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: молекулярные паттерны, ассоциированные с патогенами (PAMP), которые связаны с микробными патогенами , и молекулярные паттерны, ассоциированные с повреждением (DAMP), которые связаны с компонентами клеток хозяина, которые высвобождаются во время повреждения или смерти клеток. Их также называют примитивными рецепторами распознавания образов , потому что они развились раньше других частей иммунной системы, особенно раньше адаптивного иммунитета . PRR также опосредуют инициацию антигенспецифического адаптивного иммунного ответа и высвобождение воспалительных цитокинов. [2] [5]
Специфичные для микробов молекулы, которые распознаются данным PRR, называются молекулярными паттернами, ассоциированными с патогенами (PAMP), и включают бактериальные углеводы (такие как липополисахариды или ЛПС, манноза ), нуклеиновые кислоты (такие как бактериальная или вирусная ДНК или РНК), бактериальные пептиды (флагеллин, факторы удлинения микротрубочек), пептидогликаны и липотейхоевые кислоты (из грамположительных бактерий), N -формилметионин , липопротеины и грибковые глюканы и хитин . Эндогенные сигналы стресса называются молекулярными паттернами, ассоциированными с повреждением (DAMP), и включают мочевую кислоту и внеклеточный АТФ , среди многих других соединений. [2] Существует несколько подгрупп PRR. Они классифицируются в соответствии с их лигандной специфичностью, функцией, локализацией и/или эволюционными связями.
По локализации PRR можно разделить на мембраносвязанные и цитоплазматические PRR:
PRR были впервые обнаружены в растениях. [6] С тех пор многие растительные PRR были предсказаны с помощью геномного анализа (370 у риса; 47 у Arabidopsis ). В отличие от животных PRR, которые связаны с внутриклеточными киназами через адаптерные белки (см. не-RD киназы ниже), растительные PRR состоят из внеклеточного домена, трансмембранного домена, околомембранного домена и внутриклеточного киназного домена как части одного белка.
Распознавание внеклеточных или эндосомальных патоген-ассоциированных молекулярных паттернов опосредуется трансмембранными белками, известными как toll-подобные рецепторы (TLR). [7] TLR имеют типичный структурный мотив, богатые лейцином повторы (LRR) , которые придают им специфический вид и также отвечают за функциональность TLR. [8] Toll-подобные рецепторы были впервые обнаружены у Drosophila и запускают синтез и секрецию цитокинов и активацию других программ защиты хозяина, которые необходимы как для врожденных, так и для адаптивных иммунных реакций. На данный момент у людей описано 10 функциональных членов семейства TLR. [5] Исследования также проводились на TLR11 , и было показано, что он распознает флагеллин и профилин-подобные белки у мышей. [9] Тем не менее, TLR11 является всего лишь псевдогеном у людей без прямой функции или функциональной экспрессии белка. Было показано, что каждый из TLR взаимодействует со специфическим PAMP. [5] [10] [11]
TLR имеют тенденцию к димеризации, TLR4 образует гомодимеры , а TLR6 может димеризоваться как с TLR1 , так и с TLR2 . [10] Взаимодействие TLR с их специфическими PAMP опосредуется либо через MyD88 -зависимый путь и запускает сигнализацию через NF-κB и путь MAP-киназы и, следовательно, секрецию провоспалительных цитокинов и костимулирующих молекул, либо через TRIF -зависимый сигнальный 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, индукции воспалительных цитокинов. TRIF-зависимый путь индуцируется макрофагами и DC после стимуляции TLR3 и TLR4. [2] Молекулы, высвобождаемые после активации TLR, передают сигнал другим клеткам иммунной системы, делая TLR ключевыми элементами врожденного иммунитета и адаптивного иммунитета . [2] [12] [13]
Многие различные клетки врожденной иммунной системы экспрессируют множество CLR, которые формируют врожденный иммунитет в силу 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, другие PAMP были идентифицированы в исследованиях как мишени CLR, например, манноза является мотивом распознавания для многих вирусов, грибов и микобактерий; аналогично фукоза представляет то же самое для определенных бактерий и гельминтов; а глюканы присутствуют на микобактериях и грибах. Кроме того, многие из приобретенных чужеродных поверхностей, например, неоантигены карциноэмбрионального/онкофетального типа, несущие паттерн «внутреннего источника опасности»/«свой превратился в чужеродного» типа патогена, также идентифицируются и уничтожаются (например, путем фиксации комплемента или других цитотоксических атак) или секвестрируются (фагоцитируются или заключаются в оболочку) иммунной системой в силу CLR. Название лектин немного вводит в заблуждение, поскольку семейство включает белки с по крайней мере одним доменом лектина типа С (CTLD), который является специфическим типом домена распознавания углеводов. CTLD — это мотив связывания лиганда, обнаруженный в более чем 1000 известных белках (более 100 у людей), и лиганды часто не являются сахарами. [17] Если и когда лигандом является сахар, им нужен Ca2+ — отсюда и название «C-тип», но многие из них даже не имеют известного сахарного лиганда, поэтому, несмотря на наличие складчатой структуры лектинового типа, некоторые из них технически не являются «лектинами» по своей функции.
