Каспазы участвующие в воспалении и обмене цитокинов

Обновлено: 28.04.2024

Механизмы активации каспаз апоптоза

• Для активации эффекторных каспаз необходимым и достаточным является их расщепление по специфическим сайтам

• Это расщепление обычно происходит с участием инициаторных каспаз

• В активации инициаторных каспаз участвуют адаптерные белки, содержащие домены, называемые складками смерти, и способные взаимодействовать с другими белками

Эффекторные каспазы млекопитающих, каспазы-3 и -7, а также еще одна каспаза-6 присутствуют в клетках в форме зимогенов, представляющих собой неактивные димеры. Активация эффекторных каспаз происходит при расщеплении зимогенов по специфическим сайтам, содержащим остатки аспартата. Между этими сайтами находится большая субъединица (содержащая димер цистеин-гистидин, являющаяся активным сайтом), и малая субъединица (содержащая область, определяющую специфичность фермента) зрелой, активной каспазы. При расщеплении зимогена каталитический димер цистеин-гистидин, необходимый для протеазной активности, сближается с областью, которая временно связывает субстрат.

Остаток аргинина, помеченный буквой «R» на рисунке ниже, необходим для связывания с аспартатом в субстрате и для осуществления протеолитического расщепления. Таким образом, расщепление эффекторной каспазы позволяет сформировать активный сайт в зрелом, активном ферменте.

Одна из протеаз, способных к активирующему расщеплению эффекторных каспаз, называется гранзим В. Она находится в гранулах цитотоксических лимфоцитов (цитотоксических Т-клеток и природных киллеров). При атаке клетки-мишени (например, клеток инфецированных вирусом) цитотоксическими лимфоцитами гранзим В высвобождается в ее цитоплазму.

Гранзим В может непосредственно активировать эффекторную каспазу и вызывать апоптоз в клетке-мишени. Однако такой путь не является единственным при индукции апоптоза с участием этой протеазы.

Аналогичным образом, при расщеплении активными каспазами-3 и -7. При апоптозе активируется каспаза-6. Это пока оставляет проблему, каким образом обычно активируются каспазы-3 и -7. В большинстве случаев апоптоза расщепление этих эффекторных каспаз происходит под действием еще одного набора протеаз, «инициаторных» каспаз. Активация эффекторных каспаз под действием инициаторных каспаз определяет характер различных путей апоптоза и координирует их.

В отличие от эффекторных, инициаторные каспазы (каспазы-2, -8, -9, и -10 у млекопитающих) находятся в клетках в форме неактивных мономеров. При расщеплении этих мономеров активные сайты в протеазах не формируются. Вместо этого активация инициаторных каспаз происходит при объединении двух мономеров в димер, в котором затем формируются активные сайты.

Когда димер образовался, последующее расщепление по сайтам, содержащим остатки аспартата, вызывает его стабилизацию. Такой механизм активации за счет димеризации называется индуцированное сближение.

Инициаторные каспазы содержат большие продомены, в которых присутствуют последовательности, характерные для белок-белковых взаимодействий. Они включают домен мобилизации каспаз (CARD), эффекторный домен смерти (DED) и пириновый домен (PYR). (Последний отсутствует в продомене инициаторных каспаз млекопитающих, но обнаружен в одной инициаторной каспазе рыб, а также в других белках.)

Все вместе они называются «складки смерти» и структурно близки друг к другу. Продомен специфической инициаторной каспазы взаимодействует со специфической адаптерной молекулой. Это определяет характер пути апоптоза. Обычно взаимодействие происходит с подобным доменом (например, CARD-CARD, DED-DED). Подробно исследованы два таких пути апоптоза: через рецепторы клеточной гибели и по митохондриальному пути.

На двух верхних рисунках представлена структура каспазы-7 до (слева) и после (справа) расщепления, приводящего к активации фермента.
С (цистеин) и Н (гистидин) локализованы в области каталитического центра и R (аргинин) локализован в сайте, ответственном за специфичность,
где происходит связывание аспартата молекулы субстрата. Отметим, что после расщепления R занимает новое положение, ближе к цистеину и гистидину.
Внизу представлены кадры мультипликации, иллюстрирующие процесс активации эффекторной каспазы.
Показано, каким образом расщепление приводит к образованию активных протеазных сайтов. Активация инициаторных каспаз происходит при связывании с ними адаптерных молекул,
которое приводит к образованию димеров («индуцированная близость»), позволяющих образоваться активным протеазным сайтам.
Теперь активная инициаторная каспаза способна расщеплять и активировать эффекторные каспазы. Эффекторный домен клеточной гибели (DED), домен мобилизации каспаз (CARD),
домен смерти (DD), и пириновый домен (не показан) обладают похожими структурами.
Все эти домены обозначают общим термином «складки смерти».
Складки смерти функционируют в белках в виде областей белок-белковых взаимодействий и склонны взаимодействовать с близкими по структуре областями других молекул.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.

