Рецепторы распознавания образов ( PRR ) [1] играют решающую роль в правильном функционировании врожденной иммунной системы . PRR — это зародышевые сенсоры хозяина, которые обнаруживают молекулы, типичные для патогенов. [2] Это белки , экспрессируемые в основном клетками врожденной иммунной системы , такими как дендритные клетки, макрофаги, моноциты, нейтрофилы, а также эпителиальными клетками, [3] [4] для идентификации двух классов молекул: патоген-ассоциированных молекулярные паттерны (PAMP), которые связаны с микробными патогенами , и молекулярные паттерны, связанные с повреждением (DAMP), которые связаны с компонентами клеток-хозяев, которые высвобождаются во время повреждения или гибели клеток. Их также называют примитивными рецепторами распознавания образов , поскольку они развились раньше других частей иммунной системы, особенно до появления адаптивного иммунитета . PRR также опосредуют инициацию антигенспецифического адаптивного иммунного ответа и высвобождение воспалительных цитокинов. [2] [5]
Специфические для микробов молекулы, которые распознаются данным PRR, называются молекулярными паттернами, связанными с патогенами (PAMP), и включают бактериальные углеводы (такие как липополисахарид или ЛПС, манноза ), нуклеиновые кислоты (такие как бактериальная или вирусная ДНК или РНК), бактериальные пептиды (флагеллин, факторы элонгации микротрубочек), пептидогликаны и липотейхоевые кислоты (из грамположительных бактерий), N -формилметионин , липопротеины и грибные глюканы и хитин . Эндогенные сигналы стресса называются молекулярными паттернами, связанными с повреждением (DAMP), и включают в себя мочевую кислоту и внеклеточный АТФ , а также многие другие соединения. [2] Существует несколько подгрупп PRR. Они классифицируются в соответствии с их лигандной специфичностью, функцией, локализацией и/или эволюционными связями.
В зависимости от локализации PRR можно разделить на мембраносвязанные PRR и цитоплазматические PRR:
PRR были впервые обнаружены у растений. [6] С тех пор многие PRR растений были предсказаны с помощью геномного анализа (370 у риса; 47 у арабидопсиса ). В отличие от PRR животных, которые связаны с внутриклеточными киназами через адаптерные белки (см. киназы, не относящиеся к RD, ниже), PRR растений состоят из внеклеточного домена, трансмембранного домена, околомембранного домена и внутриклеточного киназного домена как части одного белка.
Распознавание внеклеточных или эндосомальных молекулярных структур, связанных с патогенами, опосредуется трансмембранными белками, известными как toll-подобные рецепторы (TLR). [7] TLR имеют типичный структурный мотив — повторы, богатые лейцином (LRR) , которые придают им специфический внешний вид, а также отвечают за функциональность TLR. [8] Toll-подобные рецепторы были впервые обнаружены у дрозофилы и запускают синтез и секрецию цитокинов , а также активацию других защитных программ хозяина, которые необходимы как для врожденных, так и для адаптивных иммунных реакций. На данный момент у человека описано 10 функциональных членов семейства TLR. [5] Также были проведены исследования TLR11 , и было показано, что он распознает флагеллин и профилиноподобные белки у мышей. [9] Тем не менее, TLR11 является всего лишь псевдогеном у людей, не имеющим прямой функции или экспрессии функционального белка. Было показано, что каждый из TLR взаимодействует с определенным PAMP. [5] [10] [11]
TLR имеют тенденцию к димеризации, TLR4 образует гомодимеры , а TLR6 может димеризоваться либо с TLR1 , либо с TLR2 . [10] Взаимодействие TLR с их специфическим PAMP опосредовано либо MyD88 -зависимым путем и запускает передачу сигналов через NF-κB и MAP-киназный путь и, следовательно, секрецию провоспалительных цитокинов и костимулирующих молекул, либо TRIF -зависимую передачу сигналов. путь. [2] [5] [10] MyD88-зависимый путь индуцируется различными PAMP, стимулирующими TLR на макрофагах и дендритных клетках. MyD88 привлекает молекулу IRAK4, IRAK4 привлекает IRAK1 и IRAK2 для формирования сигнального комплекса. Сигнальный комплекс реагирует с TRAF6, что приводит к активации TAK1 и, следовательно, к индукции воспалительных цитокинов. TRIF-зависимый путь индуцируется макрофагами и DC после стимуляции TLR3 и TLR4. [2] Молекулы, высвобождаемые после сигнала активации TLR к другим клеткам иммунной системы, делают TLR ключевыми элементами врожденного иммунитета и адаптивного иммунитета . [2] [12] [13]
