Роль интерлейкинов 4 и 13 в обурении жировой ткани

Долгое время считалось что нахождение иммунных клеток в жировой ткани считается плохим знаком т.к. иммунные клетки (макрофаги и нейтрофилы) могут усиливать воспалительную реакцию и тем самым влиять на дисбаланс в метаболических процессах жировой ткани.
Я уже писал о бурой и белой жировой ткани и о процессах обурения как потенциальный метод лечения метаболических расстройств как диабет 2-го типа и ожирение(ссылка,  http://naukageek.blogspot.com/2014/05/blog-post_10.html ).

Буквально несколько дней назад две лаборатории независимо друг от друга опубликовали похожие результаты.
1-я работа проделанная в Калифорнийском Университете показали что жир-ассоциированные макрофаги (adipose tissue macrophages или АТМ) выделяют цитокины интерлейкин-4 и -13 во время холода (один из самых мощных индукторов обурения жировой ткани) и эти цитокины нужны для обурения жировой ткани (Рисунок 1), тем самым ломая парадигму что макрофаги в жировой ткани ничего "хорошего" не делают.
2-я работа была проделана в Гарвардской Медицинской Школе и здесь исследователи показали что во время физических нагрузок в организме вырабатывается метеорин-подобный протеин который в свою очередь также стимулирует обурение жировой ткани посредством активации жир-ассоциированных макрофагов и выделения тех же интерлейкина 4 и 13 (Рисунок 1).

Вообще редко когда получается что две независимые лаборатории получают одни и те же результаты подходя к проблеме под разными "углами" :).

Рисунок 1

Источники:
Cell, doi:10.1016/j.cell.2014.03.065, 2014
Cell, doi:10.1016/j.cell.2014.03.066, 2014

Биогенез Митохондрий

Митохондрии впервые привлекли исследователей около 50 лет назад. До сих пор, митохондриальный синтез энергии остаётся одним из самых важных и значимых открытием в науке.
Наверное бесполезно говорить о важности митохондрии в клеточном балансе, просто упомяну несколько интересных фактов: Митохондрии составляют около 10% от всей массы тела взрослого человека и в метаболически активных клетках (мышцы, печень, мозг) митохондрии занимают около 40% от всего объёма клетки.

Рисунок 1. Митохондрия под микроскопом.

Митохондрии-это энергетические заводы клетки (так говорила нам наша учительница в школе) и это чистая правда, но в отличие от настоящих заводов, наши органеллы это очень динамичные "заводы" и существуют два внутриклеточных процесса которые необходимы для нормальной жизнедеятельности это слияние-разделение митохондрий и биогенез митохондрий.
Процесс слияния-разделения (fusion-fission) митохондрии надо понимать дословно, на сегодняшнии момент на 100% неизвестно зачем и почему митохондрии сливаются а потом разделяются и наоборот, но в целом исследователи считают что во время этого процесса происходит обмен генетического материала (митохондриальный ДНК, сокращённо мхДНК). И остановка одного из этих процессов (слияние или разделение) ведёт к серьёзным нарушениям в клетке. К примеру, нарушения слияния-разделения митохондрии были задокументированны в таких патологических процессах как онкогенез и нейродегенерация.

Но сегодня я буду рассказывать о другом немаловажном процессе - биогенез митохондрий (формирование новых митохондрий).
Итак, биогенез митохондрии также очень сложный процесс и к сожалению не до конца изучен. Сложность заключается в том что в этом процессе участвуют более 1000 генов, около 20% всех клеточных протеинов изменяют свой уровень экспрессии во время этого процесса, и также биогенез митохондрии нуждается в слаженной кооперации двух геномов (клеточного и митохондриального).

Весь митохондриальный ДНК млекопитающих кодирует 13 протеинов участвующих в работе митохондрии (составные части дыхательной цепи переноса электронов), остальные протеины из которых состоит митохондрия кодируется ядерным ДНК а это ни много ни мало около 95% всех митохондриальных протеинов. Плюс ко всему транскрипция (считывание РНК) и репликация (удвоение ДНК) мхДНК происходит под жёстким контролем протеинов (кодирующиеся ядерным ДНК).
Несмотря на всю сложность этого процесса, на сегодняшний день выделяют 3 протеина которые считаются "золотым стандартом" биогенеза митохондрий это Peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1-alpha и -beta (PGC-1alpha и beta), Nuclear respiratory factors (NRF-1 и 2) и mitochondrial transcription factor A (Тfam).

