Журнал "Здоров`я дитини" 6 (33) 2011
Повернутися до номеру
Система неспецифической защиты респираторного тракта. Хемокин CCL20/MIP-3a
Автори: Абатуров А.Е. Днепропетровская государственная медицинская академия
Рубрики: Педіатрія/Неонатологія
Версія для друку
В обзоре научной литературы даны современные представления о месте и биологическим значении хемокина CCL20/MIP-3a в системе неспецифической защиты респираторного тракта у человека. Показано, что протеин CCL20/MIP-3a является полифункциональной биологически активной молекулой, которая в респираторном тракте функционирует как антимикробный пептид, действующий на грамположительные и грамотрицательные бактерии, хемокин, привлекающий незрелые дендритные клетки, В- и Т-лимфоциты в место поражения респираторного тракта.
Summary. The review of scientifical literature presents current ideas about the place and the biological significance of chemokine CCL20/MIP-3a in the non-specific protection of respiratory tract in humans. The protein CCL20/MIP-3a was found to be a multifunctional biologically active molecule, which in the respiratory tract acts as an antimicrobial peptide active against Gram-positive and Gram-negative bacteria, as a chemokine that attracts immature dendritic cells, B- and T-lymphocytes into the place of the damage of the respiratory tract.
Резюме. В огляді наукової літератури подані сучасні уявлення про місце та біологічне значення хемокіну CCL20/MIP-3a в системі неспецифічного захисту респіраторного тракту в людини. Показано, що протеїн CCL20/MIP-3a є поліфункціональною біологічно активною молекулою, яка функціонує в респіраторному тракті як антимікробний пептид, що діє на грампозитивні та грамнегативні бактерії, хемокін, що залучає незрілі дендритні клітини, В- і Т-лімфоцити в місце ураження респіраторного тракту.
Сокращения: AMAC (alternative macrophage activationassociated CC chemokine) — альтернативный макрофагальный ССхемокин, ассоциированный с активацией; ATAC (activationinduced, chemokinerelated molecule) — индуцирующая активацию хемокинсвязанная молекула; BCA (Bcell attracting chemokine) — хемокин, привлекающий Влимфоциты; BRAK (breast and kidneyexpressed chemokineх) — хемокин, экспрессируемый в молочной железе и почках; CCL (chemokine (CC motif) ligand) — хемокиновый (СС мотива) лиганд; CCR6 (chemokine (CC motif) receptor 6) — хемокиновый (СС мотива) рецептор 6; CTACK (cutaneous T cellactivating chemokine) — хемокин Тклеточной активации; DCCK1 (dendritic cellderived CC chemokine) — ССхемокин дендритных клеток; ELC (EBL1 ligand chemokine) — EBL1 хемокиновый лиганд; ENA78 (epithelial neutrophil activating peptide 78) — эпителиальнонейтрофильный активирующий пептид 78; ERK1/2 (extracellular signalregulated kinase 1/2) — экстрацеллюлярная сигналрегулируемая киназа 1/2; FAK (focal adhesion kinase) — местная киназа адгезии; GCP (granulocyte chemotactic protein) — протеин хемотаксиса гранулоцитов; GRO (Growthregulated oncogene) — регулирующий рост онкоген; HBD (human bdefensin) — человеческий bдефенсин; HCC (human CC chemokine) – человеческий СС хемокин; ILC (IL11 recepter alocus chemokine) — интерлейкин11 рецептор aлокус хемокина; IP (IFNginducible protein) — интерферонg — индуцибельный протеин; ITAC (IFNinducible Tcell chemoattractant) — интерферониндуцибельный Тклеточный хемоаттрактант; LARC (liver and activationregulated chemokine) — регулирующий активацию хемокин печени; LEC (liverexpressed chemokin) — хемокин, экспрессируемый печенью; Lkn (leukotactin) — лейкотактин; MCAF (monocyte chemotactic and activating factor) — моноцитарный хемотактический и активирующий фактор; MCP (monocyte chemoattractant protein) — моноцитарный хемотактический протеин1; MDC (monocytederived chemokine) — моноцитарный хемокин; MEC (mucosaeassociated