Citoquinas
Se tenía el conocimiento que ciertas sustancias
de naturaleza proteica eran capaces de mediar e interactuar entre diferentes
células, así fue que las primeras denominaciones hacían referencia a las
células que las producían; se hablaba, de linfocinas,
monocinas o interleucinas según fuesen
producidas por los linfocitos, los monocitos-macrófagos o los
leucocitos polimorfonucleares. Estudios
posteriores permitieron determinar que tales sustancias eran producidas por
diferentes tipos celulares del sistema inmune (macrófagos, linfocitos T, NK) y células no inmunes (fibroblastos,
células endoteliales) por lo que se le dio un nombre más amplio: citoquinas o citocinas.
Dentro de este nombre se agrupan: interleuquinas, quimioquinas, interferones, factores estimuladores de
colonias, factores de crecimiento, factores de necrosis tumoral. Algunos autores consideran las citoquinas como
inmunohormonas que ejercen su acción en forma autocrina o Paracrina,
produciendo efectos muy variables que comprenden: la modulación de la respuesta
inmune, el crecimiento y diferenciación de las células hematopoyéticas, la
regeneración tisular y la angiogénesis, entre otras. Durante la activación
celular que sigue como respuesta a un estímulo, se producen y se unen de forma
transitoria a receptores específicos de membrana.
Funcionalmente presentan retroregulaciones
positivas y negativas entre sí y por lo general no actúan solas sino con otras
citoquinas, producidas por la misma célula pudiendo inducir, potenciar o
inhibir la producción de otras citoquinas y/o modular negativa o positivamente
los efectos de dichas citoquinas. Por otro lado al actuar sobre diferentes
tipos celulares ejercen múltiples efectos (pleiotrópicas) e igualmente
comparten muchos de ellos (redundantes).
La caracterización de las funciones específicas
de cada citoquina y el desarrollo de la tecnología del DNA recombinante, que ha
permitido obtener cantidades importantes de cada citoquina purificada,
despertaron el interés por investigar la utilidad de estas proteínas en el
tratamiento de diferentes enfermedades.
PROPIEDADES GENERALES DE LAS CITOQUINAS
Las citoquinas son un grupo de proteínas o
glucoproteínas secretadas, de bajo peso molecular (por lo general menos de 30
kDa) Aunque existen muchos tipos de células productoras de citoquinas, dentro
del sistema inmune natural, los macrófagos son las células
más comprometidas en la síntesis de citoquinas, mientras que en el sistema inmune específico son las células T colaboradoras (TH) ya que sus
citoquinas son esenciales para que se produzca la respuesta inmune, una vez
activadas por el contacto con las correspondientes CPA (células presentadoras
de antígeno) .
Se unen a receptores específicos de la membrana
de las células donde van a ejercer su función, iniciando una cascada de
transducción intracelular de señal que altera el patrón de expresión génica, de
modo que esas células diana producen una determinada respuesta biológica.
La producción de las citoquinas suele ser breve
(transitoria), limitada al lapso de tiempo que dura el estímulo (es decir, el
agente extraño) En muchos casos ello se debe a que los correspondientes ARNm
tienen una corta vida media.
Considerando las diversas citoquinas, éstas
pueden exhibir una o varias de las siguientes cualidades:
Pleiotropía: múltiples efectos al actuar sobre diferentes
células.
Redundancia: varias
citoquinas pueden ejercer el mismo efecto.
Sinergismo: dos o más citoquinas producen un efecto que se
potencia mutuamente. Por ejemplo: la acción conjunta de IL-4 e IL-5 induce en
células B el cambio de clase para que produzcan Ig E.
Antagonismo: inhibición o bloqueo mutuo de sus efectos. Por
ejemplo: el IFN-gamma bloquea el cambio de clase promovido por IL-4.
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La afinidad de cada receptor hacia su citoquina
correspondiente suele ser bastante alta, del orden de lo femtomolar (10-15 M) a lo
picomolar (10-12
M).
