УДК 577.367
НЕЙТРОФИЛЬНЫЕ ВНЕКЛЕТОЧНЫЕ ЛОВУШКИ: МЕХАНИЗМЫ ОБРАЗОВАНИЯ, РОЛЬ В НОРМЕ И ПРИ ПАТОЛОГИИ
Обзор
© 2014 Н.В. Воробьева1*, Б.В. Пинегин2
1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, биологический факультет, 119991 Москва; электронная почта: nvvorobjeva@mail.ru
2 Институт иммунологии ФМБА России, 115478 Москва, Каширское шоссе, 24/2
Поступила в редакцию 05.07.14
В обзоре представлены современные данные, касающиеся уникального механизма клеточной смерти, характерного для нейтрофилов (НЕТоза). НЕТоз представляет собой процесс, при котором происходит выброс из клеток фибрилл хроматина с адгезированными к ним бактерицидными компонентами гранул, ядра и цитоплазмы (нейтрофильные ловушки). Состав ловушек определяет их бактерицидные, фунгицидные, антипротозойные и антивирусные свойства. В связи с этим их образование рассматривается как важная ответная реакция иммунной системы на патогены. С другой стороны, было показано, что НЕТоз является этиологическим фактором многих воспалительных и аутоиммунных заболеваний, а также участвует в регуляции ряда неинфекционных процессов. В обзоре подробно рассматриваются молекулярные механизмы НЕТоза, его роль в защите хозяина от патогенов, а также участие в неинфекционных, воспалительных и аутоиммунных процессах.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: нейтрофил, нейтрофильные внеклеточные ловушки, НЕТоз, аутоиммунные заболевания, воспаление.
В 2004 г. Циклинский с соавт. [1] обнаружил, что нейтрофилы могут убивать патогены вне клеток, выбрасывая т.н. «нейтрофильные внеклеточные ловушки» (Neutrophil Extracellular Traps, NETs). Поскольку в процессе образования ловушек нейтрофилы утрачивают также свою жизнеспособность, то в 2007 г. Стейнберг и Гринштейн [2] назвали такую форму клеточной гибели нейтрофилов «НЕТозом». Показано, что бактерицидность ловушек связана с их уникальным составом: ДНК, компоненты гранул, гисто-ны и некоторые цитоплазматические белки. Следует отметить, что образование ловушек было показано также для эозинофилов [3], тучных клеток [4], гетерофилов цыпленка [5] и макрофагов/моноцитов [6]. Помимо человека и мы-
Принятые сокращения: АПК — антигенпрезентиру-ющая клетка; ИФН — интерферон; ЛПС — липополисаха-рид; МНС — главный комплекс гистосовместимости; ПДК — плазмоцитоидная дендритная клетка; ЦИК — циркулирующий иммунный комплекс; ФНО — фактор некроза опухолей.
* Адресат для корреспонденции.
шей, НЕТоз был описан и у других животных, например, быков, лошадей, рыб, кошек, кроликов и беспозвоночных. Выброс нуклеиновых кислот клетками-эноцитоидами восковой моли Galleria mellonella является важным защитным механизмом от патогенов у насекомых [7]. Образование внеклеточных филаментов ДНК было обнаружено также у растений и, как предполагают, этот механизм играет существенную роль в защите кончиков корней от грибковых инфекций [8, 9]. В связи с тем, что выброс хроматина во внеклеточное пространство осуществляется не только нейтрофилами, но и другими типами клеток, а также в связи с распространенностью этого явления среди позвоночных, беспозвоночных и растений, этот механизм получил более широкое название ЭТоз (от англ. Extracellular Traps (ETs)). В настоящем обзоре рассмотрен механизм образования ловушек нейтрофилами — НЕТоз.
Морфология ловушек. Ультраструктура ловушек уникальна. Их остов образован хроматино-выми филаментами диаметром ~15—17 нм [1],
1580
состоящими из модифицированных нуклеосом [10]. Этот остов усеян глобулярными структурами диаметром около 50 нм, представляющими собой белки гранул и других клеточных компарт-ментов [1]. Удивительно, что ловушки могут иметь морфологию не только вытянутых в длину тонких филаментов, но и выглядеть как обла-коподобные структуры, занимающие площадь, в 10—15 раз превышающую первоначальный размер клетки. Предполагают, что такая морфология ловушек встречается in vivo в условиях достаточного межклеточного пространства, например, в легочных альвеолах.
Механизм образования ловушек. Ловушки образуются в результате уникальной формы клеточной гибели, при которой первоначально происходит утрата всех внутриклеточных мембран, за которой следует нарушение целостности цитоплазматической мембраны. На сегодняшний день о механизмах НЕТоза известно крайне мало. Это связано в первую очередь с тем, что нейтрофилы являются короткоживущими, терминально-дифференцированными, не способными к делению лейкоцитами, генетические манипуляции с которыми затруднены. Кроме того практически отсутствуют линии нейтрофи-лов, полноценно отражающие физиологию первичных клеток крови.
Тем не менее известно, что в процессе НЕТоза, нейтрофилы подвергаются серьезным морфологическим изменениям (рисунок, см. цветную вклейку). Так, через несколько минут после активации клетки распластываются и прочно прикрепляются к субстрату. В течение следующего часа ядро утрачивает сегментарную структуру, хроматин деконденсируется, а внутренний и внешний листки ядерной мембраны отделяются друг от друга. Одновременно происходит распад гранул. Через 1 ч ядерная мембрана распадается на отдельные везикулы, а нуклеоплаз-ма и цитоплазма сливаются в гомогенную массу. Наконец, клетки округляются и, видимо, сокращаются до тех пор, пока цитоплазматическая мембрана не разрывается, после чего содержимое клетки «извергается» во внешнее пространство, образуя пучки тонких филаментов, то есть ловушки.
