Chemokine Receptors and Signaling
Een van de eerste chemokines die werd geïdentificeerd, interferon-γ (IFN-γ) IP-10 (CXCL10), werd in 1985 ontdekt toen het werd gedetecteerd in reactie op recombinant IFN-γ in menselijke mononucleaire cellen, fibroblasten, en endotheelcellen.7 De significante aminozuurhomologie tussen CXCL10 en bloedplaatjesfactor 4 (PF4) en β-thromboglobuline, twee van bloedplaatjes afgeleide chemotactische eiwitten, suggereerde dat CXCL10 betrokken is bij chemotaxis, en overeenkomsten in hun genomische organisatie suggereerden dat deze eiwitten mogelijk behoren tot een grotere familie van eiwitten die betrokken zijn bij ontstekingen.7,8
De chemokines RANTES (regulated on activation, normal T cell expressed and secreted, of CCL5), IL-8 (CXCL8), en MCP-1 (CCL2) werden vervolgens ontdekt.9-11 CXCL8 werd voor het eerst geïdentificeerd als een neutrofiel-activerende factor. Experimenten om het mechanisme van neutrofiele activatie door CXCL8 te begrijpen, toonden aan dat behandeling van neutrofielen met Bordetella pertussis toxine de signalering via CXCL8 stopzette, ongeveer op dezelfde manier waarop bacteriële peptide f-Met-Leu-Phe (fMLP) signalering door dit toxine werd stopgezet, wat impliceert dat de receptor voor CXCL8 een GPCR was, specifiek gekoppeld aan de Gαi subeenheid.12 De klonering van de IL-8 receptor in 1991 bevestigde dat deze receptor behoort tot de superfamilie van GPCR’s.13,14 Met ongeveer 1000 leden worden GPCR’s op grote schaal gebruikt om kleine veranderingen in concentraties van biologisch actieve stoffen in het lichaam waar te nemen en zij nemen deel aan vele signaaltransductieroutes en talrijke biologische reacties. De chemoattractant receptoren die chemotaxis bewerkstelligen vormen een aparte subfamilie van de GPCR superfamilie.
De GPCR’s hebben een extracellulaire NH2 terminus, zeven-transmembraandomeinen, en een cytoplasmatische COOH terminus (Fig. 7-2). De intracytoplasmatische lussen van de transmembraandomeinen zijn uitgerekt langs de binnenzijde van de plasmamembraan, en de COOH terminus is lateraal gepositioneerd, waardoor deze receptoren meer oppervlakte hebben voor interactie met guanosinetrifosfaat (GTP)-bindende proteïnen, en andere stroomafwaartse effector- en steigermoleculen dan verwacht wordt op grond van hun 40-kD grootte.15 GPCR’s signaleren via heterotrimere GTP-bindende proteïnen die bestaan uit α, β, en γ subeenheden. Na binding van zijn ligand, verandert de GPCR de conformatie van zijn transmembraan α helices, waardoor GTP-bindingsplaatsen vrijkomen. Na binding aan GTP scheiden de GTP-gebonden Gα-subeenheid en de Gβγ-subeenheden zich van de receptor en geven zij stroomafwaarts signalen af via verschillende routes. Er zijn vier subklassen van zoogdier Gα subeenheden -αs, αi, αq, of α12/13 – en het type stroomafwaarts signaal dat door de Gα subeenheid wordt gegenereerd hangt af van de betrokken subklasse.
