Хемокины (от древнегреческого χῠμείᾱ (khumeíā) «алхимия» и κῑ́νησῐς (kī́nēsis) «движение»), или хемотаксические цитокины, представляют собой семейство небольших цитокинов или сигнальных белков , секретируемых клетками , которые вызывают направленное движение лейкоцитов, а также других типы клеток, включая эндотелиальные и эпителиальные клетки. [1] [2] Помимо того, что хемокины играют важную роль в активации иммунных реакций хозяина, они важны для биологических процессов, включая морфогенез и заживление ран, а также в патогенезе таких заболеваний, как рак. [1] [3]
Цитокиновые белки классифицируются как хемокины в соответствии с поведением и структурными характеристиками. Помимо того, что все хемокины известны своей способностью опосредовать хемотаксис, все они имеют массу примерно 8–10 килодальтон и имеют четыре остатка цистеина в консервативных местах, которые являются ключевыми для формирования их трехмерной формы.
Эти белки исторически были известны под несколькими другими названиями, включая семейство цитокинов SIS , семейство цитокинов SIG , семейство цитокинов SCY , суперсемейство фактора тромбоцитов-4 или интеркрины . Некоторые хемокины считаются провоспалительными и могут индуцироваться во время иммунного ответа для привлечения клеток иммунной системы к месту инфекции , в то время как другие считаются гомеостатическими и участвуют в контроле миграции клеток во время нормальных процессов поддержания или развития тканей. . Хемокины обнаружены у всех позвоночных , некоторых вирусов и некоторых бактерий , но не обнаружены у других беспозвоночных .
Хемокины были разделены на четыре основных подсемейства: CXC, CC, CX3C и C. Все эти белки оказывают свое биологическое действие путем взаимодействия с трансмембранными рецепторами, связанными с G-белком , называемыми хемокиновыми рецепторами , которые избирательно обнаруживаются на поверхности клеток-мишеней. [4]
Основная роль хемокинов заключается в том, что они действуют как хемоаттрактанты, направляя миграцию клеток. Клетки, привлеченные хемокинами, следуют сигналу увеличения концентрации хемокинов в направлении источника хемокинов. Некоторые хемокины контролируют клетки иммунной системы во время процессов иммунного надзора, например, направляя лимфоциты в лимфатические узлы , чтобы они могли проверять инвазию патогенов путем взаимодействия с антигенпрезентирующими клетками, расположенными в этих тканях. Они известны как гомеостатические хемокины и производятся и секретируются без необходимости стимулировать клетки-источники. Некоторые хемокины играют роль в развитии; они способствуют ангиогенезу (росту новых кровеносных сосудов ) или направляют клетки к тканям, которые передают специфические сигналы, критически важные для клеточного созревания. Другие хемокины являются воспалительными и высвобождаются из самых разных клеток в ответ на бактериальную инфекцию, вирусы и агенты, вызывающие физические повреждения, такие как кремнезем или кристаллы уратов , которые возникают при подагре . Их высвобождение часто стимулируется провоспалительными цитокинами, такими как интерлейкин 1 . Воспалительные хемокины действуют главным образом как хемоаттрактанты для лейкоцитов , привлекая моноциты , нейтрофилы и другие эффекторные клетки из крови к местам инфекции или повреждения тканей. Определенные воспалительные хемокины активируют клетки, инициируя иммунный ответ или способствуя заживлению ран . Они высвобождаются многими различными типами клеток и служат для управления клетками как врожденной иммунной системы , так и адаптивной иммунной системы .
Хемокины функционально делятся на две группы: [5]
Основная функция хемокинов — управление миграцией лейкоцитов ( хоминг ) в соответствующих анатомических местах при воспалительных и гомеостатических процессах.
