IRG - IRGs

S imunitou související guanosin trifosfatázy nebo IRG jsou proteiny aktivované jako součást časné imunitní odpovědi. IRG byly popsány u různých savců, ale jsou nejlépe charakterizovány u myší. Aktivace IRG je ve většině případů vyvolána imunitní odpovědí a vede k odstranění určitých patogenů.

Obrázek 1: Krystalová struktura myší IRG (PDB id 1TQ6)

Pozadí

Interferonem (IFN) indukovatelné GTPasy zahrnují čtyři rodiny proteinů včetně proteinů rezistentních na myxovirus (Mx), proteinů vázajících guanylát (GBP), proteinů GTPázy souvisejících s imunitou (IRG) a velmi velkých indukovatelných proteinů GTPázy (VLIG). IRG propůjčují rezistenci na vakuolar patogeny lokalizací a narušením fagocytická vakuola během infekce. Aktivace IRG u myší je vyvolána interferon. Geny IRG byly identifikovány u různých obratlovců a nějaký bezobratlých. Podílejí se na důležité imunitní obraně proti intracelulárním patogenům a ve výsledku se staly terčem imunitního úniku těchto patogenů. Intracelulární prvoky parazit Toxoplasma gondii Bylo prokázáno, že cílí na IRG u myší, což umožňuje odolnost imunitní odpovědi hostitele.

Vývoj IRG

IRG se vyvinuly z bezobratlých

Studie k určení evolučního původu obratlovců vedly k pochopení vývoje procesů imunitního systému a dále k zodpovězení otázek, jak a proč se patogeny naučily těmto selektovatelným genetickým rysům vyhýbat a uzavírat je. U bezobratlých bylo identifikováno osm funkčních a čtyři pseudo IRG geny Branchiostoma floridiae.[1] Li a kol. stanovil expresní vzorce funkčních IFN-indukovatelných genů GTPázy v Branchiostoma japonicum na různých imunologických místech, pokud jsou vyvolány patogeny a patogenními látkami. Tyto důkazy naznačují, že IRG mohou fungovat v imunitní schopnosti v cephalochordates. Paradoxem zůstává, že tyto IRG fungují bez indukce IFN aktivačními cestami B. japonicum a další amphioxus Druhy nemají geny pro IFN a IFN receptory.[2] Je možné, že IRG mohly existovat před Kambrijská exploze jako vrozený imunitní mechanismus as vývojem adaptivního imunitního systému u obratlovců se IFN vyvinul k modulaci funkce IRG.

Obratlovci vyvinuli řadu genů IRG jako celek, potenciálně kvůli evoluci mezi různými interakcemi patogenů. The Myš C57BL / 6 má 23 IRG genů, z nichž 21 může být funkční v odolnosti vůči patogenům (6 je dobře charakterizováno),[3] zatímco u lidí se vyvinul pouze 1 funkční IRG gen (IRGM) a jeden pseudogen.[4] Studie na myších charakterizovaly význam efektorové molekuly typu 2 IFNy v různých typech buněk [5][6] a dále určoval význam těchto proteinů v rezistenci na intracelulární patogeny.[7]

Ortologický Irgc Geny (aka: Kino) se nacházejí u lidí a myší. Tyto ortology nejsou indukovatelné IFN a jsou exprimovány pouze ve varlatech obou savců.[3] U psů a zebrafish bylo identifikováno několik genů IRG, ale u modelového organismu jen málo Tetraodontidae (pufferfish). Geny IRG u lidí jsou považovány za ztracené v divergenci primátů.[1][3] Rozdíly mezi druhy a uvnitř druhů naznačují vysokou míru evolučních změn pro tento konkrétní prvek interakce hostitelského patogenu a zdůrazňují důležitost pochopení omezení používání modelových systémů ke studiu lidské imunologie.

