IRGs
Immunitetsrelaterade guanosintrifosfataser eller IRG är proteiner aktiverade som en del av ett tidigt immunsvar. IRG har beskrivits i olika däggdjur men är mest väl karakteriserade hos möss. IRG-aktivering induceras i de flesta fall av ett immunsvar och leder till eliminering av vissa patogener.
Bakgrund
Interferon (IFN)-inducerbara GTPaser omfattar fyra familjer av proteiner inklusive myxovirusresistenta proteiner (Mx), guanylatbindande proteiner (GBP), immunitetsrelaterade GTPase-proteiner (IRGs) och mycket stora inducerbara GTPase-proteiner (VLIG). IRGs ger resistens från vakuolära patogener genom att lokalisera till och störa den fagocytiska vakuolen under infektion. Aktiveringen av IRG hos möss induceras av interferon . IRG-gener har identifierats i olika ryggradsdjur och vissa ryggradslösa djur . De är involverade i viktiga immunförsvar mot intracellulära patogener och har som ett resultat blivit ett mål för immunundandragande av dessa patogener. Den intracellulära protozoparasiten Toxoplasma gondii har visat sig rikta in sig på IRG hos möss vilket möjliggör resistens från värdens immunsvar .
Utveckling av IRG:er
IRGs har utvecklats från ryggradslösa djur
Studier för att fastställa ryggradsdjurens evolutionära ursprung har lett till att man förstår utvecklingen av immunsystemets processer och dessutom svarar på frågorna om hur och varför patogener har lärt sig att undvika och stänga av dessa valbara genetiska egenskaper. Åtta funktionella och fyra pseudo-IRG-gener har identifierats i ryggradslösa Branchiostoma floridiae . Li et al. bestämda uttrycksmönster för funktionella IFN-inducerbara GTPas-gener i Branchiostoma japonicum vid olika immunologiska ställen när de induceras av patogener och patogena substanser. Dessa bevis tyder på att IRG kan fungera i en immunrelaterad kapacitet i cefalochordater . Paradoxen kvarstår att dessa IRG fungerar utan induktion av IFN-aktiveringsvägar, eftersom B. japonicum och andra amphioxus -arter inte har IFN- och IFN-receptorgener. Det är möjligt att IRG kan ha existerat före den kambriska explosionen som en medfödd immunmekanism och med utvecklingen av det adaptiva immunsystemet hos ryggradsdjur utvecklades IFN för att modulera IRG-funktionen.
Ryggradsdjur har utvecklat en rad IRG-gener som helhet, potentiellt på grund av utvecklingen mellan variabla patogeninteraktioner. C57BL /6-musen har 23 IRG-gener, varav 21 kan vara funktionella i resistens mot patogener (6 är väl karakteriserade), medan människor endast har utvecklat en funktionell IRG-gen (IRGM) och en pseudogen . Studier på möss har karakteriserat betydelsen av typ 2-effektormolekylen IFNγ i olika celltyper och gått vidare för att fastställa betydelsen av dessa proteiner i intracellulär patogenresistens.
Ortologa Irgc (aka: Cinema) gener finns i människor och möss. Dessa ortologer är inte IFN-inducerbara och uttrycks endast i testiklarna hos båda däggdjuren. Flera IRG-gener har identifierats i hundar och zebrafiskar, men få i modellorganismen Tetraodontidae (pufferfisken). IRG-gener hos människor tros ha gått förlorade i divergensen hos primater. Variationerna mellan och inom arter antyder en hög grad av evolutionär förändring för detta speciella element av värdpatogeninteraktion och framhäver vikten av att förstå begränsningarna med att använda modellsystem för att studera human immunologi.
Mekanismer
Beroende av IRG exemplifieras bäst i musstudier. Flera studier har gjorts med mus knockout-modeller för att bestämma IRG-funktionen. Mekanismer för eliminering av patogener via lysosommognad och vakuoldestruktion har bestämts. Dessutom är IRGs inblandade i kontrollen av hematopoetisk balans under infektion. Irg1 knockout-möss infekterade med Mycobacterium resulterade i pancytopeni som ett resultat av otillräcklig hematopoetisk stamcellsexpansion .