epithelial chemokine) — эпителиальный хемокин, ассоциированный со слизистой оболочкой; MGSA (melanoma growth stimulatory activity) — ростовой стимулятор активности меланомы; MIG (monokineinduced by IFNg) — монокин, индуцированный IFNg; MIP (macrophage inflammatory protein) — макрофагальный воспалительный протеин; MPIF (myeloid progenitor inhibitory factor) — фактор ингибирования миелоидных предшественников; MUC5AC (mucin 5AC) — муцин 5AC; NAP (neutrophilactivating peptide) — нейтрофилактивирующий пептид; NFkB (nuclear factor of kappa light polypeptide gene enhancer in Bcell) — нуклеарный фактор транскрипции каппа В; NKT (natural killer T) — натуральные киллеры Т (CD3+ CD56+) ; PAMP (pathogenassociated molecular patterns) — патогенассоциируемые молекулярные структуры; PARC (pulmonary and activationregulated chemokine) — регулирующий активацию хемокин легких; PF (platelet factor) — тромбоцитарный фактор; Pyk2 (pyruvate kinase) — пируваткиназа 2; ROR (RARrelated orphan receptor) — RARсвязанный рецептор; SCM (Single C motif) — единственный Смотив; SDF1 (stromal cellderived factor 1) — фактор1 стволовых клеток; SLC (secondary lymphoid tissue chemokine) — хемокин вторичной лимфоидной ткани; STAT3 (signal transducer and activator of transcription 3) — сигнальный трансдуктор и активатор транскрипции3; STCP (stimulated T cell chemoattractant protein) — хемоаттрактантный протеин, стимулирующий Тклетки; TACE (metalloprotease TNFaconverting enzyme) — металлопротеазный TNFaконвертирующий фермент; TARC (thymus and activationregulated chemokine) — регулирующий активацию хемокин тимуса; TECK (thymusexpressed chemokine) — хемокин, экспрессируемый тимусом; TLR (tolllike receptor) — Tollподобный рецептор; Treg (regulatory T cells) — Трегулирующие клетки.
Введение
Эпителиальные клетки респираторного тракта участвуют как в защите макроорганизма от инфекционных агентов, так и в регуляции воспалительного процесса, в частности, активно продуцируя некоторые хемокины. После идентификации в 1987 году IL8/CXCL8 как первого протеина, влияющего на хемотаксис клеток, семейство хемокинов человека прогрессивно увеличивалось, и в настоящее время оно состоит из более чем 54 представителей. Хемокины, которые являются небольшими (8–14 kDa) гепаринсвязывающими положительно заряженными протеинами, участвуют в регуляции иммунных реакций, дифференцированно активируя хемотаксис различных иммуноцитов. Свою активность они реализуют, специфически взаимодействуя более чем с двадцатью различными Gпротеиновыми рецепторами (G proteincoupled receptors — GPCR), экспрессируемыми на клеткахмишенях. Хемокиновые протеины содержат от 70 до 100 аминокислотных остатков [17, 42]. Кроме участия в развитии воспаления, хемокины играют роль и в других биологических процессах. В частности, они принимают активное участие в процессе кроветворения, ангиогенезе, непосредственной неспецифической антимикробной защите макроорганизма. В последнее время было установлено, что некоторые хемокины, такие как CCL20/MIP3a, CXCL9/MIG, CXCL10/IP10 и CXCL11/ITAC, обладают выраженной антибактериальной активностью против Streptococcus pyogenes [34], CCL4/MIP1b, CCL5/RANTES проявляют противовирусную активность и играют важнейшую роль в процессе неспецифической защиты респираторного тракта от инфекционных агентов [27, 30].
Краткая характеристика хемокина CCL20/MIP3a
Хемокин CCL20/MIP3a (CCL20 — chemokine (CC motif) ligand 20, MIP3a — макрофагальный белок воспаления 3a) первоначально был определен в ткани печени и получил название LARC (liver and activationregulated chemokine). Другими синонимами CCL20/MIP3a являются Exodus1, CKb4, MIP3A, SCYA20, ST38, small inducible cytokine subfamily A (CysCys), member 20 [33]. Хемокин CCL20/MIP3a структурно и функционально близок к дефензинамb (HBD) [36].
