Udział chemokin w wybranych procesach komórkowych

diagnostyka laboratoryjna Journal of Laboratory Diagnostics
2011 • Volume 47 • Number 3 • 331-334
Praca poglądowa • Review Article
Udział chemokin w wybranych procesach komórkowych
Role of chemokines in selected cell processes
Małgorzata Sekuła, Marcin Majka
Zakład Transplantologii, Katedra Immunologii Klinicznej i Transplantologii, Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum
Streszczenie
Chemokiny to niskocząsteczkowe białka należące do rodziny cytokin. Pełnią szereg ważnych funkcji w komórce, a ich aktywność związana jest z pobudzeniem siedmiotransbłonowych receptorów powierzchniowych powiązanych z białkami G. Chemokiny uczestniczą zarówno w procesach fizjologicznych jak i patologicznych. Biorą udział m.in. w modulowaniu odpowiedzi
immunologicznej, migracji i chemotaksji komórek, są również zaangażowane w aktywację szlaków sygnalizacyjnych, kontrolę
proliferacji i apoptozy komórki. W pracy przedstawiono obecny stan wiedzy dotyczący budowy i klasyfikacji chemokin oraz
wybrane procesy, w których białka te aktywnie uczestniczą.
Summary
Chemokines are small cytokines which activity is related to seven-transmembrane G coupled receptors. They are involved in
many cell processes both physiological and pathological. Chemokines participate for example in immunological responses,
cell migration and chemotaxis. They control cell activation, proliferation and apoptosis. In this paper the current views on chemokines, their classification and some processes they are involved in are presented.
Słowa kluczowe:chemokiny, receptory chemokinowe, hematopoeza, HIV, progresja nowotworowa
Key words:chemokines, chemokine receptors, hematopoiesis, HIV infection, tumor progression
Budowa i klasyfikacja chemokin
Chemokiny to niskocząsteczkowe (~8-14 kDa), zbudowane
z 70–100 aminokwasów, zasadowe białka należące do rodziny
cytokin [3]. Nazwa pochodzi z połączenia dwóch angielskich
słów chemoattractant cytokines (chemotaktyczne cytokiny),
które doskonale obrazują ich właściwości [15]. Ze względu
na wzajemne ułożenie względem siebie par cystein w okolicy
końca NH2, zostały one podzielone na cztery grupy: CXC (α),
CC (β), XC (γ), CX3C(δ), gdzie X oznacza pojedynczy aminokwas. Tak ułożone cysteiny łączą się w pary przy pomocy
mostków dwusiarczkowych i determinują własną strukturę
trzeciorzędową, decydującą o ich aktywności biologicznej [2].
W obrębie grupy CXC wyodrębniono dwie podgrupy: chemokiny posiadające i nieposiadające sekwencji aminokwasów:
kwas glutaminowy-leucyna-arginina (nazwanej motywem
ELR, Glu-Leu-Arg). Motyw ELR jest położony bezpośrednio
w regionie poprzedzającym pierwszą cysteinę – kluczowym
dla wiązania i aktywacji receptora. Obecnie znanych jest ponad 50 różnych chemokin i około 20 receptorów chemokinowych, co dowodzi, że podobnie jak cytokiny, charakteryzują
się one plejotropią i redundancją [11, 30].
Chemokiny pełnią szereg ważnych funkcji w zachowaniach
komórkowych m.in. biorą aktywny udział w modulowaniu odpowiedzi immunologicznej, działają chemotaktycznie na ko-
mórki krwi, aktywują molekuły adhezyjne (głównie integryny)
w procesach interakcji pomiędzy komórkami krwi, śródbłonkiem i macierzą zewnątrzkomórkową, stymulują bądź hamują wzrost komórek hematopoetycznych, są chemoatraktantami zarówno dla komórek limfoidalnych jak i mieloidalnych
[22, 29].
