Ścieżka imd
Szlak Imd jest szeroko konserwowanym szlakiem sygnalizacji immunologicznej NF-κB owadów i niektórych stawonogów, który reguluje silną przeciwbakteryjną odpowiedź obronną. Ścieżka została nazwana na cześć odkrycia mutacji powodującej ciężki niedobór odporności (gen został nazwany „Imd” od „niedoboru odporności”). Ścieżka Imd została po raz pierwszy odkryta w 1995 roku przy użyciu muszek owocowych Drosophila przez Bruno Lemaitre'a i współpracowników, którzy również później odkryli, że Drosophila Toll regulowaną przez geny obronę przed bakteriami Gram-dodatnimi i grzybami. Razem szlaki Toll i Imd utworzyły paradygmat sygnalizacji immunologicznej owadów; od 2 września 2019 r. te dwa przełomowe artykuły były cytowane łącznie ponad 5000 razy od czasu publikacji w Google Scholar.
Szlak Imd odpowiada na sygnały wytwarzane przez bakterie Gram-ujemne . Białka rozpoznające peptydoglikan (PGRP) wyczuwają peptydoglikan typu DAP , który aktywuje kaskadę sygnalizacyjną Imd. Kończy się to translokacją NF-κB Relish, co prowadzi do produkcji peptydów przeciwdrobnoustrojowych i innych efektorów. Owady pozbawione sygnalizacji Imd, naturalnie lub w wyniku manipulacji genetycznej, są niezwykle podatne na infekcje przez różnorodne patogeny, a zwłaszcza bakterie.
Podobieństwo do ludzkich ścieżek
Szlak Imd ma wiele podobieństw do sygnalizacji TNFR u ssaków , chociaż wiele wewnątrzkomórkowych białek regulatorowych sygnalizacji Imd wykazuje również homologię z różnymi kaskadami sygnalizacyjnymi ludzkich receptorów Toll-podobnych .
Podobieństwo do sygnalizacji TNFR
Następujące geny są analogiczne lub homologiczne między sygnalizacją Drosophila melanogaster (pogrubioną czcionką) a ludzkim TNFR1 :
- Imd : ludzki ortolog = RIP1
- Tak1 : ludzki ortolog = Tak1
- TAB2 : ludzki ortolog = TAB2
- Dredd : ludzki ortolog = kaspaza-8
- FADD : ludzki ortolog = FADD
- Klucz/Ikkγ : ludzki ortolog = NEMO
- Ird5 : ludzki ortolog = IKK2
- Smak : ludzkie ortologi = p65/p50 i IκB
- Iap2 : ludzki ortolog = cIAP2
- UEV1a : ludzki ortolog = UEV1a
- zakręt : ludzki ortolog = UBC13
W Drosophila
Podczas gdy dokładna epistaza składników szlaku sygnałowego Imd jest stale badana, mechanistyczna kolejność wielu kluczowych składników szlaku jest dobrze ugruntowana. W poniższych sekcjach omówiono sygnalizację Imd występującą u Drosophila melanogaster , gdzie jest ona wyjątkowo dobrze scharakteryzowana. Sygnalizacja Imd jest aktywowana przez szereg etapów od rozpoznania substancji bakteryjnej ( np. peptydoglikanu) do przekazania tego sygnału prowadzącego do aktywacji czynnika transkrypcyjnego NF-κB Relish. Aktywowany Relish tworzy następnie dimery które przemieszczają się do jądra i wiążą się z DNA , prowadząc do transkrypcji peptydów przeciwdrobnoustrojowych i innych efektorów.
