Rodina interleukinu-1

Rodina interleukinu-1 (IL-1 rodina) obsahuje 11 různých cytokinů, které hrají hlavní úlohu v regulaci zánětlivých reakcí v důsledku infekcí či sterilního zánětu.

Historie

Objev těchto cytokinů začal studiemi patogeneze horečky. Studie provedly Eli Menkin a Paul Beeson v letech 1943-1948 o vlastnostech proteinů uvolňovaných z králičí peritoneální exsudátové buňky. +more Po těchto studiích následovaly příspěvky několika vyšetřovatelů, kteří se primárně zajímali o souvislost mezi horečkou a infekcí / zánětem.

Interleukin-1 bylo původně jméno pro jakýkoliv sekretovaný produkt makrofágů, kdežto označení interleukin-2 se používalo pro jakýkoliv produkt T lymfocytů. V době přiřazování těchto jmen nebyla známa žádná aminokyselinová sekvenční analýza a termíny byly použity pro definování biologických vlastností. +more V roce 1985 byly identifikováni první členové IL-1 rodiny, IL-1α a IL-1β.

Rodina interleukinu-1

Rodina interleukinu-1 se skládá z 11 cytokinů, které vytvářejí složitou komplexní síť regulátorů imunitních odpovědí a prostřednictvím exprese integrinů na leukocytech a endoteliálních buňkách umožňující imunokompetentním buňkám průnik do stresovaných tkání.

Jelikož IL-1α a IL-1β byly objeveny první a mají výrazné pro-zánětlivé vlastnosti, patří k dosud nejprostudovanějším členům této cytokinové rodiny. Jejich aktivita je regulována výskytem molekuly zvané antagonista IL-1 receptoru (IL-1Ra), která se váže na stejný receptor, ale neaktivuje signalizaci. +more Regulace probíhá formou kompetice o vazebná místa receptoru.

Devět členů rodiny IL-1 se vyskytuje na jednom jediném klastru na lidském chromozomu číslo dva; sekvence a důkazy chromozomální anatomie naznačují, že byly vytvořeny prostřednictvím řady genových duplikací proto-IL-lp ligandu [8]. Tímto způsobem jsou IL-lp, IL-la, IL-36a, IL-36p, IL-36y, IL-36RA, IL-37, IL-38 a IL-1RA velmi pravděpodobně členy rodiny předků sdílející společnou linii. +more IL-18 a IL-33 jsou však na různých chromozomech a neexistuje dostatečný důkaz o sekvenci nebo chromozomální anatomii, které by naznačovaly, že sdílejí společné předky s ostatními členy rodiny IL-1. IL-33 a IL-18 byly zařazeny do rodiny IL-1 kvůli strukturálním podobnostem, překrývání funkcí a receptorům zapojeným do jejich signalizace.

Syntéza

Všichni členové rodiny interleukinu-1, až na výjimku IL-1Ra, jsou v buňce syntetizovány ve formě tzv. prekurzoru. +more Prekurzorový protein je velmi dlouhý, jelikož obsahuje domény, které brání jeho funkci. Aby se z takového prekurzoru stal aktivní tzv. maturovaný protein je třeba odštěpit tyto inhibiční domény. Prekurzorové formy členů IL-1 rodiny nemají žádnou signální sekvenci pro zpracování na maturovaný protein ani signální sekvenci, která by je nasměrovala do klasické sekreční dráhy přes endoplazmatické retikulum a Golgiho aparát. Prekurzorové formy IL-1α a IL-33 se dokáží navázat na své receptory a aktivovat signalizační dráhy, ale ostatní členové IL-1 rodiny, jako je IL-1β a IL-18, musí být zpracovány na kratší maturované proteiny, aby byly schopny své biologické funkce.

