Біологічні науки

6. Мікробіологія

В.В.Мокрозуб, О.С. Воронкова, А.І. Вінніков

Дніпропетровський національний університет

СИСТЕМА ІНТЕРФЕРОНУ

Наведені дані стосовно класифікації та властивостей інтерферонів, регуляції генів інтерферону та інтерферон-індукованих генів, взаємодії інтерферону з рецепторами й шляхи передачі сигналу всередину клітини, продукції інтерферону in vivo, а також, властивості інтерферонів екзогенного походження.

V. V. Mokrozub, O. S. Voronkova, A. I. Vinnikov

Dniepropetrovsk national university

SYSTEM OF INTERFERON

Data about classification, regulation of interferon-dependent genes, interaction between IFN and receptors, the ways of cell signals transmission, production and abilities of exogenous interferon was shown.

Вступ

Інтерферони є одними із сучасних засобів терапії та профілактики вірусних захворювань. Широко використовуються ці препарати і у вірусологічних дослідженнях. Сьогодні застосування інтерферонів у медичній та дослідницькій практиці є звичайним, хоча препарати отримали розповсюдження порівняно недавно.

Ще задовго до відкриття ІФН вірусологи зіштовхнулися з малозрозумілим феноменом інтерференції (взаємне пригнічення) вірусів: після зараження клітин вірусами одного типу вони ставали несприйнятливими до зараження другими вірусами. Інтерференція вірусів була пов'язана з продукцією клітками невідомого білка, що назвали "інтерфероном" [1]. Лише в 1957р. Айзакс та Лінденманн (Isaaks, Lindenmann) виділили невідомий раніше білок, відповідальний за інтерференцію і названий ІФН [2].

У 1957 – 1967 р. були вивчені загальні закономірності формування ІФН і визначений діапазон його противірусної активності. Показано, що він утвориться у відповідь або на вірусну інфекцію, або на введення в організм ряду препаратів, названих індукторами ІФН [3]. По визначенню, прийнятому в 1980 році Міжнародним комітетом з номенклатури інтерферонів ІФН — це протеїни, що володіють неспецифічною противірусною активністю, щонайменше, у клітках того виду тварин, з якого вони отримані, і діючі на клітинний метаболізм, включаючи синтез РНК і білка [1]. У 1977 – 1997 були розроблені основи біотехнологічного виробництва різних препаратів ІФН і почате його використання для профілактики і лікування вірусних, а також онкологічних захворювань [3].

Класифікація інтерферонів

За сучасним визначенням ІФН являють собою гетерогенну родину багатофункціональних цитокінів які проявляють противірусну та антипроліферативну дію по відношенню до багатьох типів нормальних і трансформованих клітин [2]. Проте ця родина молекул, особливо імунний ІФН, можливо більшою мірою належать до цитокінів з плейотропним впливом на клітинну активність [1].

Виходячи з властивостей клітин-продуцентів, а також фізико-хімічних характеристик, способу індукції, ефективності і механізму дії інтерферони розділяють на два типи. До інтерферону 1 типу відносяться кислотостійкі інтерферони - α, - β, [4] -ω і –τ [6], що продукуються більшістю клітин у відповідь на вірусну інфекцію, днРНК чи ряд синтетичних низькомолекулярних сполук. До інтерферону II типу відноситься кислотолабілъний ІФН-γ, що продукується, в основному, Т-лімфоцитами і натуральними кілерами (НК-клітинами) у відповідь на індукцію мітогенами, і чужорідними антигенами. Доцільність такої класифікації ґрунтується на тому, що інтерферони I типу при здійсненні біологічних ефектів використовують загальні рецептори, у той час як інтерферон II типу — самостійні [1; 5].

Продукція інтерферонів

Інтерферон секретується клітинами під впливом різноманітних індукторів. Сильними інтерфероногенними властивостями володіють віруси і бактеріальні ендотоксини. Індукторами інтерферону виступають також бактеріофаги, бактерії, хламідії, рикетсії, мікоплазми, найпростіші. ІФН-γ є типовим цитокіном. Індукцію його викликають анатоксини (дифтерійний, правцевий), стафілококовий ентеротоксин, білок А, мембранноактивні речовини (ФГА, Кін А). Практично будь-який антигенний вплив супроводжується виділенням ІФН-γ [3].

