Interleukín 4

Interleukín 4 (IL-4) je cytokín s hlavnou úlohou v humorálnej adaptívnej imunitnej odpovedi proti extracelulárnym patogénnom, ktorý indukuje diferenciáciu neskúsených pomocných T-lymfocytov ( Th0 bunky ) na Th2 bunky. Aktivované Th2 bunky následne produkujú IL-4 v slučke pozitívnej spätnej väzby a taktiež ostatné Th2 cytokíny ako IL-5, IL-10 a IL-13 pre navodenie a udržiavanie Th2 imunitnej odpovedi a potlačenie Th1 imunitnej odpovedi voči intracelulárnym patogénnom. IL-4 je produkovaný predovšetkým mastocytmi, Th2 bunkami, eozinofilmi, bazofilmi, NK T bunkami a γδ T bunkami. Molekulárna hmotnosť Interleukínu 4 sa pohybuje v rozmedzí 12 - 20 kDa. Toto rozmedzie je zapríčinené nepravidelnými post-translačnými modifikáciami. 
Funkcia.
Interleukín 4 má mnoho biologických úloh, vrátane stimulácie proliferácie aktivovaných B buniek a T buniek a diferenciácie B buniek na plazmatické bunky. IL-4 indukuje v aktivovaných B bunkách izotypovú zmenu protilátok na izotyp IgE, IgG1 (myš), IgG4 (človek) a upreguluje produkciu molekúl ako MHC glykoproteínov triedy II, IL-4 receptor a CD23 (nízkoafinitný receptor pre IgE). IL-4 potlačuje Th1 imunitnú odpoveď cez utlmovanie produkciu Th1 buniek, makrofágov, IFNy,dendritických buniek a iných pro-zápalových cytokínov ako IL-1β a TNF (faktor nádorovej nekrózy). Avšak, Interleukín 4 je schopný navodiť aj negatívnu spätnú reguláciu Th2 imunitnej odpovede a to cez stimuláciu makrofágov a dendritických buniek na produkciu Interleukínu 12. 
IL-4 signalizácia určuje množstvo molekuly CD20 na povrchu normálnych a zhubných B lymfocytov prostredníctvom aktivácie transkripčného faktora STAT6. 
Nadprodukcia IL-4 je spojená s alergiami. Regulačná úloha IL-4 pri alergických reakciách je podmienená cez účinok na mastocyty a to ako rastový faktor a taktiež cez IgE sprostredkovanú degranuláciu.
Zápal a hojenie rán.
Tkanivové makrofágy hrajú dôležitú úlohu pri chronickom zápale a hojení rán. Prítomnosť IL-4 v extravaskulárnych tkanivách podporuje alternatívnu aktiváciu makrofágov na typ M2 a inhibuje klasickú aktiváciu makrofágov na typ M1. Zvýšený počet opravných makrofágov (M2) je spojený so sekréciou IL-10 a TGF-β, čo vedie k zníženiu patologického zápalu. Aktivované M2 makrofágy taktiež uvoľňujú arginázu, prolín, polyaminázy a TGF-β, ktoré majú súvis s hojením rán a fibrózou.
Receptor.
Receptor pre interleukín-4 je známy ako IL-4Rα. Tento receptor existuje v 3 rôznych signalizačných komplexoch: IL-4Rα/γc/IL-4; IL-4Rα/IL-13Rα1/IL-4; IL-4Rα/ IL-13Rα1/IL-13. Vysokoafinitný receptor typu 1 sa skladá z podjednotky IL-4Rα so spoločným γc reťazcom a po naviazaní cytokínu s γc (gamma reťazcom) tvorí heterodimér. Receptor typu 1 sa nachádza na bunkách hematopoetickej línie a špecificky viaže IL-4. Nízkoafinitný receptor typu 2 pozostáva z podjednotky IL-4Rα a z podjednotky známej ako IL-13Rα1 s ktorou heterodimerizuje. Receptor typu 2 sa vyskytuje na bunkách hematopoetickej línie ale aj mimo nej a má schopnosť viazať IL-4 ale aj IL-13, dva cytokíny s úzko súvisiacimi biologickými funkciami.
Signalizačné kaskády.
IL-4Rα typ 1.
Po naviazaní IL-4 cytokínu na receptor je IL-4Rα reťazec fosforylovaný a spúšťajú sa 3 signalizačné kaskády (jedna imunoregulačná a dve proliferačné). Imunoregulačná signalizácia v bunke je sprostredkovaná cez Janus tyrozinové kinázy Jak1, Jak3 a cez transkripčný faktor STAT6. Proliferačná signalizácia tiež začína cez spomínané tyrozín kinázy Jak1 a Jak3, ktoré následne interagujú s molekulami pre signalizáciu cez PKB/Akt (proteín kináza B), PKC (proteín kináza C) a Ras/MAPK (mitogénom aktivovaná proteín kináza) dráhy. PKC a Ras/MAPK signalizačné dráhy vedú k spusteniu NF-κB kaskády a k aktivácii transkripčných faktorov c-myc a c-fos čo vedie k prežívaniu a proliferácii buniek. Okrem toho, spustená signalizačná kaskáda cez PKB/Akt zabezpečuje inhibíciu FOXO transkripčného faktora, ktorý je zodpovedný za expresiu génov pre bunkovú smrť a týmto spôsobom je tiež podporované prežívanie bunky.
IL-4Rα typ 2.
