CYTOKINY: CHARAKTERYSTYKA, RODZAJE, FUNKCJE, PRZYKŁADY - BIOLOGIA - 2025

Cytokiny lub cytokin są rozpuszczalne białka lub glikoproteiny sygnalizacyjne wytwarzane przez kilka typów komórek w organizmie, w szczególności komórki układu immunologicznego, jak leukocyty: neutrofile, monocyty, makrofagi i limfocyty (komórki B i komórki T).

W przeciwieństwie do innych specyficznych czynników wiążących receptor, które wyzwalają długie i złożone kaskady sygnalizacyjne, które często obejmują sekwencje kinaz białkowych (na przykład szlak cyklicznego AMP), cytokiny wywierają bardziej bezpośrednie skutki.

Struktura rekombinowanej ludzkiej cytokiny znanej jako interferon alfa (źródło: Nevit Dilmen via Wikimedia Commons)

Te rozpuszczalne czynniki wiążą się z receptorami, które bezpośrednio aktywują białka pełniące bezpośrednie funkcje w transkrypcji genów, ponieważ są one zdolne do przedostawania się do jądra i stymulowania transkrypcji określonego zestawu genów.

Pierwsze cytokiny odkryto ponad 60 lat temu. Jednak charakterystyka molekularna wielu z nich nastąpiła znacznie później. Pierwszymi opisanymi cytokinami były neuronowy czynnik wzrostu, interferon i interleukina 1 (IL-1).

Nazwa „cytokina” jest terminem ogólnym, ale w literaturze wprowadza się rozróżnienia dotyczące komórki, która je wytwarza. Tak więc istnieją limfokiny (produkowane przez limfocyty), monokiny (produkowane przez monocyty), interleukiny (wytwarzane przez leukocyty i działające na inne leukocyty) itp.

Są szczególnie obfite w kręgowce, ale ich istnienie zostało ustalone u niektórych bezkręgowców. Na przykład w organizmie ssaka mogą pełnić funkcje addytywne, synergistyczne, antagonistyczne lub nawet wzajemnie się aktywować.

Mogą mieć działanie autokrynne, to znaczy działają na tę samą komórkę, która je wytwarza; lub parakryn, co oznacza, że ​​są wytwarzane przez jeden typ komórek i działają na inne wokół nich.

Charakterystyka i struktura

Wszystkie cytokiny są „plejotropowe”, to znaczy pełnią więcej niż jedną funkcję w więcej niż jednym typie komórki. Dzieje się tak, ponieważ receptory, które odpowiadają na te białka, są wyrażane w wielu różnych typach komórek.

Stwierdzono, że istnieje pewna nadmiarowość funkcjonalna między wieloma z nich, ponieważ kilka typów cytokin może mieć zbieżne efekty biologiczne i sugerowano, że jest to związane z podobieństwami sekwencji w ich receptorach.

Podobnie jak wiele przekaźników w procesach sygnalizacji komórkowej, cytokiny mają silne działanie przy bardzo niskich stężeniach, tak niskich, że mogą występować w zakresie nanomolowym i femtomolowym, dzięki temu, że ich receptory są z nimi niezwykle spokrewnione.

Niektóre cytokiny działają jako część „kaskady” cytokin. Oznacza to, że często działają one synergicznie, a ich regulacja często zależy od innych hamujących cytokin i dodatkowych czynników regulacyjnych.

Ekspresja genów kodujących cytokiny

Niektóre cytokiny pochodzą z genów o konstytutywnej ekspresji, ponieważ np. Konieczne jest utrzymanie stałego poziomu krwiotwórczego.

Niektóre z tych białek wykazujących konstytutywną ekspresję to erytropoetyna, interleukina 6 (IL-6) i pewne czynniki stymulujące wzrost kolonii komórkowych, które przyczyniają się do różnicowania wielu białych krwinek.

Inne cytokiny są wstępnie syntetyzowane i przechowywane w postaci granulek cytozolowych, białek błonowych lub w kompleksie z białkami wiążącymi się z powierzchnią komórki lub macierzą zewnątrzkomórkową.

Wiele bodźców molekularnych pozytywnie reguluje ekspresję genów kodujących cytokiny. Istnieje kilka z tych cząsteczek, które zwiększają ekspresję genów innych cytokin, a także wiele z nich ma funkcje hamujące, które ograniczają działanie innych cytokin.

