Interleukin 2

Interleukin 2

Interleukin-2 (IL-2) je cytokin o molekulové hmotnosti 15,5 – 16 kDa.[1] IL-2 patří společně s interleukinem 4, 7, 9, 15 a 21 do skupiny γc cytokinů, které signalizují přes společnou receptorovou podjednotku CD132.[2] IL-2 je produkován zejména aktivovanými T lymfocyty, ale i dalšími populacemi aktivovaných imunitních buněk, jako jsou NK a NKT buňky, dendritické buňky či žírné buňky.[1] Jedná se o odpověď těchto buněk na zánět probíhající v těle.[3] Následně způsobuje masivní proliferaci (rychlé množení) dalších T-lymfocytů a B-lymfocytů.[4]

Historie

IL-2 byl objeven 1975, jakožto růstový faktor T-lymfocytů a byl mezi prvními interleukiny, které byly popsány na molekulární úrovni. [5] Jeho objevem bylo umožněno kultivovat T lymfocyty - byl proto také pojmenován jako T-buněčný růstový faktor (T-cell growth factor = TCGF). Gen pro IL-2 byl naklonován pak roku 1983 a struktura identifikována 1992.

Receptor pro IL-2

Existují tři receptorové podjednotky, které mohou tvořit receptor pro IL-2 (IL-2R). Každý řetězec, respektive jejich kombinace se vyskytuje na různých typech buněk a váže IL-2 s různou afinitou. Tyto řetězce jsou IL-2Rα (CD25), IL-2Rβ (CD122) a IL-2Rγc (CD132).[6] Komplex CD122/CD132 je exprimován zejména NK buňkami a paměťovými CD8+ T-lymfocyty, v menší míře také paměťovými CD4+ T-lymfocyty a naivními CD8+ T-lymfocyty.[1] Tento dimerní IL-2R váže IL-2 se střední afinitou (s disociační konstantou Kd ≈ 10−9 M). Po aktivaci T lymfocytu dojde k expresi CD25 receptorové podjednotky na buněčný povrch a tedy k signalizaci přes vysoce afinní (Kd ≈10−11 M) trimerní CD25/CD122/CD132 receptor. Za klidového stavu v buňce exprimují trimerní IL-2R pouze T-regulační buňky (Treg) a tyto jsou tedy schopny utilizovat nízké hladiny IL-2.[7] Samotná CD25 podjednotka váže IL-2 s nízkou afinitou (Kd ≈10−8 M). CD25 s navázaným interleukinem nevede z důvodu krátké intracelulární domény k transdukci signálu, ale slouží ke zvýšení afinity takto navázaného IL-2 k dimernímu CD122/CD132.[8]

Je známo, že IL-2 reguluje expresi vlastních receptorů pozitivní zpětnovazebnou smyčkou. Během IL-2 signalizace stoupá exprese IL-2Rα a IL-2Rβ na povrchu signál přijímající buňky. [7]

IL-2 signalizace může probíhat prostřednictvím tří různých signalizačních drah, což vysvětluje pleiotropní povahu působení tohoto cytokinu. Těmito třemi dráhami jsou JAK/STAT, PI3K/Akt/mTOR a MAPK/ERK signalizační kaskáda.[1] Navázání IL-2 na dimerní či trimerní IL-2R vede k heterodimerizaci cytoplasmatických domén CD122 a CD132 receptorových podjednotek. To vyvolá aktivaci Janus kináz JAK1 a JAK3, které fosforylují tyrozin na pozici 338 na intracelulárním konci CD122. Tato fosforylace rekrutuje transkripční faktory z rodiny STAT proteinů, zejména STAT5, které dimerizují a migrují z cytoplasmy do jádra, kde se vážou na DNA a ovlivňují transkripci příslušných genů.[9]

Role IL-2 v imunitním systému

IL-2 hraje klíčovou roli ve fungování imunitního systému. Má pleiotropní účinky, aktivuje i inhibuje imunitní reakci. IL-2 deficientní myši vykazují autoimunitní fenotyp, z čehož lze usuzovat, že klíčovou rolí tohoto cytokinu je udržení homeostáze a supresivní kapacity Treg buněk.[1]

