меню

Об интерферонах

ИНТЕРФЕРОНЫ (ИФН) - общее название, под которым в настоящее время объединяют ряд белков со сходными структурными и функциональными свойствами, которые в подавляющем большинстве случаев активно продуцируются клетками организма при заражении вирусом. Эти белки являются важнейшими компонентами врождённой неспецифической защиты организма от инфекций и опухолевых трансформаций.

Интерфероны были открыты Айзеком и Линдеманом в 1957 как противовирусные агенты, однако при последующем их изучении было установлено, что функции интерферонов в клетке не ограничиваются антивирусным действием: общими для этой обширной группы белков свойствами также оказались антипролиферативная активность (способность подавлять размножение клеток), которая в дальнейшем определила возможность их использования для ингибирования развития злокачественных новообразований, и способность влиять на состояние иммунной системы, то есть выполнять в организме роль иммуномодуляторов.

Многообразие интерферонов

Существует три основных класса интерферонов, где каждый класс объединяет белки одного типа (I, II или III). Отношение интерферона к тому или иному типу определяется видом связывающего их рецептора.

У интерферонов типа I один общий рецептор IFN-alpha (IFNAR), состоящий из альфа-субъединицы (IFNAR1) и короткой или длинной бета-субъединицы (IFNAR2) (1). У млекопитающих к этому типу относятся следующие основные виды интерферонов: альфа, бета, омега, ипсилон, каппа и тау.

Интерфероны типа II связываются с рецептором IFNGR и представлены только одним видом - интерфероном гамма.

Интерфероны типа III – интерфероны лямбда, связываются с рецептором IFNLR1.

Интерферон-альфа

Интерферон-альфа продуцируется различными видами клеток, однако основным его источником в организме являются лейкоциты, в которых его синтез резко активируется в ответ на вирусную инфекцию организма (1). В связи с этим его обычно называют «лейкоцитарным» интерфероном. Он кодируется у млекопитающих целым семейством генов, образуя соответствующее семейство «продуктов» (подтипов ИФН-альфа): например, у человека их порядка 20, у кошки - 14; у собаки – 8 и т.д. (2). Представители семейства очень сходны по структуре (процент гомологии последовательностей составляет 96-99%).

Комплекс интерферон-альфа с рецептором интерферона-альфа (PDB 3SE4) (рис.1*)

Интерферон-альфа - самый широко используемый сегодня в медицине и ветеринарии препарат интерфероновой природы. Он используется по всем возможным назначениям: и как иммуномодулятор, и как противовирусное, и как противоопухолевое средство. Природный и рекомбинантный ИФН-альфа является активным компонентом огромного числа препаратов российского и зарубежного производства. Сегодня интерферон-альфа используют при лечении гепатита В и С, энцефалита и менингоэнцефалита, конъюнктивита, кератоконъюнктивита, цитомегаловирусной и герпетической инфекций, хламидиоза, токсоплазмоза, различных онкологических заболеваний (острого лимфобластного лейкоза, волосатоклеточного лейкоза, неходжкинской лимфомы, кожной Т-клеточной лимфомы, хронического миелолейкоза, множественной миеломы, тромбоцитоза, карциномы почки, рака яичников, поверхностного рака мочевого пузыря, злокачественной меланомы, базально-клеточной карциномы кожи), гриппе, ОРВИ и других.

Основной вектор действия и мишень – противовирусная активность и активация естественных киллеров.

Интерферон-тау

Интерферон-тау впервые обнаружили в 1982 году у овец, чуть позже у коров, а также у некоторых птиц. Интерферон типа тау кодируется у животных несколькими генами и представлен в организме целой группой соответствующих белковых продуктов, что характерно и для двух других видов ИФН I типа, а именно для альфа- и омега-интерферонов.

Интерферон-тау (PDB 1B5L) (рис.2*)

Бета-интерферон

Синтез бета-интерферона осуществляют многие типы клеток: фибробласты, клетки эпителия и эндотелия, лимфоидные клетки и астроциты способны продуцировать эту форму ИФН, однако наиболее активными продуцентами бета-интерферона являются фибробласты, поэтому его часто называют «фибробластным». Функциональный бета- интерферон у всех видов млекопитающих, включая человека, кодируется только одним геном, и подобно гамма-интерферону, является строго видоспецифичным белком. Интерферон-бета, как и все остальные виды интерферонов, может применяться при вирусных инфекциях, однако предпочтительно используется в лечении рассеянного склероза (РС) и ряда хронических заболеваний нервной системы, где на сегодняшний день дает наилучшие (в сравнении с остальными формами) результаты.