Chemokiny limfoidalne ulegają konstytutywnej ekspresji. Ich
głównym zadaniem jest kierowanie migracją limfocytów do
organów limfatycznych i komórek mieloidalnych, oraz udział
w procesach wędrówki i rozwoju hematopoetycznych komórek macierzystych [8]. Z kolei chemokiny mieloidalne (prozapalne), wydzielane są na skutek indukcji odpowiedzi na
toksyny bakteryjne oraz cytokiny prozapalne takie jak interleukina 1 (ang. Interleukin-1, IL-1), czynnik martwicy nowotworów (ang. Tumor Necrosis Factor, TNF) czy interferony
i przyciągają odpowiednie komórki efektorowe – głównie
neutrofile i limfocyty.
Charakterystyka receptorów chemokinowych
Aktywność chemokin jest związana z pobudzeniem specyficznych dla nich receptorów powierzchniowych – tzw. receptorów chemokinowych. Wchodzą one w skład rodziny receptorów połączonych z białkami G, posiadających siedem
domen transbłonowych (tzw. receptory serpentynowe) [23].
331
Udział chemokin w wybranych procesach komórkowych
Aktywacja receptorów chemokinowych jest złożona i związana z wieloma mechanizmami molekularnymi. Początkowo
ligand wiąże się do N-końcowej części receptora, co determinuje zmianę konformacji. To z kolei umożliwia związanie
liganda do domeny aktywacyjnej receptora. Transdukcja
sygnału biegnie poprzez podjednostki βγ białek G, które
aktywują fosfolipazę C (PLC) oraz kinazę fosfatydylo-3-OHinozytolu (PI3Kγ). Prowadzi to do powstania przekaźników
drugiego rzędu – inozytolo-1,4,5-trójfosforanu (IP3) odpowiedzialnego za wyrzut jonów wapnia, oraz diacyloglicerolu (DAG), który aktywuje kinazę białkową C (PKC). Z kolei
kinaza PI3Kγ inicjuje aktywację kinazy białkowej B (PKB).
Aktywacji mogą również ulec inne kinazy pełniące ważne
role w przekaźnictwie komórkowym, np. kinaza MAP (ang.
Mitogen Activated Protein Kinases, MAPK) [18, 26].
Na powierzchni komórki obecne są również receptory chemokinowe, które nie mają znaczenia sygnalizacyjnego. Zalicza się do nich receptor Duffy (ang. Duffy antigen receptor
for chemokines, DARC). Wiązanie chemokin przez tego rodzaju receptor jest sposobem na ich usuwanie i ma charakter regulujący ich stężenie.
Z uwagi na to, że chemokiny i ich receptory charakteryzują się redundancją, zablokowanie aktywności jednej chemokiny może nie dać pożądanego efektu blokującego jej
receptor, gdyż możliwe jest, że inna chemokina zajmie jej
miejsce. Przykładem jest receptor CXCR2, który wiąże się
z IL-8 (CXCL8), GRO-α, GRO-β GRO-γ, NAP-2, ENA-78
[22], bądź też chemokina CCL4 (RANTES) będąca ligandem
receptorów CCR1, CCR3, CCR5. Trudno jest więc określić,
który z ligandów bądź receptorów może być potencjalnym
celem terapii.
Receptory chemokinowe mogą wykazywać konstytutywną
bądź indukowaną ekspresję na określonym typie komórek.
Przykładem są receptory CCR1 oraz CCR2, których ekspresja
na limfocytach T jest indukowana poprzez działanie IL-2, zaś
na monocytach ich obecność ma charakter konstytutywny.
Wybrane receptory chemokinowe oraz ich ligandy przedstawiono w Tabeli I.
Udział chemokin i receptorów chemokinowych w procesach
fizjologicznych jak i chorobowych jest w pełni udowodniony.
Zmiany w ich ekspresji zaobserwowano w przypadku chorób
autoimmunologicznych, zapalnych i nowotworowych.
Oś SDF-1/CXCR4 w hematopoezie
Hematopoeza jest procesem nieustannego tworzenia i różnicowania komórek krwi w układzie krwiotwórczym. Główną
rolę odgrywają tu krwiotwórcze komórki macierzyste, dające początek wszystkim komórkom hematopoetycznym. Ich
charakterystyczną cechą jest nieograniczony potencjał do
samoodnowy oraz różnicowania w kierunku wszystkich linii
mieloidalnych i limfoidalnych [7, 28]. Proces migracji komórek macierzystych jest ściśle kontrolowany zarówno w czasie jak i w przestrzeni przez wiele czynników, między innymi
poprzez chemokiny i receptory chemokinowe.
