Фактор некроза опухоли ( ФНО ), ранее известный как ФНО-α , является химическим посредником, который опосредует иммунную систему и вызывает воспаление. [5] ФНО вырабатывается в основном активированными макрофагами и вызывает воспаление, связываясь со своими целевыми рецепторами на других клетках. [6] Он является членом суперсемейства факторов некроза опухоли , семейства трансмембранных белков, которые являются иммуноцитокинами , химическими посредниками иммунной системы. [7] Избыточная продукция ФНО играет решающую роль в нескольких воспалительных заболеваниях, и для лечения этих заболеваний часто используются препараты, блокирующие ФНО . [8]
TNF вырабатывается в основном макрофагами, но также вырабатывается несколькими другими типами клеток, такими как Т-клетки , В-клетки , дендритные клетки и тучные клетки . Он быстро вырабатывается в ответ на патогены, цитокины и стрессоры окружающей среды, независимо от синтеза других белков. [9] TNF изначально вырабатывается как трансмембранный белок типа II (tmTNF), который затем расщепляется ферментом, превращающим TNF-альфа (TACE), в растворимую форму (sTNF) и секретируется из клетки. [10] Три молекулы TNF собираются вместе, образуя активный гомотример , тогда как отдельные молекулы TNF инертны. [10]
Когда TNF связывается со своими целевыми рецепторами, рецептором фактора некроза опухоли 1 (TNFR1) и рецептором фактора некроза опухоли 2 (TNFR2), в целевой клетке запускается путь сигналов, что приводит к воспалительной реакции. sTNF может активировать только TNFR1, тогда как tmTNF может активировать как TNFR1, так и TNFR2 [6] , а также запускать воспалительные сигнальные пути в своей собственной клетке. [11] Эффекты TNF на иммунную систему включают активацию лейкоцитов, свертывание крови , секрецию цитокинов и лихорадку , среди прочего. [5] TNF играет роль за пределами иммунной системы, например, способствуя гомеостазу в центральной нервной системе . [12]
Избыточная продукция ФНО является ключевым фактором при воспалительных заболеваниях, таких как ревматоидный артрит , псориаз и воспалительное заболевание кишечника , и может эффективно лечиться препаратами, которые ингибируют связывание ФНО с его рецепторами. [8] ФНО также участвует в патологии других заболеваний, включая рак , фиброз печени и болезнь Альцгеймера , хотя ингибирование ФНО еще не показало определенных преимуществ. [13] Из-за важной и сложной роли ФНО в иммунной системе, ингибирование ФНО может привести к побочным эффектам, таким как повышенный риск инфекций и новых форм аутоиммунитета. [14]
В 1890-х годах Уильям Б. Коли выдвинул теорию о том, что бактериальные инфекции оказывают благотворное влияние на опухоли, особенно саркомы , основываясь на рассказах о онкологических больных, излечившихся от внезапных приступов рожи . Коли смог успешно лечить онкологических больных, вводя им смесь бактериальных токсинов из стерилизованных нагреванием Streptococcus и Bacillus prodigiosus в опухоли и вокруг них, что вызывало кровотечение в опухолях. Однако эффективность этого лечения была непостоянной, а повторные инъекции вызывали серьезные побочные эффекты, такие как озноб и лихорадка, из-за чего лечение приходилось прекращать. [15]
В 1930-х и 1940-х годах Шир и др. выделили активный агент, вызывающий кровотечение из опухоли, из бактериальных токсинов Escherichia coli и Serratia marcescens . Они продемонстрировали, что этот агент, эндотоксин , при инъекции мышам с саркомами может подавлять рост опухоли или вызывать регрессию опухоли. [16] Однако регрессия опухоли сильно варьировалась, причем меньшие дозы эндотоксина часто имели большую эффективность, чем большие дозы, или целые группы мышей были устойчивы к эндотоксину. [17]
В 1975 году Элизабет Карсвелл и Ллойд Олд и др. исследовали противоопухолевые свойства эндотоксина, вводя сыворотку мышей , обработанных эндотоксином, другим мышам. Они обнаружили, что когда мышей, инфицированных Bacillus Calmette Guerin (BCG), лечили эндотоксином, они вырабатывали сыворотку, которая убивала саркомы у других мышей. Между тем, когда неинфицированных мышей лечили эндотоксином, они вырабатывали сыворотку, которая не убивала саркомы. Это привело авторов к выводу, что противоопухолевая сыворотка содержала отдельный цитотоксический фактор, который не был эндотоксином, а вместо этого вырабатывался хозяином, называемый фактором некроза опухоли (ФНО). Поскольку у мышей, инфицированных БЦЖ, были увеличены селезенки из-за повышенной продукции макрофагов , авторы сделали вывод, что ФНО высвобождался макрофагами при воздействии эндотоксинов. [18]
Помимо уничтожения сарком у живых мышей ( in vivo ), ФНО также убивал клетки L-929, неопластическую клеточную линию, в клеточных культурах ( in vitro ). Из-за неудобств выращивания мышей цитотоксичность к клеткам L-929 in vitro стала стандартным методом обнаружения ФНО. [19] Открытие того, что ФНО был цитотоксичен для раковых и аномальных клеточных линий, но не для нормальных клеточных линий, породило надежды на то, что его можно будет использовать в качестве терапии рака. [18]
В августе 1984 года Бхарат Аггарвал и др. из Genentech очистили и охарактеризовали человеческий TNF. TNF был получен путем культивирования HL-60 , линии человеческих клеток, с форболмиристатацетатом (PMA), стимулятором фагоцитов, подобным эндотоксину. TNF был очищен с использованием стеклянных шариков с контролируемыми порами , хроматографии DEAE , хроматографии Mono Q и обращенно-фазовой ВЭЖХ . Было определено, что TNF, очищенный с использованием обращенно-фазовой ВЭЖХ, имеет молекулярную массу 17 000 кДа с помощью SDS-PAGE , тогда как TNF, очищенный с использованием TSK-HPLC в неденатурирующих условиях, имеет приблизительную молекулярную массу 45 000 кДа, что позволяет предположить, что TNF в природе существует в виде олигомера . Аминокислотная последовательность TNF была определена с использованием деградации Эдмана , выявив последовательность из 157 аминокислот со значительной гомологией с аминокислотной последовательностью лимфотоксина-α . [20]