Многие различные клетки врожденной иммунной системы экспрессируют множество CLR, которые формируют врожденный иммунитет благодаря своей способности распознавать образы. [14] Несмотря на то, что большинство классов человеческих патогенов охвачены CLR, CLR являются основным рецептором для распознавания грибов: [15] [16] тем не менее, в исследованиях другие PAMP также были идентифицированы как мишени CLR, например, манноза мотив узнавания многих вирусов, грибов и микобактерий; аналогичным образом фукоза действует на некоторые бактерии и гельминты; а глюканы присутствуют на микобактериях и грибах. Кроме того, многие из приобретенных чужеродных поверхностей, например, неоантигены карциноэмбрионального/онкофетального типа, несущие структуру патогена типа «внутренний источник опасности»/«самообращающийся чужой» тип, также идентифицируются и уничтожаются (например, путем фиксации комплемента или других цитотоксических атак) или изолируются (фагоцитируются или покрываются оболочкой). ) иммунной системой посредством CLR. Название «лектин» немного вводит в заблуждение, поскольку в это семейство входят белки, по крайней мере, с одним доменом лектина C-типа (CTLD), который представляет собой специфический тип домена распознавания углеводов. CTLD представляет собой мотив связывания лиганда, обнаруженный более чем в 1000 известных белках (более 100 у человека), причем лиганды часто не являются сахарами. [17] Если и когда лигандом является сахар, им нужен Ca2+ – отсюда и название «С-тип», но многие из них даже не имеют известного сахарного лиганда, поэтому, несмотря на то, что они несут складчатую структуру лектинового типа, некоторые из них технически являются не является «лектином» по функции.
Существует несколько типов передачи сигналов, участвующих в иммунном ответе, индуцированном CLR, основная связь была идентифицирована между передачей сигналов TLR и CLR, поэтому мы различаем TLR-зависимую и TLR-независимую передачу сигналов. DC-SIGN, ведущий к каскаду RAF1-MEK-ERK, передача сигналов BDCA2 через ITAM и передача сигналов через ITIM относятся к TLR-зависимой передаче сигналов. TLR-независимая передача сигналов, такая как дектин 1 и дектин 2 – передача сигналов mincle, приводит к активации киназы MAP и NFkB . [14] [15]
CLR мембранных рецепторов были разделены на 17 групп в зависимости от структуры и филогенетического происхождения. [18] Обычно существует большая группа, которая распознает и связывает углеводы, так называемые домены распознавания углеводов (CRD) и ранее упомянутые CTLD.
Другая потенциальная характеристика CLR может быть связана с рецепторами маннозы и рецепторами асиалогликопротеинов. [14]
Рецептор маннозы (MR) [19] представляет собой PRR, преимущественно присутствующий на поверхности макрофагов и дендритных клеток . Он принадлежит к группе кальций-зависимых множественных ХРБ. [15] MR принадлежит к группе белков мультилектиновых рецепторов и, как и TLR , обеспечивает связь между врожденным и адаптивным иммунитетом. [20] [21] Он распознает и связывается с повторяющимися единицами маннозы на поверхности инфекционных агентов, а его активация запускает эндоцитоз и фагоцитоз микроба через систему комплемента. В частности, связывание маннозы запускает рекрутирование MBL-ассоциированных сериновых протеаз (MASP). Сериновые протеазы активируются каскадом, усиливая иммунный ответ: MBL взаимодействует с C4, связывая субъединицу C4b и высвобождая C4a в кровоток; аналогичным образом связывание C2 вызывает высвобождение C2b. Вместе MBL, C4b и C2a известны как конвертаза C3. C3 расщепляется на субъединицы a и b, а C3b связывается с конвертазой. Вместе они называются конвертазой C5. Опять же, C5b связывается, а C5a высвобождается. C5b рекрутирует C6, C7, C8 и несколько C9. C5, C6, C7, C8 и C9 образуют мембраноатакующий комплекс (MAC).