Каспазы участвующие в воспалении и обмене цитокинов

Типы каспаз и их участие в регуляции апоптоза

• Протеазы, называемые «каспазами», подразделяются на три группы: инициаторные, эффекторные и участвующие в воспалении. Два первых типа каспаз связаны с апоптозом

• Морфологические и биохимические особенности апоптотических клеток обусловливаются действием эффекторных каспаз на соответствующие субстраты

• Обнаружено много субстратов каспаз, и в некоторых случаях известно, какие клеточные эффекты вызываны их расщеплением

Каспазы — цистеин содержащие специфические протеазы, атакующие (расщепляющие) субстраты после ас-партата, регулируют многие клеточные и биохимические изменения в погибающих апоптотических клетках. В большинстве клеток млекопитающих каспазы находятся в виде неактивных зимогенов; и при активации апоптоза нового их синтеза не происходит.

Существует три основных типа каспаз, обладающих в клетке различными функциями: эффекторные, инициаторные и участвующие в воспалении. Эффекторные каспазы (в основном, каспазы-3 и -7 позвоночных) ответственны за расщепление многих различных белков, чтобы осуществить апоптоз. Обычно эти каспазы расщепляют субстраты, имеющие в своей структуре следующие последовательности аминокислот: Asp-Xaa-Xaa-Asp/Gly, Asp-Xaa-Xaa-Asp/Ser или Asp-Xaa-Xaa-Asp/А1а.(«/» обозначает место разрыва, а Хаа — любую аминокислоту).

Установлено, что в клетках млекопитающих содержится около 500 субстратов каспаз, хотя последствия расщепления большинства из них неизвестны. В некоторых случаях расщепление субстрата играет определенную роль в апоптозе и вызывает изменения, связанные с этой формой клеточной гибели. В других случаях расщепление субстрата не имеет отношения к апоптозу и играет «сопутствующую» роль.

Наблюдаемая при апоптозе фрагментация ДНК является результатом расщепления одного из субстратов каспаз. Одна из клеточных ДНКаз (CAD = orspase-dependent DNase) находится в клетке в виде комплекса с ингибитором, iCAD. Фактически, при действии ингибитора CAD свернута в комплекс, и ее активность проявляется только, когда iCAD расщепляется эффекторной каспазой.

Активная CAD начинает расщеплять ДНК по наиболее доступным местам между нуклеосомами, что и приводит к характерной ее деградации, в виде «лесенки», наблюдаемой при апоптозе. Клетки, у которых отсутствует либо CAD, либо iCAD, при развитии апоптоза не обнаруживают такого характера расщепления ДНК.

Субстратом для эффекторных каспаз служит киназа легкой цепи миозина, ROCK-1. Однако в этом случае при расщеплении фермент активируется. Сходным образом под действием эффекторных каспаз расщепляется и активируется другой фермент, гельзолин. Оба фермента вызывают изменения цитоскелета, в результате чего в клетке развивается «пузырение», характерное для апоптоза.

Хотя каждая реакция расщепления субстратов, катализируемая каспазой, может обусловливать характерные признаки апоптоза, не показано, что какой-либо из субстратов или даже их группа непосредственно участвует в клеточной гибели. В конце концов, каспазы могут вызывать апоптоз в результате расщепления многих различных субстратов, и в настоящее время клеточную гибель вследствие активации каспаз невозможно эффективно блокировать, воздействуя на любой из известных наборов специфических субстратов.

Субстратов, вызывающих гибель, может быть много (что кажется вероятным), или мы просто не выяснили, какие еще являются наиболее важными. В то же время фармакологические ингибиторы каспаз, например валин-аланин-аспартат-фторметилкетон (VAD-fmk) блокирует клеточные и биохимические проявления апоптоза, и в некоторых случаях даже предотвращает гибель клеток.

Схема строения различных типов каспаз клеток позвоночных.
Обратите внимание на существование продоменов и областей белок-белковых взаимодействий у инициаторных каспаз и участвующих в воспалительных процессах.
Эффекторный домен клеточной гибели (DED); домен мобилизации каспаз (CARD).