Nomenklatura

Rodina interleukinu-1 měla dlouhou dobu pouze čtyři členy IL-1α, IL-1β, IL-1Ra a IL-18. Po objevu dalších pěti členů, byla obecně přijata nová nomenklatura totožná pro všechny členy IL-1 rodiny, která se skládala z IL-1F (F z anglického názvu pro rodinu - „family“) a čísla udávajícího pořadí. +more Původní členové IL-1 rodiny byly přejmenováni na IL-1F1, IL-1F2, IL-1F3 a IL-1F4.

V roce 2010 se ale vědci z celého světa dohodli, že by bylo lepší vrátit se k původní nomenklatuře, jelikož byla stále více používaná a nové názvy se pletly. Původním členům byla vrácena stará jména a IL-1F6, IL-1F8 a IL-1F9 byly pojmenovány IL-36α, IL-36β a IL-36γ, protože i když jsou tyto cytokiny kódovány poměrně vzdálenými geny, vážou se všechny na stejný receptorový komplex složený z receptoru IL-1Rp2 a koreceptoru IL-1RAcP a mají podobné biologické účinky. +more IL-1F5 bylo přiděleno jméno antagonista receptoru pro IL-36, jelikož reguluje funkci cytokinů IL-36α, IL-36β a IL-36γ stejně jako reguluje funkci IL-1 antagonista IL-1 receptoru (IL-1Ra). Další novinkou bylo přejmenování IL-1F7 na IL-37 a jeho nestřihových variant na IL-37a, IL-37b, atd. Jelikož stále není známa funkce IL-1F10, tento název mu byl ponechán, do budoucna je ovšem pravděpodobné, že mu bude také oficiálně přidělen název IL-38.

Signalizace

IL-1α a IL-1β se vážou na stejnou receptorovou molekulu, která se nazývá IL-1 receptor (IL-1R) typu I. Třetí ligand tohoto receptoru, antagonista receptoru pro IL-1 (IL-1Ra), slouží jako negativní regulátor IL-1α a IL-1β, jelikož s nimi soutěží o vazebná místa receptoru a váže se na něj aniž by docházelo k iniciaci signalizace.

IL-1α a IL-1β se vážou nejdříve na první extracelulární doménu IL-1 receptoru, která interaguje s přídatným proteinem IL-1 receptoru („IL-1 receptor accessory protein“, IL-1RAcP). Na tento komplex se připojují přes Toll- a IL-1 receptorovou (TIR) doménu další dva adaptorové proteiny nazývané MyD88 (anglicky „myeloid differentiation primary response gene 88“) a protein kináza aktivovaná IL-1 receptorem 4 („interleukin-1 receptor-activated protein dinase 4“, IRAK4). +more Fosforylovaný IRAK4 dále fosforyluje další proteiny IRAK1, IRAK2 a faktor asociovaný s TNF 6 („tumor necrosis factor-associated factor 6“, TRAF6). TRAF6 je ubiquitin E3 ligáza, která ve spolupráci s komplexem ubiquitin E2 ligáz napadá K63 polyubiquitinem značené řetězce některých meziproduktů IL-1 signalizační dráhy, kupříkladu TGF- β aktivovanou protein kinázu (TAK-1). To umožňuje asociaci TAK-1 a TRAF6 a s MEKK3. Tyto signalizační kaskády vedou k aktivaci několik transkripčních faktorů, jako je NF-κB, AP-1, c-Jun N-koncová kináza (JNK) a p38 MAPK.

Biologické účinky

Il-1 je hojně produkován tkáňovými makrofágy, monocyty, fibroblasty a dendritickými buňkami, mimoto je také exprimován B lymfocyty, NK buňkami a epiteliálními buňkami. IL-1 cytokiny zvyšují expresi adhezivních molekul na endoteliích, čímž umožňují vstup imunokompetentních buněk do infikovaných či jinak stresovaných tkání (diapedézu). +more Také ovlivňují aktivitu hypothalamu, termoregulačního centra organismu, a zvyšují tak tělesnou teplotu, což je stav jinak nazývaný horečka. Proto se IL-1 cytokinům říká pyrogeny. Kromě horečky, členové IL-1 rodiny také způsobují hyperalgesii (zvýšená sensitivita na bolest), vazodilataci a hypotenzi.