Существует несколько типов сигнализации, вовлеченных в иммунный ответ, вызванный CLR, основная связь была выявлена между сигнализацией TLR и CLR, поэтому мы различаем сигнализацию TLR-зависимую и TLR-независимую. DC-SIGN, приводящий к каскаду RAF1-MEK-ERK, сигнализация BDCA2 через ITAM и сигнализация через ITIM относятся к TLR-зависимой сигнализации. TLR-независимая сигнализация, такая как Dectin 1 и Dectin 2 – mincle, приводит к активации MAP-киназы и NFkB . [14] [15]
Мембранные рецепторы CLR были разделены на 17 групп на основе структуры и филогенетического происхождения. [18] Как правило, существует большая группа, которая распознает и связывает углеводы, так называемые домены распознавания углеводов (CRD) и ранее упомянутые CTLD.
Другая потенциальная характеристика CLR может заключаться в рецепторах маннозы и рецепторах асиалогликопротеина. [14]
Рецептор маннозы (MR) [19] представляет собой PRR, в основном присутствующий на поверхности макрофагов и дендритных клеток . Он принадлежит к группе кальций-зависимых множественных CRD. [15] MR принадлежит к группе белковых рецепторов мультилектина 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, и его активация запускает эндоцитоз и фагоцитоз микроба через систему комплемента. В частности, связывание маннозы запускает набор MBL-ассоциированных сериновых протеаз (MASP). Сериновые протеазы активируются каскадом, усиливая иммунный ответ: MBL взаимодействует с C4, связывая субъединицу C4b и высвобождая C4a в кровоток; аналогично, связывание C2 вызывает высвобождение C2b. Вместе MBL, C4b и C2a известны как конвертаза C3. C3 расщепляется на субъединицы a и b, а C3b связывает конвертазу. Вместе они называются конвертазой C5. Аналогично, C5b связывается, а C5a высвобождается. C5b рекрутирует C6, C7, C8 и несколько C9. C5, C6, C7, C8 и C9 образуют комплекс атаки мембраны (MAC).
Это еще одно большое суперсемейство CLR, которое включает классический асиалогликопротеиновый рецептор макрофагального галактозо-типа лектина (MGL) , DC-SIGN (CLEC4L), лангерин (CLEC4K), миелоидный DAP12-ассоциированный лектин (MDL)-1 ( CLEC5A ), подсемейство DC-ассоциированного лектина C-типа 1 (Dectin1) и подсемейство DC-иммунорецепторов ( DCIR ). Кроме того, подсемейство Dectin и подсемейство DCIR состоят из некоторых членов, как указано ниже. Подсемейство лектина 1 типа C, ассоциированного с DC (Dectin1), включает дектин 1 / CLEC7A , DNGR1 / CLEC9A , миелоидный лектин-подобный рецептор типа C (MICL) ( CLEC12A ), CLEC2 (также называемый CLEC1B) - рецептор активации тромбоцитов для подопланина на лимфатических эндотелиальных клетках и инвазивном фронте некоторых карцином, и CLEC12B; в то время как подсемейство иммунорецепторов DC (DCIR) включает DCIR / CLEC4A , Dectin 2 / CLEC6A , антиген 2 DC крови (BDCA2) ( CLEC4C ) и Mincle , т.е. лектин типа C, индуцируемый макрофагами ( CLEC4E ).
Номенклатура (манноза против асиалогликопротеина) немного вводит в заблуждение, поскольку эти рецепторы асиалогликопротеина не обязательно являются рецепторами, специфичными для галактозы (одного из самых распространенных внешних остатков асиалогликопротеина), и даже многие из членов этого семейства могут также связываться с маннозой , в честь которой названа другая группа.
