Molekularne mechanizmy towarzyszace rozpoznawaniu patogenu przez receptory wrodzonej odpornosci, 2009.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:

http://www.phmd.pl/fulltxt.php?ICID=879268

Word count:

2041

Tables:

Figures:

References:

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

!"#$%&'()$*+,-*.#$/&)%0*1'2#&#3*40*5(3#67'1#&()$/.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

!"#$%&'()$*+,-*.#$/&)%0*1'2#&#3*40*5(3#67'1#&()$/.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].

!"#$%&'()$*+,-*.#$/&)%0*1'2#&#3*40*5(3#67'1#&()$/.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)

!"#$%&'()$*+,-*.#$/&)%0*1'2#&#3*40*5(3#67'1#&()$/.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

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

NALP9

NOD6; PAN12; CLR19.1

brak danych

NALP10

PAN5; NOD8; Pynod; CLR11.1

brak danych

inhibicja kaspazy 1 i NFκB

NALP11

PYPAF6; NOD17; PAN10; CLR19.6

brak danych

NALP12

PYPAF7; Monarch1; RNO2; PAN6; CLR19.3

brak danych

inhibicja NFκB

NALP13

NOD14; PAN13; CLR19.7

brak danych

NALP14

NOD5; PAN8; CLR11.2

brak danych

NOD

NOD1

CARD4; CLR7.1

mDAP

aktywacja NFκB

NOD2

CARD15; IBD1; PSORAS1; CLR16.3

MDP

aktywacja NFκB

NOD3

CLR16.2

brak danych

NOD4

NOD27; CLR16.1

brak danych

NOD5

NOD9; CLR11.3

brak danych

CIITA

MHC2TA; C2TA

brak danych

wytwarzanie MHC II

IPAF

CARD12; CLAN; CLR2.1

agellina

aktywacja kaspazy 1

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

!"#$%&'()$*+,-*.#$/&)%0*1'2#&#3*40*5(3#67'1#&()$/.8$'9

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: