Определение цитокинов

Механизмы действия.

Б. Рецепторы  цитокинов. Цитокины — гидрофильные сигнальные вещества, действие которых опосредовано специфическими рецепторами на внешней стороне плазматической мембраны. Связывание цитокинов с рецептором (1) приводит через ряд промежуточных стадий (2-5) к активации транскрипции определенных генов (6).Сами цитокиновые рецепторы не обладают тирозинкиназной активностью (за немногими исключениями). После связывания с цитокином (1) молекулы рецептора ассоциируют, образуя гомодимеры. Кроме того, они могут образовывать гетеродимеры за счет ассоциации с белками-переносчиками сигнала [БПС (STP)] или стимулировать димеризацию самих БПС (2). Цитокиновые рецепторы класса I могут агрегировать с тремя типами БПС: белками GP130, βс или γс. Эти вспомогательные белки сами не способны связывать цитокины, но они осуществляют передачу сигнала на тирозинкиназы (3), Одинаковые спектры биологической активности многих цитокинов объясняются тем, различные цитокин-рецепторные комплексы могут активировать одни и те же БПС.

В качестве примера  передачи сигнала от цитокинов на схеме показано, как рецептор ИЛ-6 (IL-6) после связывания с лигандом (1) стимулирует димеризацию GP130 (2). Димер  мембранного белка GP130 связывает  и активирует цитоплазматическую тирозинкиназу  ЯК-семейства (Янус-киназы, имеющие  два активных центра) (3). Янус-киназы фосфорилируют цитокиновые рецепторы, БПС и различные цитоплазматические белки, которые осуществляют дальнейшую передачу сигнала; они также фосфорилируют  факторы транскрипции — переносчики  сигнала и активаторы транскрипции [ПСАТ (STAT, от англ. signal transducers and activators of transcription)]. Эти белки относятся  к семейству БПС, имеющих в  структуре SH2-домен, узнающий остатки  фосфотирозина (см. с. 372). Поэтому они  обладают свойством ассоциировать  с фосфорилированным цитокиновым  рецептором. Если затем происходит фосфорилирование молекулы ПСАТ (4), фактор переходит в активную форму и  образует димер (5). После транслокации в ядро димер в качестве фактора  транскрипции связывается с промотором (см. с. 240) инициируемого гена и индуцирует его транскрипцию (6).Некоторые цитокиновые  рецепторы могут за счет протеолиза утрачивать экстрацеллюлярный лигандсвязывающий  домен (на схеме не приведен). Домен  поступает в кровь, где конкурирует  за связывание с цитокином, что снижает  концентрацию цитокина в крови.В  совокупности цитокины образуют регуляторную сетку (каскад цитокинов) с многофункциональным  действием. Взаимоперекрывание между  цитокинами приводят к тому, что  в действии многих из них наблюдается  синергизм, а некоторые цитокины являются антагонистами. Часто в  организме можно наблюдать весь каскад цитокинов со сложной обратной связью.[7]

[7] 

Свойства  цитокинов.

Общие свойства цитокинов, благодаря которым эти медиаторы могут быть объединены в самостоятельную систему регуляции.

1. Цитокины являются  полипептидами или белками, часто  гликозилированными, большинство из  них имеют ММ от 5 до 50 кДа. Биологически  активные молекулы цитокинов  могут состоять из одной, двух, трех и более одинаковых или  разных субъединиц.

2. Цитокины не  имеют антигенной специфичности  биологического действия. Они влияют  на функциональную активность  клеток, принимающих участие в  реакциях врожденного и приобретенного  иммунитета. Тем не менее, воздействуя  на Т- и В-лимфоциты, цитокины  способны стимулировать индуцированные  антигенами процессы в иммунной  системе. 

3. Для генов  цитокинов существуют три варианта  экспрессии: а) стадиоспецифическая  экспрессия на определенных стадиях  эмбрионального развития, б) конститутивная  экспрессия для регуляции ряда  нормальных физиологических функций,  в) индуцибельный тип экспрессии, характерный для большинства  цитокинов. Действительно, большинство  цитокинов вне воспалительной  реакции и иммунного ответа  не синтезируются клетками. Экспрессия  генов цитокинов начинается в  ответ на проникновение в организм  патогенов, антигенное раздражение  или повреждение тканей. Одними  из наиболее сильных индукторов  синтеза провоспалительных цитокинов  служат патоген-ассоциированные  молекулярные структуры. Для запуска  синтеза Т-клеточных цитокинов  требуется активация клеток специфическим  антигеном с участием Т-клеточного  антигенного рецептора. 

4. Цитокины синтезируются  в ответ на стимуляцию короткий  промежуток времени. Синтез прекращается  за счет разнообразных механизмов  ауторегуляции, включая повышенную  нестабильность РНК, и за счет  существования отрицательных обратных  связей, опосредуемых простагландинами, кортикостероидными гормонами и  другими факторами. 

5. Один и тот  же цитокин может продуцироваться  различными по гистогенетическому  происхождению типами клеток  организма в разных органах. 