Пироптоз: молекулярные основы и роль в онкогенезе

Пироптоз — один из вариантов программируемой клеточной гибели (ПКГ), основным отличием которого является обязательный воспалительный компонент. ПКГ — собирательное название для различных вариантов клеточной гибели, куда, помимо пироптоза, относят апоптоз, аутофагию, онкоз и т.д. (всего их больше десятка). Пироптоз известен с конца ХХ столетия (описан А. Зихлински в 1992 году) и активно изучается в основном в связи с инфекционными заболеваниями.
Однако не так давно оказалось, что помимо своего противоинфекционного влияния, пироптоз также может участвовать и в онкогенезе, причем участие это совсем не однозначно. Но обо всем по порядку.

При апоптозе воспалительные процессы активно ингибируются. Пироптоз же ведет себя в этом отношении прямо противоположным образом: воспаление является едва ли не центральным его компонентом. Благодаря этой своей особенности такая клеточная гибель и получила свое название [1].

Ключевую роль в пироптозе играет каспаза-1 (которая не участвует в апоптозе). В вышеупомянутой работе был описан следующий механизм на примере инфицирования Salmonella и Shigella. Под их влиянием в макрофагах происходит активация каспазы-1. Каспаза превращает предшественники цитокинов IL-1β и IL-18 в их активные формы, и все это оканчивается гибелью самого макрофага. Впоследствии было обнаружено, что пироптоз может быть инициирован и другими бактериями (Francisella, Legionella), и неинфекционными факторами [2].

Механизмы пироптоза

Как уже было отмечено, ключевые медиаторы пироптоза отличаются от апоптотических. В последнем случае основная роль принадлежит каспазам 3, 6 и 8. В случае пироптоза эти ферменты остаются незадействованными, и главным медиатором является каспаза-1. Также при пироптозе не происходит нарушение целостности мембраны митохондрий и высвобождение цитохрома С [2].

Имеются отличия и в поражении ДНК клетки. В случае апоптоза ДНКазы расщепляют участки ДНК между нуклеосомами. При пироптозе вместо этого происходит активация каспазо-1-зависимой нуклеазы (выделить и изучить ее пока что не удалось), что приводит к конденсации хроматина. В отличие от апоптоза, целостность ядра при этом сохраняется (рис. 1).
.

Каспаза-1 — ключевой фермент в развитии пироптоза. Ее активация приводит к формированию «клеточных пор» — перфораций в клеточной мембране, через который происходит обмен ионами и в цитоплазму попадает большое количество воды. Это, в свою очередь, приводит к дестабилизации мембранного заряда, набуханию клетки и разрыву ее клеточной мембраны. Также каспаза-1 путем частичного протеолиза превращает IL-1β и IL-18 в их активные формы и через активацию неопределенной эндонуклеазы разрушает цепи ДНК [2].

Инициация пироптоза происходит с помощью Toll- и Nod-подобных рецепторов (TLR и NRL; первые трансмембранные, вторые внутриклеточные). TLR в ответ на разнообразные PAMP или DAMP (pathogen- and damage-associated molecular patterns) активирует каскадный механизм, приводящий к синтезу провоспалительных цитокинов (IL-1, -6, TNF). NLR воспринимает цитозольные паттерны — нуклеиновые кислоты вирусов, АТФ, мочевину, токсины, силикаты и т.д. Активация NLR приводит к двум важным следствиям: формированию инфламмасомы и активации собственно каспазы-1.

Существует и еще один класс рецепторов, инициирующих апоптоз — AIM2-подобные (ALR). Активация этих рецепторов также приводит к образованию инфламмасомы. Лигандом для него часто является гасдермин-D (см. ниже) [3].

Конечным результатом пироптоза является нарушение целостности клеточной мембраны и выход провоспалительных субстанций в плазму крови [2]. Также следует заметить, что распознавание паттернов и образование инфламмасом носит специфичный характер (особенно это выражено при различных инфекциях). При сибирской язве, токсоплазмозе, листериозе и т.п. будут активированы специфичные сигнальные пути [3].

Каспаза-1

Активация данного фермента приводит к целому ряду разнообразных следствий, и не все они напрямую связаны с клеточной смертью.

Одно из таких следствий — активация цитокинов IL-1β и IL-18 из неактивных предшественников. IL-1β («потенциальный эндогенный пироген», который, предположительно, ответственен за лихорадку) способствует миграции лейкоцитов в ткань, повышает экспрессию других цитокинов и хемокинов. IL-18 увеличивает секрецию интерферона-γ и активирует лейкоциты (преимущественно T-клетки и макрофаги).