В зависимости от наличия одного или двух цистеиновых аминокислотных остатков (С) в Nтерминальном регионе молекул и расположения С в аминокислотной последовательности человеческие хемокины разделены на 4 субсемейства: субсемейство C, включающее 15 хемокинов, субсемейство CC, включающее 27 хемокинов (CCL127), субсемейство CXC, включающее 15 хемокинов (CXCL115), и субсемейство CX3C (табл. 1). CCL20/MIP3a относится к группе Exodus субсемейства СС, которая состоит из Exodus1 (CCL20), Exodus2 (CCL21), Exodus3 (CCL19) [17].
Молекула CCL20/MIP3a состоит из 70 аминокислотных остатков, содержит две дисульфидные связи и имеет молекулярную массу 8 kDa. Интересно отметить, что в молекуле CCL20/MIP3a существует единственный мотив AspCysCysLeu, который находится и в молекулах hMIP3a, hExodus2 и mExodus2, mTECK и MC10подобного белка [28].
В настоящее время идентифицированы две молекулярные изоформы протеина CCL20/MIP3a, которые различаются одним аминокислотным остатком в Nтерминальном регионе: одна изоформа содержит остаток аланина в 27м положении, а другая — нет. Неоднородность протеинов CCL20/MIP3a, возникающая на уровне транскрипции, обусловлена альтернативным сплайсингом. Изоформа CCL20/MIP3a, содержащая Ala27, в 2 раза более активна по хемотаксическому действию на Тлимфоциты, но не превышает активности изоформы CCL20/MIP3a, не содержащей Ala27, по влиянию на мононуклеарные клетки [32].
Молекула CCL20/MIP3a в кислотной среде присутствует в качестве мономера, а при высоком уровне pH (7,0 и выше) приобретает димерную форму. Основную роль при димеризации играет His40 аминокислотный остаток CCL20/MIP3a [10].
В отличие от большинства человеческих CCхемокиновых генов, которые картированы на хромосоме 17, ген, кодирующий синтез CCL20/MIP3a, расположен на хромосоме 2q33q37 (gene ID: 6364) [33].
Продукция CCL20/MIP3a
Хемокин CCL20/MIP3a продуцируется как конститутивно, так и индуцибельно [33]. В бронхоальвеолярной жидкости практически здоровых людей концентрация CCL20/MIP3a находится на уровне 10,4 пг/мл, а у больных муковисцидозом ее уровень резко повышен и достигает 907 пг/мл [4]. Характер стимулирующего сигнала предопределяет тип клеток, которые станут основными продуцентами индуцибельного CCL20/MIP3a. Патогенассоциируемые молекулярные структуры (PAMP) и макрочастицы индуцируют секрецию CCL20/MIP3a преимущественно эпителиоцитами слизистой оболочки бронхов, а цитокины активируют продукцию CCL20/MIP3a макрофагами, альвеолоцитами II типа, нейтрофилами, фибробластами [1, 31, 37]. Необходимо подчеркнуть, что при TLRзависимом возбуждении хемокиновой продукции эпителиальные клетки в основном секретируют CCL20/MIP3a, а фибробласты и лейкоциты — в большей степени MCP1 и IL8. В процессе развития воспаления уровень продукции CCL20/MIP3a сопоставим с объемом продукции MCP2 и MCP3, но значительно ниже, чем таковой IL8 и MCP1 [32]. Установлено, что провоспалительные цитокины (IL1b, ТNFa и интерферонg) и Тh2ассоциированные интерлейкины (IL4 и IL13) усиливают синтез CCL20/MIP3a, активируя фактор транскрипции NFkB через внутриклеточные сигнальные компоненты ERK1/2 или p38 [1, 2, 40]. Так, концентрация CCL20/MIP3a в бронхоальвеолярной жидкости после воздействия IL1b увеличивается более чем в 30 раз и достигает уровня 167 нг/мл [4]. Ингибитором продукции CCL20/MIP3a является дексаметазон [32].