NOD-подобные рецепторы (NLR) представляют собой цитоплазматические белки, которые распознают бактериальные пептидогликаны и вызывают провоспалительный и антимикробный иммунный ответ. [22] Около 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 т. д. [23]
В настоящее время известны лиганды NOD1 и NOD2 . NOD1 распознает молекулу, называемую мезо-DAP, которая является пептидогликановым компонентом только грамотрицательных бактерий. Белки NOD2 распознают внутриклеточный MDP (мурамилдипептид), который является пептидогликановым компонентом как грамположительных, так и грамотрицательных бактерий. В неактивном состоянии NOD находятся в цитозоле в мономерном состоянии и подвергаются конформационным изменениям только после распознавания лиганда, что приводит к их активации. [22] NOD передают сигналы в пути NF-κB и MAP-киназ через серин-треониновую киназу , называемую RIP2. NOD передают сигналы через N-концевые домены CARD для активации событий индукции генов ниже по течению и взаимодействуют с микробными молекулами посредством области повтора, богатого лейцином (LRR) на C-конце . [24]
Установлено взаимодействие и сотрудничество между различными типами рецепторов, типичными для врожденной иммунной системы. Интересное сотрудничество было обнаружено между TLR и NLR, в частности между TLR4 и NOD1 в ответ на инфекцию Escherichia coli . [25] Другое доказательство сотрудничества и интеграции всей иммунной системы было показано in vivo, когда сигнализация TLR была подавлена или отключена, рецепторы NOD брали на себя роль TLR. [26]
Как и NOD, NLRP содержат C-концевые LRR, которые, по-видимому, действуют как регуляторный домен и могут быть вовлечены в распознавание микробных патогенов. Также, как и NOD, эти белки содержат сайт связывания нуклеотидов (NBS) для нуклеозидтрифосфатов. Взаимодействие с другими белками (например, адаптерной молекулой ASC ) опосредовано доменом N-концевого пирина (PYD). У людей есть 14 членов этого подсемейства белков (называемых NLRP1 - NLRP14). NLRP3 и NLRP4 отвечают за активацию инфламмасомы . [27] NLRP3 может быть активирован и вызвать инфламмасому NLRP3 с помощью АТФ, бактериальных порообразующих токсинов, квасцов и кристаллов. Наряду с перечисленными молекулами, которые приводят к активации инфламмасомы NLRP3, сборка и активация также могут быть вызваны оттоком K + , притоком Ca 2+ , разрушением лизосом и ROS, происходящими из митохондрий. [27] Инфламмасома NLRP3 необходима для индукции эффективного иммунного ответа. Инфламмасома NLRP3 может быть вызвана широким спектром стимулов в отличие от инфламмасомы NLRP4, которая 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 сальмонеллу и легионеллу .
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 ИЛ-1 , и/или активируют сигнальный путь NF-κB , вызывая 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 распознают сохраненные 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 составляет основной компонент иммунной системы растений . [30]
На сегодняшний день описаны три RLR-хеликазы: RIG-I и MDA5 (распознающие 5'трифосфат-РНК и dsRNA соответственно), которые активируют противовирусную сигнализацию, и LGP2 , который, по-видимому, действует как доминантно-негативный ингибитор. RLR инициируют высвобождение воспалительных цитокинов и интерферона I типа (IFN I). [2]
RLR — это РНК-хеликазы , которые, как было показано, участвуют во внутриклеточном распознавании вирусных двухцепочечных (ds) и одноцепочечных РНК , которые привлекают факторы через двойные N-концевые домены CARD для активации программ противовирусных генов, которые могут быть использованы в терапии вирусных инфекций. [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 во врожденном иммунном ответе и в регуляции адаптивного иммунного ответа. [34]
Ряд PRR не остаются связанными с клеткой, которая их производит. Рецепторы комплемента , коллектины , фиколины , пентраксины, такие как сывороточный амилоид и С-реактивный белок , липидные трансферазы, 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 сахара на поверхности микроорганизмов, но также связывает фосфолипиды , нуклеиновые кислоты и негликозилированные белки . [37] После связывания с лигандами олигомеры MBL и фиколина привлекают MASP1 и MASP2 и инициируют лектиновый путь активации комплемента, который несколько похож на классический путь комплемента .