Kontrola przez przetwarzanie

Działanie cytokin jest również kontrolowane przez przetwarzanie form prekursorowych tych białek. Wiele z nich jest początkowo produkowanych jako integralne, aktywne białka błonowe, które wymagają proteolitycznego rozszczepienia, aby stać się czynnikami rozpuszczalnymi.

Przykładami cytokin objętych tego typu kontrolą produkcji są naskórkowy czynnik wzrostu EGF (z angielskiego „E pidermal G rowth F actor”), czynnik wzrostu guza TGF (z angielskiego „T umoral G rowth F actor”), interleukina 1β (IL-1β) i czynnik martwicy nowotworu TNFα (z angielskiego „Tumor N ecrosis F actor”).

Inne cytokiny są wydzielane jako nieaktywne prekursory, które muszą zostać przetworzone enzymatycznie w celu aktywacji, a niektóre enzymy odpowiedzialne za to przetwarzanie niektórych cytokin obejmują białka z rodziny kaspaz cysteinowych.

Przegląd strukturalny

Cytokiny mogą mieć bardzo zmienną masę, do tego stopnia, że ​​zakres został zdefiniowany między około 6 kDa a 70 kDa.

Białka te mają bardzo zmienną strukturę i mogą składać się z beczek helis alfa, złożonych struktur równoległych lub antyrównoległych składanych β arkuszy itp.

Rodzaje

Istnieje kilka typów rodzin cytokin, a ich liczba stale rośnie ze względu na dużą różnorodność białek o podobnych funkcjach i cechach, które są codziennie odkrywane w świecie nauki.

Jego nazewnictwo dalekie jest od jakiejkolwiek systematycznej zależności, ponieważ jego identyfikacja została oparta na różnych parametrach: między innymi jego pochodzeniu, wstępnym teście biologicznym, który go zdefiniował i jego funkcjach.

Obecny konsensus dotyczący klasyfikacji cytokin jest zasadniczo oparty na strukturze ich białek receptorowych, które są zawarte w niewielkiej liczbie rodzin o wysoce konserwatywnych cechach. Tak więc istnieje sześć rodzin receptorów cytokin, które są pogrupowane według podobieństw w sekwencji ich części cytozolowych:

1. Receptory typu I (receptory hematopoetyny): obejmują cytokiny interleukiny 6R i 12 R (IL-6R i IL-12R) oraz inne czynniki zaangażowane w stymulację tworzenia kolonii komórkowych. Mają wpływ na aktywację komórek B i T.
2. Receptory typu II (receptory interferonu): Te cytokiny mają funkcje przeciwwirusowe, a receptory są powiązane z białkiem fibronektyny.
3. Receptory TNF (czynnik martwicy nowotworu, angielski „Tumor N ecrosis F actor”): są cytokinami „prozapalnymi”, wśród których są czynniki znane jako p55 TNFR, CD30, CD27, DR3, DR4 i inne.
4. Receptory podobne do Toll / IL-1: w tej rodzinie znajduje się wiele prozapalnych interleukin, a jej receptory na ogół mają obszary pozakomórkowe bogate w powtórzenia leucynowe.
5. Receptory kinazy tyrozynowej: w tej rodzinie występuje wiele cytokin pełniących funkcje czynników wzrostu, takich jak czynniki wzrostu guza (TGF) i inne białka, które sprzyjają tworzeniu się kolonii komórkowych.
6. Receptory chemokin: cytokiny z tej rodziny mają zasadniczo funkcje chemotaktyczne, a ich receptory mają więcej niż 6 segmentów transbłonowych.

Receptory cytokin mogą być rozpuszczalne lub związane z błoną. Rozpuszczalne receptory mogą regulować aktywność tych białek, działając jako agoniści lub antagoniści w procesie sygnalizacji.

Wiele cytokin wykorzystuje rozpuszczalne receptory, w tym różne typy interleukin (IL), neuronalne czynniki wzrostu (NGF), czynniki wzrostu guza (TGF) i inne.

cechy

Należy pamiętać, że cytokiny działają jako przekaźniki chemiczne między komórkami, ale nie jako efektory molekularne, ponieważ są one niezbędne do aktywacji lub hamowania funkcji określonych efektorów.

Jedną z „jednoczących” cech funkcjonalnych cytokin jest ich udział w obronie organizmu, którą można podsumować jako „regulację układu odpornościowego”, która jest szczególnie ważna dla ssaków i wielu innych zwierząt.

Uczestniczą w kontroli rozwoju krwiotwórczego, w procesach komunikacji międzykomórkowej oraz w odpowiedziach organizmu na czynniki zakaźne i bodźce zapalne.

