Интерфероны: сигнальные белки в противовирусном иммунитете.

Введение

Сигнальные белки, выделяемые клетками хозяина в ответ на присутствие патогенов.

Интерфероны (IFN, /ɪ//n//t//ər/'/f//ɪər//ɒ//n/ INtərFEERon) – это группа сигнальных белков, синтезируемых и высвобождаемых клетками хозяина в ответ на присутствие различных вирусов. В типичной ситуации, клетка, инфицированная вирусом, выделяет интерфероны, что приводит к усилению антивирусной защиты в соседних клетках. Интерфероны относятся к обширному классу белков, известных как цитокины – молекулы, используемые для межклеточной коммуникации и запуска защитных механизмов иммунной системы, способствующих элиминации патогенов. Интерфероны получили свое название благодаря способности "интерферировать" с репликацией вирусов. Кроме того, интерфероны выполняют и другие функции: они активируют иммунные клетки, такие как естественные киллеры и макрофаги, и повышают защиту организма, усиливая презентацию антигена за счет увеличения экспрессии основных антигенов гистосовместимости (MHC). Определенные симптомы инфекций, такие как лихорадка, мышечные боли и симптомы, напоминающие грипп, также обусловлены продукцией IFN и других цитокинов. У животных, включая человека, идентифицировано более двадцати различных генов и белков IFN. Обычно их разделяют на три класса: IFN типа I, IFN типа II и IFN типа III. Интерфероны, относящиеся ко всем трем классам, играют важную роль в борьбе с вирусными инфекциями и регуляции иммунной системы.

Виды интерферона

В зависимости от типа рецептора, через который они передают сигнал, человеческие интерфероны классифицируются на три основных типа. Интерферон I типа: все IFN I типа связываются со специфическим рецепторным комплексом на поверхности клетки, известным как рецептор IFN α/β (IFNAR), который состоит из цепей IFNAR1 и IFNAR2. Интерфероны типа I, присутствующие у человека, – это IFN α, IFN β, IFN ε, IFN κ и IFN ω. Интерферон бета (IFN β) может продуцироваться всеми нуклеированными клетками при обнаружении вторжения вируса. Наиболее активными продуцентами IFN α и IFN β являются плазмоцитоидные дендритные клетки, циркулирующие в крови. Моноциты и макрофаги также способны производить большое количество интерферонов I типа при стимуляции вирусными молекулярными паттернами. Продукция IFN α типа I ингибируется другим цитокином, известным как интерлейкин 10. После высвобождения интерфероны типа I связываются с рецептором IFN α/β на клетках-мишенях, что приводит к экспрессии белков, препятствующих вирусу в производстве и репликации его РНК и ДНК. В целом, IFN α может использоваться для лечения инфекций гепатита B и C, а IFN β – для лечения рассеянного склероза. IFN типа II связывается с IFNGR, который состоит из цепей IFNGR1 и IFNGR2. Недавние данные свидетельствуют о важности ИФН типа III при некоторых вирусных или грибковых инфекциях. В целом, интерфероны I и II типов отвечают за регуляцию и активацию иммунного ответа. Они также ограничивают распространение вируса, повышая активность p53, которая уничтожает инфицированные вирусом клетки, индуцируя апоптоз. Влияние IFN на p53 также связано с его защитной ролью против определенных видов рака. Интерфероны также могут подавлять ангиогенез путем снижения регуляции ангиогенных стимулов, исходящих от опухолевых клеток. Они также подавляют пролиферацию эндотелиальных клеток. Такое подавление приводит к уменьшению ангиогенеза опухоли, снижению ее васкуляризации и последующему ингибированию роста. Интерфероны, такие как гамма-интерферон, непосредственно активируют другие иммунные клетки, такие как макрофаги и естественные киллеры. Высвобождение IFN из клеток (в частности, IFN γ из лимфоидных клеток) также индуцируется митогенами. Другие цитокины, такие как интерлейкин 1, интерлейкин 2, интерлейкин 12, фактор некроза опухоли и колониестимулирующий фактор, также могут усиливать продукцию интерферона.

Based on the type of receptor through which they signal, human interferons have been classified into three major types. Interferon type I: All type I IFNs bind to a specific cell surface receptor complex known as the IFN α/β receptor (IFNAR) that consists of IFNAR1 and IFNAR2 chains. The type I interferons present in humans are IFN α, IFN β, IFN ε, IFN κ and IFN ω. Interferon beta (IFN β) can be produced by all nucleated cells when they recognize that a virus has invaded them. The most prolific producers of IFN α and IFN β are plasmacytoid dendritic cells circulating in the blood. Monocytes and macrophages can also produce large amounts of type I interferons when stimulated by viral molecular patterns. The production of type I IFN α is inhibited by another cytokine known as Interleukin 10. Once released, type I interferons bind to the IFN α/β receptor on target cells, which leads to expression of proteins that will prevent the virus from producing and replicating its RNA and DNA. Overall, IFN α can be used to treat hepatitis B and C infections, while IFN β can be used to treat multiple sclerosis. IFN type II binds to IFNGR, which consists of IFNGR1 and IFNGR2 chains. recent information demonstrates the importance of Type III IFNs in some types of virus or fungal infections. In general, type I and II interferons are responsible for regulating and activating the immune response. They also limit viral spread by increasing p53 activity, which kills virus infected cells by promoting apoptosis. The effect of IFN on p53 is also linked to its protective role against certain cancers. Interferons can also suppress angiogenesis by down regulation of angiogenic stimuli deriving from tumor cells. They also suppress the proliferation of endothelial cells. Such suppression causes a decrease in tumor angiogenesis, a decrease in its vascularization and subsequent growth inhibition. Interferons, such as interferon gamma, directly activate other immune cells, such as macrophages and natural killer cells. Release of IFN from cells (specifically IFN γ in lymphoid cells) is also induced by mitogens. Other cytokines, such as interleukin 1, interleukin 2, interleukin 12, tumor necrosis factor and colony stimulating factor, can also enhance interferon production.

Сигнализация в низовом направлении

Взаимодействуя со своими специфическими рецепторами, интерфероны (ИФН) активируют комплексы сигнальных трансдукторов и активаторов транскрипции (STAT); STAT представляют собой семейство транскрипционных факторов, регулирующих экспрессию определенных генов иммунной системы. Некоторые STAT активируются как интерферонами типа I, так и типа II. Однако каждый тип интерферона также может активировать уникальные STAT. Активация STAT запускает наиболее изученный путь клеточной сигнализации для всех интерферонов – классический путь JAK-STAT. Кроме того, во время передачи сигнала интерферонами из различных комбинаций STAT 1, 3, 4, 5 или 6 формируются STAT-гомо- или гетеродимеры, которые инициируют транскрипцию генов, связываясь с GAS-элементами (элементами активированного интерфероном сайта) в промоторах генов. RIG-G продемонстрировал способность ингибировать сигнализацию NF-κB и STAT3 в клетках рака легких, что свидетельствует о потенциале интерферонов типа I.

Вирусная устойчивость к интерферонам

Многие вирусы выработали механизмы для противодействия активности интерферона. Они обходят IFN-ответ, блокируя нисходящие сигнальные события, происходящие после связывания цитокина с его рецептором, предотвращая дальнейшую продукцию IFN и ингибируя функции белков, индуцируемых IFN. Вирусы, ингибирующие IFN-сигналинг, включают вирус японского энцефалита (JEV), вирус денге 2 типа (DEN 2) и вирусы семейства герпесвирусов, такие как цитомегаловирус человека (HCMV) и герпесвирус, ассоциированный с саркомой Капоши (KSHV или HHV8). Вирусные белки, доказанно влияющие на IFN-сигналинг, включают ядерный антиген 1 (EBNA1) и ядерный антиген 2 (EBNA2) вируса Эпштейна-Барр, крупный T-антиген полиомавируса, белок E7 вируса папилломы человека (ВПЧ) и белок B18R вируса вакцинии. Снижение активности IFN α может предотвратить сигналинг через STAT1, STAT2 или IRF9 (как при инфекции JEV) или через путь JAK-STAT (как при инфекции DEN 2). Способность интерферона индуцировать продукцию белка из генов, стимулируемых интерфероном (ISG), также может быть нарушена. Например, продукция протеинкиназы R может быть подавлена в клетках, инфицированных JEV. Относительная устойчивость генотипа I вируса гепатита C к терапии на основе интерферона частично обусловлена гомологией между вирусным оболочечным белком E2 и протеинкиназой R хозяина, медиатором интерферон-индуцированного подавления трансляции вирусных белков, хотя механизмы приобретенной и внутренней устойчивости к терапии интерфероном при ВГС являются многофакторными.