Кристаллическая структура интерферона-бета (PDB 1AU1) (рис.3*)

Наиболее известные препараты для борьбы с РС на основе интерферона бета-1 это Ребиф (Serono Farma Int, Италия), Авонекс (Biogen, Нидерланды); Генфаксон, (Тютор, Аргентина). Однако в настоящее время последние клинические испытания в США проходит препарат (пероральный) для лечения РС, основанный на интерфероне-тау, существенной особенностью которого является то, что он отличается большей стабильностью и практически не дает типичных для интерферонов побочных эффектов (4).

Основной вид биологического действия – противовирусная активность.

Комплекс интерферон-бета – рецептор интерферона IFNAR1 (PDB 3WCY) (рис.4*)

Интерферон-омега

Интерферон-омега (чаще всего это кодируемое несколькими генами семейство близкородственных белков) обладает множеством общих признаков именно с интерферонами-альфа: лейкоциты как основные продуценты; высокий уровень гомологии аминокислотных последовательностей; взаимодействие с одним и тем же рецептором (I типа); сходный спектр действия и уровень антивирусной активности. Интерферон-омега человека был открыт в 1985 году независимо друг от друга тремя разными группами исследователей (5,6,7). В силу упомянутого выше структурного и функционального сходства его с интерфероном-альфа первой группой авторов исходно было предложено рассматривать его как подкласс ИФН-альфа (альфа субтипа II). Однако в дальнейшем были определены существенные различия между этими формами, главными из которых являются различный механизм взаимодействия с рецептором (связывание с разными его участками), приводящее к запуску разных сигналов и, главное, - различия в антигенной природе, в результате которых антитела к интерферону-альфа не блокируют активности интерферона-омега.

Рекомбинантный ИФН-омега человека был предложен и успешно применен для лечения многих заболеваний человека: различных вирусных инфекций, в частности СПИДа, герпетических инфекций, атипичной пневмонии, гепатитов В и С, а также разнообразных форм рака. Особо следует отметить успех применения ИФН-омега в условиях неэффективности лечения ИФН-альфа, в частности когда у пациента имеется исходно или приобретается в результате длительного предыдущего лечения альфа-формой резистентность к препарату. «Запуская» другие, отличные от альфа-интерферона сигналы, ИФН-омега оказывается функциональным там, где действие альфа-формы заторможено.

Гамма-интерферон

Гамма-интерферон занимает особое положение в семействе интерферонов не только в связи с тем, что имеет собственный рецептор на поверхности клеток, но и по совокупности функциональных особенностей, сближающих его с некоторыми интерлейкинами. Хотя гамма-интерферон был открыт по способности оказывать противовирусный эффект, в дальнейшем выяснилось, что он, как и другие, представляет собой плейотропный лимфокин, обладающий множественным действием, которое он оказывает, главным образом, на рост и дифференцировку разных типов клеток, связанных с природным иммунитетом: гамма-интерферон индуцирует дифференцировку миелоидных клеток , в результате чего они приобретают функциональные свойства более зрелых моноцитов; стимулирует экспрессию антигенов главного комплекса гистосовместимости (ГКГС) класса II и ГКГС класса I, является мощным активатором макрофагов, которые уничтожают проникшие в клетку антигенные молекулы и формы. Имея все три типичные для интерферонов функции, этот вид интерферона реализует их преимущественно через иммунный механизм. Отсюда его бытовое название – «иммунный интерферон».

Кристаллическая структура интерферона-гамма (PDB 1HIG) (рис.5*)

Клетками-продуцентами эндогенного гамма-интерферона являются Т-хелперы (СD4), клетки иммунологической памяти (СD45РА), Т-киллеры (СD8), NК-клетки (СD16, CD56), дендритные клетки (CD23, СD35), В-лимфоциты (СD22, СD23), которые синтезируют определенные его уровни и в отсутствии вирусного заражения. И у человека, и у всех животных гамма-интерферон кодируется единственным геном и представляет собой белок, характеризующийся высокой видовой специфичностью. Гамма-интерферон широко применяют для лечения инфекционных, онкологических, аутоиммунных и аллергических заболеваний. К числу наиболее известных препаратов, содержащих его в качестве активного начала, относятся препараты c рекомбинантным IFN-гамма1b Immukin (Boehringer, Германия) и Actimmune (InterMune Pharm.,США), а также российский Ингарон (Фармаклон, Россия).

