Chemokinrezeptoren und Signalübertragung
Eines der ersten identifizierten Chemokine, Interferon-γ (IFN-γ) IP-10 (CXCL10), wurde 1985 entdeckt, als es als Reaktion auf rekombinantes IFN-γ in menschlichen mononukleären Zellen, Fibroblasten und Endothelzellen nachgewiesen wurde.7 Die signifikante Aminosäurehomologie zwischen CXCL10 und dem Thrombozytenfaktor 4 (PF4) und β-Thromboglobulin, zwei aus Thrombozyten gewonnenen chemotaktischen Proteinen, deutete auf eine Beteiligung von CXCL10 an der Chemotaxis hin, und Ähnlichkeiten in ihrer genomischen Organisation legten nahe, dass diese Proteine zu einer größeren Familie von Proteinen gehören könnten, die an Entzündungen beteiligt sind.7,8
Die Chemokine RANTES (regulated on activation, normal T cell expressed and secreted, oder CCL5), IL-8 (CXCL8) und MCP-1 (CCL2) wurden als nächstes entdeckt.9-11 CXCL8 wurde zuerst als neutrophilen-aktivierender Faktor identifiziert. Experimente zum Verständnis des Mechanismus der Neutrophilenaktivierung durch CXCL8 ergaben, dass die Behandlung von Neutrophilen mit Bordetella pertussis-Toxin die Signalübertragung durch CXCL8 aufhob, ähnlich wie die Signalübertragung durch das bakterielle Peptid f-Met-Leu-Phe (fMLP) durch dieses Toxin aufgehoben wurde, was darauf hindeutet, dass der Rezeptor für CXCL8 ein GPCR ist, der spezifisch an die Gαi-Untereinheit gekoppelt ist.12 Die Klonierung des IL-8-Rezeptors im Jahr 1991 bestätigte, dass dieser Rezeptor zur Superfamilie der GPCRs gehört.13,14 Mit etwa 1000 Mitgliedern werden GPCRs häufig verwendet, um kleine Veränderungen in den Konzentrationen biologisch aktiver Substanzen im Körper wahrzunehmen, und sind an vielen Wegen der Signaltransduktion und zahlreichen biologischen Reaktionen beteiligt. Die chemoattraktiven Rezeptoren, die die Chemotaxis vermitteln, bilden eine eigene Unterfamilie der GPCR-Superfamilie.
Die GPCRs haben einen extrazellulären NH2-Terminus, sieben Transmembrandomänen und einen zytoplasmatischen COOH-Terminus (Abb. 7-2). Die intrazytoplasmatischen Schleifen der Transmembrandomänen sind entlang des inneren Aspekts der Plasmamembran gestreckt, und der COOH-Terminus ist seitlich positioniert, was diesen Rezeptoren eine größere Oberfläche für die Interaktion mit Guanosintriphosphat (GTP)-bindenden Proteinen sowie mit anderen nachgeschalteten Effektor- und Gerüstmolekülen verleiht, als aufgrund ihrer Größe von 40 kD zu erwarten wäre.15 GPCRs signalisieren durch heterotrimere GTP-bindende Proteine, die aus α-, β- und γ-Untereinheiten bestehen. Nach der Bindung seines Liganden ändert der GPCR die Konformation seiner Transmembran-α-Helices und legt GTP-Bindungsstellen frei. Nach der GTP-Bindung dissoziieren die GTP-gebundene Gα-Untereinheit und die Gβγ-Untereinheiten vom Rezeptor und signalisieren über verschiedene nachgeschaltete Wege. Es gibt vier Unterklassen von Gα-Untereinheiten bei Säugetieren – αs, αi, αq oder α12/13 – und die Art des von der Gα-Untereinheit erzeugten Signals hängt von der jeweiligen Unterklasse ab.
