2 курс / Нормальная физиология / ТЕХНОЛОГИИ_ДИАГНОСТИКИ_И_КОРРЕКЦИИ_ИММУНОМЕТАБОЛИЧЕСКИХ_НАРУШЕНИЙ

МЕТАБОЛИЗМ

Глава 6. МЕТАБОЛИЗМ КЛЕТОК ИММУННОЙ СИСТЕМЫ

Иммунология как наука значительно продвинулась за последние 30 лет. Заметные достижения включают открытие совершенно новых систем иммунных рецепторов (в первую очередь рецепторов распознавания образов PRR), описание многих цитокинов и типов иммунных клеток, а также более глубокое понимание развития и молекулярной регуляции функциональной активности клеток иммунной системы. Разрабатываются все более информативные инструменты, которые облегчают изучение иммунной системы при различных состояниях, в том числе на моделях инфекции, аутоиммунитета и аутовоспаления. Появились новые инструменты (включая низкомолекулярные агонисты или антагонисты) и подходы (в частности, методы измерения активности метаболических процессов) для изучения иммунной системы, что позволяет развивать новые направления исследований, которые характеризуют самые начальные механизмы развития иммунного ответа. В самом центре иммунометаболического направления лежат исследования, включающие в себя сложные и специфические метаболические изменения, которые напрямую связаны с теми аспектами иммунитета и защиты организма, которые позволяют установить механизмы молекулярной регуляции событий, происходящих в иммунных клетках в норме и при болезни (Савченко А.А., Борисов А.Г., 2012; O'Neill L.A. et al., 2016). На сегодняшний день уже имеется широкий спектр низкомолекулярных соединений, которые через регуляцию метаболических процессов клеток иммунной системы способны регулировать направленность иммунного ответа (табл. 30).

Активность внутриклеточных метаболических путей регулируется за счет сигналов, которые клетки иммунной системы получают из внешней среды, а также за счет тех, которые формируются во внутренней системе клеток. В результате восприятия этих сигналов формируются метаболические механизмы, которые регулируют выработку ключевых интермедиатов, влияющих на рост и выживание клеток. В рамках развития иммунного ответа специфические (исходя из направленности иммунной реакции) изменения в метаболических путях будут определять эффективность функциональной активности клеток иммунной системы, включая миграцию, дифференцировку, пролиферацию, фагоцитоз/киллинг, продукцию различных наборов цитокинов и т.д. На рис. 69 показано, как регуляторные и функциональные молекулы, такие как интерлейкин-4 (IL-4) или PRR, могут способствовать формированию активности субстратных потоков по различным метаболическим путям в клетках, включая те процессы, которые регулируются уровнями поступления кислорода (O'Neill L.A. et al., 2016).

170

https://t.me/medicina_free

МЕТАБОЛИЗМ

Таблица 30

Некоторые низкомолекулярные соединения, влияющие на активность метаболических процессов в клетках иммунной системы

UK5099 (PF-1005023) является мощным ингибитором митохондриального переносчика пирувата, ингибируя транспорт пирувата через плазматическую мембрану.

171

https://t.me/medicina_free

МЕТАБОЛИЗМ

Рис. 69. Пример метаболического перепрограммирования макрофагов

[по: O'Neill L.A. et al., 2016].

Уровень кислорода и снабжение необходимыми субстратами являются ключевыми факторами для функционирования метаболических процессов. Нормоксия поддерживает активность ЦКТ и окислительного фосфорилирования, тогда как гипоксия приводит к активации синтеза индуцируемого гипоксией фактора 1α (HIF1α) и экспрессии гликолитических ферментов. Иммунные стимулы также могут вызывать метаболическое перепрограммирование в клетках. Например, стимуляция клеток IL-4 может стимулировать окислительное фосфорилирование, тогда как активация клеток через PRR, такие как TLR4, индуцирует экспрессию HIF1α, активирующие гликолизу. Гликолиз также преобладает в опухолях при нормоксии в форме аэробного гликолиза, что дает опухолям преимущество роста в тканях, насыщенных кислородом.

