Qu'est-ce que LL-37 ?

LL-37 est un peptide antimicrobien (AMP) cationique de 37 acides aminés, seul représentant de la famille des cathélicidines exprimé chez l'humain. Issu du clivage protéolytique de sa protéine précurseur hCAP-18 (human cationic antimicrobial protein, de 18 kDa), LL-37 joue un rôle central dans la défense immunitaire innée contre les infections, tout en modulant les réponses immunitaires adaptatives, en favorisant la cicatrisation des plaies et en influençant la biologie du cancer. Le peptide a été identifié et caractérisé pour la première fois par Zanetti, Gennaro et leurs collègues au début des années 1990 ; le gène de la cathélicidine humaine (CAMP) a été cloné et la séquence du peptide mature LL-37 déterminée dès 1995.

Structure moléculaire

Le nom LL-37 provient de sa longueur de 37 acides aminés et des deux résidus de leucine à son extrémité N-terminale. La séquence complète en acides aminés est LLGDFFRKSKEKIGKEFKRIVQRIKDFLRNLVPRTES. La masse moléculaire est d'environ 4 493 daltons, et le peptide porte une charge nette positive de +6 à pH physiologique, une caractéristique propre aux peptides antimicrobiens qui facilite leur interaction avec les membranes microbiennes chargées négativement. En solution, LL-37 existe sous forme de pelote statistique (random coil) à faible concentration, mais adopte une conformation alpha-hélicoïdale amphipathique à des concentrations plus élevées et en présence d'environnements mimant les membranes, tels que les bicouches lipidiques, les micelles de détergent ou le trifluoroéthanol. Cette conformation hélicoïdale est essentielle à son activité antimicrobienne de rupture membranaire : une face de l'hélice est hydrophobe et s'insère dans les bicouches lipidiques, tandis que la face opposée, chargée positivement, interagit avec les composants anioniques de la membrane.

Biosynthèse et expression

Le précurseur hCAP-18/LL-37 est codé par le gène CAMP, situé sur le chromosome 3p21.3. La protéine précurseur se compose d'un peptide signal, d'un domaine de type cathéline et du peptide LL-37 en position C-terminale. La maturation de hCAP-18 qui libère le LL-37 mature est assurée par la protéinase 3 dans les neutrophiles, par les kallicréines dans la peau et par la gastricsine dans le liquide vaginal. LL-37 est produit par de nombreux types cellulaires : les neutrophiles (qui stockent hCAP-18 dans des granules spécifiques à des concentrations pouvant atteindre 630 microgrammes par millilitre), les cellules épithéliales de la peau, des voies respiratoires, du tractus gastro-intestinal et du tractus génito-urinaire, les monocytes, les macrophages, les cellules dendritiques, les mastocytes et les cellules NK. L'expression est constitutive dans les neutrophiles, mais inductible dans les cellules épithéliales, où elle peut être augmentée par l'infection, l'inflammation et la signalisation de la vitamine D.

Mécanismes antimicrobiens

Le mécanisme antimicrobien de LL-37 repose sur plusieurs voies complémentaires. Le mécanisme principal implique une liaison électrostatique au lipopolysaccharide (LPS) chargé négativement des bactéries gram-négatives, ou à l'acide lipotéichoïque et aux phospholipides anioniques des membranes des bactéries gram-positives. Après la liaison initiale à la membrane, LL-37 s'insère dans la bicouche lipidique et forme des pores transmembranaires, ou provoque un amincissement et une rupture de la membrane selon le modèle du tapis ou le modèle des pores toroïdaux. La rapidité de la rupture membranaire (qui survient en quelques minutes) rend difficile pour les bactéries le développement d'une résistance par mutations ponctuelles, la cible étant la structure membranaire fondamentale plutôt qu'une protéine spécifique. LL-37 présente une activité antimicrobienne à large spectre contre les bactéries gram-positives (dont Staphylococcus aureus, les espèces de Streptococcus et Enterococcus), les bactéries gram-négatives (dont Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa et Klebsiella pneumoniae), les mycobactéries, les champignons (dont les espèces de Candida) et les virus enveloppés (dont le virus de la grippe, le VIH et le virus de l'herpès simplex).