Рисунок 2

Первые двое PGC-1 alpha, beta и NRFs являются регуляторами транскрипции митохондриальных генов находящиеся в ядерном ДНК (рисунок 2). Когда как третий протеин "Tfam" регулирует транскрипцию мхДНК. Конечно существуют множество других протеинов которые напрямую или косвенно влияют на биогенез митохондрии но именно изменения уровня экспрессии этих трёх протеинов используется как маркер биогенеза (чем выше экспрессия тем больше биогенеза митохондрий).

Что нам скажут нокаут мыши?
Мыши у которых отсутвтвует ген кодирующий NRF-1 или -2 нам ничего не скажут, так как они умирают во время эмбрионального развития (что подтверждает значимость биогенеза митохондрии в правильном функционировании организма). Такая же ситуация обстоит и с мышами у которых отсутвует Tfam ген (эмбрионально летальны). Когда как, PGC-1 alpha нокаут мыши в целом мало чем отличаются от обычных мышей, и даже митохондриальный биогенез на должном уровне, хотя многие исследования показывали важность этого протеина в биогенезе. Далее выяснилось что PGC-1 alpha дефицитные мыши экспрессируют в несколько раз больше PGC-1 beta, тем самым компенсируя недостаток своего alpha "собрата".

Для чего это нужно?
Митохондрии "как и всё на свете" стареют что делает невозможным их функционирование, старые митохондрии утилизируются (благодаря таким процессам как аутофагия)  и вместо них клетка формирует новые митохондрии. 
Также митохондрии очень чувствительны к различным клеточным стрессам (оксидативный стресс, воспалительный стимул, микробная инфекция итд) что приводит к повреждению митохондрии, и чтобы поддерживать энергетический баланс клетка запускает механизмы биогенеза новых митохондрии (Рисунок 3). 

Рисунок3

Так например, многочисленные работы из университета Дьюка (Северная Каролина) показали что биогенез
митохондрий 
индуцируется во время эксперимен
тальной модели сепсиса или пневмонии, и играет защитную роль во время инфекционно-
воспалительного процесса путём регулирования апоптоза в лейкоцитах и клетках тканей (лёгкие, печень) и воспалительных медиаторов (цитокинов и хемокинов) (Рисунок 3). В последующем, исследователи из этого же университета нашли прямую корреляцию между высоким уровнем митохондриального биогенеза и выживаемости среди пациентов страдающие сепсисом.
Также высокий уровень биогенеза митохондрий  наблюдается во время физических нагрузок, как адаптивная реакция организма к высокому расходованию энергии.

В целом можно заключить что формирование новых митохондрий важный процесс для поддержания гомеостаза, защиты от патогенов и повреждении, а также адаптации организма к "необычным" условиям.

Литература:
Physiol Rev 88: 611–638, 2008
Exp Gerontol. 2008 43(9): 813–819
Mol Cell 14: 1–15, 2004
Mol Cell Biol 21: 644–654, 2001
Nature Genet 18: 231–236, 1998
Am J Resp Crit Care Med. 2010;182:745-751.
Am J Resp Crit Care Med. 2007;176:768-777.

АТФ как медиатор воспаления: Роль пуринергических рецепторов P2XR и P2YR.

Аденозинтрифосфат (АТФ) всем известная молекула которая играет наиважнейшую роль в энергетическом круговороте нашего организма.

Аденозинтрифосфат (АТФ)

Интересно заметить, но АТФ имеет совершенно другую функцию когда попадает во ВНЕклеточное пространство, где АТФ уже играет роль сигнальной молекулы благодаря активации нуклеотидных рецепторов.

К ним относятся пуринергические П2 рецепторы (purinergic P2 receptors), P1 рецепторы активизируются аденином (продуктом распада АТФ) поэтому о P1 рецепторах мы говорить сегодня не будем.

В свою очередь P2 рецепторы по своему молекулярному строению и сигнальным особенностям могут делиться на две саб-группы: P2Y и P2X рецепторы. P2Y это рецепторы сопряжённые с G-белком (G-protein-coupled receptor, GPCR), а P2X рецепторы это ионотропные (по структуре похожи на ионые каналы) нуклеотидные рецепторы.

