Введение
Химокины (от древнегреческого χῠμείᾱ (khumeíā) «алхимия»), или химиотаксические цитокины, – это семейство небольших цитокинов или сигнальных белков, секретируемых клетками, которые индуцируют направленное движение лейкоцитов, а также других типов клеток, включая эндотелиальные и эпителиальные клетки. Помимо важной роли в активации иммунных ответов организма, химокины необходимы для биологических процессов, таких как морфогенез и заживление ран, а также в патогенезе заболеваний, включая рак. Цитокиновые белки классифицируются как химокины на основании их поведения и структурных характеристик. Помимо известной роли в опосредовании хемотаксиса, химокины имеют массу около 8–10 килодальтон и содержат четыре консервативных цистеиновых остатка, ключевых для формирования их трехмерной структуры. Исторически эти белки были известны под различными другими названиями, включая семейства цитокинов SIS, SIG, SCY, суперсемейство тромбоцитарного фактора 4 или интеркрины. Некоторые химокины считаются провоспалительными и могут индуцироваться в ходе иммунного ответа для привлечения клеток иммунной системы к очагу инфекции, в то время как другие выполняют гомеостатические функции и участвуют в контроле миграции клеток в ходе нормальных процессов поддержания или развития тканей. Химокины обнаружены у всех позвоночных, некоторых вирусов и некоторых бактерий, но не встречаются у других беспозвоночных. Химокины классифицируются на четыре основных подсемейства: CXC, CC, CX3C и C. Все эти белки осуществляют свое биологическое действие посредством взаимодействия с трансмембранными рецепторами, связанными с G-белком, называемыми рецепторами химокинов, которые избирательно экспрессируются на поверхности клеток-мишеней.
Chemokines (from Ancient Greek χῠμείᾱ (khumeíā) 'alchemy'), or chemotactic cytokines, are a family of small cytokines or signaling proteins secreted by cells that induce directional movement of leukocytes, as well as other cell types, including endothelial and epithelial cells. In addition to playing a major role in the activation of host immune responses, chemokines are important for biological processes, including morphogenesis and wound healing, as well as in the pathogenesis of diseases like cancers. Cytokine proteins are classified as chemokines according to behavior and structural characteristics. In addition to being known for mediating chemotaxis, chemokines are all approximately 8–10 kilodaltons in mass and have four cysteine residues in conserved locations that are key to forming their 3 dimensional shape. These proteins have historically been known under several other names including the SIS family of cytokines, SIG family of cytokines, SCY family of cytokines, Platelet factor 4 superfamily or intercrines. Some chemokines are considered pro inflammatory and can be induced during an immune response to recruit cells of the immune system to a site of infection, while others are considered homeostatic and are involved in controlling the migration of cells during normal processes of tissue maintenance or development. Chemokines are found in all vertebrates, some viruses and some bacteria, but none have been found in other invertebrates. Chemokines have been classified into four main subfamilies: CXC, CC, CX3C and C. All of these proteins exert their biological effects by interacting with G protein linked transmembrane receptors called chemokine receptors, that are selectively found on the surfaces of their target cells.
Функция
Основная роль хемокинов заключается в том, чтобы выступать в качестве хемоаттрактантов, направляя миграцию клеток. Клетки, привлекаемые хемокинами, следуют за градиентом возрастающей концентрации хемокина к его источнику. Некоторые хемокины контролируют клетки иммунной системы в процессе иммунного надзора, например, направляя лимфоциты в лимфатические узлы для выявления вторжения патогенов посредством взаимодействия с антигенпрезентирующими клетками, находящимися в этих тканях. Они известны как гомеостатические хемокины и продуцируются и секретируются без необходимости стимуляции клеток-источников. Некоторые хемокины участвуют в развитии, способствуя ангиогенезу (росту новых кровеносных сосудов) или направляя клетки к тканям, предоставляющим специфические сигналы, критически важные для созревания клеток. Другие хемокины являются провоспалительными и высвобождаются из широкого спектра клеток в ответ на бактериальную инфекцию, вирусы и факторы, вызывающие физические повреждения, такие как диоксид кремния или кристаллы мочевой кислоты, образующиеся при подагре. Их высвобождение часто стимулируется провоспалительными цитокинами, такими как интерлейкин-1. Провоспалительные хемокины в основном функционируют как хемоаттрактанты для лейкоцитов, рекрутируя моноциты, нейтрофилы и другие эффекторные клетки из крови в места инфекции или повреждения тканей. Определенные провоспалительные хемокины активируют клетки для инициирования иммунного ответа или способствуют заживлению ран. Они высвобождаются многими различными типами клеток и служат для направления клеток как врожденной, так и адаптивной иммунной системы.
