Lactoferrin - Lactoferrin

LTF
Lactoferrin.png
Verfügbare Strukturen
PDB Orthologsuche: PDBe RCSB
Bezeichner
Aliase LTF , GIG12, HEL110, HLF2, LF, Lactotransferrin
Externe IDs OMIM : 150210 MGI : 96837 HomoloGen : 1754 GeneCards : LTF
Orthologe
Spezies Menschlich Maus
Entrez
Ensemble
UniProt
RefSeq (mRNA)

NM_002343
NM_001199149
NM_001321121
NM_001321122

NM_008522

RefSeq (Protein)

NP_001186078
NP_001308050
NP_001308051
NP_002334

NP_032548

Standort (UCSC) Chr 3: 46,44 – 46,49 Mb Chr 9: 111.02 – 111.04 Mb
PubMed- Suche
Wikidata
Mensch anzeigen/bearbeiten Maus anzeigen/bearbeiten

Lactoferrin ( LF ), auch bekannt als Lactotransferrin ( LTF ), ist ein multifunktionelles Protein der Transferrinfamilie . Lactoferrin ist ein globuläres Glykoprotein mit einer Molekülmasse von etwa 80 kDa , das in verschiedenen sekretorischen Flüssigkeiten wie Milch , Speichel , Tränen und Nasensekret weit verbreitet ist . Lactoferrin ist auch in sekundären Granula von PMNs vorhanden und wird von einigen Azinuszellen sezerniert . Lactoferrin kann aus Milch gereinigt oder rekombinant hergestellt werden . Human - Kolostrum ( „Vormilch“ ) hat die höchste Konzentration, gefolgt von Humanmilch, Kuhmilch dann (150 mg / l).

Lactoferrin ist einer der Bestandteile des Immunsystems des Körpers; es wirkt antimikrobiell ( Bakteriozid , Fungizid ) und ist Teil der angeborenen Abwehr, vor allem bei Schleimhäuten. Lactoferrin bietet insbesondere menschlichen Säuglingen eine antibakterielle Aktivität. Lactoferrin interagiert mit DNA und RNA , Polysacchariden und Heparin und zeigt einige seiner biologischen Funktionen in Komplexen mit diesen Liganden .

Geschichte

Bereits 1939 wurde über das Auftreten von eisenhaltigem rotem Protein in Rindermilch berichtet; das Protein konnte jedoch nicht richtig charakterisiert werden, da es nicht mit ausreichender Reinheit extrahiert werden konnte. Seine ersten detaillierten Studien wurden um 1960 veröffentlicht. Sie dokumentierten das Molekulargewicht, den isoelektrischen Punkt , die optischen Absorptionsspektren und das Vorhandensein von zwei Eisenatomen pro Proteinmolekül. Das Protein wurde aus Milch gewonnen, enthält Eisen und war strukturell und chemisch ähnlich wie Serum Transferrin . Daher wurde es 1961 Lactoferrin genannt, obwohl der Name Lactotransferrin in einigen früheren Veröffentlichungen verwendet wurde und spätere Studien zeigten, dass das Protein nicht auf Milch beschränkt ist. Die antibakterielle Wirkung von Lactoferrin wurde ebenfalls 1961 dokumentiert und mit seiner Fähigkeit zur Eisenbindung in Verbindung gebracht.

Struktur

Gene von Lactoferrin

Mindestens 60 Gensequenzen von Lactoferrin wurden in 11 Säugetierarten charakterisiert. Bei den meisten Arten ist das Stopcodon TAA und TGA bei Mus musculus . Deletionen, Insertionen und Mutationen von Stopcodons betreffen den kodierenden Teil und seine Länge variiert zwischen 2.055 und 2.190 Nukleotidpaaren . Der Genpolymorphismus zwischen den Arten ist viel vielfältiger als der intraspezifische Polymorphismus von Lactoferrin. Es gibt Unterschiede in den Aminosäuresequenzen: 8 bei Homo sapiens , 6 bei Mus musculus , 6 bei Capra hircus , 10 bei Bos taurus und 20 bei Sus scrofa . Diese Variation kann auf funktionelle Unterschiede zwischen verschiedenen Lactoferrin-Typen hinweisen.

Beim Menschen befindet sich das Lactoferrin-Gen LTF auf dem dritten Chromosom im Locus 3q21-q23. In oxen besteht die kodierende Sequenz aus 17 Exons und hat eine Länge von etwa 34.500 Nukleotidpaaren . Exons des Lactoferrin-Gens in Ochsen haben eine ähnliche Größe wie die Exons anderer Gene der Transferrin- Familie, während sich die Größen der Introns innerhalb der Familie unterscheiden. Die Ähnlichkeit in der Größe der Exons und ihrer Verteilung in den Domänen des Proteinmoleküls weist darauf hin, dass die evolutionäre Entwicklung des Lactoferrin-Gens durch Duplikation erfolgte. Studium des Polymorphismus von Genen kodieren , dass Lactoferrin Auswahl Tierrassen hilft, die resistent sind Mastitis .

