Лахтин М.В., Лахтин В.М., Афанасьев С.С., Алешкин В.А.

Московский институт эпидемиологии и микробиологии им. Г.Н. Габричевского, Россия

ЛЕКТИНОВЫЕ СВОЙСТВА ПРОВОСПАЛИТЕЛЬНЫХ

И АНТИВОСПАЛИТЕЛЬНЫХ ЦИТОКИНОВ

Резюме. Рассмотрены лектиновые (гликоконъюгаты-распознающие) свойства про- и антивоспалительных цитокинов. Отмечена сигнальная роль паттерна углеводной части цитокинов в формировании узнающих систем и регуляции переключения сетевых путей ответа через образование системных цитокин-рецепторных комплексов, последующей их солюбилизации гидролазами. Имеет место каскадное (во времени и пространстве) кофункционирование набора цитокинов, цитокиновых и партнерских паттерны-распознающих рецепторных комплексов макрофагов, моноцитов, дендритных и других клеток. Это позволяет согласовывать про- и антивоспалительные ответы в комбинациях иерархических надзорных систем человека, в том числе в связи с реакциями на присутствие эукариотических и бактериальных патогенов и индукторов опухолевых клеток.

Ключевые слова: цитокины, интерлейкины, лектины, гликоконъюгаты, рецепторы, узнающие системы, врожденный иммунитет.

Lakhtin M.V., Lakhtin V.M., Afanasiev S.S., Aleshkin V.A. Lectin properties of proinflammatory and antiinflammatory cytokines. Moscow Research Institute for Epidemiology & Microbiology after G.N. Gabrichevsky, Russia.

Summary. Lectin (glycoconjugates recognizing) properties of cytokine pro- and anti-inflammatory factors of innate immunity are described. Signal role of cytokine carbohydrate moiety patterns in forming diversity of complex cytokine recognizing systems and in regulation/ switching of activities and worknet pathways of protective replies through cytokines—receptors coimmunications is underlined. Cascade (in space and time) cross—talks involving sets of cytokines, cytokine and other pattern recognizing receptor complexes of macrophages, monocytes, dendritic and other cells is taken place. The latter allows coordination between pro- and anti-inflammatory replies of hierarchic combinations of human protective systems, for example, against eukaryotic (Candida) and bacterial pathogens and inductors of tumor cells.

Key words: cytokines, interleukins, lectins, glycoconjugates, recognition systems, innate immunity.

Введение. Лектины (распознающие гликоконъюгатых[ГК] белки и их комплексы, не относящиеся к антителам) широко распространены в природе, являются объектом биотехнологии (в том числе получение химерных белковых эффекторов путем слияния с углеводсвязывающим доменом [УСД]), применяются при работе с клетками, используются в практической медицине [1]. Функциональная группа циторегулирующих лектинов постоянно пополняется (гепаринсвязывающий интерферон-гамма, белковые гормоны типа эритропоэтина, лектины пробиотических бактериальных культур) [1, 2, 14]. Ряд групп лектинов проявляет протекторные свойства широкого плана, функционируя в сложно организованных коммуникационных системах организма (системе комплемента, других) [1, 3]. Однако лектиновые свойства ряда цитокинов (интерлейкинов [ИЛ], факторов некроза опухолей [ФНО]) и их роль в функционировании протекторных систем остаются недостаточно исследованными. Цель - дать оценку лектиновых свойств про- и антивоспалительных цитокинов, в том числе в рамках функционирования рецепторных систем.

Основное содержание. Лектиновые свойства цитокинов показаны в таблице 1. Наиболее изученными в этом отношении являются провоспалительные цитокины, особенно, ИЛ (в первую очередь, ИЛ2 [наибольший прогресс достигнут в использовании с терапевтическими целями] и ИЛ1альфа/бета) [9, таблица 1]. Сконструированы мультиэффекторные химеры на основе ИЛ1 и ИЛ2. Характерна широкая различающаяся специфичность ИЛ к таким ГК как гликаны олигоманнозидного типа (5-6 остатков маннозы [Man], реже – 8-9 остатков), Man-6-фосфат (Man-6-P) в гликозилфосфатидилинозитольном (GPI) якоре мембранных гликопротеидов, гликопептиды олигоманнозидного типа, другие. Связывание ГК происходит, как правило, не зависимо от катионов Са²⁺. ГК мишеней ранжируются по способности распознаваться индивидуальным ИЛ. Наблюдается разнообразие углеводысвязывающих участков (УСУ) и УСД. Проявление влияния УСУ и УСД значительно усиливается по мере развития каскадов участия ИЛ в связывании с рецепторами и комбинационном действии ЦС с прочими эффекторами. Лектиновые цитокины широко распространены не только у позвоночных, но и у беспозвоночных [5].