Al igual que con las hormonas, la acción de las
citoquinas se puede clasificar en:
Autocrina
Paracrina
Endocrina clásica (en pocas
ocasiones)
ESTRUCTURA PROTEICA
Muchas de las citoquinas pertenecen a la llamada
familia de las hemopoyetinas, y tienen estructuras terciarias parecidas: una
configuración a base de un conjunto de cuatro
hélices alfa, con escasos dominios en lámina beta.
PRINCIPALES TIPOS DE RESPUESTA POR LA ACCIÓN DE LAS CITOQUINAS
Generalmente actúan como mensajeros
intercelulares produciendo:
Activación de los mecanismos de inmunidad
natural:
Activación de los macrófagos y otros fagocitos.
Activación de las células NK.
Activación de los eosinófilos, inducción de la
síntesis de proteínas de fase aguda en
el hígado
Activación y proliferación de células B, hasta
su diferenciación a células plasmáticas
secretoras de anticuerpos.
Intervención en la respuesta celular específica.
Intervención en la reacción de inflamación,
tanto aguda como crónica.
Control de los procesos hematopoyéticos de la
médula ósea.
Reparación tisular.
Las citoquinas siendo inespecíficas respecto del
antígeno, pueden ejercer acciones de modo específico. Son varios los mecanismos
que explican esta particularidad:
Regulación muy fina de los receptores de cada
citoquina: los receptores se expresan en determinadas células una vez que éstos
han interaccionado con el antígeno Requerimientos de contactos estrechos célula
a célula: la citoquina sólo alcanza concentraciones adecuadas para actuar en el
estrecho espacio que queda entre dos células interactuantes, por ejemplo las
"bolsas" que se forman en el complejo TH:B, donde se alcanzan mejor esos niveles de
citoquinas.
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Figura 1: Acción de las citocinas sobre las células.
Corta vida media de las citoquinas en sangre y
fluidos: lo que asegura que sólo van a actuar en un estrecho margen de tiempo,
en las cercanías de la zona donde se produjeron.
Receptores de Citoquinas
Existen diferentes clases de receptores de
membrana para citoquinas, pero se pueden agrupar en seis familias:
Receptores de la superfamilia de las inmunoglobulinas: que poseen varios dominios extracelulares de
tipo Ig. Como ejemplo: IL 1a, IL 1 B, IL 16.
Receptores de factores de crecimiento hemopoyéticos o CLASE I. Pertenecen a la familia de receptores alfa, beta
y gamma. Se han reconocido en este grupo, las siguientes citocinas: IL 2, IL-3,
IL-5, IL 6, IL 7, IL 9, IL 13, IL 15, GM-CSF (factor estimulante de colonias granulocitos-monocitos)
y G-CSF (Factor estimulador de colonias de Granulocitos). El receptor para el
GM-CSF se expresa en los PMN como una clase única de alta afinidad (Kd de 199
pM; entre 300 a 2800 receptores por célula). Los progenitores mieloides,
eritrocitos, células dendríticas, megacariocitos, células plasmáticas, ciertos
linfocitos T, células endoteliales, eosinófilos, macrófagos, monocitos y
células mieloides leucémicas expresan receptores, las dos últimas de afinidad
intermedia (Kd de 10 a 40 pM) y el resto de baja afinidad (Kd <2 pM)
Figura 2: Receptores de IL-3, IL-5, GM-CSF
Familia de receptores de interferones o familia de clase II: tienen receptores alfa y beta. Ejemplos:
interferón (IFN-α y β) y el IFN- γ.
Familia de receptores del Factor de Necrosis Tumoral: sus miembros se caracterizan por un dominio
extracelular rico en cisteínas. Ejemplos de ligandos: TNF- α, TNF- β, CD40.
