CCR5: Иммунный рецептор и его роль в инфекциях и раке.

Введение

Протеин иммунной системы

C C химикокиновый рецептор типа 5, также известный как CCR5 или CD195, – это белок на поверхности лейкоцитов, участвующий в работе иммунной системы, поскольку он функционирует как рецептор для хемокинов. У человека ген CCR5, кодирующий белок CCR5, расположен на коротком (p) плече в позиции 21 на 3-й хромосоме. Определенные популяции унаследовали мутацию Δ32, приводящую к генетическому удалению части гена CCR5. Гомозиготные носители этой мутации устойчивы к заражению макрофаг-тропными (M-тропными) штаммами ВИЧ-1.

Функция

Белок CCR5 относится к семейству бета-химокиновых рецепторов, являющихся интегральными мембранными белками. Это G-белковый рецептор, и CCR5 взаимодействует с CCL5 (химотаксический цитокин, также известный как RANTES). CCR5 преимущественно экспрессируется на Т-клетках, макрофагах, дендритных клетках, эозинофилах, микроглии и в субпопуляции клеток рака молочной железы или простаты. Экспрессия CCR5 селективно индуцируется в процессе злокачественной трансформации и не обнаруживается в нормальных эпителиальных клетках молочной железы или простаты. Примерно в 50% случаев рака молочной железы у человека наблюдается экспрессия CCR5, преимущественно при тройном негативном раке молочной железы. Недавние исследования показывают, что CCR5 экспрессируется в подмножестве раковых клеток, обладающих характеристиками раковых стволовых клеток, которые, как известно, обуславливают устойчивость к терапии, и что ингибиторы CCR5 усиливают гибель клеток под воздействием текущей химиотерапии. Вероятно, CCR5 играет роль в воспалительных реакциях на инфекцию, хотя его точная роль в нормальной иммунной функции остается неясной. Определенные участки этого белка критически важны для связывания лигандов хемокинов, функционального ответа рецептора и активности в качестве корецептора ВИЧ. Модуляция активности CCR5 способствует бессимптомному течению инфекции вирусом иммунодефицита обезьян (SIV) у нескольких африканских видов нечеловеческих приматов, являющихся естественными долгосрочными хозяевами SIV и избегающих развития иммунодефицита при заражении. Эти регуляторные механизмы включают: генетические делеции, приводящие к отсутствию экспрессии CCR5 на поверхности клеток, снижение экспрессии CCR5 на поверхности CD4+ Т-клеток, особенно клеток памяти, и замедленное начало экспрессии CCR5 на CD4+ Т-клетках в процессе их развития.

ВИЧ

ВИЧ-1 чаще всего использует рецепторы химиокинов CCR5 и/или CXCR4 в качестве сорецепторов для проникновения в иммунологические клетки-мишени. Эти рецепторы расположены на поверхности иммунных клеток хозяина, обеспечивая тем самым путь проникновения вируса ВИЧ-1 в клетку. Структура гликопротеина оболочки ВИЧ-1 играет ключевую роль в обеспечении проникновения вируса ВИЧ-1 в клетку-мишень. Сорецептор также распознает область V1V2 gp120 и мостовой лист (антипараллельный β-лист из четырех цепей, соединяющий внутренние и внешние домены gp120). Стебель V1V2 может влиять на «использование сорецепторов» как посредством своего пептидного состава, так и за счет степени N-связанного гликозилирования. Однако, в отличие от V1V2, петля V3 обладает высокой вариабельностью и, следовательно, является наиболее важным детерминантом специфичности сорецептора, что позволяет предположить, что эти вирусы могут иметь селективное преимущество при передаче или в острой фазе заболевания. Более того, по крайней мере у половины всех инфицированных людей на протяжении всего периода инфекции обнаруживаются только вирусы, использующие CCR5. CCR5 является основным сорецептором, используемым gp120 последовательно с CD4. Это связывание приводит к высвобождению gp41, другого белкового продукта gp160, из его метастабильной конформации и внедрению в мембрану клетки-хозяина. Хотя это и не подтверждено, связывание gp120 с CCR5 включает в себя два важных этапа: 1) сульфатированный тирозиновый аминоконцевой фрагмент этого сорецептора является «существенным детерминантом» связывания с gp120 (как указано выше); 2) после первого этапа необходимо взаимное действие (синергия, взаимодействие) между gp120 и трансмембранными доменами CCR5. Знание механизма, посредством которого этот штамм ВИЧ-1 опосредует инфекцию, стимулировало исследования по разработке терапевтических вмешательств для блокирования функции CCR5. Ряд новых экспериментальных препаратов против ВИЧ, называемых антагонистами рецептора CCR5, были разработаны для нарушения связывания между оболочечным белком Gp120 и сорецептором ВИЧ CCR5. Даже при отсутствии какого-либо сорецептора (включая CCR5), вирус все еще может проникать в клетки, если gp41 претерпит изменение (включая его цитоплазматический хвост), что приведет к независимости от CD4 без необходимости использования CCR5 и/или CXCR4 в качестве входных ворот.

