Chemokine Receptors and Signaling
Jedna z pierwszych zidentyfikowanych chemokin, interferon-γ (IFN-γ) IP-10 (CXCL10), została odkryta w 1985 roku, kiedy wykryto ją w odpowiedzi na rekombinowany IFN-γ w ludzkich komórkach jednojądrzastych, fibroblastach i komórkach śródbłonka.7 Znaczna homologia aminokwasów między CXCL10 a czynnikiem płytkowym 4 (PF4) i β-tromboglobuliną, dwoma białkami chemotaktycznymi pochodzącymi z płytek krwi, sugerowała udział CXCL10 w chemotaksji, a podobieństwa w ich organizacji genomowej sugerowały, że białka te mogą należeć do większej rodziny białek zaangażowanych w zapalenie.7,8
Następnie odkryto chemokiny RANTES (regulated on activation, normal T cell expressed and secreted, czyli CCL5), IL-8 (CXCL8) i MCP-1 (CCL2).9-11 CXCL8 po raz pierwszy zidentyfikowano jako czynnik aktywujący neutrofile. Eksperymenty mające na celu zrozumienie mechanizmu aktywacji neutrofili przez CXCL8 ujawniły, że traktowanie neutrofili toksyną Bordetella pertussis znosiło sygnalizację przez CXCL8, podobnie jak sygnalizacja peptydem bakteryjnym f-Met-Leu-Phe (fMLP) przez tę toksynę, sugerując, że receptor dla CXCL8 jest GPCR, specyficznie sprzężonym z podjednostką Gαi.12. Sklonowanie receptora dla IL-8 w 1991 roku potwierdziło, że receptor ten należy do nadrodziny GPCRs.13,14 Liczące około 1000 członków GPCRs są szeroko wykorzystywane do wykrywania niewielkich zmian w stężeniach substancji biologicznie czynnych w organizmie i uczestniczą w wielu szlakach transdukcji sygnału i licznych odpowiedziach biologicznych. Receptory chemoatrakcyjne pośredniczące w chemotaksji stanowią odrębną podrodzinę nadrodziny GPCR.
Receptory GPCR mają zewnątrzkomórkowy terminus NH2, siedem domen transbłonowych i cytoplazmatyczny terminus COOH (ryc. 7-2). Wewnątrzcytoplazmatyczne pętle domen transmembranowych są rozciągnięte wzdłuż wewnętrznego aspektu błony plazmatycznej, a terminus COOH jest ułożony bocznie, co daje tym receptorom więcej powierzchni niż można się spodziewać na podstawie ich rozmiaru 40 kD dla interakcji z białkami wiążącymi trifosforan guanozyny (GTP), jak również z innymi cząsteczkami efektorowymi i rusztowaniami.15 GPCR sygnalizują poprzez heterotrimeryczne białka wiążące GTP, składające się z podjednostek α, β i γ. Po związaniu liganda, GPCR zmienia konformację swoich transmembranowych helis α, odsłaniając miejsca wiążące GTP. Po związaniu GTP, podjednostka Gα związana z GTP oraz podjednostki Gβγ odłączają się od receptora i przekazują sygnały poprzez różne szlaki. Istnieją cztery podklasy podjednostek Gα u ssaków – αs, αi, αq lub α12/13 – a rodzaj sygnału generowanego przez podjednostkę Gα zależy od zaangażowanej podklasy.
W przypadku receptorów chemokinowych uważa się, że zdysocjowana, sprzężona z GTP podjednostka Gαi nie jest konieczna do indukcji chemotaksji. Zamiast tego, to podjednostka Gβγ pośredniczy w chemotaksji. Jednak tylko podjednostka Gβγ, która była kiedyś związana z podjednostką Gαi, jest zdolna do wywołania chemotaksji.15 Podjednostka Gβγ aktywuje fosfolipazę C (PLCβ2 i PLCβ3), co powoduje wzrost poziomu inozytolo-1,4,5-trifosforanu (IP3), diacyloglicerolu (DAG) i przejściowy wzrost wewnątrzkomórkowych wolnych jonów wapnia (Ca2+). Wzrost wewnątrzkomórkowego wolnego Ca2+ jest powszechnym testem stosowanym do oceny reaktywności receptorów chemokinowych. DAG aktywuje Rap-1 za pośrednictwem czynnika wymiany nukleotydów guaninowych (GEF), co prowadzi do aktywacji integryn w wiodącej części komórki. Inną cząsteczką efektorową generowaną przez sygnalizację podjednostki Gβγ jest 3-kinaza fosfatydyloinozytolu (PI3K), która wyzwala aktywację kinazy białkowej B (PKB, lub AKT, AKT1) i jej następczą translokację do błony brzegu wiodącego.15 Ponadto, szlaki zależne i niezależne od PI3K, jak również szlaki zależne i niezależne od dedyktora cytokinezy 2 (DOCK2) indukują aktywację Rac, co prowadzi do szybkiego tworzenia nowej Faktyny w krawędzi wiodącej. Podczas gdy krawędź wiodąca organizuje się, by popychać komórkę do przodu, GTPazy z rodziny Rho przenoszą się do krawędzi wleczonej komórki i regulują tworzenie kompleksów aktyna-miozyna, które są potrzebne do retrakcji krawędzi wleczonej. GEF regulują aktywność małych GTPaz, takich jak Ras, Rac, Rho i Rap-1, i jako takie również uczestniczą w regulacji chemotaksji (ryc. 7-2).