В том же месяце Пенника и др., также из Genentech, секвенировали кДНК человеческого ФНО. Библиотека кДНК была сконструирована из мРНК клеток HL-60, индуцированных PMA. Для скрининга библиотеки кДНК использовался 42-основной ДНК-зонд , сконструированный путем угадывания кодонов части аминокислотной последовательности ФНО. Соответствующая кДНК была секвенирована, выявив препоследовательность из 76 аминокислот, за которой следовали 157 аминокислот зрелого ФНО. Авторы пришли к выводу, что ФНО сначала синтезируется в более крупную форму-предшественника, содержащую сигнальный пептид , а затем обрабатывается и высвобождается в виде меньшей зрелой формы. Авторы также синтезировали ФНО в E. coli и проверили его цитотоксичность против клеток L-929 in vitro и против сарком мышей in vivo . [21]
В июне 1981 года Ян А. Кларк и др. обнаружили, что здоровые мыши, инфицированные паразитом , вызывающим малярию, развивали симптомы, похожие на малярию, и высвобождали ФНО при лечении эндотоксином. Между тем, неинфицированные мыши не высвобождали ФНО при инъекции эндотоксина. Эти результаты в сочетании с доказательствами наличия эндотоксинов в сыворотке пациентов с малярией привели авторов к предположению, что ФНО высвобождается во время малярийных инфекций и, возможно, играет роль в возникновении симптомов малярии. [22]
В 1985 году Кевин Дж. Трейси , Ян Милсарк и Энтони Керами обнаружили, что мыши, иммунизированные от ФНО с помощью антисыворотки ФНО , были устойчивы к летальному эффекту эндотоксина, что указывает на то, что ФНО является одним из медиаторов летальности эндотоксина. [23] В 1986 году это подтвердили Кевин Дж. Трейси и Брюс Бейтлер , когда они продемонстрировали, что у мышей, которым вводили ФНО, проявлялись общие симптомы отравления эндотоксином, такие как гипотония , метаболический ацидоз , гемоконцентрация и смерть. [24]
В 1991 году Майкл Гудман продемонстрировал, что мыши, которым вводили ФНО, высвобождали повышенные уровни тирозина и 3-метил-L-гистидина в своих скелетных мышцах, что указывает на то, что ФНО вызывает разрушение мышц. [25] В 1996 году Штефферл и др. продемонстрировали, что у мышей, которым вводили мышиный ФНО, развивается лихорадка, окончательно доказав, что ФНО является пирогеном . Предыдущие исследования показали неубедительные результаты из-за использования человеческого ФНО, а не мышиного ФНО, на мышах. [26]
Неблагоприятные побочные эффекты ФНО, такие как мышечная атрофия и эндотоксиновый шок, ставят под сомнение его потенциал в качестве лечения рака. [19]
В сентябре 1981 года Масанобу Каваками и Энтони Черами исследовали тенденцию эндотоксинов вызывать высокий уровень жира в крови, известный как гипертриглицеридемия , при инъекции животным. Было известно, что это состояние вызывается дефицитом липопротеинлипазы ( ЛПЛ), фермента, ответственного за расщепление жира в кровотоке. Они вводили сыворотку мышей, обработанных эндотоксином, другим мышам и обнаружили, что сыворотка снижала активность ЛПЛ у мышей-реципиентов, даже если мыши-реципиенты были устойчивы к самому эндотоксину. Это привело авторов к выводу, что гипертриглицеридемия была вызвана не эндотоксином, а опосредованным фактором, вырабатываемым хозяином в ответ на эндотоксин, называемым кахектином. Авторы также обнаружили, что инкубированные с эндотоксином клетки экссудата , состоящие в основном из макрофагов, производили среду, которая также снижала активность ЛПЛ у мышей. Это указывало на то, что кахектин секретировался макрофагами в ответ на эндотоксин. [27]
В 1985 году Бейтлер и др. продемонстрировали, что мышиный кахектин обладает цитотоксичностью, схожей с TNF, против клеток L-929, а также почти идентичной N-концевой аминокислотной последовательностью с человеческим TNF, что указывает на то, что кахектин и TNF являются одним и тем же белком. Поскольку известно, что кахектин (теперь TNF) подавляет биосинтез специфического белка, липопротеинлипазы, авторы пришли к выводу, что цитотоксический механизм TNF действует аналогичным образом. [28]
В 1968 году был открыт лимфотоксин , цитотоксин, секретируемый лимфоцитами . ФНО и лимфотоксин имели несколько сходств: оба были обнаружены на основе их способности убивать клетки L-929; оба были способны связываться с двумя известными рецепторами ФНО, TNFR1 и TNFR2 ; и оба белка имели значительную генетическую и аминокислотную гомологию. Сходство между ФНО и лимфотоксином привело к неофициальному переименованию ФНО в ФНО-α, а лимфотоксина в ФНО-β, причем опубликованное обоснование состояло в том, что оба были обнаружены одним и тем же методом. [19]
В 1993 году было обнаружено, что лимфотоксин, который не является трансмембранным белком , присутствует на клеточной мембране , образуя комплекс с отдельным трансмембранным гликопротеином , называемым лимфотоксином-β . [29] Также было обнаружено, что лимфотоксин играет важную роль в развитии лимфоидных органов , отличая его биологическую функцию от TNF. В результате этих разработок TNF-β был переименован в лимфотоксин-α, а TNF-α был переименован обратно в TNF. [19] Тем не менее, в некоторых работах продолжают использовать термин TNF-α. [30]
Ген TNF человека картирован на хромосоме 6p 21.3, расположенной в области класса III главного комплекса гистосовместимости . Он составляет 250 килобаз центромерного локуса HLA-B, 850 килобаз теломерного локуса HLA-DR и 1100 пар оснований ниже гена лимфотоксина-α . [31] Ген TNF имеет длину 2762 пары оснований и приводит к образованию зрелой мРНК, состоящей из 1669 нуклеотидов. [32] Проксимальная область промотора имеет длину приблизительно 200 пар оснований. [9] В суперсемействе факторов некроза опухоли TNF обозначается как TNFSF2 . [33]