Это еще одно большое суперсемейство CLR, которое включает классический лектин галактозного типа макрофагов рецептора асиалогликопротеина (MGL) , DC-SIGN (CLEC4L), лангерин (CLEC4K), миелоидный DAP12-ассоциирующий лектин (MDL)-1 ( CLEC5A ), DC- связанное подсемейство лектина 1 C-типа (Dectin1) и подсемейство иммунорецепторов DC ( DCIR ). Кроме того, подсемейство дектина и подсемейство DCIR состоят из следующих членов. Подсемейство DC-ассоциированного лектина 1 C-типа (Dectin1) включает дектин 1 / CLEC7A , DNGR1/ CLEC9A , миелоидный лектиноподобный рецептор C-типа (MICL) ( CLEC12A ), CLEC2 (также называемый CLEC1B) — рецептор активации тромбоцитов для подопланина. на лимфатических эндотелиальных клетках и инвазии в переднюю часть некоторых карцином и CLEC12B; в то время как подсемейство иммунорецепторов DC ( DCIR ) включает DCIR / CLEC4A , дектин 2/ CLEC6A , антиген DC крови 2 (BDCA2) ( CLEC4C ) и Mincle , т.е. лектин C-типа, индуцируемый макрофагами ( CLEC4E ).
Номенклатура (манноза против асиалогликопротеина) немного вводит в заблуждение, поскольку эти рецепторы асиалогликопротеина не обязательно являются рецепторами, специфичными для галактозы (один из наиболее распространенных внешних остатков асиалогликопротеина), и даже многие из членов этого семейства могут также связываться с маннозой , после чего другие группа называется.
NOD-подобные рецепторы (NLR) представляют собой цитоплазматические белки, которые распознают бактериальные пептидогликаны и вызывают провоспалительный и противомикробный иммунный ответ. [22] Примерно 20 из этих белков были обнаружены в геноме млекопитающих и включают нуклеотидсвязывающий домен олигомеризации (NOD), который связывает нуклеозидтрифосфат . Среди других белков наиболее важными являются: трансактиватор MHC класса II ( CIITA ), IPAF, BIRC1 и др. [23].
В настоящее время известны лиганды NOD1 и NOD2 . NOD1 распознает молекулу под названием мезо-DAP, которая является пептидогликановым компонентом только грамотрицательных бактерий. Белки NOD2 распознают внутриклеточный MDP (мурамилдипептид), который является компонентом пептидогликана как грамположительных, так и грамотрицательных бактерий. В неактивном состоянии NOD находятся в цитозоле в мономерном состоянии и претерпевают конформационные изменения только после узнавания лиганда, что приводит к их активации. [22] NOD передают сигналы на пути киназ NF-κB и MAP через серин-треониновую киназу, называемую RIP2. NOD передают сигнал через N-концевые домены CARD , чтобы активировать последующие события индукции генов, и взаимодействуют с микробными молекулами посредством C-концевой области повторов, богатых лейцином (LRR). [24]
Установлено взаимодействие и кооперация различных типов рецепторов, характерных для системы врожденного иммунитета. Интересное сотрудничество было обнаружено между TLR и NLR, особенно между TLR4 и NOD1, в ответ на инфекцию Escherichia coli . [25] Еще одно доказательство сотрудничества и интеграции всей иммунной системы было показано in vivo: когда передача сигналов TLR была ингибирована или отключена, рецепторы NOD взяли на себя роль TLR. [26]
Как и NOD, NLRP содержат C-концевые LRR, которые, по-видимому, действуют как регуляторный домен и могут участвовать в распознавании микробных патогенов. Также, как и NOD, эти белки содержат сайт связывания нуклеотидов (NBS) для нуклеозидтрифосфатов. Взаимодействие с другими белками (например, с адапторной молекулой ASC ) осуществляется через N-концевой пириновый (PYD) домен. У человека имеется 14 членов этого подсемейства белков (называемых от NLRP1 до NLRP14). NLRP3 и NLRP4 ответственны за активацию воспалительной сомы . [27] NLRP3 может активироваться и вызывать воспаление NLRP3 с помощью АТФ, бактериальных порообразующих токсинов, квасцов и кристаллов. Помимо перечисленных молекул, приводящих к активации NLRP3-инфламмасомы, сборку и активацию могут также индуцировать отток K + , приток Ca2 + , разрушение лизосом и АФК, происходящих из митохондрий. [27] Инфламмасома NLRP3 необходима для индукции эффективного иммунного ответа. Воспаление NLRP3 может индуцироваться широким спектром стимулов в отличие от воспаления NLRP4, которое связывает более ограниченное количество и разнообразие лигандов и работает в комплексе с белком NAIP. [28]
Было также показано, что другие NLR, такие как IPAF и NAIP5/Birc1e, активируют каспазу-1 в ответ на Salmonella и Legionella .
Некоторые из этих белков распознают эндогенные или микробные молекулы или реакции на стресс и образуют олигомеры, которые у животных активируют воспалительные каспазы (например, каспазу 1 ), вызывая расщепление и активацию важных воспалительных цитокинов , таких как IL-1 , и/или активируют NF-κB. сигнальный путь, индуцирующий выработку воспалительных молекул.
