Molekularne mechanizmy ...

Molekularne mechanizmy towarzyszace rozpoznawaniu patogenu przez receptory wrodzonej odpornosci, Immunologia, ...

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Postepy Hig Med Dosw. (online), 2009; 63: 3038
eISSN 17322693
w w w.
phmd
.pl
REVIEW
Received:
2008.12.17
Accepted:
2009.01.27
Published:
2009.02.11
Molekularne mechanizmy towarzyszące rozpoznawaniu
patogenu przez receptory wrodzonej odporności
Molecular mechanisms associated with recognition of
pathogens by receptors of innate immunity
Sylwia Kędziora
1
, Robert Słotwiński
1,2
1
Zakład Immunologii i Żywienia Wydziału Nauki o Zdrowiu, Warszawski Uniwersytet Medyczny
2
Zespół BadawczoLeczniczy Chirurgii Transplantacyjnej Instytutu Medycyny Doświadczalnej i Klinicznej PAN
Streszczenie
Odporność wrodzona jest pierwszą linią obrony przeciw patogenom. Struktury patogenów nazy
wane PAMPs (wzorce molekularne związane z patogenami) rozpoznawane są przez zewnątrz
i wewnątrzkomórkowe receptory PRRs, spośród których wyodrębniono trzy rodzaje: TLRs, NLRs
i RLRs. Poznanie mechanizmów z udziałem PRRs pozwala na lepsze zrozumienie istoty działa
nia odporności wrodzonej i może umożliwić rozwój precyzyjnych metod zapobiegania i lecze
nia zakażeń na poziomie molekularnym. Niniejsza praca omawia szlaki molekularne uruchamia
ne w odpowiedzi na patogeny.
Słowa kluczowe:
wrodzona odporność • receptory • wykrywane cząsteczki • wewnątrzkomórkowe szlaki
sygnałowe
Summary
Innate immunity is the fi rst line of the defensive mechanisms protecting the host from invading
pathogens. Structures of pathogens called PAMPs (pathogenassociated molecular patterns) are
recognized by extra and intracellular pattern recognition receptors (PRRs), which includes three
families of sensors: TLRs, NLRs, and RLRs. Knowledge of the mechanisms involving PRRs ma
kes it possible to understand innate immune activity and the development of precise methods of
preventing and treating infection at the molecular level. This article presents the molecular path
ways initiated in response to pathogens.
Key words:
innate immunity • receptors • recognized pathogen molecules • intracellular signaling
pathways
Fulltext PDF:
Word count:
2041
Tables:
2
Figures:
3
References:
31
Adres autorki:
mgr inż. Sylwia Kędziora, Zakład Immunologii i Żywienia Wydziału Nauki o Zdrowiu, Warszawski Uniwersytet
Medyczny, ul. Pawińskiego 3, 02106 Warszawa; email: sylwia.kedziora@wum.edu.pl
30
!"#$%&'()$*+,-*.#$/&)%0*1'2#&#3*40*5(3#67'1#&()$/.8$'9
Kędziora S. i Słotwiński R. – Molekularne mechanizmy towarzyszące rozpoznawaniu…
W
STĘP
PRRs oddziałują wzajemnie inicjując kaskadę mechani
zmów molekularnych wrodzonej odpowiedzi immuno
logicznej [2].
W układzie odpornościowym człowieka wyróżnia się dwa
typy odpowiedzi immunologicznej – wrodzoną oraz na
bytą. Odporność nabyta, swoista odpowiada za eliminacje
określonych patogenów w późniejszej fazie infekcji, uczest
niczy w kształtowaniu pamięci immunologicznej, a biorą
w niej udział wyspecjalizowane komórki układu immuno
logicznego: limfocyty B i T. Odporność wrodzona o cha
rakterze nieswoistym, związana z procesem fagocytozy,
wytwarzaniem cytokin, zabijaniem patogenów i komórek
nimi zakażonych, jest pierwszą linią obrony organizmu
przeciw patogenom, w której uczestniczą m.in. makrofagi,
komórki NK i komórki dendrytyczne. Nie jest ona jednak
że odpowiedzią całkowicie nieswoistą, jak niegdyś uwa
żano, gdyż dzięki tzw. „receptorom rozpoznającym czą
steczki patogenu” (pattern recognition receptors – PRRs)
wykazuje zdolność odróżnienia własnych antygenów od
obcych. Wśród PRRs wyróżnia się receptory Tollpodob
ne (Tolllike receptors, TLRs), NODpodobne (NODlike
receptors, NLRs) oraz RIGIpodobne (RIGIlike recep
tors, RLRs). Receptory PRRs, występujące na komórkach
układu immunologicznego, rozpoznają struktury mikro
organizmów (np. LPS bakterii Gramujemnych, peptydo
glikan bakterii Gramdodatnich, bakteryjne DNA i inne)
często nazywane wzorami molekularnymi związanymi
z większą grupą mikroorganizmów (microbialassociated
molecular patterns, MAMPs), bądź ogólniej PAMP (pa
togenassociated molecular patterns). Cząsteczki PAMPs
inicjują molekularne mechanizmy, które prowadzą do ak
tywacji czynników transkrypcyjnych odpowiedzialnych za
ekspresję genów mediatorów zapalnych.
