Integryny

Integryny to białka związane z błoną komórkową. Należą do grupy cząsteczek adhezyjnych (ang. cell adhesion molecules, CAM). Pełnią funkcję receptorów transbłonowych. Odbierają i przekazują sygnały biochemiczne i mechaniczne przez błonę komórkową na drodze dwukierunkowej. Wpływają również na zachowanie struktury cytoszkieletu. Integryny odgrywają ważną rolę w procesach fizjologicznych (embriogenezie, wzroście i rozwoju tkanek). Zmiany w ich ilości i działaniu mogą wpływać na rozwój chorób alergicznych, zapalnych i nowotworowych. Dokładne poznanie aktywności integryn może się przyczynić do powstania nowych metod diagnozowania i immunoterapii.

1. Historia odkrycia integryn

Historia odkrycia integryn rozpoczęła się w latach 70. XX wieku, kiedy prowadzono badania nad procesami adhezji komórek. Naukowcy zauważyli, że komórki transformowane wirusem rosły znacznie szybciej niż komórki nietransformowane. Chcąc znaleźć integralne białko błonowe zaangażowane w kontrolę wzrostu, Richard Hynes wraz z zespołem badali różnice molekularne między powierzchniami niezłośliwych i transformowanych komórek nowotworowych. Odkryli oni, że transformowane komórki miały zmniejszoną ekspresję dużego zewnętrznego białka, które nazwali białkiem LETS (ang. large external transformation sensitive). Dodanie oczyszczonego białka LETS do transformowanych komórek znacząco wpłynęło na ich adhezję, morfologię i migrację. Richard Hynes wykazał również, że białko LETS wpływa na cytoszkielet, a fibryle aktynowe układają się liniowo na całej powierzchni komórki. [13-15]

W tym samym czasie Erkki Ruoslahti i jego zespół prowadzili badania mające na celu wyizolowanie specyficznych białek powierzchniowych ze zdrowych komórek i z komórek nowotworowych. Podejrzewali bowiem, że komórki zdrowe zawierają inne białka powierzchniowe niż komórki nowotworowe. Wykorzystując przeciwciała wytworzone przeciwko białkom uwalnianym z powierzchni fibroblastów zarodkowych, zidentyfikowali polipeptyd nieobecny w fibroblastach transformowanych wirusem. Erkki Ruoslahti i jego współpracownicy wykazali, że wyizolowane przez nich białko, początkowo nazwane białkiem powierzchni fibroblastów (ang. fibroblast surface, SF), pośredniczy w przywieraniu komórek do powierzchni śródbłonka. [16,17] Późniejsze badania wykazały, że białko SF i białko LETS to w rzeczywistości ta sama proteina. Kilka lat później Erkki Ruoslahti zmienił jej nazwę na fibronektynę. [13,16]

W następnych latach oba zespoły pracowały nad wyizolowaniem receptora specyficznego dla fibronektyny. Prowadząc niezależne badania znaleźli oni receptory dla fibronektyny na powierzchni komórek nabłonkowych, fibroblastów i płytek krwi. [18] Następnie grupa pod kierownictwem Hynesa skutecznie sklonowała i zsekwencjonowała jedną z podjednostek receptora fibronektyny. Okazało się, że jest to białko transbłonowe. Badacze nazwali je „integryną” od integralnego białka błonowego łączącego ECM z cytoszkieletem. [22]

W tym samym czasie amerykański immunolog Timothy Springer prowadził badania nad cząsteczkami adhezyjnymi leukocytów. Odkrył i scharakteryzował receptory dla integryny na leukocytach, a także zidentyfikował białka odgrywające kluczową rolę w eliminacji komórek nowotworowych przez cytotoksyczne limfocyty T. Badania Hynesa, Ruoslahtiego i Springera zrewolucjonizowały wiedzę na temat białek adhezyjnych. Pomogły w lepszym zrozumieniu mechanizmów komórkowych i umożliwiły rozwój terapii chorób o podłożu zapalnym. [18]