Все клетки иммунной системы независимо от реализуемых функций используют несколько различных метаболических путей для создания достаточных уровней запасов энергии, поддерживающих производство многочисленных промежуточных продуктов биосинтеза (интермедиатов), обеспечивающих клеточный рост, пролиферацию и функциональную активность. Эти метаболические пути, хотя и различаются с точки зрения их конечных продуктов, тесно связаны между собой вследствие общих входов субстрата и зависимости от продуктов одного процесса для питания альтернативных путей в качестве ключевых синтетических предшественников (Савченко А.А., Борисов А.Г., 2012; O'Neill L.A. et al., 2016). Одним из примеров сложного взаимодействия метаболических путей является процесс синтеза жирных кислот, значимость которого

172

https://t.me/medicina_free

МЕТАБОЛИЗМ

определяется созданием и восстановлением клеточных мембран и других ключевых структур на основе липидов, необходимых при клеточной пролиферации. Доказано, что активность синтеза жирных кислот зависит от наличия промежуточных продуктов гликолитического пути и ЦКТ.

Исходя из взаимосвязанного характера внутриклеточных метаболических путей, можно выделить шесть ключевых метаболических процессов, которые играют наиболее важную роль в образовании ключевых интермедиатов, способствующих выживанию, росту клеток и реализации ими своей функциональной активности: гликолиз, ЦТК, пентозофосфатный цикл, реакции окисления жирных кислот, процесс синтеза жирных кислот и реакции аминокислотного обмена (Савченко А.А., Борисов А.Г., 2012; Stathopoulou C. et al., 2019). Эти метаболические процессы имеют уникальное значение для клеточного метаболизма в целом и регулируются сложным комплексом сигнальных молекул для взаимосвязи их активности с клеточными потребностями (рис. 70).

Рис. 70. Взаимосвязь основных метаболических процессов в клетках им-

мунной системы [по: O'Neill L.A. et al., 2016].

Гликолиз превращает глюкозу в пируват, который затем может либо превращаться в лактат и уходить из клетки, либо может войти в ЦТК, в котором он будет генерировать НАДН и ФАДН2 для дыхательной цепи переноса электронов, что и приводит к производству АТФ. Гликолиз также обеспечивает субстратом пентозофосфатный путь, продуктом которого является рибоза для синтеза нуклеотидов, аминокислот и НАДФН. НАДФН используется для синтеза жирных кислот, в котором используется цитрат, выведенный из ЦТК. Жирные кислоты также могут окисляться с образованием НАДН и ФАДН2, которые снова стимулируют выработку АТФ в дыхательной цепи митохондрий. И, наконец, метаболизм аминокислот может стимулировать субстратами ЦТК, а также важен для роста клеток и биосинтеза белка. Пути, требующие наличия кислорода, обозначены зелеными прямоугольниками; пути, не зависящие от кислорода, обозначены синими прямоугольниками.

173

https://t.me/medicina_free

МЕТАБОЛИЗМ

Значение гликолиза для клеток иммунной системы

Как уже было отмечено выше, изменения в активности метаболических процессах напрямую влияют на функциональную активность клеток иммунной системы (Куртасова Л.М. с соавт., 2002, 2006; Савченко А.А. с соавт., 1996, 2020; O'Neill L.A. et al., 2016). Доказано, что гликолиз участвует в регуляции ряда иммунных процессов (рис. 71).

Рис. 71. Значение гликолиза и пентозофосфатного цикла для клеток

иммунной системы [по: O'Neill L.A. et al., 2016].

Гликолиз активируется в M1 макрофагах в ответ на активацию HIF1α. HIF1α не только способствует гликолизу, но также индуцирует экспрессию генов, кодирующих воспалительные цитокины, особенно IL-1β. Гексокиназа 1 напрямую взаимодействует с инфламмасомой NLRP3 и активирует ее, что приводит к активации каспазы 1 и процессингу про-IL-1β. В Т- клетках глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа (ГА3ФДГ) связывается с мРНК, кодирующей IFNγ, и подавляет его трансляцию. Переключение на гликолиз, которое происходит в ответ на активацию Т-клеток, приводит к диссоциации ГА3ФДГ, что делает возможной трансляцию IFNγ. Гликолиз также имеет решающее значение для функционирования NK-клеток, T- хелперов 1, 2 и 17 типов и периферически индуцированных регуляторных Т-клеток (Treg). Пентозофосфатный путь ответвляется от гликолиза и генерирует рибозу для синтеза нуклеотидов ДНК и РНК, а также НАДФН и биосинтеза глутатиона, способствуя формированию антиоксидантного потенциала. В Treg человека гликолитический фермент энолаза способствует их супрессивным функциям, регулируя экспрессию вариантов сплайсинга FOXP3, содержащих экзон 2 (FOXP3-E2). CARKL белок, подобный углеводной киназы; PKM2 изофермент пируваткиназы М2.

