А.С. Симбирцев ГНЦ НИИ особо чистых биопрепаратов, Санкт Петербург Цитокины: классификация и биологические функции
Цитокины представляют собой регуляторные пептиды, продуцируемые клетками организма. К системе цитокинов в настоящее время относят около 200 индивидуальных полипептидных веществ. Все они имеют ряд общих биохимических и функциональных характеристик, среди которых важнейшими считаются следующие: плейотропность и взаимозаменяемость биологического действия, отсутствие антигенной специфичности, проведение сигнала путем взаимодействия со специфическими клеточными рецепторами, формирование цитокиновой сети. В связи с этим цитокины могут быть выделены в новую самостоятельную систему регуляции функций организма, существующую наряду с нервной и гормональной регуляцией. В работе приведена объединенная функциональная классификация, где все цитокины разделены на группы, в первую очередь с учетом их биологической активности, а также особенностей строения молекул цитокинов и их рецепторов. Преимущества приведенной классификации связаны с одновременным учетом биологических и биохимических свойств цитокинов. Целесообразность такого подхода в на' стоящее время подтверждается открытием новых цитокинов путем генетического анализа генома и поиска структурно похожих генов. (Цитокины и воспаление. 2004. Т. 3, № 2. С. 16–22.)
Цитокины представляют собой регуляторные пептиды, продуцируемые клетками организма. Такое широкое определение неизбежно в силу гетерогенности цитокинов, но требует дополнительных пояснений. Во-первых, к цитокинам относятся простые полипептиды, более сложные молекулы с внутренними дисульфидными связями и белки, состоящие из двух и более одинаковых либо разных субъединиц, с молекулярной массой от 5 до 50 кДа. Во-вторых, цитокины являются эндогенными медиаторами, которые могут синтезироваться практически всеми ядросодержащими клетками организма, причем гены некоторых цитокинов экспрессируются во всех без исключения клетках организма. К системе цитокинов в настоящее время относят около 200 индивидуальных полипептидных веществ [6]. Все они имеют ряд общих биохимических и функциональных характеристик, среди которых важнейшими считаются следующие: плейотропность и взаимозаменяемость биологического действия, отсутствие антигенной специфичности, проведение сигнала путем взаимодействия со специфическими клеточными рецепторами, формирование цитокиновой сети. В связи с этим цитокины могут быть выделены в новую самостоятельную систему регуляции функций организма, существующую наряду с нервной и гормональной регуляцией [1]. 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 и молекулы адгезии. 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. Цитокины оказывают плейотропные биологические эффекты на различные типы клеток, главным образом, участвуя в формировании и регуляции защитных реакций организма. Защита на местном уровне развивается путем формирования типичной воспалительной реакции после взаимодействия патогенов с паттерн-распознающими рецепторами (мембранными Toll рецепторами) с последующим синтезом так называемых провоспалительных цитокинов. Синтезируясь в очаге воспаления, цитокины воздействуют практически на все клетки, участвующие в развитии воспаления, включая гранулоциты, макрофаги, фибробласты, клетки эндотелия и эпителиев, а затем на Т и В лимфоциты. В рамках иммунной системы цитокины осуществляют взаимосвязь между неспецифическими защитными реакциями и специфическим иммунитетом, действуя в обоих направлениях. Примером цитокиновой регуляции специфического иммунитета служит дифференцировка и поддержание баланса между Т лимфоцитами хелперами 1 го и 2 го типов. В случае несостоятельности местных защитных реакций цитокины попадают в циркуляцию, и их действие проявляется на системном уровне, что приводит к развитию острофазового ответа на уровне организма. При этом цитокины оказывают влияние практически на все органы и системы, участвующие в регуляции гомеостаза. Действие цитокинов на ЦНС приводит к изменению всего комплекса поведенческих реакций, меняется синтез большинства гормонов, острофазовых белков в печени, экспрессия генов ростовых и дифференцировочных факторов, изменяется ионный состав плазмы. Однако ни одно из происходящих изменений не носит случайного характера: все они либо нужны для непосредственной активации защитных реакций, либо выгодны в плане переключения энергетических потоков для одной лишь задачи—борьбы с внедрившимся патогеном. На уровне организма цитокины осуществляют связь между иммунной, нервной, эндокринной, кроветворной и другими системами и служат для их вовлечения в организацию и регуляцию единой защитной реакции. Цитокины как раз и служат той организующей системой, которая формирует и регулирует весь комплекс патофизиологических сдвигов при внедрении патогенов.