Оксидант-антиоксидантные системы (ферментные, другие) способны конвертировать/ конформировать ЦС в наборы складчатых/ денатурированных цитокинов c потенциальным переключением лектиновых свойств и участков (модуляции прежних и возникновению в складках/ криптах новых – второго плана УСУ со сниженной аффинностью [сиалосвязывающих, других заряженных или гидрофобных]). Приведенные выше данные указывают на существование новых (не лимитированных вариантов) мультифункциональных (с новыми активностями) лектиноцитокиновых молекулярных систем.

Постгеномные факторы формирования цитокиновых систем (ЦС). Углеводная часть являются доминирующей первичной причиной множественности форм гликопротеиновых системных цитокинов, что проявляется в дальнейшей реализации мультифизиологических активностей цитокиновых комплексов [19, 28]. Муциновые гликаны цитокинов, располагаясь кластерами, формируют «липкие» площадки для надмолекулярных сборок на клеточных поверхностях, обратимого депонирования в слизевых внеклеточных матриксах. Паттерны углеводной части (пространственные сочетания временно экспонированных коротких, длинных, разветвленных гликанов муцинового и сывороточного типов), а также гликопептидов цитокинов участвуют во взаимодействии с лектинами окружения, инициации и формирования направления/ переключения сети каскадных физиологических активностей путем вторичного взаимодействия с паттерны-распознающими рецепторами (ПРР), как это имеет место, например, в случае IgG-Fc-сиалогликанов [4, 28]. Паттерновые маннановые, глюкановые и хитиновые мишени дрожжей (S. cerevisiae, C. albicans, C. glabrata, других) различаются и распознаются (не просто «связываются») лектинами, в том числе ИЛ [12]. Паттерны гликановых ландшафтных выступов могут задаваться путем регуляции экспрессии ЦС в общепринятых эукариотических экспрессионных системах. Антиоксиданты способствуют «раскрытию» молекул цитокинов, их доступности сигнальным протеиназам ограниченного/ фрагментарного расщепления, зависящего от маркирования белка гликанами, что высвобождает вторичные активные фрагменты ЦС. Образующиеся цитокин-рецепторные комплексы (в том числе тройные [11]) инициируют дальнейший межрецепторный и межклеточный каскадный кросс-токинг (Cross-Talking). При этом протеиназы и фосфолипазы участвуют в сбросе с клеточной поверхности таких комплексов, которые становятся дополнительным фактором регуляции поведения ЦС в иерархиях коммуникационных систем узнавания, обогащают состав ЦС, повышают потенциал ее маневрирования. Имеют место согласованные каскадные коммуникации между ПРР лектинового типа моноцитов и макрофагов, в том числе с антипатогенными функциями [22, 27]. В результате реализуется выбор преимущественности про- или антивоспалительных ответов в организме. Распространено кофункционирование цитокиновых комплексов с другими ПРР различных систем (в том числе соподчиненных/ иерархических) узнавания патогенов, чужеродных (или ставших чужеродными - опухолевыми) или неблагоприятных для организма агентов (в том числе опухолеобразующих). Многообразие ЦС-инициируемых каскадных ответов систем узнавания, вовлекающих цитокин-рецепторные комплексы в сочетании с функционированием других ключевых ПРР с лектиновыми свойствами (Toll-подобных, PAMP-распознающих, участников системы комплемента, интерферон-связывающих, лектинов С-типа и дектинов, Fc-гамма-распознающих), регистрируется на примере кандидных (C. albicans) патогенов [16, 20, 21. 25, 27, 30]. В иерархическом сигнальном ответе новорожденных (в процессе их развития) против микробных патогенов ФНОальфа проявляет себя как в значительной степени более зрелый тип цитокина при сравнении с ИЛ1бета и ИЛ6 [22]. Сигнальные эволюционно поздние ИЛ (в сравнении с ИЛ1,2) – укороченные, без УСД, что ускоряет (без вовлечения гидролаз) реализацию спектра активностей ЦС в иерархиях рецепции узнавания (способствует переходу от внутримолекулярного к межмолекулярному прогрессивному кофункционированию). В целом, лектиновые и нелектиновые про- и антивоспалительные цитокины образуют новый тип молекулярно-рецепторной сигнальной системы (новых вариантов ЦС), кофункционирующей с другими защитными сигнальными системами узнавания в организме человека.