Ранние исследования показали, что как активированные макрофаги, так и Т-лимфоциты активно поглощают глюкозу (Alonso D., Nungester W.J., 1956; Newsholme P. et al., 1986). Кроме того, было показано, что 2-дезоксиглюкоза ингибирует активацию макрофагов in vitro и подавляет воспалительные реакции в ряде экспериментальных моделях in vivo (Hamilton J.A. et al., 1986; Michl J. et al., 1976). Уже эти и другие исследования указывали на то, что гликолиз имеет решающее значение для функционирования клеток иммунной системы. Первоначально это было несколько неожиданно, поскольку гликолиз не является самым

174

https://t.me/medicina_free

МЕТАБОЛИЗМ

эффективным способ получения АТФ. В процессе анаэробного гликолиза генерируется 2 молекулы АТФ из 1 молекулы глюкозы, тогда как окислительное фосфорилирование является более эффективным, генерируя 36 молекул АТФ из одной молекулы глюкозы (Савченко А.А., Борисов А.Г., 2012). Однако также было установлено, что гликолиз можно быстро активировать посредством индукции синтеза ферментов. Напротив, усиление окислительного фосфорилирования требует митохондриального биогенеза, который является более сложным и, вероятно, более медленным процессом.

Таким образом, клетки, которым необходимо быстро производить АТФ, переключаются именно на гликолиз. При этом очень важным (по сравнению с энергетической значимостью) также является способность гликолиза обеспечивать формирование промежуточных продуктов биосинтеза для поддержки пролиферативной активности клеток. Активирующие сигналы, такие как факторы роста, сильно способствуют повышенному поглощению глюкозы и, соответственно, активации гликолиза, который поставляет АТФ, поддерживает субстратами ЦТК и предоставляет промежуточные продукты для пентозофосфатного цикла, реакций гликозилирования и синтеза ключевых компонентов метаболизма, включая серин, глицин, аланин и ацетил-КоА для синтеза липидов.

Установлено, что интенсивность субстратного потока по гликолизу значительно увеличивается в активированных макрофагах, NK-клетках, эффекторных Т-лимфоцитах и в В-клетках (Donnelly R.P. et al., 2014; Doughty C.A. et al., 2006; Krawczyk C.M. et al., 2010; Michalek R.D. et al., 2011). Все субпопуляции эффекторных Т-клеток показали увеличение интенсивности гликолиза после активации и, в первую очередь, это были Th1- и Th2-клетки, Th17-лимфоциты и активированные цитотоксические Т-клетки (Gubser P.M. et al., 2013; Michalek R.D. et al., 2011; Shi L.Z. et al., 2011). Предполагается, что повышенная активность пути mTOR, коррелирующая с усилением интенсивности гликолиза связана с начальной генерацией периферически индуцированных Tregs, но может отрицательно влиять на их долговременное выживание и стабильное функционирование (Wei J. et al., 2016). Таким образом, повышенный уровень гликолиз можно считать характерным метаболическим изменением в большинстве клеток иммунной системы, подвергающихся быстрой активации, например, в ответ на стимуляцию PRR, цитокиновых рецепторов или антигенных рецепторов. Активированный гликолиз позволяет клеткам генерировать достаточное количество АТФ и промежуточных продуктов биосинтеза для выполнения своих конкретных эффекторных функций. Для макрофагов это включает фагоцитоз и продукцию воспалительных цитокинов, для ДК презентацию антигена, для Т-лимфоцитов реализую цитотоксической активности и продукцию эффекторных цитокинов.

Имеются данные о сигнальных путях, запускающих гликолиз во время активации клеток иммунной системы. Например, липополисахариды стимулируют

175

https://t.me/medicina_free

МЕТАБОЛИЗМ

синтез HIF1α и ряда факторов транскрипции, которые имеют решающее значение для индукции гликолитических ферментов (Shi L.Z. et al., 2011). Этот механизм также связан с активацией NF-κB за счет изоформы uPFK2 фосфофрукто- киназы-2, которая является регулирующим ферментом гликолиза. Липополисахариды могут также быстро индуцировать интенсивность гликолиза в дендритных клетках посредством активации TANK-связывающей киназы 1и/или ингибитора NF-κB киназы ε и гексокиназы 2 HIF1α-независимым образом (O'Neill L.A. et al., 2016).