Białka rozpoznające peptydoglikan (PGRP)
Wykrywanie sygnałów bakteryjnych jest realizowane przez białko rozpoznające peptydoglikan LC (PGRP-LC), białko transbłonowe z domeną wewnątrzkomórkową. Wiązanie bakteryjnego peptydoglikanu prowadzi do dimeryzacji PGRP-LC, która generuje konformację potrzebną do związania i aktywacji białka Imd. Jednak alternatywne izoformy PGRP-LC mogą również ulegać ekspresji z różnymi funkcjami: PGRP-LCx rozpoznaje polimeryczny peptydoglikan, podczas gdy PGRP-LCa nie wiąże się bezpośrednio z peptydoglikanem, ale działa razem z PGRP-LCx, wiążąc monomeryczne fragmenty peptydoglikanu (zwane cytotoksyną tchawiczą lub „TCT”). Inny PGRP (PGRP-LE) działa również wewnątrzkomórkowo, wiążąc TCT, który przeszedł przez błonę komórkową lub pochodzi z infekcji wewnątrzkomórkowej. PGRP-LA promuje aktywację sygnalizacji Imd w komórkach nabłonka, ale mechanizm jest nadal nieznany.
Inne PGRP mogą hamować aktywację sygnalizacji Imd przez wiązanie sygnałów bakteryjnych lub hamowanie białek sygnalizacyjnych gospodarza: PGRP-LF jest transbłonowym PGRP, któremu brakuje domeny wewnątrzkomórkowej i nie wiąże się z peptydoglikanem. Zamiast tego PGRP-LF tworzy dimery z PGRP-LC, zapobiegając dimeryzacji PGRP-LC, aw konsekwencji aktywacji sygnalizacji Imd. Szereg wydzielanych PGRP ma aktywność amidazy, która obniża poziom szlaku Imd przez trawienie peptydoglikanu na krótkie, nieimmunogenne fragmenty. Należą do nich PGRP-LB, PGRP-SC1A, PGRP-SC1B i PGRP-SC2. Ponadto PGRP-LB jest głównym regulatorem w jelitach.
Elementy sygnalizacji wewnątrzkomórkowej
Podstawowym wewnątrzkomórkowym białkiem sygnalizacyjnym jest Imd, białko zawierające domenę śmierci, które wiąże się z FADD i Dredd, tworząc kompleks. Dredd jest aktywowany po ubikwitynacji przez kompleks Iap2 (obejmujący Iap2, UEV1a, bend i eff), co pozwala Dreddowi przeciąć 30 reszt N-końca Imd, umożliwiając mu również ubikwitynację przez Iap2. Następnie kompleks Tak1/TAB2 wiąże się z aktywowaną postacią Imd, a następnie aktywuje kompleks IKKγ/Ird5 poprzez fosforylację. Ten kompleks IKKγ aktywuje Relish przez fosforylację, prowadząc do rozszczepienia Relish i tym samym do wytworzenia zarówno N-końcowych, jak i C-końcowych fragmentów Relish. N-końcowe fragmenty Relish dimeryzują, co prowadzi do ich translokacji do jądra, gdzie te dimery wiążą się z miejscami wiązania NF-κB z rodziny Relish. Binding of Relish promuje transkrypcja efektorów, takich jak peptydy przeciwdrobnoustrojowe .
Chociaż Relish jest integralną częścią transkrypcji efektorów szlaku Imd, istnieje dodatkowa współpraca z innymi szlakami, takimi jak Toll i JNK . Kompleks TAK1/TAB2 jest kluczem do propagacji wewnątrzkomórkowej sygnalizacji nie tylko szlaku Imd, ale również szlaku JNK. W rezultacie mutanty sygnalizujące JNK mają poważnie zmniejszoną ekspresję peptydów przeciwdrobnoustrojowych szlaku Imd.