Продукція інтерферонів усіх типів є генетично детермінованим процесом. Згідно з сучасними уявленнями, найбільш значущим рівнем регуляції при експресії еукаріотичних генів є транскрипція. При цьому необхідний рівень транскрипції окремого гена визначає ген-специфічний транскрипційний комплекс, який складається з cіs-регуляторних промоторних послідовностей відповідного гена та пов'язаних з цими послідовностями білкових транскрипційних факторів (ТФ). ТФ – білок, що після своєї транслокації до ядра регулює транскрипцію, специфічно взаємодіючи з ДНК або взаємодіючи стехіометрично з іншим білком, здатним утворювати специфічний для послідовності ДНК комплекс білок-ДНК. Такий механізм дії притаманний і ТФ, що входять до складу транскрипційних комплексів генів ΙΦΗ-α/β та ІФН-індукованих генів [1]. Секретовані молекули ІФН-α і ІФН-β, у свою чергу зв’язуються зі специфічними рецепторами поверхні клітини, після чого утворений комплекс активує шляхи передачі сигналів до експресії великої кількості генів. Продукти цих генів досить різноманітні. Окрім білків що беруть участь у встановленні противірусного стану клітини – це ферменти, нуклеотид-звя’зуючі білки, фактори транскрипції, антигени МНС класу І, регуляторні білки, лімфоцитарні антигени, деякі цитокіни та ряд білків функції яких досі не встановлені. Серед ІФН-індукованих білків, що мають противірусну активність найкраще вивчені 2΄,5΄-олігоаденілатсинтаза (OAS), протеїнкіназа R (PKR), білок Мх та РНК-зв’язуючий білок 9 – 27 [6].

Таблиця 1.

Порівняльна характеристика основних типів людських інтерферонів [1]

Параметр	Інтерферон α	Інтерферон β	Інтерферон γ
Основні клітини-продуценти	В-лімфоцити, лімфобласти, О-лімфоцити, макрофаги/моноцити, Т-лімфоцити, клітини мигдалин, селезінки, кісткового мозку та ін.	Фібробласти, епітеліальні клітини, макрофаги.	Т-клітини, НК-клітини, В-ліміфоцити в присутності допоміжних клітин
Індуктори	Віруси, вірустрансформовані, вірусінфіковані та незаражені ксеногенні клітини; бактерії, днРНК та інші полімери, ФГА, β-митогени та ін.	Природні та синтетичні днРНК, рослинні полі феноли, деякі міогени Т-лімфоцитів.	Т-клітинні міогени, антитіла до Т-клітин, мікроорганізми, віруси, імуномодулятори, солі важких металів.
Фізико-хімічні властивості	Мол. м. = 19-20 тис, 166 амінокислот, (165 для інтерферону -а2), 21-24 амінокислоти сигнального типу	Мол. м. = 19-20 тис, 166 амінокислот, 21-23 амінокислоти сигнального типу	Мол. м 45 тис, 143-146 амінокислот, 20 амінокислоти сигнального типу
Число підтипів	22 (1-22) підтипів, 28 генів (13 структурних, 9 алельних і 6 псевдогенів)	5 (1 -5) підтипів (?), 5 структурних генів (?)	2 підтипи, 1 структурний ген
Хромосомна локалізація	9 хромосома	9 хромосома	12 хромосома
Ізоелектрична точка	4,9 - 6,9	6,8 - 7,8	8,6
Стійкість до рН 2,2 і прогріванню при 56°С на протязі 60 хв	+ +	+ +	– –
Глікозилювання	-	+	+
Наявність інтронів	немає	немає	3

Продукція ІФНів in vivo обумовлюється не тільки наявністю чутливих клітинних систем, здатних синтезувати ІФН у відповідь на той чи інший індуктор, але і можливістю клітин-продуцентів «зустрітися» з індуктором.

При вивченні розподілу ІФНу в органах у відповідь на введення індуктора було встановлено, що зустріч індуктора з чутливими клітинами-продуцентами залежить від способу введення препарату.

Рівень сироваткового ІФНу не завжди відображає загальну картину продукції і розподілу ІФНу в організмі. Розподіл ІФНу в окремих органах тварин залежить від інтенсивності кровообігу в даному органі і ступені участі його тканин у синтезі ІФНу [3].