В последние годы выяснилось, что регуляторная роль цитокинов в организме не ограничивается только иммунным ответом и может быть разделена на четыре основных составляющих:
1. Регуляция эмбриогенеза, закладки и развития ряда органов, в том числе органов иммунной системы.
2. Регуляция отдельных нормальных физиологических функций, например нормального кроветворения.
3. Регуляция защитных реакций организма на местном и системном уровне.
4. Регуляция процессов регенерации для восстановления поврежденных тканей.
К цитокинам относят интерфероны, колониестимулирующие факторы (КСФ), хемокины, трансформирующие ростовые факторы; фактор некроза опухолей; интерлейкины со сложившимися исторически порядковыми номерами и некоторые другие. Интерлейкины, имеющие порядковые номера, начиная с 1, не относятся к одной подгруппе цитокинов, связанных общностью функций. Они в свою очередь могут быть разделены на провоспалительные цитокины, ростовые и дифференцировочные факторы лимфоцитов, отдельные регуляторные цитокины. Название «интерлейкин» присваивается вновь открытому медиатору в том случае, если соблюдены следующие критерии, выработанные номенклатурным комитетом Международного союза иммунологических обществ: молекулярное клонирование и экспрессия гена изучаемого фактора, наличие уникальной нуклеотидной и соответствующей ей аминокислотной последовательности, получение нейтрализующих моноклональных антител [7]. Кроме того, новая молекула должна продуцироваться клетками иммунной системы (лимфоцитами, моноцитами или другими типами лейкоцитов), иметь важную биологическую функцию в регуляции иммунного ответа, а также дополнительные функции, из-за чего ей не может быть дано функциональное название. Наконец, перечисленные свойства нового интерлейкина должны быть опубликованы в рецензируемом научном издании.
Классификация цитокинов может проводиться по их биохимическим и биологическим свойствам, а также по типам рецепторов, посредством которых цитокины осуществляют свои биологические функции. Классификация цитокинов по строению (табл. 1) учитывает не только аминокислотную последовательность, но прежде всего третичную структуру белка, более точно отражающую эволюционное происхождение молекул [5]. Клонирование генов и анализ строения рецепторов цитокинов показали, что, также как и сами цитокины, эти молекулы могут быть разделены на несколько типов согласно сходству аминокислотных последовательностей и особенностям организации внеклеточных доменов. Одно из наиболее крупных семейств рецепторов цитокинов называется семейством гемопоэтиновых рецепторов, или семейством цитокиновых рецепторов I типа (табл. 2). Особенностью строения этой группы рецепторов является наличие в молекуле четырех цистеинов и последовательности аминокислот Trp Ser X Trp Ser (WSXWS), расположенной недалеко от клеточной мембраны [4]. II класс цитокиновых рецепторов взаимодействует с интерферонами и с IL-10. Оба первых типа рецепторов имеют гомологию друг с другом. Следующие группы рецепторов обеспечивают взаимодействие с цитокинами семейства фактора некроза опухолей и семейства интерлейкина 1.
В настоящее время известно более 20 различных рецепторов хемокинов, взаимодействующих с разной степенью аффинности с одним или несколькими лигандами хемокинового семейства (см. табл. 2). Рецепторы хемокинов принадлежат к суперсемейству родопсиновых рецепторов [3], имеют семь трансмембранных доменов и проводят сигнал с участием G белков. Для IL-8 существуют два типа высокоаффинных рецепторов, рецепторы I и II типов, которые гомологичны друг другу на 77 %. Согласно новой единой номенклатуре рецепторов хемокинов они обозначаются как CXCR1 и CXCR2 рецепторы. Рецептор CXCR1 связывает только IL-8, тогда как рецептор CXCR2 взаимодействует с разной степенью аффинности не только с IL-8, но и с другими членами подкласса СХС хемокинов. На поверхности эритроцитов обнаружен еще один тип рецептора IL-8, связывающий лиганд с несколько меньшей аффинностью (Kd = 5 nM). Этот рецептор менее специфичен, так как он связывает СХС и СС хемокины. Данный рецептор оказался идентичен известному ранее антигену групп крови Duffy и был назван DARC (Duffy antigen receptor for chemokines). Вначале считалось, что DARC служит для связывания избытка IL-8 в плазме крови, так как он не участвовал в передаче сигнала на терминально дифференцированных эритроцитах. Однако сейчас обсуждаются и иные возможности функционирования этого типа рецептора, в частности его роль как переносчика IL-8. Многие рецепторы цитокинов состоят из 2–3 субъединиц, кодируемых разными генами и экспрессируемых независимо. При этом для формирования высокоаффинного рецептора требуется одновременное взаимодействие всех субъединиц. Примером подобной организации рецепторов цитокинов служит строение рецепторного комплекса IL-2.