Mechanismy

Závislost na IRG je nejlépe ilustrována ve studiích na myších. Bylo provedeno několik studií s použitím knockoutových modelů myší k určení funkce IRG. Mechanismy odstraňování patogenů prostřednictvím lysozom bylo určeno zrání a destrukce vakuoly. IRG jsou navíc zapojeny do kontroly hematopoetické rovnováhy během infekce. Irg1 knockoutované myši infikované Mycobacterium vyústilo v pancytopenie v důsledku nedostatečnosti hematopoetické kmenové buňky expanze.[8]

IRG a myši

Obrázek 2: Účinky genetických polymorfismů. Hostitelské polymorfismy v lokusech IRG mohou změnit schopnost buněk eliminovat vakuolizovaný patogen. Alternativně mohou patogeny obsahující kódující variace v efektorových proteinech obejít buněčnou reakci na infekci a generovat prostředí prostupující pro patogen.

Myší genom kóduje 23 IRG, z nichž několik bylo prokázáno, že jsou široce exprimovány (játra, srdce, slezina, střevo, brzlík, plíce, varlata, ledviny, mozek, kůže) v řadě typů buněk,[9] a jsou velmi up-regulovány po expozici silné imunitní efektorové molekule interferon gama, IFNy.[10] IRG se dělí do dvou dalších tříd na základě způsobu činnosti a mechanismu. Třída GSK (Irga6, Irgb6 a Irgd) jsou považovány za kanonické seskupení GTPasy, zatímco druhá skupina GMS proteinů, které mají a lysin na methionin mutace v Aktivní stránky, funkce zabraňující předčasné aktivaci přidružením k nukleotid vazba motiv podobným způsobem jako Inhibitory disociace guanosin nukleotidů (GDI).[11][12] Subcelulární lokalizace IRG je variabilní; Irga6 a Irgm3 se nacházejí převážně v EU endoplazmatické retikulum, Irgm1 a Irgm2 byly lokalizovány do Golgiho aparát,[13] a nejméně dva IRG (Irgb6 a Irgd) byly nalezeny převážně v rámci cytosol.[14] Po vstupu buňky z Toxoplasma gondii, IRG se mohou rychle přerozdělit na parazitoforní vakuola membrána (PVM) během 2–30 minut.[12] Přibližné pořadí zdobení PVM bylo definováno počínaje načítáním Irgb6 a Irgb10 následovaným Irga6, Irgd a Irgm2. Slabá lokalizace Irgm3 zapnuta T. gondii ve vzácných podmínkách se také vyskytovaly vakuoly. Předpokládá se, že aktivace IRG sleduje cyklus IRG-IRG závislý na GTP oligomerizace.[15] Předpokládá se, že zavádění „průkopnických“ IRG do vakuoly výrazně zvýší nábor dalších IRG kooperativním způsobem.

Patogeny společně vyvinuly jedinečné mechanismy, které interferovaly s různými kroky vedoucími k asociaci úplného doplňku IRG potřebných k vytvoření vakuolárního destruktivního komplexu. Jeden takový příklad byl objasněn infekcí virulentní a rekombinantní, avirulentní kmeny T. gondii. Složitý mechanismus demonstruje společně se vyvíjející interakci mezi těmito dvěma druhy. Typ I. T. gondii rhoptry efektor molekula Rop18, a serin-threoninkináza, bylo nedávno prokázáno, že selektivně fosforyluje a inaktivuje „průkopnické“ IRG, čímž brání jejich shromáždění, aktivaci a zničení T. gondii vakuola uvnitř monocyty.[16][17]

Kromě role IRG v T. gondii infekce, odstranění Mycobacterium Bylo také prokázáno, že Mtb je nepříznivě ovlivněn u myší bez Irgm1, klíčového negativního regulačního IRG.[10] Předpokládá se, že zahrnuje mechanismus odbavení lipid interakce, které pomáhají při zacílení IRG na Mtb obsahující fagozomy v rámci makrofágy.[18]

Obrázek 3: Po invazi řady povinných intracelulárních parazitů vedlo zvýšení interferonu gama ke zvýšené syntéze IRG. Specifický kontext a lokalizace aktivovaných IRG může vést k aktivaci několika integrovaných buněčných drah, což má za následek buď kolonizaci hostitelské buňky, smrt parazita a / nebo smrt infikované buňky jednou z cest buněčné smrti. Řada patogenů může mít také efektorové molekuly, které mohou ovlivnit aktivaci buněčných procesů po aktivaci IRG.