2. Budowa integryn

Integryny są heterodimerycznymi glikoproteinami zbudowanymi z dwóch łańcuchów: α i β. W genomie człowieka znanych jest 18 genów kodujących podjednostkę α oraz 8 genów kodujących podjednostkę β. Dodatkowa zmienność jest zapewniana przez usunięcie intronów i połączenie eksonów z prekursorowego mRNA kodujących podjednostki integrynowe. Kombinacja białek wchodzących w skład określonej integryny determinuje powinowactwo tego receptora do różnych ligandów. [19] Łańcuchy polipeptydowe aneksyn połączone są ze sobą wiązaniami niekowalencyjnymi. Mogą stworzyć aż 24 kombinacje różnych heterodimerów. [1] Głowa szkieletu białkowego oparta jest na dwóch odnogach, które przechodzą w domenę transbłonową. [2]

Łańcuch α ma strukturę β-śmigła, składającego się z siedmiu motywów β-kartki. Są one połączone z odnogami za pomocą domen calf-1 i calf-2. Ułatwia to utrzymanie prawidłowej struktury integryny. Ostatnie 3 lub 4 części β-śmigła zawierają domeny, które wiążą jony wapnia. [3] Łańcuch β zbudowany jest natomiast z domeny βI zawierającej jony magnezu, domeny hybrydowej i domeny białkowej z rodziny pleksyn, semaforyn lub integryn (ang. plexin, semaphorin, integrin domain, PSI) oraz czterech naskórkowych czynników wzrostu bogatych w cysteinę (ang. epidermal growth factor, EGF). [3] Interakcje między podjednostkami α i β zachodzą najczęściej w obrębie części głowowej szkieletu. [2] W miejscu interakcji może się tworzyć tzw. motyw wiązania typu RGD (ang. arginyl-glycyl-aspartic acid), który polega na tym, że do integryny przyłącza się pochodząca od liganda sekwencja aminokwasowa arginina-glicyna-kwas asparaginowy. [12]

Cząsteczka integryny jest bogata w reszty cysteinowe, które tworzą mostki disiarczkowe. Mostki disiarczkowe biorą udział w składaniu pełni funkcjonalnych cząsteczek białka z odpowiednich prekursorów. Dopiero dojrzałe cząsteczki integryn o prawidłowej strukturze przestrzennej są bowiem transportowane na powierzchnię komórek. Przekształcenie integryny z jednej formy w drugą jest poprzedzone reorganizacją wiązań disiarczkowych wewnątrz jej cząsteczki. Reakcję tę katalizuje izomeraza disiarczkowa (ang. protein disulfide isomerase, PDI). Przekształcenie integryny do jej aktywnej formy umożliwia wiązanie ligandu. [4]

3. Podział integryn

Integryny dzieli się na kilka grup w zależności od rodzaju przyłączanego ligandu. Wyróżnia się:

• integryny przyłączające lamininę (α1β1, α2β1, α3β1, α6β1, α7β1, α6 β4)
• integryny przyłączające kolagen (α1β1, α2β1, α3β1, α10β1, α11β1)
• integryny leukocytarne (αLβ2, αMβ2, αXβ2, αDβ2)
• integryny rozpoznające sekwencję peptydową RGD (α5β2, αvβ1, αvβ3, αvβ5, αvβ6, αvβ8, αIIbβ3) [4]

Przynależność do danej grupy uwarunkowana jest połączeniem łańcucha β z różnymi wariantami łańcucha α. [4] Każda z podjednostek β może utworzyć heterodimeryczny receptor z różnymi podjednostkami α. Wyjątkiem jest podjednostka αv, która wiąże kilka różnych podjednostek β, np.: αvβ1, αvβ3, αvβ5, αvβ6. [6,7]

4. Występowanie integryn

Integryny występują na wielu komórkach układu immunologicznego. Eozynofile wykazują obecność integryn typu α4β1 i α6β1, a bazofile zawierają na swojej powierzchni integryny z grupy α4β1 i α5β1. Mastocyty cechują się obecnością integryn α3β1, α4β1 i α5β1. Neutrofile zawierają zaś wszystkie integryny β1 z wyjątkiem α4β1. Natomiast integryny β2 są obecne na błonach komórkowych wszystkich populacji limfocytów T. [8] Integryny występują także na płytkach krwi i na powierzchni komórek śródbłonka naczyń. [4]