Также при активации каспазы-1 формируются т.н. «каспазо-1-зависимые поры» — неселективные каналы в мембране, через которые во внеклеточное пространство или плазму крови выходит внутриклеточное содержимое с множеством провоспалительных молекул. Вместе с этим происходит дисбаланс ионов вне и внутри клетки, через поры заходит вода и клетка погибает. Вероятнее всего, это происходит под влиянием гасдермина-D [2, 3].

Пироптоз может быть инициирован и «неклассическим» путем — посредством работы каспаз -4, -5, -11. Известно, что активация данных каспаз приводит к пироптозу под влиянием липополисахарида грамотрицательных бактерий. Они также способны воздействовать на гасдермин-D и формировать поры в мембране [3].

Гасдермин-D

Помимо каспазы, был обнаружен и другой важный медиатор пироптоза — гасдермин-D (GSDMD). Хотя точнее было бы назвать его основным эффектором этого варианта клеточной гибели. Данный белок в норме находится в ингибированном виде, но каспаза-1 приводит его в активное состояние. После частичного протеолиза N-концевая часть GSDMD (NT-GSDMD) приобретает литическую активность и перфорирует клеточную мембрану [3].

Происходит это следующим образом: NT-GSDMD приближается к внутренней поверхности мембраны и связывается с рядом молекул — фосфатидилинозитол-фосфатом, фосфатидилсерином, кардиолипином. Несколько таких NT-GSDMD способны «встраиваться» в мембрану, превратившись в олигомер, формируя таким образом подобие трансмембранного канала (рис. 1). Предположительно, для образования одного такого канала требуется 16 мономеров GSDMD. Вода тут же проходит сквозь канал, клетка набухает, и формируются крупные разрывы в клеточной мембране [4], [5].
.

Каспаза 1 (у мышей — каспаза-11) активирует гасдермин-D, который состоит из N-концевого домена — PHD (зеленый), С-концевого RD (желтый) и линкерного участка (красный). PHD-участок далее взаимодействует с молекулами внутреннего слоя клеточной мембраны и формирует гасдерминовую пору (≈ 16 мономеров). Диаметр этой поры 10-15 нм, что позволяет ионам и провоспалительным медиаторам свободно диффундировать через образовавшийся канал. Из внеклеточного пространства в клетку начинает поступать натрий и вода, что приводит к набуханию клетки и разрушению мембраны. FLTD — аминокислотная последовательность линкерного участка гасдермина-D; IL — интерлейкин; PFD — поро-формирующий домен; RD — домен-репрессор [4].

Помимо гасдермина D существуют и другие белки этого же семейства. Один из них также интересен в рамках нашей темы — GSDME/DFNA5, кодируемый одноименным геном (или просто гасдермин-Е). Данный ген отвечает за развитие наследственной несиндромальной глухоты. Однако белок GSDME в тканеспецифичной форме обнаруживается в эпителии кожи и ЖКТ. Еще более интересно, что данный белок рассматривается как предполагаемый супрессор онкогенеза [6]. Правда, как это работает, пока что не совсем ясно.

Роль пироптоза в онкогенезе и метастазировании

На онкогенез влияет множество различных процессов: микроокружение, иммунная система, активность про- и антионкогенов, оксидативный стресс. Немаловажным также является воспаление (больше данных о роли хронического воспаления). Помимо очевидной роли инфекционных агентов в качестве канцерогенов (а иногда и этиологических факторов конкретных заболеваний), хроническое воспаление и само по себе может способствовать развитию опухолей.

Одна из гипотез это объясняет следующим образом: при длительном и частом повреждении клеток повышается их пролиферативная активность, равно как и активность иммунокомпетентных клеток (ИКК). Последние вырабатывают большое количество активных форм кислорода (АФК) и азота, которые являются мутагенами. И если в пролиферирующей клетке возникнет мутация, то это вполне может привести к развитию злокачественного новообразования [7]. А поскольку пироптоз невозможен без его воспалительного компонента, можно сделать предположение о существовании связи между ним и онкогенезом. И такая связь относительно недавно нашлась.

В процессе пироптоза резко увеличивается уровень IL-1 и -18, которые могут способствовать развитию опухолей самыми разными способами. К примеру, провоспалительные цитокины способствуют ангиогенезу, а в случае длительного воспаления в сочетании с мутантными клетками — способны привести к неоваскуляризации опухоли и ее быстрому росту [7].

Но влияние пироптоза на процесс онкогенеза достаточно неоднозначен. Это подтверждают опыты на мышах с нокаутом генов, отвечающих за NLR и/или каспазы-1. В клетках таких животных не образуется инфламмасом, не происходит пироптоз и, как оказалось, они более восприимчивы к искусственно вызванному колит-ассоциированному раку толстого кишечника [3].