Další příklad role IRG v myším modelu infekce je demonstrován diferenciálním náborem IRG, které mění výsledek Chlamydia trachomatis, člověk přizpůsobený, versus Chlamydia muridarum, přizpůsobeno myši, inkluze následující záznam. C. trachomatis inkluze získávají úplný repertoár IRG, které pomáhají při eliminaci inkluze fúzí s lysozomy.[19] Bylo zjištěno, že regulace exprese a aktivity IRG v tomto modelu závisí jak na hladinách fosfolipázy C, cPLA2, stejně jako upstream signalizace IFN. cPLA2 nulové myší buňky, když byly vystaveny C. trachomatis, byly méně schopné vyčistit patogen ve srovnání s buňkami se správnou expresí cPLA2.[20] Tento model zdůrazňuje společný vývoj demonstrovaný efektorovými molekulami C. muridarum fungující k omezení akumulace myších IRG na inkluzích modifikací Irgb10, zatímco lidský patogen není schopen modifikovat myší IRG reakci.[19] Tento mechanismus vyžaduje další zapojení buněčné autofagie, což je na rozdíl od nekrotický aktivace dráhy v clearance T. gondii.[17] Vylepšený mechanismus bude vyžadovat další studie k objasnění spolupráce mezi EU autofagie stroje a IRG podílející se na fúzi bakteriálních inkluzí s lysozomem, jakož i specifické bakteriální efektorové molekuly používané k manipulaci s koordinovaným působením IRG.[21]

Kromě role Irgm1 při odstraňování parazitů, a cytoprotektivní role byla navržena u dospělých CD4 + T buňky po expozici IFNy v a TH1 Odezva.[22] U myší s nulovou hodnotou Irgm1 byl hlášen vývoj pancytopenie po infekci oběma Mycobacterium avium a Trypanosoma cruzi. Tento fenotyp byl obrácen, když byl prezentován v modelu dvojitého knock-outu IFNy / Irgm1. Tyto studie poskytly důkazy o tom, že role IRG se může ukázat jako nejen prostorově a časově regulovaná vysoce koordinovaným způsobem, ale že mají kontextově specifické pomocné role mimo tradiční fagolysozom vývoj a zrání.[22][23]

IRG a lidé

U lidí existují pouze tři domnělé geny IRG, z nichž IRGM je známo, že je ortologem myší Irgm1.[4] Existují čtyři izoformy IRGM (a-d). Na rozdíl od myších IRG jsou lidské izoformy IRGM vždy exprimovány pod lidským retrovirovým prvkem ERV9 a jsou nezávislé na hladinách IFNy. IRGMb a d mají domnělý G5 (SAK) motiv v jejich C koncové oblasti ocasu, zatímco ostatní dva izoformy ne.[24] IRGMd se v cytoplazmě jeví jako difúzní a je translokován do mitochondrie se objevují jako tečkované tečky. Dále bylo prokázáno, že se váže na lipid mitochondriální membrány, kardiolipin a ovlivňuje změnu morfologie organel. Obecně se ukázalo, že lidské IRG ovlivňují několik procesů, jako je autofagie, mitochondriální štěpení, změna potenciálu mitochondriální membrány a buněčná smrt.

Obrázek 4: Předpokládaný mechanismus působení lidské IRGM. Při mírných až nízkých úrovních exprese IRGM neustále zkoumají signály, jako je vstup patogenu, hladovění nebo zvýšení hladin IFNy. Po setkání s patogenem se zapnou mitochondriální štěpné dráhy vedoucí k autofagii a mikrobiální clearance podporující přežití hostitelských buněk. Při vysoké expresi se IRGMd váže na lipid vázaný na mitochondriální membránu zvaný kardiolipin a translokuje se do mitochondrií. To vede k depolarizaci, ztrátě potenciálu mitochondriální membrány a stimuluje proapoptotickou smrt hostitelských buněk závislých na Bax / Bak.