In het geval van chemokine receptoren wordt aangenomen dat de gedissocieerde GTP-gekoppelde Gαi subeenheid niet noodzakelijk is voor de inductie van chemotaxis. In plaats daarvan is het de Gβγ subeenheid die de chemotaxis medieert. Alleen de Gβγ-subeenheid die ooit met een Gαi-subeenheid geassocieerd was, is echter in staat chemotaxis te induceren.15 De Gβγ-subeenheid activeert fosfolipase C (PLCβ2 en PLCβ3), wat resulteert in verhoogde niveaus van inositol-1,4,5-trifosfaat (IP3), diacylglycerol (DAG), en een tijdelijke stijging van intracellulaire vrije calciumionen (Ca2+). De stijging van intracellulair vrij Ca2+ is een veelgebruikte test om de respons van chemokinereceptoren te beoordelen. DAG activeert Rap-1 via een Guanine nucleotide uitwisselingsfactor (GEF), hetgeen resulteert in integrine activering in de voorrand van de cel. Een ander effectormolecuul dat door de signalering van de Gβγ-subeenheid wordt gegenereerd is fosfatidylinositol 3-kinase (PI3K), dat de activering van proteïne kinase B (PKB, of AKT, AKT1) en de daaropvolgende translocatie naar het membraan van de voorrand in gang zet.15 Bovendien induceren PI3K-afhankelijke en PI3K-onafhankelijke pathways, evenals dedicator of cytokinesis 2 (DOCK2)-afhankelijke en DOCK2-onafhankelijke pathways Rac, wat leidt tot snelle vorming van nieuwe F-actine in de voorrand. Terwijl de voorrand zich organiseert om de cel voorwaarts te stuwen, transloceren Rho-familie GTPases naar de achterrand van de cel en reguleren de vorming van actine-myosine complexen die nodig zijn voor het terugtrekken van de achterrand. GEFs reguleren de activiteit van kleine GTPase, zoals Ras, Rac, Rho, en Rap-1, en als zodanig nemen ze ook deel aan de regulatie van chemotaxis (Fig. 7-2).
Er zijn talrijke andere signaalwegen stroomafwaarts van chemokine receptor betrokkenheid, met inbegrip van mitogeen-geactiveerd proteïne kinase (MAPK), Ras, en extracellulair signaal-gereguleerd kinase (ERK), elk met celspecifieke regulatiemechanismen. De diversiteit aan signaalwegen stroomafwaarts van chemokinereceptorbinding maakt het mogelijk dat verschillende chemokinereceptoren, tot expressie gebracht op dezelfde cel, signalen afgeven via verschillende wegen en dat dezelfde chemokinereceptor een verscheidenheid aan ontstekingsreacties induceert.
Signalering door chemokinereceptoren is snel en van voorbijgaande aard. De signalering wordt beëindigd door fosforylering, desensibilisering en internalisering van de receptor. Zoals vermeld, activeert de gedissocieerde Gβγ subeenheid PLC. Een van de downstream-events van PLC is activering van proteïne kinase C (PKC), dat samen met GPCR-kinasen chemokinereceptoren fosforyleert. De gefosforyleerde chemokinereceptor bindt arrestines, een gebeurtenis die leidt tot desensibilisatie van de receptor. Het receptor-arrestine complex wordt vervolgens geïnternaliseerd via de clathrin-gemedieerde internalisatieroute.15
Er zijn zeven CXC-receptoren, tien CCR’s, één XCR, en één CX3CR. De meeste chemokinereceptoren binden aan meer dan één chemokine, wat resulteert in een niveau van redundantie dat een adequate rekrutering van leukocyten verzekert. De expressie van chemokinereceptoren is afhankelijk van het celtype en van de mate van activering en differentiatie van de cel. CCR3 is bijvoorbeeld de chemokinereceptor die het meest tot expressie komt op eosinofielen en basofielen. Terwijl naïeve T-cellen CXCR4 en CCR7 tot expressie brengen, brengen Th1-cellen CXCR3 en CCR5 tot expressie, Th2-cellen CCR4 en CCR8, en Th17-cellen CCR6 (tabel 7-3).
Een zekere overlap in chemokinereceptorexpressie tussen celtypes stemt het vermogen van T-cellen om zich te verplaatsen in reactie op specifieke pathogenen en ontstekingsstimuli nauwkeurig af. Bijvoorbeeld, hoewel CCR4+CCR6+CD4+ T-cellen interleukine-17 (IL-17) produceren en reageren op Candida albicans, kunnen CXCR3+CCR6+CD4+ T-cellen IFN-γ alleen of IFN-γ met IL-17 produceren en reageren op Mycobacterium tuberculosis.4 De selectieve expressie van chemokinereceptoren door verschillende cellen maakt een differentiële rekrutering van leukocyten op weefselplaatsen mogelijk op basis van de soorten chemokinen die worden gegenereerd. Bijvoorbeeld, gecoördineerde expressie van STAT1)-afhankelijke chemokines CXCL9, CXCL10, en CXCL11 rekruteert CXCR3-dragende Th1-cellen op Th1-ontstekingsplaatsen, terwijl expressie van de STAT6-afhankelijke chemokines CCL1, CCL17, en CCL22 CCR4- en CCR8-dragende Th2-cellen aantrekt op plaatsen van Th2-ontsteking in een muismodel van astma.4 (STAT is de signaaltransducer en activator van transcriptie.)