Chemokin

Chemokiny, někdy označované také jako chemotaktické cytokiny, představují skupinu malých cytokinů s chemotaktickým účinkem, jejichž hlavní funkcí je regulace migrace buněk. Jedná se o nízkomolekulární (8-12 kDa), strukturně velmi konzervované peptidy, které jsou klasifikovány podle společných strukturních charakteristik a přítomnosti cysteinových zbytků v konzervovaných oblastech do čtyř skupin: CC, CXC, CX3C a C chemokiny.^[1] Tyto čtyři skupiny chemokinů se odlišují nejen strukturně, ale i funkčně. Chemokiny se vyskytují u všech obratlovců, u člověka je v současné době známo přibližně 50 chemokinů a přes 20 chemokinových receptorů.^[2][3]

Název chemokinů a jejich receptorů se skládá z názvu rodiny, který je doplněn o písmeno "L" (ligand) nebo "R" (receptor) a pořadového čísla. Většina chemokinů má také další označení, která jsou odvozená od jejich funkce.^[4]

Chemokiny jsou produkovány v zánětlivých, ale i v homeostatických procesech. Zánětlivé chemokiny jsou vyvolávány během imunitní odpovědi a regulují přísun imunitních buněk do místa infekce, zatímco homeostatické chemokiny se podílejí na regulaci migrace buněk při normálních procesech údržby a vývoje ve tkáních. Jsou sekretovány jak buňkami imunitního systému, tak i buňkami dalších tkání organismu.^[5][6]

Chemokiny plní své biologické funkce prostřednictvím vazby na specifické receptory. Jedná se o receptory asociované s trimerními G-proteiny na povrchu cílových buněk. Většina receptorů rozpoznává několik různých chemokinů a jeden chemokin se může vázat na několik receptorů . Navázání chemokinu na receptor způsobuje změny v adhezi a pohyblivosti leukocytů a jejich chemotaktické nasměrování do poškozených tkání.^[7]

Struktura

Primární struktura

Primární struktura chemokinů je definovány přítomností čtyř cysteinových zbytků, které tvoří disulfidické vazby, a tím určují vyšší organizační struktury chemokinů. První a druhý cysteinový zbytek se nachází blízko N konce, třetí přibližně uprostřed sekvence, čtvrtý se nachází blízko C konce. První cysteinový zbytek tvoří vazbu se třetím, druhý se čtvrtým. Na základě přítomnosti dalších aminokyselin mezi prvními dvěma (N-koncovými) cysteinovými zbytky se chemokiny dělí do 4 strukturních rodin:^[8]

1. C chemokiny (γ chemokiny)
2. CC chemokiny (β chemokiny)
3. CXC chemokiny (α chemokiny)
4. CX3C chemokiny (δ chemokiny)

X označuje počet aminokyselin oddělující první a druhý cysteinový zbytek. CC chemokiny mají dvě disulfidické vazby vedle sebe, zatímco u chemokinů rodin CXC a CX3C jsou disulfidické vazby odděleny jednou, respektive třemi aminokyselinami. Výjimkou je rodina C chemokinů, která obsahuje jenom dva cysteinové zbytky, které tvoří jednu disulfidickou vazbu. V rámci jednotlivých rodin vykazují chemokiny 20 - 70% homologii ve své aminokyselinové sekvenci.^[1][8][9]

Sekundární struktura

Sekundární struktura chemokinů je vysoce konzervovaná. Na N-konci se nachází velmi flexibilní doména, následovaná dlouhou N-terminální smyčkou. V centrální části se nachází trívláknový antiparalelní β-list, následovaný C-terminálním α-helixem.^[8][10][11]

Kvarterní struktura

Základní funkční jednotkou je monomer, chemokiny ale také tvoří dimery, mohou ale tvořit i tetramery a další oligomery s vyšším počtem podjednotek. Struktura oligomerů je různá, platí ale, že v rámci jednotlivých rodin jsou dimery jednotlivých cytokinů strukturně podobné.^[1][8] V případě CC chemokinů probíhá dimerizace pomocí antiparalelních β-listů, v případě CXC chemokinů pomocí dvou α-helixů.^[11]

Chemokinové receptory

Chemokiny se vážou na chemokinové receptory na povrchu buňky, doposud bylo identifikováno 28 receptorů. Pro chemokiny a jejich receptory je významná jejich promiskuita - jeden chemokin se může vázat na více receptorů, jeden receptor může vázat více chemokinů.^[12]

Struktura a signalizace

Chemokinové receptory jsou spřažené s G proteiny (GPCRs), konkrétně se jedná o receoptory označované jako 7TM, jelikož obsahují 7 transmembránových domén. Jsou tvořeny N-teminální extracelulární doménou, sedmi transmembránovými doménami, třemi extracelulárními smyčkami a C-terminálním koncem.^[13] Nejdřív dochází k interakci globulárního centra chemokinů s povrchem receptoru, což umožní následnou interakci mezi N-koncem chemokinu a vazebném místě na 7TM doméně receptoru. Tato interakce pak vyvolá G-proteinovou signalizaci, která vede k aktivaci fosfolipázy C, která produkuje inositoltrifosfát (IP3) a diacylglycerol (DAG). IP3 pak aktivuje mobilizaci vápníku, zatímco DAG aktivuje proteinkinázu C (PKC).Také dochází k aktivaci fosfatidylinositol 3-kinázy (PI3K), která generuje 3-fosfatatidylinositol, který pak aktivuje proteinkinázu B (Akt) ^[12][14] Tyto dráhy vedou ke změně genové exprese, která vede ke konkrétním procesům, v závislosti na chemokinu, který signalizaci vyvolal. Jedná se hlavě o chemotaxi, aktivaci imunitních buněk, či interagování s adhezivními molekulami.^[15]