Заключение. Приведенные выше данные указывают на следующие перспективы изучения ЦС в лектин-гликоконъюгатных реакциях распознавания: дальнейшее изучение и детализация механизмов действия лектиновых и гликопротеиновых ЦС (в том числе физиологически различающихся цитокинов одного и того же типа/ семейства интерлейкина/ интерлейкинов); прогресс в установлении новых кросс-токинговых каскадных взаимосвязей иерархически соподчиненных систем узнавания не только патогенов, но и опухолевых клеток; изучение кофункционирования ЦС с другими про- и антивоспалительными факторами (хемокинами, прочими), в том числе на уровне систем ПРР; конструирование производных ЦС и химерных цитокиновых триггеров с использованием модификационных ферментов, направленной экспрессии в эукариотических клетках; создание новых классов иммунотерапевтических средств, сочетающихся с ИЛ [15].

Литература

1. Лахтин В.М., Афанасьев С.С., Алешкин В.А., Несвижский Ю.В., Лахтин М.В. и др. Классификация лектинов как универсальных регуляторных молекул биологических систем // Вестник РАМН. - 2009. - № 3. - С. 36 - 43.

2. Лахтин М.В., Лахтин В.М., Афанасьев С.С., Алешкин В.А. Лектин-гликоконъюгатные взаимодействия рекомбинантного эритропоэтина человека: роль участков гликозилирования в белке // Журнал научных статей «Здоровье и образование в XXI веке». – 2013. – Т. 15. - № 4. - C. 376-378. ISSN 2226-7425.

3. Лахтин М.В., Лахтин В.М., Афанасьев С.С. Система комплемента - коммуникатор иммунитета человека // Materials of the XI International scientific and practical conference «Modern european science» - 2015. Volume 8. Medicine, Biological sciences. Sheffield. Science and education LTD - Стр. 59-67. ISBN 978-966-8736-05-6. DOI: 10.17686/rusnauka_2015_198820 . №2040-25.09.2015.

4. Anthony R.M., Ravetch J.V. A novel role for the IgG Fc glycan: the anti-inflammatory activity of sialylated IgG Fcs // J Clin Immunol. 2010; 30 Suppl 1: 9-14. doi: 10.1007/s10875-010-9405-6.

5. Beschin A., Bilej M., Magez S. et al. Functional convergence of invertebrate and vertebrate cytokine-like molecules based on a similar lectin-like activity // Prog Mol Subcell Biol. 2004; 34: 145-163.

6.Cebo C., Dambrouck T., Maes E.et al. Recombinant human interleukins IL-1alpha, IL-1beta, IL-4, IL-6, and IL-7 show different and specific Calcium-independent carbohydrate-binding properties // J Biol Chem. 2001; 276(8): 5685–5691.

7.Cebo C., Durier V., Lagant P. et al. Function and molecular modeling of the interaction between human interleukin 6 and its HNK-1 oligosaccharide ligands // J Biol Chem. 2002; 277(14): 12246-12252.

8. Cebo C., Vergoten G., Zanetta J.P. Lectin activities of cytokines: functions and putative carbohydrate-recognition domains // Biochim Biophys Acta. 2002; 1572(2-3): 422-434.

9.Fukushima K., Hara-Kuge S., Ohkura T. et al. Lectin-like characteristics of recombinant human interleukin-1beta recognizing glycans of the glycosylphosphatidylinositol anchor // J Biol Chem. 1997; 272(16): 10579-10584.

10.Fukushima K., Yamashita K. Interleukin-2 carbohydrate recognition modulates CTLL-2 cell proliferation // J Biol Chem. 2001; 276(10): 7351-7356.

11.Fukushima K., Ishiyama C., Yamashita K. Recognition by TNF-alpha of the GPI-anchor glycan induces apoptosis of U937 cells // Arch Biochem Biophys. 2004; 426(2): 298-305.

