Kemokiinireseptorit ja signalointi

Yksi ensimmäisistä tunnistetuista kemokiineista, interferoni-γ (IFN-γ) IP-10 (CXCL10), löydettiin vuonna 1985, kun se havaittiin vasteena rekombinantti-ifn-γ:hen ihmisen mononukleaarisilla soluilla, fibroblasteilla ja sisäkudossoluilla.7 CXCL10:n ja verihiutaletekijä 4:n (PF4) ja β-tromboglobuliinin, kahden verihiutaleista peräisin olevan kemotaktisen proteiinin, välinen merkittävä aminohappohomologia viittasi siihen, että CXCL10:llä on osuutta kemotaksis-toimintaan, ja samankaltaisuudet näiden proteiinien genomisessa organisaatiossa viittasivat siihen, että nämä proteiinit saattavat kuulua laajempaan perheeseen, joka koostuu tulehdukseen vaikuttavista proteiineista7,8 .

Seuraavaksi löydettiin kemokiinit RANTES (regulated on activation, normal T cell expressed and secreted eli CCL5), IL-8 (CXCL8) ja MCP-1 (CCL2).9-11 CXCL8 tunnistettiin ensin neutrofiilejä aktivoivaksi tekijäksi. Kokeet, joilla pyrittiin ymmärtämään CXCL8:n aiheuttamaa neutrofiilien aktivaatiomekanismia, osoittivat, että neutrofiilien käsittely Bordetella pertussis -toksiinilla kumosi CXCL8:n kautta tapahtuvan signaloinnin samaan tapaan kuin bakteeripeptidin f-Met-Leu-Phe (fMLP) signalointi kumoutui tämän toksiinin vaikutuksesta, mikä viittaa siihen, että CXCL8:n reseptori oli GPCR, joka oli kytketty nimenomaan Gαi-alayksikköön12 . IL-8-reseptorin kloonaus vuonna 1991 vahvisti, että tämä reseptori kuuluu GPCR-reseptorien superperheeseen.13,14 GPCR-reseptoreihin kuuluu noin 1000 jäsentä, ja niitä käytetään laajalti havaitsemaan pieniä muutoksia biologisesti aktiivisten aineiden pitoisuuksissa elimistössä, ja ne osallistuvat moniin signaalinsiirtoreitteihin ja lukuisiin biologisiin vasteisiin. Kemotaksista välittävät kemoattraktiiviset reseptorit muodostavat erillisen GPCR-superperheen alaryhmän.

GPCR:illä on solunulkoinen NH2-pääte, seitsemän transmembraanidomeenia ja sytoplasminen COOH-pääte (kuva 7-2). Transmembraanidomeenien intrasytoplasmiset silmukat ovat venytetty plasmakalvon sisäpuolelle, ja COOH-terminaali on sijoitettu sivusuunnassa, mikä antaa näille reseptoreille enemmän pinta-alaa kuin niiden 40 kD:n koon perusteella odotetaan, jotta ne voivat olla vuorovaikutuksessa guanosiinitrifosfaattia (GTP) sitovien proteiinien sekä muiden myötävirtaan sijaitsevien efektori- ja telinemolekyylien kanssa.15 GPCR:t antavat signaalin heterotriimeeristen GTP:tä sitovien valkuaisaineiden välityksellä, jotka koostuvat α-, β- ja γ- alayksiköistä. Sitouduttuaan ligandiinsa GPCR muuttaa transmembraanisten α-kierteidensä konformaatiota paljastaen GTP:n sitoutumiskohdat. GTP:hen sitoutumisen jälkeen GTP:hen sitoutunut Gα-alayksikkö ja Gβγ-alayksiköt dissosioituvat reseptorista ja antavat signaalin eri reittejä pitkin. Nisäkkäiden Gα-alayksiköissä on neljä alaluokkaa-αs, αi, αq tai α12/13- ja Gα-alayksikön synnyttämän downstream-signaalin tyyppi riippuu siitä, mistä alaluokasta on kyse.

Kemokiinireseptoreiden tapauksessa dissosioituneen GTP:hen kytkeytyneen Gαi-alayksikön ei uskota olevan välttämätön kemotaksiksen indusoimiseksi. Sen sijaan kemotaksista välittää Gβγ-alayksikkö. Kuitenkin vain se Gβγ-alayksikkö, joka oli aikoinaan assosioitunut Gαi-alayksikköön, kykenee indusoimaan kemotaksista.15 Gβγ-alayksikkö aktivoi fosfolipaasi C:tä (PLCβ2 ja PLCβ3), mikä johtaa inositoli-1,4,5-trifosfaatin (IP3), diasyyliglyserolin (DAG) ja solunsisäisten vapaiden kalsiumionien (Ca2+) ohimenevään nousuun. Solunsisäisen vapaan Ca2+:n nousu on yleinen testi, jota käytetään kemokiinireseptoreiden reagointikyvyn arvioimiseksi. DAG aktivoi Rap-1:n guaniininukleotidin vaihtotekijän (GEF) kautta, mikä johtaa integriiniaktivoitumiseen solun etureunassa. Toinen vaikuttajamolekyyli, joka syntyy Gβγ-alayksikön signaloinnin kautta, on fosfatidylinositoli-3-kinaasi (PI3K), joka käynnistää proteiinikinaasi B:n (PKB tai AKT, AKT1) aktivaation ja sen myöhemmän translokaation etureunan kalvoon.15 Lisäksi PI3K-riippuvaiset ja PI3K:sta riippumattomat reitit sekä DOCK2:sta (dedicator of cytokinesis 2) riippuvaiset ja DOCK2:sta riippumattomat reitit indusoivat Racia, mikä johtaa nopeaan uuden F-aktiinin muodostumiseen etureunassa. Samalla kun etureuna organisoituu työntämään solua eteenpäin, Rho-perheen GTPaasit siirtyvät solun takareunaan ja säätelevät aktiini-myosiinikompleksien muodostumista, jota tarvitaan takareunan vetäytymiseen. GEF:t säätelevät pienten GTPaasien, kuten Rasin, Racin, Rhon ja Rap-1:n aktiivisuutta ja osallistuvat siten myös kemotaksian säätelyyn (kuva 7-2).