Транскрибируемая область содержит 4 экзона , разделенных 3 интронами , что в общей сложности составляет 2762 пары оснований в первичном транскрипте и 1669 пар оснований в мРНК. [32] мРНК состоит из четырех областей: 5'-нетранслируемой области , которая не включена в белок TNF; трансмембранной части, которая присутствует в трансмембранном TNF, но не в растворимом TNF; растворимой части; и 3'-нетранслируемой области . Более 80% растворимой части содержится в последнем экзоне, тогда как трансмембранная часть содержится в первых двух экзонах. 3'-нетранслируемая область содержит элемент, богатый AU (ARE), который регулирует трансляцию TNF. [34] В нестимулированных макрофагах различные белки связываются с ARE, чтобы дестабилизировать мРНК TNF, подавляя трансляцию TNF. После активации трансляция TNF не подавляется. [35]
Ген TNF экспрессируется в основном в макрофагах , но может также экспрессироваться в Т-клетках , В-клетках , естественных клетках-киллерах , тучных клетках , дендритных клетках и фибробластах . Ген TNF также является геном немедленного раннего ответа ; его активация происходит быстро и не зависит от синтеза других белков. [9]
TNF активируется в ответ на сигналы инфекции, воспаления или стресса. Такие стимулы часто являются патогенными, например, бактериальные эндотоксины , вирусы, простейшие , суперантигены , полигидроксиалканоаты и вирусная РНК. Стимулы также могут быть непатогенными, включая ионофоры , митогены , анти-CD3 и частицы кремния. TNF также активируется другими цитокинами, такими как интерлейкин-1 , интерлейкин-2 , GM-CSF и сам TNF, а также экологическими стрессами, такими как радиация , осмотический стресс и высокий уровень глюкозы. [9]
Эти стимулы запускают активацию различных факторов транскрипции, таких как NF-κB , NFAT , c-jun , ATF-2 , Ets , Elk-1 и Sp1 , которые перемещаются в ядро, чтобы начать транскрипцию TNF. Факторы транскрипции, которые регулируют экспрессию TNF, различаются в зависимости от типа клеток и задействованного стимула. [9]
Экспрессия гена TNF регулируется через энхансеосомы , где множественные факторы транскрипции и коактиваторы собираются в структуры высокого порядка для активации транскрипции. Проксимальная область промотора, охватывающая приблизительно 200 пар оснований перед транскрибируемой областью, содержит множественные сайты связывания факторов транскрипции, многие из которых могут распознавать более одного типа факторов транскрипции. [9]
Состав энхансеосомы зависит от концентрации NFAT в ядре . Если уровни NFAT высокие, например, в Т-клетках при стимуляции иономицином, энхансеосома будет состоять в основном из NFAT, связанных с сайтами связывания NFAT. Если уровни NFAT низкие, энхансеосома будет состоять в основном из белков Sp1 и Ets/Elk, связанных с совместимыми сайтами связывания. [9]
Кроме того, проксимальная область промотора содержит элемент ответа циклического AMP (CRE), сайт связывания для гетеродимера белков ATF-2 и c-jun , который имеет решающее значение для активации TNF во всех типах клеток и состояниях. CRE и близлежащие факторы транскрипции образуют основные составные комплексы, в то время как отдаленные факторы транскрипции образуют якорные комплексы. Вместе основной комплекс и якорные комплексы стабилизируют взаимодействия с коактиваторами и транскрипционным аппаратом. Проксимальная область промотора также содержит бокс TATA для содействия транскрипции. [9]
Гибкость энхансеосомы позволяет гену ФНО активироваться широким спектром типов клеток и стимулов. [9]
Было показано, что фактор транскрипции NF-κB играет важную роль в регуляции экспрессии гена TNF. Однако неясно, активирует ли NF-κB транскрипцию TNF, связываясь напрямую с сайтами в области промотора или через вторичные эффекты. Из шести последовательностей, идентифицированных как потенциальные сайты связывания NF-κB в области промотора человеческого TNF, только 1 находится в проксимальной области промотора. Более того, делеция или мутация этих сайтов связывания не влияет на активацию гена TNF индукцией эндотоксина, что указывает на то, что NF-κB не может влиять на экспрессию TNF, напрямую связываясь с промотором. [9]
Было обнаружено, что другие факторы транскрипции потенциально влияют на экспрессию гена TNF, такие как белки семейств bZIP , STAT и IRF , а также фактор TNF-α, индуцированный эндотоксином (LIPAF). Однако их влияние на экспрессию гена TNF еще предстоит полностью изучить. [9]
Экспрессия гена TNF регулируется модификациями гистонов, вокруг которых обернута ДНК. Активация TNF связана с несколькими гистонацетилтрансферазами , белками, которые расслабляют структуру ДНК для увеличения экспрессии генов, такими как ATF-2, CBP/p300 , p/CAF и GCN5 . Было также показано, что метилирование гистонов регулирует экспрессию гена TNF, например, метилирование лизина 4 гистона H3 на промоторе TNF после стимуляции клеток, экспрессирующих TNF. [9]
Экспрессия гена TNF также контролируется наличием участков гиперчувствительности к ДНКазе (HSS), областей хроматина, которые не конденсированы и, таким образом, доступны для ДНК-связывающих белков. Несколько исследований показали, что HSS присутствуют в промоторе TNF и области гена в клетках, которые экспрессируют TNF, и отсутствуют в клетках, которые не экспрессируют TNF. Другие исследования также показали, что HSS присутствуют в промоторе TNF и областях гена в зависимости от стимулятора, используемого для индукции клетки. [9]
Также было обнаружено, что дальние внутрихромосомные и межхромосомные взаимодействия регулируют экспрессию гена TNF. Например, в активированных Т-клетках промоутер TNF взаимодействует с HSS+3 и HSS-9, приближая дистальные энхансеры к промоутеру TNF и увеличивая локальную концентрацию комплексов энхансеров. Эти взаимодействия также закольцевали бы ген TNF и позволили бы рециркулировать транскрипционный аппарат, обеспечивая быструю и раннюю экспрессию TNF в Т-клетках. [9]