Освобождение АТФ из внутриклеточного пространства во внеклеточное происходит в основном во время клеточного стресса такие как гипоксия, карциногенез, оксидативный стресс, воспаление.

Рисунок 1

АТФ может выделяться в неконтролируемой манере так например при некрозе когда клеточная мембрана теряет свою целостность и всё что было внутри её (включая АТФ) пассивным путём выходит наружу (Рисунок 1).
Активный транспорт осуществляется благодаря трансмембранным протеиновым комплексам (протеиновые каналы, паннексины и коннексины) которые могут транспортировать внутриклеточный АТФ во внеклеточную среду в ответ на воспалительный стимул или во время апоптоза (Рисунок 1).

P2Y рецепторы:
Главный лиганд для P2Y рецепторов это АТФ.
Эти рецепторы - классические GPCRs они содержат внеклеточный N-конец, внутриклеточный C-конец и семь трансмембранных юнитов (Рисунок 2).

 На сегодняшний день клонировано восемь P2Y рецепторов у млекопитающих это P2Y1/2/4/6/11/12/13/14R.

Рисунок 2

По своим филогенетическим особенностям и последова

тельности эти рецепторы можно разделить на две саб-группы. Первая группа, P2Y1/2/4/6/11R в своей 7-ой альфа-спирали содержат определяющий фрагмент следующей последовательности Y-Q/K-X-X-R (Х-обозначает любая амино кислота). К второй группе принадлежат  P2Y12/13/14 рецепторы и в том же регионе имеют  K-E-X-X-L фрагмент. Также эти группы отличаются тем что "предпочитают" разные G-белки для активации клеточного сигнала.  P2Y1/2/4/6/11 рецепторы присоединяют Gq/G11 что приводит к внутриклеточному освобождению кальция посредством активации фосфолипазы C (phospholipase C) и инозитол-1,4,5-трифосфата (рисунок 2).

Когда как P2Y12/13/14 рецепторы присоединяются к Gi/0 протеинам, которые в свою очередь регулируют ионые каналы.
АТФ может присоединятся и активизировать все P2Y рецепторы за исключением P2Y6R и P2Y14R.

Основываясь на результатах многочисленных исследовании,  P2Y рецепторы не играют важную роль в нормальном состоянии организма. Так например, мыши у которых был удалён ген кодирующий P2Y4R  был замечен слегка пониженный уровень альдестерона, ренина и калия в плазме, но в целом мыши, дефицитные тем или иным P2Y рецептором, не отличаются от контрольных животных.
Но дефицитные животные приобретают яркий фенотип если они подвергаются стрессу (гипоксия, инфекция и др).
В области воспалительных исследовании, наиболее хорошо изучен P2Y2 рецептор, на нём я и остановлюсь более подробно.
Первые попытки лечения воспалительных нарушении пришли из исследований нацеленных на изучение P2Y2R агонистов (активаторов) в лечении кистозного фиброза. С молекулярной точки зрения, кистозный фиброз охарактиризирован как дефект в гене кодирующий трансмембранный регулятор муковисцидоза (CFTR, cystic fibrosis transmembrane conductance regulator) его белок участвует в гипер-абсорбции ионов хлора тем самым вызывая утолщение мукозы, ухудшения функциональности ресничного эпителия в дыхательных путях что и приводит к патологии. Несколько исследовании показали что P2Y2R агонисты могут индуцировать обратный выброс ионов хлора тем самым действуя в противовес работе CFTR. В 2005 году, один P2Y2R агонист (денуфузол) был испробован в клинических испытаниях. К сожалению, этот препарат не показал свою эффективность при длительном употреблении (48 недель, 466 пациентов были вовлечены в это исследование). Скорее всего, причиной была слишком важная роль P2Y2 рецептора в других процессах.