6. Цитокины могут  быть ассоциированными с мембранами  синтезирующих их клеток, обладая  в виде мембранной формы полным  спектром биологической активности  и проявляя свое биологическое  действие при межклеточном контакте.

7. Биологические  эффекты цитокинов опосредуются  через специфические клеточные  рецепторные комплексы, связывающие  цитокины с очень высокой аффинностью,  причем, отдельные цитокины могут  использовать общие субъединицы  рецепторов. Рецепторы цитокинов  могут существовать в растворимой  форме, сохраняя способность связывать  лиганды. 

8. Цитокины обладают  плейотропностью биологического  действия. Один и тот же цитокин  может действовать на многие  типы клеток, вызывая различные  эффекты в зависимости от вида  клеток-мишеней (рис. 1). Плейотропность  действия цитокинов обеспечивается экспрессией рецепторов цитокинов на разных по происхождению и функциям типах клеток и проведением сигнала с использованием нескольких разных внутриклеточных мессенджеров и транскрипционных факторов.

9. Для цитокинов  характерна взаимозаменяемость  биологического действия. Несколько  разных цитокинов могут вызывать  один и тот же биологический  эффект либо обладать похожей  активностью. Цитокины индуцируют  либо подавляют синтез самих  себя, других цитокинов и их  рецепторов.

10. В ответ  на активационный сигнал происходит  синтез клетками одновременно  нескольких цитокинов, участвующих  в формировании цитокиновой сети. Биологические эффекты в тканях  и на уровне организма зависят  от присутствия и концентрации  других цитокинов с синергичным,  аддитивным или противоположным  действием. 

11. Цитокины могут  влиять на пролиферацию, дифференцировку  и функциональную активность  клеток-мишеней. 

12. Цитокины действуют  на клетки различными путями: аутокринно – на клетку, синтезирующую  и секретирующую данный цитокин;  паракринно – на клетки, расположенные  вблизи клетки-продуцента, например, в очаге воспаления или в  лимфоидном органе; эндокринно –  дистантно на клетки любых  органов и тканей после попадания  в циркуляцию. В последнем случае  действие цитокинов напоминает  действие гормонов (рис. 2).  

Рис. 1. Один и  тот же цитокин может продуцироваться  различными по гистогенетическому происхождению  типами клеток организма в разных органах и действовать на многие типы клеток, вызывая различные эффекты  в зависимости от вида клеток-мишеней.

Рис. 2. Три варианта проявления биологического действия цитокинов.

По-видимому формирование системы цитокиновой регуляции  эволюционно проходило вместе с  развитием многоклеточных организмов и было обусловлено необходимостью образования посредников межклеточного  взаимодействия, к которым могут  быть причислены гормоны, нейропептиды, молекулы адгезии и некоторые  другие. Цитокины в этом плане являются наиболее универсальной системой регуляции, так как способны проявлять биологическую  активность как дистантно после  секреции клеткой-продуцентом (местно и системно), так и при межклеточном контакте, будучи биологически активными  в виде мембранной формы. Этим система  цитокинов отличается от молекул  адгезии, выполняющих более узкие  функции только при непосредственном контакте клеток. В то же время система  цитокинов отличается от гормонов, которые в основном синтезируются  специализированными органами и  оказывают действие после попадания  в систему циркуляции. [5] 

Роль  цитокинов в регуляции  физиологических  функций организма.

Роль цитокинов  в регуляции физиологических  функций организма может быть разделена на 4 основных составляющих:

1. Регуляция  эмбриогенеза, закладки и развития  органов, в т.ч. органов иммунной  системы. 

2. Регуляция  отдельных нормальных физиологических  функций. 

3. Регуляция  защитных реакций организма на  местном и системном уровне.

4. Регуляция  процессов регенерации тканей.

Экспрессия генов  отдельных цитокинов происходит стадиоспецифически на определенных этапах эмбрионального развития. Фактор стволовых  клеток, трансформирующие ростовые факторы, цитокины семейства ФНО и хемокины регулируют дифференцировку и миграцию различных клеток и закладку органов иммунной системы. После этого синтез некоторых цитокинов может не возобновляться, тогда как другие продолжают регулировать нормальные физиологические процессы или участвуют в развитии защитныъх реакций.