Гены TNF и лимфотоксина-α, как полагают, произошли от общего гена-предка, который развился на ранней стадии эволюции позвоночных, до разделения Agnatha / Gnathostomata . Этот ген-предок был выброшен из предка Agnatha, но сохранился у предка Gnathostomata. В ходе эволюции челюстноротых этот ген-предок был продублирован в гены TNF и лимфотоксина-α. [33]
Таким образом, в то время как ген-предок TNF / лимфотоксина-α обнаружен у различных видов челюстноротых, только подмножество видов челюстноротых содержит ген TNF. Ген TNF был обнаружен у рыб, млекопитающих, птиц и амфибий. Было обнаружено, что некоторые виды рыб, такие как данио , содержат дубликаты гена TNF. [33]
Ген TNF очень похож среди млекопитающих, варьируясь от 233 до 235 аминокислот. [36] Проксимальная область промотора TNF также высококонсервативна среди млекопитающих и почти идентична среди высших приматов . [9] Сходство гена TNF среди рыб ниже, варьируясь от 226 до 256 аминокислот. Как и TNF млекопитающих, ген TNF рыб, как было показано, стимулируется в макрофагах антигенами . [36] Все гены TNF имеют высококонсервативный C-концевой модуль, известный как домен гомологии TNF, из-за его важной роли в связывании TNF с его рецепторами. [33]
Человеческий TNF изначально вырабатывается как трансмембранный белок типа II , обозначаемый tmTNF, который расщепляется ферментом TNF-альфа-превращающим (TACE) в растворимую форму, обозначаемую sTNF. Оба, tmTNF и sTNF, являются биоактивными и собираются в виде гомотримеров , тогда как мономерный TNF неактивен. [10]
tmTNF состоит из 233 аминокислот, весит 26 кДа и организован как гомотример. tmTNF подает сигналы двунаправленно, как в клетку-мишень, так и в свою собственную клетку, связываясь с рецепторами TNF при контакте клетка-клетка. tmTNF связывается как с TNFR1, так и с TNFR2, но его активность в основном опосредована TNFR2. Как и все трансмембранные белки типа II, tmTNF организован таким образом, что N-конец направлен внутрь клетки, а C-конец — наружу из клетки. [10]
tmTNF состоит из внутриклеточной части из 30 аминокислот, трансмембранной части из 26 аминокислот и внеклеточной части из 177 аминокислот. Остаток цистеина на границе внутриклеточной и трансмембранной частей пальмитоилирован , что делает его более гидрофобным и привлекательным для клеточной мембраны. Внутриклеточная часть содержит остатки серина, которые высококонсервативны между видами и необходимы для передачи сигналов в клетку. Эти остатки серина также фосфорилированы , хотя неясно, какую роль это играет. [10]
При расщеплении TACE, 157 аминокислот внеклеточной части, образующие sTNF, секретируются. Оставшийся tmTNF снова расщепляется SPPL2B , заставляя внутриклеточный домен перемещаться в ядро, где, как полагают, он регулирует выработку цитокинов, например, запуская экспрессию интерлейкина-12 . [10]
sTNF состоит из 157 аминокислот, весит 17 кДа и имеет форму треугольного клина. Вторичная структура sTNF состоит из 10 β-нитей и одной α-спирали . Третичная структура состоит из двух антипараллельных β-слоев, расположенных в виде антипараллельного β-сэндвича , похожего на структурный мотив «рулет с желе» вирусных белков оболочки . Верхний β-слой состоит из трех длинных β-нитей, дополненных петлей из двух дополнительных β-нитей, в то время как нижний β-слой состоит из пяти β-нитей постоянно уменьшающейся длины. Средняя β-нить нижнего β-слоя содержит последние 9 остатков С-конца, фиксируя его в нужном положении. Было показано, что полный C-терминал жизненно важен для биоактивности, тогда как до восьми остатков могут быть удалены из N-терминала без потери биоактивности. Дисульфидный мостик соединяет две самые длинные межслойные петли. [37]
Подобно tmTNF, sTNF также организован как гомотример, образуя коническую форму. Три мономера sTNF соединяются с помощью упаковки «ребро к лицу». Верхние слои мономеров sTNF образуют внешнюю поверхность конуса тримера, в то время как нижние слои образуют внутреннюю поверхность. Внешняя поверхность содержит заряженные и полярные боковые цепи, а внутренняя поверхность в основном полярна по своему характеру. [37]
Мономеры TNF образуют тримеры TNF, сначала образуя частично развернутый тример, также известный как тримерная расплавленная глобула , которая затем сворачивает свои третичные структуры в компактный, биоактивный тример TNF. [38] Сборка и разборка тримеров TNF обратимы и включают накопление димеров TNF. [39]
Разборка тримеров TNF происходит с постоянной скоростью, независимой от концентрации TNF, тогда как сборка тримеров TNF увеличивается с концентрацией TNF. Таким образом, при высоких концентрациях TNF концентрация тримеров TNF выше, в то время как при низких концентрациях TNF выше концентрация мономеров и димеров TNF. [40]
Было обнаружено, что малые молекулы образуют стабильные димеры TNF с формой, которая ингибирует переход в тримеры TNF. Ингибирование образования тримеров TNF путем изменения формы неактивных мономеров и димеров TNF представляет собой альтернативный механизм ингибирования TNF, в отличие от текущих блокаторов TNF, которые связываются с активными тримерами TNF. [41]
Способность TNF образовывать функционально различные димеры и тримеры, которые сосуществуют в равновесии, предполагает, что TNF является морфеином . Однако не установлено, полностью ли TNF удовлетворяет критериям морфеина, таким как требование, чтобы переходы между олигомерными формами включали диссоциацию на субъединицы перед повторной ассоциацией в новую олигомерную форму. [42]
