Interleukin-1-receptorassocierat kinas

interleukin -1-receptor (IL-1R) associerad kinas ( IRAK ) spelar en avgörande roll i det skyddande svaret på patogener som introduceras i människokroppen genom att inducera akut inflammation följt av ytterligare adaptiva immunsvar. IRAK är väsentliga komponenter i interleukin-1-receptorns signalväg och vissa Toll-liknande receptorsignalvägar. Tullliknande receptorer (TLR) upptäcker mikroorganismer genom att känna igen specifika patogenassocierade molekylära mönster (PAMPs) och IL-1R-familjens medlemmar svarar på interleukin-1 (IL-1)-familjens cytokiner. Dessa receptorer initierar en intracellulär signalkaskad genom adapterproteiner, i första hand MyD88 . Detta följs av aktivering av IRAK. TLRs och IL-1R-medlemmar har en mycket konserverad aminosyrasekvens i sin cytoplasmatiska domän som kallas Toll/Interleukin-1 (TIR)-domänen. Framkallandet av olika TLR/IL-1R resulterar i liknande signalkaskader på grund av deras homologa TIR-motiv som leder till aktivering av mitogenaktiverade proteinkinaser (MAPK) och IκB kinas (IKK) komplexet, vilket initierar en nukleär faktor-KB ( NF-KB) och AP-1-beroende transkriptionssvar av pro-inflammatoriska gener. Att förstå nyckelaktörerna och deras roller i TLR/IL-1R-vägen är viktigt eftersom närvaron av mutationer som orsakar onormal reglering av Toll/IL-1R-signalering som leder till en mängd olika akuta inflammatoriska och autoimmuna sjukdomar.

IRAK är membranproximala förmodade serin-treoninkinaser. Fyra IRAK-familjemedlemmar har beskrivits hos människor: IRAK1 , IRAK2 , IRAKM och IRAK4 . Två är aktiva kinaser, IRAK-1 och IRAK-4, och två är inaktiva, IRAK-2 och IRAK-M, men alla reglerar vägarna för nukleär faktor-KB (NF-KB) och mitogenaktiverat proteinkinas (MAPK).

Några speciella/viktiga egenskaper hos varje IRAK-familjemedlem:

• Det finns vissa bevis för att IRAK-1 fungerar för att reglera andra signalkaskader som leder till NF-KB-aktivering. En signalväg i synnerhet nervtillväxtfaktor (NGF) kan vara beroende av IRAK-1:s funktion i dess signalväg för dess aktivering och cellöverlevnad.
• IRAK-2 har 4 isoformer IRAK-2a, IRAK-2b, IRAK-2c och IRAK-2d. De två sistnämnda har negativ återkoppling i TLR-signalvägarna. IRAK-2a och IRAK-2b aktiverar positivt NF-KB/TLR-vägen genom att stimulera LPS.
• IRAK-M är specifik för monomyeloiska celler (monocyter och makrofager) medan andra IRAK som uttrycks allestädes närvarande. IRAK-M reglerar TLR-signalering negativt genom att hämma IRAK-4/IRAK-1-komplexet
• Den senaste beskrivna IRAK-familjemedlemmen, IRAK-4, har visat sig vara avgörande för rekryteringen av IRAK-1 och för dess aktivering/nedbrytning. IL-1 stimulerar IRAK-4 till IL-1R-komplexet och initierar Toll/IL-1-receptorsignaleringskaskaden uppströms om IRAK, så deletionen av IRAK-1 upphäver inte aktiveringen av NF-KB och mitogenaktiverade proteinkinasvägar .

Upptäckt

IRAK:er identifierades först 1994 av Michael Martin och kollegor när de framgångsrikt samutfällde ett proteinkinas med typ I-interleukin-1-receptorer (IL-1RI) från humana T-celler. De spekulerade att detta kinas var länken mellan T-cellens transmembrana IL-1-receptor och den cytosoliska signalvägens nedströmskomponenter.

Namnet "IRAK" kom från Zhaodan Cao och kollegor 1995. DNA-sekvensanalysen av IRAK:s domäner avslöjade många konserverade aminosyror med det serin/treoninspecifika proteinkinaset Pelle i Drosophila, som fungerar nedströms om en Toll- receptor . Caos labb bekräftade kinasets aktivitet som nödvändigtvis associerad med IL-1-receptorn genom att immunutfälla IL-1-receptorerna från olika celltyper behandlade med IL-1 och utan IL-1. Även celler utan överuttryckta IL-1-receptorer visade kinasaktivitet när de exponerades för IL-1 och kunde samfälla ett proteinkinas med endogena IL-1-receptorer. Således benämndes den humana IL-1-receptorns accessoriska protein Interleukin-1 Receptor-Associated Kinase.

År 1997 identifierades MyD88 som det cytosoliska proteinet som rekryterar IRAK till de cytosoliska domänerna av IL-1-receptorer, vilket förmedlar IL-1:s signaltransduktion till den cytosoliska signalkaskaden. Efterföljande studier förknippade IRAK med flera signalvägar utlösta av interleukin, och specificerade flera IRAK-typer.

Strukturera

Funktionella domäner

Alla IRAK-familjemedlemmar är multidomänproteiner som består av en konserverad N-terminal dödsdomän (DD) och en central kinasdomän (KD). DD är ett proteininteraktionsmotiv som är viktigt för att interagera med andra signalmolekyler som adapterproteinet MyD88 och andra IRAK-medlemmar. KD är ansvarig för kinasaktiviteten hos IRAK-proteiner och består av 12 subdomäner. Alla IRAK KDs har en ATP-bindande ficka med en oföränderlig lysinrest i subdomän II, men endast IRAK-1 och IRAK-4 har en aspartatrest i det katalytiska stället för subdomän VI, vilket anses vara kritiskt för kinasaktivitet. Man tror att IRAK-2 och IRAK-M är katalytiskt inaktiva eftersom de saknar denna aspartatrest i KD.

Den C-terminala domänen verkar inte visa mycket likhet mellan IRAK familjemedlemmar. Den C-terminala domänen är viktig för interaktionen med signalmolekylen TRAF6. IRAK-1 innehåller tre TRAF6-interaktionsmotiv, IRAK-2 innehåller två och IRAK-M innehåller ett.

IRAK-1 innehåller en region som är rik på serin, prolin och treonin (proST). Man tror att IRAK-1 genomgår hyperfosforylering i denna region. ProST-regionen innehåller också två prolin (P), glutaminsyra (E), serin (S) och treonin (T)-rika (PEST) sekvenser som tros främja nedbrytningen av IRAK-1.

Roll i immunsignalering

Interleukin-1-receptorsignalering

IL-1R signalväg

Interleukin-1-receptorer (IL-1R) är cytokinreceptorer som omvandlar en intracellulär signalkaskad som svar på bindningen av det inflammatoriska cytokinet interleukin-1 (IL-1). Denna signalkaskad resulterar i initieringen av transkription av vissa gener involverade i inflammation. Eftersom IL-1R inte har inneboende kinasaktivitet, förlitar de sig på rekryteringen av adaptermolekyler, såsom IRAK, för att transducera sina signaler.

IL-1-bindning till IL-1R-komplexet utlöser rekryteringen av adaptermolekylen MyD88 genom interaktioner med TIR-domänen. MyD88 för IRAK-4 till receptorkomplexet. Förformade komplex av adaptermolekylen Tollip och IRAK-1 rekryteras också till receptorkomplexet, vilket gör att IRAK-1 kan binda MyD88. IRAK-1-bindning till MyD88 bringar den i nära anslutning till IRAK-4 så att IRAK-4 kan fosforylera och aktivera IRAK-1. När det väl är fosforylerat rekryterar IRAK-1 adapterproteinet TNF-receptorassocierad faktor 6 (TRAF6) och IRAK-1-TRAF6-komplexet dissocierar från IL-1R-komplexet. IRAK-1-TRAF6-komplexet interagerar med ett redan existerande komplex vid plasmamembranet bestående av TGF-β-aktiverat kinas 1 (TAK1) och två TAK-bindande proteiner, TAB1 och TAB2. TAK1 är ett mitogenaktiverat proteinkinaskinaskinas (MAPKKK). Denna interaktion leder till fosforylering av TAB2 och TAK1, som sedan translokerar till cytosolen med TRAF6 och TAB1. IRAK-1 förblir vid membranet och är mål för nedbrytning genom ubiquitination. När TAK1-TRAF6-TAB1-TAB2-komplexet är i cytosolen utlöser ubiquitination av TRAF6 aktiveringen av TAK1-kinasaktivitet. TAK1 kan sedan aktivera två transkriptionsvägar, nukleär faktor-KB (NF-KB) vägen och den mitogenaktiverade proteinkinasvägen (MAPK). För att aktivera NF-KB-vägen, fosforylerar TAK1 IκB-kinas (IKK)-komplexet, vilket därefter fosforylerar NF-KB-hämmaren, IκB, och riktar den mot nedbrytning av proteasomen. När IκB väl har tagits bort är NF-KB-proteinerna p65 och p50 fria att translokera in i kärnan och aktivera transkription av proinflammatoriska gener. För att aktivera MAPK-vägen, fosforylerar TAK1 MAPK-kinas (MKK) 3/4/6, som sedan fosforylerar medlemmar av MAPK-familjen, c-Jun N-terminalt kinas (JNK) och p38. Fosforylerad JNK/p38 kan sedan translokera in i kärnan och fosforylera och aktivera transkriptionsfaktorer som c-Fos och c-Jun.