R
ECEPTORY
T
OLL
PODOBNE
– TLR
S
(T
OLL
LIKE
RECEPTORS
)
Receptory Toll po raz pierwszy zidentyfi kowano u larw
muszki owocowej (
Drosophila melanogaster
). Wykazano,
że ich aktywacja prowadzi do zwiększonego wytwarzania
peptydów przeciw drobnoustrojom: dipterycyn i defensyn.
Podobne receptory pod względem budowy i działania zi
dentyfi kowano także na komórkach ssaków i nazwano je
receptorami Tollpodobnymi [19]. TLRs są obecne na róż
nych komórkach układu odpornościowego m.in. makro
fagach, komórkach dendrytycznych (DCs), limfocytach
B, określonych subpopulacjach limfocytów T, a ich licz
ba zmienia się w odpowiedzi na kontakt z patogenami.
Receptory Tollpodobne dzieli się na zewnątrzkomórkowe
(TLRs 1, 2, 4, 5, 6) oraz wewnątrzkomórkowe (TLRs 3, 7,
8, 9), spotykane głównie w endosomach [2,13]. TLRs roz
poznają różnego rodzaju struktury patogenów, m.in. pep
tydoglikan (bakterie Gramdodatnie), lipopolisacharyd
(LPS) (bakterie Gramujemne), kwasy nukleinowe. W ta
beli 1 zestawiono receptory Tollpodobne wraz z ich po
znanymi do tej pory ligandami.
Receptory Tollpodobne na Nkońcu mają powtarzające
się fragmenty bogate w leucynę odpowiedzialne za roz
poznawanie PAMPs, zaś Ckoniec stanowi domena TIR
(Tollinterlekin1 receptor), która inicjuje wewnątrzko
mórkowe mechanizmy odpowiedzi na PAMPs, prowadzą
ce do aktywacji czynników transkrypcyjnych NF
k
B (nuc
lear factor
k
B), białka AP1 (activating protein1) i IRFs
(interferon regulatory factors), a co za tym idzie cytokin
zapalnych, IFN typu I i chemokin [16]. Po połączeniu od
powiedniego liganda z TLR, receptor ulega dimeryzacji,
a następnie do domeny TIR przyłącza się białko adapto
rowe: MyD88 (myleoid differentation primary response
protein 88), TIRAP/Mal (TIR domaincontaining adapter
protein), TRIF/TICAM1 (TIR domaincontaining adapter
inducing IFN
b
) lub TRAM/TICAM2 (Trifrelated adapter
molecule) [1,28]. Rodzaj przyłączanego białka zależy od
receptora TLR oraz od aktywacji czynników transkryp
cyjnych: szlaku MyD88zależnego lub MyD88niezależ
nego (ryc. 1).
Poznanie szlaków z udziałem receptorów wrodzonej odporno
ści (PRRs) pozwala na lepsze zrozumienie istoty działania od
porności wrodzonej na poziomie molekularnym. Znajomość
kaskady sygnałowej inicjowanej przez PAMPs umożliwia
rozwój precyzyjnych i celowanych metod wpływu i regula
cji wrodzonej odporności w odpowiedzi na patogeny.