TNF является центральным медиатором врожденного иммунного ответа организма . [5] Связываясь с рецепторами TNFR1 и TNFR2 , TNF может вызывать либо выживание клеток, либо их гибель в целевой клетке. Реакция на выживание клеток включает пролиферацию клеток и активацию воспалительных сигналов, в то время как реакция на гибель клеток может быть либо апоптозом , контролируемой гибелью клетки, либо некроптозом , менее контролируемой смертью, вызывающей воспаление и вмешательство в окружающую ткань. TNF вызывает выживание клеток по умолчанию, но гибель клеток может быть вызвана такими факторами, как нарушение воспалительных путей патогенами, костимуляция с другими цитокинами и перекрестные помехи между TNFR1 и TNFR2. [6] Кроме того, трансмембранный TNF (tmTNF) действует как обратный сигнализатор, вызывая различные реакции в собственной клетке в зависимости от типа клетки и стимулятора. [43]
TNFR1 существует в большинстве типов клеток и связывается как с tmTNF, так и с sTNF. TNFR1 содержит домен смерти в своем цитоплазматическом хвосте, что позволяет ему вызывать гибель клеток. [43] То, запускает ли активация TNFR1 выживание клеток или гибель клеток, опосредовано образованием белковых комплексов: комплекса I, который приводит к выживанию клеток, и комплекса II, который приводит к гибели клеток. По умолчанию активация TNFR1 запускает пролиферацию клеток и воспаление, а не гибель клеток. Эти воспалительные пути содержат три контрольные точки гибели клеток, каждая из которых имеет решающее значение для предотвращения гибели клеток. [6]
При активации TNF TNFR1 тримеризуется и образует комплекс I, привлекая RIPK1 и TRADD , которые привлекают TRAF2 , cIAP1 и cIAP2 , а также LUBAC . cIAP1 и cIAP2 являются убиквитинлигазами , которые образуют связанные с K63 цепи убиквитина, которые привлекают TAK1 через TAB2 и TAB3 . LUBAC также является убиквитинлигазой , которая образует связанные с M1 цепи убиквитина, которые привлекают IKK через NEMO . TAK1 активирует пути MAPK , а также IKK, который, в свою очередь, активирует канонический путь NF-κB . Пути MAPK и путь NF-κB активируют множественные факторы транскрипции в ядре, что приводит к выживанию клеток, пролиферации и воспалительному ответу. Комплекс I отрицательно регулируется деубиквитиназами , такими как A20 , CYLD и OTULIN , которые дестабилизируют комплекс I. [6]
Комплекс II образуется, когда RIPK1 и/или TRADD отделяются от комплекса I и связываются с FADD , активируя каспазу 8 , что приводит к гибели клетки. Комплекс IIa включает TRADD и может активировать каспазу 8 без RIPK1, в то время как комплекс IIb не включает TRADD, поэтому он зависит от RIPK1 для активации каспазы 8. Пути комплекса I индуцируют три контрольные точки, которые не позволяют комплексу II индуцировать гибель клетки. [6]
В первой контрольной точке IKK отключает RIPK1 посредством фосфорилирования , пока он присоединен к комплексу I. Это отключает комплекс IIb, который зависит от RIPK1. Поскольку IKK зависит от убиквитинирования комплекса I, условия, которые влияют на убиквитинирование, такие как ингибирование cIAP1/2 и LUBAC, мутация акцепторного сайта убиквитина RIPK1 или дефициты A20 и OUTLIN, могут отключить эту контрольную точку. Отключение контрольной точки IKK активирует комплекс IIb, что приводит к апоптозу или пироптозу путем расщепления GSDMD . Отключение контрольной точки IKK также может косвенно активировать комплекс IIa, отключая путь NF-κB, который контролирует вторую контрольную точку. [6]
Во второй контрольной точке путь NF-κB способствует экспрессии генов, способствующих выживанию, таких как FLIP , который противодействует активации каспазы 8 в комплексе IIa. Эту контрольную точку можно отключить с помощью ингибиторов трансляции, таких как циклогексимид , а также путем отключения комплекса IKK, который контролирует путь NF-κB. Отключение этой контрольной точки активирует комплекс IIa, что приводит к апоптозу. [6]
В третьей контрольной точке нелетальная каспаза 8 активируется сигналом TNFR1, который связывается с комплексом IIb и расщепляет RIPK1, отключая его. Неизвестно, почему эта форма каспазы 8 не вызывает гибель клеток. Отключение этой контрольной точки посредством инактивации каспазы 8 заставляет RIPK1 из комплекса IIb связываться с RIPK3 и MLKL , образуя комплекс IIc, также называемый некросомой. Затем некросома вызывает некроптоз. [6]
В отличие от TNFR1, TNFR2 экспрессируется в ограниченных типах клеток, включая эндотелиальные клетки , фибробласты и подмножества нейронов и иммунных клеток . TNFR2 полностью активируется только tmTNF, тогда как активация sTNF частично ингибируется. В отличие от TNFR1, TNFR2 не обладает доменом смерти, поэтому он не способен напрямую вызывать гибель клеток. Таким образом, активация TNFR2 чаще всего приводит к выживанию клеток. Выживание клеток может привести либо к воспалительному ответу через каноническую активацию NF-κB, либо к пролиферации клеток через неканоническую активацию NF-κB, в зависимости от внутриклеточных условий и процесса сигнализации TNFR1. TNFR2 также может косвенно вызывать гибель клеток, нарушая контрольные точки гибели клеток TNFR1. [43]
При связывании с tmTNF TNFR2 тримеризуется и напрямую рекрутирует TRAF2, а также TRAF1 или TRAF3. TRAF2 занимает центральное место в сигнальном комплексе TNFR2 и рекрутирует cIAP1/2. Если внутри клетки происходит накопление NIK , TRAF2/3 и cIAP1/2 могут быть сформированы в виде комплекса с неактивным NIK. Когда TRAF2/3 связывается с TNFR2, активируется прикрепленный NIK, который, в свою очередь, активирует IKKα . Это позволяет p100 и RelB обрабатываться в гетеродимер , который активирует неканонический путь NF-κB, что приводит к пролиферации клеток. Экспрессия p100 и RelB усиливается активацией канонического пути NF-κB с помощью TNFR1. Таким образом, неканоническая активация NF-κB TNFR2 зависит от канонической активации NF-κB TNFR1, а также от накопления NIK внутри клетки. [43]