Растения содержат значительное количество PRR, которые имеют замечательное структурное и функциональное сходство с Drosophila Toll и TLR млекопитающих. Первым PRR, идентифицированным у растений или животных, был белок Xa21, придающий устойчивость к грамотрицательному бактериальному патогену Xanthomonas oryzae pv. oryzae . [6] [38] С тех пор были выделены два других PRR растений, Arabidopsis FLS2 (флагеллин) и EFR (рецептор фактора удлинения Tu). [39] С 2019 года в геноме Arabidopsis было зарегистрировано более 600 генов рецептор-киназ и 57 рецептороподобных белков. [40] Растительные PRR существуют либо в виде локализованных на поверхности рецепторных киназ (RK), либо в виде рецептороподобных белков (RLP), которые содержат несколько лиганд-связывающих эктодоменов, которые воспринимают PAMP или DAMP. [41] Были идентифицированы соответствующие PAMP для FLS2 и EFR. [39] После распознавания лиганда растительные PRR транслируют «иммунитет, запускаемый PAMP» (PTI). [42]
Иммунные системы растений также кодируют белки резистентности, которые напоминают рецепторы, подобные NOD (см. выше), которые имеют домены NBS и LRR и также могут нести другие консервативные домены взаимодействия, такие как цитоплазматический домен TIR, обнаруженный в рецепторах Toll и интерлейкина. [43] Нуклеотидсвязывающие и богатые лейцином повторы (NBS-LRR) необходимы для обнаружения неродных молекулярных сигнатур от патогенов. [40] Растительные PRR связаны с врожденной иммунной системой, в то время как белки NBS-LRR инициируются в адаптивной иммунной системе, называемой иммунитетом, запускаемым эффекторами . [40]
PRR обычно ассоциируются с или содержат членов монофилетической группы киназ, называемых семейством киназ, ассоциированных с рецептором интерлейкина-1 (IRAK), которые включают Drosophila Pelle, человеческие IRAK, рис XA21 и Arabidopsis FLS2. У млекопитающих PRR также могут ассоциироваться с членами семейства киназ рецептор-взаимодействующих белков (RIP), дальних родственников семейства IRAK. Некоторые киназы семейств IRAK и RIP попадают в небольшой функциональный класс киназ, называемых не-RD, многие из которых не аутофосфорилируют активационную петлю. Исследование киномов дрожжей, мух, червей, человека, Arabidopsis и риса (3723 киназы) показало, что, несмотря на небольшое количество не-RD киназ в этих геномах (9–29%), 12 из 15 киназ, известных или предположительно функционирующих в передаче сигналов PRR, попадают в класс не-RD. В растениях все PRR, охарактеризованные на сегодняшний день, относятся к классу non-RD. Эти данные указывают на то, что киназы, связанные с PRR, можно в значительной степени предсказать по отсутствию одного консервативного остатка, и раскрывают новые потенциальные подсемейства PRR растений. [44] [45]
Исследовательские группы недавно провели обширное исследование участия и потенциального использования иммунной системы пациента в терапии различных заболеваний, так называемой иммунотерапии , включая моноклональные антитела , неспецифическую иммунотерапию, терапию онколитическими вирусами , Т-клеточную терапию и противораковые вакцины . [46] NOD2 был связан через потерю и приобретение функции с развитием болезни Крона и раннего саркоидоза . [22] [47] Мутации в NOD2 в сочетании с факторами окружающей среды приводят к развитию хронического воспаления в кишечнике. [22] [48] Поэтому было предложено лечить заболевание путем ингибирования малых молекул, которые способны модулировать сигнализацию NOD2, в частности RIP2. На данный момент FDA одобрило два терапевтических средства, ингибирующих фосфорилирование RIP2 , которое необходимо для правильного функционирования NOD2, гефитиниб и эрлотиниб . [49] [50] Кроме того, были проведены исследования GSK583, высокоспецифичного ингибитора RIP2, который кажется весьма перспективным для ингибирования сигнализации NOD1 и NOD2 и, следовательно, ограничения воспаления, вызванного сигнальными путями NOD1, NOD2. [51] Другая возможность заключается в удалении сенсора для NOD2, который доказал свою эффективность в мышиных моделях в попытке подавить симптомы болезни Крона. [52] Ингибиторы киназы II типа, 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 человека также связано с опухолевыми заболеваниями кишечника. Исследования показали, что Helicobacter pylori значительно коррелирует с развитием опухолей желудочно-кишечного тракта. У здорового человека инфекция Helicobacter pylori направлена на комбинацию PRR, а именно TLR, NLR, RLR и CLR DC-SIGN. В случае их неисправности эти рецепторы также связаны с канцерогенезом. Когда инфекция Helicobacter pylori прогрессирует в кишечнике, она развивается в хроническое воспаление, атрофию и в конечном итоге дисплазию, приводящую к развитию рака. Поскольку все типы PRR играют роль в идентификации и искоренении инфекции, их специфические агонисты вызывают сильный иммунный ответ на рак и другие заболевания, связанные с PRR. Было показано, что ингибирование TLR2 значительно коррелирует с улучшением состояния пациента и подавлением аденокарциномы желудка. [54]
PRR также тесно связаны с правильной функцией нейронных сетей и тканей, особенно из-за их участия в процессах воспаления, которые необходимы для правильной функции, 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 в целом. Другой важной структурой, вовлеченной и потенциально используемой в терапии после травмы, является инфламмасома . Благодаря индукции провоспалительных цитокинов, IL-1β и IL-18, было высказано предположение, что ингибирование инфламмасомы также может служить эффективным терапевтическим методом. [55] Участие инфламмасомы также исследовалось при нескольких других заболеваниях, включая экспериментальный аутоиммунный энцефаломиелит (EAE), болезни Альцгеймера и Паркинсона и атеросклероз, связанный с диабетом II типа у пациентов. Предлагаемые методы лечения включают деградацию NLRP3 или ингибирование провоспалительных цитокинов. [55]