В ходе дальнейших исследований были изучены особенности связи пироптоза и различных онкологических заболеваний. Среди них:

1. Гепатоцеллюлярная карцинома (ГЦК). Было обнаружено, что в опухолевых клетках резко снижен уровень NLRP3 — одного из NLR рецепторов, ответственных за образование инфламмасомы. Также оказалось, что 17β-эстрадиол, который обладает противоопухолевым эффектом, действует именно через NLRP3, запуская пироптоз [3]. Помимо этого, в клетках опухоли практически отсутствовала каспаза-1 [8]. Таким образом, активность сигнальных путей пироптоза находится в обратной зависимости от прогрессии ГЦК;

2. Рак молочных желез. В этом случае повышенная экспрессия GSDMD — белка-эффектора пироптоза — ассоциирована с более низкой выживаемостью и более активным процессом метастазирования [3];

3. Колоректальный рак. Уже было сказано, что у мышей с дефектом каспазы-1 или NLR проще вызывать данный вид опухоли. При исследовании ткани таких опухолей, полученных от пациентов, было обнаружено снижение уровня AIM2. С другой стороны, в нормальных клетках толстого кишечника нет GSDMD — в отличие от опухолевых [3];

4. Меланома. В нормальном покровном эпителии также не определяется GSDMD, зато в злокачественных клетках наблюдается его повышенная экспрессия. Вероятно, это может способствовать инвазии и метастазированию опухолевых клеток. Здесь также играет роль фермент eEF-2K (эукариотический фактор элонгации 2 киназа), ингибирующий синтез белка в клетке. В случае меланомы, eEF-2K способствует аутофагии и пироптозу опухолевых клеток, а также повышает чувствительность меланомы к доксорубицину[3]. Также имеются данные, что в опухолевых клетках снижается концентрация GSMDE, что способствует развитию резистентности меланомы к этопозиду [6];

5. Рак легких. В случае немелкоклеточных вариантов этого заболевания наблюдается повышенная экспрессия GSDMD, что связано с инвазией опухоли, увеличением ее размеров и скорости метастазирования. В клетках с нокаутом гена GSDMD, напротив, наблюдалось снижение роста опухоли. К слову, в отсутствие GSDMD активация каспазы-1 вызывает не пироптоз, а апоптоз. С другой стороны, GSDMD может способствовать деятельности цитотоксических Т-лимфоцитов и элиминации опухолевых клеток при аденокарциноме и плоскоклеточном ороговевающем раке легких [3];

6. Рак желудка. В опухолевой ткани этого вида рака было обнаружено снижение экспрессии упомянутого GSDME/DFNA5. Предположительно, белок GSDMЕ активирует каспазо-3-зависимый сигнальный путь, следствием которого обычно является апоптоз. Но с помощью химиотерапевтических лекарственных средств возможно осуществить «переход» от апоптоза к пироптозу. Это может быть крайне важно при лечении рака желудка, в особенности, если наблюдается стойкое ингибирование про-апоптотических ферментов и медиаторов. В этом случае пироптоз является альтернативным способом уничтожения опухолевых клеток [3, 6].

Если постараться обобщить вышесказанное, мы обнаружим, что в определенных случаях механизмы пироптоза могут как способствовать, так и препятствовать развитию опухоли. И конечно, исследователи не могли не задуматься — а как это использовать в клинической практике?

Даже в условиях дефицита данных о механизмах пироптоза, обнаруживаются исследования, авторы которых сообщают о возможности инициирования пироптоза в опухолевых клетках.

Например, препарат симвастатин — гиполипидемическое средство — может обладать и противоопухолевым эффектом. В одном из исследований [9] было изучено, как симвастатин будет влиять на немелкоклеточные формы рака легких (для этого использовалось несколько клеточных линий). В результате оказалось, что препарат увеличивает концентрацию NLRP3, IL-1β, IL-18 и способствует активации каспазы-1.

В другом исследовании [10] было выявлено, что противоопухолевое средство сорафениб также способно вызывать пирокинез в клетках гепатоцеллюлярной карциномы. Помимо других механизмов, с помощью которых достигается противоопухолевый эффект, препарат стимулирует активность каспазы-1 и способствует таким образом пирокинетическому варианту гибели клеток.

Существуют и другие подобные публикации, изучающие возможность активации пирокинеза в опухолевых клетках. Но хотя перспективность таких исследований не вызывает сомнений, без грамотных клинических исследований пока что сложно говорить о новом классе противоопухолевых препаратов.

