IRG - IRGs
Trifosfatazy guanozyny związane z odpornością lub IRG są białkami aktywowanymi jako część wczesnej odpowiedzi immunologicznej. IRG zostały opisane u różnych ssaków, ale najlepiej scharakteryzowano je u myszy. Aktywacja IRG w większości przypadków jest indukowana przez odpowiedź immunologiczną i prowadzi do usunięcia niektórych patogenów.
Tło
GTPazy indukowane interferonem (IFN) obejmują cztery rodziny białek, w tym białka oporne na myksowirusy (Mx), białka wiążące guanylany (GBP), białka GTPazy związane z odpornością (IRG) i bardzo duże białka indukowalne GTPazy (VLIG). IRG zapewniają odporność na patogeny wakuolarne , lokalizując i rozrywając wakuolę fagocytarną podczas infekcji. Aktywacja IRG u myszy jest indukowana przez interferon . Geny IRG zidentyfikowano u różnych kręgowców i niektórych bezkręgowców . Są zaangażowane w ważną obronę immunologiczną przeciwko patogenom wewnątrzkomórkowym, w wyniku czego stały się celem unikania odporności przez te patogeny. Wykazano, że wewnątrzkomórkowy pasożyt pierwotniak Toxoplasma gondii celuje w IRG u myszy, umożliwiając odporność na odpowiedź immunologiczną gospodarza.
Ewolucja IRG
IRG ewoluowały z bezkręgowców
Badania mające na celu określenie ewolucyjnego pochodzenia kręgowców doprowadziły do zrozumienia rozwoju procesów układu odpornościowego, a także odpowiedzi na pytania, w jaki sposób i dlaczego patogeny nauczyły się unikać i wyłączać te selektywne cechy genetyczne. U bezkręgowców Branchiostoma floridiae zidentyfikowano osiem funkcjonalnych i cztery pseudo-IRG . Li i in. określili wzory ekspresji funkcjonalnych genów GTPazy indukowanych przez IFN w Branchiostoma japonicum w różnych miejscach immunologicznych, gdy są indukowane przez patogeny i substancje chorobotwórcze. Dowody te sugerują, że IRG mogą funkcjonować jako układ odpornościowy w głowowostrunach . Paradoksem pozostaje to, że te IRG działają bez indukcji przez szlaki aktywacji IFN, ponieważ B. japonicum i inne gatunki amphioxus nie posiadają genów receptora IFN i IFN. Możliwe, że IRG mogły istnieć przed eksplozją kambryjską jako wrodzony mechanizm odpornościowy, a wraz z ewolucją adaptacyjnego układu odpornościowego kręgowców, IFN ewoluował, by modulować funkcję IRG.
Kręgowce wyewoluowały cały szereg genów IRG, potencjalnie z powodu ewolucji między różnymi interakcjami patogenów. C57BL / 6 myszy ma 23 iRG geny, które 21 mogą być funkcjonalne w odporności na patogeny (6 są dobrze scharakteryzowane), podczas gdy ludzie ewoluowały tylko jeden funkcjonalny iRG gen (IRGM) i jeden pseudogen . Badania na myszach scharakteryzowały znaczenie cząsteczki efektorowej typu 2 IFNγ w różnych typach komórek, a następnie określiły znaczenie tych białek w odporności na patogeny wewnątrzkomórkowe.
Ortologicznej IRGC (aka: Kino) genów występują u ludzi i myszy. Te ortologi nie są indukowalne przez IFN i są wyrażane tylko w jądrach obu ssaków. Wiele genów IRG zidentyfikowano u psów i danio pręgowanego, ale niewiele w organizmie modelowym Tetraodontidae (rozdymka). Uważa się, że geny IRG u ludzi zostały utracone w wyniku dywergencji naczelnych. Różnice między gatunkami i w obrębie gatunku sugerują wysokie tempo zmian ewolucyjnych dla tego konkretnego elementu interakcji z patogenem gospodarza i podkreślają znaczenie zrozumienia ograniczeń stosowania systemów modelowych do badania immunologii człowieka.
Mechanizmy
Zależność od IRG najlepiej zilustrowano w badaniach na myszach. Przeprowadzono wiele badań z użyciem mysich modeli knockout w celu określenia funkcji IRG. Określono mechanizmy usuwania patogenów poprzez dojrzewanie lizosomów i niszczenie wakuoli. Dodatkowo, IRG są zaangażowane w kontrolę równowagi hematopoetycznej podczas infekcji. Myszy z nokautem Irg1 zakażone Mycobacterium powodowały pancytopenię w wyniku niewystarczającej ekspansji hematopoetycznych komórek macierzystych .