Семейство NLR известно под несколькими разными названиями, включая семейство CATERPILLER (или CLR) или NOD-LRR. [23] [29] Наиболее значимыми членами NLR являются NOD1 и NOD2. Они ощущают консервативные микробные пептидогликаны в цитоплазме клетки и, следовательно, представляют собой другой уровень иммунного ответа после мембраносвязанных рецепторов, таких как TLR и CLR. [22] Это семейство белков значительно расширено в растениях и представляет собой основной компонент иммунной системы растений . [30]
На данный момент описаны три RLR-хеликазы: RIG-I и MDA5 (распознающие 5'-трифосфат-РНК и дцРНК соответственно), которые активируют передачу противовирусных сигналов, и LGP2 , которая, по-видимому, действует как доминантно-негативный ингибитор. RLR инициируют высвобождение воспалительных цитокинов и интерферона I типа (IFN I). [2]
RLR представляют собой РНК-хеликазы , которые, как было показано, участвуют во внутриклеточном распознавании вирусных двухцепочечных (ds) и одноцепочечных РНК , которые рекрутируют факторы через двойные N-концевые домены CARD для активации антивирусных генных программ, что может быть использовано в терапии вирусных инфекций. инфекции. [31] [32] Было высказано предположение, что основная противовирусная программа, индуцируемая RLR, основана на активности АТФазы . [33] RLR часто взаимодействуют и создают перекрестные помехи с TLR при врожденном иммунном ответе и регуляции адаптивного иммунного ответа. [34]
Некоторые PRR не остаются связанными с клеткой, которая их производит. Рецепторы комплемента , коллекционины , фиколины , пентраксины, такие как сывороточный амилоид и С-реактивный белок , липидтрансферазы, белки распознавания пептидогликана (PGRP) [35] и LRR, XA21D [36] — все это секретируемые белки. Одним из очень важных коллектинов является маннан-связывающий лектин (MBL), основной PRR врожденной иммунной системы, который связывается с широким спектром бактерий, вирусов, грибов и простейших. MBL преимущественно распознает определенные группы сахаров на поверхности микроорганизмов, но также связывает фосфолипиды , нуклеиновые кислоты и негликозилированные белки . [37] После связывания с лигандами MBL и олигомерами фиколина рекрутируются MASP1 и MASP2 и инициируются лектиновый путь активации комплемента, который несколько похож на классический путь комплемента .
Растения содержат значительное количество PRR, которые имеют поразительное структурное и функциональное сходство с TOLL дрозофилы и TLR млекопитающих. Первым PRR, выявленным у растений или животных, был белок Xa21, придающий устойчивость к грамотрицательному бактериальному патогену Xanthomonas oryzae pv. оризы. [6] [38] С тех пор были выделены два других растительных PRR, FLS2 арабидопсиса (флагеллин) и EFR (рецептор фактора элонгации Tu). [39] С 2019 года в геноме Arabidopsis было зарегистрировано более 600 генов рецепторных киназ и 57 рецептороподобных белков. [40] Растительные PRR существуют либо в виде поверхностно-локализованных рецепторных киназ (RK), либо в виде рецептороподобных белков (RLP). которые содержат несколько лигандсвязывающих эктодоменов, которые воспринимают PAMP или DAMP. [41] Были идентифицированы соответствующие PAMP для FLS2 и EFR. [39] После распознавания лиганда растительные PRR преобразуют «иммунитет, запускаемый PAMP» (PTI). [42]
Иммунная система растений также кодирует белки устойчивости, которые напоминают NOD-подобные рецепторы (см. выше), которые содержат домены NBS и LRR , а также могут нести другие консервативные домены взаимодействия, такие как цитоплазматический домен TIR, обнаруженный в рецепторах Toll и интерлейкина. [43] Белки, связывающие нуклеотиды и богатые лейцином повторы (NBS-LRR), необходимы для обнаружения неместных молекулярных сигнатур патогенов. [40] PRR растений связаны с врожденной иммунной системой, тогда как белки NBS-LRR инициируются в адаптивной иммунной системе, называемой эффекторно-запускаемым иммунитетом . [40]
