Молекулярные основы дизрегуляции программированной гибели лимфоцитов при хронической вирусной инфекции
Molecular basis of disregulation of programmed lymphocytes' death in chronic viral infection
Новицкий В.В., Рязанцева Н.В.
Аннотация
В статье анализируются данные современной литературы и результаты собственных исследований о роли дисбаланса программированной клеточной гибели в формировании хронической вирусной инфекции. Обсуждаются молекулярные механизмы модулирования реализации апоптоза иммунокомпетентных клеток персистирующими вирусами.
Ключевые слова: лимфоцит, апоптоз, хронические вирусные инфекции, противовирусный иммунитет.
The review analyses information from recent literature and results of the authors' own investigations concerning imbalance of programmed cell death in forming chronic viral infection. Molecular mechanisms of apoptosis modulation of immune cells by persistent viruses are discussed in the article.
Key words: lymphocyte, apoptosis, chronic viral infection, antiviral immunity.
Традиционным направлением томской кафедральной научной школы патофизиологов является изучение фундаментальных механизмов нарушения функции клеток крови при патологии. Исследования прошлых лет, проведенные в рамках научной тематики профессора Д.И. Гольдберга, доказали, что одной из наиболее чувствительных гомеостатических систем к действию различных неблагоприятных факторов является система крови. Клетки белой крови, будучи иммунокомпетентными, выполняют функцию обеспечения естественной резистентности и специфического противоинфекционного иммунитета. Результаты современных клинико-экспериментальных исследований свидетельствуют о том, что течение инфекционного процесса сопровождается многоуровневой дезорганизацией кроветворной и иммунной систем (от родоначальных до зрелых клеток), патогенетической основой которой служат стимулированная возбудителем дизрегуляция процессов гемо-и иммунопоэза и структурно-функциональный дисбаланс иммунокомпетентных клеток крови. Одним из фундаментальных механизмов поддержания гомеостаза и регулирования деятельности кроветворных клеток является программированная клеточная гибель (апоптоз). В любой клетке организма заложена генетически обусловленная программа, позволяющая при возникновении патологической ситуации включить самоликвидацию [96].
В последнее время стало ясно, что с позиции апоптоза можно объяснить развитие многих заболеваний человека, поскольку дисбаланс между пролиферацией клеток и программированной клеточной смертью ведет к патологическим изменениям органов и тканей 39. Показано, что одним из патогенетических аспектов опухолевой трансформации [41], а также аутоиммунных [60, 110] и атопических заболеваний [6] является ингибирование апоптоза. Напротив, неадекватное усиление его наблюдается при нейродегенеративных, диспластических процессах и ишемических повреждениях различных органов [109].
Нарушение реализации апоптоза является также основой формирования хронических инфекционных процессов, в том числе и вирусной природы [7, 8, 54]. Однако эта проблема лишь недавно привлекла к себе должное внимание. Внедрение вируса в клетку макроорганизма - это, прежде всего, «сигнал тревоги», активизирующий врожденные механизмы, направленные на элиминацию инфектогена, среди которых ключевую роль играет гибель инфицированных клеток. Участие апоптоза в удалении вируссодержащих клеток имеет важное биологическое значение, поскольку фрагментация ДНК предупреждает перенос генетического материала в другие интактные клетки. Показано, что при вирусных инфекциях сосуществуют факторы, индуцирующие и ингибирующие программированную клеточную смерть [9, 19, 25, 27, 40, 49, 50, 54]. В интересах вируса - подавить апоптоз и сохранить жизнеспособность клетки. Таким образом, исход инфекционного процесса связывают с результатом противостояния антиапоптотической способности вирусов и активации физиологической гибели инфицированной клетки как части защитного механизма организма.
Понять, какую роль несет в себе индукция или угнетение программированной клеточной гибели в условиях персистентной вирусной инфекции, возможно, опираясь на знание молекулярных механизмов регуляции апоптоза иммунокомпетентных клеток, что и стало предметом настоящего сообщения.
Апоптоз в системе противовирусного иммунитета
Интерес к состоянию иммунокомпетентных клеток при вирусной инфекции обусловлен не только тем, что они принимают непосредственное участие в реализации инфекционного процесса, но и тем обстоятельством, что эти клетки сами являются мишенью для действия персистирующих вирусов. Убедительные данные, подтвердившие факты изменения субпопуляционного состава лимфоцитов периферической крови, нарушения их структурно-функционального и цитогенетического статусов при хронических инфекционных процессах, вызванных вирусами простого герпеса, клещевого энцефалита, гепатитов В и С, были ранее получены в лаборатории молекулярной медицины Сибирского государственного медицинского университета [9, 18-22, 24-29].