Ukázalo se, že lidská IRGM, stejně jako její myší protějšek, hraje roli v autofagii, jejíž mechanismus není zcela objasněn. LC3 je s mikrotubuly spojený rozpustný protein nacházející se v savčích tkáních. Cytoplazmatické proteiny a organely jsou pohlcovány autofagozomy, které převádějí LC3-I na LC3-II. Přítomnost LC3-II slouží jako marker autofagie a lze ji detekovat pomocí imunofluorescence nebo imunoblotování.[25] IRGM pomáhá převádět LC3-I na LC3-II v makrofázích.[4] IRGM mají dvojí roli. Pokud jsou exprimovány na velmi nízkých úrovních, slouží k ochraně před intracelulárními patogeny, ale když jsou nadměrně exprimovány izoformy a, c a d, vede to k buněčné smrti a zánětu.

Studie naznačují, že nedostatek IRGM je rizikovým faktorem Crohnova nemoc a tuberkulóza. Lidé používají IRGM jako obranný mechanismus proti intracelulárním bakteriím Mycobacterium tuberculosis. Bylo zjištěno, že je to důležité při zrání fagozomu a při snižování počtu intracelulárních mykobakterií pomocí dalších mitochondriálních štěpných proteinů, jako jsou DRP1 a FIs1.[4] Za určitých podmínek, mitochondriální štěpení a jeho přidružené proteiny podporují autofagii, zatímco mitochondriální fúze inhibuje totéž. Za podmínek vyvolávajících autofagii zvyšuje IRGM také ROS (Reaktivní formy kyslíku ) Výroba.

Vysoká hladina IRGMd spouští štěpení mitochondrií, vede ke ztrátě potenciálu mitochondriální membrány a způsobuje smrt hostitelských buněk. Štěpení je také spojeno s mitochondriálními látkami Bax /Bak závislá apoptóza a IRGMd vyžaduje, aby tyto proteiny byly funkční. Smrt buněk pomocí IRGM je nezávislá na autofagii, ale místo toho závisí na výše zmíněných pro-apoptotických faktorech. V důsledku buněčné smrti indukované IRGM umírající a nekrotické buňky uvolňují jaderný HMGB1, prozánětlivý alarm, který se podílí na Crohnově nemoci.[24]