Mezi další role IL-2 patří aktivace CD4+ i CD8+ buněk. Aktivované CD4+ buňky jsou také jeho největším producentem, IL-2 tedy zpočátku pozitivně reguluje vlastní expresi. V pozdější fázi imunitní reakce naopak IL-2 stimuluje expresi FasL na aktivovaných CD4+ buňkách, což vede k jejich apoptotické smrti a tedy snížení koncentrace IL-2. [10]

Proliferace je indukována přes protoonkogeny c-myc a c-fos a proti-apoptotickou dráhu Bcl-2.[11] Bylo také prokázáno, že velmi důležitou funkcí IL-2 je vedle indukce proliferace i zeslabování imunitní odpovědi, aby se předešlo autoimunitám, toho je docíleno negativní zpětnou smyčkou, kdy výška hladiny IL-2 reguluje tvorbu dalšího IL-2.

IL-2 působí ale nejen na T-lymfocyty. Také se podílí na aktivaci růstu NK buněk a zvyšuje jejich cytotoxickou aktivitu a dále stimuluje i B-lymfocyty k produkci protilátek. V IgM B-lymfocytu je indukována zvýšená exprese těžkého a lehkého řetězce a J řetězce.

Další velkou roli v autoregulaci IL-2 hraje i různá afinita jeho receptorů a fakt, že IL-2 pozitivně stimuluje jejich expresi. Nízkoafinní IL-2Rα, exprimovaný aktivovanými CD4+ lymfocyty, po zachycení IL-2 dává signál k jeho další produkci. Vysokoafinní IL-2Rα/β/γc receptor po zachycení IL-2 aktivuje Treg, tedy tlumí další expresi IL-2.

IL-2 je dále i růstovým faktorem pro NK buňky, má tedy vliv i na produkci IFNγ nebo TNFα.[12]

Regulace IL-2 exprese

Regulace genové exprese pro IL-2 probíhá několika způsoby a na více úrovních. Jedním z checkpointů je signalizace přes TCR receptor, antigenní receptor T-lymfocytů po rozpoznání MHC-peptid komplexu. Signalizace od TCR následně vede přes dráhu fosfolipázy C (PLC). Ta aktivuje 3 základní transkripční faktory a jejich dráhy: NFAT, NFkB a AP-1. Po kostimulaci od CD28 je indukována optimální aktivace exprese IL-2 a těchto drah.[13][1]

Současně je exprimován i Oct-1, který napomáhá aktivaci. Oct1 je exprimován v T-lymfocytech a Oct2 je indukován po T-buněčné aktivaci.

NFAT - má několik zástupců, všechny jsou lokalozovány v cytoplasmě a signalizace probíhá přes kalcineurin, NFAT se defosforyluje a tím je translokován do jádra.

AP-1 je dimer a skládá se z c-Jun a c-Fos proteinů a spolupracuje s dalšími transkripčními faktory včetně právě NFkB a Oct.

NFkB se translokuje do jádra po kostimulaci přes CD28. NFkB je heterodimer a jsou pro něj dvě vazebná místa na IL-2 promotoru.

Klinické využití

Aktuální informace z výzkumu ukazují, že nízké dávky IL-2 primárně aktivují regulační T-buňky, proto by mohly být tyto dávky vhodné pro pacienty s chronickými a autoimunitními infekčními onemocněními jako je Lupus erythematosus, cukrovka I. typu nebo také odhojování štěpů transplantátů a GVHD.[14]

Vysoká dávka IL-2 je naopak používána jako jeden z imunoterapeutických přístupů při léčbě maligních onemocnění . Lék nazývaný Proleukin nebo také Aldesleukin se používá k léčbě rakoviny ledvin, melanomu a rakoviny kůže. V tomto případě se podává ve vysokých dávkách intravenózně až 15 dávek (méně, pokud není tolerován). Objevují se však silné vedlejší účinky, někdy vyžadující až hospitalizaci a podpůrnou léčbu.