5. Działanie integryn

Na aktywność integryn wpływają liczne czynniki. Zalicza się do nich: hormony, cytokiny, mediatory reakcji zapalnej, składniki układu dopełniacza, aktywne formy tlenu, endotoksyny lub związki farmakologicznie czynne. Zmiana ekspresji receptorów integrynowych najczęściej odbywa się na poziomie transkrypcji. [6,8] Do prawidłowego funkcjonowania integryn niezbędne są jony magnezu i wapnia. Jony magnezu aktywują procesy adhezyjne. Natomiast jony wapnia, w zależności od stężenia, mogą wpływać hamująco lub stymulująco na transport sygnałów przez błonę. Wysoki poziom jonów wapnia hamuje adhezję. Natomiast ich niewielka ilość, w towarzystwie dużej ilości jonów magnezu, stymuluje połączenie ligandu z cząsteczką integryny. [5] Ligandami integryn są też receptory przeciwstawne z rodziny immunoglobulinopodobnych cząsteczek adhezyjnych (ang. cell adhesion molecules, CAM). Należą do nich cząsteczki adhezji międzykomórkowej 1 (ang. intercellular adhesion molecule 1, ICAM-1) i cząsteczki adhezyjne komórek naczyniowych 1 (ang. vascular cell adhesion molecule 1, VCAM-1). Występują one m.in. na powierzchni komórek śródbłonka. Ich połączenia charakteryzują się dużą siłą wiązania. [9]

6. Funkcje integryn

6.1. Tworzenie połączeń adhezyjnych

Integryny biorą udział w wiązaniu się komórek z macierzą pozakomórkową (ang. extracellular matrix, ECM). Wiążą lamininę, fibronektynę, witronektynę, kolagen i inne białka macierzy pozakomórkowej. [8,9] Jednym z rodzajów połączeń integrynowych jest tzw. przyczep ogniskowy (ang. focal adhesion). Polega on na tym, że zewnątrzkomórkowa domena integryny wiąże się z białkami ECM (np. fibronektyną), a jej część cytoplazmatyczna pozostaje związana z filamentami aktynowymi. W wiązaniu z filamentami biorą udział białka kotwiczące: talina, paksylina, winkulina i α-aktynina. Innym typem połączeń integrynowych są hemidesmosomy. Wiążą one komórkę do błony podstawnej. Hemidesmosomy łączą się z cytoszkieletem komórki (filamentami pośrednimi) za pomocą pochodnych desmoplakiny. Pełnią ważną funkcję w agregacji i przyleganiu komórek do śródbłonka, a także w tworzeniu kompleksów płytkowo-leukocytarnych. [19]

6.2. Udział w procesach zapalnych

bardzo ważnym elementem procesów zapalnych jest zdolność leukocytów do przechodzenia przez ścianę naczyń krwionośnych. Jest to możliwe dzięki integrynom. Dają one bowiem leukocytom zdolność do przylegania leukocytów do powierzchni śródbłonka naczyniowego. Proces ten zachodzi dzięki wiązaniu integryn β2, obecnych na błonach komórkowych leukocytów, z receptorami ICAM-1 i VCAM-1 znajdującymi się na komórkach śródbłonka. Integryny β2 uczestniczą także w migracji komórek zapalnych, zwłaszcza w przypadku zakażeń bakteriami gram-ujemnymi i pod wpływem interleukiny-1 (IL-1). Natomiast w przypadku zakażeń bakteriami gram-dodatnimi migracja komórek odpornościowych odbywa się niezależnie od działania integryn. [10,21]

W patofizjologii układowej odpowiedzi zapalnej szczególne znaczenie mają integryny αLβ2 i αMβ2. Ich ekspresja na powierzchni komórek jest stymulowana przez elementy układu dopełniacza, interleukinę 8 (IL-8) oraz niektóre leukotrieny. Te czynniki powodują migrację integryn z wewnątrzkomórkowych organelli, takich jak ziarnistości neutrofilów, na powierzchnię komórek. Proces fuzji ziarnistości z błoną komórkową prowadzi do zwiększenia liczby receptorów integrynowych na powierzchni granulocytów, co odgrywa istotną rolę w odpowiedzi zapalnej. [21]