Molekulare Struktur

Lactoferrin ist eines der Transferrinproteine, die Eisen in die Zellen transportieren und den Spiegel an freiem Eisen im Blut und in externen Sekreten kontrollieren. Es kommt in der Milch von Menschen und anderen Säugetieren, im Blutplasma und in Neutrophilen vor und ist eines der Hauptproteine ​​praktisch aller exokrinen Sekrete von Säugetieren, wie Speichel , Galle , Tränenflüssigkeit und Bauchspeicheldrüse . Die Konzentration von Lactoferrin in der Milch variiert von 7 g/l im Kolostrum bis 1 g/l in der reifen Milch.

Röntgenbeugung zeigt, dass Lactoferrin auf einer Polypeptidkette basiert , die etwa 700 Aminosäuren enthält und zwei homologe globuläre Domänen namens N- und C-Lappen bildet. N-Lobe entspricht den Aminosäureresten 1–333 und C-Lobe 345–692, und die Enden dieser Domänen sind durch eine kurze α-Helix verbunden. Jeder Lappen besteht aus zwei Subdomänen, N1, N2 und C1, C2, und enthält eine Eisenbindungsstelle und eine Glykosylierungsstelle . Der Glykosylierungsgrad des Proteins kann unterschiedlich sein und daher variiert das Molekulargewicht von Lactoferrin zwischen 76 und 80 kDa. Die Stabilität von Lactoferrin wurde mit dem hohen Glykosylierungsgrad in Verbindung gebracht.

Lactoferrin gehört zu den basischen Proteinen, sein isoelektrischer Punkt liegt bei 8,7. Es existiert in zwei Formen: eisenreiches Hololactoferrin und eisenfreies Apolactoferrin. Ihre Tertiärstrukturen sind unterschiedlich; Apolactoferrin ist durch die "offene" Konformation des N-Lappens und die "geschlossene" Konformation des C-Lappens gekennzeichnet, und beide Lappen sind im Hololactoferrin geschlossen.

Jedes Lactoferrin-Molekül kann zwei Ionen von Eisen, Zink , Kupfer oder anderen Metallen reversibel binden . Die Bindungsstellen sind in jedem der beiden Proteinkügelchen lokalisiert. Dort ist jedes Ion mit sechs Liganden gebunden: vier aus der Polypeptidkette (zwei Tyrosinreste , ein Histidinrest und ein Asparaginsäurerest ) und zwei aus Carbonat- oder Bicarbonationen .

Lactoferrin bildet mit Eisen einen rötlichen Komplex; seine Affinität zu Eisen ist 300-mal höher als die von Transferrin . Die Affinität nimmt in schwach saurem Medium zu. Dies erleichtert die Übertragung von Eisen von Transferrin auf Lactoferrin bei Entzündungen , wenn der pH-Wert des Gewebes aufgrund der Ansammlung von Milch- und anderen Säuren abnimmt . Die gesättigte Eisenkonzentration in Lactoferrin in der Muttermilch wird auf 10 bis 30 % geschätzt (100 % entspricht allen Lactoferrin-Molekülen mit 2 Eisenatomen). Es wird gezeigt, dass Lactoferrin nicht nur am Transport von Eisen, Zink und Kupfer beteiligt ist, sondern auch an der Regulierung ihrer Aufnahme. Die Anwesenheit von losen Zink- und Kupferionen beeinflusst die Eisenbindungsfähigkeit von Lactoferrin nicht und kann sie sogar erhöhen.

Polymere Formen

Sowohl im Blutplasma als auch in sekretorischen Flüssigkeiten kann Lactoferrin in verschiedenen polymeren Formen vorkommen, die von Monomeren bis zu Tetrameren reichen . Lactoferrin neigt dazu, sowohl in vitro als auch in vivo zu polymerisieren , insbesondere bei hohen Konzentrationen. Mehrere Autoren fanden, dass die vorherrschende Form von Lactoferrin unter physiologischen Bedingungen ein Tetramer ist, mit einem Monomer:Tetramer-Verhältnis von 1:4 bei Proteinkonzentrationen von 10 −5 M.