PRR обычно связаны или содержат членов монофилетической группы киназ, называемой семейством киназ, связанных с рецептором интерлейкина-1 (IRAK), которая включает Drosophila Pelle, IRAK человека, рис XA21 и Arabidopsis FLS2. У млекопитающих PRR также могут ассоциироваться с членами семейства киназ, взаимодействующих с рецепторами (RIP), дальними родственниками семейства IRAK. Некоторые киназы семейств IRAK и RIP относятся к небольшому функциональному классу киназ, называемому не-RD, многие из которых не аутофосфорилируют петлю активации. Исследование киназ дрожжей, мух, червей, человека, арабидопсиса и риса (3723 киназы) показало, что, несмотря на небольшое количество не-RD киназ в этих геномах (9–29%), 12 из 15 киназ, известных или предсказанных, Функция сигнализации PRR относится к классу, отличному от RD. У растений все охарактеризованные к настоящему времени PRR относятся к классу не-RD. Эти данные указывают на то, что киназы, связанные с PRR, в значительной степени можно предсказать по отсутствию единственного консервативного остатка и выявить новые потенциальные подсемейства PRR растений. [44] [45]
Исследовательские группы недавно провели обширные исследования участия и потенциального использования иммунной системы пациента в терапии различных заболеваний, так называемой иммунотерапии, включая моноклональные антитела, неспецифическую иммунотерапию, онколитическую вирусную терапию, Т-клеточную терапию и противораковые вакцины. . [46] NOD2 связан посредством потери и усиления функции с развитием болезни Крона и саркоидоза с ранним началом. [22] [47] Мутации NOD2 в сочетании с факторами окружающей среды приводят к развитию хронического воспаления в кишечнике. [22] [48] Поэтому было предложено лечить это заболевание путем ингибирования малых молекул, которые способны модулировать передачу сигналов NOD2, особенно RIP2. На данный момент FDA одобрило два терапевтических препарата, ингибирующих фосфорилирование RIP2, необходимое для правильного функционирования NOD2: гефитиниб и эрлотиниб. [49] [50] Кроме того, были проведены исследования GSK583, высокоспецифичного ингибитора RIP2, который кажется весьма многообещающим в ингибировании передачи сигналов NOD1 и NOD2 и, следовательно, в ограничении воспаления, вызванного сигнальными путями NOD1, NOD2. [51] Другая возможность — удалить датчик NOD2, эффективность которого была доказана на мышиных моделях в попытке подавить симптомы болезни Крона. [52] Ингибиторы киназы типа II, которые являются высокоспецифичными, показали многообещающие результаты в блокировании TNF, возникающего из NOD-зависимых путей, что показывает высокий потенциал в лечении опухолей, связанных с воспалением. [53]
Другое возможное использование PRR в медицине также связано со злокачественными опухолями кишечника. Исследования показали, что Helicobacter pylori значимо коррелирует с развитием опухолей желудочно-кишечного тракта. У здорового человека на инфекцию Helicobacter pylori воздействует комбинация PRR, а именно TLR, NLR, RLR и CLR DC-SIGN. В случае неисправности эти рецепторы также участвуют в канцерогенезе. Когда инфекция Helicobacter pylori продолжает прогрессировать в кишечнике, она развивается в хроническое воспаление, атрофию и, в конечном итоге, в дисплазию, приводящую к развитию рака. Поскольку все типы PRR играют роль в выявлении и искоренении инфекции, их специфические агонисты вызывают сильный иммунный ответ на рак и другие заболевания, связанные с PRR. Показано, что ингибирование TLR2 значимо коррелирует с улучшением состояния пациента и подавлением аденокарциномы желудка. [54]
PRR также тесно связаны с правильным функционированием нейронных сетей и тканей, особенно из-за их участия в процессах воспаления, которые необходимы для правильного функционирования, но могут нанести непоправимый ущерб, если их не контролировать. TLR экспрессируются на большинстве клеток центральной нервной системы (ЦНС) и играют решающую роль в стерильном воспалении. После травмы они приводят к нарушению роста аксонов и замедляют или даже останавливают восстановление. Другой важной структурой, вовлеченной в терапию после травмы и потенциально пригодной для ее использования, является воспалительная сома. Было высказано предположение, что благодаря индукции провоспалительных цитокинов, IL-1β и IL-18, ингибирование воспалительных процессов также может служить эффективным терапевтическим методом. [55] Участие инфламмасомы также исследовалось при ряде других заболеваний, включая экспериментальный аутоиммунный энцефаломиелит (ЭАЭ), болезни Альцгеймера и Паркинсона, а также атеросклероз, связанный с диабетом II типа у пациентов. Предлагаемые методы лечения включают деградацию NLRP3 или ингибирование провоспалительных цитокинов. [55]