Ключевым механизмом усиленного гликолиза в LPS-активированных макрофагах является индукция изофермента пируваткиназы M2 (PKM2). PKM2 представляет собой фермент, генерирующий пируват и АТФ из фосфоенолпирувата и АДФ во время гликолиза и регулируется при низкой интенсивности гликолитического потока, что позволяет направить промежуточные продукты гликолиза на пути биосинтеза (O'Neill L.A. et al., 2016). PKM2 также выполняет отдельную функцию, не связанную с его ролью в гликолизе. Данный фермент перемещается в ядро, где взаимодействует с HIF1α и способствует экспрессии HIF1α-зависимых генов, включая те, которые кодируют вышеупомянутые гликолитические ферменты, а также провоспалительные факторы, такие как IL-1β (Wang Y. et al., 2023). Также представляет интерес наблюдение, что небольшая молекула, переводящая ПКМ2 в тетрамерное состояние (в котором фермент не может проникнуть в ядро и становится более активным в гликолизе, чем димерная ПКМ2), перепрограммирует макрофаги, чтобы они стали более М2-подоб- ными по профилю экспрессии ряда рецепторов и функции (Palsson-McDermott E.M. et al., 2015). Это указывает на то, что ингибирование HIF1α (что произойдет в этой ситуации, поскольку PKM2 больше не является ядерной) изменит фенотип макрофага с провоспалительного фенотипа M1 на фенотип M2. Провоспалительная роль PKM2 в воспалительных моноцитах и макрофагах также была продемонстрирована при атеросклеротической болезни коронарных артерий человека, что дополнительно подчеркивает вклад этого гликолитического фермента в воспаление (Shirai T. et al., 2016).

Сходная роль гликолиза в репрограммировании клеток иммунной системы была обнаружена в Th17-клетках, в которых ингибирование гликолиза с помощью 2-деоксиглюкозы превращало Th17-клетки в Tregs (Shi L.Z. et al., 2011). Напротив, гиперактивация передачи сигналов через mTOR приводит к усилению гликолиза в периферических Tregs, но может нарушать их выживание и клональную приверженность (Wei J. et al., 2016). Данное наблюдение подчеркивает связь между метаболизмом и фенотипом клеток иммунной системы, при этом гликолиз и индукция HIF1α вызывают формирование более провоспалительного фенотипа клеток. При этом показано, что окислительное фосфорилирование было связано с более противовоспалительным клеточным фенотипом, хотя и

176

https://t.me/medicina_free

МЕТАБОЛИЗМ

установлено, что в Tregs также активирован гликолиз (De Rosa V. et al., 2015). В данной работе продемонстрировано, что гликолитический фермент енолаза фактически способствует сплайсингу Foxp3 и, соответственно, генерации Tregs.

Другим интересным аспектом индукции гликолиза в активированных клетках иммунной системы является роль гликолитического фермента ГА3ФДГ. Установлено, что в Th1-клетках ГА3ФДГ связывается с мРНК, которая кодирует IFNγ, репрессируя его трансляцию (Chang C.H. et al., 2013). Однако после активации субстратного потока по анаэробному гликолизу ГА3ФДГ диссоциирует от мРНК IFNγ, позволяя ей транслироваться. Более того, ГА3ФДГ теперь может реализовывать каталитическую активность в гликолизе, чтобы способствовать дальнейшей продукции АТФ. Это открытие подчеркивает еще один аспект того, почему иммунометаболизм так важен для иммунитета гликолитический фермент ГА3ФДГ контролирует выработку критического цитокина.

В макрофагах и некоторых других клетках иммунной системы гликолитический фермент, гексокиназа 1, проявляет активность как регулятор NLRP3 (цитозольный белок, Nod-подобный рецептор семейства NALP, содержащий пириновый домен) (Ortega M.A. et al., 2023). Воспаление NLRP3 является важным регулятором каспазы 1, которая генерирует IL-1β и IL-18 и индуцирует тип гибели клеток, называемый пироптозом. Представлены доказательства того, что гексокиназа взаимодействует с NLRP3 на внешней митохондриальной мембране, обеспечивая активацию NLRP3 (Ortega M.A. et al., 2023).

Таким образом, помимо своей роли в синтезе АТФ, гликолиз также способен формировать широкий пул промежуточных продуктов для биосинтеза макромолекул. Наиболее важным примером является глюкозо-6-фосфат, который входит в пентозофосфатный путь, который будет рассматриваться далее.