Источники:

1. S. L. Fink and B. T. Cookson, ‘Apoptosis, Pyroptosis, and Necrosis: Mechanistic Description of Dead and Dying Eucaryotic Cells’, Infect. Immun., vol. 73, no. 4, pp. 1907–1916, 2005.
2. T. Bergsbaken, S. L. Fink, and B. T. Cookson, ‘Pyroptosis: Host cell death and inflammation’, Nat. Rev. Microbiol., vol. 7, no. 2, pp. 99–109, 2009.
3. X. Xia et al., ‘The role of pyroptosis in cancer: pro-cancer or pro-“host”?’, Cell Death Dis., vol. 10, no. 9, 2019.
4. S. B. Kovacs and E. A. Miao, ‘Gasdermins: Effectors of Pyroptosis’, Trends Cell Biol., vol. 27, no. 9, pp. 673–684, 2017.
5. X. Liu et al., ‘Inflammasome-activated gasdermin D causes pyroptosis by forming membrane pores’, Nature, vol. 535, no. 7610, pp. 153–158, 2016.
6. Y. Wang, B. Yin, D. Li, G. Wang, X. Han, and X. Sun, ‘GSDME mediates caspase-3-dependent pyroptosis in gastric cancer’, Biochem. Biophys. Res. Commun., vol. 495, no. 1, pp. 1418–1425, 2018.
7. L. M. Coussens and Z. Werb, ‘Inflammation and cancer’, Nature, vol. 420, no. December, 2002.
8. Q. Chu et al., ‘Pyroptosis is involved in the pathogenesis of human hepatocellular carcinoma’, Oncotarget, vol. 7, no. 51, pp. 84658–84665, 2016.
9. F. Wang et al., ‘Simvastatin suppresses proliferation and migration in non-small cell lung cancer via pyroptosis’, Int. J. Biol. Sci., vol. 14, no. 4, pp. 406–417, 2018.
10. C. Hage et al., ‘Sorafenib Induces Pyroptosis in Macrophages and Triggers Natural Killer Cell–Mediated Cytotoxicity Against Hepatocellular Carcinoma’, Hepatology, 2019.

Цитокины

Цитокины представляют собой плейотропные белки, участвующие в регуляции как иммунологических, так и неиммунологических процессов, и классифицируются как провоспалительные или противовоспалительные по функции в зависимости от их способности либо усиливать, либо подавлять иммунный ответ . Цитокины продуцируются различными типами клеток на периферии (например, эндотелиальными клетками, моноцитами / макрофагами, дендритными клетками, натуральными клетками-киллерами и Т-клетками) и центральной нервной системой (ЦНС; например, астроциты, микроглия), где они функционируют как "химические посланники."

Периферические цитокины

На периферии цитокины (и другие иммунные факторы) высвобождаются фагоцитарными клетками после инфицирования , и как только патоген устраняется, происходит сдвиг в сторону противовоспалительной передачи сигналов, чтобы устранить воспаление и восстановить гомеостаз. В дополнение к центрально продуцируемым факторам, периферические цитокины могут также получать доступ к ЦНС через несколько гуморальных путей, которые действуют параллельно, включая: (1) пассивный транспорт в нарушенных областях гематоэнцефалического барьера (ГЭБ) или через ГЭБ-дефицитные участки. сосудистые сплетения и околожелудочковые органы [, (2) активный транспорт через насыщаемые транспортные молекулы и (3) связывание с церебральными эндотелиальными клетками для стимулирования высвобождения вторичных воспалительных мессенджеров. Иммунная информация также передается в мозг с помощью быстрых нервных путей, которые активируют первичные афферентные нервные волокна в ответ на высвобождение периферических цитокинов. Как только иммунная информация с периферии достигает мозга, она восстанавливается в ЦНС посредством центрального высвобождения цитокинов.

Провоспалительные и противовоспалительные

Иммунные возможности различных цитокинов очень избыточны и в конечном итоге приводят к стимуляции нескольких типов клеток и последующей продукции медиаторов воспаления . Провоспалительные цитокины, такие как интерлейкин (IL) -1, IL-2, IL-6 и фактор некроза опухоли альфа (TNF-α), усиливают воспалительный каскад, рекрутируя лейкоциты, активируя воспалительные клетки и способствуя устранению вторжение патогенов . Противовоспалительные цитокины, такие как IL-4, IL-5, IL-10, антагонист рецептора IL-1 (IL-1RA) и растворимый рецептор IL-2 (sIL-2R), реципрокно разработаны орагнизмом для подавления воспаления. через иммуносупрессивные функции.