Au-delà de la destruction directe, LL-37 neutralise l'endotoxine bactérienne (LPS) en se liant à son fragment lipide A, empêchant le LPS d'activer le TLR4 des cellules immunitaires et de déclencher des cascades de cytokines inflammatoires. Cette activité anti-endotoxine est thérapeutiquement significative, car l'endotoxémie et la cascade septique qui en résulte sont des causes majeures de morbidité et de mortalité lors d'infections bactériennes sévères. LL-37 détruit également les biofilms bactériens, communautés microbiennes structurées notoirement résistantes aux antibiotiques classiques. Le peptide empêche la formation de biofilms à des concentrations sous-inhibitrices en interférant avec le quorum sensing et l'adhésion aux surfaces, et peut, à des concentrations plus élevées, pénétrer et détruire des biofilms déjà établis.

Immunomodulation et auto-immunité

Les fonctions immunomodulatrices de LL-37 vont bien au-delà de son activité antimicrobienne directe et sont de plus en plus reconnues comme ses rôles biologiques les plus importants. LL-37 agit comme agent chimiotactique pour les neutrophiles, les monocytes, les mastocytes et les lymphocytes T par activation du récepteur FPRL1/FPR2 (formyl peptide receptor-like 1). Cette activité chimiotactique recrute les cellules immunitaires vers les sites d'infection et de lésion, amplifiant la réponse immunitaire innée. LL-37 active les mastocytes, favorisant leur dégranulation et la libération d'histamine, ce qui contribue à la perméabilité vasculaire locale et au recrutement des cellules immunitaires. Le peptide module la différenciation et la fonction des cellules dendritiques, favorisant le développement de cellules dendritiques polarisant vers Th1, qui orientent l'immunité à médiation cellulaire.

Une propriété immunologique d'une importance critique de LL-37 est sa capacité à former des complexes avec l'ADN et l'ARN du soi libérés par des cellules endommagées ou mourantes. Les complexes LL-37-acides nucléiques sont protégés de la dégradation par les nucléases extracellulaires et sont efficacement captés par les cellules dendritiques plasmacytoïdes, où ils activent les TLR9 endosomaux (pour les complexes LL-37-ADN) et les TLR7/8 (pour les complexes LL-37-ARN), déclenchant une production importante d'interféron de type I. Ce mécanisme relie LL-37 à la pathogenèse de maladies auto-immunes, en particulier le psoriasis, où les complexes LL-37-ADN du soi entretiennent la réponse chronique en interféron de type I qui perpétue l'inflammation cutanée. Cette découverte de Lande, Gilliet et leurs collègues en 2007 a constitué une avancée majeure qui a fondamentalement transformé la compréhension de la biologie des cathélicidines et de la pathogenèse du psoriasis.

Cicatrisation des plaies

Dans la cicatrisation des plaies, LL-37 favorise la réépithélialisation en stimulant la migration et la prolifération des kératinocytes via la transactivation de l'EGFR. Le peptide active les métalloprotéinases matricielles (en particulier la MMP-9), qui remodèlent la matrice extracellulaire pour faciliter la migration cellulaire. LL-37 favorise l'angiogenèse en activant le FPRL1 sur les cellules endothéliales et en augmentant l'expression du VEGF. Il stimule également la prolifération et la migration des fibroblastes, contribuant à la formation du tissu de granulation. Ces activités de cicatrisation agissent de concert avec la fonction antimicrobienne de LL-37, assurant simultanément la prévention des infections et la réparation tissulaire au niveau des plaies.