Известно, что апоптотическая гибель клеток является фундаментальным процессом регулирования иммунных реакций. Селекция в ходе развития иммунокомпетентных клеток, иммунологическая толерантность и собственно иммунный ответ - процессы, неотъемлемой частью которых является программированная клеточная гибель [3, 39].
Вирусная интервенция индуцирует активацию элиминирующих защитных реакций организма, биологическим смыслом которых является удаление вируса и зараженных им клеток как генетически чужеродного объекта. Иммунный ответ против внутриклеточных вирусов связан с активацией цитотоксических Т-лимфоцитов (CD8 > CD4), распознающих инфицированные клетки по представленным вирусным пептидам и убивающих их, индуцируя цитолиз или апоптоз [12, 15, 34]. Цитокины, секретированные Т-лимфоцитами (интерлейкин-2, -4, -5), подключают к этой реакции и другие клетки-эффекторы (макрофаги, естественные киллеры), которые усиливают антивирусную активность цитотоксических Т-лимфоцитов [34].
Реализация цитотоксичности СD8+-лимфоцитов связана с индукцией рецептор-опосредованного апоптоза клетки-мишени. Среди огромного множества клеточных рецепторов в особую группу выделяют так называемые рецепторы cмерти (death receptors). Они представляют собой трансмембранные гликопротеиды, которые, взаимодействуя со специфическими лигандами, передают апоптотический сигнал в клетку и вызывают активацию каспаз. Большинство смертельных рецепторов относятся к надсемейству рецепторов фактора некроза опухолей (TNFR) и характеризуются сходными эктрацеллюлярными доменами, богатыми цистеином [97]. Рецепторы смерти также имеют в своей структуре гомологичные цитоплазменные участки, называемые death domain, которые принимают непосредственное участие в запуске апоптоза [105].
Наиболее изученными из смертельных рецепторов являются Fas (CD95, или Apo1) и TNFR1 (CD120a, или p55) [3, 75]. Человеческий Fas-рецептор состоит из 335 аминокислотных остатков с сигнальной последовательностью на N-конце и трансмембранным участком в середине молекулы, что позволяет отнести его к мембранным белкам I типа [58]. Молекулярная масса Fas-рецептора составляет 48 кДа. Первые 16 аминокислотных остатков образуют гидрофобную последовательность. Второй гидрофобный участок молекулы находится в позиции 172-190 и с обеих сторон окружен положительно заряженными аминокислотными остатками, что характерно для трансмембранного участка. N-конец, состоящий из 155 аминокислот, содержит 18 цистеиновых остатков и два потенциальных N-связанных гликозилирующих участка. С-конец состоит из 145 аминокислот и, возможно, является внутриклеточным доменом белка [3, 80]. Ген, кодирующий Fas, локализован в длинном плече хромосомы 10 и содержит 9 экзонов [43].
Fas способен запускать в клетке апоптоз при взаимодействии с Fas-лигандом (FasL) [3]. FasL впервые был выделен из мембранной фракции клеток цитотоксической Т-клеточной гибридомы, способной вызывать гибель Fas-экспрессирующих клеток [99]. Показано, что FasL имеет молекулярную массу около 40 кДа и представляет собой трансмембранный белок II типа. Его N-концевая последовательность находится в цитоплазме, а С-конец экспонирован в экстраклеточное пространство [1, 3]. По аминокислотной последовательности FasL гомологичен TNF-цитокину, давшему название семейству подобных белков. Как и другие члены семейства TNF, FasL проявляет свою активность в форме гомотримера.
Представляя собой трансмембранный белок, FasL может существовать и в растворимой форме (sFasL), отщепляющейся от мембранного Fas (mFasL) с помощью металлопротеиназы [103]. Поскольку есть данные о том, что TNF и растворимый лиганд CD40 отщепляются от мембраносвязанного предшественника, а также о наличии специфического ингибитора процессинга этих растворимых форм, имеется предположение, что все члены семейства TNF могут существовать в растворимой форме. Растворимый FasL является более слабым индуктором апоптоза, чем его мембранная форма. Кроме того, он способен ингибировать действие мембранного FasL [102].
Передача сигнала с рецептора в клетку опосредована адаптерными протеинами, специфическими для каждого типа рецептора. Адаптерные протеины имеют в своей структуре домены DED (death effector domain), способные соединяться с аналогичными участками в структуре прокаспазы 8 [47]. Специфическим адаптерным белком для Fas-рецептора является FADD (Fas-associated death domain), необходимость которого для Fas-опосредованного запуска программированной клеточной гибели доказана при оценке апоптоза в Т-лимфоцитах трансгенных мышей, экспрессирующих мутантную форму FADD [78, 122], а также мышей с генетическим нокаутом гена FADD [117, 119].