Механизмы действия

Цитокины проявляют свой эффект за счет связывания со специфическими рецепторами цитокинов, которые экспрессируются на множестве периферических и центральных клеток, а также существуют в растворимой форме. Некоторые подтипы рецепторов служат нефункциональными ловушками (например, IL-1RII, sIL-2R) , тогда как другие усиливают активность цитокинов (например, sIL-6R. Ингибирующие эффекты также достигаются нефункциональными антагонистами рецепторов (например, IL-1RA), которые конкурируют с цитокинами за сайты связывания рецепторов . Комплексы цитокин-рецептор фосфорилируются киназой Janus (JAK) и киназами Src и передают сигнал через такие пути, как JAK-STAT (преобразователь сигнала и активатор транскрипции), Ras / MAPK (протеинкиназа, активируемая митогеном) и фосфоинозитид-3-киназа ( PI-3-kinase) для активации транскрипции генов и клеточной активности. В этом репертуаре иммунологических функций цитокины играют ключевую роль в регулировании энергетического гомеостаза. Это происходит в основном за счет центрального воздействия на пищевое поведение и другие метаболические исходы как в иммунологических, так и в неиммунологических целях.э

В ЦНС цитокины оказывают прямое действие на нейроны гипоталамуса в LHA, PVN и VMN, опосредуя пищевое поведение . В подтверждение этого цитокиновая мРНК и белок, а также рецепторы цитокинов были обнаружены во многих областях мозга, включая гипоталамус, с наибольшими концентрациями в VMH . У крыс с анорексией, несущих опухоль, мРНК IL-1β и IL-1R активируются в гипоталамусе, а уровни IL-1 в спинномозговой жидкости отрицательно коррелируют с потреблением пищи . Kent et al. продемонстрировали, что прямое введение рекомбинантного IL-1β в VMN, как в зависимости от времени, так и в зависимости от дозы, вызывает анорексию и потерю веса, при этом потребление пищи и воды снижается на 45 и 30% соответственно. Антагонисты цитокинов, вводимые VMN, также могут изменить исход анорексии за счет улучшения приема пищи. Эти данные подтверждают прямое участие цитокинов в регуляции метаболической активности гипоталамуса.

Центральное введение цитокинов может снизить уровень NPY - важного орексигенного фактора . Sonti et al. наблюдали, что введение NPY блокирует анорексические эффекты IL-1β и вызывает кормление у анорексичных крыс. Аналогичная связь существует между NPY и интерфероном-α Липополисахаридный эндотоксин и IL-1β снижают уровни в плазме орексигенного фактора, грелина, эффект, который можно блокировать введением экзогенного грелина, IL-1RA и нестероидного противовоспалительного препарата индометацина. Другими словами, введение противовоспалительных факторов восстанавливает орексигенную передачу сигналов в тех случаях, когда уровни цитокинов повышены. Цитокины также взаимодействуют с другими нейропептидами (например, пептидами, производными POMC, гипокретинами / орексинами, CART, меланин-концентрирующим гормоном и AgRP) и нейротрансмиттерами (например, дофамином, серотонином, гистамином и норэпинефрином), которые участвуют в регуляции приема пищи

Микроглия

В ЦНС микроглия и астроциты в первую очередь регулируют начало и прекращение воспалительной реакции. Микроглия - это резидентные макрофаги ЦНС, которые постоянно исследуют мозг на предмет повреждения нейронов, бляшек и микробов и обеспечивают немедленную реакцию даже на незначительную центральную патологию. После активации микроглия участвует в различных функциях, включая фагоцитоз и представление антигена вторгшимся микробам, секрецию маркеров окислительного стресса, таких как активные формы кислорода (АФК) и активные формы азота, и выработку циклооксигеназы (ЦОГ) -2, простагландина Е 2 , и воспалительные цитокины.

Астроциты

Астроциты могут секретировать провоспалительные медиаторы, но они в первую очередь продуцируют противовоспалительные факторы . Астроциты также оказывают ингибирующее и стимулирующее действие на микроглию в зависимости от внутреннего иммунного состояния.

Цитокины - белковые продукты активированных клеток иммунной системы (ИС), не обдадающие специфичностью по отношению к антигенам и являющиеся медиаторами межклеточных коммуникаций при иммунном ответе (ИО), гемопоэзе, воспалении, а также межсистемных взаимодействиях. Цитокины, синтезируемые стромальными соединительнотканными клетками, влияют на гемопоэз; моноциты-макрофаги продуцируют медиаторы воспаления. Лимфоциты вырабатывают лимфокины, обеспечивающие развитие специфического ИО. Исследования свидетельствуют о многоуровневых взаимосвязях в системе цитокинов. Воздействие на любое звено системы приводит к нарушению её баланса и отражается на всех её функциях. В норме существенным и закономерным является участие цитокинов в процессах кроветворения и ИО, а при развитии патологии - в нарушении этих процессов, а также в динамике воспаления и канцерогенеза.