Ответ на коронавирус

Коронавирусы уклоняются от врожденного иммунитета в течение первых десяти дней вирусной инфекции. На ранних стадиях инфекции SARS-CoV-2 индуцирует еще более слабый ответ интерферона I типа (IFN I), чем SARS-CoV, который сам по себе является слабым индуктором IFN I в клетках человека. SARS-CoV-2 также ограничивает ответ IFN III. Снижение числа плазмоцитоидных дендритных клеток с возрастом связано с увеличением тяжести COVID-19, возможно, потому, что эти клетки являются значительными продуцентами интерферона. У 10% пациентов с COVID-19, угрожающим жизни, обнаружены аутоантитела к интерферону I типа. Применение IFN I до (или на самых ранних стадиях) вирусной инфекции может быть защитным, что необходимо подтвердить в рандомизированных клинических испытаниях, а также замедлять прогрессирование заболевания и активность при вторично-прогрессирующем рассеянном склерозе. Интерферонотерапия используется (в сочетании с химиотерапией и лучевой терапией) для лечения некоторых видов рака. Это лечение может применяться при гематологических злокачественных новообразованиях, таких как лейкемия и лимфомы, включая волосатоклеточную лейкемию, хроническую миелоидную лейкемию, узелковую лимфому и кожную Т-клеточную лимфому. Гепатит B и гепатит C можно лечить IFN α, часто в комбинации с другими противовирусными препаратами. Наиболее распространенный штамм вируса гепатита C (ВГС) в мире – генотип I – можно лечить интерфероном α, рибавирином и ингибиторами протеазы, такими как телапревир, боцепревир или нуклеотидным аналогом ингибитора полимеразы софосбувир. Биопсии пациентов, получавших лечение, показали уменьшение повреждения печени и цирроза. Контроль хронического гепатита C с помощью IFN связан со снижением риска гепатоцеллюлярной карциномы. Однонуклеотидный полиморфизм (СНП) в гене, кодирующем интерферон типа III IFN λ3, оказался защитным от хронической инфекции после установленной инфекции ВГС и предсказывал ответ на лечение, основанное на режимах интерферона. Частота СНП значительно различалась в зависимости от расы, что частично объясняет наблюдаемые различия в ответе на интерферонотерапию между европейскими и афроамериканцами. Предварительные результаты указывают на то, что глазные капли с интерфероном могут быть эффективным средством лечения людей с эпителиальным кератитом, вызванным вирусом простого герпеса, – разновидностью глазной инфекции. Нет убедительных доказательств того, что удаление инфицированной ткани (дебридмент) с последующим применением интерфероновых капель является эффективным подходом к лечению этих типов глазных инфекций.

Coronaviruses evade innate immunity during the first ten days of viral infection. In the early stages of infection, SARS CoV 2 induces an even lower interferon type I (IFN I) response than SARS CoV, which itself is a weak IFN I inducer in human cells. SARS CoV 2 limits the IFN III response as well. Reduced numbers of plasmacytoid dendritic cells with age is associated with increased COVID 19 severity, possibly because these cells are substantial interferon producers. Ten percent of patients with life threatening COVID 19 have autoantibodies against type I interferon. Application of IFN I prior to (or in the very early stages of) viral infection can be protective, which should be validated in randomized clinical trials. and slowing disease progression and activity in secondary progressive multiple sclerosis. Interferon therapy is used (in combination with chemotherapy and radiation) as a treatment for some cancers. This treatment can be used in hematological malignancy, such as in leukemia and lymphomas including hairy cell leukemia, chronic myeloid leukemia, nodular lymphoma, and cutaneous T cell lymphoma. Both hepatitis B and hepatitis C can be treated with IFN α, often in combination with other antiviral drugs. Some of those treated with interferon have a sustained virological response and can eliminate hepatitis virus in the case of hepatitis C. The most common strain of hepatitis C virus (HCV) worldwide—genotype I— can be treated with interferon α, ribavirin and protease inhibitors such as telaprevir, boceprevir or the nucleotide analog polymerase inhibitor sofosbuvir. Biopsies of patients given the treatment show reductions in liver damage and cirrhosis. Control of chronic hepatitis C by IFN is associated with reduced hepatocellular carcinoma. A single nucleotide polymorphism (SNP) in the gene encoding the type III interferon IFN λ3 was found to be protective against chronic infection following proven HCV infection and predicted treatment response to interferon based regimens. The frequency of the SNP differed significantly by race, partly explaining observed differences in response to interferon therapy between European Americans and African Americans. Unconfirmed results suggested that interferon eye drops may be an effective treatment for people who have herpes simplex virus epithelial keratitis, a type of eye infection. There is no clear evidence to suggest that removing the infected tissue (debridement) followed by interferon drops is an effective treatment approach for these types of eye infections.