Основная функция - активация макрофагов, усиление Т-хелперного ответа Th1-типа, индукция экспрессии антигенов главного комплекса гистосовместимости типа II на антигенпрезентирующих клетках. Кроме того, интерферон гамма проявляет противовирусную и антипролиферативную (противоопухолевую) активность.

Комплекс интерферона-гамма с своим рецептором. (PDB 1FG9) (рис.6*)

Лямбда-интерфероны

Лямбда-интерфероны были открыты в 2003 г. Первоначально они были отнесены к интерлейкинам и определены как ИЛ-29 (теперь ИФН-лямбда1), ИЛ-28A (теперь ИФН-лямбда2) и ИЛ-28B (теперь ИФН-лямбда3). Позднее была открыта четвертая форма – ИФН-лямбда4, которая экспрессируется в небольшом количестве и определена как результат сдвига рамки считывания в гене лямбда 3. В силу особенностей структуры и наличия собственного рецептора ИФН-лямбда выделены в самостоятельный, третий (III) тип интерферонов.

Несмотря на то, что интерфероны-альфа и интерфероны-лямбда связываются с различными рецепторами, они запускают один и тот же каскад реакций фосфорилирования Jak-STAT и в конечном итоге модулируют активность одной и той же группы интерферон-стимулируемых генов (ISGs), что приводит к сходному ответу клеток. В результате проведенных многочисленных исследований было установлено, что класс лямда-интерферонов в организме не является «избыточным» по отношению к альфа-интерферонам, поскольку они имеют и разную тканеспецифичность, и разное отношение к различным видам вирусного заражения. Главным выводом из этой серии работ следует считать то, что уникальным назначением интерферонов III класса является защита кожи, легких и ЖКТ от действия вирусов, преимущественно относящихся к семейству ротавирусов.

Механизм действия

Результатом связывания молекулы интерферона с клеточным рецептором является активирование в клетке так называемых «сигнальных путей» - сложных комплексов взаимосвязанных реакций фосфорилирования с участием многочисленных, в том числе сопряженных с рецепторами, протеинкиназ. Каскад фосфорилирования приводит к активации множества белковых факторов, в частности, факторов транскрипции STAT. Активированные факторы транскрипции перемещаются в ядро и воздействуют на транскрипцию определенных генов, в большинстве своем прямо или косвенно связанных с процессом синтеза белка.

Помимо влияния на гены, связанные с процессом трансляции, интерфероны способны активировать сотни других генов (они известны как ISGs - гены, стимулируемые интерфероном), играющих роль в защите клетки от вирусов. Так, например, путём активации белка p53, который включает механизм апоптоза инфицированной клетки, интерфероны лимитируют распространение вирусных частиц.

Вторым направлением действия интерферонов является стимуляция клеток иммунной системы. В частности интерфероны повышают синтез молекул главного комплекса гистосовместимости (ГКГС) I и II классов и активируют иммунопротеасому, которая осуществляет процессинг вирусных пептидов. Высокий уровень молекул ГКГС II класса обеспечивает презентацию вирусных антигенов Т-хелперам, которые выделяют цитокины, координирующие активность других клеток иммунной системы. Некоторые виды интерферонов способны и непосредственно стимулировать клетки иммунной системы, такие как макрофаги и натуральные киллеры.

Очевидно, что одновременное использование интерферонами множества клеточных (биохимических, молекулярно-биологических и иммунных) механизмов для реализации их функций, обеспечивает чрезвычайно высокую эффективность действия этих агентов в реализации любой из трех основных функций.