Familia de receptores de quimioquinas: son proteínas integrales de membrana, con 7 hélices
alfa insertas en la bicapa lipídica. Interaccionan, con la porción
citoplasmática con proteínas de señalización triméricas (Proteína G) que unen
GTP. Ejemplos: IL-8, RANTES, PAF (Factor activador de plaquetas)
Receptores de factores de crecimiento transformante (TGF): pertenecen a ésta familia
TGFαy TGFβ.
La mayor parte de los receptores de citoquinas
del sistema inmune pertenecen a la familia de clase I
(de receptores de hematopoyetinas) Todos sus miembros tienen, en común, una proteína anclada a membrana,
con un dominio extracelular en el que hay al menos un motivo característico
llamado CCCC (cuatro cisteínas
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Figura 3: Receptores de Clase l.
Cercanas en posiciones equivalentes) y el llamado motivo WSXWS
(Trp-Ser-X-Trp-Ser) Tras su porción
transmembrana se encuentra una larga cola citoplásmica con ciertas tirosinas susceptibles de
fosforilación.
La mayor parte de los receptores de clase I poseen dos proteínas
de membrana: Cadena alfa, que es la
subunidad específica de la citoquina, sin capacidad de enviar señales al
citoplasma;
Figura 4: Afinidad de los receptores de IL-2.
Cadena beta, una subunidad
transductora de señal, que a menudo no es específica de una sola citoquina,
sino que es compartida por receptores de otras citoquinas, este hecho permite
explicar dos cualidades a las que ya hemos aludido: la redundancia y el
antagonismo.
Esta cadena beta es del tipo que hemos descrito
más arriba (motivos CCCC y WSXWS) Por ejemplo: consideremos los receptores de
IL-3, IL-5 y GM-CSF, comparten el mismo tipo (llamado KH97) de cadena β.
Cada una de las tres citoquinas citadas, al
tener receptores que tienen el mismo tipo de cadena beta, provocan los mismos
efectos biológicos (redundancia): proliferación de eosinófilos y desgranulación
de basófilos.
Las tres citoquinas compiten entre sí por la
unión de un número limitado de cadenas beta con las alfas específicas de cada
receptor. (Efectos antagónicos)
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Figura 5: Subunidad gamma común de receptores de IL-2.
La orquestación simultánea de varias respuestas
y la redundancia del sistema inmunitario queda quizá mejor ilustrada a través
de la estructura de algunos de los receptores de interleucinas.
El receptor de la IL-2 consta de tres cadenas: alfa, beta y gamma.
La expresión de las tres cadenas da lugar al
receptor de IL-2 de alta afinidad;
La expresión de las
cadenas beta y gamma da lugar sólo a un receptor de IL-2 de afinidad intermedia,
La cadena alfa representa sólo un receptor de afinidad baja.
Recientemente se ha demostrado que las mutaciones o eliminaciones de la cadena gamma del receptor de la IL-2 constituyen la base molecular
de la inmunodeficiencia grave combinada ligada al cromosoma X (IDGC).
Resulta interesante señalar que las mutaciones
de las cadenas alfa o beta del receptor de la IL- 2 no dan lugar a la IDCG (al
menos en modelos animales). Esta aparente discrepancia se debe a que la cadena
gamma del receptor de la IL-2 es también parte del complejo receptor para la
IL-4, la IL-7, la IL-9 y la IL-15; esta cadena se denomina ahora cadena gamma
común (c) El receptor de la IL-15 comparte las cadenas
beta y gamma con el receptor de la IL-2. La cadena α del receptor de
la IL-13 es idéntica a la cadena alfa del receptor de la IL-4.
TRANSDUCCIÓN DE SEÑALES
Recientemente se han producido avances
importantes en la dilucidación de la ruta que conduce desde la unión de la
citoquina con el receptor de la célula diana hasta la activación de la
transcripción de los genes cuyos productos son responsables de los efectos de
dichas citoquinas. He aquí un modelo general que se puede aplicar a muchos
receptores de las clases I y II:
La citoquina provoca la dimerización de las dos
subunidades del receptor (cadenas alfa y beta), en el caso de las quimioquinas
se produce la dimerización de sus receptores, lo que coloca cercanas a sus
respectivas colas citoplásmicas.