Istnieją liczne inne szlaki sygnalizacyjne poniżej zaangażowania receptorów chemokinowych, w tym kinazy białkowej aktywowanej mitogenami (MAPK), Ras i kinazy regulowanej sygnałem zewnątrzkomórkowym (ERK), z których każdy ma specyficzne dla komórki mechanizmy regulacyjne. Różnorodność szlaków sygnałowych za wiązaniem receptorów chemokinowych sprawia, że różne receptory chemokinowe, wyrażone w tej samej komórce, mogą sygnalizować przez różne szlaki, a ten sam receptor chemokinowy może wywoływać różne odpowiedzi zapalne.
Sygnalizacja przez receptory chemokinowe jest szybka i przejściowa. Zaprzestanie sygnalizacji następuje poprzez fosforylację receptora, desensytyzację i internalizację. Jak wspomniano, zdysocjowana podjednostka Gβγ aktywuje PLC. Jednym z następstw działania PLC jest aktywacja kinazy białkowej C (PKC), która wraz z kinazami GPCR fosforyluje receptory chemokinowe. Fosforylowany receptor chemokinowy wiąże arestyny, co prowadzi do desensytyzacji receptora. Kompleks receptor-arrestina jest następnie internalizowany przez szlak internalizacji z udziałem klatyny.15
Istnieje siedem receptorów CXC, dziesięć CCR, jeden XCR i jeden CX3CR. Większość receptorów chemokinowych wiąże się z więcej niż jedną chemokiną, co skutkuje poziomem redundancji zapewniającym odpowiednią rekrutację leukocytów. Ekspresja receptorów chemokinowych zależy od typu komórki, a także od stanu jej aktywacji i różnicowania. Na przykład, CCR3 jest receptorem chemokinowym o największej ekspresji na eozynofilach i bazofilach. Podczas gdy naiwne komórki T wykazują ekspresję CXCR4 i CCR7, komórki Th1 wykazują ekspresję CXCR3 i CCR5, komórki Th2 wykazują ekspresję CCR4 i CCR8, a komórki Th17 wykazują ekspresję CCR6 (Tabela 7-3).
Pewne nakładanie się ekspresji receptorów chemokinowych wśród typów komórek dostraja zdolność komórek T do ruchu w odpowiedzi na specyficzne patogeny i bodźce zapalne. Na przykład, chociaż komórki T CCR4+CCR6+CD4+ wytwarzają interleukinę-17 (IL-17) i reagują na Candida albicans, komórki T CXCR3+CCR6+CD4+ mogą wytwarzać sam IFN-γ lub IFN-γ z IL-17 i reagować na Mycobacterium tuberculosis.4 Selektywna ekspresja receptorów chemokin przez różne komórki pozwala na zróżnicowaną rekrutację leukocytów do miejsc w tkankach w oparciu o rodzaje wytwarzanych chemokin. Na przykład skoordynowana ekspresja chemokin CXCL9, CXCL10 i CXCL11 zależnych od STAT1 powoduje rekrutację komórek Th1 posiadających CXCR3 do miejsc zapalenia Th1, podczas gdy ekspresja chemokin CCL1, CCL17 i CCL22 zależnych od STAT6 przyciąga komórki Th2 posiadające CCR4- i CCR8 do miejsc zapalenia Th2 w mysim modelu astmy.4 (STAT to transduktor sygnału i aktywator transkrypcji.)
.