Przykładem receptora chemokinowego obecnego na hematopoetycznych komórkach macierzystych jest receptor
CXCR4. Jego jedynym ligandem jest czynnik stromalny (ang.
stromal-derived factor 1, SDF-1, CXCL12), wydzielany przez
komórki znajdujące się w szpiku kostnym, w tym komórki
podścieliska krwiotwórczego oraz osteoblasty [25]. Oś SDF1/CXCR4 jest uznawana za jeden z najważniejszych czynników w procesach migracji, przeżycia, proliferacji i aktywacji
wielu rodzajów komórek układu krwiotwórczego. Wczesne
komórki hematopoetyczne zasiedlają nisze szpikowe dzięki
wysokiej ekspresji CXCL12, która stymuluje również silną
odpowiedź chemotaktyczną progenitorów megakariocytowych oraz megakarioblastów [16, 17, 21]. Ponadto czynnik
SDF-1 jest wydzielany przez krążące we krwi obwodowej ko-
Tabela I.
Wybrane receptory chemokinowe oraz ich ligandy.
RECEPTOR CHEMOKINOWY
CHEMOKINA (LIGAND)
Grupa C
XCR1
XCL1, XCL2
Grupa CC
CCR1
CCL3, CCL7, CCL14, CCL23
CCR2
CCL2
CCR5
CCL2, CCL3, CCL4, CCL5, CCL7, CCL8, CCL11, CCL13, CCL14
CCR7
CCL19, CCL21
CCR10
CCL27, CCL28
Grupa CXC
CXCR2
CXCL1, CXCL5, CXCL7
CXCR3
CXCL9, CXCL10, CXCL11
CXCR4
CXCL12
CXCR5
CXCL13
CXCR7
CXCL11, CXCL12
Grupa CX3C
CX3CR1
332
CX3CL1
M. Sekuła i M. Majka
mórki CD34+CD38+, co wywiera antyapoptotyczny efekt na
komórki CD34+ z ekspresją CXCR4 w sposób auto- i parakrynny [13]. Znaczenie osi SDF-1/CXCR4 wykorzystuje się
także w procesie mobilizacji komórek macierzystych w celu
szybkiego i efektywnego przemieszczenia komórek CD34+
ze szpiku kostnego do krwi obwodowej [10].
Receptory chemokinowe jako czynniki umożliwiające
wniknięcie wirusa HIV
Wirus HIV jest przykładem retrowirusa, który atakuje limfocyty CD4+ oraz komórki hematopoetyczne znajdujące się
w różnym stadium rozwoju. Prowadzi to do zaburzeń hematologicznych objawiających się anemią, dysplazją, neutropenią czy trombocytopenią [1]. Wyróżnia się dwa typy tropizmów wirusa HIV: T tropowy – wirus zakażający limfocyty
CD4+ oraz M-tropowy - zakażający monocyty i makrofagi.
Wirus M-tropowy wykorzystuje w celu wniknięcia do komórki receptor CCR5. Delecja 32pz w genie CCR5 powoduje
oporność na zakażenie wirusem HIV zaś u heterozygot
przebieg choroby jest znacznie łagodniejszy [28]. Cecha ta
nie występuje jednak zbyt często – jedynie u 10% populacji
europejskiej. Ponadto receptor CCR5 wiąże się z MIP-1α
(ang. Makrophage Inflamatory Protein-1), MIP-1β i RANTES
(ang. Regulated upon Activation Normal T cells Expressed
and Secreted) – które same są zdolne do blokowania infekcji
wirusem HIV w warunkach in vitro [6]. Wirus T-tropowy wykorzystuje jako koreceptor CXCR4, którego obecność wykazano na limfocytach T CD4+. Tego rodzaju wirusy wykazują
większą patogenność i szybszą progresję choroby [5].
Chemokiny łączące się do tych samych receptorów co wirus
HIV, mogą potencjalnie współzawodniczyć z wirusem o wiązanie z receptorem i blokować zakażenie. Są więc doskonałymi kandydatami do użycia ich jako leki przeciwwirusowe.