IL-1α

IL-1α je cytokin se dvěma rozdílnými funkcemi - kromě klasické cytokinové funkce aktivace receptorů buněk v extracelulárním prostoru, se také podílí na regulaci transkripce v jádře.

IL-1α je syntetizován ve formě prekurzoru a je v menším množství neustále přítomný v cytoplazmě buněk mezenchymálního původu a epiteliálních buněk. Monocyty a makrofágy naopak preformovaný IL-1α neskladují a vyžadují de novo syntézu. +more Prekurzor IL-1α je na maturovaný 17-kDa protein zpracováván Ca2+-aktivovanou proteázou nazývanou calpain, která z prekurzoru odstřihne 16-kDa N-koncovou doménu, tzv. anglicky „propiece cleavage produkt“ (ppIL-1α). ppIL-1α obsahuje jadernou lokalizační sekvenci (NLS), díky které je translokována do jádra, nasedá na chromatin a funguje jako transkripční faktor. Celý prekurzorový protein IL-1α, jelikož k aktivaci receptoru potřebuje jak C- tak N-koncovou doménu, se chová jako tzv. DAMP molekula (z angličtiny „damage-associated molecular patterns“, česky bychom mohli říct „s poškozením asociované molekulární vzory“). DAMP, také společně s PAMP nazývané alarminy, jsou rozpoznávány PRR receptory (z anglického „pattern recognition receptor“) na povrchu buněk imunitního systému a signalizují organismu, že něco není v pořádku. Ve zkratce, DAMP molekuly jsou vypouštěny do extracelulárního prostoru stresovanými buňkami, které podstoupily imunologicky ne-tichou smrt (jako je pyroptóza či nekróza). Jedná se velmi často o úplně běžné buněčné molekuly, např. ATP, u kterých ale v extracelulárním prostoru díky změněnému pH dochází k denaturaci a následnému špatnému sbalení proteinu či jiným oxidativním změnám a jsou tak imunitním systémem rozeznávány jako molekuly, které se za fyziologických podmínek v extracelulárním prostoru nevyskytují. Buňky mohou být stresovány z důvodu infekce, zranění, ischemie, hypoxie, acidózy a lýze komplementem. Prekurzor IL-33 funguje podobným způsobem také jako DAMP.

Sterilní zánět, což je zánětlivá reakce bez přítomnosti infekce, např. ischémie, je závislý pouze na IL-1α zprostředkované signalizaci přes IL-1 receptor, nikoliv na aktivaci Toll-like receptorů. +more IL-1α také stimuluje transkripci a následnou sekreci IL-1β u monocytů. IL-1α tak spíše funguje jako spouštěč imunitní reakce, jelikož indukuje infiltraci neutrolilů do stresovaných tkání, kdežto IL-1β funguje jako amplifikátor zánětu prostřednictvím stimulace makrofágů.

Jak IL-1α prekurzor, tak maturovaný IL-1β protein nemají signální sekvenci pro klasickou sekreční dráhu přes endoplasmatické retikulum a Golgiho aparát a jsou sekretovány nekonvenční sekreční dráhou.

IL-1β

Prekurzor IL-1β je v buňkách na rozdíl od IL-1α syntetizován až po stimulaci imunitních buněk alarminy. Jeho exprese je indukována transkripčním faktorem NF-κB. +more Kupříkladu, makrofágy a dendritické buňky po expozici lipopolysacharidem (LPS), který se váže na TLR4 a funguje jako PAMP.

Syntéza IL-1β prekurzoru (a IL-18) je indukovaná stimulací imunitních buněk přes Toll-like receptory (TLR) nebo RIG-like receptory (RLR). Na IL-1 receptor se ovšem může vázat pouze maturovaná forma IL-1β, která vzniká zpracováním cystein proteázou nazývanou kaspáza-1. +more Kaspáza-1 je aktivovaná inflamazómem, který se formuje po aktivaci příslušných signalizačních kaskád PRR receptory. Za zvláštních okolností jako je např. opravdu velmi intenzivní zánětlivá reakce zprostředkovaná neutrofily, může být IL-1β zpracován i jinými proteázami.