У тканинах селезінки накопичується велика кількість ІФНу у відповідь на індукцію препаратами, що стимулюють синтез ІФНів у клітинах лімфоїдного ряду. В легенях тварин виявляється ІФН, в основному занесений током крові. Високий рівень синтезу ІФНу у кишечнику тварин відзначають при пероральній індукції тилороком і іншими низькомолекулярними індукторами [12]. Нагромадження ІФН у стінці кишечнику здійснюється в більш ранній термін, ніж у сироватці крові, і титри його значно вище. Це свідчить про те, що синтез ІФН при пероральному способі введення відбувається саме тут.

У мозку тварин ІФНи накопичуються в значній кількості у відповідь на введення низькомолекулярних індукторів ІФНу, що легко проходять через гематоенцефалічний бар'єр. Динаміка продукції ІФНу у тканинах мозку вказує на незалежність синтезу ІФНу в цьому органі від продукції ІФНу в інших тканинах і системах організму, оскільки ІФН не може потрапити в мозок із кровотоку, тому що не проходить через гематоенцефалічний бар'єр [3].

ІФН з'являється в сироватці крові людей і тварин при вірусних інфекціях і введенні інтерфероногенів [7]. Дані багатьох досліджень свідчать, що утворення ІФН залежить не тільки від індуктора інтерферону, але і від стану самого організму, від змін його гормональної рівноваги, вмісту біогенних амінів і ін. [8]. Утворення ІФН йде паралельно розмноженню вірусу. Практично всі віруси чутливі до дії ІФН, однак ступінь чутливості залежить від виду і навіть штаму вірусу [9] .

Дія інтерферонів

Дія ΙΦΗ на клітини реалізується подібно пептидним гормонам, за допомогою так званого рецепторного ендоцитозу [1, 3].

Дія ІФН на вірус не є прямою. Вона виявляється на стадії внутрішньоклітинної реплікації вірусу, на етапі трансляції. ІФН впливають на синтез de novo особливого клітинного білка, інгібуючого трансляцію. Цей білок, вірогідно, і пригнічує реплікацію вірусів. ІФН пригнічує розмноження не тільки вірусів, але й інших збудників із внутрішньоклітинною локалізацією (деяких видів бактерій, малярійного плазмодія, токсоплазм, рикетсій і ін.). ІФН має також антитоксичні властивості стосовно екзо- і ендотоксину [7].

ІФН підсилює антиінфекційний імунітет, стимулює або пригнічує (у залежності від дози і часу введення) утворення антитіл і формування реакції гіперчутливості сповільненого типу (РГСТ), блокує Т-супресорну ланку й активує ефекторну ланку клітинного імунітету. Ця дія ІФН забезпечується розмаїттям біологічних властивостей, якими він володіє. ІФН придушує внутрішньоклітинне розмноження багатьох видів вірусів (ДНК- і РНК-вірусів, включаючи пухлиногенні) [2], бактерій і простіших, активує В-, Т-клітини, макрофаги, НК-клітини, К-клітини, підсилює інтерфероногенез, синтез і дію інших цитокінів, змінює (переважно підсилює) експресію клітинних рецепторів і антигенів гістосумісності (клітини отримують здатність представляти антиген T-хелперам, а останні здатні мобілізувати додаткові антиген-презентуючі клітини) [10], володіє антипроліферативною дією [11].

Різноманіття біологічних ефектів, що викликає ІФН, залежить від його гетерогенності. Окремі різновиди ІФН володіють протилежними імунобіологічними властивостями [7].

В результаті сучасних досліджень зі зв'язування ΙΦΗ клітинами було встановлено, що ΙΦΗ специфічно зв'язується тільки з чутливими до даного типу ΙΦΗу клітинами. Нечутливі клітини, як резистентні клітини відповідного виду тварин, так і природно-нечутливі клітини тварин іншого виду, специфічно ΙΦΗ не зв'язують. Це пояснюється не тільки видовими особливостями молекул ΙΦΗ, але і структурними розходженнями клітинних рецепторів [5].

Специфічні рецептори до ΙΦΗ-α і ΙΦΗ-β виявлені практично на всіх типах клітин, однак їх кількість може варіювати від 150 до 5000 молекул на клітину. Число специфічних рецепторів до ΙΦΗ-γ виявилося значно вище — від 5 до 20 і навіть 100 тис. молекул на клітину. У великому ступені кількість рецепторів на поверхні клітин залежить від їхнього типу, віку й інших характеристик [1].

Встановлено, що зв'язування як ІФН-α, так і ІФН-γ швидко викликає фосфорилювання тирозину на їхніх рецепторах, що відіграє ключову роль у взаємодії рецепторів з іншими білками, що беруть участь у подальшій передачі сигналу від ІФН до ядра [5].