HIV 1 most commonly uses the chemokine receptors CCR5 and/or CXCR4 as co receptors to enter target immunological cells. These receptors are located on the surface of host immune cells whereby they provide a method of entry for the HIV 1 virus to infect the cell. The HIV 1 envelope glycoprotein structure is essential in enabling the viral entry of HIV 1 into a target host cell. The co receptor also recognizes the V1 V2 region of gp120 and the bridging sheet (an antiparallel, 4 stranded β sheet that connects the inner and outer domains of gp120). The V1 V2 stem can influence "co receptor usage through its peptide composition as well as by the degree of N linked glycosylation." Unlike V1 V2 however, the V3 loop is highly variable and thus is the most important determinant of co receptor specificity. suggesting that these viruses may have a selective advantage during transmission or the acute phase of disease. Moreover, at least half of all infected individuals harbor only CCR5 using viruses throughout the course of infection. CCR5 is the primary co receptor used by gp120 sequentially with CD4. This bind results in gp41, the other protein product of gp160, released from its metastable conformation and inserted into the membrane of the host cell. Although it has not been confirmed, binding of gp120 CCR5 involves two crucial steps: 1) The tyrosine sulfated amino terminus of this co receptor is an "essential determinant" of binding to gp120 (as stated previously) 2) Following step 1., there must be reciprocal action (synergy, intercommunication) between gp120 and the CCR5 transmembrane domains. Knowledge of the mechanism by which this strain of HIV 1 mediates infection has prompted research into the development of therapeutic interventions to block CCR5 function. A number of new experimental HIV drugs, called CCR5 receptor antagonists, have been designed to interfere with binding between the Gp120 envelope protein and the HIV co receptor CCR5. Even without the availability of either co receptor (even CCR5), the virus can still invade cells if gp41 were to go through an alteration (including its cytoplasmic tail) that resulted in the independence of CD4 without the need of CCR5 and/or CXCR4 as a doorway.

Рак

Экспрессия CCR5 повышается в эпителиальных клетках молочной железы и простаты при трансформации. В доклинических исследованиях на иммунокомпетентных мышах ингибиторы CCR5 блокировали метастазирование в кости и головной мозг. Клиническое исследование фазы 1 ингибитора CCR5 у пациентов с метастатическим раком толстой кишки, ранее получивших интенсивное лечение, показало объективный клинический ответ и уменьшение объема метастатических опухолей.

Мозг

Повышенные уровни CCR5 являются частью воспалительного ответа на инсульт и гибель. Блокирование CCR5 с помощью Маравирока (препарат, одобренный для лечения ВИЧ) может способствовать восстановлению после инсульта. В развивающемся мозге рецепторы хемокинов, такие как CCR5, влияют на миграцию нейронов и формирование связей. После инсульта они, по-видимому, уменьшают количество синаптических контактов на нейронах вблизи области повреждения. CCR5 Δ32 – это делеция 32 пар оснований, приводящая к введению стоп-кодона в локус рецептора CCR5 и, как следствие, к образованию нефункционального рецептора. CCR5 необходим для проникновения M-тропного вируса ВИЧ-1. У людей, гомозиготных (обозначаемых как Δ32/Δ32) по CCR5 Δ32, на поверхности клеток отсутствует экспрессия функциональных рецепторов CCR5, что обеспечивает устойчивость к инфекции ВИЧ-1, несмотря на многократное воздействие факторов риска. Гетерозиготные носители обладают устойчивостью к инфекции ВИЧ-1 по сравнению с людьми с нормальным генотипом, а при инфицировании у них наблюдается сниженная вирусная нагрузка и замедление прогрессирования до СПИДа на 2–3 года по сравнению с людьми с нормальным генотипом. Гетерозиготность по этому мутантному аллелю также улучшает вирусологический ответ на антиретровирусную терапию. Частота гетерозиготного аллеля CCR5 Δ32 в Европе составляет 9%, а частота гомозиготного аллеля – 1%. Недавние исследования указывают на то, что CCR5 Δ32 улучшает когнитивные функции и память. В 2016 году исследователи показали, что удаление гена CCR5 у мышей значительно улучшило их память. CCR5 является мощным ингибитором нейронной пластичности, обучения и памяти; чрезмерная активация CCR5 вирусными белками может способствовать когнитивным нарушениям, связанным с ВИЧ.