Вместе с тем, «включение» под действием интерферонов большого числа разнонаправленных биохимических реакций повышает возможность возникновения непредсказуемых и не всегда благоприятных для организма воздействий (побочных эффектов). Действительно, как показывает практика применения различных препаратов интерферона, во время курса лечения нередко наблюдаются побочные эффекты со стороны центральной нервной и сердечно-сосудистой систем, желудочно-кишечного тракта, органов кроветворения и органов чувств. В частности со стороны органов чувств могут развиваться ишемическая ретинопатия, паралич нервов, значительное нарушение зрения. Со стороны кожи возможны крапивница, зуд, жжение, сухость, фурункулез, а также различные сыпи кожного покрова.

Были отмечены случаи неврологических и психопатологических нарушений, в том числе интерферон-индуцированные депрессии. Считается, что в большинстве случаев побочные эффекты возникают при парентеральном применении, однако их развитие возможно и в случаях применения свечей, мази и других фармацевтических форм, особенно в случае длительных курсов лечения. Из сказанного следует, что при использовании лекарственных препаратов на основе интерферонов для лечения людей и животных особое внимание должно уделяться тщательному изучению их в плане действующих концентраций, кратности и форм применения.

Литература

1. de Weerd, et al. (2007) J Biol Chem.2007 Jul 13;282(28), 20053-20057 (.pdf)
2. Taira et al. (2005) J. Vet. Med. Sci. 67(10), 1059-1062 (.pdf)
3. R.M.Roberts, L.Liu, A.Alexenko (1997) Nucl. Acids Res. Mol. Biol. 56, 287-325
4. Nagaya et al. (2004) J.Med.Vet. Sci., 66(11), 1395-1401 (.pdf)
5. Capon, D. J., et al. (1985) Mol. Cell. Biol., 1985, 5: 768-779 (.pdf)
6. Feinstein, S. et al. (1985) Mol. Cell. Biol., 1985, 5:510-517 (.pdf)
7. Hauptmann and Swetly, Nucleic. Acids Res., 1985, 13: 4739-4749(.pdf)

*
рис.1. Image from the RCSB PDB (www.rcsb.org) of PDB ID 3SE3 (Thomas, C., Moraga, I., Levin, D., Krutzik, P.O., Podoplelova, Y., Trejo, A., Lee, C., Yarden, G., Vleck, S.E., Glenn, J.S., Nolan, G.P., Piehler, J., Schreiber, G., Garcia, K.C. (2011) Structural linkage between ligand discrimination and receptor activation by type I interferons. Cell(Cambridge,Mass.) 146: 621-632).

рис.2. Image from the RCSB PDB (www.rcsb.org) of PDB ID 1B5L (Radhakrishnan, R., Walter, L.J., Subramaniam, P.S., Johnson, H.M., Walter, M.R. (1999) Crystal structure of ovine interferon-tau at 2.1 A resolution. J.Mol.Biol. 286: 151-162).

рис.3. Image from the RCSB PDB (www.rcsb.org) of PDB ID 1AU1 (Karpusas, M., Nolte, M., Benton, C.B., Meier, W., Lipscomb, W.N., Goelz, S. (1997) The crystal structure of human interferon beta at 2.2-A resolution. Proc.Natl.Acad.Sci.USA 94: 11813-11818).


рис.4. Image from the RCSB PDB (www.rcsb.org) of PDB ID 3WCY (de Weerd, N.A., Vivian, J.P., Nguyen, T.K., Mangan, N.E., Gould, J.A., Braniff, S.J., Zaker-Tabrizi, L., Fung, K.Y., Forster, S.C., Beddoe, T., Reid, H.H., Rossjohn, J., Hertzog, P.J. (2013) Structural basis of a unique interferon beta signaling axis mediated via the IFNAR1 receptor.).

рис.5. Image from the RCSB PDB (www.rcsb.org) of PDB ID 1HIG (Ealick, S.E., Cook, W.J., Vijay-Kumar, S., Carson, M., Nagabhushan, T.L., Trotta, P.P., Bugg, C.E. (1991) Three-dimensional structure of recombinant human interferon-gamma. Science 252: 698-702).

рис.6. Image from the RCSB PDB (www.rcsb.org) of PDB ID 1FG9 (Thiel, D.J., le Du, M.H., Walter, R.L., D'Arcy, A., Chene, C., Fountoulakis, M., Garotta, G., Winkler, F.K., Ealick, S.E. (2000) Observation of an unexpected third receptor molecule in the crystal structure of human interferon-gamma receptor complex. Structure Fold.Des. 8: 927-936).