ІФНи транскрипційно регулюють більш як 100 генів. Сигнали та транскрипційну активність клітинних генів, опосередковану ІФН, можна краще зрозуміти у зв'язку з провідними шляхами білків JAK-STAT.

Родину білків-передавачів та білків-активаторів транскрипції (signal transducer and activator of transcription, STAT) представлено прихованими (латентними) цитоплазматичними транскрипційними факторами, в яких тирозин фосфорилюється кіназами родини тирозинових кіназ Janus (Janus tyrosine kinase, JAK) у відповідь на стимуляцію цитокінами. Відомо сім членів родини STAT-білків, а саме Stat-1, Stat-2, Stat-3, Stat-4, Stat-5a, Stat-5b та Stat-6, а також чотири представники родини JAK – Jak-1, Jak-2, Jak-3 та Tyk-2 [3].

Зв'язуючись з поверхневими рецепторами, ІФН діють на клітину, активуючи експресію специфічних генів. Така індукція цих генів викликає два типи відповідей: ранню (первинну) і пізню (вторинну). При ранній відповіді експресія гена посилюється у декілька разів за 10-15 хв., досягає максимуму протягом години І, як правило, через 3-4 години повертається до початкового рівня. Індукція генів у даному випадку не залежить від білкового синтезу de novo і пов'язана з активацією латентних транскрипційних факторів. Така активація може здійснюватися декількома шляхами:

1) вилученням білку, що маскує дію фактора;

2) модифікацією (фосфорилюванням) фактора;

3) формуванням гомо- або гетеромерних транскрипційних комплексів.

При пізній відповіді експресія гена посилюється через 2-3 години після дії ІФН, досягаючи максимуму через декілька годин, і досить довго утримується на високому рівні. Вторинна індукція генів повністю залежить від білкового синтезу і пов'язана з індукованим синтезом транскрипційних факторів, відсутніх у нестимульованій клітині [5].

Препарати на основі інтерферонів

Спочатку були створені препарати так званого лейкоцитарного інтерферону (препарати першого покоління). Їх застосовували в комплексній терапії ряду вірусних (гепатити, герпетичні враження шкіри, очей і статевих органів, грипі та інших гострих респіраторних захворюваннях) і онкологічних захворювань (лейкози, саркоми, меланоми, бородавки). В даний час до широковикористовуваних в клінічній практиці препаратів природного інтерферону відносяться: альфаферони (людський лейкоцитарний інтерферон, эгіферон, віллферон, лейкінферон), бетаферони (людський фібробластний інтерферон, ферон) і гаммаферони (людський імунний інтерферон) [1].

Нині створені і введені в медичну практику лікарські форми на основі природних і рекомбінантних ІФН – віферон, кіпферон, реаферон, ліпинт, гамаферон і ін. Розширення масштабів використання рекомбінантних і скорочення застосування індукованих природних ІФН пов'язано з дефіцитом донорської крові – сировини для виробництва останніх, а також високою ціною кінцевого продукту [3].

Не можна не відзначити побічні ефекти інтерферонотерапії пов’язані з використанням цих препаратів – грипоподібний синдром, цукровий діабет, синдром депресії тощо [2; 4].

Таблиця 2

Імуномодулююча дія препаратів інтерферонів [1]

Об’єкт дослідження	Ефект
Кровотворні стволові клітини	Інгібіція проліферації та диференціації клітин кісткового мозку, інгібіція міграції клітин кісткового мозку, зменшення кількості гранулоцит-макрофагальних колоній.
В-клітини	Інгібіція диференціювання , стимуляція проліферативної відповіді, регуляція синтезу та продукції антитіл.
Т-клітини	Інгібіція проліферації цитотоксичних Т-клітин, посилення функціональної активності Th, підвищення кількості Тs через стимуляцію пула Іа-несучих макрофагів, активація Тs, посилення проліферації Т-клітин які розпізнають макрофаги, експресуючі IgG; регуляція розвитку T-хелперів+Т-лімфоцитів й РГСТ.
Моноцити/макрофаги	Посилення поглинальної активності, міграції, стимуляція оксигензалежних й оксигеннезалежних механізмів бактерицидності, посилення цитотоксичної дії по відношенню до пухлинних, вірус інфікованих, вірус трансформованих клітин, регуляція секреції й синтезу біологічно активних речовин.
НК-клітини	Прискорення дозрівання, підвищення літичної активності (на всіх стадіях).
Цитокіновий профіль організму	Посилення продукції IL-1 макрофагами, синтеза ФНП-α, регуляція продукції IL-2 Т-лімфоцитами, регуляція синтезу IL-6 і IL-10.