История

Интерфероны были впервые описаны в 1957 году Аликом Исааксом и Жаном Линденманном в Национальном институте медицинских исследований в Лондоне; открытие стало результатом их исследований вирусной интерференции. Вирусная интерференция относится к ингибированию роста вируса, вызванному предшествующим воздействием клеток на активный или тепло-инактивированный вирус. Исаакс и Линденманн работали с системой, включавшей ингибирование роста живого вируса гриппа в хориоаллантоидной мембране куриного эмбриона посредством тепловой инактивации вируса гриппа. Их эксперименты показали, что это вмешательство опосредовано белком, высвобождаемым клетками в мембранах, обработанных тепло-инактивированным вирусом гриппа. Они опубликовали свои результаты в 1957 году, назвав обнаруженный ими противовирусный фактор интерфероном. Кроме того, другие могли проводить наблюдения над интерферонами до публикации Исаакса и Линденмана в 1957 году. Например, в ходе исследований по созданию более эффективной вакцины против оспы, Ясу Ичи Нагано и Ясухико Кодзима – два японских вирусолога, работавших в Институте инфекционных заболеваний Токийского университета, – заметили ингибирование роста вируса в области кожи или яичка кролика, предварительно инфицированных УФ-инактивированным вирусом. Они предположили, что в тканях, инфицированных вирусом, присутствует некий "вирусный ингибирующий фактор" и попытались изолировать и охарактеризовать этот фактор из тканевых гомогенатов. Независимо от этого, Монто Хо в лаборатории Джона Эндерса в 1957 году наблюдал, что аттенуированный полиовирус оказывает видоспецифическое противовирусное действие в культурах амниотических клеток человека. Они описали эти наблюдения в публикации 1959 года, назвав ответственный фактор вирусным ингибирующим фактором (VIF). Потребовалось еще 15-20 лет, чтобы с помощью соматической клеточной генетики показать, что ген, определяющий действие интерферона, и ген интерферона расположены в разных человеческих хромосомах. Очистка бета-интерферона человека не была осуществлена до 1977 года. Ю. Х. Тан и его коллеги очистили и произвели биологически активный, радиоактивно меченый бета-интерферон человека путем супериндукции гена интерферона в клетках фибробластов и показали, что его активный центр содержит остатки тирозина. Лаборатория Тана выделила достаточное количество человеческого бета-интерферона для проведения первого анализа аминокислотного состава, состава сахаров и N-концевого фрагмента. Они показали, что человеческий бета-интерферон является необычно гидрофобным гликопротеином. Это объясняет значительную потерю активности интерферона при переносе препаратов из пробирки в пробирку или из сосуда в сосуд во время очистки. Анализы подтвердили реальность активности интерферона посредством химической верификации. О очистке человеческого альфа-интерферона было сообщено только в 1978 году. Серия публикаций из лабораторий Сидни Пестки и Алана Вальдмана в период с 1978 по 1981 год описывает очистку интерферонов типа I, IFN α и IFN β. Клонирование генов также подтвердило, что IFN α кодируется семейством множества родственных генов. Ген IFN (IFN γ) типа II также был изолирован примерно в это же время. Интерферон был впервые синтезирован вручную в Университете Рокфеллера в лаборатории доктора Брюса Меррифилда с использованием твердофазного пептидного синтеза, по одной аминокислоте за раз. Позже он получил Нобелевскую премию по химии. Интерферон был дефицитным и дорогим до 1980 года, когда ген интерферона был введен в бактерии с использованием технологии рекомбинантной ДНК, что позволило осуществлять массовое культивирование и очистку из бактериальных культур или культур, полученных из дрожжей. Интерферон также может производиться рекомбинантными клетками млекопитающих. До начала 1970-х годов крупномасштабное производство человеческого интерферона было инициировано Кари Кантеллом. Он произвел большое количество человеческого альфа-интерферона из большого количества лейкоцитов человека, собранных Финским банком крови. Большое количество человеческого бета-интерферона было получено путем супериндукции гена бета-интерферона в клетках фибробластов человека. Методы Кантелла и Тана по производству больших количеств природного интерферона имели решающее значение для химической характеристики, клинических испытаний и подготовки небольшого количества мРНК интерферона для клонирования генов альфа- и бета-интерферона человека. Супериндуцированная мРНК человеческого бета-интерферона была подготовлена лабораторией Тана для Cetus с целью клонирования гена человеческого бета-интерферона в бактериях, и рекомбинантный интерферон был разработан как 'бетасерон' и одобрен для лечения рассеянного склероза. Супериндукция гена человеческого бета-интерферона также использовалась израильскими учеными для производства человеческого бета-интерферона.