IRG och möss
Musgenomet kodar för 23 IRG, av vilka flera har visat sig vara brett uttryckta (lever, hjärta, mjälte, tarm, bräss, lunga, testiklar, njure, hjärna, hud) i ett antal celltyper, och är kraftigt upp- regleras efter exponering för den potenta immuneffektormolekylen interferon gamma , IFNy. IRG:er är uppdelade i ytterligare två klasser baserat på aktivitetssätt och mekanism. GSK-klassen (Irga6, Irgb6 och Irgd) anses vara den kanoniska gruppen av GTPaser , medan en andra grupp av GMS-proteiner, som har en lysin till metionin -mutation i det aktiva stället , fungerar för att förhindra för tidig aktivering genom att associera med nukleotidbindningen motiv på ett sätt som liknar guanosinnukleotiddissociationsinhibitorer ( GDI). Den subcellulära lokaliseringen av IRG är variabel; Irga6 och Irgm3 finns övervägande i det endoplasmatiska retikulumet , Irgm1 och Irgm2 har lokaliserats till Golgi-apparaten , och minst två IRG:er (Irgb6 och Irgd) har hittats övervägande i cytosolen . Efter cellulär inträde av Toxoplasma gondii kan IRG: er snabbt omfördelas till det parasitofora vakuolmembranet (PVM) inom 2–30 minuter. Den ungefärliga ordningen för att dekorera PVM har definierats med början med laddningen av Irgb6 och Irgb10 följt av Irga6, Irgd och Irgm2. Svag lokalisering av Irgm3 på T. gondii vacuoles rapporterades också förekomma i sällsynta sammanhang. Aktivering av IRGs tros följa en GTP-beroende cykel av IRG-IRG- oligomerisering . Lastningen av de "pionjärer" IRG:erna på vakuolen tros avsevärt förbättra rekryteringen av ytterligare IRG:er på ett kooperativt sätt.
Patogener har samtidigt utvecklat unika mekanismer för att störa olika steg som leder fram till sammanslutningen av det fulla komplementet av IRG som behövs för att utgöra ett vakuolärt destruktivt komplex. Ett sådant exempel klargjordes av infektion med virulenta och rekombinanta , avirulenta stammar av T. gondii . Den invecklade mekanismen visar en samutvecklande interaktion mellan de två arterna. Typ I T. gondii rhoptry effektormolekyl Rop18, ett serin-treoninkinas , visade sig nyligen selektivt fosforylera och inaktivera "pionjär" IRGs, och därigenom förhindra deras montering, aktivering och förstörelse av T. gondii vakuolen i monocyter .
Förutom rollen av IRGs i T. gondii- infektion , visade sig clearance av Mycobacterium , Mtb, också vara negativt påverkad hos möss som saknar Irgm1, en viktig negativ regulatorisk IRG. Mekanismen för clearance tros involvera lipidinteraktioner som hjälper till att rikta IRG till Mtb-innehållande fagosomer i makrofager .
Ett annat exempel på rollen av IRGs i musmodellen av infektion demonstreras av den differentiella rekryteringen av IRGs som förändrar resultatet av Chlamydia trachomatis , en mänsklig anpassad, kontra Chlamydia muridarum , musanpassad, inneslutningar efter inträde. C. trachomatis- inneslutningar rekryterar en fullständig repertoar av IRG som hjälper till med eliminering av inklusionen via fusion med lysosomer . Reglering av IRG-uttryck och aktivitet i denna modell visade sig vara beroende både på nivåer av fosfolipas C, cPLA2 , såväl som uppströms IFN-signalering. cPLA2-nullmusceller, när de utmanades med C. trachomatis , var mindre kapabla att rensa patogenen jämfört med celler med korrekt cPLA2-uttryck. Modellen belyser sam-evolutionen som demonstreras av effektormolekyler av C. muridarum som fungerar för att begränsa ackumulering av mus-IRGs på inneslutningar genom att modifiera Irgb10, medan den mänskliga patogenen inte är kapabel att modifiera mus-IRG-svaret. Denna mekanism kräver ytterligare involvering av cellulär autofagimaskineri, vilket står i motsats till den nekrotiska vägaktiveringen i T. gondii-clearance. En förfinad mekanism kommer att kräva ytterligare studier för att belysa samarbetet mellan autofagimaskineriet och IRG:er som är involverade i fusionen av bakterieinneslutningar med lysosomen, såväl som de specifika bakteriella effektormolekylerna som används för att manipulera de samordnade åtgärderna hos IRG:er.