Również hamowanie ekspresji genów kodujących receptory
CD4+ i CXCR4 daje nadzieje na opracowanie skutecznej
metody walki z wirusem HIV.
Chemokiny w chorobach nowotworowych
Chemokiny biorą udział w progresji nowotworowej, poprzez
regulację wielu szlaków, m.in. angiogenezy, modyfikację
odpowiedzi przeciwnowotworowej, regulację wzrostu, proliferacji i apoptozy komórek rakowych (Rycina 1). Angiogeneza jest wieloetapowym procesem tworzenia nowych
naczyń krwionośnych z dotychczas istniejących. Proces
ten jest inicjowany cytokinami wydzielanymi przez komórki
nowotworowe. Spośród chemokin, największą aktywność
w regulacji angiogenezy mają chemokiny CXC, zawierające
w swej budowie motyw ELR, który nadaje im wyraźnie proangiogenny charakter. Nie jest to jednak regułą, gdyż SDF-1
nie posiadający motywu ELR również wykazuje takie działanie. Dowiedziono, że SDF−1 stymuluje in vitro tworzenie kapilarnych naczyń krwionośnych, a ekspresja jednego z jego
receptorów (CXCR4) na śródbłonku naczyń jest dodatkowo
wzmagana przez czynnik wzrostu śródbłonka naczyń (ang.
Vascular Endothelial Growth Factor, VEGF) [19]. Wśród
Rycina 1.
Wybrane ścieżki działania chemokin na komórki nowotworowe.
chemokin z obecnym motywem ELR doskonałym przykładem jest interleukina 8 (CXCL8/IL−8). Jej podwyższone
stężenie wykazano w wielu typach nowotworów m.in. w niedrobnokomórkowym raku płuca, czerniaku, raku jajnika, raku
okrężnicy i raku gruczołu krokowego [24]. Niektóre z pośród
chemokin są czynnikami hamującymi angiogenezę. Należą
do nich np. CXCL4 (PF−4) i CXCL10 (IP−10). Ograniczają
one tworzenie nowych naczyń krwionośnych w przypadku
ludzkich i mysich czerniaków [24].
Chemokiny biorą również aktywny udział w procesie przerzutowania. Aby mogły powstać przerzuty do odległych narządów, komórki nowotworowe muszą migrować, a czynnikami
bezpośrednio za to odpowiedzialnymi są m.in. chemokiny
wydzielane przez tkanki docelowe oraz receptory chemokinowe obecne na powierzchni komórek guza. Wiele typów
komórek nowotworowych wykazuje dużo wyższą ekspresję
niektórych receptorów chemokinowych, bądź też samych
chemokin w porównaniu ze zdrowymi komórkami. Dzieje się
tak np. w przypadku raka piersi, gdzie prawidłowe komórki
epitelialne nie wykazują ekspresji receptora CXCR4, podczas gdy 5 do 75% komórek nowotworowych posiada go na
swojej powierzchni [20]. Podwyższony poziom jego liganda
(SDF-1), jest znacznie zwiększony w docelowych miejscach
przerzutów czyli węzłach chłonnych, kościach, wątrobie
i płucach. Blokowanie osi SDF-1/CXCR4 na poziomie liganda bądź receptora hamuje migrację komórek nowotworowych i tworzenie przerzutów, co wykazano stosując technikę
interferencji RNA, na przykładzie raka piersi [12].
Sposoby modyfikowania aktywności chemokin i ich receptorów
Chemokiny uczestniczą w wielu procesach życiowych komórki. Biorąc pod uwagę szerokie spektrum ich działania
oraz możliwość aktywowania różnorodnych szlaków cytoplazmatycznych są doskonałym obiektem do badań. Jedną
z możliwości zmiany aktywności chemokin jest modyfikacja
N-końcowego fragmentu ich łańcucha polipeptydowego.