Значение пентозофосфатного цикла для клеток иммунной системы

Как обсуждалось выше, пентозофосфатный цикл имеет два важных результата, а именно: производство нуклеотидов (которое происходит во время пролиферации клеток) и синтез НАДФН. НАДФН выполняет несколько функций в клетках иммунной системы. Он используется НАДФН-оксидазой для образования активных форм кислорода (АФК) во время респираторного взрыва, но в качестве противовеса он также применяется для образования глутатиона и некоторых других антиоксидантов. Во время инфекции макрофаги и нейтрофилы нуждаются в обеих этих НАДФН-зависимых функциях быстром производстве АФК для элиминации инфекционного агента с последующей индукцией антиоксидантов для предотвращения чрезмерного повреждения окружающих тканей. ДК также используют НАДФН и синтез липидов для поддержки формирования и восстановления эндоплазматического ретикулума, который необходим для активации ДК и секреции цитокинов (Thwe P.M. et al., 2019).

177

https://t.me/medicina_free

МЕТАБОЛИЗМ

Показано, что пентозофосфатный цикл активирован в липополисахаридстимулированных макрофагах (Tannahill G.M. et al., 2013). При этом ключевой контрольной точкой метаболизма активированных макрофагов является фермент, подобный углевод-киназе, белок (carbohydrate kinase-like protein CARKL), который представ-

ляет собой седогептулозкиназу. Этот фермент ограничивает поток через пентозофосфатный цикл и сильно экспрессируется в макрофагах M2 (Haschemi A. et al., 2012). Если активность CARKL снижена, макрофаги становятся M1-по- добными, что указывает на важность пентозофосфатного цикла для функции макрофагов M1 (рис. 72). Почему генерация нуклеотидов пентозофосфатным путем повышена в

макрофагах M1, остается за- ризации M1 и M2 макрофагов [по: Haschemi A. гадкой, поскольку эти клетки демонстрируют низкую

пролиферативную способность. Можно предположить, что нуклеотиды генерируются для производства различных видов РНК (например, микроРНК и длинноцепочечных некодирующих РНК, важных для регуляции клеточных функций).

Значение цикла Кребса для клеток иммунной системы

Особенности субстратного потока по ЦТК (цикл Кребса) и активность окислительного фосфорилирования широко изучались в клетках иммунной системы. Оба данных процесса полностью функциональны в большинстве субпопуляций Т-лимфоцитов, хотя, как было указано выше, в эффекторных Т-клетках наблюдается сдвиг биоэнергетики в сторону гликолиза. При этом активность ЦТК более выражена в CD8+T-клетках-памяти (O'Sullivan D. et al., 2014).

Особо следует отметить исследования, касающиеся состояния ЦТК в различных подтипах макрофагов (рис. 73). В М2 макрофагах реализуется интактный тип ЦТК, который связан с окислительным фосфорилированием (Jha A.K. et al., 2015). Это позволяет генерировать промежуточные соединения типа уридин 5'- дифосфо-N-ацетилглюкозамина, которые необходимы для гликозилирования M2-ассоциированных рецепторов, таких как, например, маннозный рецептор. Однако в М1 макрофагах ситуация несколько иная. Было показано, что в этих

178

https://t.me/medicina_free

МЕТАБОЛИЗМ

клетках ЦТК прерывается в двух местах после цитрата (из-за снижения экспрессии изоцитрат лиазы) и после сукцината. Цитрат, который накапливается в М1 макрофагах, экспортируется из митохондрий через переносчик цитрата. Затем он используется для производства жирных кислот, которые, в свою очередь, участвуют в системе биогенеза мембран. Этот нарушенный ЦТК также наблюдается в активированных ДК и особенно важен для выполнения ими своих функций, так как эти клетки нуждаются в существенной продукции мембран для поддержки презентации антигена (Everts B. et al., 2014).

Рис. 73. Особенности ЦТК в М1 и М2 макрофагах

[по: O'Neill L.A. et al., 2016].

В М2 макрофагах (то есть макрофагах, активированных IL-4) ЦКТ не поврежден и участвует в окислительном фосфорилировании, обеспечивая образование АТФ. В М1 макрофагах (то есть клетках, активированных липополисахаридом и IFNγ) ЦКТ нарушен в двух местах после цитрата и после сукцината. Цитрат используется для получения жирных кислот для биогенеза мембран, а также для производства простагландинов. Он также принимает участие в синтезе итаконовой кислоты через ферментный иммунный ген 1 (IRG1). Итаконовая кислота обладает прямым антимикробным действием в отношении Mycobacterium tuberculosis и Salmonella sp.

Избыток цитрата также может стимулировать метаболические процессы, которые генерируют оксид азота и простагландины, являющиеся ключевыми эффекторными молекулами, вырабатываемыми макрофагами (Infantino V. et al., 2011). Третьим метаболитом, образующимся из цитрата, является итаконовая

179

https://t.me/medicina_free