Midkine - a host defence protein

Abstract

Every day we encounter many potentially harmful microbes in our environment. The epithelial linings constitute an anatomical barrier protecting us and they also produce antimicrobial polypeptides (AMPs) that act as a chemical barrier. These AMPs are small and positively charged, killing a broad range of microbes rapidly. They can either be constitutively produced or rapidly induced when epithelial cells encounter pathogens or when an injury occurs.



Midkine (MK) is a heparin-binding growth factor of 123 amino acids. It is composed of two domains with three anti-parallel β-sheets in each domain and five disulphide bonds stabilize the structure.



We found that MK has both antibacterial as well as antifungal properties and exert these activities by disrupting the membranes of the microorganisms, resulting in leakage of intracellular contents. The antibacterial activity of MK is evolutionary conserved, originating in insects. The expression of MK is constitutive in the skin, but during inflammation the expression is increased and the concentrations found in vivo reach levels that are antibacterial. In the large airways, MK expression is also constitutive and may be responsible for a significant part of the antibacterial activity found in the air surface liquid covering the bronchial epithelium of the lungs. In patients with cystic fibrosis, a genetic disorder primarily affecting the ion-transport of the airway epithelium, the expression of MK is increased. These patients suffer from viscous mucus and chronic infections caused by bacteria, not least Pseudomonas aeruginosa. The antibacterial activity of MK was compromised because of the changed environment in the lungs, where both increased salt and a lowered pH decreased its antibacterial activity.



Taken together, MK is a potent antimicrobial peptide with activity against several bacterial and fungal species. The expression is constitutive in the skin and the large airways during healthy conditions and during inflammation the expression is increased. Since bacterial resistance against conventional antibiotics is increasing, AMPs such as MK, may provide templates for the development of novel therapeutics strategies to combat disease where microbes are either the primary cause or cause exacerbations of chronic diseases as seen in cystic fibrosis.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Vi utsätts varje dag för en stor mängd bakterier som skulle kunna göra oss sjuka, men för det mesta håller vi oss ändå friska. Epitelcellerna på hudens yta och på lungornas slemhinna bildar det första försvaret mot sjukdomsframkallande bakterier, dels genom att de utgör en fysisk barriär men också genom att de kan producera små bakteriedödande substanser, så kallade antimikrobiella polypeptider (AMPs). En del AMPs produceras kontinuerligt och utgör ett färdigt skydd medan andra snabbt börjar produceras och frisätts när epitelceller kommer i kontakt med bakterier eller då en skada uppstår. Den bakteriedödande effekten är snabb och bakterierna hinner ofta dödas innan det långsammare specifika immunförsvaret, med bland annat produktion av antikroppar, hunnit bli aktiverat.



Midkine (MK) är en tillväxtstimulerande molekyl som bland annat har betydelse för anläggningen av kroppens organ under fosterstadiet. Den har också påvisats i huden och har flera olika funktioner i kroppen hos den vuxna individen. Om man studerar MK-molekylen i detalj består den av två veckade regioner som hålls på plats av överbryggande svavelatomer. I detta avseende liknar MK människans β-defensiner vilka är väl karakteriserade AMPs.



I denna avhandling har vi kunnat visa att MK har en avdödande aktivitet mot många olika typer av bakterier och svampar samt att dessa dör genom att MK förstör deras ytterhölje (membran). Membranen på våra celler skiljer sig från membranen som omger bakterier och svampar. AMPs attraheras till bakteriers membran eftersom dessa är mera negativt laddade jämfört med våra. Våra cellers membran är också stabiliserade eftersom de innehåller kolesterol medan svampar innehåller den liknande molekylen ergosterol. Detta gör det möjligt för AMPs att döda bakterier och svampar utan att påverka våra celler.



MK finns i många olika arter, exempelvis hos möss, fiskar och grodor. MK har också hittats i insekter där den verkar ha sitt ursprung och den bakteriedödande aktiviteten är bevarad hos samtliga av dessa arter. Vi har visat att MK finns i frisk hud och vid inflammation ökar produktionen. Vissa bakterier som normalt förekommer på vår hud inaktiverar delvis MK genom att producera ämnen som klipper sönder det (proteaser). Sjukdomsframkallande bakterier har effektivare proteaser som helt och hållet förstör aktiviteten hos många AMPs, inklusive MK.



I friska lungor skyddar lagret av epitelceller oss från att bli sjuka och AMPs ligger som ett kemiskt skyddande lager i ett tunt vätskelager ovanpå och mellan cellerna. Vi har visat att MK finns i lungorna och fungerar bakteriedödande mot de bakterier som är den vanligaste orsaken till lunginflammation (så kallade pneumokocker). I en cellodlings-modell där cellerna har kontakt med luft på ovansidan och får samma egenskaper som cellerna i lungorna bildas ett tunt vätskelager. Denna vätska är bakteriedödande och vi har visat att MK står för en stor del av denna aktivitet.



Cystisk fibros är en genetisk sjukdom som ger upphov till tjockt slem och kronisk infektion med bakterier i lungorna. Olika teorier finns om varför dessa patienter har så svåra bakteriella infektioner som immunsystemet inte klarar av att få bukt med. Teorierna är att salthalten är förhöjd eller att pH är för lågt i vätskan som täcker epitelcellerna i lungorna. Andra bidragande faktorer kan vara att bakterierna och det stora inflödet av immunceller resulterar i höga koncentrationer av proteaser som bryter ner AMPs som därmed inte kan döda bakterierna lika bra. Vi har undersökt lungvävnad från patienter med cystisk fibros (som genomgått lungtransplantation) och visat att produktionen av MK är förhöjd i deras lungor. Aktiviteten hos MK är sannolikt förändrad eftersom både hög salthalt, lågt pH och proteaser minskar den bakteriedödande aktiviteten.



Sammanfattningsvis finns MK i huden och i lungorna, ytor som är kontinuerligt exponerade för bakterier och svampar vilka kan skapa infektioner. MK är effektiv på att döda både olika sorters bakterier och svampar. Vid kroppens svar på infektion (inflammation) ökar produktionen men vid vissa sjukdomstillstånd verkar MK delvis ha förlorat sin aktivitet på grund av ändrade förhållanden i vävnaden. Att återställa aktiviteten för MK vid dessa tillstånd skulle kunna vara en ny behandling vid svåra infektioner.



Bakteriedödande kroppsegna peptider, som MK, kan utgöra en bas för utveckling av nya strategier för behandling av infektioner exempelvis genom att applicera dessa på infekterad hud. En annan strategi skulle kunna vara att stimulera en ökad produktion så att kroppen själv på ett effektivare sätt kan bekämpa infektionen. Nya strategier mot infektioner är viktiga då den bakteriella motståndskraften mot konventionella antibiotika snabbt ökar.

• author: Nordin, Sara
• supervisor: Arne Egesten; Mattias Collin; Helena Linge
• opponent: Professor Harder, Jürgen, Department of dermatology, University Hospital Schleswig-Holstein, Campus Kiel, Germany
• organization: Respiratory Medicine, Allergology, and Palliative Medicine
• publishing date: 2013
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Respiratory Medicine and Allergy
• keywords: Antimicrobial polypeptides, Midkine, antibacterial, antifungal, innate immunity, epithelial surfaces
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2013:137
• pages: 71 pages
• defense location: Belfrage lecture hall, BMC D15, Lund
• defense date: 2013-12-12 09:15:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-87651-12-0
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 106e8af1-b311-46c3-b5db-14fe1992b90a (old id 4173200)
• date added to LUP: 2016-04-01 13:50:33
• date last changed: 2019-05-22 06:35:38