R
ECEPTORY
ROZPOZNAJĄCE
CZĄSTECZKI
PATOGENU
– PRR
S
(
PATTERN
RECOGNITION
RECEPTORS
)
Układ immunologiczny człowieka rozpoznaje patogeny,
obce antygeny dzięki tzw. receptorom PRRs (pattern reco
gnition receptors), obecnym na lub w komórkach odpor
ności wrodzonej np. makrofagach i komórkach dendry
tycznych, limfocytach T i B, komórkach nabłonkowych
układu pokarmowego i oddechowego czy wewnątrz pę
cherzyków cytoplazmatycznych [11]. Klasyfi kacja rodzin
receptorów oparta jest o rodzaj rozpoznawanego patogenu:
TLRs rozpoznają bakterie, wirusy, grzyby i pierwotniaki,
podczas gdy NLRs rozpoznają tylko bakterie, a RLRs wi
rusy. Wszystkie mają podobne cechy:
1) Rozpoznają elementy budowy mikroorganizmów często
określane jako wzorce molekularne związane z mikro
organizmami MAMPs bądź ściślej PAMPs. Cząsteczki
te są niezbędne do przeżycia mikroorganizmów.
2) Zwykle występują konstytutywnie na komórkach ukła
du immunologicznego i rozpoznają PAMPs bez wzglę
du na fazę cyklu komórkowego patogenów.
3) W przeciwieństwie do receptorów nabytej odporności
geny receptorów wrodzonej odporności uzyskane są na
drodze ewolucji i kodowane w linii zarodkowej.
Szlak MyD88zależny
Białko MyD88 jest podstawowym białkiem w szlaku sy
gnałowym inicjowanym przez receptory Tollpodobne [3].
Prawie wszystkie poznane do tej pory TLRs (10 u człowie
ka, 13 u myszy [19]), z wyłączeniem TLR3, indukują eks
presje genów cytokin zapalnych z wykorzystaniem szlaku
MyD88zależnego. Do domeny TIR receptorów TLR5, 7,
8, 9 i 11 białko MyD88 przyłącza się bezpośrednio, nato
miast do TLR1, 2, 4 i 6 niezbędne jest uczestnictwo biał
ka adaptorowego TIRAP [17].
Do centralnego białka sygnałowego – MyD88 – przyłączają
się następnie białka: IRAK4 (interleukin1 receptorassocia
ted kinase 4) oraz IRAK1 (interleukin1 receptorassocia
ted kinase 1). Białka IRAK4 i IRAK1 są kolejno fosfory
lowane, odddysocjowują od MyD88, a następnie aktywują
białko TRAF6 (TNFRassociated factor 6). TRAF6 działa
31
!"#$%&'()$*+,-*.#$/&)%0*1'2#&#3*40*5(3#67'1#&()$/.8$'9
Postepy Hig Med Dosw (online), 2009; tom 63: 3038
Tabela 1. Ludzkie receptory TLR i ich ligandy [13,16,19]
Receptor TLR
Występowanie
Ligandy (PAMPs)
Pochodzenie liganda
TLR1
zewnątrzkomórkowy
lipopeptydy
bakterie, Mycobacterium
czynniki rozpuszczalne (lipoproteiny)
Neisseria meningitidis
TLR2
zewnątrzkomórkowy
bakteryjne lipoproteiny
Treponema, Mycoplasma, Borella
peptydoglikan, kwas lipotejchojowy
bakterie Gramdodatnie
lipoarabinomannam, rozpuszczalny
czynnik tuberkulinowy, MALP2
Mycobacterium
glikofosfatydyloinozytol
Trypanosoma cruzi
glikolipidy
Treponema maltophilum
poryny
Neisseria sp.