Jego wydłużenie bądź skrócenie prowadzi do otrzymania
pochodnych, które zachowują zdolność wiązania odpowiedniego receptora, lecz hamują przekazywanie sygnału. Inną
możliwością jest modyfikacja C-końca, poprzez przyłącze333
Udział chemokin w wybranych procesach komórkowych
nie sekwencji kilku aminokwasów: lizyny - kwasu asparaginowego - glutaminy i leucyny (tzw. sekwencja KDEL, LysAsp-Glu-Leu). Dochodzi wówczas do zatrzymania chemokin
wewnątrz komórki (są to tzw. intrakiny), które prawdopodobnie poprzez tworzenie wewnątrzkomórkowych kompleksów
z receptorami chemokinowymi hamują ich ekspresję na powierzchni komórki [4]. Inne znane metody inhibicji aktywności chemokin to przeciwciała monoklonalne, rekombinowane
chemokiny, naturalnie występujące białka kodowane przez
wirusowe genomy oraz małe chemiczne inhibitory. Obecnie
potencjalne zastosowanie w lecznictwie mają 2 przeciwciała monoklonalne: anty-CXCR3 chroniące przeszczepiane
organy przed odrzuceniem oraz anty-CXCR4 hamujące
progresję nowotworową [27]. Ponadto biologia molekularna
daje możliwość stosowania nowych technik, takich jak np.
interferencja RNA. Pozwala ona na obniżenie ekspresji danego genu np. receptora chemokinowego, poprzez użycie
krótkiej sekwencji dwuniciowego RNA, homologicznej do
sekwencji genu wyciszanego.
Podsumowanie
Od momentu sklasyfikowania chemokin jako podrodziny cytokin w 1992r, wiedza na ich temat znacznie się rozszerzyła. Prowadzone są badania dotyczące interakcji chemokina-receptor
chemokinowy, które w przyszłości mogą posłużyć do opracowania nowych metod leczenia wielu chorób. Należy jednak pamiętać, że utrata kontroli nad sygnałowaniem chemokin może
okazać się bardzo niebezpieczna. Deregulacja aktywności
i ekspresji receptorów chemokinowych oraz ich ligandów może
prowadzić do zmian mikrośrodowiska guzów nowotworowych
lub miejsc infekcji, powodując długoterminowe i dotychczas
wciąż nie do końca wyjaśnione konsekwencje.
Piśmiennictwo
1. Alexaki A, Wigdahl B. HIV-1 Infection of Bone Marrow Hematopoietic Progenitor Cells and Their Role in Trafficking and
Viral Dissemination. PLoS Pathog 2008; 4(12): e1000215. 2. Bielecki B, Gąbiński A. Udział chemokin i ich receptorów w patogenezie stwardnienia rozsianego. Aktualn neurol 2007, 7(4),
223-231.
3. Busillo JM, Jeffrey L. Benovic. Regulation of CXCR4 signaling.
Biochim Biophys Acta, 2007; 1768(4): 952-963.
4. Chen JB, Bai X, Yang AG i wsp. Inactivation of HIV-1 chemokine
co-receptor CXCR-4 by a novel intrakine strategy. Nat Med
1997, 3: 1110-1116.
5. Choi B, Gatti PJ, Fermin CD i wsp. Down-regulation of cell surface CXCR4 by HIV-1. Virol J 2008; 5: 6. 6. Cocchi F, DeVico, A. Garzino-Demo i wsp. Identification of
RANTES, MIP-1 alpha, and MIP-1 beta as the major HIV-suppressive factors produced by CD8+ T cells. Science 1995, 270:
1811-1815.
7. Fossati V, Kumar R, Snoeck HW. Progenitor cell origin plays
a role in fate choices of mature B cells. J Immunol 2010; 184:
1251-60.
8. Gale LM, McColl SR. Chemokines. extracellular messengers for
all occasions? Bioessays 1999, 21: 17-28.
9. Galvani AP, Slatkin M. Evaluating plague and smallpox as historical selectivepressures for the CCR5-Δ32 HIV-resistance allele. PNAS 2003 ; 25: 1526-79.
10. Kopeć-Ślęzak J, Woźniak J. Znaczenie receptora CXCR4
334
(CD184) w układzie krwiotwórczym. Acta Haematologica Polonica 2006, 37(4), 475-483.
11. Kucia M, Jankowski K, Reca R, i wsp. CXCR4–SDF-1 signalling, locomotion, chemotaxis and adhesion. J Mol Histol 2004;
35: 233-245.