TNFR2 также может активировать канонический путь NF-κB, хотя это встречается реже, чем неканоническая активация NF-κB. Подробности активации TNFR2 канонического пути NF-κB неизвестны. Предположительно, TAK1 и IKK привлекаются сигнальным комплексом TRAF2 / TRAF1/3 / cIAP1/2, который, в свою очередь, активирует канонический путь NF-κB. [43]
TNFR2 может косвенно вызывать гибель клеток путем деградации cIAP1/2 как части неканонического пути NF-κB. Деградация cIAP1/2 влияет на убиквитинирование сигнального комплекса TNFR1, что подавляет функцию IKK. Это отключает контрольную точку гибели клеток IKK в TNFR1, вызывая гибель клеток. [6]
tmTNF может действовать как рецептор, активируя пути внутри собственной клетки при связывании с TNFR1 или TNFR2. Обратный сигнал tmTNF может вызывать апоптоз, резистентность к апоптозу, воспаление или резистентность к воспалению в зависимости от лиганда и типа клетки. [11]
В опухолевых клетках, таких как клетки В-лимфомы , было показано, что обратная сигнализация tmTNF увеличивает активность NF-κB, повышая выживаемость клеток и устойчивость к апоптозу. В естественных клетках-киллерах обратная сигнализация tmTNF увеличивает цитотоксическую активность за счет увеличения экспрессии перфорина , гранзима B , лиганда Fas и TNF. В Т-клетках активация пути JNK обратной сигнализацией tmTNF может привести к ингибированию клеточного цикла и апоптозу. [11]
В моноцитах tmTNF, как было показано, играет двойную роль в опосредовании воспалительного ответа моноцита на sTNF. Если обратный сигнал tmTNF происходит до того, как моноцит активируется sTNF, то воспалительный ответ моноцита на sTNF усиливается. Если обратный сигнал tmTNF происходит после того, как моноцит активируется sTNF, то воспалительный ответ снижается. [11] Между тем, обратный сигнал tmTNF снижает воспалительный ответ моноцита на эндотоксин . Этот эффект вызван активацией tmTNF путей JNK и p38 , что вызывает выработку TGF-β , который затем вмешивается в сигнальный путь эндотоксина. [11]
Врожденная иммунная система активируется, когда патоген-ассоциированные молекулярные паттерны (PAMP), такие как эндотоксины и двухцепочечная вирусная РНК , связываются с рецепторами распознавания паттернов (PRR) иммунных клеток, заставляя их секретировать иммунорегулирующие цитокины. Эти цитокины, такие как IL-1 , IL-6 , IL-8 и TNF, в основном секретируются мононуклеарными фагоцитами, такими как макрофаги и дендритные клетки . Они в основном действуют на белые кровяные клетки , также известные как лейкоциты, а также на эндотелиальные клетки в кровеносных сосудах, способствуя ранней воспалительной реакции. [5]
TNF является основным цитокином для регулирования острого воспаления, хотя многие из его функций являются общими с другими цитокинами, особенно IL-1. Связываясь с рецепторами TNF, TNF может выполнять функции, включая стимуляцию эндотелиальных клеток для индукции коагуляции , которая препятствует кровотоку, чтобы предотвратить распространение микробов; стимуляцию эндотелиальных клеток и макрофагов для секреции хемокинов , которые привлекают лейкоциты; стимуляцию секреции других цитокинов, таких как IL-1; активацию нейтрофилов и макрофагов; стимуляцию печени для выработки белков острой фазы , таких как С-реактивный белок ; индукцию катаболизма мышц и жира для производства энергии; и стимуляцию образования рубцовой ткани, также известного как фиброз . Помимо индукции секреции цитокинов, сам TNF может быть индуцирован цитокинами, что обеспечивает каскад воспалительных сигналов. Избыточное количество TNF может вызвать септический шок . [5]
Большая часть функций TNF опосредована воспалительными сигнальными путями, такими как MAPK и NF-κB. Многие патогены пытаются предотвратить иммунный ответ, захватывая клетки и нарушая их воспалительные пути. В ответ на это сигнальный путь TNFR1 имеет пути клеточной смерти, которые ингибируются активностью воспалительных путей. Если воспалительные пути клетки нарушены, пути клеточной смерти не ингибируются, вызывая гибель клетки. Это предотвращает репликацию патогена внутри клетки, а также предупреждает иммунную систему. [6]
Кроме того, TNF вызывает лихорадку , чтобы помочь организму бороться с инфекциями. TNF может вызывать лихорадку, вызывая высвобождение цитокинов интерлейкина-1 и интерлейкина-6 , или через другие медиаторы, такие как PLA2 . TNF или его медиаторы могут достигать гипоталамуса либо через циркуляцию в кровотоке, либо через секрецию макрофагами и эндотелиальными клетками вблизи гипоталамуса. TNF также может вызывать лихорадку, стимулируя первичные вагальные терминали в печени, которые сигнализируют нейронам о необходимости секреции норадреналина . Все эти пути достигают кульминации в синтезе простагландинов , которые взаимодействуют с OVLT в гипоталамусе, чтобы повысить целевую температуру тела. [44]
ФНО экспрессируется в различных клетках центральной нервной системы , включая глиальные клетки , микроглию , астроциты и нейроны , и играет важную роль в поддержании гомеостаза. [12]
Через сигнализацию TNFR1, TNF может увеличивать поверхностную экспрессию рецепторов AMPA и рецепторов NDMA в нейронах, усиливая синаптическую передачу. TNF также снижает поверхностную экспрессию рецепторов GABAA , снижая активность ингибирующих синапсов. TNF также может модулировать высвобождение глутамата , возбуждающего нейромедиатора, и S100B , цинксвязывающего белка, астроцитами. Модуляция возбуждения и торможения нейронов TNF указывает на то, что TNF играет роль в синаптическом масштабировании и пластичности. [12]
Через сигнализацию TNFR2 TNF способствует пролиферации и созреванию олигодендроцитов , которые производят защитные миелиновые оболочки вокруг нервных клеток. С другой стороны, TNF становится цитотоксичным для клеток-предшественников олигодендроцитов, когда клетки контактируют с астроцитами. [12]