Таблица 1 Классификация цитокинов по строению
Таблица 2 Классификация цитокинов по строению рецепторов
Удивительным оказалось открытие того факта, что отдельные субъединицы рецепторного комплекса IL-2 являются общими для IL-2 и некоторых других цитокинов. Так, ? цепь является одновременно компонентом рецептора для IL-15, а ? цепь служит общей субъединицей рецепторов для IL-2, IL-4, IL-7, IL-9 и IL-15. Это означает, что все упомянутые цитокины, рецепторы которых также состоят из 2–3 индивидуальных полипептидов, используют ? цепь в качестве компонента своих рецепторов, причем компонента, ответственного за проведение сигнала. Во всех случаях специфичность взаимодействия для каждого цитокина обеспечивается другими субъединицами, отличающимися по структуре от ? и ? цепей рецептора IL-2. Исключение составляет IL-15, имеющий с IL-2 одинаковые рецепторные компоненты ? и ?, а также высокую степень гомологии ? цепей. Практически это делает биологические эффекты IL-2 и IL-15 весьма сходными за некоторыми малыми отличиями. Среди рецепторов цитокинов существуют еще две общие рецепторные субъединицы, проводящие сигнал после взаимодействия с разными цитокинами. Это общая рецепторная субъединица ?c (gp140) для рецепторов IL-3, IL-5 и GM CSF, а также рецепторная субъединица gp130, общая для членов семейства IL-6 [2]. Присутствие общей сигнальной субъединицы в рецепторах цитокинов служит одним из подходов для их классификации, так как позволяет найти общность как в строении лигандов, так и в биологических эффектах. Объединенная функциональная классификация приведена в табл. 3. Все цитокины разделены на группы, в первую очередь с учетом их биологической активности, а также указанных выше особенностей строения молекул цитокинов и их рецепторов. Первая группа включает интерфероны 1-го типа и является наиболее простой по организации, так как все включенные в нее молекулы имеют сходное строение и во многом одинаковые функции, связанные с противовирусной защитой. Во вторую группу вошли факторы роста и дифференцировки гемопоэтических клеток, стимулирующие развитие кроветворных клеток-предшественников, начиная от стволовой
Таблица 3 Функциональная классификация цитокинов
клетки. В эту группу включены цитокины, узко специфичные для отдельных линий дифференцировки кроветворных клеток (эритропоэтин, тромбопоэтин, а также IL-7, действующий на предшественники Т и В лимфоцитов), а также цитокины с более широким спектром биологической активности, такие как IL-3, IL-11, колоние-стимулирующие факторы. Семейство молекул IL-1 в настоящее время кроме функциональных названий имеет обозначения F1 F10, где F1 соответствует IL-1?, F2 — IL-1?, F3—рецепторному антагонисту IL-1, F4—IL-18. Последний включен в это семейство благодаря сходному биохимическому строению и биологическим функциям, в основном направленным на активацию воспаления и острофазового ответа. Вследствие сходного строения в это семейство также включен фактор роста фибробластов. Остальные члены семейства открыты в результате генетического анализа и обладают достаточно высокой гомологией с молекулами IL-1, однако их биологические функции полностью не выяснены. Отдельно выделены медиаторы из группы фактора некроза опухолей (табл. 4) и хемокины (табл. 5), представленные наибольшим числом индивидуальных лигандов. Семейство фактора некроза опухолей сформировано в основном на основании сходства в строении лигандов и их рецепторов, состоящих из трех нековалентно связанных одинаковых субъединиц, формирующих биологически активные молекулы. В то же время по биологическим свойствам в данное семейство включены цитокины с достаточно разными активностями. Например, TNF является одним из наиболее ярких провоспалительных цитокинов, Fas лиганд вызывает апоптоз клеток мишеней, а CD40 лиганд обеспечивает стимулирующий сигнал при межклеточном взаимодействии Т и В лимфоцитов. Такие различия в биологической активности структурно сходных молекул определяются в первую очередь особенностями строения их рецепторов, например наличием или отсутствием внутриклеточного домена «смерти», определяющего апоптоз клеток.