12. Lapteva N, Yang AG, Sanders DE i wsp. CXCR4 knockdown
by small interfering RNA abrogates breast tumor growth in vivo,
Cancer Gene Ther 2005; 12: 84-9.
13. Lataille J, Clay D, Bourin P i wsp. Stromal cell-derived factor-1
regulates primitive hematopoiesis by suppressing apoptosis and
by promoting G0/G1 transition in CD34+ cells: evidence for an
autocrine/paracrine mechanism. Blood 2002; 99: 1117-1129.
14. Lee B, Ratajczak J, Doms RW i wsp. Coreceptor/chemokine
receptor expression on human hematopoietic cells: Biological
implications for HIV–1 infection. Blood 1999, 93: 1145–1156.
15. Luster AD. Chemokines – chemotactic cytokines that mediate
inflammation. N Engl J Med 1998, 338: 436-445.
16. Majka M, Janowska–Wieczorek J. Ratajczak M, i wsp. Stromal
derived factor–1 and thrombopoietin regulate distinct aspects of
human megakaryopoiesis. Blood 2000, 96: 4142–4151.
17. Majka M, Ratajczak J, Lee B i wsp. The role of HIV related
chemokine receptors and chemokines in human erythropoiesis
in vitro. Stem Cells 2000, 18: 128-138.
18. Melchers F, Rolink AG, Schaniel C. The role of chemokines in
regulating cell migration during humoral immune responses.
Cell 1999, 99: 351-354.
19. Mirshahi F, Pourtau J, Li H i wsp. SDF−1 activity on microvascular endothelial cells: consequences on angiogenesis in in vitro
and in vivo models. Thromb Res 2000, 99, 587–594.
20. Muller A, Homey B, Soto H i wsp. Involvement of chemokine receptors in breast cancer metastasis. Nature 2001, 410, 50–56.
21. Peled AI, Hardan L. Trakhtenbrot E. Gur M. i wsp. Immature
leukemic CD34+CXCR4+ cells from CML patients have lower
integrin-dependent migration and adhesion in response to the
chemokine SDF-1. Stem Cells 2002, 20: 259-266.
22. Rollins BJ. Chemokines. Blood 1997, 90: 909-928.
23. Rossi D, Zlotnik A. The Biology of Chemokines and their Receptors. Annu. Rev. Immunol 2000, 18: 217-242.
24. Strieter RM, Belperio JA, Roderick JP i wsp. CXC chemokines in
angiogenesis of cancer. Semin Cancer Biol 2004, 14:195-200.
25. Veldkamp CT, Ziarek J, Su J i wsp. Monomeric structure of the
cardioprotective chemokine SDF-1/CXCL12. Protein Sci 2009;
18: 1359–1369. 26. Wang J, Shiozawa Y, Wang J, i wsp.: The role of CXCR7/RDC1
as a chemokine receptor for CXCL12/SDF-1 in prostate cancer.
The Journal of Biological Chemistry 2008, 283(7): 4283-4294.
27. Waśniowska K. Chemokiny – perspektywy zastosowania związków blokujących ich działanie w terapii. Postępy Hig Med Dosw
2004; 58: 37-46.
28. Weismann IL, Anderson DJ, Gage F. Stem and progenitors cells:
Origins, phenotypes, lineage commitments and transdifferentiations. Annu Rev Cell Dev Biol 2001, 17: 387-403.
29. Wimmer A, Khaldoyanidi S, Judex M i wsp. CCL18/PARC stimulates hematopoiesis in long-term bone marrow cultures indirectly
through its effect on monocytem. Blood 2006; 108: 3722–3729.
30. Zlotnik A, Yoshie O. Chemokines. A New Classification System
and Their Role in Immunity. Immunity 2000; 12: 121-127.
Adres do korespondencji:
Zakład Transplantologii
Uniwersytecki Szpital Dziecięcy w Krakowie-Prokocimiu
ul. Wielicka 265, 30-663 Kraków
tel. 12 659 15 93; fax 12 659 15 93
e-mail: [email protected]
Zaakceptowano do publikacji: 27.06.2011