Una serie de proteín-quinasas de la familia de JAK (JANUS QUINASAS) se unen a las
colas agrupadas de las subunidades del receptor, con lo que se esas quinasas se
activan.
Las JAK se autofosforilan.
Las JAK fosforilan a su vez determinadas
tirosinas de las colas del receptor,
Entonces proteínas de otra familia, llamada STAT (transductores de señal y activadores de transcripción) se unen a algunas de las tirosinas fosforiladas
de las
colas del receptor, quedando cerca de las JAK.
Las JAK fosforilan a las STAT unidas a las colas
del receptor.
Al quedar fosforiladas, las STAT pierden su
afinidad por las colas del receptor, y en
cambio tienden
a formar dímeros entre sí. (Las tirosinas fosforiladas que han quedado
libres en las colas del receptor sirven para unir nuevos monómeros de STATs)
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8. Los dímeros de STAT fosforilados emigran al
núcleo de la célula, donde actúan ahora como activadores de la transcripción de
ciertos genes, al unirse a secuencias especiales en la parte 5’ respecto de las porciones codificadoras.
Figura 6: Transducción de señales MECANISMO DE REGULACIÓN DE CITOQUINAS
El distinto espectro de citoquinas secretadas
por las dos subpoblaciones de linfocitos TH1 y TH2 determina los efectos biológicos diferenciales
durante el curso de la respuesta inmune. Las dos poblaciones linfocitarias
están sujetas a finos controles cruzados.
Las células TH1: producen
IL-2, IFN- γ y TNF-β. Son responsables de funciones de inmunidad
celular (activación de linfocitos TC e hipersensibilidad de tipo retardado),
destinadas a responder a parásitos intracelulares (virus, protozoos, algunas
bacterias)
Figura 7: Efectos biológicos de Th 1 y Th 2.
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Las células TH2 producen: IL-4,
IL-5, IL-10 e IL-13. Actúan como colaboradoras en la activación de las células
B, y son más apropiadas para responder a bacterias extracelulares y a
helmintos. También están implicadas en reacciones alérgicas (ya que la IL-4
activa la producción de IgE y la IL-5 activa a los eosinófilos)
En los años recientes está cada vez más claro
que el resultado de la respuesta inmune depende en buena medida de los niveles
relativos de células TH1 y TH2: en una respuesta a patógenos intracelulares existe un
aumento de citoquinas de TH1, mientras que en respuestas alérgicas y ante helmintos es
superior el nivel de las de TH2.
Un punto importante en todo esto es la
existencia de una regulación cruzada entre TH1 y TH2:
El IFN-gama secretado por las TH1 inhibe la
proliferación de las TH2.
Por su lado, la IL-10 secretada por las TH2 inhibe la
secreción de IL-2 e IFN-gama por parte de las TH1. Esta inhibición en realidad no es
directa: la IL-10 produce un descenso marcado de la cantidad de MHC-II de las
células presentadoras de antígeno, que por lo tanto ya no pueden ejercer bien
su papel de activar a las TH1 (Recordemos: MHC-I: determinan glucoproteínas de membrana que aparecen
en casi todas las células nucleadas, que sirven para presentar antígenos
peptídicos de células propias alteradas a los linfocitos T citotóxicos (TC); MHC-II: determinan glucoproteínas de membrana de
células presentadoras de antígeno (macrófagos, células dendríticas, linfocitos
B), y que sirven para presentar antígenos peptídicos a linfocitos T)
Además, las TH2 inhiben por sus citoquinas la producción en macrófagos del
óxido nítrico (NO) y otros bactericidas, así como la secreción por estos
macrófagos de IL-1, IL-6, IL-8 y otras citoquinas.
Este fenómeno de regulación negativa cruzada
explica las ya antiguas observaciones de que existe una relación inversa entre
la producción de anticuerpos y la hipersensibilidad de tipo retardado.