Es wird vermutet, dass der Oligomerzustand von Lactoferrin durch seine Konzentration bestimmt wird und dass die Polymerisation von Lactoferrin stark durch die Anwesenheit von Ca 2+ -Ionen beeinflusst wird. Insbesondere waren Monomere dominant bei Konzentrationen unterhalb von 10 -10 -10 -11 M in Gegenwart von Ca 2+ , aber sie umgewandelt in Tetramere bei Lactoferrin Konzentrationen über 10 -9 -10 -10 M. Titer von Lactoferrin im Blut entspricht zu dieser speziellen "Übergangskonzentration" und damit Lactoferrin im Blut sollte sowohl als Monomer als auch als Tetramer dargestellt werden. Viele funktionelle Eigenschaften von Lactoferrin hängen von seinem oligomeren Zustand ab. Insbesondere monomeres, aber nicht tetrameres Lactoferrin kann stark an DNA binden.

Funktion

Lactoferrin gehört zum angeborenen Immunsystem . Neben seiner biologischen Hauptfunktion, nämlich der Bindung und dem Transport von Eisenionen, hat Lactoferrin auch antibakterielle, antivirale, antiparasitäre , katalytische, krebshemmende und antiallergische Funktionen und Eigenschaften.

Enzymatische Aktivität von Lactoferrin

Lactoferrin hydrolysiert RNA und weist die Eigenschaften von Pyrimidin- spezifischen sekretorischen Ribonukleasen auf . Durch die Zerstörung des RNA-Genoms hemmt Milch-RNase insbesondere die reverse Transkription von Retroviren , die bei Mäusen Brustkrebs verursachen . Parsi Frauen in West Indien haben die Milch RNase Niveau deutlich niedriger als in den anderen Gruppen und deren Brustkrebs Rate ist dreimal höher als der Durchschnitt. Somit könnten Ribonukleasen der Milch und insbesondere Lactoferrin eine wichtige Rolle bei der Pathogenese spielen .

Lactoferrin-Rezeptor

Der Lactoferrin-Rezeptor spielt eine wichtige Rolle bei der Internalisierung von Lactoferrin; es erleichtert auch die Aufnahme von Eisenionen durch Lactoferrin. Es zeigte sich, dass die Genexpression im Zwölffingerdarm mit dem Alter zunimmt und im Jejunum abnimmt . Das glykolytische Enzym Glyceraldehyd-3-Phosphat-Dehydrogenase ( GAPDH ) wirkt nachweislich als Rezeptor für Lactoferrin.

Knochenaktivität

Mit Ribonuklease angereichertes Lactoferrin wurde verwendet, um zu untersuchen, wie Lactoferrin den Knochen beeinflusst. Lactoferrin hat nachweislich positive Auswirkungen auf den Knochenumsatz. Es hat dazu beigetragen, die Knochenresorption zu verringern und die Knochenbildung zu erhöhen. Dies wurde durch eine Abnahme der Spiegel von zwei Knochenresorptionsmarkern ( Desoxypyridinolin und N-Telopeptid ) und eine Erhöhung der Spiegel von zwei Knochenbildungsmarkern ( Osteocalcin und alkalische Phosphatase ) angezeigt . Es hat eine reduzierte Osteoklastenbildung , was auf eine Abnahme der entzündungsfördernden Reaktionen und eine Zunahme der entzündungshemmenden Reaktionen hinweist, was ebenfalls auf eine Abnahme der Knochenresorption hinweist.

Interaktion mit Nukleinsäuren

Eine der wichtigen Eigenschaften von Lactoferrin ist seine Fähigkeit, an Nukleinsäuren zu binden. Die aus Milch extrahierte Proteinfraktion enthält 3,3% RNA, aber das Protein bindet vorzugsweise eher an doppelsträngige DNA als an einzelsträngige DNA. Die Fähigkeit von Lactoferrin, DNA zu binden, wird zu seiner Isolierung und Reinigung unter Verwendung von Affinitätschromatographie mit Säulen verwendet, die immobilisierte DNA enthaltende Sorbentien enthalten , wie Agarose mit der immobilisierten einzelsträngigen DNA.

Klinische Bedeutung

Lactoferrin ist ein Protein, das im Immunsystem vorkommt und eine häufige Abwehr gegen bakterielle Infektionen ist, die es durch Bindung an Eisen mit einer höheren Affinität als die meisten Proteine ​​leisten kann.
Lactoferrin (größeres Protein) und ein Siderophor einer E. Coli-Zelle (kleineres Protein) werden gezeigt. Lactoferrin ist ein Protein, das im Immunsystem vorkommt und eine häufige Abwehr gegen bakterielle Infektionen ist, die es durch Bindung an Eisen mit einer höheren Affinität als die meisten Proteine ​​leisten kann.