IL-18 je také syntetizován jako prekurzor a zpracováván na maturovaný protein kaspázou-1.

IL-1ra

IL-1ra je produkován monocyty, makrofágy, neutrofily, fibroblasty, epiteliálními buňkami, Sertoliho buňkami, mikrogliemi. IL-1ra je syntetizován jako preprotein obsahující klasickou signální sekvenci dlouhou 25 aminokyselin, která umožňuje sekreci cestou endoplazmatické retikulum/Golgiho aparát. +more Myší, krysí a králičí IL-1ra vykazuje 77, 75, a 78 % sekvenční homologii s lidským IL-1ra. IL-1ra vykazuje přibližně 30% homologii s IL-1β na proteinové úrovni. Bylo identifikováno několik forem IL-1ra: 17 kDa forma, nazývaná sIL-1ra (s=solubilní) nebo také IL-1ra1. Obsahuje klasickou signální sekvenci a je sekretovanou formou IL-1ra. Další 2 formy, nazývané společně icIL-1ra nebo IL-1ra2 a IL-1ra3 nemají signální sekvenci, nejsou sekretovány a zůstávají striktně interacelulární formou. Solubilní forma je produkována hepatocyty a regulována prozánětlivými cytokiny (IL1-β a kombinace IL1-β a IL-6) a dalšími proteiny akutní fáze. Intracelulární forma byla nalezena ve fibroblastech, monocytech, neutrofilech, keratinocytech a bronchiálních epiteliálních buňkách. IL-1ra je důležitým regulátorem exprese a fyziologické odpovědi vyvolané IL-1. IL-1ra funguje jako kompetitivní inhibitor IL-1 receptoru in vitro a in vitro. Působí proti účinkům jak IL-1α, tak IL-1β. Po navázání IL-1ra, IL-1 receptor nepřenáší signál do buňky. IL-1ra inhibuje uvolnění jak IL-1α, tak IL-1β, sekreci IL-2, expresi receptoru pro IL-2 na povrchu buňky. Blokuje stimulaci syntézy prostaglandinu E2 v synoviálních buňkách a proliferaci thymocytů. Inhibuje rovněž uvolnění leukotrienu B4 z monocytů po stimulaci bakteriálními lipopolysacharidy. Blokuje uvolnění inzulínu z izolovaných pankreatických buněk.

Polymorfismus tohoto genu je asociován se zvýšeným rizikem osteoporotických zlomenin. Deficit antagonisty IL-1ra (DIRA) je vzácným vrozeným onemocněním. +more Postižené děti trpí závažným zánětem kůže a kostí, mohou být postiženy i další orgány, jako např. plíce. IL-1ra je používán v léčbě rheumatoiní artritidy. Je komerčně produkován jako rekombinantní forma IL-1ra a nazývá se ANAKINRA.

IL-18

IL-18 je znám jako faktor, který indukuje produkci interferonu gama (IFN-γ). Jedná se o prozánětlivý cytokin, který sdílí podobné biologické účinky jako IL-12 a strukturní podobu s rodinou IL-1. +more Společně s IL-12 zprostředkovává buněčnou imunitu. Váže se na receptor IL-18Rα. Je produkován monocyty, makrofágy, osteoblasty, keratinocyty. Je syntetizován jako neaktivní prekurzor, který je proteolyticky štěpen na aktivní 18 kDa formu. IL-18 stimuluje produkci IFN-γ T-buňkami a NK buňkami. Působí buď nezávisle nebo synergizuje s IL-12, to může vést k rychlé aktivaci monocyto/makrofágového systému. Kombinace tohoto cytokinu a IL-12 způsobuje inhibici IL-4 závislé produkce IgE a IgG1 a naopak podporuje produkci IgG2 B buňkami. Kromě těchto fyziologických funkcí se IL-18 podílí na několika závažných zánětlivých reakcích. Množství mRNA receptoru pro IL-18 v endometriu a také poměr množství vazebného proteinu a interleukinu je prokazatelně zvýšen u pacientů trpících endomyosou ve srovnání se zdravými jedinci. IL-18 je rovněž amplifikován u Hashimotovy tyreoitidy. Bylo dokázáno, že tento interleukin zvyšuje produkci β amyloidu v neuronech u Alzeimerovy choroby.