12. El-Kirat-Chatel S., Beaussart A., Alsteens D., et al. Single-molecule analysis of the major glycopolymers of pathogenic and non-pathogenic yeast cells // Nanoscale. 2013; 5(11): 4855-4863. doi: 10.1039/c3nr00813d.

неУч13. Heinrich P.C., Behrmann I., Haan S. et al. Principles of interleukin (IL)-6-type cytokine signalling and its regulation // Biochem J. 2003; 374(Pt 1): 1-20.

14. Lakhtin M., Lakhtin V., Aleshkin A., Bajrakova A., Afanasiev S., Aleshkin V. Lectin systems imitating probiotics: potential for biotechnology and medical microbiology // In: “Probiotics 2012”, Edited by E.C. Rigobelo. – New York, InTech, 2012. – P. 417–432. ISBN 978-953-51-0776-7. http://dx.doi.org/10/5772/3444; http://cdn.intechopen.com/pdfs-wm/39594.pdf

15. Lee K.D., Chen H.W., Chen C.C., et al. Construction and characterization of a novel fusion protein consisting of anti-CD3 antibody fused to recombinant interleukin-2 // Oncol Rep. 2006; 15(5): 1211-1216.

16. Liu Y., Yang B., Zhou M.et al. Memory IL-22-producing CD4+ T cells specific for Candida albicans are present in humans // Eur J Immunol. 2009; 39(6): 1472-1479. doi: 10.1002/eji.200838811.

17. Muchmore A.V., Decker J.M. Evidence that recombinant IL 1 alpha exhibits lectin-like specificity and binds to homogeneous uromodulin via N-linked oligosaccharides // J Immunol. 1987; 138(8): 2541-2546.

18. Muchmore A., Decker J., Shaw A., Wingfield P. Evidence that high mannose glycopeptides are able to functionally interact with recombinant tumor necrosis factor and recombinant interleukin 1 // Cancer Res. 1990; 50(19): 6285-6290.

19. Opdenakker G., Rudd P.M., Wormald M., Dwek R.A., Van Damme J. Cells regulate the activities of cytokines by glycosylation // FASEB J. 1995; 9(5): 453-457.

20. Rizzetto L., Kuka M., De Filippo C. et al. Differential IL-17 production and mannan recognition contribute to fungal pathogenicity and commensalism // J Immunol. 2010; 184(8): 4258-4268. doi: 10.4049/jimmunol.0902972.

21. Romani L., Bistoni F., Puccetti P. Initiation of T-helper cell immunity to Candida albicans by IL-12: the role of neutrophils // Chem Immunol. 1997; 68: 110-135.

22. Sharma A.A., Jen R., Brant R. et al. Hierarchical maturation of innate immune defences in very preterm neonates // Neonatology. 2014; 106(1): 1-9. doi: 10.1159/000358550. Epub 2014 Mar 6.

23. Sherblom A.P., Decker J.M., Muchmore A.V. The lectin-like interaction between recombinant tumor necrosis factor and uromodulin // J Biol Chem. 1988; 263(11): 5418-5424.

24. Sherblom A.P., Sathyamoorthy N., Decker J.M., Muchmore A.V. IL-2, a lectin with specificity for high mannose glycopeptides // J Immunol. 1989; 143(3): 939-944.

25.Treseler C.B., Maziarz R.T., Levitz S.M. Biological activity of interleukin-2 bound to Candida albicans // Infect Immun. 1992; 60(1): 183-188.

26.Vergoten G., Zanetta J.P. Structural differences between the putative carbohydrate-recognition domains of human IL-1 alpha, IL-1 beta and IL-1 receptor antagonist obtained by in silico modeling // Glycoconj J. 2007; 24(4-5): 183-193.

27. Vogelpoel L.T., Hansen I.S., Visser M.W. et al. FcγRIIa cross-talk with TLRs, IL-1R, and IFNγR selectively modulates cytokine production in human myeloid cells // Immunobiology. 2015; 220(2): 193-199. doi: 10.1016/j.imbio.2014.07.016.

28.Yamashita K., Fukushima K. The carbohydrate recognition by cytokines modulates their physiological activities // Glycoconj J. 2004; 21(1-2): 31-34.