Считалось, что эпителиальные клетки секретируют CCL20/MIP3a, как и дефензины, преимущественно с базолатеральной стороны в местах тесного контакта, а в апикальной области секретируют TNFa [13]. Однако в последующих исследованиях было показано, что локализация секреции CCL20/MIP3a в значительной степени зависит от условий и характера индуцирующего стимула. Так, при TLRассоциированном возбуждении секреция CCL20/MIP3a эпителиоцитами осуществляется через апикальную поверхность мембраны. Это необходимо, вероятно, для реализации антимикробного действия данного хемокина, так как апикальная форма высвобождения предполагает более выраженное воздействие на патоген, локализующийся на поверхности слизистой оболочки респираторного тракта. Но ответное высвобождение CCL20/MIP3a с апикальной поверхности эпителиоцитов не является универсальным для агонистов всех TLR. Например, в ответ на действие агонистов TLR7 и TLR9, локсорибина и CpG мотивы бактериальной ДНК, CCL20/MIP3a секретируется преимущественно с базолатеральной поверхности эпителиальных клеток, в то время как под влиянием индуцирующего действия цитокинов, в частности IL17, эпителиоциты респираторного тракта секретируют CCL20/MIP3a исключительно с базолатеральной поверхности клетки [18].
Противоинфекционное действие CCL20/MIP3a
T.D. Starner и соавт. [4] в 2003 году показали, что CCL20/MIP3a, индуцибельно продуцированный эпителиоцитами респираторного тракта, обладает антибактериальной активностью, которая зависит от концентрации ионов натрия и хлора в микроокружении.
Как и у большинства антимикробных пептидов, противобактериальное действие CCL20/MIP3a связано с его высокой катионной активностью. Электростатический профиль молекулы CCL20/MIP3a характеризуется полюсно расположенными регионами, которые несут положительный и отрицательный заряд. Так, большая часть поверхности белка CCL20/MIP3a, организованная 40 петлями в Стерминальной области, обладает положительным зарядом, в то время как значительная часть Nтерминального региона молекулы несет отрицательный заряд. Наличие региона с положительным зарядом является необходимым условием для осуществления антибактериального действия CCL20/MIP3a, так как он позволяет протеину связываться с отрицательно заряженной поверхностью стенок бактерий. Также катионный домен CCL20/MIP3a участвует в противовирусной защите от вируса коровьей оспы и респираторносинцитиального вируса. Однако протеин CCL20/MIP3a не активен в отношении вируса простого герпеса типа 1, вирусная оболочка которого не имеет отрицательного заряда. Недавно было показано, что фрагмент Cтерминального региона пептида CCL20/MIP3a, состоящий из 12 аминокислотных остатков, обладает не менее выраженной антимикробной активностью, чем полновесная молекула [10, 26, 27].
Хемокин CCL20/MIP3a проявляет достоверную антибактериальную активность против широкого спектра бактерий, преимущественно против грамотрицательных бактерий, в частности против Enterococcus faecium, Escherichia coli, Moraxella catarrhalis, Pseudomonas aeruginosa, Streptococcus pyogenes, Staphylococcus aureus, а также обладает противовирусной и фунгицидной активностью против Candida albicans. Было показано, что CCL20/MIP3a обладает более высокой антимикробной активностью против Escherichia coli ATCC 25922 и Staphylococcus aureus ATCC 29213, чем HBD1 и HBD2 [12, 26, 27, 36]. Предполагают, что хемокин CCL20/MIP3a играет ключевую роль в активации NKTклеток, обеспечивающих эрадикацию возбудителя, при туберкулезе легких [14].
Показано, что CCL20/MIP3a ингибирует репликацию вируса иммунодефицита человека [3].