6.3. Transdukcja sygnału

Integryny są receptorami błonowymi przenoszącymi informacje na temat komórki i jej otoczenia. Ligandami dla integryn w transdukcji sygnału są: fibronektyna, witronektyna, kolagen oraz laminina. Integryny wraz z błonowymi receptorami kinaz tyrozynowych (ang. receptor tyrosine kinase, RTK) determinują odpowiedź komórki na procesy proliferacji i migracji. Brak wiązań receptorów integrynowych z ligandami indukuje zaś szlak sygnałowy prowadzący do apoptozy. [19] Integryny uczestniczą też w procesie mechanotransdukcji. [6] Zjawisko to polega na przetwarzaniu czynnika mechanicznego w sygnały elektryczne i chemiczne. Zachodzi ono na poziomie komórkowym i wywołujące szereg różnorodnych reakcji komórkowych. [11]

6.4. Udział w migracji komórek

Integryny uczestniczą w procesach migracji komórek. Tworzą charakterystyczne punkty zakotwiczenia komórki do macierzy zewnątrzkomórkowej, niezbędne do jej przemieszczania się. Wypustka cytoplazmy zwrócona w kierunku ruchu komórki (lamelipodium) tworzy cienkie palczaste wypustki (filopodia), które łączą się z podłożem za pomocą połączeń integrynowych. Powoduje to naprężenie cytoszkieletu, oderwanie się tylnego fragmentu komórki od macierzy komórkowej i depolimeryzację filamentów aktynowych (retrakcję). [19]

Integryny uczestniczą w migracji m.in. komórek grzebieni nerwowych. Komórki te przemieszczają się w odległe miejsca, tworząc obwodowy układ nerwowy, ciała przyzwojowe i zwoje czuciowe (w tym także zwoje nerwów czaszkowych). Uczestniczą także w powstawaniu melanocytów, komórek chromafinowych nadnerczy i chrzęstnych elementów kości czaszki. Migrację umożliwia ekspresja czynników transkrypcyjnych typu Snail1 i Snail2, które wyciszają fenotyp nabłonkowy i promują fenotyp mezenchymalny. Komórki grzebieni nerwowych wchodzą w interakcje ze składnikami macierzy pozakomórkowej, takimi jak fibronektyna, laminina czy kolagen. W procesie tym pośredniczą receptory integrynowe znajdujące się na migrujących komórkach. Natomiast podanie przeciwciał przeciw integrynom hamuje migrację komórek nerwowych. [24]

7. Wpływ integryn na funkcjonowanie układu nerwowego

Integryny odgrywają kluczową rolę w funkcjonowaniu układu nerwowego. Są obecne zarówno na neuronach, jak i na komórkach glejowych, gdzie pełnią różnorodne funkcje, od rozwoju neuronalnego po odpowiedzi immunologiczne. Wpływają na plastyczność synaptyczną, funkcjonowanie astrocytów oraz procesy mielinizacji. Ich zdolność do pośredniczenia w interakcjach międzykomórkowych i modulacji odpowiedzi komórkowych czyni je kluczowymi regulatorami procesów neurologicznych. Zrozumienie mechanizmów działania integryn może przyczynić się do opracowania nowych strategii terapeutycznych w leczeniu chorób neurodegeneracyjnych i zaburzeń neurologicznych. [26-28]

7.1. Udział integryn w rozwoju mózgu

Jednym z kluczowych elementów rozwoju mózgu jest prawidłowe formowanie się warstw korowych. Podjednostka β1 integryny, która jest najliczniej występującym przedstawicielem tej rodziny, odgrywa centralną rolę w tym procesie. Badania na myszach wykazały, że usunięcie β1 integryny w okresie embrionalnym prowadziło do poważnych nieprawidłowości pracy mózgu, takich jak wady laminacji korowej i nieprawidłowa przebudowa błony podstawnej opon mózgowych. W szczególności szlak Notch–R-Ras–β1 oraz interakcje między integrynami a białkiem reeliną są kluczowe dla prawidłowej migracji neuronów i ekspansji wielkości mózgu ssaków. Reelina, jako regulator rozwoju kory mózgowej, aktywuje integrynę α5β1, co pozwala na właściwą lokalizację migrujących neuronów w rozwijającej się korze mózgowej. [26-28]