Interferons were first described in 1957 by Alick Isaacs and Jean Lindenmann at the National Institute for Medical Research in London; the discovery was a result of their studies of viral interference. Viral interference refers to the inhibition of virus growth caused by previous exposure of cells to an active or a heat inactivated virus. Isaacs and Lindenmann were working with a system that involved the inhibition of the growth of live influenza virus in chicken embryo chorioallantoic membranes by heat inactivated influenza virus. Their experiments revealed that this interference was mediated by a protein released by cells in the heat inactivated influenza virus treated membranes. They published their results in 1957 naming the antiviral factor they had discovered interferon. Furthermore, others may have made observations on interferons before the 1957 publication of Isaacs and Lindenmann. For example, during research to produce a more efficient vaccine for smallpox, Yasu ichi Nagano and Yasuhiko Kojima—two Japanese virologists working at the Institute for Infectious Diseases at the University of Tokyo—noticed inhibition of viral growth in an area of rabbit skin or testis previously inoculated with UV inactivated virus. They hypothesised that some "viral inhibitory factor" was present in the tissues infected with virus and attempted to isolate and characterize this factor from tissue homogenates. Independently, Monto Ho, in John Enders's lab, observed in 1957 that attenuated poliovirus conferred a species specific anti viral effect in human amniotic cell cultures. They described these observations in a 1959 publication, naming the responsible factor viral inhibitory factor (VIF). It took another fifteen to twenty years, using somatic cell genetics, to show that the interferon action gene and interferon gene reside in different human chromosomes. The purification of human beta interferon did not occur until 1977. Y. H. Tan and his co workers purified and produced biologically active, radio labeled human beta interferon by superinducing the interferon gene in fibroblast cells, and they showed its active site contains tyrosine residues. Tan's laboratory isolated sufficient amounts of human beta interferon to perform the first amino acid, sugar composition and N terminal analyses. They showed that human beta interferon was an unusually hydrophobic glycoprotein. This explained the large loss of interferon activity when preparations were transferred from test tube to test tube or from vessel to vessel during purification. The analyses showed the reality of interferon activity by chemical verification. The purification of human alpha interferon was not reported until 1978. A series of publications from the laboratories of Sidney Pestka and Alan Waldman between 1978 and 1981, describe the purification of the type I interferons IFN α and IFN β. Gene cloning also confirmed that IFN α was encoded by a family of many related genes. The type II IFN (IFN γ) gene was also isolated around this time. Interferon was first synthesized manually at Rockefeller University in the lab of Dr. Bruce Merrifield, using solid phase peptide synthesis, one amino acid at a time. He later won the Nobel Prize in chemistry. Interferon was scarce and expensive until 1980, when the interferon gene was inserted into bacteria using recombinant DNA technology, allowing mass cultivation and purification from bacterial cultures or derived from yeasts. Interferon can also be produced by recombinant mammalian cells. Before the early 1970s, large scale production of human interferon had been pioneered by Kari Cantell. He produced large amounts of human alpha interferon from large quantities of human white blood cells collected by the Finnish Blood Bank. Large amounts of human beta interferon were made by superinducing the beta interferon gene in human fibroblast cells. Cantell's and Tan's methods of making large amounts of natural interferon were critical for chemical characterisation, clinical trials and the preparation of small amounts of interferon messenger RNA to clone the human alpha and beta interferon genes. The superinduced human beta interferon messenger RNA was prepared by Tan's lab for Cetus. to clone the human beta interferon gene in bacteria and the recombinant interferon was developed as 'betaseron' and approved for the treatment of MS. Superinduction of the human beta interferon gene was also used by Israeli scientists to manufacture human beta interferon.