Рекомбінантний інтерферон відрізняється від інтерферону природного походження. Більш широкий спектр імуномодулюючої дії природного інтерферону частково залежить від присутності в препаратах супутніх цитокінів, які утворяться моноцитами, лімфоцитами й іншими клітинами крові в процесі їх культивування з інтерфероногеном. Можливо, терапевтичний ефект, що спостерігається при використанні інтерферону для лікування інфекцій, у тому числі і вірусних, багато в чому залежить від властивостей супутніх цитокінів [7].

Спектр захворювань, при яких показаний ІФН, представлений трьома великими групами: 1) вірусні інфекції, 2) онкологічні захворювання і 3) інші форми патології. Серед вірусних інфекцій найбільш вивчені (тисячі спостережень) різні герпетичні враження (кератити і кератоконъюнктивіти, герпес геніталій, оперізуючий лишай), потім гострі і хронічні вірусні гепатити, далі грип й інші гострі респіраторні вірусні інфекції (ГРВІ), при яких можливості ІФН розкриті ще не повністю [1; 3]. Менш вивчена (десятки спостережень) ефективність ІФН при СНІДі, папілломавірусних інфекціях (гострі кондиломи, ювенільний папілломатоз гортані, бородавки тощо), а також кору, епідемічному паротиті і сказі [5].

Висновки

Підсумовуючи огляд, можна зробити висновки про те, що широкий спектр біологічної активності системи інтерферону обумовлює її важливу контрольно-регуляторну роль у збереженні гомеостазу організму, а накопичені дані свідчать про наявність прямих і зворотних зв'язків між системами інтерферону, імунної і нейроендокринної систем, що в цілому складають систему біологічного захисту організму. Також важливо відмітити і те, що у зв’язку із поширенням патогенів вірусної природи, такі препарати як інтерферони користуються все більшим попитом.

Бібліографічні посилання

1. Спивак Н. Я., Лазаренко Л. Н., Михайленко О. Н. Интерферон и система мононуклеарных фагоцитов. – К.: Фітосоціоцентр, 2002. – 164 с.

2. Фримель Х., Брок Й. Основы иммунологии: Пер. с нем. – 5-е изд. – М.: Мир, 1986. – 254 с.

3. Ершов Ф. И. Система интерферона в норме и при патологии. – М.: Медицина. 1996. – 240 с.

4. Бойд. У. Основы иммунологии: Пер. с англ./ Под ред. А. Е. Гурвича. – М.: Мир. 1969. – 649 с., 30 с.

5. Карпов О.В., Співак М. Я., Михайленко О. М. ВІЛ-інфекція та інтерферон: молекулярно-біологічні аспекти. – К.:Фітосоціоцентр, 2003.–184 с.

6. Карпов О.В. Регуляція генів інтерферонів І типу та інтерферон-індукованих генів //Биополимеры и клетка. – 1998. – Том 14, № 3. – С. 223–230

7. Иммунология инфекционного процесса. /под ред. В.И. Покровского, С. П. Гордиенко, В. И. Литвинова. – М. 1993. – 308 с.

8. Индукция и действие интерферона /под ред. М.К. Индулен. – Рига: Зинатне. 1975. – 147 с.

9. Игнатов П. Е. Иммунитет и инфекция. – М.: Время. 2002. – 532 с., ил., табл., 96 – 103 с.

10. Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки: В 3-х томах. 2-е изд., переработанное и дополненное. Т. 3./Пер. с англ. – М.: Мир. 1994. – 504 с., ил., 274 с.

11. Грабченко Н.И., Зоценко В.Н., Спивак Н.Я. Цитокины и невирусные инфекции. //Мікробіологічний журнал. – 1995. – Том 57, № 6. – С. 63-68.

12. Тазулахова Е.Б., Анитина Н. Н., Ершов Ф. И. Интерферониндуцирующая активность препарата тилорона гидрохдорида //Антибиотики и медицинская биотехнология. – 1985. – № 9. – С. 668-671.

13. Беседнова. Н.Н., Леонова Г.Н., Запорожец Т.С. Иммунокоректоры в комплексном лечении вирусных инфекций. //Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. – 2006. – №3, приложение. – С. 111-117.