Régulation par la vitamine D

La régulation de l'expression de LL-37 par la vitamine D est devenue l'un des aspects les plus significatifs sur le plan clinique de la biologie des cathélicidines. Le promoteur du gène CAMP contient un élément de réponse à la vitamine D (VDRE), et la 1,25-dihydroxyvitamine D3 (la forme active de la vitamine D) induit directement l'expression de LL-37 dans les monocytes, les macrophages et les cellules épithéliales. Ce mécanisme a été élucidé dans une étude fondatrice de Liu et ses collègues publiée en 2006, montrant que l'activation des monocytes médiée par TLR2 par des lipopeptides mycobactériens augmente l'expression du récepteur de la vitamine D et de l'enzyme CYP27B1 (qui convertit la 25-hydroxyvitamine D en 1,25-dihydroxyvitamine D3 active), conduisant à une induction de LL-37 dépendante de la vitamine D et à une activité antimicrobienne contre Mycobacterium tuberculosis. Cette voie fournit une explication moléculaire à l'association historique entre la carence en vitamine D et la susceptibilité à la tuberculose et à d'autres infections, et constitue une base rationnelle pour la supplémentation en vitamine D dans la prévention des infections.

Cancer et autres maladies

Le rôle de LL-37 dans la biologie du cancer est complexe et dépend du contexte. Dans certains types de cancer (cancer de l'ovaire, cancer du sein, cancer du poumon), LL-37 favorise la croissance tumorale, l'angiogenèse et la métastase par transactivation de l'EGFR, signalisation proliférative médiée par FPRL1 et mécanismes d'échappement immunitaire. Dans d'autres cancers (cancer gastrique, cancer du côlon, hémopathies malignes), LL-37 présente une activité antitumorale par cytotoxicité directe contre les cellules cancéreuses, recrutement de cellules immunitaires et modulation du microenvironnement tumoral. Cette double nature reflète les activités biologiques pléiotropes du peptide et souligne l'importance de comprendre le contexte tumoral spécifique avant d'envisager LL-37 dans des applications oncologiques.

La dérégulation de l'expression de LL-37 est impliquée dans plusieurs états pathologiques. La surexpression contribue à la pathogenèse du psoriasis (par la formation de complexes avec les acides nucléiques du soi), de la rosacée (où des fragments de LL-37 traités par la kallicréine 5 favorisent l'inflammation et l'angiogenèse) et de l'athérosclérose (où LL-37 s'accumule dans les plaques et peut favoriser le recrutement de cellules inflammatoires). Le déficit en LL-37 est associé à une susceptibilité accrue aux infections, en particulier dans des états tels que les plaies chroniques, la mucoviscidose et les brûlures graves. Les patients atteints de la maladie de Kostmann (neutropénie congénitale sévère) présentent un déficit quasi complet en LL-37 et souffrent d'une maladie parodontale sévère.

Développement thérapeutique

Le développement thérapeutique de LL-37 et de ses analogues est poursuivi selon plusieurs axes. OP-145 (P60.4Ac) est un peptide synthétique de 24 acides aminés dérivé de LL-37, développé comme traitement topique de l'otite moyenne chronique et ayant achevé des essais cliniques de phase I/II. SAAP-148, un autre peptide dérivé de LL-37 à puissance antimicrobienne renforcée, est en développement préclinique pour les infections résistantes aux antibiotiques. Brilacidin, un peptidomimétique qui imite la structure amphipathique de LL-37 sans être un peptide, a été développé par Innovation Pharmaceuticals et a achevé des essais cliniques de phase II pour les infections bactériennes aiguës de la peau et des structures cutanées. Ces programmes de développement valident le potentiel thérapeutique de l'approche antimicrobienne fondée sur les cathélicidines, tout en répondant aux enjeux de stabilité du peptide et de coût de fabrication.

En résumé, LL-37 est un peptide multifonctionnel à l'intersection de la défense antimicrobienne, de la régulation immunitaire, de la cicatrisation des plaies et de la biologie du cancer. Sa découverte a fait progresser de manière fondamentale la compréhension de l'immunité innée et ouvert des voies thérapeutiques pour les infections, les maladies inflammatoires et la cicatrisation des plaies. L'axe vitamine D-LL-37 a apporté des connaissances moléculaires reliant nutrition, immunité et susceptibilité aux maladies infectieuses. Alors que la résistance antimicrobienne continue de menacer la santé mondiale, LL-37 et ses dérivés représentent une classe prometteuse de thérapeutiques exploitant les différences fondamentales de composition membranaire entre microbes et mammifères.