Imunoregulačná signalizácia po naviazaní cytokínu IL-4 alebo aj IL-13 na tento typ receptoru je podobná ako pri type 1 a taktiež využíva transkripčný faktor STAT6 a Janus kinázy. Rozdiel je pri tyrozín kináze Jak3, ktorá je v týchto komplexoch nahradená Tyk2 (tyrozín kináza 2), keďže Jak3 je v signalizačnej kaskáde asociovaná s γc podjednotkou a Tyk2 s IL-13Rα1 podjednotkou.
Štruktúra.
IL-4 má kompaktný, globulárny záhyb (podobný ostatným cytokínom), stabilizovaný 3 disulfidovými väzbami. Jednej polovici štruktúry dominuje zväzok 4 ľavotočivých alfa-helixov. Skrutkovice sú antiparalelné, s 2 prečnievajúcimi spojeniami, ktoré spadajú do 2-vláknového anti-paralelného beta listu.
Štúdie na zvieratách.
Na experimentálnom modeli Alzheimerovej choroby ( dospelé zebričky; "Danio rerio") bolo zistené, že IL-4 sprostredkováva komunikáciu medzi nervovými kmeňovými bunkami a neurónmi, ktoré podliehajú neurodegenerácii a iniciuje regeneračnú kaskádu prostredníctvom fosforylácie intracelulárneho transkripčného faktoru STAT6.
Klinický význam.
IL-4 je spojený s rabdomyosarkómom a to ako cytokín, ktorý poháňa mitogenézu, dediferenciáciu a metastázy. IL-4 sa spolu s ďalšími Th2 cytokínmi podieľa aj na zápale dýchacích ciest (pozorované v pľúcach pacientov s alergickou astmou).
Alergické ochorenia.
Alergické ochorenia sa prejavujú neprimeranou odpoveďou imunitného systému na alergén (imunitnou Th2 odpoveďou). Medzi tieto patológie patrí napríklad atopická dermatitída, astma alebo systémová anafylaxia. IL-4 sprostredkováva dôležité pro-zápalové funkcie pri astme, vrátane indukcie preskupenia izotypov IgE, expresie molekúl VCAM-1 (adhézna molekula vaskulárnych buniek 1), podpory eozinofilnej transmigrácie cez endotel, sekrécie hlienu a diferenciáciu pomocných T lymfocytov typu 2, čo vedie k uvoľneniu cytokínov. Astma je komplexná genetická porucha, ktorá je spojená s IL-4 cez polymorfizmus promótora a cez proteíny v signalizácii.
Patogenéza alergickej astmy spôsobená cez IL-4.
Efekt IL-4 na epiteliálne a svalové bunky dýchacej sústavy zohráva podstatnú rolu pri alergickom zápale. Izotypová zmena na IgE vedie k aktivácii mastocytov, ktoré začnú produkovať cytokíny, prostaglandíny a uvoľnia histamín. IL-4 je produkovaný aj cez mastocyty čo vytvára pozitívnu slučku. Zápal dýchacích ciest je podporený cez aktiváciu a proliferáciu eozinofilov, makrofágov a dendritických buniek.
Nádory.
IL-4 má významný vplyv na progresiu nádoru. Zvýšená produkcia IL-4 bola zistená v rakovinotvorných bunkách prsníkov, prostaty, pľúc, obličiek a iných typov orgánov. Taktiež nadmerná expresia IL-4R bola zistená pri mnohých typoch rakoviny.
IL-4 môže zvýšiť odolnosť nádorových buniek voči apoptóze zvýšením expresie anti-apoptických génov.
Nervový systém.
Nádory mozgového tkaniva, ako je astrocytóm, glioblastóm, meningióm a meduloblastóm, nadmerne exprimujú receptory pre rôzne rastové faktory ako EGFR (receptor epidermálneho rastového faktora), FGFR-1 (receptor fibroblastového rastového faktora 1 ), TfR (receptor angiotenzín transferínu) a IL-13R. Väčšina ľudských meningiómov exprimuje IL-4 receptory v masívnom množstve.
HIV.
IL-4 pravdepodobne zohráva úlohu aj pri infekcii a rozvoji ochorenia HIV . Pomocné T lymfocyty sú kľúčovým prvkom infekcie HIV-1. Niekoľko príznakov imunitnej dysregulácie, ktoré sa vyskytujú pri väčšine HIV-1 pacientoch sú spojené s cytokínmi Th2 buniek. Zvýšená produkcia IL-4 Th2 bunkami bola preukázaná u ľudí infikovaných HIV.
Inhibitory.
Klinický význam IL-4 pri vyššie spomínaných ochoreniach podporil výskum na úrovni inhibície IL-4 cytokínu, jeho receptoru a signalizačných komplexov. Inhibitory sú skúmané ako možné terapie pre dané choroby. Niektoré typy inhibitorov sú:
Rozpustný IL-4Rα receptor: využitie syntetizovaného, rekombinovaného extracelulárneho IL-4Rα reťazca, ktorý konkuruje o naviazanie cytokínu s endogénnym reťazcom
Protilátka proti IL-4 a IL-4R: využite vyprodukovaných monoklonálnych protilátok, ktoré sa naviažu na danú molekulu a tým zabránia vytvoreniu signalizačného komplexu
Imunotoxín, lytický peptid: využitie chimerického IL-4 na ktorý bol pripevnený toxín/lytický peptid a týmto spôsobom je vybraná molekula doručená na špecifické miesto. Táto terapia má hlavné uplatnenie vo výskume nádorových ochorení.
Antialergické prírodné molekuly (flavonoidy): využitie prírodných antioxidantov, ktoré interferujú s IL-4 a IL-13 syntézou a zároveň ešte ponúkajú iné antioxidačné účinky