Направление
Основная функция химиокинов – управление миграцией лейкоцитов (направлением в ткани) в соответствующие анатомические локации в ходе воспалительных и гомеостатических процессов. Базальные: гомеостатические химиокины продуцируются в базальном состоянии в тимусе и лимфоидных тканях. Их гомеостатическая функция в направлении наилучшим образом демонстрируется химиокинами CCL19 и CCL21 (экспрессируемыми в лимфатических узлах и на клетках лимфатического эндотелия) и их рецептором CCR7 (экспрессируемым на клетках, предназначенных для миграции в эти органы). Использование этих лигандов позволяет направлять антигенпрезентирующие клетки (АПК) в лимфатические узлы во время адаптивного иммунного ответа. К другим гомеостатическим рецепторам хемокинов относятся: CCR9, CCR10 и CXCR5, которые важны как часть «адресов» клеток для тканеспцифического направления лейкоцитов. CCR9 поддерживает миграцию лейкоцитов в кишечник, CCR10 – в кожу, а CXCR5 поддерживает миграцию B-клеток в фолликулы лимфатических узлов. Также CXCL12 (SDF-1), конститутивно продуцируемый в костном мозге, способствует пролиферации прогениторных B-клеток в микроокружении костного мозга. Воспалительные: воспалительные химиокины продуцируются в высоких концентрациях во время инфекции или повреждения и определяют миграцию воспалительных лейкоцитов в область повреждения. Типичные воспалительные химиокины включают: CCL2, CCL3 и CCL5, CXCL1, CXCL2 и CXCL8. Типичным примером является CXCL8, который действует как хемоаттрактант для нейтрофилов. В отличие от гомеостатических рецепторов хемокинов, для связывания рецепторов и воспалительных хемокинов характерна значительная поливалентность (избыточность). Это часто затрудняет исследования рецептор-специфических терапевтических средств в этой области. Мастоциты: на их поверхности экспрессируют несколько рецепторов для хемокинов: CCR1, CCR2, CCR3, CCR4, CCR5, CXCR2 и CXCR4. Лиганды этих рецепторов CCL2 и CCL5 играют важную роль в рекрутинге и активации мастоцитов в легких. Также есть данные о том, что CXCL8 может оказывать ингибирующее действие на мастоциты. Эозинофилы: миграция эозинофилов в различные ткани включает несколько хемокинов семейства CC: CCL11, CCL24, CCL26, CCL5, CCL7, CCL13 и CCL3. Хемокины CCL11 (эотаксин) и CCL5 (RANTES) действуют через специфический рецептор CCR3 на поверхности эозинофилов, а эотаксин играет важную роль в начальном рекрутинге эозинофилов в очаг поражения. Нейтрофилы: их регуляция осуществляется преимущественно CXC-хемокинами. Примером является CXCL8 (IL-8), который является хемоаттрактантом для нейтрофилов, а также активирует их метаболизм и дегрануляцию.
Структурные характеристики
Белки классифицируются в семейство химикинов на основе их структурных характеристик, а не только их способности привлекать клетки. Все химикины малы по размеру, с молекулярной массой от 8 до 10 кДа. Они примерно на 20-50% идентичны друг другу, то есть имеют сходство в последовательности генов и аминокислотной последовательности. Все они также содержат консервативные аминокислоты, важные для формирования их трехмерной или третичной структуры, например (в большинстве случаев) четыре цистеина, которые взаимодействуют друг с другом попарно, образуя греческий ключ – характерную структуру для химикинов. Внутримолекулярные дисульфидные связи обычно соединяют первый и третий, а также второй и четвертый остатки цистеина, нумерованные в порядке их появления в аминокислотной последовательности химикина. Типичные белки-химикины синтезируются в виде пропептидов, начинающихся с сигнального пептида, состоящего примерно из 20 аминокислот, который отщепляется от активной (зрелой) части молекулы в процессе ее секреции из клетки. Первые два цистеина в химикине расположены близко друг к другу у N-концевого конца зрелого белка, третий цистеин находится в центре молекулы, а четвертый – у C-концевого конца. За первыми двумя цистеинами следует петля, состоящая примерно из десяти аминокислот, известная как N-петля. Далее следует одновитковая спираль, называемая спиралью 310, три β-нити и C-концевая α-спираль. Эти спирали и нити соединены поворотами, называемыми петлями 30s, 40s и 50s; третий и четвертый цистеины расположены в петлях 30s и 50s.
Химокины CC
Белки CC-химокинов (или β-химокинов) содержат два соседних цистеина (аминокислоты) вблизи своего аминоконца. У млекопитающих описано не менее 27 различных представителей этой подгруппы, называемых лигандами CC-химокинов (CCL) от 1 до 28; CCL10 идентичен CCL9. Химокины этого подсемейства обычно содержат четыре цистеина (C4 CC-химокины), однако небольшое число CC-химокинов содержит шесть цистеинов (C6 CC-химокины). К C6 CC-химокинам относятся CCL1, CCL15, CCL21, CCL23 и CCL28. CC-химокины индуцируют миграцию моноцитов и других типов клеток, таких как NK-клетки и дендритные клетки. Примерами CC-химокинов являются моноцитарный хемоаттрактантный белок 1 (MCP-1 или CCL2), который стимулирует выход моноцитов из кровотока и их проникновение в окружающие ткани с последующей трансформацией в тканевые макрофаги. CCL5 (или RANTES) привлекает клетки, такие как Т-клетки, эозинофилы и базофилы, экспрессирующие рецептор CCR5. Повышенные уровни CCL11 в плазме крови ассоциируются со старением (и снижением нейрогенеза) у мышей и человека.