Состав ловушек. Удивительно, что даже после перемешивания содержимого всех клеточных компартментов в составе ловушек обнаруживают не более 30 различных белков (табл. 1) [10]. Большая часть этих белков гранулярного происхождения, только несколько типов белков попадает в ловушки из ядра (гистоны) и совсем небольшое количество — из цитоплазмы [10]. В некоторых работах было показано, что ловушки образуются живыми клетками, эозинофилами и
нейтрофилами, в результате выброса во внеклеточное пространство ДНК митохондрий [3, 11]. Однако, следует отметить, что митохондрий в нейтрофилах крайне мало [12], поэтому митохонд-риальной ДНК, обнаруженной в этих экспериментах, было в 100 000 раз меньше, чем ядерной.
Недавно был описан новый уникальный механизм образования ловушек, при котором ци-топлазматическая мембрана оставалась интакт-ной, а клетки сохраняли свою жизнеспособность [13]. В этих экспериментах нейтрофилы стимулировали Staphylococcus aureus в течение 5—60 мин (обычно НЕТоз развивается в течение 3—4 ч) и наблюдали выброс из клеток везикул с включенными в них деконденсированным хроматином и бактерицидными белками гранул. Все эти компоненты перемешивались и формировали ловушки во внеклеточном пространстве.
Индукторы НЕТоза — это многие физиологические стимулы, к которым относятся бактерии, грибы, простейшие и вирусы (табл. 2). НЕТоз могут индуцировать такие активные формы кислорода (АФК) как пероксид водорода [14], антитела [15] и антиген-антительные комплексы [16, 17], микробные компоненты, липополи-сахарид (ЛПС) [18, 19], белок М1 из Streptococcus pyogenes [20] и липофосфогликаны из Leishmania amazonensis [21]. Ловушки также могут быть индуцированы тромбоцитами, активированными TLR4 [22].
Показано, что для индукции НЕТоза необходимо прикрепление клеток к субстрату, при котором активируются МАС-1-интегриновые рецепторы [23]. В суспензии нейтрофилы тоже могут образовывать ловушки, но гораздо слабее. По-видимому, в этой ситуации срабатывает механизм блокирования НЕТоза (или отсутствия стимуляции), предохраняющий организм от возможного тромбообразования в кровеносных сосудах с участием ловушек.
Молекулярные механизмы образования ловушек. Как было показано ранее, процесс образования ловушек происходит постепенно и включает несколько последовательных стадий: 1) генерацию АФК; 2) транспорт нейтрофильной элас-тазы (НЭ) и, позднее, миелопероксидазы (МПО) из гранул в ядро; 3) модификацию гистонов; 4) и, наконец, разрыв цитоплазматической мембраны и выброс хроматина. На всех перечисленных стадиях стоит остановиться немного подробнее, поскольку все они составляют совершенно уникальный механизм гибели клеток, НЕТоз.
Итак, было показано, что для НЕТоза необходимы АФК. У нейтрофилов АФК образуются в процессе т.н. «дыхательного взрыва» при участии ферментного комплекса, NADPH-оксидазы [24]. Этот многокомпонентный комплекс соби-
Таблица 1. Белки, ассоциированные с ловушками [10]
Клеточная локализация Название белка Название гена
Гранулы нейтрофильная эластаза (НЭ) лактоферрин азуроцидин катепсин G миелопероксидаза (МПО) протеиназа 3 лизоцим С дефензины 1 и 3 ВР1 (катионный бактерицидный/увеличивающий проницаемость белок) кателицидин ИСАР18/ЦЬ-37 ELA2 LTF лт МРО РЯ3 ЕП ЛЕЕА-1 и -3 ВР1 САМР
Ядро гистон Н2А гистон Н2В: а) гистон Н2В б) гистон Н2В-подобный гистон Н3 гистон Н4 миелоидный ядерный дифференцировочный антиген Н2А Н2В Н2В Н3 Н4 МШБА
Цитоплазма S100 кальций-связывающий белок А8 S100 кальций-связывающий белок А9 S100 кальций-связывающий белок А12 S100A8 S100A9 S100A12
Цитоскелет актин (в и/или у) миозин-9 а-актинин (1 и/или 4) пластин-2 цитокератин-10 АСТВ, АСТ01 МУН-9 АСТШ1, АСТМ ЦСР1 КЯТ-10
Пероксисомы каталаза САТ
Гликолитические ферменты а-энолаза транскетолаза ЕЫО1 ТКТ
рается при активации в мембранах специфических гранул и на цитоплазматической мембране нейтрофилов и осуществляет перенос электронов от расположенного в цитоплазме NADPH через мембрану на молекулярный кислород. Кислород далее подвергается одноэлектронно-му восстановлению, ведущему к образованию супероксид-анион-радикала (О~2). О~2 в свою очередь претерпевают окислительно-восстановительные превращения, спонтанно или же при участии супероксиддисмутазы, с образованием пероксида водорода. Эти первичные АФК (О~2 и Н2О2) могут подвергаться дальнейшей трансформации, в результате которой образуются более активные метаболиты, например, гидрок-сильный радикал (ОН') и хлорноватистая кислота (НОС1). Хлорноватистая кислота обладает сильнейшими микробицидными свойствами и образуется при участии миелопероксидазы, фермента азурофильных гранул.
Участие АФК в образовании ловушек было доказано не только фармакологически, но и при изучени
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.