IL-36ra

IL-36ra je vysoce exprimován keratinocyty, v psoriatické pokožce, placentě, děloze, mozku, ledvinami, monocyty, B-lymfocyty a dendritickými buňkami. IL-36ra je dlouhý 155 aminokyselin a postrádá signální sekvenci. +more IL-36ra sdílí s IL-1ra 52% homologii v aminokyselinové sekvenci. IL-36ra působí jako nespecifický inhibitor zánětu a přirozené imunity. Inhibuje aktivaci NF-κB indukovanou IL-36α.

IL-36α

IL-36α je exprimován ve slezině, lymfatických uzlinách, krčních mandlích, kostní dřeni, B-buňkách. Tento člen je výjimečný tím, že je navíc syntetizován T-lymfocyty. +more Je nejvíce příbuzný s IL-37 a IL-36β.

IL-37

IL-37 je exprimován ve většině tkání. Jedna se o první člen IL-1 rodiny, který vytváří homodimery. +more IL-37 nespecificky inhibuje zánětlivou odpověď a přirozenou imunitu. IL-1F7 byl nalezen také v jádře, kde může fungovat jako nukleární faktor. Tento cytokin se může vázat nebo muže být sám ligandem receptoru pro IL-18 (IL18R1/IL-1Rrp). Váže se na interleukin 18 binding protein (IL18BP), formuje komplex s beta podjednotkou receptoru IL-18 (IL-1F4) a inhibuje tak jeho aktivitu. Bylo popsáno 5 alternativních transkriptů kódujících různé isoformy IL-37.

IL-36β

IL-36β je exprimován v krčních mandlích, kostní dřeni, srdci, placentě, plicích, varlatech, střevě, monocytech a B-lymfocytech. Podobá se nejvíce IL-36α (IL-1F6). +more Byly popsány 2 alternativní transkripty kódující týž protein.

IL-36γ

IL-36γ je nejvíce produkován keratinocyty. Aktivuje NF-κB přes interleukin 1 receptor-like 2 (IL-1Rrp2) a je specificky inhibován pomocí IL-36ra. +more Jeho produkce stoupá po stimulaci IL-1β a TNF α, ale ne po stimulaci IL-18 nebo IFN-γ. IL-36γ hraje významnou roli v imunitě a zánětu kůže. Exprese je zvýšena během chronické kontaktní hypersenzitivity, při infekci virem herpes simplex a psoriáze.

IL-38

IL-38 je exprimován v kůži a také B-lymfocyty v mandlích. Reguluje jak vrozenou, tak adaptivní imunitu. +more Váže se na solubilní receptor IL-1RI. Byly popsány 2 alternativní transkripty kódující týž protein.

IL-33

IL-33 je syntetizován jako 31-kDa prekurzor a váže se na ST2 receptor a IL-1RAcP koreceptor, jejichž prostřednictvím spouští signalizační kaskády aktivující transkripční faktory jako je NF-κB a ERK, p38 a JNK MAPK kinázy. Prekurzorová forma IL-33 aktivuje signalizaci přes svůj receptor podobně jako IL-1α. +more Na druhou stranu, maturované formy IL-33(95-270), IL-33(99-270) a IL-33(109-270), které vytváří serin proteázy cathepsin G a elastáza, aktivují zánětlivé reakce s daleko větší účinností než jejich prekurzor. Zpracování prekurzoru IL-33 kaspázami, např. kaspázou-1, vede k inaktivaci jeho funkce.