Reference

  1. ^ A b Li G, Zhang J, Sun Y, Wang H, Wang Y (2009). „Evolučně dynamické proteiny GTPázy indukované IFN hrají konzervované imunitní funkce u obratlovců a cefalochordátů“. Mol Biol Evol. 26 (7): 1619–30. doi:10,1093 / molbev / msp074. PMID  19369598.
  2. ^ Huang S, Yuan S, Guo L, Yu Y, Li J, Wu T a kol. (2008). „Genomická analýza imunitního genového repertoáru amphioxu odhaluje mimořádnou vrozenou složitost a rozmanitost“. Genome Res. 18 (7): 1112–26. doi:10.1101 / gr.069674.107. PMC  2493400. PMID  18562681.
  3. ^ A b C Bekpen C, Hunn JP, Rohde C, Parvanova I, Guethlein L, Dunn DM a kol. (2005). „Interferonem indukovatelné p47 (IRG) GTPasy u obratlovců: ztráta mechanismu autonomní rezistence buněk v lidské linii“. Genome Biol. 6 (11): R92. doi:10.1186 / gb-2005-6-11-r92. PMC  1297648. PMID  16277747.
  4. ^ A b C d Singh SB, Davis AS, Taylor GA, Deretic V (2006). „Lidská IRGM indukuje autofagii k eliminaci intracelulárních mykobakterií“. Věda. 313 (5792): 1438–41. Bibcode:2006Sci ... 313.1438S. doi:10.1126 / science.1129577. PMID  16888103.
  5. ^ Gilly M, Wall R (1992). „Gen IRG-47 je IFN-gama indukovaný v B buňkách a kóduje protein s motivy vázajícími GTP“. J. Immunol. 148 (10): 3275–81. PMID  1578148.
  6. ^ Taylor GA, Jeffers M, Largaespada DA, Jenkins NA, Copeland NG, Woude GF (1996). "Identifikace nové GTPázy, indukovatelně exprimované GTPázy, která se hromadí v reakci na IFNy". J Biol Chem. 271 (34): 20399–405. doi:10.1074 / jbc.271.34.20399. PMID  8702776.
  7. ^ Taylor GA, Collazo CM, Yap GS, Nguyen K, Gregorio TA, Taylor LS a kol. (2000). „Ztráta rezistence hostitele specifická pro patogen u myší bez genu IGTP indukovatelného IFN-gama“. Proc Natl Acad Sci U S A. 97 (2): 751–5. Bibcode:2000PNAS ... 97..751T. doi:10.1073 / pnas.97.2.751. PMC  15402. PMID  10639151.
  8. ^ Feng CG, Collazo-Custodio CM, Eckhaus M, Hieny S, Belkaid Y, Elkins K a kol. (2004). „Myši s nedostatkem LRG-47 vykazují zvýšenou náchylnost k mykobakteriální infekci spojené s indukcí lymfopenie“. J. Immunol. 172 (2): 1163–8. doi:10,4049 / jimmunol.172.2.1163. PMID  14707092.
  9. ^ Zeng J, Parvanova IA, Howard JC (2009). „Speciální promotor řídí konstitutivní expresi buněčné autonomní imunitní rezistence GTPázy, Irga6 (IIGP1) v myších játrech“. PLOS ONE. 4 (8): e6787. Bibcode:2009PLoSO ... 4.6787Z. doi:10.1371 / journal.pone.0006787. PMC  2848866. PMID  20368812.
  10. ^ A b MacMicking JD, Taylor GA, McKinney JD (2003). "Imunitní kontrola tuberkulózy pomocí IFN-gama indukovatelného LRG-47". Věda. 302 (5645): 654–9. Bibcode:2003Sci ... 302..654M. doi:10.1126 / science.1088063. PMID  14576437.
  11. ^ Pawlowski N, Khaminets A, Hunn JP, Papic N, Schmidt A, Uthaiah RC a kol. (2011). „Aktivační mechanismus Irga6, interferonem indukovatelné GTPázy přispívající k odolnosti myší proti Toxoplasma gondii". BMC Biol. 9: 7. doi:10.1186/1741-7007-9-7. PMC  3042988. PMID  21276251.
  12. ^ A b Khaminets A, Hunn JP, Könen-Waisman S, Zhao YO, Preukschat D, Coers J a kol. (2010). "Koordinované načítání GTPáz odolných vůči IRG na Toxoplasma gondii parazitoforní vakuola ". Cell Microbiol. 12 (7): 939–61. doi:10.1111 / j.1462-5822.2010.01443.x. PMC  2901525. PMID  20109161.
  13. ^ Zhao YO, Könen-Waisman S, Taylor GA, Martens S, Howard JC (2010). „Lokalizace a nesprávná lokalizace interferonem indukovatelné GTPázy související s imunitou, Irgm1 (LRG-47) v myších buňkách“. PLOS ONE. 5 (1): e8648. Bibcode:2010PLoSO ... 5.8648Z. doi:10,1371 / journal.pone 0008648. PMC  2799677. PMID  20072621.