Förutom rollen av Irgm1 i parasitclearance, har en cytoprotektiv roll föreslagits i mogna CD4 + T-celler efter exponering för IFNy i ett TH1 -svar. Irgm1 null möss rapporterades utveckla pancytopeni efter infektion med både Mycobacterium avium och Trypanosoma cruzi . Denna fenotyp var omvänd när den presenterades i en dubbel IFNy/Irgm1 knockout-modell. Dessa studier har gett bevis för att IRG:ers roll kan visa sig vara inte bara rumsligt och temporärt reglerad på ett mycket koordinerat sätt, utan att de har kontextspecifika hjälproller utanför den traditionella fagolysosomutvecklingen och mognaden .
IRG:er och människor
Det finns bara tre förmodade IRG-gener hos människor, av vilka IRGM är känt för att vara en ortolog av mus Irgm1. Det finns fyra isoformer av IRGM (ad). Till skillnad från mus IRG uttrycks humana IRGM-isoformer alltid under det humana retroviruselementet ERV9 och är oberoende av nivåerna av IFNy. IRGMb och d har ett förmodat G5 (SAK) motiv i sin C-terminala svansregion medan de andra två isoformerna inte har det. IRGMd verkar diffust i cytoplasman och translokeras till mitokondrierna som uppträder som punktformiga prickar. Dessutom har det visat sig binda till mitokondriell membranlipid, kardiolipin och påverka en förändring i organellers morfologi. I allmänhet har mänskliga IRG:er också visat sig påverka flera processer såsom autofagi , mitokondriell fission , förändring i mitokondriell membranpotential och celldöd .
Mänsklig IRGM har, liksom dess musmotsvarighet, visat sig spela en roll i autofagi, vars mekanism inte är helt klarlagd. LC3 är ett mikrotubuli associerat lösligt protein som finns i däggdjursvävnader. Cytoplasmatiska proteiner och organeller uppslukas av autofagosomer som omvandlar LC3-I till LC3-II. Närvaron av LC3-II fungerar som en markör för autofagi och kan detekteras genom immunfluorescens eller immunoblotting . IRGM hjälper till att omvandla LC3-I till LC3-II i makrofager. IRGM har en dubbel roll. När de uttrycks i mycket låga nivåer, tjänar de till att skydda mot intracellulära patogener, men när isoformerna a, c och d överuttrycks leder det till celldöd och inflammation.
Studier tyder på att brist på IRGM är riskfaktorer för Crohns sjukdom och tuberkulos . Människor använder IRGM som en försvarsmekanism mot den intracellulära bakterien Mycobacterium tuberculosis . Det har visat sig vara viktigt i fagosommognad och för att minska antalet intracellulära mykobakterier med hjälp av andra mitokondriella fissionsproteiner som DRP1 och FIs1. Under vissa förhållanden mitokondriell fission och dess associerade proteiner autofagi medan mitokondriell fusion hämmar densamma. Under autofagi-inducerande förhållanden ökar IRGM också ROS- produktionen ( Reactive Oxygen Species) .
Höga nivåer av IRGMd utlöser mitokondriell fission, leder till en förlust av mitokondriell membranpotential och orsakar värdcelldöd. Fission är också kopplat till mitokondriell Bax / Bak- beroende apoptos och IRGMd kräver att dessa proteiner är funktionella. Celldöd av IRGM är oberoende av autofagi men beror istället på de ovan nämnda pro-apoptotiska faktorerna. Som en konsekvens av IRGM-inducerad celldöd frisätter döende och nekrotiska celler nukleär HMGB1, ett pro-inflammatoriskt alarmin, inblandat i Crohns sjukdom.