Ponieważ zwykle występują one w niskich stężeniach, ilościowe oznaczanie stężenia cytokin w tkankach lub płynach ustrojowych jest wykorzystywane jako biomarker do przewidywania postępu choroby i monitorowania skutków leków podawanych pacjentom. chorzy pacjenci.

Na ogół są używane jako markery chorób zapalnych, w tym odrzucenia implantu, choroby Alzheimera, astmy, miażdżycy, raka okrężnicy i ogólnie innych nowotworów, depresji, niektórych chorób serca i wirusów, choroby Parkinsona, posocznica, uszkodzenie wątroby itp.

Gdzie się znajdują?

Większość cytokin jest wydzielana przez komórki. Inne mogą być wyrażane w błonie komórkowej, a niektóre pozostają w czymś, co można by uznać za „rezerwę” w przestrzeni, którą tworzy macierz zewnątrzkomórkowa.

Jak oni pracują?

Cytokiny, jak wspomniano, mają skutki in vivo, które zależą od środowiska, w którym się znajdują. Jego działanie zachodzi poprzez kaskady sygnalizacyjne i sieci interakcji, które obejmują inne cytokiny i inne czynniki o różnym charakterze chemicznym.

Zwykle uczestniczą w interakcji z receptorem, który ma białko docelowe, które jest aktywowane lub hamowane po połączeniu, które ma zdolność do działania bezpośrednio lub pośrednio jako czynnik transkrypcyjny na określone geny.

Przykłady niektórych cytokin

IL-1 lub interleukina 1

Jest również znany jako czynnik aktywujący limfocyty (LAF), endogenny pirogen (EP), endogenny mediator leukocytów (EML), katabolina lub czynnik komórek jednojądrzastych (MCF).

Ma wiele funkcji biologicznych w wielu typach komórek, zwłaszcza komórkach B, T i monocytach. Wywołuje niedociśnienie, gorączkę, utratę wagi i inne reakcje. Jest wydzielany przez monocyty, makrofagi tkankowe, komórki Langerhansa, komórki dendrytyczne, komórki limfoidalne i wiele innych.

IL-3

Ma inne nazwy, takie jak czynnik wzrostu komórek tucznych (MCGF), czynnik stymulujący wiele kolonii (multi-CSF), czynnik wzrostu komórek hematopoetycznych (HCGF) i inne.

Pełni ważne funkcje w stymulowaniu tworzenia kolonii erytrocytów, megakariocytów, neutrofili, eozynofili, bazofili, komórek tucznych i innych komórek linii monocytarnych.

Jest syntetyzowany głównie przez aktywowane limfocyty T, komórki tuczne i eozynofile.

Angiostatyna

Pochodzi z plazminogenu i jest cytokiną hamującą angiogenezę, dzięki czemu działa jako silny bloker neowaskularyzacji i wzrostu przerzutów nowotworowych in vivo. Powstaje w wyniku proteolitycznego rozszczepienia plazminogenu, w którym pośredniczy obecność nowotworów.

Czynnik wzrostu naskórka

Działa poprzez stymulację wzrostu komórek nabłonka, przyspiesza wyłanianie się zębów i otwieranie oczu u myszy. Dodatkowo działa hamująco na wydzielanie kwasu żołądkowego oraz bierze udział w gojeniu ran.

Bibliografia

1. Alberts, B., Dennis, B., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., … Walter, P. (2004). Podstawowa biologia komórki. Abingdon: Garland Science, Taylor & Francis Group.
2. Dinarello, C. (2000). Cytokiny prozapalne. KLATKA, 118 (2), 503–508.
3. Fitzgerald, K., O'Neill, L., Gearing, A. i Callard, R. (2001). The Cytokine FactsBook (wyd. 2). Dundee, Szkocja: Academic Press FactsBook Series.
4. Keelan, JA, Blumenstein, M., Helliwell, RJA, Sato, TA, Marvin, KW i Mitchell, MD (2003). Cytokiny, prostaglandyny i poród - przegląd. Łożysko, 17, S33-S46.
5. Stenken, JA i Poschenrieder, AJ (2015). Bioanalytical Chemistry of Cytokin - A Review. Analytica Chimica Acta, 1, 95–115.
6. Vilcek, J. i Feldmann, M. (2004). Przegląd historyczny: Cytokiny jako leki i cele terapeutyczne. TRENDS in Pharmacological Sciences, 25 (4), 201–209.
7. Zhang, J. i An, J. (2007). Cytokiny, zapalenie i ból. Int. Anesthesiol. Clin. , 45 (2), 27–37.