Существует группа цитоплазматических белков, функционально сходных с FADD и имеющих в своей структуре DED [75]. Один из этих белков - Daxx (death-associated proteine 6) - способен узнаваться доменом смерти Fas-рецептора и активировать FADD-незавиcимый путь запуска апоптоза [57, 95, 108].
Независимо друг от друга двумя исследовательскими группами был обнаружен фактор TRAIL (или Apo2L), сходный с FasL [70, 88, 114]. В отличие от FasL, экспрессированного, главным образом, на активированных Т-и NK-клетках и клетках иммунопривилегированных зон [75], Apo2L был обнаружен во многих тканях организма [114]. Однако, как и в случае с FasL, экспрессия Apo2L повышается в Т-лимфоцитах в ответ на антигенную стимуляцию [59, 72, 92, 93]. Зрелые Т-лимфоциты приобретают чувствительность к Apo2L-индуцированному апоптозу после воздействия интерлейкина-2, что говорит о возможной роли Apo2L в контроле иммунных реакций [72]. Кроме того, показано возрастание чувствительности клеток к Apo2L у пациентов c HIV-инфекцией, что позволяет думать о роли Apo2-зависимого апоптоза в уничтожении HIV-инфицированных клеток [59].
Основными рецепторами, связывающимися с Apo2L, являются DR4 (death receptor-4) и DR5, также обнаруженные во многих тканях организма. Дискуссионным остается вопрос о наличии специфического адаптерного протеина для этих рецепторов. Известно, что с DR4 и DR5 способны связываться многие адаптерные белки, в частности, FADD, TRADD (TNFR-associated death domain), TRAF2 (TNFR-associated factor-2) и RIP (receptor-interacting protein) [56, 91, 113]. Интересен тот факт, что клетки, не синтезирующие FADD либо синтезирующие его мутантную форму, и поэтому устойчивые к FasL-индуцированному апоптозу, являются чувствительными к Apo2L-опосредованному апоптозу, что говорит о FADD-независимой передаче сигнала в клетку [71]. Вместе с тем получены данные о необходимости активации каспаз для реализации Apo2L-зависимого апоптоза [71, 72].
В отношении защиты клеток от Apo2/Apo2L-апоптоза существует уникальный механизм, опосредованный особыми рецепторами-ловушками DcR1 (decow receptor-1) и DcR2. DcR1 - гликозилфосфатидилинозитол-связанный поверхностный клеточный протеин, гомологичный DR4 и DR5, но не имеющий внутриклеточного домена [73, 74, 85, 91, 94]. DcR2 в отличие от DcR1 имеет функционально неполноценный внутриклеточный домен, в котором отсутствуют четыре из шести ключевые аминокислотные позиции, необходимые для запуска апоптоза и активации NF-kB (nucleus factor-kappa B) в клетке [105].
Рецепторы-ловушки конкурируют с DR4 и DR5 за связывание с Apo2L и тем самым снижают эффект лиганда [74, 85, 94]. Гены рецепторов DR4 и DR5, как и гены рецепторов-ловушек DcR1 и DcR2, картированы в одном локусе 8p21-22, что позволяет предположить их эволюционное родство [71].
Наряду с экспрессией FasL-протеина, цитотоксические Т-лимфоциты и естественные киллеры при взаимодействии с вирусным антигеном выделяют гранзимы и перфорин. Гранзим В является сериновой протеазой, которая проникает в клетки-мишени через трансмембранные каналы, образуемые в плазматической мембране перфоринами лимфоцитов, и активирует каспазу-8 с последующим включением апоптотического протеолитического каскада [31].
Апоптотическая гибель может быть реализована также в результате экзогенных воздействий через неспецифические для апоптоза рецепторы [37, 42], активация которых может способствовать индукции клеточной гибели. К их числу относятся, в частности, рецепторы для цитокинов [23].
Цитокины считаются наиболее многочисленной группой биологически активных веществ, влияние которых на процесс гибели клетки интенсивно изучается в последние годы [23]. Известно, что фактор некроза опухолей продуцируется активированными макрофагами и Т-лимфоцитами в ответ на антигенную стимуляцию [106]. Его действие на клетку, опосредованное TNFR1, неоднозначно. На одни клетки основным эффектом TNF является активация транскрипционных факторов NF-kB и JNK (C-JUN NH2-terminal kinase), ведущих к индукции провоспалительных и иммуномодулирующих генов. В других клетках активация TNFR1 ведет к запуску программированной клеточной гибели. Следует отметить, что, в отличие от FasL TNF реже самостоятельно индуцирует апоптоз.