Таблица 4 Классификация цитокинов семейства фактора некроза опухолей
Таблица 5 Классификация хемокинов и их рецепторов
Продолжение таблицы 5 Классификация хемокинов и их рецепторов
Примечание. НГ — нейтрофильные гранулоциты, Тл — Т лимфоциты, акт Тл — активированные Т лимфоциты, НК — натуральные киллеры, Вл — В лимфоциты, Мо — моноциты, Эо — эозинофилы, ДК — дендритные клетки
Преимущества приведенной классификации связаны с одновременным учетом биологических и биохимических свойств цитокинов. Целесообразность такого подхода в настоящее время подтверждается открытием новых цитокинов путем генетического анализа генома и поиска структурно похожих генов. Благодаря этому методу существенно расширилось семейство интерферона 1-го типа, IL-1, IL-10, IL-12, появилась новая группа цитокинов — аналогов IL-17, уже состоящая из шести членов. По-видимому, в ближайшее время появление новых цитокинов будет происходить значительно медленнее, так как анализ генома человека практически закончен. Изменения, скорее всего, возможны за счет уточнения вариантов лиганд-рецепторных взаимодействий и биологических свойств, которые позволяют классификации цитокинов прибрести окончательный вид.
ЛИТЕРАТУРА
1. Симбирцев А.С. Цитокины — новая система регуляции защитных реакций организма // Цитокины и воспаление. — 2002. — Т. 1, № 1. — С. 9–17.
2. Fukata T., Hibi M., Yamanaka J. et al. Two signals are necessary for cell proliferation induced by a cytokine receptor gp130 // Immunity. — 1996. — Vol. 5. — P. 449–460.
3. Holmes W., Lee J., Kuang W. et al. Structure and functional expression of a human interleukin 8 receptor // Science. — 1991. — Vol. 253. — P. 1278–1280.
4. Ihle J., Witthuhn B., Quelle F. et al. Signaling through the hematopoietic cytokine receptors // Ann. Rev. Immunol. — 1995. — Vol. 13. — P. 369–398.
5. Nicola N. A. (Ed.) Guidebook to Cytokines and their Receptors. — Oxford University Press, 1994. — 284 pp.
6. Oppenheim J., Feldman M. (Eds.). Cytokine Reference. — Academic Press, London, 2000. — 2015 pp.
7. Paul W.E., Kishimoto T., Melchers E. et al. Nomenclature for secreted regulatory proteins of the immune system (interleukins). WHOIUIS Nomenclature Subcommittee on Interleukin Designation // Clin. Exp. Immunol. — 1992. — Vol. 88. — P. 367.
Cytokines — classification and biologic functions A.S. Simbirtsev Institute of Highly Pure Biopreparations, St. Petersburg
Cytokines are regulatory peptides, produced by different cells. Up to 200 polypeptides are included in this group today. All of these substances are characterized by the same biochemical and functional properties, the most important of them are pleyotropism and interchangeabIL-ity, lack of antigen'speci' ficity, signal transduction by interaction with specific cell receptors, forming of cytokine network. In this connection, it’s possible to consider cytokines to be a new, independent regulatory system. United functional classification is given in this article. Cytokines are divided into groups depending firstly on their biologic activity and also molecular structure and corresponding receptors. The advantages of this classification are due to taking into account both biologic and biochemical properties of cytokines. This is being proved nowadays when genome analysis and searching genes with simIL-ar structure being the way to discover new cytokines. (Cytokines and Inflammation. 2004. Vol. 3, № 2. P. 16–22.)