7.2. Rola integryn w plastyczności synaptycznej

Plastyczność synaptyczna to zdolność synaps do modyfikacji swojej siły w odpowiedzi na bodźce. Jest kluczowa dla procesów uczenia się i pamięci. Szczególnie ważne w stabilizacji połączeń synaptycznych są integryny β1. Uczestniczą one w kształtowaniu długotrwałego wzmocnienia synaptycznego (ang. long-term potentiation, LTP). Ich interakcje z ligandami zewnątrzkomórkowymi oraz modulacja cytoszkieletu aktynowego w kolcach dendrytycznych są kluczowe dla utrzymania stabilności synaptycznej. Ważną rolę odgrywają również integryny β3, które uczestniczą w dostrajaniu sieci neuronalnych, regulują dynamiczne interakcje w synapsach, wpływając na dostarczanie receptorów AMPA do powierzchni synaptycznej i siłę synaptyczną. Mają one również związek z zachowaniami lękowymi i zaburzeniami ze spektrum autyzmu, co czyni je potencjalnym celem terapeutycznym. [26,28]

7.3. Integryny a funkcje astrocytów

Astrocyty to najliczniejsza populacja komórek glejowych w ośrodkowym układzie nerwowym. Komórki te odgrywają kluczową rolę w utrzymaniu homeostazy mózgu. Na powierzchni astrocytów znajdują się takie integryny, jak αvβ3 i αvβ5. Regulują one funkcje komórek poprzez interakcje z wieloma białkami ECM. Na przykład interakcja między αvβ3 a antygenem Thy-1 moduluje komunikację astrocytów z neuronami, co ma znaczenie dla procesów naprawy mózgu po urazach. Dodatkowo integryny te uczestniczą w procesach takich jak tworzenie bariery krew-mózg (ang. blood brain barier, BBB) oraz reakcje astrocytów na uszkodzenia mózgu, co może wpływać na przepuszczalność BBB i procesy naprawcze w tkance nerwowej. [26,28]

7.4. Znaczenie integryn w procesach mielinizacji

Mielinizacja, czyli proces tworzenia osłonek mielinowych wokół aksonów, jest niezbędna dla prawidłowego przekazywania sygnałów nerwowych. Kluczową rolę w tym procesie odgrywają integryny β1 umieszczone na powierzchni komórek glejowych. Integryny α6β1 regulują morfologię oligodendrocytów i promują formowanie się arkuszy mielinowych. Ponadto różne podjednostki integryn, m.in. αvβ3 i αvβ5, pełnią ważne funkcje w różnych fazach rozwoju oligodendrocytów, co wpływa na proces mielinizacji i funkcjonowanie układu nerwowego. [26]

8. Udział integryn w patofizjologii wybranych chorób

8.1. Uszkodzenia tkanek

Uszkodzenia tkanek wiążą się ze zmianami w układzie nerwowym, a długotrwałe zmiany w sieciach nocyceptywnych mogą przyczyniać się do nieprawidłowej adaptacji, której następstwem jest przewlekły ból. Uszkodzeniom tkanek często towarzyszą zmiany w otaczającej macierzy zewnątrzkomórkowej, w której umiejscowione są obwodowe zakończenia nocyceptorów. Na skutek zmian czynności komórek dochodzi do wzrostu aktywności integryn i metaloproteinazy macierzy pozakomórkowej (ang. matrix metalloproteinases, MMP). Integryny modulują wymianę informacji związaną z przeczulicą bólową pomiędzy komórkami w odpowiedzi na uszkodzenie tkanki i regulują komunikację pomiędzy wtórnymi przekaźnikami sygnału. Natomiast MMP odgrywają bezpośrednią rolę w odpowiedzi nocyceptywnej. Wykazano, że podawane obwodowo przeciwciała monoklonalne przeciwko określonym podjednostkom integryny blokują w sposób zależny od dawki przeczulicę bólową wywołaną zapaleniem. [25]

