Молекулярная биология, 2023, T. 57, № 1, стр. 3-9

ВВЕДЕНИЕ

Интерлейкин-11 (IL-11, он же AGIF) – белок, который относится к семейству IL-6-подобных цитокинов, впервые выделили в 1990 г. из фиброцитоподобных стромальных клеток костного мозга [1]. Первоначально показали, что IL-11 играет важную роль в процессах кроветворения, особенно в созревания мегакариоцитов [1]. В дальнейшем выявили участие этого цитокина и в других процессах.

IL-11 либо самостоятельно, либо вместе с другими цитокинами (IL-3, IL-4, IL-7, IL-12, IL-13, SCF, Flt-3 и GM-CSF) стимулирует гемопоэз мегакариоцитов, участвует в созревании В-клеток и активации Т-клеток, в пролиферации синовиальных фибробластов [1–3]. Кроме того, обнаружены негемопоэтические эффекты IL-11. Например, IL-11 обладает противовоспалительной активностью и оказывает защитное действие на эпителий слизистой оболочки желудочно-кишечного тракта и дыхательных путей [4]. Высокий уровень экспрессии IL-11 в дыхательных путях наблюдается при вирусиндуцированной бронхиальной астме, а сверхэкспрессия приводит к ремоделированию дыхательных путей у мышей, воспалению и к появлению симптомов, сходных с симптомами астмы [5]. Передача сигналов от IL-11 имеет решающее значение для Th2-опосредованного воспалительного ответа в легких, а ингибирование передачи сигналов IL-11 снижает активацию провоспалительных путей [6]. Таким образом, регуляцию путей передачи сигналов от IL-11 можно рассматривать как потенциальную терапевтическую мишень при заболеваниях легких. Другая широко известная функция IL-11 – способность ингибировать адипогенез (отсюда второе название этого цитокина – AGIF, adipogenesis inhibitory factor) [7].

Получены многочисленные данные о том, что IL-11 вовлечен в процессы нейрогенеза [8], нейровоспаления и нейродегенерации [3, 4, 9–12]. За последние годы показано, что IL-11 вовлечен в развитие патологических состояний нервной системы. Роль IL-11 при болезни Альцгеймера, аутоиммунном энцефаломиелите, рассеянном склерозе, при ишемическом повреждении головного мозга и других заболеваниях изучена на животных моделях. В нашем обзоре обобщены данные о вовлеченности IL-11 в молекулярные нейроиммунные механизмы при патологических состояниях нервной системы.

IL-11 И ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЕ ПУТИ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛА

IL-11 – белок с молекулярной массой ~19 кДа, предшественник которого состоит из 199 аминокислотных остатков, включая лидерный пептид из 21 остатка. Ген IL-11, состоящий из пяти экзонов и четырех интронов, расположен на хромосоме 19 человека. IL-11 человека, крысы и мыши имеет высокую степень гомологии (более 80%), обогащен остатками пролина и не содержит остатков цистеина, что означает отсутствие дисульфидных связей во вторичной структуре. IL-11, как и другие члены семейства IL-6-подобных цитокинов, имеет форму пучка из четырех α-спиралей. Во взаимодействии с рецептором участвует его С-концевая область (рис. 1) [3, 13–16].

Рис. 1.

Структура IL-11. Отмечены сайты связывания цитокина с рецепторным комплексом. Рисунок построен по данным V. Barton и соавт. [17].

IL-11 продуцируется клетками многих тканей [18]. В 1993 г. IL-11 обнаружили в нейронах гиппокампа, где он стимулирует пролиферацию прогениторных клеток, и показали тем самым его участие в процессах нейрогенеза [8]. Стало очевидным, что в головном мозге экспрессируются также компоненты рецепторного комплекса IL-11 (IL-11Rα, gp130) [3, 4, 9–12, 19–21]. Экспрессия IL-11 выявлена в обонятельной луковице, амигдале, базальных ганглиях, таламусе, среднем мозге, мосте, продолговатом мозге, гиппокампе, коре головного мозга, мозжечке [18–21]. Иммуногистохимическим методом выявлена локализация ключевого компонента рецепторного комплекса – белка gp130 (он же IL6ST) – в головном мозге крысы [19]. При этом отмечена иммунореактивность gp130 как в глиальных, так и в нейрональных клетках. Окрашивание нейронов выявило две различные картины. На одной видно преимущественное окрашивание нейропилей в структурах конечного мозга, включая гиппокамп, кору головного мозга и хвостатое ядро. На другой окрашивание наблюдалась на цитоплазматической мембране тел нейронов, преимущественно в нижнем стволе мозга, в крупных нейронах ретикулярной формации, а также в спинномозговых и черепно-мозговых мотонейронах [19]. Электронно-микроскопический анализ показал, что оба типа иммунореактивности gp130 в основном связаны с цитоплазматической мембраной, но точно не локализуются в синаптических участках [19].

