011, V.11, №1, P.37-51[67] Ozaki A., Ariki S., Kawabata S. // FEBS J. 2005, V.272, №15, P.3863-3871[68] Tamamura H., Kuroda M., Masuda M., Otaka A., Funakoshi S., Nakashima H., Yamamoto N., Waki M., Matsumoto A., Lancelin J.M. // Biochim. Biophys. Acta. 1993, V.1163, №2, P.209-216[69] Chen Y., Xu X., Hong S., Chen J., Liu N., Underhill C.B., Creswell K., Zhang L. // Cancer Research 2001, V.61, №6, P.2434-2438[70] Shi S.L., Wang Y.Y., Liang Y., Li Q.F. // World J. Gastroenterol. 2006, V.12, №11, P.1694-1698[71] Chen J., Xu X.M., Underhill C.B., Yang S., Wang L., Chen Y., Hong S., Creswell K., Zhang L. // Cancer Research 2005, V.65, №11, P.4614-4622[72] Silva P. Jr., Daffre S., Bulet P. // J. Biol. Chem. 2000, V.275, №43, P.33464-33470[73] Mandard N., Bulet P., Caille A., Daffre S., Vovelle F. // Eur. J. Biochem. 2002, V.269, №4, P.1190-1198[74] Barbosa F.M., Daffre S., Maldonado R.A., Miranda A., Nimrichter L., Rodrigues M.L. // FEMS Microbiol Lett. 2007, V.274, №2, P.279-286[75] Rodrigues E.G., Dobroff A.S., Cavarsan C.F., Paschoalin T., Nimrichter L., Mortara R.A., Santos E.L., Fázio M.A., Miranda A., Daffre S. // Neoplasia. 2008, V.10, №1, P.61-68[76] Ehret-Sabatier L., Loew D., Goyffon M., Fehlbaum P., Hoffmann J.A., van Dorsselaer A., Bulet P. // J. Biol. Chem. 1996, V.271, №47, P.29537-29544[77] Mandard N., Sy D., Maufrais C., Bonmatin J.M., Bulet P., Hetru C., Vovelle F. // J. Biomol. Struct. Dyn. 1999, V.17, №2, P.367-380[78] Hetru C., Letellier L., Oren Z., Hoffmann J.A., Shai Y. // Biochem J. 2000, V.345, Pt3, P.653-664[79] Kokryakov V.N., Harwig S.S.L., Panyutich E.A., Shevchenko A.A., Aleshina G.M., Shamova O.V., Korneva H.A., Lehrer R.I. // FEBS Lett. 1993, V.327, №2, P.231-236[80] Fahrner R.L., Dieckmann T., Harwig S.S., Lehrer R.I., Eisenberg D., Feigon J. // Chem. Biol. 1996, V.3, №7, P.543-550[81] Panyutich A., Shi J., Boutz P.L., Zhao C., Ganz T. // Infect Immun. 1997, V.65, №3, P.978-985[82] Steinberg D.A., Hurst M.A., Fujii C.A., Kung A.H., Ho J.F., Cheng F.C., Loury D.J., Fiddes J.C. // Antimicrob. Agents Chemother. 1997, V.41, №8, P.1738-1742[83] Ge Y.G., MacDonald D.L., Holroyd K.J., Thornsberry C., Wexler H., Zasloff M. // Antimicrob. Agents Chemother. 1999, V.43, №4, P.782-788[84] Shamova O.V., Sakuta G.A., Orlov D.S., Zenin V.V., Shtein G.I., Kolodkin N.I., Afonina I.V., Kokriakov V.N. // Cell Tissue Biology. 2007, V.1, №6, P.524-533[85] Paredes-Gamero E.J., Martins M.N., Cappabianco F.A., Ide J.S., Miranda A. // Biochim. Biophys. Acta. 2012, V.1820, №7, P.1062-1072[86] Rothan H.A., Abdulrahman A.Y., Sasikumer P.G., Othman S., Rahman N.A., Yusof R. // J. Biomed. Biotechnol. 2012, V.2012, P.P. ID 251482[87] Chen J., Falla T.J., Liu H., Hurst M.A., Fujii C.A., Mosca D.A., Embree J.R., Loury D.J., Radel P.A., Cheng Chang C. // Biopolymers. 2000, V.55, №1, P.88-98[88] Giles F.J., Redman R., Yazji S., Bellm L. // Expert. Opin. Investig. Drugs. 