Эволюционная история и возраст аллели

Аллель Δ32 CCR5 примечателен своим недавним происхождением, неожиданно высокой частотой и специфическим географическим распространением, что в совокупности указывает на то, что (а) он возник в результате единственной мутации и (б) исторически подвергался положительному отбору. В двух исследованиях анализ сцепления был использован для оценки возраста делеции CCR5 Δ32, исходя из предположения, что количество рекомбинации и мутаций, наблюдаемых в геномных регионах, окружающих делецию CCR5 Δ32, будет пропорционально её возрасту. Викинги впоследствии были заменены варягами на Руси, что могло способствовать наблюдаемому градиенту частоты аллеля с востока на запад. Заражение могло происходить при контакте с инфицированной кровью и биологическими жидкостями во время разделки дичи. Однако ВИЧ-1 фактически отсутствовал в Европе до 1980-х годов. Следовательно, учитывая приблизительный возраст аллеля CCR5 Δ32 в 1000 лет, можно заключить, что ВИЧ-1 не оказывал достаточного селективного давления на человеческую популяцию, чтобы достичь текущих частот. Поддержку идее о роли отрицательного отбора в низкой частоте аллеля также предоставляют эксперименты с использованием нокаутных мышей и вирусом гриппа А, которые продемонстрировали важность наличия рецептора CCR5 для эффективного иммунного ответа на патоген.

Доказательства одной мутации

Несколько линий доказательств указывают на то, что аллель CCR5 Δ32 эволюционировал лишь однажды. Во-вторых, анализ генетической связи показывает, что мутация возникает на однородном генетическом фоне, что предполагает, что наследование мутации произошло от общего предка. Это было продемонстрировано тем, что аллель CCR5 Δ32 находится в сильном неравновесии по сцеплению с высокополиморфными микросателлитами. Более 95% хромосом, несущих CCR5 Δ32, также несли аллель IRI3.1 0, а 88% – аллель IRI3.2. Напротив, микросателлитные маркеры IRI3.1 0 и IRI3.2 0 были обнаружены лишь в 2 или 1,5% хромосом, несущих аллель CCR5 дикого типа. После Черной смерти последовали менее тяжелые, периодические эпидемии. Отдельные города испытывали высокую смертность, но общая смертность в Европе составляла всего несколько процентов. В 1655–1656 годах вторая пандемия, известная как «Великая чума», унесла жизни 15–20% населения Лондона. Важно отметить, что эпидемии чумы носили периодический характер. Бубонная чума – это зоонозное заболевание, в основном поражающее грызунов, распространяемое блохами и лишь изредка инфицирующее людей. Передача бубонной чумы от человека к человеку не происходит, хотя она может возникать при пневмонической чуме, которая поражает легкие. Только когда плотность грызунов низкая, инфицированные блохи вынуждены питаться альтернативными хозяевами, такими как люди, и в этих условиях может возникнуть человеческая эпидемия. Данные о возрастно-специфической смертности от оспы были получены на основе распределения по возрасту захоронений от оспы в Йорке (Англия) в период с 1770 по 1812 год. Авторы подсчитали, что если бы чума осуществляла отбор в пользу CCR5 Δ32, частота аллеля все равно была бы менее 1%, в то время как оспа оказала селективное давление, достаточное для достижения 10%. Гипотеза о том, что оспа оказывала положительное селективное давление на CCR5 Δ32, также биологически правдоподобна, поскольку оспа, как и ВИЧ, проникает в белые кровяные клетки, используя рецепторы хемокинов. В отличие от этого, Yersinia pestis – это бактерия с совершенно иной биологией. Хотя европейцы – единственная группа, имеющая субпопуляции с высокой частотой CCR5 Δ32, они не единственная популяция, подвергшаяся отбору оспой, которая имела всемирное распространение до ее объявления искорененной в 1980 году. Самые ранние достоверные описания оспы появились в V веке н.э. в Китае, в VII веке н.э. в Индии и Средиземноморье, а в X веке н.э. в юго-западной Азии. Аномально высокая частота CCR5 Δ32 в этих популяциях, по-видимому, требует как уникального происхождения в Северной Европе, так и последующего отбора оспой.