IRG i myszy
Genom myszy koduje 23 IRG, z których kilka, jak wykazano, ma szeroką ekspresję (wątroba, serce, śledziona, jelito, grasica, płuca, jądra, nerki, mózg, skóra) w wielu typach komórek i są one znacznie regulowany po ekspozycji na silnie działającą immunologiczną cząsteczkę efektorową, interferon gamma , IFNγ. IRG są podzielone na dwie dodatkowe klasy w oparciu o tryb działania i mechanizm. Klasa GSK (Irga6, Irgb6 i Irgd) jest uważana za kanoniczną grupę GTPaz , podczas gdy druga grupa białek GMS, które mają mutację lizyny do metioniny w miejscu aktywnym , zapobiega przedwczesnej aktywacji poprzez wiązanie z nukleotydem motyw w sposób podobny do inhibitorów dysocjacji nukleotydów guanozyny (GDI). Subkomórkowa lokalizacja IRG jest zmienna; Irga6 i Irgm3 znajdują się głównie w retikulum endoplazmatycznym , Irgm1 i Irgm2 zostały zlokalizowane w aparacie Golgiego , a co najmniej dwa IRG (Irgb6 i Irgd) zostały znalezione głównie w cytozolu . Po wniknięciu Toxoplasma gondii do komórek, IRG mogą w ciągu 2–30 minut szybko przemieścić się na błonę wakuoli parazytoforycznych (PVM). Przybliżoną kolejność dekorowania PVM zdefiniowano zaczynając od obciążenia Irgb6 i Irgb10, a następnie Irga6, Irgd i Irgm2. Słaba lokalizacja Irgm3 na wakuolach T. gondii również występowała w rzadkich miejscach. Uważa się, że aktywacja IRG następuje po zależnym od GTP cyklu oligomeryzacji IRG-IRG . Uważa się, że ładowanie „pionierskich” IRG na wakuolę znacznie zwiększa rekrutację dodatkowych IRG w sposób oparty na współpracy.
Patogeny wspólnie wyewoluowały unikalne mechanizmy zakłócające różne etapy prowadzące do połączenia pełnego zestawu IRG potrzebnych do utworzenia kompleksu destrukcyjnego wakuolarów. Jeden z takich przykładów został wyjaśniony przez infekcję wirulentnymi i rekombinowanymi , niezjadliwymi szczepami T. gondii . Skomplikowany mechanizm pokazuje współewoluującą interakcję między tymi dwoma gatunkami. Ostatnio wykazano, że efektorowa cząsteczka T. gondii rhoptry typu I Rop18, kinaza serynowo-treoninowa selektywnie fosforyluje i dezaktywuje „pionierskie” IRG, zapobiegając w ten sposób ich składaniu, aktywacji i niszczeniu wakuoli T. gondii w monocytach .
Oprócz roli IRG w zakażeniu T. gondii , wykazano również niekorzystny wpływ na usuwanie Mycobacterium Mtb u myszy pozbawionych Irgm1, kluczowego negatywnego regulatorowego IRG. Mechanizm klirensu, że włączenie lipidów interakcje, które ułatwiają kierowanie do IRGs MTB zawiera fagosom wewnątrz makrofagów .
Innym przykładem roli IRG w mysim modelu infekcji jest zróżnicowana rekrutacja IRG, która zmienia wynik Chlamydia trachomatis , przystosowanej do człowieka, w porównaniu do Chlamydia muridarum , przystosowanej do myszy, inkluzji po wejściu. Inkluzje C. trachomatis rekrutują pełen repertuar IRG, które pomagają w eliminacji inkluzji poprzez fuzję z lizosomami . Stwierdzono, że regulacja ekspresji i aktywności IRG w tym modelu jest zależna zarówno od poziomów fosfolipazy C, cPLA2 , jak i od sygnalizacji IFN w górę. Komórki myszy pozbawione cPLA2, prowokowane C. trachomatis , były mniej zdolne do usuwania patogenu w porównaniu z komórkami z prawidłową ekspresją cPLA2. Model podkreśla koewolucję wykazaną przez działanie cząsteczek efektorowych C. muridarum w celu ograniczenia akumulacji mysich IRG na inkluzjach poprzez modyfikację Irgb10, podczas gdy ludzki patogen nie jest zdolny do modyfikowania mysiej odpowiedzi IRG. Mechanizm ten wymaga dodatkowego zaangażowania maszynerii autofagii komórkowej, co jest przeciwieństwem aktywacji szlaku martwiczego w usuwaniu T. gondii. Udoskonalony mechanizm będzie wymagał dodatkowych badań w celu wyjaśnienia współpracy między maszynerią autofagii a IRG zaangażowanymi w fuzję wtrąceń bakteryjnych z lizosomem, a także specyficznych bakteryjnych cząsteczek efektorowych używanych do manipulowania skoordynowanymi działaniami IRG.