АТФ усиленно экспрессируется мёртвыми клетками давая "найди меня" сигнал и иммунные клетки (макрофаги, нейтрофилы) несущие P2Y2 рецептор могут активизироваться для последующего фагоцитирования (поедания) мёртвых клеток (Рисунок 1).
Высокий внеклеточный уровень АТФ также наблюдается у людей страдающих астмой. Считается что освобождение АТФ с последующей активацией P2Y2 рецептора приводит к повышенному хемотаксису эозинофилов и других иммунных клеток в лёгкие что усиливает аллергическую реакцию.
С другой стороны, активация P2Y2 рецептора положительно влияет на процессы заживления, скорее всего также благодаря усиленному хемотаксису иммунных клеток в место повреждения ткани.
Суммарно можно сказать что АТФ индуцированный P2Y2 рецептор функционирует как "друг" в случае защиты организма от инфекции, ускорения процессов заживления. Противовес, излишняя активация P2Y2 рецептора может привести к неконтролируемому воспалительному процессу (Рисунок 4). В этом контексте, в эти дни ведутся много исследовании нацеленных на антагонисты P2Y рецепторов как потенциальное лекарство в лечении таких хронических воспалительных нарушении как эмфизема.

P2X рецепторы:

P2X рецепторы это клеточные мембранные каналы которые селективны для одно- и двух-валентных катионов (Na+, K+, Ca++) и активизируются АТФ. На сегодняшний момент, они насчитывают семь саб-юнитов (P2X1-7R). Они (саб-юниты) могут образовывать гетеро-тримеры, олигомеры для образования канала, но в не зависимости от набора и количества все они остаются чувствительными к АТФ.

При связывании АТФ с P2X рецепторами происходит приток Na+, Ca++ и отток К+ из внутриклеточного пространства. Увеличение кальция внутри клетки ведёт к активации многочисленных кальций-зависимых сигнальных путей (Рисунок 3).

Рисунок3

Также, P2X  рецепторы могут транспортировать и более крупные молекулы, например, P2X7R при связывании с АТФ подвергается конформационным изменениям что приводит к увеличению поры с последующей транспортировкой самих молекул АТФ внутрь клетки.

В отличие от P2YR, мыши при отсутствии того или иного P2X рецептора имеют определённый фенотип. Так например, P2X1R дефицитные мыши не фертильны или P2X2R нокаут (дефицитные) мыши имеют сильные нарушения слуха. Тем самым можно заключить что некоторые саб-юниты P2X рецепторов не могут быть компенсированы другими в отличие от P2Y рецепторов.

Существует достаточно большое количество научной литературы которая утверждает что P2X рецепторы также играют важную роль в воспалительных процессах. Одна из причин это то что P2X рецепторы, в большей степени, экспрессируются  на иммунных клетках такие как макрофаги, дендритные клетки, тучные клетки. К примеру, активация P2X7R в макрофагах положительно влияет на уничтожение внутриклеточных патогенов таких как Mycobacterium tuberculosis, Chlamydia psittaci, Leishmania amazonensis и Toxoplasma gondii. Согласно с этим, клинические исследования обнаружили что люди несущие мутированный P2X7R ген более чувствительны к таким заболеваниям как туберкулёз и токсоплазмоз.
Другие исследования выделяют АТФ-P2X7R сигнальный путь и в хронических заболеваниях. Например, в 2008 году исследователи показали что кишечные бактерии выделяют высокое количество АТФ во время экспериментальной модели язвенного колита (хроническое воспалительное заболевание слизистой оболочки толстой кишки), с последующей активации P2X7 рецептора и генерации Тх17 лимфоцитов (Т хелпер 17 лимфоциты играют важную роль в пропаганде воспаления т.к. выделяют в больших количествах воспалительный медиатор "интерлейкин-17" отсюда и их название) в слизистой воспалённого кишечника.

Рисунок 4

Опять хотелось бы заметить что активация P2Х рецепторов (как и с Р2YRs) может нести как положительный, в случае воспалительно-инфекционных процессов, так и негативный, в случае хронического воспаления, эффект (Рисунок 4).

Заключение:
На сегодняшний день, внеклеточные нуклеотиды это очень интенсивная область био-медицинских исследований так как в потенциале может дать решение многим болезням ассоциирующиеся с воспалительными процессами такие как инфекционные, раковые, сердечно-сосудистые заболевания.

Литература:
Nature. 2014; 509(7500): 310-7.
Nature 467, 863–867 (2010).
N. Engl. J. Med. 325, 533–538 (1991).
J. Cyst. Fibros. 11, 539–549 (2012).
Science 314, 1792–1795 (2006).
FEBS Lett. 486, 217–224 (2000).
Nature Med. 13, 913–919 (2007).
Nature 460, 592–598 (2009).
Nature Med. 18, 600–604 (2012).
Nature 455, 808–812 (2008).