Kemokiinireseptorin kytkeytymisen jälkeen on lukuisia muita signaalireittejä, mukaan lukien mitogeeniaktivoitu proteiinikinaasi (MAPK), Ras ja solunulkoisen signaalin säätelemä ERK (extracellular signal-regulated kinase, ERK), joilla kullakin on solukohtaiset säätelymekanismit. Kemokiinireseptorin sitoutumisen jälkeisten signaalireittien moninaisuus tekee mahdolliseksi sen, että samassa solussa ilmentyvät eri kemokiinireseptorit antavat signaalia eri reittien kautta ja että sama kemokiinireseptori saa aikaan erilaisia tulehdusreaktioita.

Kemokiinireseptorien kautta tapahtuva signalointi on nopeaa ja ohimenevää. Signaloinnin loppuminen tapahtuu reseptorin fosforylaation, desensitisaation ja internalisaation kautta. Kuten mainittu, dissosioitunut Gβγ-alayksikkö aktivoi PLC:n. Yksi PLC:n jälkeisistä tapahtumista on proteiinikinaasi C:n (PKC) aktivoituminen, joka yhdessä GPCR-kinaasien kanssa fosforyloi kemokiinireseptoreita. Fosforyloitunut kemokiinireseptori sitoutuu arretiineihin, mikä johtaa reseptorin desensitisaatioon. Tämän jälkeen reseptori-arrestiinikompleksi internalisoituu klatriinivälitteisen internalisaatioreitin kautta.15

CXC-reseptoreita on seitsemän, CCR-reseptoreita kymmenen, XCR-reseptoreita yksi ja CX3CR-reseptoreita yksi. Useimmat kemokiinireseptorit sitoutuvat useampaan kuin yhteen kemokiiniin, mikä johtaa redundanssin tasoon, joka varmistaa leukosyyttien riittävän rekrytoinnin. Kemokiinireseptorien ilmentyminen riippuu solutyypistä sekä solun aktivaatio- ja erilaistumistilasta. Esimerkiksi CCR3 on kemokiinireseptori, joka ilmentyy eniten eosinofiileissä ja basofiileissä. Kun taas naiivit T-solut ilmentävät CXCR4:ää ja CCR7:ää, Th1-solut ilmentävät CXCR3:a ja CCR5:tä, Th2-solut ilmentävät CCR4:ää ja CCR8:a ja Th17-solut ilmentävät CCR6:a (taulukko 7-3).

Kemokiinireseptorien ilmentymisessä on jonkin verran päällekkäisyyksiä solutyyppien välillä, ja ne hienosäätävät T-solujen kykyä liikennöidä vasteena tietyille patogeeneille ja tulehdusärsykkeille. Vaikka esimerkiksi CCR4+CCR6+CD4+ T-solut tuottavat interleukiini-17:ää (IL-17) ja reagoivat Candida albicansiin, CXCR3+CCR6+CD4+ T-solut voivat tuottaa pelkkää IFN-γ:tä tai IFN-γ:tä yhdessä IL-17:n kanssa ja reagoida Mycobacterium tuberculosis -kasvintuhoojan aiheuttamiin ärsykkeisiin.4 Sytokiineja sisältävien reseptorien valikoiva ilmentyminen eri solujen toimesta mahdollistaa leukosyyttien rekrytoitumisen kudospaikoille eri tavoin tuotettujen sytokiinien tyyppien perusteella. Esimerkiksi STAT1)-riippuvaisten kemokiinien CXCL9, CXCL10 ja CXCL11 koordinoitu ilmentyminen rekrytoi CXCR3:a kantavia Th1-soluja Th1-tulehduspaikkoihin, kun taas STAT6-riippuvaisten kemokiinien CCL1, CCL17 ja CCL22 ilmentyminen houkuttelee CCR4- ja CCR8-riippuvaisia Th2-soluja Th2-tulehduspaikkoihin hiiren astmamallissa.4 (STAT:lla tarkoitetaan signaalin transkription transkriptiota transkooderoivaa ja aktivoivaa ainetta.)