Oprócz roli Irgm1 w usuwaniu pasożytów, sugerowano rolę cytoochronną w dojrzałych limfocytach T CD4 + po ekspozycji na IFNy w odpowiedzi TH1 . U myszy Irgm1 null odnotowano rozwój pancytopenii po zakażeniu zarówno Mycobacterium avium, jak i Trypanosoma cruzi . Ten fenotyp uległ odwróceniu, gdy był prezentowany w modelu podwójnego nokautu IFNγ/Irgm1. Badania te dostarczyły dowodów na to, że rola IRG może okazać się nie tylko przestrzennie i czasowo regulowana w wysoce skoordynowany sposób, ale że pełnią one specyficzne dla kontekstu role pomocnicze poza tradycyjnym rozwojem i dojrzewaniem fagolizosomów .
IRG i ludzie
Istnieją tylko trzy przypuszczalne geny IRG u ludzi, z których IRGM jest znany jako ortolog mysiego Irgm1. Istnieją cztery izoformy IRGM (ad). W przeciwieństwie do mysich IRG, ludzkie izoformy IRGM są zawsze wyrażane pod elementem ludzkiego retrowirusa ERV9 i są niezależne od poziomów IFNγ. IRGMb id mają przypuszczalny motyw G5 (SAK) w regionie ogona na końcu C, podczas gdy pozostałe dwie izoformy nie. IRGMd wydaje się być rozproszony w cytoplazmie i przeniesiony do mitochondriów w postaci punktowanych kropek. Dodatkowo wykazano, że wiąże się z lipidem błony mitochondrialnej, kardiolipiną i wpływa na zmianę morfologii organelli. Ogólnie wykazano, że ludzkie IRG wpływają na kilka procesów, takich jak autofagia , rozszczepienie mitochondriów , zmiana potencjału błony mitochondrialnej i śmierć komórki .
Wykazano, że ludzki IRGM, podobnie jak jego mysi odpowiednik, odgrywa rolę w autofagii, której mechanizm nie jest w pełni poznany. LC3 jest związanym z mikrotubulami rozpuszczalnym białkiem występującym w tkankach ssaków. Białka cytoplazmatyczne i organelle są otoczone przez autofagosomy, które przekształcają LC3-I w LC3-II. Obecność LC3-II służy jako marker autofagii i może być wykryta przez immunofluorescencję lub immunoblotting . IRGM pomaga w konwersji LC3-I do LC3-II w makrofagach. IRGM pełnią podwójną rolę. Gdy są wyrażane na bardzo niskich poziomach, służą do ochrony przed patogenami wewnątrzkomórkowymi, ale gdy izoformy a, c i d są nadeksprymowane, prowadzi to do śmierci komórki i zapalenia.
Badania wskazują, że brak IRGM jest czynnikami ryzyka choroby Leśniowskiego-Crohna i gruźlicy . Ludzie wykorzystują IRGM jako mechanizm obronny przed bakteriami wewnątrzkomórkowymi Mycobacterium tuberculosis . Stwierdzono, że jest ważna w dojrzewaniu fagosomów i zmniejszaniu liczby prątków wewnątrzkomórkowych za pomocą innych mitochondrialnych białek rozszczepienia, takich jak DRP1 i FIs1. W pewnych warunkach rozszczepienie mitochondrialne i związane z nim białka promują autofagię, podczas gdy fuzja mitochondrialna hamuje to samo. W warunkach indukujących autofagię IRGM zwiększa również produkcję ROS ( reaktywnych gatunków tlenu ).
Wysoki poziom IRGMd powoduje rozszczepienie mitochondriów, prowadzi do utraty potencjału błony mitochondrialnej i powoduje śmierć komórki gospodarza. Rozszczepienie jest również powiązane z apoptozą mitochondrialną zależną od Bax / Bak, a IRGMd wymaga, aby te białka były funkcjonalne. Śmierć komórki przez IRGM jest niezależna od autofagii, ale zależy od wyżej wymienionych czynników proapoptotycznych. W konsekwencji śmierci komórkowej indukowanej przez IRGM, umierające i martwicze komórki uwalniają jądrowy HMGB1, alarmynę prozapalną, związaną z chorobą Leśniowskiego-Crohna.