С помощью РНК-seq-анализа мРНК IL-11, IL-11Rα и gp130 выявили также в различных структурах головного мозга. При этом в незначительных количествах мРНК IL-11 представлена во всех типах клеток нервной системы; мРНК IL-11Rα и gp130 в наибольшем количестве обнаружена в астроцитах, микроглии и эндотелии [20, 21].

В настоящее время отсутствуют полученные с высоким разрешением структурные данные для сигнального комплекса IL-11, хотя имеются указания на сходство структур IL-11Rα и IL-6Rα. Методом иммунопреципитации показано, что сигнальные комплексы как IL-11, так и IL-6 имеют гексамерную структуру [17]. С помощью мутагенеза на IL-11 идентифицированы сайты I, II и III (рис. 1). Показано, что во взаимодействии IL-11 с рецепторным комплексом участвуют три сайта связывания (I, II и III) (рис. 1), расположенные аналогично сайтам I, II и III в IL-6. Сайт I позволяет IL-11 связываться с IL-11R, тогда как сайты II и III опосредуют связывание с gp130 [17]. Это стало еще одним фактом в пользу предположения о том, что активные сигнальные комплексы IL-6 и IL-11 используют в целом сходный механизм [17].

Взаимодействие IL-11 с рецепторным комплексом служит сигналом к активации JAK/SHP2-зависимого пути внутриклеточной передачи сигнала. Другой путь сигналинга начинается с фосфорилирования белков STAT1 и STAT3, что ведет к изменению скорости транскрипции генов Socs3 и Smad7. Синтезируемый белок Socs3 может, в свою очередь, ингибировать активность киназы JAK. Белок Smad7 регулирует экспрессию антиапоптотических, пролиферативных и проангиогенных генов [3, 13–16]. При этом стоит отметить, что IL-11 немного длиннее, чем IL-6. Это указывает на различия в способе связывания и геометрии сигнального комплекса [22, 23], а внеклеточный домен IL-11Rα имеет более гидрофобный характер, чем IL-6Rα, что предполагает существование различий в механизмах взаимодействия цитокинов IL-11 и IL-6 с рецепторным аппаратом [24].

Цитокины, в том числе IL-11, могут продуцироваться различными клетками, тогда как рецепторные субъединицы экспрессируются в более ограниченном наборе клеток, что определяет более специфичное влияние цитокинов на отдельные популяции клеток, которые могут активироваться непосредственно IL-11 [25]. Так, gp130 экспрессируется повсеместно, при этом IL-11Rα представлен на меньшем числе клеток, хотя этот рецептор более распространен, чем IL-6R. IL-11R выявлен на многих типах клеток, включая мегакариоциты, макрофаги, Т-клетки, остеокласты, гепатоциты, эпителиальные и эндотелиальные клетки [25]. По данным РНК-seq мРНК IL-11R экспрессируется в астроцитах, микроглии и эндотелии [20, 21].

Кроме того, часть рецепторного комплекса IL-11Rα может локализоваться не только на мембране клетки, но и существовать в растворимом виде (рис. 2) [25]. Металлопротеаза ADAM10, а также сериновые протеазы, нейтрофильная эластаза и протеиназа 3 могут отщеплять эктодомен от IL-11Rα, а образовавшийся в ходе отщепления эктодомен представляет собой растворимую форму рецептора – sIL-11R (soluble IL-11R). sIL-11R проявляет биологическую активность и связывает IL-11 в межклеточном пространстве, увеличивая число типов клеток, которые могут активироваться IL-11, но не экспрессируют собственный мембранный рецептор IL-11Rα. Такой путь передачи сигнала может реализовываться нейронами головного мозга, в которых на высоком уровне экспрессируется белок и мРНК gp130, но на крайне низком – мРНК IL-11Rα [20, 21].

Рис. 2.

Внутриклеточные пути передачи сигнала IL-11.

Участие IL-11 в нескольких путях внутриклеточной передачи сигнала делает его плейотропным цитокином, вызывающим порой противоположные эффекты, однако выбор сигнального пути, как это часто бывает, определяется множеством причин и в зависимости от того или иного состояния организма может усиливаться либо замедляться тот или иной внутриклеточный путь передачи сигнала. Несмотря на то, что IL-11 играет значимую роль в нервной ткани, внутриклеточные сигнальные пути этого цитокина все еще остаются неизученными и представляют интерес для дальнейших исследований.