Результаты исследований характеризуют роль цитокинов в развитии ревматических, аутоиммунных процессах, патологических синдромов при инфекционных заболеваниях. Выявлено повышение синтеза, содержания в крови и особенно в синовиальной жидкости интерлейкинов- 1, 6 (ИЛ-1, 6) и фактора некроза опухоли (ФНО-a) у больных ревматоидным артритом. Установлена корреляция концентрации ИЛ-6 в крови и синовиальной жидкости с активностью аутоиммунного процесса, выраженностью клинической симптоматики и рядом лабораторных показателей.

От баланса цитокинов зависит течение локального воспалительного процесса. Повышение уровня ИЛ-1, 6 характерно также для системной красной волчанки, аутоиммунного гломерулонефрита, псориаза, рассеянного склероза и других аутоиммунных заболеваний, сопровождающихся воспалением. Показана роль ИЛ-1 в повышении проницаемости капилляров бронхов. При аутоиммунной патологии щитовидной железы происходит продукция ИЛ-1, 6 в ткани этого органа. Синтез аутоантител В-лимфоцитами усиливают ИЛ-5, 10. В развитии реакций гиперчувствительности замедленного типа при разных заболеваниях важное значение принадлежит ИЛ-12. Установлено, что ИЛ-1 и ФНО-a играют ключевую патогенетическую роль при септическом шоке. Антитела к этим цитокинам значительно снижают выраженность клинической симптоматики. Эти же цитокины и ИЛ-6 участвуют в патогенезе развития кахексии. Показано, что содержание ИЛ-1, 6 и ФНО-a повышается при различных травмах, а также после хирургических операций. Выявлено, что развитие аллергических реакций связано с повышенной выработкой ИЛ-4, усиливающего продукцию иммуноглобулина Е, а также ИЛ-3 как фактора роста тучных клеток и ИЛ-5, способствующего росту и дифференцировке эозинофилов.

Цитокины могут служить ростовым фактором для клеток некоторых опухолей. Иногда опухолевые клетки сами продуцируют цитокины, являющиеся аутокринными факторами роста. Но цитокины являются и важными противоопухолевыми факторами, что активно используется при лечении злокачественных новообразований. Так интерферон (ИФН) и ФНО оказывают цитотоксическое действие на опухолевые клетки, индуцируя их апоптоз. Многие цитокины реализуют противоопухолевое действие через ИС. Так ИФНg усиливает противоопухолевую активность макрофагов; ИЛ-2 активирует естественные киллеры, стимулирует функцию цитотоксических Т - лимфоцитов.

Патология, обусловленная недостаточной продукцией цитокинов, относится к группе иммунодефицитов. При Т-клеточных иммунодефицитах полностью подавлена или ослаблена выработка лимфокинов - ИЛ-2, 4, ИФНg и других. Установлено, что важную роль в патогенезе многих заболеваний, особенно инфекционных, играет нарушение нормального баланса между цитокинами, синтезируемыми Th-1 и Th-2-лимфоцитами-хелперами. Неблагоприятное течение таких заболеваний связана с преобладанием Th-2-ответа и ингибированием реагирования Th-1-клеток. Стимуляция последнего приводит к благоприятному исходу заболевания при туберкулёзе, кандидозе, столбняке, инфицировании плазмодиями, хламидиями, листериями. Однако, при гельминтозах протективным является Th-2-ответ. Комплекс цитокинов, продуцируемых Th-1, в значительной степени обусловливает поражение при аутоиммунных процессах. Поскольку ИФНg ответственен за индукцию выработки провоспалительных цитокинов, положительный терапевтический эффект может быть достигнут при усилении Th-2-звена иммунного ответа и подавлении Th-1-звена. Напротив, поражение при аллергических заболеваниях обусловлено цитокинами, синтезируемыми Th-2 и стратегия цитокиновой терапии должна иметь противоположную направленность, состоящую в стимуляции Th-1-ответа. Отторжение трансплантата, а также острая реакция трансплантат против хозяина (РТПХ) связана с активностью Th - 1 - лимфоцитов и их продуктов. Преодоление реакции отторжения может быть достигнуто с помощью супрессии этой формы ответа, тогда как при хронической РТПХ преобладает противоположная тенденция. Приведенные результаты исследований позволяют уточнить традиционные подходы к лечению многих заболеваний. На этой основе строится современная стратегия использования цитокинов в качестве иммуномодуляторов в клинической медицине.

Читайте также: