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.

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.