Odpowiedź antybakteryjna
Sygnalizacja Imd reguluje szereg efektorowych peptydów i białek, które są wytwarzane masowo po prowokacji immunologicznej. Obejmuje to wiele głównych peptydów przeciwdrobnoustrojowych Drosophila, w szczególności: Diptericin , Attacin , Drosocin , Cecropin i Defensin . Szlak Imd reguluje setki genów po zakażeniu, jednak peptydy przeciwdrobnoustrojowe odgrywają jedną z najważniejszych ról sygnalizacji Imd w obronie. Muchy pozbawione wielu genów peptydów przeciwdrobnoustrojowych ulegają infekcjom przez szeroki zestaw bakterii Gram-ujemnych. Klasyczne myślenie sugerowało, że peptydy przeciwdrobnoustrojowe działały jako ogólny koktajl obronny, w którym każdy peptyd zapewniał niewielki i nieco zbędny wkład. Jednak Hanson i współpracownicy odkryli, że pojedyncze geny peptydów przeciwdrobnoustrojowych wykazywały nieoczekiwanie wysoki stopień specyficzności w obronie przed określonymi drobnoustrojami. Mucha Dipterycyna A gen jest niezbędny do obrony przed bakterią Providencia rettgeri (również sugerowaną we wcześniejszych badaniach ewolucyjnych). Druga specyficzność jest kodowana przez gen Drosocin . Muchy pozbawione drosocyny są bardzo podatne na infekcję Enterobacter cloacae . Sam gen Drosocyny koduje dwa peptydy (nazwane Drosocin i Buletin), przy czym to konkretnie peptyd Drosocin jest odpowiedzialny za obronę przed E. cloacae , podczas gdy peptyd Buletin zamiast tego pośredniczy w specyficznej obronie przed inną bakterią, Providencia burhodogranariea . Prace te towarzyszą innym pracom nad przeciwdrobnoustrojowymi peptydami i efektorami regulowanymi szlakiem Drosophila Toll , które również wykazują szczególne znaczenie w obronie przed niektórymi grzybami lub bakteriami.
Ta praca nad immunologicznymi peptydami przeciwbakteryjnymi i efektorami Drosophila znacznie zrewidowała poprzedni pogląd, że takie peptydy są cząsteczkami ogólnymi. Współczesna interpretacja jest taka, że określone cząsteczki mogą zapewniać nieco zbędną warstwę obronną, ale pojedyncze peptydy mogą mieć krytyczne znaczenie, indywidualnie, przeciwko odpowiednim drobnoustrojom.
Ochrona u owadów
-PLoS.jpg)
Wydaje się, że szlak Imd wyewoluował u ostatniego wspólnego przodka stonogów i owadów. Jednak od tego czasu niektóre linie owadów utraciły podstawowe elementy sygnalizacji Imd. Pierwszym odkrytym i najbardziej znanym przykładem jest mszyca grochowa Acyrthosiphon pisum . Uważa się, że mszyce żywiące się roślinami utraciły sygnalizację Imd, ponieważ są nosicielami wielu bakteryjnych endosymbiontów , w tym zarówno symbionty odżywcze, które zostałyby zakłócone przez nieprawidłową ekspresję peptydów przeciwdrobnoustrojowych, jak i symbionty obronne, które pokrywają niektóre niedobory odporności spowodowane utratą sygnalizacji Imd. Sugerowano również, że peptydy przeciwdrobnoustrojowe, dalsze składniki sygnalizacji Imd, mogą być szkodliwe dla sprawności i tracone przez owady o ekologiach odżywiających się wyłącznie roślinami.
Przesłuch między ścieżkami sygnałowymi Imd i Toll
Podczas gdy szlaki sygnalizacyjne Toll i Imd u Drosophila są powszechnie przedstawiane jako niezależne w celach wyjaśniających, podstawowa złożoność sygnalizacji Imd obejmuje szereg prawdopodobnych mechanizmów, w których sygnalizacja Imd oddziałuje z innymi szlakami sygnalizacyjnymi, w tym Toll i JNK . Chociaż paradygmat Toll i Imd jako w dużej mierze niezależny zapewnia użyteczny kontekst do badania sygnalizacji immunologicznej, zakwestionowano uniwersalność tego paradygmatu w odniesieniu do innych owadów. W Plautia stali stinkbugs , supresja genów Toll lub Imd prowadzi jednocześnie do zmniejszonej aktywności klasycznych efektorów Toll i Imd z obu szlaków.
Owady i stawonogi pozbawione sygnalizacji Imd
- Mszyca grochowa Acyrthosiphon pisum
- Pluskwa domowa Cimex lectularius
- Roztocza Tetranychus urticae