  14. ^ Martens S, Sabel K, Lange R, Uthaiah R, Wolf E, Howard JC (2004). „Mechanismy regulující umístění myších p47 rezistentních GTPáz LRG-47 a IIGP1 na buněčné membrány: přesměrování na plazmatickou membránu indukované fagocytózou“. J. Immunol. 173 (4): 2594–606. doi:10,4049 / jimmunol.173.4.2594. PMID  15294976.
  15. ^ Uthaiah RC, Praefcke GJ, Howard JC, Herrmann C (2003). „IIGP1, interferonem gama indukovatelná 47-kDa GTPáza myši, vykazující kooperativní enzymatickou aktivitu a GTP závislou multimerizaci“. J Biol Chem. 278 (31): 29336–43. doi:10,1074 / jbc.M211973200. PMID  12732635.
  16. ^ Fentress SJ, Behnke MS, Dunay IR, Mashayekhi M, Rommereim LM, Fox BA a kol. (2010). „Fosforylace GTPáz souvisejících s imunitou pomocí a Toxoplasma gondiivylučovaná kináza podporuje přežití a virulenci makrofágů “. Buněčný hostitelský mikrob. 8 (6): 484–95. doi:10.1016 / j.chom.2010.11.005. PMC  3013631. PMID  21147463.
  17. ^ A b Zhao YO, Khaminets A, Hunn JP, Howard JC (2009). "Narušení Toxoplasma gondii parazitoforová vakuola IFNgamma indukovatelnou imunitou související GTPasy (proteiny IRG) spouští nekrotickou buněčnou smrt ". PLoS Pathog. 5 (2): e1000288. doi:10.1371 / journal.ppat.1000288. PMC  2629126. PMID  19197351.
  18. ^ Tiwari S, Choi HP, Matsuzawa T, Pypaert M, MacMicking JD (2009). „Cílení GTPázy Irgm1 na fagozomální membránu pomocí PtdIns (3,4) P (2) a PtdIns (3,4,5) P (3) podporuje imunitu vůči mykobakteriím“. Nat Immunol. 10 (8): 907–17. doi:10.1038 / ni.1759. PMC  2715447. PMID  19620982.
  19. ^ A b Coers J, Bernstein-Hanley I, Grotsky D, Parvanova I, Howard JC, Taylor GA a kol. (2008). „Chlamydia muridarum se vyhýbá omezení růstu pomocí faktoru rezistence hostitele Irgb10 indukovaného IFN-gama.“. J. Immunol. 180 (9): 6237–45. doi:10,4049 / jimmunol. 180,9,6237. PMID  18424746.
  20. ^ Vignola MJ, Kashatus DF, Taylor GA, Counter CM, Valdivia RH (2010). "cPLA2 reguluje expresi interferonů typu I a intracelulární imunitu vůči Chlamydia trachomatis". J Biol Chem. 285 (28): 21625–35. doi:10.1074 / jbc.M110.103010. PMC  2898388. PMID  20452986.
  21. ^ Al-Zeer MA, Al-Younes HM, Braun PR, Zerrahn J, Meyer TF (2009). „IFN-gama indukovatelná Irga6 zprostředkovává rezistenci hostitele proti Chlamydia trachomatis prostřednictvím autofagie“. PLOS ONE. 4 (2): e4588. Bibcode:2009PLoSO ... 4.4588A. doi:10,1371 / journal.pone.0004588. PMC  2643846. PMID  19242543.
  22. ^ A b Feng CG, Zheng L, Jankovic D, Báfica A, Cannons JL, Watford WT a kol. (2008). „GTPáza Irgm1 související s imunitou podporuje expanzi populací aktivovaných CD4 + T buněk prevencí buněčné smrti indukované interferonem gama“. Nat Immunol. 9 (11): 1279–87. doi:10.1038 / ni.1653. PMC  2580721. PMID  18806793.
  23. ^ Feng CG, Zheng L, Lenardo MJ, Sher A (2009). „Interferonem indukovatelná imunita související GTPáza Irgm1 reguluje obranu hostitele závislou na IFN gama, přežití lymfocytů a autofagii“. Autofagie. 5 (2): 232–4. doi:10,4161 / auto. 5.2.7445. PMC  2749220. PMID  19066452.
  24. ^ A b Singh SB, Ornatowski W, Vergne I, Naylor J, Delgado M, Roberts E a kol. (2010). „Lidská IRGM reguluje autofagii a funkce buněčné autonomní imunity prostřednictvím mitochondrií“. Nat Cell Biol. 12 (12): 1154–65. doi:10.1038 / ncb2119. PMC  2996476. PMID  21102437.
  25. ^ Tanida I, Ueno T, Kominami E (2008). "LC3 a autofagie". Methods Mol Biol. 445: 77–88. doi:10.1007/978-1-59745-157-4_4. PMID  18425443.