Иммуномодулирующее действие CCL20/MIP3a
Протеин CCL20/MIP3a, как хемокин, реализует свое действие через активацию хемокинового CC семитрансмембранного GPC рецептора6 (CCR6) [8, 33, 38]. Было показано, что непосредственно c CCR6 могут взаимодействовать не только CCL20/MIP3a, но и дефенсины HBD2, параллельно индуцируя хемотаксис CCR6экспрессирующих клеток. Сравнение молекулярных структур показало, что протеины bдефенсин2 и CCL20/MIP3a имеют подобные топологические мотивы. Мотив Asp4–Leu9 молекулы HBD2 напоминает мотив Asp5–Leu8 молекулярной последовательности CCL20/MIP3a, который считается ответственным за взаимодействие с рецептором CCR6 [15].
Хемокин CCL20/MIP3a обладает выраженной специфичностью и очень высоким аффинитетом к своему единственному рецептору CCR6. Степень аффинитета протеина CCL20/MIP3a, учитывая, что он может существовать как в мономерной, так и в димерной форме, зависит от меримизации. Известно, что средний размер взаимодействующей расщелины димера составляет 12.1 Å — достоверно больше, чем у мономера CCL20/MIP3a. David I. Chan и соавт. [10] считают, что эта разница в размерах расщелины может быть одной из причин, объясняющих почему мономерный хемокин обладает значительно более высоким аффинитетом к рецептору, чем его димерная форма. Также димер CCL20/MIP3a перед взаимодействием с рецептором должен пройти некоторые конформационные изменения, в результате которых происходит высвобождение Nтерминального региона молекулы.
Ген, кодирующий CCR6, находится на хромосоме6, в то время как гены других хемокиновых bрецепторов сосредоточены на хромосоме 3 [28].
Рецептор CCR6 экспрессируется на незрелых CD34+ дендритных клетках, но не на моноцитарных дендритных клетках, а также на Влимфоцитах и клетках некоторых субпопуляций Тлимфоцитов, в том числе клетках памяти 45RO+, Th17 и регуляторных (Treg) клетках [5]. Функционально активные рецепторы CCR6 в большей степени экспрессируются на CD4+Тклетках слизистой оболочки носа, трахеобронхиального дерева и кожных покровов, чем на CD4+Тклетках периферической крови [16].
Экспрессия CCR6 также была идентифицирована в лимфатической и нелимфатических тканях селезенки, вилочковой железы, лимфатических узлов, толстого и тонкого кишечника, поджелудочной железы, печени и яичек [21].
По всей вероятности, CCL20/MIP3a активирует рецепторную субъединицу Gbg, которая индуцирует фосфолипазу C и фосфатидилинозитольную киназу 3, что приводит к возбуждению регуляторных киназ FAK и Pyk2 цитоскелета, обусловливающих хемотаксис клеток [6, 11]. Эпителиоциты после взаимодействия с PAMP патогенов активно продуцируют CCL20/MIP3a, взаимодействие которого с CCR6 незрелых дендритных клеток, Тлимфоцитов, Влимфоцитов обусловливает миграцию данных клеток в регион поражения слизистой оболочки респираторного тракта. CCL20/MIP3a также способствует созреванию дендритных клеток и дальнейшей презентации антигена Тклеткам [12, 19, 20, 35, 41].
Экспрессия CCR6 Th17 и Tregклетками играет важнейшую роль в процессе их миграции в регион воспаления. Дифференцировка наивных CD4+ Тклеток в Th17клетки опосредована активирующим влиянием TGFb и IL6 на факторы транскрипции STAT3, RORgt, и RORa, участвующие в активации генов CCR6 и CCL20/MIP3a. Экспрессия CCR6 на поверхности мембран Th17 и Tregклеток не только поддерживает их взаимоотношения данных Тлимфоцитарных субпопуляций, но и имеет биологическое значение в координации процессов транслокации про и противовоспалительных Тклеток. Было продемонстрировано [7], что в ответ на действие CCL20/MIP3a, который был продуцирован активированными эпителиоцитами, Th17 и Tregклетки CCR6зависимым образом мигрируют к месту поражения инфекционными агентами. Tomohide Yamazaki и соавт. [7] предполагают, что провоспалительные Th17клетки первой волны, достигнув тканимишени, реактивируют местные антигенпрезентирующие клетки и начинают активно секретировать IL17, который индуцирует секрецию CCL20/MIP3a разнообразными типами клеток. Увеличение общего объема продукции CCL20/MIP3a способствует организации второй, более мощной волны миграции Th17клеток, усиливая активность процесса воспаления. Однако CCL20/MIP3a привлекает и CCR6экспрессирующие Tregклетки, которые представляют особую гетерогенную субпопуляцию иммунных клеток, обладающих ингибирующим действием на механизмы воспалительного и аутоиммунного процессов. В результате нарушения взаимодействия CCL20/MIP3a с CCR6экспрессирующими Th17 и Tregклетками может измениться баланс Th17 и Tregклеток в очаге поражения с неоднозначностью своих последствий [7].
Протеин CCL20/CCR6 играет важнейшую роль в патогенезе многих аллергических и аутоиммунных заболеваний. По мнению Seddon Y. Thomas и соавт. [29], не изменения в балансе Th1/Th2цитокинов, а нарушение активности CCR6 предопределяет развитие бронхиальной астмы, ревматоидного артрита, псориаза.
Показано, что CCR6(+)дендритные клетки рекрутируются в региональные лимфатические узлы и активируют местные антигенспецифические Тклетки, в то время как CCR6(–)дендритные клетки не в состоянии ответить на инфицирование организма и не индуцируют Тклеточное возбуждение. Таким образом, недостаточное напряжение оси CCL20/CCR6 воспалительного процесса приводит к снижению Тклеточноопосредованного контроля эрадикации возбудителя [9].
Увеличение экспрессии CCR6 и продукции CCL20/MIP3a после провокации аллергенами свидетельствует о том, что возбуждение CCL20/MIP3a рецептора CCR6 может потенциально увеличить пролиферацию клеток памяти и предопределить развитие аллергического воспаления [16].
Протеин CCL20/MIP3a обладает таким выраженным индуцирующим действием на механизмы клеточного и гуморального противовирусного ответа, что, по мнению Joan Tarradas и соавт. [22], Satoru Kodama и соавт. [24], может быть рекомендован для использования в качестве вакцинального адъюванта.
Другие действия CCL20/MIP3a
Было показано, что взаимодействие CCL20/MIP3a с CCR6 эпителиальных NCIH292, но не NHBE, клеток слизистой оболочки респираторного тракта пациентов с хроническими обструктивными заболеваниями легких индуцирует продукцию муцина MUC5AC, реактивируя EGFR через TACE (metalloprotease TNFaconverting enzyme)зависимый путь [23]. У мышей с нокаутным геном CCR6 при инфицировании респираторносинцитиальным вирусом отмечается развитие менее выраженной гиперреактивности бронхиального дерева, продукции слизи и скудное рекрутирование Тклеток в слизистую оболочку респираторного тракта в сочетании с низким уровнем продукции Th2ассоциированных цитокинов [5].
Кроме участия в хемотаксисе, система CCL20/CCR6 играет важную физиологическую роль в репарации слизистой оболочки толстого кишечника [21]. Показано, что стимуляция эпителиоцитов CCR6 слизистой оболочки толстого кишечника приводит к мобилизации внутриклеточного кальция, активации RhoA, фосфорилированию Fактина и легких цепей миозина, что обусловливает направленную миграцию энтероцитов [40]. Нельзя исключить, что протеин CCL20/MIP3a участвует и в репарации слизистой оболочки респираторного тракта.
Заключение
Хемокин CCL20/MIP3a является полифункциональной биологически активной молекулой. В респираторном тракте протеин CCL20/MIP3a функционирует и как антимикробный пептид, действующий на грамположительные и грамотрицательные бактерии, и как хемокин, привлекающий незрелые дендритные клетки, В и Тлимфоциты в место поражения респираторного тракта, и, возможно, как протеин, участвующий в репарации слизистой оболочки. Состояние системы CCL20/CCR6 если не в большей, то определенно не в меньшей степени, чем баланс Th1/Th2клеток, предопределяет характер развития воспаления в респираторном тракте.
Список литературы находится в редакции.