Базальный : гомеостатические хемокины базально продуцируются в тимусе и лимфоидных тканях. Их гомеостатическую функцию при возвращении лучше всего иллюстрируют хемокины CCL19 и CCL21 (экспрессируются в лимфатических узлах и на лимфатических эндотелиальных клетках) и их рецептор CCR7 (экспрессируется на клетках, предназначенных для возвращения в эти органы). Использование этих лигандов позволяет направить антигенпрезентирующие клетки (АПК) в лимфатические узлы во время адаптивного иммунного ответа. К числу других гомеостатических хемокиновых рецепторов относятся: CCR9, CCR10 и CXCR5, которые важны как часть клеточных адресов для тканеспецифического возвращения лейкоцитов . CCR9 поддерживает миграцию лейкоцитов в кишечник , CCR10 в кожу , а CXCR5 поддерживает миграцию B-клеток в фолликулы лимфатических узлов . Кроме того, CXCL12 (SDF-1), конститутивно продуцируемый в костном мозге, способствует пролиферации В-клеток-предшественников в микроокружении костного мозга. [7] [8]
Воспалительные : воспалительные хемокины вырабатываются в высоких концентрациях во время инфекции или травмы и определяют миграцию воспалительных лейкоцитов в поврежденный участок. Типичные воспалительные хемокины включают: CCL2, CCL3 и CCL5 , CXCL1, CXCL2 и CXCL8 . Типичным примером является CXCL-8, который действует как хемоаттрактант нейтрофилов. В отличие от гомеостатических хемокиновых рецепторов, существует значительная неразборчивость (избыточность), связанная со связыванием рецепторов и воспалительными хемокинами. Это часто усложняет исследования рецептор-специфической терапии в этой области. [8]
Белки классифицируются в семейство хемокинов на основании их структурных характеристик, а не только их способности привлекать клетки. Все хемокины небольшие, с молекулярной массой от 8 до 10 кДа . Они примерно на 20-50% идентичны друг другу; то есть они имеют общую последовательность генов и гомологию последовательностей аминокислот . Все они также содержат консервативные аминокислоты , которые важны для создания их трехмерной или третичной структуры , например (в большинстве случаев) четыре цистеина , которые взаимодействуют друг с другом попарно, образуя форму греческого ключа , характерную для хемокинов. Внутримолекулярные дисульфидные связи обычно соединяют остатки цистеина с первого по третий и со второго по четвертый, нумерация которых соответствует их последовательности в белковой последовательности хемокина. Типичные хемокиновые белки производятся в виде пропептидов , начиная с сигнального пептида, состоящего примерно из 20 аминокислот, который отщепляется от активной (зрелой) части молекулы в процессе его секреции из клетки. Первые два цистеина в хемокине расположены близко друг к другу вблизи N-конца зрелого белка, при этом третий цистеин находится в центре молекулы, а четвертый - вблизи С-конца . Петля примерно из десяти аминокислот следует за первыми двумя цистеинами и известна как N-петля . За ней следует одновитковая спираль, называемая 310 - спиралью , три β-цепи и С-концевая α-спираль . Эти спирали и нити соединены витками, называемыми петлями 30 , 40 и 50 ; третий и четвертый цистеины расположены в 30-й и 50-й петлях. [11]
Члены семейства хемокинов делятся на четыре группы в зависимости от расстояния между первыми двумя цистеиновыми остатками. Таким образом, номенклатура хемокинов следующая: CCL1 для лиганда 1 CC-семейства хемокинов и CCR1 для соответствующего рецептора.
Белки хемокинов CC (или β-хемокинов ) имеют два соседних цистеина ( аминокислоты ) вблизи их аминоконца . У млекопитающих было зарегистрировано по меньшей мере 27 отдельных членов этой подгруппы, называемых хемокиновыми лигандами CC (CCL) от -1 до -28; CCL10 — это то же самое, что CCL9 . Хемокины этого подсемейства обычно содержат четыре цистеина (хемокины C4-CC), но небольшое количество хемокинов CC содержат шесть цистеинов (хемокины C6-CC). Хемокины C6-CC включают CCL1, CCL15, CCL21, CCL23 и CCL28. [12] Хемокины CC индуцируют миграцию моноцитов и других типов клеток, таких как NK-клетки и дендритные клетки .
Примеры хемокина CC включают моноцитарный хемоаттрактантный белок-1 (MCP-1 или CCL2), который побуждает моноциты покинуть кровоток и проникнуть в окружающие ткани, чтобы стать тканевыми макрофагами .
CCL5 (или RANTES ) привлекает клетки, такие как Т-клетки, эозинофилы и базофилы , которые экспрессируют рецептор CCR5 .