Several lines of evidence suggest that the CCR5 Δ32 allele evolved only once. Second, genetic linkage analysis indicates that the mutation occurs on a homogeneous genetic background, implying that inheritance of the mutation occurred from a common ancestor. This was demonstrated by showing that the CCR5 Δ32 allele is in strong linkage disequilibrium with highly polymorphic microsatellites. More than 95% of CCR5 Δ32 chromosomes also carried the IRI3.1 0 allele, while 88% carried the IRI3.2 allele. By contrast, the microsatellite markers IRI3.1 0 and IRI3.2 0 were found in only 2 or 1.5% of chromosomes carrying a wild type CCR5 allele. After the Black Death, there were less severe, intermittent epidemics. Individual cities experienced high mortality, but overall mortality in Europe was only a few percent. In 1655 1656 a second pandemic called the "Great Plague" killed 15 20% of London's population. Importantly, the plague epidemics were intermittent. Bubonic plague is a zoonotic disease, primarily infecting rodents, spread by fleas, and only occasionally infecting humans. Human to human infection of bubonic plague does not occur, though it can occur in pneumonic plague, which infects the lungs. Only when the density of rodents is low are infected fleas forced to feed on alternative hosts such as humans, and under these circumstances a human epidemic may occur. while age specific smallpox mortality was gleaned from the age distribution of smallpox burials in York (England) between 1770 and 1812. The authors calculated that if plague were selecting for CCR5 Δ32, the frequency of the allele would still be less than 1%, while smallpox has exerted a selective force sufficient to reach 10%. The hypothesis that smallpox exerted positive selection for CCR5 Δ32 is also biologically plausible, since poxviruses, like HIV, enter white blood cells using chemokine receptors. By contrast, Yersinia pestis is a bacterium with a very different biology. Although Europeans are the only group to have subpopulations with a high frequency of CCR5 Δ32, they are not the only population that has been subject to selection by smallpox, which had a worldwide distribution before it was declared eradicated in 1980. The earliest unmistakable descriptions of smallpox appear in the 5th century A. D. in China, the 7th century A. D. in India and the Mediterranean, and the 10th century A. D. in southwestern Asia. The anomalously high frequency of CCR5 Δ32 in these populations appears to require both a unique origin in Northern Europe and subsequent selection by smallpox.

Потенциальные затраты

CCR5 Δ32 может быть полезен организму при некоторых инфекциях (например, ВИЧ-1, возможно, оспе), но вреден при других (например, клещевом энцефалите, вирусе Западного Нила). То, является ли функция CCR5 полезной или вредной в контексте конкретной инфекции, зависит от сложного взаимодействия иммунной системы и патогена. В целом, исследования показывают, что мутация CCR5 Δ32 может играть деструктивную роль в воспалительных процессах после инфекции, которые могут повреждать ткани и усугублять патологию. Наиболее убедительные доказательства этой предполагаемой антагонистической плейотропии наблюдаются при инфекциях, вызванных флавивирусами. В целом, многие вирусные инфекции протекают бессимптомно или вызывают лишь легкие симптомы у большинства населения. Однако у некоторых людей развивается особенно тяжелое клиническое течение, которое иначе необъяснимо, но, по-видимому, имеет генетическую основу. У пациентов, гомозиготных по CCR5 Δ32, был выявлен повышенный риск развития нейроинвазивной формы клещевого энцефалита (вызванного флавивирусом). Кроме того, функциональный CCR5 может быть необходим для предотвращения симптоматического течения заболевания после заражения вирусом Западного Нила, еще одним флавивирусом; CCR5 Δ32 ассоциировался с более ранним развитием симптомов и более выраженными клиническими проявлениями после заражения вирусом Западного Нила. Этот вывод подтвердил ранее проведенный эксперимент на животных с моделью гомозиготности по CCR5 Δ32. После заражения вирусом Западного Нила у мышей с генотипом CCR5 Δ32 наблюдалось значительно более высокое содержание вируса в центральной нервной системе и повышенная смертность по сравнению с мышами дикого типа, что указывает на необходимость экспрессии CCR5 для формирования эффективного иммунного ответа против вируса Западного Нила.

Медицинские применения

В качестве метода лечения ВИЧ-инфицированных лиц был предложен генетический подход с использованием интрабоди, блокирующих экспрессию CCR5. Когда Т-клетки, модифицированные таким образом, чтобы больше не экспрессировать CCR5, смешивались с немодифицированными Т-клетками, экспрессирующими CCR5, и затем инфицировались ВИЧ-1, модифицированные Т-клетки, не экспрессирующие CCR5, в конечном итоге захватывали культуру, поскольку ВИЧ-1 уничтожал немодифицированные Т-клетки. Этот же метод можно использовать in vivo для формирования пула клеток, устойчивых к вирусу, у инфицированных людей. До трансплантации также были обнаружены низкие уровни ВИЧ-X4, который не использует рецептор CCR5. Однако после трансплантации этот тип ВИЧ также не был обнаружен. Спустя более шести лет пациент сохранил устойчивость к ВИЧ и был признан излеченным от ВИЧ-инфекции. Результаты, опубликованные в 2014 году, были обнадеживающими. В ноябре 2018 года Цзянькуй Хэ объявил, что отредактировал два человеческих эмбриона в попытке отключить ген CCR5, кодирующий рецептор, который ВИЧ использует для проникновения в клетки. Он сообщил, что близнецы, девочки Лулу и Нана, родились несколько недель назад, и что у девочек сохранились как функциональные копии CCR5, так и отключенный CCR5 (мозаицизм), что делает их по-прежнему уязвимыми к ВИЧ. Эта работа вызвала широкое осуждение как неэтичная, опасная и преждевременная.