zymosan
grzyby
nietypowy lipopolisacharyd
Leptospira interrogans, Porphyromonas gingivalis
TLR2/TLR6 zewnątrzkomórkowy
MALP2
Mycobacterium
zymosan
grzyby
rozpuszczalny czynnik tuberkulinowy
Mycobacterium
TLR3
wewnątrzkomórkowy
podwójna nić RNA (dsRNA)
wirusy
poly(I: C)
syntetyczny
TLR4
zewnątrzkomórkowy
lipopolisacharyd (LPS)
bakterie Gramujemne, np. Escherichia coli
białka fuzyjne RSV
wirusy RSV (respiratory syncytia virus)
białko szoku cieplnego (HSP60)
człowiek
białko szoku cieplnego (HSP60, HSP70,
Cp96), brynogen)
Chlamydia pneumoniae
TLR5
zewnątrzkomórkowy
agellina
bakterie Gramujemne
TLR7
wewnątrzkomórkowy
pojedyncza nić RNA (ssRNA)
wirusowe
TLR8
wewnątrzkomórkowy
pojedyncza nić RNA (ssRNA)
wirusowe
TLR9
wewnątrzkomórkowy niemetylowane sekwencje CpG DNA
bakteryjne, wirusowe oraz syntetyczne formy CpG
TLR11
zewnątrzkomórkowy
nieznane
uropatogeniczny szczep Escherichia coli (UPECs)
białko pro linopodobne
Toxoplasma gondii
jak ligaza E3 ubikwityny i formując kompleks z białkami
Ubc13 i Uev1A ulega ubikwitynacji oraz ubikwitynuje biał
ko NEMO/IKK
g
z kompleksu IKK, w skład którego wcho
dzą białka IKK
a
, IKK
b
oraz wspomniane NEMO/IKK
g
.
Jednocześnie TRAF6 aktywuje białko TAK1 (transforming
growth factor
b
activated protein kinase 1), należące do du
żej rodziny kinaz MAP3K (MAP kinase kinase kinase), do
którego przyłączają się białka TAB1, TAB2 i TAB3 niezbęd
ne do pełnej aktywacji TAK1 [3,17]. TAK1 fosforyluje biał
ko IKK
b
z kompleksu IKK, który z kolei ubikwitynuje inhi
bitor czynnika transkrypcyjnego I
k
B (inhibitor of NF
k
B).
Inhibitor I
k
B po oznakowaniu ubikwityną oddysocjowuje od
NF
k
B, ulega degradacji w proteasomie, a to uwalnia i uak
tywnia czynnik NF
k
B, który przemieszcza się do jądra, gdzie
indukuje ekspresję genów dla cytokin zapalnych.
Po aktywacji białko TAK1 fosforyluje także dwie kina
zy z rodziny kinaz MAP: MKK3 i MKK6, które następ
nie fosforylują białka JNK i p38. Białka te odpowiadają za
aktywację czynnika transkrypcyjnego AP1, który induku
je ekspresję genów cytokin prozapalnych (głównie IL6)
[6]. Ekspresja cytokin prozapalnych jest także regulowa
na poprzez czynnik transkrypcyjny IRF5, aktywowany
przez białko TRAF6 [5,9].
W szlaku MyD88zależnym indukowane są także geny in
terferonów typu I. Wewnątrzkomórkowe TLRs (TLR7, 8
i 9) prowadzą do aktywacji czynników NF
k
B, AP1 oraz
IRF7 (interferon regulatory factor), które wędrują do ją
dra komórkowego, gdzie indukują ekspresję genów IFN
a
i IFN
b
[16].
32
!"#$%&'()$*+,-*.#$/&)%0*1'2#&#3*40*5(3#67'1#&()$/.8$'9
Kędziora S. i Słotwiński R. – Molekularne mechanizmy towarzyszące rozpoznawaniu…
Ryc. 1. Szlaki białek sygnałowych aktywowanych przez receptory Tollpodobne (opis w tekście) (wg [2,17] – zmody kowano)
33
!"#$%&'()$*+,-*.#$/&)%0*1'2#&#3*40*5(3#67'1#&()$/.8$'9
Postepy Hig Med Dosw (online), 2009; tom 63: 3038
Tabela 2. Receptory NLRs z ligandami i funkcją [14,20,31]
NLRs
Nazwa
Inna nazwa
Ligand (PAMP)
Funkcja
NALP
NALP1
DEFCAP; NAC; CARD7; CLR17.1
przerwana struktura ściany
komórkowej
aktywacja kaspazy 1 i kaspazy 5
NALP2
PYPAF2; NBS1; PAN1; CLR19.9