Funkce

Chemokiny jsou produkovány převážně endoteliálními buňkami, trombocyty a lymfocyty. Hlavní funkcí chemokinů je utváření chemotaktických gradientů, které slouží pro migrace buněk imunitního systému do cílových tkání. Po uvolnění z buňky se chemokiny ve formě dimerů váží na glykosaminoglykany (GAG) na povrchu endoteliálních buněk a extracelulární matrix. To pak utváří rovnovéhu volných a vázaných, monomerních a dimerních chemokinů, což umožňuje tvorbu chemotaktického gradientu. Signalizace z chemokinových receptorů pak umožňuje cílení pohybu imunitních buněk do místa zánětu.^[13][15][16] Chemokiny nepůsobí pouze na imunitní buňky, chemokinové receptory najdeme i na neuronech, epiteliálních buňkách, endoteliálních buňkách, mezenchymálním buňkách ^[10], ale i nádorových buňkách, kde nejspíš hrají roli v metastazování a mohou být tak cílem nádorové imunoterapie.^[17][18] Mezi další funkce chemokinů patří například regulace angiogeneze ^[19] nebo antimikrobiální působení.^[20]

Chemokiny se dělí na homeostatické a zánětlivé:

Homeostatické chemokiny

Homeostatické chemokiny jsou za normálních podmínek produkovány konstitutivně a jejich hlavní funkcí je reguluce pohybu buněk a homing do konkrétních tkání. Chemokinová signalizace CXCR4 - CXCL12 je například zásadní pro vytvoření niky hematopoetických kmenových buněk v kostní dřeni. Obdobně CCL21 a CCL19 atrahuje CCR7+ T buňky a CXCL13 atrahuje CXCR5+ B buňky do lymfatických uzlin.^[21]

Zánětlivé chemokiny

Zánětlivé chemokiny jsou produkovány leukocyty po jejich aktivaci, jejich produkce je často vyvolávána pro-zánětlivými mediátory (TNF, IL-6, IFN-γ), případně přímou stimulací mikrobiálními produkty. Funkcí prozánětlivých chemokinů je atrakce zánětlivých buněk do poškozené tkáně (místa zánětu). Mezi zánětlivé chemokiny se řadí CCL1-5 a CXCL1-11 (CXCL1-8 atrahují neutrofily a CXCL9-11 T buňky).^[21]

Rodiny chemokinů

CC chemokiny

CC chemokiny, také označované jako β chemokiny, tvoří rodinu chemokinů, které jsou charakteristické přítomností dvou sousedících disulfidických vazeb. Rodina obsahuje 27 chemokinů, které jsou označovány CCL1 - CCL27, část genů pro tyto chemokiny se nachází na 17. chromozomu. Mezi CC chemokiny patří skupina chemokinů, které atrahují monocyty, např.: CCL2 (MCP-1), CCL7 (MCP-3), CCL8 (MCP-2), CCL13 (MCP-4). Dále CC chemokiny působí také na bazofily, eosinofily, T-lymfocyty a NK buňky. ^[22][23]

Zástupcem této rodiny je například CCL2, jehož hlavní funkcí je atrakce monocytů do místa zánětu. CCL2 je produkován stromálními a imunitními buňkami po stimulaci PRR (nebo cytokinové stimulaci). CCL2 poté dimerizuje a váže se na GAG v extracelulární matrix a vytváří chemotaktický gradient pomocí kterého monocyty migrují do místa zánětu.^[24]

CXC chemokiny

CXC chemokiny, také označovaná jako α chemokiny, tvoří rodinu chemokinů, které jsou charakteristické přítomností jedné aminokyseliny oddělující N-terminální disulfidické vazby. Rodina obsahuje 17 chemokinů, které jsou označovány CXCL1 - CXCL17. Část chemokinů tvoří clustr na 4. chromozomu, který obsahuje geny pro chemokiny, které působí převážně na neutrofily. Tyto chemokiny mají na N-konci sekvenci Glu-Leu-Arg (tzv. ELR motiv), který je důležitý pro interakci s receptorem. Většina chemokinů této rodiny se váže na receptory CXCR1 a CXCR2.^[22][23] Zástupcem této rodiny je například CXCL8, neboli IL-8, neutrofil-aktivační protein, který se řadí mezi prozánětlivé cytokiny a podílí se na atrakci neutrofilů do místa zánětu.^[25]

C chemokiny

C chemokiny, také označované jako γ chemokiny, tvoří rodinu chemokinů, které obsahují pouze jednu N-terminální disulfidickou vazbu. V současné době jsou známé pouze dva členové této rodiny: XCL1 a XCL2, také označované jako lymfotaktiny. Jsou důležité pro chemotaxi T a NK buněk, nejspíš se podílejí i na interakci mezi APC a T buňkami, vývoji CD8+ odpovědi a vývoji Treg buněk a zachování centrální tolerance.  ^[22][23][26]

CX3C chemokiny

CX3C chemokiny, také označované jako δ chemokiny, tvoří rodinu chemokinů, které mají N-terminální disulfidické vazby oddělené třemi aminokyselinami. V současné době je známý pouze jeden člen této rodiny: CX3CL1, který kromě funkce chemotaktické, může fungovat i jako adhezivní molekula a hraje roli ve fyziologii nervového systému, kde je důležitý pro interakci mikroglií a neuronů.  ^[22][23][27]

Reference