Antibakterielle Aktivität

Die Hauptaufgabe von Lactoferrin besteht darin, freies Eisen zu sequestrieren und dabei essentielles Substrat zu entfernen, das für das Bakterienwachstum benötigt wird. Die antibakterielle Wirkung von Lactoferrin wird auch durch das Vorhandensein spezifischer Rezeptoren auf der Zelloberfläche von Mikroorganismen erklärt. Lactoferrin bindet an Lipopolysaccharide der Bakterienwände, und der oxidierte Eisenanteil des Lactoferrins oxidiert Bakterien über die Bildung von Peroxiden . Dies beeinflusst die Membranpermeabilität und führt zum Zellabbau ( Lyse ).

Obwohl Lactoferrin auch andere antibakterielle Mechanismen hat, die nicht mit Eisen zusammenhängen, wie die Stimulation der Phagozytose, ist die oben beschriebene Wechselwirkung mit der äußeren Bakterienmembran am dominantesten und am besten untersucht. Lactoferrin zerstört nicht nur die Membran, sondern dringt sogar in die Zelle ein. Seine Bindung an die Bakterienwand ist mit dem spezifischen Peptid Lactoferricin verbunden , das sich am N-Lappen von Lactoferrin befindet und durch in vitro- Spaltung von Lactoferrin mit einem anderen Protein, Trypsin, hergestellt wird . Es wurde über einen Mechanismus der antimikrobiellen Wirkung von Lactoferrin berichtet, da Lactoferrin H + -ATPase angreift und die Protonentranslokation in der Zellmembran stört, was in vitro zu einer tödlichen Wirkung führt .

Lactoferrin verhindert die Anlagerung von H. pylori im Magen, was wiederum dazu beiträgt, Störungen des Verdauungssystems zu reduzieren. Rinder-Lactoferrin hat mehr Aktivität gegen H. pylori als menschliches Lactoferrin.

Antivirale Aktivität

Lactoferrin in ausreichender Stärke wirkt auf eine Vielzahl menschlicher und tierischer Viren, die auf DNA- und RNA- Genomen basieren , einschließlich Herpes-Simplex-Virus 1 und 2, Cytomegalovirus , HIV , Hepatitis-C-Virus , Hantaviren , Rotaviren , Poliovirus Typ 1, Human Respiratory Syncytial Virus , Mäuseleukämieviren und Mayarovirus . Über Aktivitäten gegen COVID-19 wurde spekuliert, aber nicht nachgewiesen.

Der am besten untersuchte Mechanismus der antiviralen Aktivität von Lactoferrin ist die Ableitung von Viruspartikeln von den Zielzellen. Viele Viren neigen dazu, an die Lipoproteine der Zellmembranen zu binden und dann in die Zelle einzudringen. Lactoferrin bindet an die gleichen Lipoproteine ​​und stößt dadurch die Viruspartikel ab. Eisenfreies Apolactoferrin ist in dieser Funktion effizienter als Hololactoferrin; und Lactoferricin, das für die antimikrobiellen Eigenschaften von Lactoferrin verantwortlich ist, zeigt fast keine antivirale Aktivität.

Neben der Interaktion mit der Zellmembran bindet Lactoferrin auch direkt an virale Partikel, wie beispielsweise die Hepatitisviren . Dieser Mechanismus wird auch durch die antivirale Aktivität von Lactoferrin gegen Rotaviren bestätigt, die auf verschiedene Zelltypen wirken.

Lactoferrin unterdrückt auch die Virusreplikation, nachdem das Virus in die Zelle eingedrungen ist. Eine solche indirekte antivirale Wirkung wird durch die Beeinflussung natürlicher Killerzellen , Granulozyten und Makrophagen erreicht – Zellen, die in den frühen Stadien viraler Infektionen wie dem schweren akuten respiratorischen Syndrom (SARS) eine entscheidende Rolle spielen .

Antimykotische Aktivität

Lactoferrin und Lactoferricin hemmen das In-vitro- Wachstum von Trichophyton mentagrophytes , die für verschiedene Hautkrankheiten wie Ringelflechte verantwortlich sind . Lactoferrin wirkt auch gegen Candida albicans – einen diploiden Pilz (eine Form von Hefe ), der beim Menschen opportunistische orale und genitale Infektionen verursacht. Fluconazol wird seit langem gegen Candida albicans eingesetzt , was zur Entstehung von Stämmen führte, die gegen dieses Medikament resistent sind. Eine Kombination von Lactoferrin mit Fluconazol kann jedoch gegen Fluconazol-resistente Stämme von Candida albicans sowie gegen andere Arten von Candida wirken : C. glabrata, C. krusei, C. parapsilosis und C. tropicalis . Antimykotische Aktivität wird bei sequentieller Inkubation von Candida mit Lactoferrin und dann mit Fluconazol beobachtet, aber nicht umgekehrt. Die antimykotische Wirkung von Lactoferricin übertrifft die von Lactoferrin. Insbesondere das synthetische Peptid 1–11 Lactoferricin zeigt eine viel größere Aktivität gegen Candida albicans als natives Lactoferricin.