2002, V.11, №8, P.1161-1170[89] Tang Y.Q., Yuan J., Osapay G., Osapay K., Tran D., Miller C.J., Ouellette A.J., Selsted M.E. // Science. 1999, V.286, №5439, P.498-502[90] Lehrer R.I., Cole A.M., Selsted M.E. // J. Biol. Chem. 2012, V.287, №32, P.27014-27019[91] Nguyen T.X., Cole A.M., Lehrer R.I. // Peptides. 2003, V.24, №11, P.1647-1654[92] Cole A.M., Hong T., Boo L.M., Nguyen T., Zhao C., Bristol G., Zack J.A., Waring A.J., Yang O.O., Lehrer R.I. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2002, V.99, №4, P.1813-1818[93] Trabi M., Schirra H.J., Craik D.J. // Biochemistry. 2001, V.40, №14, P.4211-4221[94] Garcia A.E., Osapay G., Tran P.A., Yuan J., Selsted M.E. // Infect. Immun. 2008, V.76, №12, P.5883-5891[95] Wang W., Mulakala C., Ward S.C., Jung G., Luong H., Pham D., Waring A.J., Kaznessis Y., Lu W., Bradley K.A. // J. Biol. Chem. 2006, V.281, №43, P.32755-32764[96] Arnett E., Lehrer R.I., Pratikhya P., Lu W., Seveau S. // Cell Microbiol. 2011, V.13, №4, P.635-651[97] Doss M., White M.R., Tecle T., Gantz D., Crouch E.C., Jung G., Ruchala P., Waring A.J., Lehrer R.I., Hartshorn K.L. // J. Immunol. 2009, V.182, №12, P.7878-7887[98] Yasin B., Wang W., Pang M., Cheshenko N., Hong T., Waring A.J., Herold B.C., Wagar E.A., Lehrer R.I. // Virology Journal 2004, V.78, №10, P.5147-5156[99] Schaal J.B., Tran D., Tran P., Ösapay G., Trinh K., Roberts K.D., Brasky K.M., Tongaonkar P., Ouellette A.J., Selsted M.E. // PLoS One. 2012, V.7, №12, P.e51337[100] Krause A., Neitz S., Mägert H.J., Schulz A., Forssmann W.G., Schulz-Knappe P., Adermann K. // FEBS Lett. 2000, V.480, №2-3, P.147-150[101] Park C.H., Valore E.V., Waring A.J., Ganz T. J. // Biol. Chem. 2001, V.276, №11, P.7806-7810[102] Shike H., Lauth X., Westerman M.E., Ostland V.E., Carlberg J.M., van Olst J.C., Shimizu C., Bulet P., Burns J.C. // Eur. J. Biochem. 2002, V.269, №8, P.2232-2237[103] Hunter H.N., Fulton D.B., Ganz T., Vogel H.J. // J. Biol. Chem. 2002, V.277, №40, P.37597-37603[104] Hocquellet A., Odaert B., Cabanne C., Noubhani A., Dieryck W., Joucla G., Le Senechal C., Milenkov M., Chaignepain S., Schmitter J.M. // Peptides. 2010, V.31, №1, P.58-66[105] Hocquellet A., Le Senechal C., Garbay B. // Peptides. 2012, V.36, №2, P.303-307[106] Ganz T. // Blood. 2003, V.102, №3, P.783-788[107] Nicolas G., Bennoun M., Devaux I., Beaumont C., Grandchamp B., Kahn A., Vaulont S. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2001, V.98, №15, P.8780-8785[108] Ganz T., Nemeth E. // Annu. Rev. Med. 2011, V.62, P.347-360[109] Nguyen L.T., Chau J.K., Perry N.A., de Boer L., Zaat S.A.J., Vogel H.J. // PLoS One. 2010, V.5, №9, P.e12684[110] Nan Y., Jacob B., Kim Y., Shin S. // J. Pept. Sci. 2012, V.18, №12, P.740-747[111] Fazio M.A., Oliveira V.X., Bulet P., Miranda M.T.M., Daffre S., Miranda A. // Biopolymers. 2006, V.84, №2, P.205-218[112] Conibear A.C., Rosengren K.J., Daly N.L., Henriques S.T., Craik D.J. // J. Biol. Chem. 2013, V.188, №15, P.10830-10840[113] Peschel A., Sahl H.G. // Nat. Rev. Microbiol. 2006, V.4, №7, P.529-536