Повышенные уровни CCL11 в плазме крови связаны со старением (и снижением нейрогенеза ) у мышей и людей. [13]
Два N-концевых цистеина хемокинов СХС (или α-хемокинов ) разделены одной аминокислотой, обозначенной в этом названии буквой «X». У млекопитающих описано 17 различных хемокинов CXC, которые подразделяются на две категории: хемокины со специфической аминокислотной последовательностью (или мотивом) глутаминовой кислоты - лейцина - аргинина (или для краткости ELR) непосредственно перед первым цистеином CXC. мотив (ELR-положительный) и без мотива ELR (ELR-негативный). ELR-положительные хемокины CXC специфически индуцируют миграцию нейтрофилов и взаимодействуют с хемокиновыми рецепторами CXCR1 и CXCR2 . Примером ELR-положительного хемокина CXC является интерлейкин-8 (IL-8), который побуждает нейтрофилы покидать кровоток и проникать в окружающие ткани. Другие хемокины CXC, у которых отсутствует мотив ELR, такие как CXCL13 , имеют тенденцию быть хемоаттрактантами для лимфоцитов. Хемокины CXC связываются с рецепторами хемокинов CXC , из которых на сегодняшний день обнаружено семь, обозначенных CXCR1-7.
Третья группа хемокинов известна как C-хемокины (или γ-хемокины) и отличается от всех других хемокинов тем, что содержит только два цистеина; один N-концевой цистеин и один цистеин ниже по течению. Для этой подгруппы описаны два хемокина, которые называются XCL1 ( лимфотактин -α) и XCL2 ( лимфотактин -β).
Также была обнаружена четвертая группа, члены которой содержат три аминокислоты между двумя цистеинами и называются хемокинами CX 3 C (или d-хемокинами). Единственный обнаруженный на сегодняшний день хемокин CX 3 C называется фракталкином (или CX 3 CL1). Он одновременно секретируется и прикрепляется к поверхности клетки, которая его экспрессирует, тем самым служа одновременно хемоаттрактантом и молекулой адгезии .
Хемокиновые рецепторы представляют собой рецепторы, связанные с G-белком, содержащие 7 трансмембранных доменов , которые находятся на поверхности лейкоцитов . На сегодняшний день охарактеризовано около 19 различных хемокиновых рецепторов, которые разделены на четыре семейства в зависимости от типа хемокинов, с которыми они связываются; CXCR , который связывает хемокины CXC, CCR , который связывает хемокины CC, CX3CR1 , который связывает единственный хемокин CX3C (CX3CL1), и XCR1 , который связывает два хемокина XC (XCL1 и XCL2). У них много общих структурных особенностей; они схожи по размеру (около 350 аминокислот ), имеют короткий кислый N-конец, семь спиральных трансмембранных доменов с тремя внутриклеточными и тремя внеклеточными гидрофильными петлями и внутриклеточный С-конец, содержащий остатки серина и треонина, важные для рецептора. регулирование. Каждая из первых двух внеклеточных петель хемокиновых рецепторов имеет консервативный остаток цистеина , который позволяет образовывать дисульфидный мостик между этими петлями. Белки G соединены с С-концевым концом хемокинового рецептора, чтобы обеспечить внутриклеточную передачу сигналов после активации рецептора, тогда как N-концевой домен хемокинового рецептора определяет специфичность связывания лиганда. [14]
Рецепторы хемокинов связываются с G-белками для передачи клеточных сигналов после связывания лиганда. Активация G-белков хемокиновыми рецепторами вызывает последующую активацию фермента, известного как фосфолипаза C (PLC). PLC расщепляет молекулу, называемую фосфатидилинозитол (4,5)-бисфосфат (PIP2), на две молекулы вторичного мессенджера , известные как инозитолтрифосфат (IP3) и диацилглицерин (DAG), которые запускают внутриклеточные сигнальные события; DAG активирует другой фермент, называемый протеинкиназой C (PKC), а IP3 запускает высвобождение кальция из внутриклеточных запасов. Эти события стимулируют множество сигнальных каскадов (таких как MAP-киназный путь ), которые генерируют такие реакции, как хемотаксис , дегрануляция , высвобождение супероксидных анионов и изменения авидности молекул клеточной адгезии, называемых интегринами, внутри клетки, несущей хемокиновый рецептор. [14]
Открытие того, что β-хемокины RANTES , MIP ( воспалительные белки макрофагов ) 1α и 1β (теперь известные как CCL5, CCL3 и CCL4 соответственно) подавляют ВИЧ -1, обеспечило первоначальную связь и указало на то, что эти молекулы могут контролировать инфекцию как часть иммунных реакций у пациентов с ВИЧ-1. vivo, [15] и что устойчивая доставка таких ингибиторов способна обеспечить долгосрочный контроль инфекции. [16] Связь продукции хемокинов с антиген-индуцированными пролиферативными реакциями, более благоприятным клиническим статусом при ВИЧ- инфекции, а также с неинфицированным статусом у субъектов из группы риска заражения предполагает положительную роль этих молекул в контроле естественного течения ВИЧ. инфекционное заболевание. [17]