IL-33 je také cytokin, který má dvě funkce. Kromě transkripčního faktoru, hraje podstatnou roli jako DAMP molekula. +more Z toho důvodu je neustále přítomen v endoteliálních buňkách a po vypuštění do extracelulárního prostoru ovlivňuje produkci cytokinů v nuocytech, Th2 lymfocytech, mastocytech, basofilech, eosinofilech, invariantních NK T (iNKT) buňkách a NK buňkách. IL-33 je považován za cytokin alergických a patogenem-indukovaných zánětlivých reakcí.

Cytokiny indukovaná produkce efektorových cytokinů

IL-33 hraje roli v tzv. cytokiny indukované produkci efektorových cytokinů, čímž je míněna produkce efektorových cytokinů diferencovanými populacemi pomocných T lymfocytů (Th lymfocytů), které nejsou stimulovány antigenem přes T-buněčný receptor (TCR). +more IL-33 společně s aktivátorem STAT5 (IL-2, IL-7 nebo TSLP) zvyšuje expresi vlastního ST2 receptoru na Th2 diferencovaných T buňkách. Naivní T lymfocyty ani Th1 či Th17 buňky tento receptor na svém povrchu nemají. Tato zvýšená exprese vlastního receptoru je přímo kontrolována transkripčním faktorem GATA3 a funguje jako pozitivní zpětná vazba, kdy IL-33 sám zesiluje aktivaci vlastních signalizačních kaskád. IL-33 v kombinaci s IL-2, IL-7 nebo TSLP také stimuluje proliferaci. Efektorovým cytokinem, který je sekretován z Th2 lymfocytů po stimulaci IL-33 a IL-2, IL-7 neboTSLP a aktivaci NF-κB, je IL-13. Ten je strukturně velmi podobný interleukinu 4 (IL-4). IL-13 i IL-4 se vážou na stejný IL-4 receptor typu II a aktivují STAT6.

Podobné účinky má IL-1 na Th17 lymfocyty a IL-18 na Th1 buňky. IL-1 v kombinaci s nějakým aktivátorem STAT3 (IL-6, IL-21, IL-23) vykazují podobnou pozitivní zpětnou vazbu zvyšování exprese vlastního IL-1 receptoru a RORγt proteinu v Th17 lymfocytech. +more Efektorové cytokiny IL-1 vlivu na Th17 jsou IL-17A, IL-4 a IL-6. IL-18 společně s IL-12, což je STAT4 aktivátor, mají také pozitivní korelaci zvyšování exprese IL-18 receptoru a T-bet.

Nemoci a klinika

IL-1 má hlavní roli v zánětech nervové soustavy. Během zánětu dochází ke zvýšení hladiny TNF a IL-1 v mozku a jejich přítomnost může způsobit zhroucení hematoencefalické bariéry. +more Bylo zjištěno, že polymorfismy v genech IL-1 přispívají ke genetické vnímavosti na některé druhy rakoviny, ankylozující spondylitidy a Graveovy choroby.

Jelikož byl původně IL-1 považován za hematopoetický faktor, byl podáván pacientům po transplantaci kostní dřeně, aby se dosáhlo zlepšení přihojení transplantátu. Záhy se ale zjistilo, že tito pacienti pak trpí příznaky systémového zánětu. +more Dále se tedy snaha soustředila na blokaci aktivity IL-1 pomocí antagonisty receptoru pro IL-1 (IL-1Ra), který je také znám pod generickým jménem ANAKINRA, ale kontrolní testy nakonec nedosáhly statistické významnosti.

Dnes je blokace aktivity IL-1 (především IL-1β) standardním léčebným postupem pro pacienty trpící mnoha autoimunitními onemocněními i lymfomy. Podávání IL-1Ra je kupříkladu schválená terapie pro pacienty s revmatoidní artritidou, jelikož výrazně zpomaluje destrukci tkání. +more Výhodou této terapie je přirozený výskyt IL-1Ra, z čehož vyplývá že není pro organismus toxická a nezpůsobuje gastrointestinální problémy.

Reference

Kategorie:Interleukiny