Im Fall von Chemokinrezeptoren wird angenommen, dass die dissoziierte GTP-gekoppelte Gαi-Untereinheit für die Induktion der Chemotaxis nicht notwendig ist. Stattdessen ist es die Gβγ-Untereinheit, die die Chemotaxis vermittelt. Allerdings ist nur die Gβγ-Untereinheit, die einmal mit einer Gαi-Untereinheit assoziiert war, in der Lage, Chemotaxis zu induzieren.15 Die Gβγ-Untereinheit aktiviert die Phospholipase C (PLCβ2 und PLCβ3), was zu einem erhöhten Gehalt an Inositol-1,4,5-Triphosphat (IP3), Diacylglycerin (DAG) und einem vorübergehenden Anstieg der intrazellulären freien Kalziumionen (Ca2+) führt. Der Anstieg des intrazellulären freien Ca2+ ist ein gängiger Test, um die Reaktionsfähigkeit von Chemokinrezeptoren zu beurteilen. DAG aktiviert Rap-1 über einen Guanin-Nukleotid-Austauschfaktor (GEF), was zu einer Integrin-Aktivierung im vorderen Teil der Zelle führt. Ein weiteres Effektormolekül, das durch die Signalisierung der Gβγ-Untereinheit erzeugt wird, ist die Phosphatidylinositol-3-Kinase (PI3K), die die Aktivierung der Proteinkinase B (PKB oder AKT, AKT1) und ihre anschließende Verlagerung zur Membran der Vorderkante auslöst.15 Darüber hinaus induzieren PI3K-abhängige und PI3K-unabhängige Wege sowie Dedicator of Cytokinesis 2 (DOCK2)-abhängige und DOCK2-unabhängige Wege Rac, was zu einer schnellen Neubildung von F-Aktin an der Vorderkante führt. Während sich die Vorderkante organisiert, um die Zelle vorwärts zu treiben, verlagern sich GTPasen der Rho-Familie zur Hinterkante der Zelle und regulieren die Bildung von Aktin-Myosin-Komplexen, die für das Zurückziehen der Hinterkante benötigt werden. GEFs regulieren die Aktivität kleiner GTPasen wie Ras, Rac, Rho und Rap-1 und sind somit auch an der Regulierung der Chemotaxis beteiligt (Abb. 7-2).
Es gibt zahlreiche weitere Signalwege, die der Aktivierung von Chemokinrezeptoren nachgeschaltet sind, darunter die mitogen-aktivierte Proteinkinase (MAPK), Ras und die extrazelluläre signalregulierte Kinase (ERK), die jeweils zellspezifische Regulationsmechanismen aufweisen. Die Vielfalt der Signalwege, die der Bindung von Chemokinrezeptoren nachgeschaltet sind, macht es möglich, dass verschiedene Chemokinrezeptoren, die auf derselben Zelle exprimiert werden, über unterschiedliche Wege signalisieren und dass derselbe Chemokinrezeptor eine Vielzahl von Entzündungsreaktionen auslöst.
Die Signalübertragung durch Chemokinrezeptoren ist schnell und vorübergehend. Die Beendigung der Signalübertragung erfolgt durch Phosphorylierung, Desensibilisierung und Internalisierung des Rezeptors. Wie bereits erwähnt, aktiviert die dissoziierte Gβγ-Untereinheit die PLC. Eines der nachgeschalteten Ereignisse von PLC ist die Aktivierung der Proteinkinase C (PKC), die zusammen mit den GPCR-Kinasen die Chemokinrezeptoren phosphoryliert. Der phosphorylierte Chemokinrezeptor bindet Arrestine, ein Vorgang, der zur Desensibilisierung des Rezeptors führt. Der Rezeptor-Arrestin-Komplex wird dann über den Clathrin-vermittelten Internalisierungsweg internalisiert.15
Es gibt sieben CXC-Rezeptoren, zehn CCRs, einen XCR und einen CX3CR. Die meisten Chemokinrezeptoren binden an mehr als ein Chemokin, was zu einer Redundanz führt, die eine angemessene Leukozytenrekrutierung gewährleistet. Die Expression von Chemokinrezeptoren hängt vom Zelltyp sowie vom Aktivierungs- und Differenzierungszustand der Zelle ab. So ist beispielsweise CCR3 der Chemokinrezeptor, der auf Eosinophilen und Basophilen am stärksten exprimiert wird. Während naive T-Zellen CXCR4 und CCR7 exprimieren, exprimieren Th1-Zellen CXCR3 und CCR5, Th2-Zellen CCR4 und CCR8 und Th17-Zellen CCR6 (Tabelle 7-3).
Eine gewisse Überschneidung bei der Expression von Chemokinrezeptoren zwischen den Zelltypen sorgt für eine Feinabstimmung der Fähigkeit von T-Zellen, auf spezifische Krankheitserreger und Entzündungsreize zu reagieren. Obwohl CCR4+CCR6+CD4+ T-Zellen beispielsweise Interleukin-17 (IL-17) produzieren und auf Candida albicans reagieren, können CXCR3+CCR6+CD4+ T-Zellen IFN-γ allein oder IFN-γ mit IL-17 produzieren und auf Mycobacterium tuberculosis reagieren.4 Die selektive Expression von Chemokinrezeptoren durch verschiedene Zellen ermöglicht eine unterschiedliche Rekrutierung von Leukozyten in Gewebestellen auf der Grundlage der erzeugten Chemokinarten. Zum Beispiel rekrutiert die koordinierte Expression der STAT1)-abhängigen Chemokine CXCL9, CXCL10 und CXCL11 CXCR3-tragende Th1-Zellen in Th1-Entzündungsherde, während die Expression der STAT6-abhängigen Chemokine CCL1, CCL17 und CCL22 CCR4- und CCR8-tragende Th2-Zellen in einem Mausmodell für Asthma in Th2-Entzündungsherde lockt.4 (STAT ist der Signal Transducer and Activator of Transcription.)