Избыточная продукция ФНО играет ключевую роль в патологии аутоиммунных заболеваний , таких как ревматоидный артрит , воспалительное заболевание кишечника , псориатический артрит , псориаз и неинфекционный увеит . [8] При этих заболеваниях ФНО ошибочно секретируется иммунными клетками в ответ на факторы окружающей среды или генетические мутации. Затем ФНО запускает воспалительную реакцию, повреждая нормальные ткани. Блокаторы ФНО используются для лечения этих заболеваний, часто с высокой эффективностью. [6]
TNF способствует воспалительным заболеваниям как путем активации воспалительных путей в целевых клетках, так и путем запуска клеточной смерти. Клеточная смерть запускает воспаление, подвергая внутриклеточные компоненты умирающих клеток воздействию соседних клеток. Кроме того, гибель эпителиальных клеток в коже или кишечнике может повлиять на целостность барьера, позволяя микробам проникать в ткани и вызывать воспаление. Считается, что TNF запускает клеточную смерть при воспалительных заболеваниях из-за повышенных уровней интерферирующих цитокинов, повышенных уровней сигнализации TNFR2 или генетических мутаций, которые отключают контрольные точки клеточной смерти. В моделях на животных одной активации клеточной смерти достаточно, чтобы запустить аутовоспалительные заболевания. Препараты, нацеленные конкретно на путь клеточной смерти TNF, оцениваются на предмет их эффективности против аутовоспалительных заболеваний. [6]
TNF был первоначально обнаружен как агент, убивающий опухоли, в частности саркомы . Однако теперь известно, что TNF играет двойную роль в раке, как промоутер и ингибитор, из-за его способности вызывать либо пролиферацию, либо смерть в опухолевых клетках. Точные механизмы, определяющие, какую роль TNF играет в раке, неясны. В целом, TNF считается промотором рака. [45]
В некоторых видах рака было показано, что ФНО играет ингибирующую роль, в первую очередь при местном введении, многократном применении и в высоких концентрациях. Из-за неблагоприятных побочных эффектов ФНО потенциальные методы лечения рака ФНО стремятся максимизировать цитотоксичность для опухолей, минимизируя воздействие на весь организм. Некоторые методы лечения увеличивают цитотоксичность, ингибируя пути выживания клеток опухолей до лечения ФНО. Другие методы лечения локализуют активность ФНО с помощью слияний антитела и ФНО, также известных как иммуноцитокины. Было показано, что местное лечение ФНО вызывает регрессию опухоли, хотя оно редко вызывает полную ремиссию . Введение ФНО по всему телу показало низкую эффективность и высокие побочные эффекты. [45]
При многих видах рака TNF, как полагают, играет вспомогательную роль. Высокие уровни экспрессии TNF связаны с более запущенными формами рака, а экспрессия TNF обнаруживается в опухолевых клетках на ранних стадиях заболевания. Экспрессия TNF может привести к привлечению лейкоцитов , способствующих метастазированию , а также к прямой активации путей, способствующих выживанию опухоли, инвазии и метастазированию. Блокаторы TNF, такие как инфликсимаб и этанерцепт, не вызывали ответа при большинстве запущенных или метастатических форм рака, но некоторые исследования показали стабилизацию заболевания. [45]
TNF играет важную роль во врожденном иммунном ответе на инфекции. Соответственно, использование блокаторов TNF связано с повышенным риском заражения, например, вирусом Varicella-zoster , вирусом Эпштейна-Барр и цитомегаловирусом . [46]
Наоборот, TNF играет роль в прогрессировании ВИЧ , вызывая апоптоз Т-клеток у ВИЧ-инфицированных людей. Сообщается, что блокирование TNF привело к клиническому улучшению при ВИЧ без ухудшения инфекции, хотя данные ограничены. [46]
Считается, что TNF является важным фактором сепсиса из-за его способности повышать регуляцию врожденной иммунной системы и свертываемости крови. У животных инъекция TNF может вызвать дисфункцию сердца, легких, почек и печени, похожую на сепсис. Однако у людей, страдающих сепсисом, TNF не всегда повышен. [47]
Хотя блокаторы ФНО показали эффективность при лечении сепсиса у мышей, они показали неоднозначные результаты при лечении сепсиса у людей. Считается, что это связано с двойной ролью, которую ФНО играет в иммунной системе: блокирование ФНО уменьшает сильное воспаление, вызывающее сепсис, но также препятствует способности иммунной системы противостоять инфекции. Предполагается, что блокаторы ФНО более полезны в случаях тяжелого сепсиса, когда вероятность смерти выше. [47]
TNF играет ключевую роль в повреждении и воспалении печени, но его роль в фиброзе печени является спорной. TNF способствует активации и выживанию звездчатых клеток печени (HSC), которые, как полагают, являются основными факторами фиброза печени. С другой стороны, TNF подавляет экспрессию коллагена альфа-1 типа 1 и пролиферацию HSC in vitro , что должно подавлять фиброз печени. В целом считается, что TNF способствует фиброзу печени, способствуя выживанию HSC. [48]
Кроме того, гибель гепатоцитов , первоначальное событие, которое приводит к повреждению печени и фиброзу, может быть вызвана ФНО, хотя эта связь не определена. Инъекция ФНО сама по себе не вызывает гибель гепатоцитов in vivo . Однако, когда инъекция ФНО сочетается с ингибированием пути выживания, например, во время заражения вирусом гепатита С , ФНО вызывает гибель гепатоцитов и острую печеночную недостаточность. Остатки мертвых гепатоцитов потребляются ЗКП и клетками Купфера, которые затем секретируют факторы, способствующие фиброзу, такие как ТФР-β , а также способствуют дальнейшей гибели гепатоцитов. [48]
Блокаторы ФНО не используются для лечения фиброза печени. В клинических испытаниях алкогольного гепатита блокаторы ФНО не оказали существенного эффекта. [48]