ИНТЕРЛЕЙКИН-11 ПРИ ПАТОЛОГИЯХ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ

Показано, что IL-11 способен “корректировать” воспалительные пути в эпителиальных тканях дыхательной системы, где развиваются основные события при острой респираторной инфекции, вызываемой коронавирусом SARS-CoV-2. Рекомбинантный IL-11 используют в настоящее время для повышения числа тромбоцитов при миелодиспластическом синдроме [26]. Подтверждена эффективность и безопасность IL-11 при лимфосаркомах и солидных опухолях [27], а также при злокачественных опухолях женских половых органов [28]. Можно рассчитывать, что дальнейшее изучение IL-11 приведет к более широкому применению этого цитокина в клинической практике.

В этом разделе обобщены данные, которые показывают роль IL-11 в механизмах, связанных с развитием патологий головного мозга (табл. 1). В одном из первых исследований, проведенном на культуре клеток нейробластомы (модель болезни Альцгеймера), показано участие IL-11 в механизмах развития этой патологии [2]. При болезни Альцгеймера наблюдается отложение агрегатов β-амилоида в головном мозге, а повышенная выработка β-амилоидного пептида считается одним из ранних событий в патогенезе этого заболевания, приводящего к прогрессирующей нейродегенерации и деменции. Показано, что β-амилоид активирует L-фосфосеринфосфатазу в нейрональных клетках (клетки нейробластомы крысы B104), а IL-11 дозозависимым образом (5, 50, 100 нг/мл) ингибирует вызываемую при этом нейротоксичность. Предположили, что L-фосфосеринфосфатаза может участвовать в изменении клеточного метаболизма при болезни Альцгеймера путем усиления нейротоксичности, тогда как IL-11 может действовать через свою рецепторную систему как нейропротектор [2].

Обнаружено повышение содержания IL-11 в астроцитах и IL-11R на олигодендроцитах при рассеянном склерозе. В ходе исследований, проведенных на культурах астроцитов и олигодендроцитов, сделан вывод, что путь IL-11/IL-11R может участвовать в защите олигодендроцитов. Так, добавление рекомбинантного IL-11 (10 нг/мл) к культуре клеток спинного мозга плода человека привело к увеличению числа олигодендроцитов, повышенному ветвлению олигодендроглии, снижению апоптотической гибели клеток; кроме того, IL-11 потенцировал образование миелина [29]. В последующих исследованиях наблюдали развитие выраженного нейровоспаления в тканях спинного мозга у мышей с нокаутом гена IL-11Rα (IL-11Rα^−/− и IL-11Rα^+/−), которое характеризовалось инфильтрацией макрофагами с последующей демиелинизацией и снижением числа нервных клеток. Это данные свидетельствуют о значимости IL-11Rα в регуляции нейровоспаления [10].

Влияние экзогенного IL-11 оценивали на культуре прогениторных олигодендроцитов (OPC) крысы. Применение IL-11 повышало выживаемость клеток, уменьшая число клеток, гибнущих по пути апоптоза, и потенцируя процесс деления клеток. Кроме того, экзогенный IL-11 способен снижать активацию CD4 лимфоцитов, воздействуя на клетки CD11c++. IL-11 может регулировать продукцию эффекторных цитокинов, воздействуя на клетки CD11c++ [10]. Изучено также влияние рекомбинантного IL-11 при аутоиммунном энцефаломиелите, который моделировали у мышей. После появления признаков заболевания животным вводили рекомбинантный IL-11 в дозе 25 или 50 мкг/кг/сут. Оказалось, что IL-11 в дозе 50 мкг/кг/сут снижал тяжесть заболевания: наблюдалось снижение степени демиелинизации и потери олигодендроцитов, а также воспаления и числа CD3 лимфоцитов. Более низкие дозы IL-11 не оказывали значимого эффекта [10].

Повышение концентрации IL-11 выявлено в ликворе и сыворотке пациентов с рассеянным склерозом. Сообщается, что основным источником IL-11 в крови являются клетки CD4+, а содержание таких клеток (IL-11+CD4+) повышено у пациентов с рассеянным склерозом. Предполагается, что повышенный уровень IL-11 может индуцировать дифференцировку и пролиферацию клеток Th17, так как IL-11-индуцированная дифференцировка Th17 ингибировалась антителом к IL-11. При этом антитело к IL-6 не ингибировало дифференцировку клеток Th17, т.е. IL-11-индуцированная дифференцировка Th17 не зависит от IL-6. Участие клеток Th17 в развитии рассеянного склероза подтверждается результатами нескольких исследований. Клетки Th17 человека служат источником эффекторных цитокинов IL-17A, IL-17F, IL-21, IL-22 и TNF-α, которые опосредуют продукцию воспалительных цитокинов, хемокинов и металлопротеиназ, а также способствуют привлечению гранулоцитов и лимфоцитов к местам воспаления. Миграцию клеток в ЦНС обеспечивает рецептор хемокинов CCR6. Высокий уровень экспрессии CCR6 на IL-11+ CD4+ клетках может опосредовать их миграцию в ЦНС, что объясняет повышение уровня IL-11 в спинномозговой жидкости пациентов [30].