toksyna wąglika (Anthrax toxin)
aktywacja kaspazy 1
NALP3
(Cryopyrin)
PYPAF1; CIAS1; Cryopyrin; CLR1.1
bakteryjne RNA, toksyny i ATP;
kwas moczowy
aktywacja kaspazy 1
NALP4
PYPAF4; PAN2; RNH2; CLR19.5
brak danych
brak danych
NALP5
PYPAF8; MATER; PAN11; CLR19.8
brak danych
rozwój embrionalny
NALP6
PYPAF5; PAN3; CLR11.4
brak danych
aktywacja kaspazy 1 i NFκB
NALP7
PYPAF3; NOD12; PAN7; CLR19.4
brak danych
inhibicja kaspazy 1
NALP8
PAN4; NOD16; CLR19.2
brak danych
brak danych
NALP9
NOD6; PAN12; CLR19.1
brak danych
brak danych
NALP10
PAN5; NOD8; Pynod; CLR11.1
brak danych
inhibicja kaspazy 1 i NFκB
NALP11
PYPAF6; NOD17; PAN10; CLR19.6
brak danych
brak danych
NALP12
PYPAF7; Monarch1; RNO2; PAN6; CLR19.3
brak danych
inhibicja NFκB
NALP13
NOD14; PAN13; CLR19.7
brak danych
brak danych
NALP14
NOD5; PAN8; CLR11.2
brak danych
brak danych
NOD
NOD1
CARD4; CLR7.1
mDAP
aktywacja NFκB
NOD2
CARD15; IBD1; PSORAS1; CLR16.3
MDP
aktywacja NFκB
NOD3
CLR16.2
brak danych
brak danych
NOD4
NOD27; CLR16.1
brak danych
brak danych
NOD5
NOD9; CLR11.3
brak danych
brak danych
CIITA
CIITA
MHC2TA; C2TA
brak danych
wytwarzanie MHC II
IPAF
IPAF
CARD12; CLAN; CLR2.1
agellina
aktywacja kaspazy 1
NAIP
NAIP
BIRC1; CLR5.1
brak danych
aktywacja kaspazy 1
Szlak MyD88niezależny
i TRIFTRAF6 powoduje aktywację kompleksu IKK, opi
sanego wcześniej, co prowadzi do aktywacji NF
k
B i eks
presji genów zarówno cytokin zapalnych jak i IFN
b
.
Aktywacja ekspresji mediatorów zapalnych może się odby
wać także z wyłączeniem białka MyD88. Szlak MyD88nie
zależny wykorzystuje białko adaptorowe TRIF, aktywowa
ne bezpośrednio przez TLR3, bądź pośrednio przez białko
TRAM w przypadku TLR4 [17]. TRIF aktywuje kinazę
TBK1/NAK/T2K (TRAFfamilymemberassociated NF
k
B
activator (TANK) binding kinase 1), należącą do rodziny in
dukowanych kinaz I
k
B (IKKi/IKK
e
), które bezpośrednio
fosforylują IRF3 oraz IRF7 (interferon regulatory factor)
[12]. Po ufosforylowaniu IRF3 i IRF7 tworzą homodime
ry i są transportowane do jądra komórkowego, gdzie indu
kują ekspresję interferonu typu I – IFN
b
[8,26].
R
ECEPTORY
NOD
PODOBNE
– NLR
S
(NOD
LIKE
RECEPTORS
)
Receptory NODpodobne to duża rodzina wewnątrzkomór
kowych PPRs, rozpoznających struktury bakteryjne (dotąd
poznano 23 białka z rodziny NLRs u człowieka i przynaj
mniej 34 u myszy) [27]. Zbudowane są z trzech charakte
rystycznych rodzajów domen:
• Nkońcowej, efektorowej: PYD/NLRP/PAN/NALP/
PYPAF (pyrin domain), CARD/NLRC/NOD (caspase
recruitment domain), BIR/NAIP (baculoviral inhibito
ry repeat) lub transaktywującej, która reguluje wiąza
nie dalszych białek sygnałowych;
• domeny NBD/NACHT (nucleotidebinding domain),
zdolnej do regulowania oligomeryzacji receptora;
• Ckońcowej, złożonej z powtórzeń bogatych w leucynę
(LRR leucinerich repeats) [31].
W szlaku z pominięciem MyD88 aktywowany jest tak
że czynnik transkrypcyjny
k
B. Białko TRIF poprzez C
końcowy fragment może wiązać receptor RIP1 (receptor
interacting protein 1) lub poprzez fragment Nkońco
wy białko TRAF6 [24]. Zarówno droga TRIFRIP1, jak
34
!"#$%&'()$*+,-*.#$/&)%0*1'2#&#3*40*5(3#67'1#&()$/.8$'9
[ Pobierz całość w formacie PDF ]