TNF способствует резистентности к инсулину , ингибируя субстрат рецептора инсулина 1 (IRS1). В нормальных условиях IRS1 при активации инсулином подвергается фосфорилированию тирозина и увеличивает поглощение глюкозы в клетке. Этот процесс нарушается, когда TNF индуцирует фосфорилирование серина IRS1, превращая IRS1 в ингибитор инсулина. Инсулинорезистентность, вызванная TNF, часто встречается в случаях ожирения и может привести к диабету II типа . Было обнаружено, что TNF повышается в жировой ткани людей и животных с ожирением, хотя остается неясным, почему ожирение вызывает высокие уровни TNF. [49]
TNF играет ключевую роль в патогенезе неалкогольной жировой болезни печени (NAFLD). Когда жир накапливается в печени, что называется стеатозом , гепатоциты, клетки Купфера и инфильтрирующие иммунные клетки секретируют TNF. Предполагается, что TNF способствует развитию NAFLD, способствуя накоплению жира в печени, длительному воспалению и резистентности к инсулину. Клинические исследования показали, что уровни TNF коррелируют с тяжестью NAFLD, хотя некоторые исследования показали обратное. Фармакологические стратегии, которые подавляют TNF, показали благоприятные эффекты при NAFLD, в то время как эффективность блокаторов TNF еще предстоит оценить. [50]
Состояния, вызывающие воспаление, такие как рак, могут повышать уровень TNF, что способствует мышечной атрофии . TNF способствует мышечной атрофии, активируя путь NF-κB, который активирует путь убиквитин-протеасомы для деградации белка, и ингибируя активацию сателлитных клеток , которые отвечают за регенерацию белка. Однако блокаторы TNF имели ограниченный эффект на мышечную атрофию в клинических исследованиях, вероятно, из-за многофакторной природы мышечной атрофии. [51]
Во время упражнений уровень ИЛ-6 , ингибитора ФНО, быстро увеличивается, что приводит к противовоспалительному эффекту. За этим следует последующее увеличение уровней ИЛ-10 и растворимых рецепторов ФНО, оба из которых также ингибируют ФНО. В то время как умеренные упражнения не увеличивают уровни ФНО, было показано, что интенсивные упражнения увеличивают уровни ФНО в два раза, вызывая провоспалительный эффект. Однако этот провоспалительный эффект перевешивается противовоспалительным эффектом ИЛ-6, который может увеличиваться в 50 раз. Было показано, что регулярные упражнения снижают базовые уровни ФНО в долгосрочной перспективе. Таким образом, упражнения обычно считаются ингибирующими ФНО, что способствует общему противовоспалительному эффекту упражнений. [52]
В центральной нервной системе TNF в первую очередь вырабатывается микроглией , типом макрофагов, но также нейронами , эндотелиальными клетками и иммунными клетками. Избыточный TNF способствует нейровоспалению , вызывая эксайтотоксическую гибель нейрональных клеток, повышая уровень глутамата , активируя микроглиальные клетки и нарушая гематоэнцефалический барьер . В результате TNF, как полагают, играет важную роль в расстройствах центральной нервной системы, связанных с нейровоспалением, включая нейросаркоидоз , рассеянный склероз , болезнь Нейро-Бехчета . [53]
Парадоксально, но блокаторы TNF могут вызывать демиелинизацию нейронов и ухудшать симптомы рассеянного склероза. Считается, что это связано с гомеостатической ролью TNF в центральной нервной системе, особенно в миелинизации нейронов через TNFR2. Избирательная блокада TNFR1 показала положительные результаты в моделях животных. [53]
Нейровоспаление, вызванное ФНО, также связано с болезнью Альцгеймера и, как предполагается, способствует образованию бляшек амилоида-β и гиперфосфорилированию тау-белка, обнаруженных в мозге пациентов с болезнью Альцгеймера. Блокаторы ФНО связаны с уменьшением риска развития болезни Альцгеймера. Некоторые исследования показали, что блокаторы ФНО немного улучшают когнитивные способности у пациентов с болезнью Альцгеймера, хотя необходимы более масштабные исследования. Поскольку блокаторы ФНО не могут проходить через гематоэнцефалический барьер, считается, что снижение уровня ФНО в организме также снижает уровень ФНО в мозге. [54]
При периодическом синдроме, связанном с рецептором TNF (TRAPS), генетические мутации в TNFR1 приводят к дефектному связыванию TNFR1 с TNF, а также к дефектному выделению TNFR1, механизму, который ослабляет сигнализацию TNFR1. Это вызывает периодическое воспаление, хотя точный механизм неизвестен. Блокаторы TNF, такие как этанерцепт, показали частичную эффективность в уменьшении симптомов, в то время как другие блокаторы TNF, такие как адалимумаб и инфликсимаб, как было показано, ухудшают симптомы. [55]
Избыточные уровни воспалительных цитокинов, например, во время инфекции или аутоиммунитета, связаны с анорексией и снижением потребления пищи. Предполагается, что ФНО снижает потребление пищи за счет повышения чувствительности к горькому вкусу, хотя точные механизмы этого неизвестны. [56]
Блокаторы TNF действуют путем связывания с одной или обеими формами TNF, чтобы предотвратить его связывание с его рецепторами. Кроме того, они могут запускать обратную сигнализацию tmTNF, чтобы вызвать апоптоз, устраняя клетки, экспрессирующие TNF. [53] Некоторые из них представляют собой моноклональные антитела , такие как инфликсимаб, адалимумаб, цертолизумаб пегол и голимумаб , в то время как другие, такие как этанерцепт, представляют собой белки - приманки слияния , которые содержат области связывания TNFR2. [8]
Разрабатываются новые блокаторы ФНО, включая небольшие соединения , которые могут специфически воздействовать на ФНО, и моноклональные антитела с более низким потенциалом иммуногенности , такие как озорализумаб . [8]
Редко подавление TNF может привести к развитию новой формы «парадоксального» аутоиммунитета. Предполагается, что отсутствие TNF способствует парадоксальному аутоиммунитету, вызывая сверхэкспрессию других цитокинов и усиливая распространенность Т-клеток. [14]
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на август 2024 г. ( ссылка )