Obsérvese que los macrófagos y otras células presentadoras de antígeno
también producen citoquinas (como la IL-12, descubierta hace relativamente poco
tiempo) que regulan a su vez funciones inmunes efectoras (ver tabla l).La IL-12 se
produce en macrófagos activados en respuesta a infecciones bacterianas o de
protozoos. Esta citoquina provoca la proliferación de células NK y TH1, que
aumentan la producción de IFN- γ. Este interferón inmune ayuda en la mayor activación
de macrófagos. De esta forma se cierra este circuito de retroregulación
positiva entre macrófagos y TH1, destinado a potenciar funciones efectoras de
la rama celular de la inmunidad.
Citoquinas
Figura 8: Regulación de las subpoblaciones de Th1 y Th2.
Por otro lado, los macrófagos se ven inhibidos
por IL-4 e IL-10 secretadas por los TH2 (de nuevo una manifestación de la inhibición
cruzada entre la rama especializada en la respuesta humoral y la centrada en la
respuesta celular ante parásitos intracelulares)CATEDRA DE BIOQUIMICA
Otro aspecto que va quedando claro igualmente es
que la predominancia de una u otra de las dos subpoblaciones de linfocitos TH depende a su
vez del microambiente de citoquinas en que ocurriera la activación y maduración
inicial a partir de linfocitos en reposo: por ejemplo, in vitro se ha visto que si un TH se activa por antígeno en
presencia de IL-4, se desarrolla hasta TH2, mientras que si el entorno de
activación es rico en IFN- γ, se desarrolla hasta TH1.
Mecanismos regulatorios adicionales: antagonismos fisiológicos
La actividad biológica de las citoquinas está
regulada fisiológicamente por dos tipos de antagonistas:
Los que provocan el bloqueo del receptor al
unirse a éste. Los que inhiben la acción de la citoquina al unirse a ésta.
Como ejemplo de bloqueador
de receptor tenemos el antagonista del receptor de IL-1 (IL- 1Ra), que bloquea
la unión de IL-1α o IL-1β. Desempeña un papel en la regulación de la
intensidad de la respuesta inflamatoria. En la actualidad se está investigando
su potencial clínico en el tratamiento de enfermedades que cursan con
inflamación crónica.
NOTA: las dos citocinas clave en la patogénesis
de la Artritis Reumatoidea (AR) son la interleucina-1 (IL-1) y el factor de
necrosis tumoral alfa (TNF-α)
Los inhibidores de citoquinas suelen ser versiones solubles de los respectivos receptores (y se suelen
denominar anteponiendo una "s" al nombre del receptor): la rotura enzimática de la
porción extracelular libera un fragmento soluble que retiene su capacidad de
unirse a la citoquina. Existen ejemplos de versiones
solubles de los receptores IL-2R, IL-4R, IL-7R, IFN- γ R, TNF-α R, TNF-β R.
El mejor caracterizado es el sIL-2R (versión soluble del receptor de la interleuquina 2), que se libera durante la activación crónica de
los linfocitos T, y que corresponde a los 192 aminoácidos N-terminales de la
subunidad alfa. Este sIL-2R se puede unir a la IL-2, impidiendo su interacción
con el auténtico receptor de membrana, con lo que esto supone un control sobre
el exceso de activación de los linfocitos T. Este inhibidor se usa de hecho en
clínica como un marcador de la existencia de activación crónica, p. Ej. de las
enfermedades autoinmunes, rechazo de injertos y SIDA.
Algunos virus han evolucionado (como parte de
sus mecanismos de evasión del sistema defensivo del hospedador) para producir
proteínas que se unen e inactivan a las citoquinas.
Por ejemplo,
los poxvirus codifican una
proteína soluble que se une al TNF-α, y otra que se liga a la IL-1. Con ello logran
reducir el alcance e intensidad de los mecanismos inflamatorios naturales que
forman parte de la defensa del hospedador.
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