29. Zanetta J.P., Alonso C., Michalski J.C. Interleukin 2 is a lectin that associates its receptor with the T-cell receptor complex // Biochem J. 1996; 318 ( Pt 1): 49-53.

30. Zanetta J.P., Bonaly R., Maschke S. et al. Differential binding of lectins IL-2 and CSL to Сandida albicans and cancer cells // Glycobiology. 1998; 8(3): 221-225.

31. Zanetta J.P., Bindeus R., Normand G. et al. Evidence for a lectin activity for human interleukin 3 and modeling of its carbohydrate recognition domain // J Biol Chem. 2002; 277(41): 38764-3871.

Таблица 1. Цитокины со свойствами лектинов.

Цитокины, ссылки	Специфичность к углеводам, гликоконъюгатам; УСУ, УСД	Наблюдаемые/ ожидаемые Эффекты
Провоспалительные
ИЛ1альфа [6, 17, 26]	Биантенный дисиалированный N-гликан с экспонированными двумя остатками Neu5Ac-альфа2,3-; N-концевые олигосахариды уромодулина ( Tamm-Horsfall ГП); Са^2+-независимые УСУ.	Распознавание уромодулина, регуляция уромодулин-инициируемых реакций.
ИЛ1бета [6, 9, 26]	GM4; Са^2+-независимые УСУ; Man-6-Р в GPI мембран; УСД отличается от типа-I рецепторного связывающего ИЛ1 домена.	Сходные с лектинами С-типа.
Рек ИЛ1 [18]	Man5(6)GlcNAc2-Asn (гликопептиды олигоманнозидного типа)	Регуляция провоспалительный реакций.
ИЛ2 [24, 25, 28]	Гликопептиды Man5GlcNAc2-R и Man6GlcNAc2-R (гликопептиды олигоманнозидного типа), маннаны Candida albicans; УСУ отличен от УСУ лектина CSL, расположен в альфа-субъединице рецептора ИЛ2.	Углеводзависимая модуляция пролиферации клеток CTLL-2; различение кандид и раковых клеток; ассоциирует свой рецептор с T-клеточным рецепторным комплексом.
ИЛ3 [8, 31]	Углеводсвязывающий домен.	Регуляция роста и дифференцировки наиболее ранних предшественников кроветворных клеток.
ИЛ6 [6-8, 13]	Соединения с N-соединенными и O-соединенными HNK-1-подобными эпитопами (олигосахаридными лигандами HNK-1); Са^2+-зависимые УСУ; УСД в сайте-3.	Регуляция провоспалительных реакций; сочетанное действие цитокинов типа ИЛ6 в сочетанном с сигнальными ГП-трансдьюсерами.
ИЛ7 [6]	Антиген сиалил-Tn; Са^2+-независимые УСУ.	Сходные с лектинами С-типа.
CSL [30]	Man6GlcNAc2; Маннаны Candida albicans; УСУ отличен от УСУ ИЛ2.	Распознавание раковых клеток.
ФНОальфа [11, 23, 28]	Диацетилхитобиоза; Man-альфа1,6[Man-альфа1,3]-Man-O-метил(или этил); гликаны уромодулина; GlcNAc-бета1,6-Man-фосфат в GPI-заякоренных ГП.	Стимуляция апоптоза клеток U937 путем формирования высокоаффинного комплекса ФНО-РецепторФНО-GPIгликан; регуляция антиопухолевых и провоспалительных реакций.
Рек ФНОальфа [18, 23]	Man5-6GlcNAc2-Asn; гликопептиды олигоманнозидного типа; олигосахариды уромодулина.	Распознавание уромодулина, регуляция уромодулин-инициируемых реакций.
Антивоспалительные
ИЛ4 [6]	1,7-внутримолекулярный лактон NeuNAc; Са^2+-независимые УСУ.	Сходные с лектинами С-типа.

Примечание. УСУ, УСД= углеводсвязывающий участок/ домен; рек= рекомбинантный; ГП= гликопротеин(ы); ФНО= фактор некроза опухолей; GPI= гликозилфосфатидилнозитол; GlcNAc= N-ацетил-D-глюкозаминил; GM= ганглиозид; Man= D-маннозид; Man-6-P= маннозо-6-фосфат; NeuNAc= N-aцетил-D-нейраминат.