Velkou nevýhodou IL-2 terapie je její značná toxicita, která se projevuje zejména život ohrožujícím syndromem „prosakujících“ kapilár (VLS). Podávání vysokých dávek IL-2 totiž vede ke zvýšené propustnosti kapilár, neboť podávaný IL-2 stimuluje endotelové buňky k produkci prozánětlivých mediátorů, které působí na zvýšení permeability cévní stěny. Intravaskulární tekutina se tak dostává do extravaskulárních prostor a její hromadění ve tkáních může způsobovat edém plic či mozku za současného poklesu krevního tlaku, který může vést až k srdečnímu selhání. Edém plic po podání vysoké dávky IL-2 je způsoben zejména plicními endoteliálními buňkami, které exprimují CD25/122/132. Tyto buňky v reakci na zvýšenou hladinu IL-2 zvýší expresi CD25, aby snížily hladinu IL-2 v plicích a zabránily jejich přílišné imunitní stimulaci.[15] Další vedlejší účinky podávání vysokých dávek IL-2 zahrnují hypotenzi, trombocytopenii, tachykardii, neurologické poruchy a zvýšení bilirubinu a dalších jaterních enzymů, indikující hepatotoxicitu.[16] Velkou nevýhodou IL-2 protinádorové terapie je kromě rychlého poločasu eliminace podaného IL-2 z krevního oběhu také fakt, že tento cytokin příznivě ovlivňuje homeostázu a supresivní kapacitu imunosupresivních Treg buněk.[1]

Kvůli těmto silným projevům se zavedla i nízko-dávková léčba, která je podávána subkutánně, tedy pod kůži, často pacienty samotnými.[17]