Die Verabreichung von Lactoferrin über das Trinkwasser an Mäuse mit geschwächtem Immunsystem und Symptomen eines aphthösen Geschwürs reduzierte die Anzahl der Candida albicans- Stämme im Mund und die Größe der geschädigten Bereiche in der Zunge. Die orale Verabreichung von Lactoferrin an Tiere reduzierte auch die Zahl der pathogenen Organismen in den Geweben in der Nähe des Magen-Darm-Trakts . Candida albicans konnte auch bei HIV-positiven Patienten, die gegen andere Antimykotika resistent waren , mit einer Mischung aus Lactoferrin, Lysozym und Itraconazol vollständig ausgerottet werden. Eine solche antimykotische Wirkung, wenn andere Arzneimittel als ineffizient erachtet werden, ist charakteristisch für Lactoferrin und ist für HIV-infizierte Patienten besonders wertvoll. Im Gegensatz zu den antiviralen und antibakteriellen Wirkungen von Lactoferrin ist über den Mechanismus seiner antimykotischen Wirkung nur sehr wenig bekannt. Lactoferrin scheint die Plasmamembran von C. albicans zu binden und einen apoptotischen Prozess auszulösen.

Antikarzinogene Wirkung

Die Anti - Krebs - Aktivität von Rinder- Lactoferrin (BLF) wurde in experimentellen Lunge, der Blase, der Zunge, des Dickdarms, der Leber und carcinogeneses an Ratten, die möglicherweise durch die Suppression der Phase - I - Enzyme, wie Cytochrom P450 1A2 (demonstrierte CYP1A2 ). Auch in einem anderen Experiment, das an Hamstern durchgeführt wurde , verringerte Rinder-Lactoferrin die Inzidenz von Mundkrebs um 50%. Derzeit wird bLF als Inhaltsstoff in Joghurt , Kaugummis , Säuglingsnahrung und Kosmetika verwendet .

Mukoviszidose

Die menschliche Lunge und der Speichel enthalten eine breite Palette antimikrobieller Verbindungen, einschließlich des Lactoperoxidase-Systems, das Hypothiocyanit und Lactoferrin produziert, wobei Hypothiocyanit bei Mukoviszidose- Patienten fehlt . Lactoferrin, ein Bestandteil der angeborenen Immunität, verhindert die Entwicklung eines bakteriellen Biofilms . Bei Patienten mit Mukoviszidose wird ein Verlust der mikrobiziden Aktivität und eine erhöhte Biofilmbildung aufgrund einer verminderten Lactoferrin-Aktivität beobachtet. Bei Mukoviszidose kann die Antibiotikaempfindlichkeit durch Lactoferrin verändert werden. Diese Ergebnisse zeigen die wichtige Rolle von Lactoferrin bei der Abwehr des menschlichen Wirts und insbesondere in der Lunge. Lactoferrin mit Hypothiocyanit hat von der EMEA und der FDA den Orphan-Drug- Status erhalten .

Nekrotisierende Enterokolitis

Evidenz von geringer Qualität deutet darauf hin, dass eine orale Lactoferrin-Supplementierung mit oder ohne Zusatz eines Probiotikums das späte Auftreten von Sepsis und nekrotisierende Enterokolitis (Stadium II oder III) bei Frühgeborenen ohne Nebenwirkungen verringern kann .

In der Diagnose

Es wurde gezeigt, dass der Lactoferrinspiegel in der Tränenflüssigkeit bei Erkrankungen des trockenen Auges wie dem Sjögren-Syndrom sinkt . Ein tragbarer Schnelltest mit Mikrofluidik-Technologie wurde entwickelt, um die Messung des Lactoferrinspiegels in der menschlichen Tränenflüssigkeit am Point-of-Care zu ermöglichen, um die Diagnose des Sjögren-Syndroms und anderer Formen des Trockenen Auges zu verbessern.

Nanotechnologie

Lactotransferrin wurde bei der Synthese von fluoreszierenden Goldquantenclustern verwendet, die potenzielle Anwendungen in der Nanotechnologie haben.

Siehe auch

Verweise

Externe Links