Химокины CXC
Два N-концевых цистеина CXC-химокинов (или α-химокинов) разделены одной аминокислотой, что отражено в их названии буквой "X". У млекопитающих описано 17 различных CXC-химокинов, которые подразделяются на две категории: содержащие специфическую аминокислотную последовательность (или мотив) глутаминовая кислота-лейцин-аргинин (или ELR) непосредственно перед первым цистеином CXC-мотива (ELR-положительные) и не содержащие мотива ELR (ELR-отрицательные). ELR-положительные CXC-химокины специфически индуцируют миграцию нейтрофилов и взаимодействуют с хемокиновыми рецепторами CXCR1 и CXCR2. Примером ELR-положительного CXC-химокина является интерлейкин-8 (IL-8), который стимулирует выход нейтрофилов из кровотока в окружающие ткани. Другие CXC-химокины, лишенные мотива ELR, такие как CXCL13, как правило, являются хемоаттрактантами для лимфоцитов. CXC-химокины связываются с рецепторами к CXC-химокинам, семь из которых на сегодняшний день идентифицированы и обозначены как CXCR1-7.
C химикины
Третья группа хемокинов известна как C-хемокины (или γ-хемокины) и отличается от всех остальных хемокинов тем, что содержит всего два цистеина: один N-концевой цистеин и один цистеин, расположенный далее по последовательности. Для этой подгруппы описано два хемокина: XCL1 (лимфотактин α) и XCL2 (лимфотактин β).
CX3C химикины
Также была обнаружена четвертая группа, у членов которой между двумя цистеинами находится три аминокислоты, и она называется CX3C-химокинами (или d-химокинами). Единственный CX3C-химокин, обнаруженный на сегодняшний день, называется фракталкином (или CX3CL1). Он секретируется и одновременно связан с поверхностью клетки, которая его экспрессирует, выполняя функции как хемоаттрактанта, так и молекулы адгезии.
Рецепторы
Хемокиновые рецепторы – это рецепторы, связанные с G-белком, содержащие 7 трансмембранных доменов и расположенные на поверхности лейкоцитов. На сегодняшний день описано около 19 различных хемокиновых рецепторов, которые подразделяются на четыре семейства в зависимости от типа связываемых ими хемокинов: CXCR, связывающие хемокины CXC, CCR, связывающие хемокины CC, CX3CR1, связывающий единственный хемокин CX3C (CX3CL1), и XCR1, связывающий два хемокина XC (XCL1 и XCL2). Они обладают многими общими структурными особенностями: схожи по размеру (около 350 аминокислот), имеют короткий, кислый N-концевой участок, семь спиральных трансмембранных доменов с тремя внутриклеточными и тремя внеклеточными гидрофильными петлями, а также внутриклеточный C-конец, содержащий серин и треонин, важные для регуляции рецептора. Первые две внеклеточные петли хемокиновых рецепторов содержат консервативный остаток цистеина, позволяющий формировать дисульфидную связь между этими петлями. G-белки взаимодействуют с C-концевым участком хемокинового рецептора для обеспечения внутриклеточной передачи сигнала после активации рецептора, в то время как N-концевой домен хемокинового рецептора определяет специфичность связывания лиганда.
Трансдукция сигнала
Хемокиновые рецепторы связываются с G-белками для передачи клеточных сигналов после связывания с лигандом. Активация G-белков хемокиновыми рецепторами вызывает последующую активацию фермента, известного как фосфолипаза С (PLC). PLC расщепляет молекулу, называемую фосфатидилинозитол (4,5)-бисфосфатом (PIP2), на два вторичных посредника – инозитолтрифосфат (IP3) и диацилглицерол (DAG), которые запускают внутриклеточные сигнальные события. DAG активирует другой фермент, называемый протеинкиназой С (PKC), а IP3 вызывает высвобождение кальция из внутриклеточных хранилищ. Эти события способствуют развитию множества сигнальных каскадов (таких как путь MAP-киназы), которые генерируют такие ответы, как хемотаксис, дегрануляция, высвобождение супероксидных анионов и изменение авидности клеточных адгезионных молекул, называемых интеграми, в клетке, несущей хемокиновый рецептор. Длительная доставка таких ингибиторов обладает способностью к долгосрочному контролю инфекции. Связь между продукцией хемокинов и антиген-индуцированными пролиферативными реакциями, более благоприятным клиническим статусом при ВИЧ-инфекции, а также неинфицированным статусом у лиц, подверженных риску заражения, указывает на положительную роль этих молекул в контроле естественного течения ВИЧ-инфекции.