Tullliknande receptorsignalering

Toll-like receptors (TLR) är viktiga medfödda immunreceptorer som känner igen patogenassocierade molekylära mönster (PAMPs) och initierar det lämpliga immunsvaret för att eliminera en viss patogen. PAMPs är konserverade motiv förknippade med mikroorganismer som inte finns i värdceller, såsom bakteriell lipopolysackarid (LPS), viralt dubbelsträngat RNA, etc. TLR:er liknar IL-1R:er genom att de inte har inneboende kinasaktivitet och kräver adaptermolekyler för att förmedla sina signaler. Stimulering av TLR kan också resultera i NF-KB- och MAPK-medierad transkription, liknande IL-1R-signalvägen.

Det har visats att IRAK-1 är väsentligt för TLR7 och TLR9 interferon (IFN) induktion. TLR7 och TLR9 i plasmacytoida dendritiska celler (pDC) känner igen virala nukleinsyror och utlöser produktionen av interferon-α (IFN-α), ett viktigt cytokin för att inducera ett antiviralt tillstånd i värdceller. TLR7- och TLR9-medierad IFN-a-induktion kräver bildandet av ett komplex bestående av MyD88, TRAF6 och interferon-regulatorisk faktor 7 (IRF7). IRF7 är en transkriptionsfaktor som translokerar in i kärnan när den aktiveras och initierar transkription av IFN-α. IRAK-1 visades direkt fosforylera IRF7 in vitro och kinasaktiviteten hos IRAK-1 visades vara väsentlig för IRF7 transkriptionell aktivering. Det visades senare att IRAK-1 krävs för aktivering av interferon regulatorisk faktor 5 (IRF5). IRF5 är en annan transkriptionsfaktor som inducerar IFN-produktion efter stimulering av TLR7, TLR8 och TLR9 av specifika virus. För att aktiveras måste IRF5 polyubiquitineras av TRAF6. Det har visats att TRAF6-medierad ubiquitination av IRF5 är beroende av kinasaktiviteten hos IRAK-1.

IRAK-1 har också visat sig spela en avgörande roll i TLR4 interleukin-10 (IL-10) induktion. TLR4 känner igen bakteriell LPS och utlöser transkriptionen av IL-10, ett cytokin som reglerar det inflammatoriska svaret. IL-10-transkription aktiveras av signalomvandlare och aktivator av transkription 3 (STAT3). IRAK-1 bildar ett komplex med STAT3 och IL-10-promotorelementet i kärnan och krävs för STAT3-fosforylering och aktivering av IL-10-transkription.

IRAK-2 spelar en viktig roll i TLR-medierad NF-KB-aktivering. Att slå ner IRAK-2 har visat sig försämra NF-KB-aktivering av TLR3, TLR4 och TLR8. Mekanismen för hur IRAK-2 fungerar är fortfarande okänd, men IRAK-2 har visat sig interagera med ett TIR-adapterprotein som inte binder till IRAK-1, kallat Mal/TIRAP. Mal/TIRAP har varit specifikt inblandad i TLR2- och TLR4-medierad NF-KB-signalering. Dessutom har det visats att IRAK-2 rekryteras till TLR3-receptorn. IRAK-2 är den enda IRAK-familjemedlemmen som är känd för att spela en roll i TLR3-signalering.