Odkazy

Reference

  1. ↑ a b c d e f g ARENAS-RAMIREZ, Natalia; WOYTSCHAK, Janine; BOYMAN, Onur. Interleukin-2: Biology, Design and Application. Trends in Immunology. Roč. 36, čís. 12, s. 763–777. Dostupné online [cit. 2017-09-01]. DOI 10.1016/j.it.2015.10.003. 
  2. ↑ SPOLSKI, Rosanne; GROMER, Daniel; LEONARD, Warren J. The γc family of cytokines: fine-tuning signals from IL-2 and IL-21 in the regulation of the immune response. F1000Research. 2017-10-23, roč. 6, s. 1872. Dostupné online [cit. 2018-08-24]. ISSN 2046-1402. DOI 10.12688/f1000research.12202.1. PMID 29123649. 
  3. ↑ Stenesh, J. (1989): Dictionary of Biochemistry and Molecular Biology (2nd Edition). John Wiley & Sons.
  4. ↑ MURRAY, Patrick R.; ROSENTHAL, Ken S.; PFALLER, Michael A. Medical Microbiology, Fifth edition. [s.l.]: Elsevier, 2005. 
  5. ↑ GAFFEN, Sarah L.; LIU, Kathleen D. Overview of interleukin-2 function, production and clinical applications. Cytokine. 2004-11-07, roč. 28, čís. 3, s. 109–123. Dostupné online [cit. 2017-08-30]. DOI 10.1016/j.cyto.2004.06.010. 
  6. ↑ BOYMAN, Onur; SPRENT, Jonathan. The role of interleukin-2 during homeostasis and activation of the immune system. Nature Reviews Immunology. 2012-02-17, roč. 12, čís. 3, s. 180–190. Dostupné online [cit. 2018-08-24]. ISSN 1474-1733. DOI 10.1038/nri3156. (En) 
  7. ↑ a b KIM, Hyoung Pyo; IMBERT, Jean; LEONARD, Warren J. Both integrated and differential regulation of components of the IL-2/IL-2 receptor system. Cytokine & Growth Factor Reviews. 2006-10-01, roč. 17, čís. 5, s. 349–366. Dostupné online [cit. 2017-08-30]. DOI 10.1016/j.cytogfr.2006.07.003. 
  8. ↑ GARCIA, K. Christopher; RICKERT, Mathias; WANG, Xinquan. Structure of the Quaternary Complex of Interleukin-2 with Its α, ß, and γc Receptors. Science. 2005-11-18, roč. 310, čís. 5751, s. 1159–1163. PMID: 16293754. Dostupné online [cit. 2019-02-09]. ISSN 0036-8075. DOI 10.1126/science.1117893. PMID 16293754. (anglicky) 
  9. ↑ LEONARD, W. J.; RUSSELL, S. M.; MIGONE, T. S. Different interleukin 2 receptor beta-chain tyrosines couple to at least two signaling pathways and synergistically mediate interleukin 2-induced proliferation. Proceedings of the National Academy of Sciences. 1996-03-05, roč. 93, čís. 5, s. 2077–2082. PMID: 8700888. Dostupné online [cit. 2019-02-09]. ISSN 0027-8424. DOI 10.1073/pnas.93.5.2077. PMID 8700888. (anglicky) 
  10. ↑ LIAO, Wei; LIN, Jian-Xin; LEONARD, Warren J. IL-2 Family Cytokines: New Insights into the Complex Roles of IL-2 as a Broad Regulator of T helper Cell Differentiation. Current Opinion in Immunology. 2011-10, roč. 23, čís. 5, s. 598–604. PMID: 21889323 PMCID: PMC3405730. Dostupné online [cit. 2017-08-30]. ISSN 0952-7915. DOI 10.1016/j.coi.2011.08.003. PMID 21889323. 
  11. ↑ MIYAZAKI, T.; LIU, Z. J.; KAWAHARA, A. Three distinct IL-2 signaling pathways mediated by bcl-2, c-myc, and lck cooperate in hematopoietic cell proliferation. Cell. 1995-04-21, roč. 81, čís. 2, s. 223–231. PMID: 7736574. Dostupné online [cit. 2017-09-01]. ISSN 0092-8674. PMID 7736574. 
  12. ↑ MALEK, Thomas R.; CASTRO, Iris. Interleukin-2 Receptor Signaling: At the Interface between Tolerance and Immunity. Immunity. 2010-08-27, roč. 33, čís. 2, s. 153–165. PMID: 20732639 PMCID: PMC2946796. Dostupné online [cit. 2017-08-30]. ISSN 1074-7613. DOI 10.1016/j.immuni.2010.08.004. PMID 20732639. 
  13. ↑ GAFFEN, Sarah L.; LIU, Kathleen D. Overview of interleukin-2 function, production and clinical applications. Cytokine. 2004-11-07, roč. 28, čís. 3, s. 109–123. PMID: 15473953. Dostupné online [cit. 2017-09-01]. ISSN 1043-4666. DOI 10.1016/j.cyto.2004.06.010. PMID 15473953. 
  14. ↑ KLATZMANN, David; ABBAS, Abul K. The promise of low-dose interleukin-2 therapy for autoimmune and inflammatory diseases. Nature Reviews Immunology. Roč. 15, čís. 5, s. 283–294. Dostupné online. DOI 10.1038/nri3823. 
  15. ↑ SCIENCES, National Academy of. Correction for Krieg et al., Improved IL-2 immunotherapy by selective stimulation of IL-2 receptors on lymphocytes and endothelial cells. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2012-01-03, roč. 109, čís. 1, s. 345–345. Dostupné online [cit. 2019-02-09]. ISSN 0027-8424. DOI 10.1073/pnas.1119897109. (anglicky) 
  16. ↑ ALWAN, Laura M.; GROSSMANN, Kenneth; SAGESER, Daniel. Comparison of acute toxicity and mortality after two different dosing regimens of high-dose interleukin-2 for patients with metastatic melanoma. Targeted Oncology. 2013-04-23, roč. 9, čís. 1, s. 63–71. Dostupné online [cit. 2019-02-09]. ISSN 1776-2596. DOI 10.1007/s11523-013-0276-7. 
  17. ↑ CANCER, Cleveland Clinic. IL-2 - Drug Information - Chemocare. chemocare.com [online]. [cit. 2017-09-01]. Dostupné v archivu pořízeném dne 2017-08-16. (anglicky) 

Zdroj