Появление очагов демиелинизации в белом веществе больных рассеянным склерозом считается результатом скоординированного аутоиммунного процесса, который включает активацию клеток микроглии в нервной ткани (местные резидентные макрофаги). На купризоновой модели рассеянного склероза у мышей, показано, что сверхэкспрессия IL-11, вызванная локальной доставкой в очаг повреждения гена IL-11 с помощью вирусного вектора, снижала степень демиелинизации с одновременным ускорением процесса ремиелинизации. Поскольку известно, что микроглия участвует в фагоцитозе миелина, полученные результаты могут указывать на способность IL-11 вносить коррективы в этот процесс. Однако механизм того, каким образом микроглия участвует в эффектах, вызванных IL-11, еще предстоит выяснить. В эксперименте in vitro на клеточной линии микроглии BV2 показано [11], что добавление рекомбинантного IL-11 (1–30 нг/мл) дозозависимо уменьшало степень фагоцитоза миелина. Кроме того, использование IL-11 привело к увеличению толщины миелинового слоя, что указывает на способность IL-11 усиливать процесс ремиелинизации, а не только замедлять демиелинизацию, однако механизм этого еще предстоит изучить [11].

Демиелинизация в купризоновой модели рассеянного склероза также может зависеть от секреции микроглией провоспалительных цитокинов, токсичных для олигодендроцитов и нервных клеток. Опубликованы данные о способности IL-11 ингибировать синтез TNF-α, IL-1β, IL-12, IL-6 и продукцию NO активированными макрофагами [31, 32], однако уровень провоспалительных медиаторов в этом эксперименте не указан.

Изучено также участие IL-11 в ишемическом повреждении мозга, которое моделировали на мышах с помощью окклюзии средней мозговой артерии. Показано снижение экспрессии мРНК и белка IL-11 в первые 24 ч ишемии с дальнейшим постепенным его увеличением. Внутривенное введение рекомбинантного IL-11 в эксперименте выявило противовоспалительный эффект этого цитокина в дозах 20 и 40 мкг/кг, который приводил к снижению маркеров активации астроцитов и микроглии, а также уровня мРНК провоспалительных цитокинов (IL-1β, IL-6, TNF-β). При этом отмечено повышение уровня мРНК противовоспалительного цитокина (TGF-β1), уровня супероксид-дисмутазы и снижение уровня малонового диальдегида, что свидетельствует о снижении окислительного стресса в тканях мозга [12].

Стоит обратить внимание еще на один факт. В одном из недавних исследований показано, что цитокины семейства IL-6 могут опосредовать повышение химиорезистентности клеток медуллобластомы. Культуры клеток медуллобластомы, кондиционированные in vitro цитокинами IL-6, OSM, LIF или IL-11, проявляют повышенную активность JAK1/STAT3-сигнализации, при этом развивается резистентность к ряду препаратов. Применение ингибиторов gp130 или ингибиторов JAK-киназ позволило эффективно преодолеть резистентность экспрессирующих gp130 клеток медуллобластомы к винкристину [33]. Полученные данные могут указывать на ограниченную применимость рекомбинантного IL-11, однако необходимы дальнейшие исследования in vivo, а также изучение опосредованного влияния цитокинов семейства IL-6 на другие виды опухолевых клеточных линий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

IL-11 впервые выделили из фиброцитоподобных стромальных клеток костного мозга еще в 1990 г. и тогда же его нашли в головном мозге, однако о функциях этого цитокина в нервной системе известно совсем немного. IL-11 обладает нейропротекторными и противовоспалительными свойствами, замедляет скорость развития нейровоспаления и апоптотической гибели нервных клеток, которая наблюдается при различных патологических состояниях нервной системы [34, 35].

IL-11 активирует процессы нейрогенеза (ускоряет скорость деления прогениторных нейронов и олигодендроцитов), стимулирует процесс ремиелинизации аксонов при рассеянном склерозе. Необходимы дополнительные исследования, которые расширят наши знания о роли этого цитокина при патологии центральной нервной системы.

Исследование выполнено за счет средств ИЭМ в рамках государственного задания по теме “Фармакологический анализ действия нейротропных средств, изучение внутриклеточных мишеней и создание систем направленной доставки”, шифр 0557-2019-0004.

Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей или животных в качестве объектов исследования.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.