En av de mest distinkta egenskaperna hos IRAK-M är att det är en negativ regulator av TLR-signalering för att förhindra överdriven inflammation. Man tror att IRAK-M ökar bindningen av MyD88 till IRAK-1 och IRAK-4, vilket förhindrar IRAK-1 från att dissociera från receptorkomplexet och inducerar nedströms NF-KB- och MAPK-signalering. Det har också visats att IRAK-M negativt reglerar den alternativa NF-KB-vägen i TLR2-signalering. Den alternativa NF-KB-vägen utlöses huvudsakligen av CD40, lymfotoxin β-receptor (LT) och den B-cellsaktiverande receptorn som tillhör TNF-familjen (BAFF-receptor). Den alternativa NF-KB-vägen involverar aktivering av NF-KN-inducerande kinas (NIK) och efterföljande fosforylering av transkriptionsfaktorerna p100/RelB i en IKKα-beroende mekanism. Det observerades att IRAK-M knockout resulterade i ökad induktion av den alternativa NF-KB-vägen men inte den klassiska vägen. Mekanismen genom vilken IRAK-M hämmar NF-KB-signalering är fortfarande okänd.

IRAK-4 är en viktig komponent i MyD88-medierade signalvägar och är därför kritisk för både IL-1R- och TLR-signalering. MyD88 fungerar som ett ställningsprotein för interaktionen mellan IRAK-1 och IRAK-4, vilket gör att IRAK-4 kan fosforylera IRAK-1, vilket leder till autofosforylering och aktivering av IRAK-1 [1,2]. IRAK-4 är kritisk för IL-1R och TLR NF-KB och MAPK signalvägar såväl som TLR7/9 MyD88-medierad interferonaktivering.

Roll i sjukdom

Interleukin 1 är ett cytokin som verkar lokalt och systemiskt i det medfödda immunsystemet. IL-1a och IL-1ß är kända för att orsaka inflammation, men kan också orsaka induktion av andra proinflammatoriska cytokiner och feber. Eftersom IRAK är ett avgörande steg i IL-1-receptorns signalväg, kan brister eller överuttryck av IRAK orsaka suboptimalt eller överaktivt cellulärt svar på IL-1a och IL-1ß. Således är interleukin-1-receptorassocierade kinaser lovande terapeutiska mål för autoimmun-, immunbrist- och cancerrelaterade störningar.

Cancer

Inflammationssignalering är känd för att vara en viktig faktor i många cancertyper, och ett inflammatoriskt mikroklimat är en nyckelaspekt av mänskliga tumörer. IL-1ß, som aktiverar den inflammatoriska signalvägen som innehåller IRAK, är direkt involverad i tumörcelltillväxt, angiogenes, invasion och metastaser. I tumörceller som innehåller L265P MyD88-mutanten samlas proteinsignalkomplex spontant, vilket aktiverar IRAK-4:s kinasaktivitet och främjar inflammation och tillväxt oberoende av interleukin-1-signalering. IRAK-4-hämmande läkemedel är således en potentiell terapeutisk behandling för lymfoida maligniteter med L265P MyD88-mutationen, speciellt vid Waldenströms Makroglobulinemi, där BTK- och IRAK1/4-hämmare har visat lovande men obekräftade resultat.

2013 studerade Garrett Rhyasen och hans kollegor vid University of Cincinnati bidraget från aktiv IRAK-1 och IRAK-4 vid humant myelodysplastiskt syndrom (MDS) och akut myeloid leukemi (AML). De fann att IRAK1 knockout-terapi framkallade apoptos och försämrad aktivitet av leukemiska stamceller. De fastställde också att IRAK4, även om det är absolut nödvändigt för spridning av humana hematologiska maligniteter, inte är absolut nödvändigt för patogenesen av MDS/AML. Ytterligare testning av IRAK-hämmande terapi kan visa sig vara avgörande för utvecklingen av cancerterapi.

Autoimmuna sjukdomar

Autoimmuna sjukdomar som MS, reumatoid artrit, lupus och psoriasis orsakas av medfödd avreglering av immunsystemet som inducerar kronisk inflammation. I de flesta fall misstänks hämning av IRAK-1 och IRAK-4 vara de mest effektiva målen för knockout-läkemedel, eftersom deras funktioner är integrerade i cytokinvägarna som inducerar kronisk inflammation.

Mutationer i genen för IRAK-M har identifierats som bidragande orsaker till tidig astma. Komprometterad IRAK-M leder till överproduktion av inflammatoriska cytokiner i lungorna, vilket så småningom utlöser T-cellsmedierade allergiska reaktioner och förvärring av astmasymtom. Forskare har föreslagit att ökad IRAK-M-funktion hos dessa individer kan dämpa astmasymtom.