Несмотря на то, что большинство цитокинов  являются типичными индуцибельными медиаторами и в постнатальном  периоде не синтезируются клетками вне воспалительной реакции и  иммунного ответа, некоторые цитокины не подпадают под это правило. В результате конститутивной экспрессии генов часть из них синтезируются  постоянно и в достаточно больших  количествах находятся в циркуляции, регулируя пролиферацию и дифференцировку  отдельных типов клеток в течение  всей жизни. Примерами такого типа физиологической  регуляции функций цитокинами может  быть постоянно высокий уровень  эритропоэтина и некоторых КСФ для обеспечения гемопоэза. Регуляция защитных реакций организма цитокинами происходит не только в рамках иммунной системы, но и путем организации защитных реакций на уровне целостного организма за счет регуляции практически всех сторон развития воспаления и иммунного ответа. Эта важнейшая для всей системы цитокинов функция связана с двумя основными направлениями биологического действия цитокинов - защитой от инфекционных агентов и восстановлением поврежденных тканей. Цитокины в первую очередь регулируют развитие местных защитных реакций в тканях с участием различных типов клеток крови, эндотелия, соединительной ткани и эпителиев. Защита на местном уровне развивается путем формирования типичной воспалительной реакции с ее классическими проявлениями: гиперемией, развитием отека, появлением болевого синдрома и нарушением функции.  Синтез цитокинов начинается при проникновении в ткани патогенов либо нарушении их целостности, что обычно протекает параллельно. Продукция цитокинов является составной частью клеточного ответа, связанного с распознаванием клетками миеломоноцитарного ряда сходных структурных компонентов различных патогенов, называемых патоген-ассоциированными молекулярными паттернами. Примерами подобных структур патогенов служат липополисахариды грам-отрицательных бактерий, пептидогликаны грам-положительных микроорганизмов, флагеллин или ДНК, богатая CpolyG последовательностями, что характерно для ДНК всех видов бактерий. Лейкоциты экспрессируют соответствующие паттерн-распознающие рецепторы, называемые также Toll-like receptors (TLR) и специфичные для определенных структурных паттернов микроорганизмов. После взаимодействия микроорганизмов или их компонентов с TLR запускается внутриклеточный каскад передачи сигнала, приводящий к усилению функциональной активности лейкоцитов и экспрессии генов цитокинов.

Активация TLR приводит к синтезу двух основых групп  цитокинов: провоспалительных цитокинов  и интерферонов I типа, главным образом  ИФНα/β Ключевым по значимости событием является синтез комплекса провоспалительных  цитокинов из семейств ИЛ-1, ИЛ-6, ФНО  и хемокинов, стимулирующих большинство  дальнейших событий в развитии воспалительной реакции и обеспечивающих веерное  расширение активации различных  типов клеток, участвующих в поддержании  и регуляции воспаления, включая  все типы лейкоцитов, дендритные клетки, Т и В-лимфоциты, НК клетки, эндотелиальные и эпителиальные клетки, фибробласты и другие. Это обеспечивает последовательные этапы развития воспалительной реакции, являющейся основным механизмом реализации врожденного иммунитета. Кроме того начинается синтез дендритными клетками цитокинов семейства ИЛ-12, стимулирующих дифференцировку Т-лимфоцитов хелперов, что служит своеобразным мостиком к началу развития реакций специфического иммунитета, связанных с распознаванием специфических антигенных структур микроорганизмов.

Второй не менее  важный механизм, связанный с синтезом ИФН, обеспечивает реализацию противовирусной  защиты. Интерфероны I типа проявляют 4 основных биологических свойства:

1. Прямое противовирусное  действие за счет блокирования  транскрипции.

2. Подавление  пролиферации клеток, нужное для  блокирования распространения вируса.

3. Активация  функций НК клеток, обладающих  способностью лизировать инфицированные  вирусом клетки организма. 

4. Усиление экспрессии  молекул главного комплекса гистосовместимости I класса, нужное для увеличения  эффективности представления вирусных  антигенов инфицированными клетками  цитотоксическим Т-лимфоцитам. Это  приводит к активации специфического  распознавания инфицированных вирусом  клеток Т-лимфоцитами – первого  этапа лизиса вирус-инфицированных  клеток-мишеней. 

В результате помимо прямого антивирусного действия активируются механизмы как врожденного (НК клетки) так и приобретенного (Т-лимфоциты) иммунитета. Это пример того, как одна небольшая молекула цитокина с ММ в 10 раз меньше ММ молекул  антител способна за счет плейотропного  типа биологического действия активировать совершенно разные механизмы защитных реакций, направленные на выполнение одной  цели – удаления проникшего в организм вируса.

На тканевом уровне цитокины ответственны за развития воспаления, а затем регенерации  тканей. При развитии системной воспалительной реакции (острофазового ответа) цитокины оказывают влияние практически  на все органы и системы организма, участвующие в регуляции гомеостаза. Действие провоспалительных цитокинов  на ЦНС приводит к снижению аппетита и изменению всего комплекса  поведенческих реакций. Временное  прекращение поиска пищи и снижение сексуальной активности выгодно  в плане экономии энергии для  одной лишь задачи – борьбы с  внедрившимся патогеном. Этот сигнал обеспечивают цитокины, так как их попадание  в циркуляцию безусловно означает, что местная защита не справилась с патогеном, и требуется включение  системной воспалительной реакции. Одно из первых проявлений системной  воспалительной реакции, связанное  с действием цитокинов на терморегуляторный  центр гипоталамуса, заключается  в подъеме температуры тела. Увеличение температуры является эффективной  защитной реакцией, так как при  повышенной температуре снижается  способность ряда бактерий к размножению, но, напротив, возрастает пролиферация лимфоцитов.