8.2. Astma oskrzelowa

Główną przyczyną astmy oskrzelowej jest przewlekły proces zapalny. W rozwoju i podtrzymywaniu stanu zapalnego uczestniczą integryny, głównie integryny typu α1β1 i α1β2. Podczas ataku astmy oskrzelowej uwalniane są eozynofile. Biorą one udział m.in. w formowaniu się nacieku zapalnego. Integryny aktywują uwalnianie eozynofilów z łożyska naczyniowego. Ponadto u pacjentów zmagających się z atmą zastosowanie antagonistów integryny blokowało adhezję eozynofilów do kolagenu. [20]

8.3. Schorzenia narządu wzroku

Integryny pełnią istotną rolę w prawidłowym rozwoju oka i utrzymaniu jego homeostazy, a także w rozwoju procesów patologicznych. W przypadku uszkodzeń rogówki z nabłonka uwalniane są komórki układu odpornościowego (m.in. neutrofile i limfocyty), które migrują do miejsca urazu wzdłuż sieci keranocytów. Proces ten zachodzi w obecności integryn. W obszarze uszkodzenia dochodzi do zagęszczenia komórek odpornościwych. Interakcje keranocytów i integryn odgrywają ważną rolę w prawidłowym gojeniu się ran. [23]

Integryny są również zaangażowane w rozwój chorób oczu, takich jak zespół suchego oka czy związane z wiekiem zwyrodnienie plamki żółtej. Blokowanie działania integryn może łagodzić objawy tych schorzeń, na przykład poprzez zmniejszenie stanu zapalnego. W przypadku zespołu suchego oka zablokowanie działania integryn zmniejsza migrację komórek zapalnych do powierzchni oka, co prowadzi do zmniejszenia objawów. Integryny mają również istotne znaczenie w reakcjach alergicznych oka. Gdy dochodzi do alergii, mediatory zapalne aktywują integryny, co powoduje migrację komórek zapalnych do miejsca reakcji, wywołując objawy takie jak zaczerwienienie, pieczenie czy świąd oczu. [23]

8.4. Schorzenia układu nerwowego

Integryny odgrywają istotną rolę w powstawaniu i rozwoju wielu schorzeń neurologicznych, takich jak stwardnienie rozsiane (SM), udary mózgu i choroba Alzheimera (AD). W stwardnieniu rozsianym leukocyty (limfocyty T, limfocyty B) przekraczają BBB do ośrodkowego układu nerwowego poprzez interakcję między integrynami i VCAM-1/ICAM-1. Silnie oddziałują z białkami zlokalizowanymi na powierzchni śródbłonka, a dodatkowa aktywność leukocytów w OUN powoduje stan zapalny, uszkodzenie neuronów i rozległą demielinizację. Prowadzi to do rozwoju objawów SM. [26]

W przypadku udarów mózgu dochodzi do wiązania ECM z komórkami śródbłonka. W procesie tym pośredniczą integryny β1. Ma to na celu utrzymanie integralności kompleksów białkowych pomiędzy połączeniami ścisłymi (ang. tight junctions, TJs) a barierą krew-mózg. Podczas udaru niedokrwiennego kompleksy TJ są rozrywane, a leukocyty przekraczają BBB do OUN i indukują zapalenie tkanki nerwowej. Ponadto dochodzi do aktywacji płytek krwi, które ulegają agregacji przez integriny, oraz zachodzi wiązanie fibrynogenu, co ostatecznie prowadzi do zakrzepicy. [26,28]

W chorobie Alzheimera białka dopełniacza C3 z integrynami na powierzchni mikrogleju prowadząc do uszkodzeń synaps i ich fagocytowania. Dodatkowo zwiększają przyczepność neutrofilów do komórek śródbłonka bariery krew-mózg. Nacieki neutrofilowe w mózgu nasilają aktywność komórek mikrogleju i zwiększają stan zapalny, co ostatecznie przyczynia się do postępu uszkodzenia ośrodkowego układu nerwowego i pojawiania się objawów choroby Alzheimera. [26,28]