Sparowane receptory
Sparowane receptory to pary lub skupiska białek receptorowych , które wiążą się z zewnątrzkomórkowymi ligandami , ale mają przeciwne działanie aktywujące i hamujące sygnalizację . Tradycyjnie sparowane receptory definiuje się jako pary homologiczne z podobnymi domenami zewnątrzkomórkowymi i różnymi regionami cytoplazmatycznymi , których geny są zlokalizowane razem w genomie jako część tego samego klastra genów i które wyewoluowały poprzez duplikacja genu . Homologiczne sparowane receptory często, ale nie zawsze, mają wspólny ligand. Szerzej, zidentyfikowano pary receptorów, które wykazują sparowane zachowanie funkcjonalne - reagujące na wspólny ligand z przeciwstawnymi sygnałami wewnątrzkomórkowymi - ale nie są ściśle homologiczne ani kolokowane w genomie. Sparowane receptory są silnie eksprymowane w komórkach układu odpornościowego , zwłaszcza w komórkach naturalnych zabójców (NK) i komórkach mieloidalnych , i biorą udział w regulacji odporności.
Struktura
Sparowane receptory to białka błonowe z domenami zewnątrzkomórkowymi , które oddziałują z pozakomórkowymi ligandami. Region zewnątrzkomórkowy może zawierać wiele powtarzających się domen białkowych i może należeć do rodzin immunoglobulin lub lektyn typu C. Domeny zewnątrzkomórkowe homologicznych sparowanych receptorów są zazwyczaj bardzo podobne pod względem sekwencji, ale mają różne powinowactwo wiązania dla ich wspólnych ligandów, przy czym członek hamujący pary wiąże się mocniej.
Homologiczne sparowane receptory mają charakterystyczne różnice w regionach przezbłonowych i cytoplazmatycznych , które odróżniają aktywujących i hamujących członków pary. Receptory hamujące mają sekwencję cytoplazmatyczną typowo zawierającą co najmniej jeden motyw hamujący oparty na tyrozynie immunoreceptora (ITIM). Receptory aktywujące mają skróconą sekwencję cytoplazmatyczną w porównaniu z odpowiadającym im receptorem hamującym i zawierają dodatnio naładowaną resztę aminokwasową w swojej domenie transbłonowej, umożliwiając interakcję białko-białko z białko adaptorowe , które posiada motyw aktywacyjny oparty na tyrozynie immunoreceptora (ITAM).
Genetyka i ewolucja
Homologiczne sparowane receptory znajdują się w tej samej grupie genów i uważa się, że wyewoluowały poprzez duplikację genów . Cechy sekwencji, takie jak obecność sekwencji podobnej do ITIM w nieulegającym translacji regionie 3' niektórych receptorów aktywujących, sugerują, że aktywujący członkowie pary prawdopodobnie wyewoluowali z członków hamujących. Szereg patogenów oddziałuje z hamującym członkiem pary jako sposób na uniknięcie odporności lub wejście wirusa , sugerując, że aktywowanie członków o podobnych kompetencjach wiążących może być ewolucyjną odpowiedzią na ten mechanizm. Hipoteza ta jest znana jako „teoria przeciwwagi”, a ta dynamika ewolucyjna przedstawia ewolucyjny wyścig zbrojeń między patogenami a układem odpornościowym gospodarza. Ewolucyjne naciski na niektóre rodziny receptorów sparowanych zostały opisane jako przykłady „Czerwonej Królowej” .
ludzkim genomie zidentyfikowano ponad 300 potencjalnych receptorów hamujących układ odpornościowy . Istnieją mocne przesłanki, że sparowane receptory szybko i niedawno ewoluują. Te regiony genetyczne mają wysoki poziom polimorfizmu genów , a repertuar genów znaleziony w genomach blisko spokrewnionych linii znacznie się różni. Uważa się, że u podstaw tej szybkiej ewolucji leży presja selekcyjna , jakiej doświadcza żywiciel ze strony patogenów .
Chociaż sparowane receptory najlepiej scharakteryzowano jako część układu odpornościowego człowieka i myszy, badano je również w innych organizmach. Genom kurczaka ( Gallus gallus domesticus ) zawiera wiele przykładów, w tym bardzo dużą rodzinę, kurze receptory Ig-podobne (CHIR) z ponad 100 członkami . Ewolucję sparowanych receptorów badano również u gatunków Xenopus (żaba szponiasta). Adaptacyjny układ odpornościowy jest unikalny dla kręgowców szczękowych , ale przykład sparowanej rodziny receptorów został zidentyfikowany u kręgowców bezszczękowych. kręgowców, określanych jako sparowane receptory agnathana, przypominające receptory Ag (APAR) u śluzicy .
Wyrażenie
Ekspresja sparowanych receptorów jest powszechna w wielu typach leukocytów , zwłaszcza w komórkach mieloidalnych i komórkach naturalnych zabójców (NK). Aktywacja komórek NK jest złożonym procesem regulacyjnym modulowanym przez wiele różnych par rodzin receptorów koeksprymowanych w tym typie komórek. W niektórych przypadkach tylko jeden członek pary jest wyrażony w typie komórki. Ekspresja sparowanych elementów w pojedynczym typie komórki może zmieniać się w czasie lub białka mogą różnić się lokalizacją subkomórkową , co powoduje zmiany w sygnalizacji. Ekspresja w komórkach NK może być stochastyczna , co skutkuje unikalnymi różnicami w repertuarze receptorów.
Niektóre sparowane receptory ulegają ekspresji poza układem odpornościowym, na przykład w neuronach , śródbłonku i nabłonku , ale w wielu przykładach można zaobserwować szeroką dystrybucję tkankową .
Funkcjonować
Sparowane receptory przekazują sygnały zewnątrzkomórkowe poprzez przeciwstawne wewnątrzkomórkowe szlaki sygnałowe. Kanonicznie, receptory hamujące rekrutują fosfatazy poprzez swoje motywy ITIM , hamując funkcję komórek, w których ulegają ekspresji. Natomiast receptory aktywujące oddziałują z białkami adaptorowymi, takimi jak DAP-12 z motywem ITAM , które z kolei rekrutują kinazy , takie jak Syk i ZAP70 .
Ligandy dla sparowanych receptorów mogą być bardzo różnorodne. Często są to białka; najlepiej scharakteryzowane są MHC klasy I , ale wiele innych endogennych cząsteczek opisano jako ligandy dla co najmniej jednej rodziny sparowanych receptorów, aw kilku przypadkach w rodzinie LILR nawet nienaruszone bakterie lub wirusy mogą służyć jako ligandy. Lipidy, takie jak fosfatydyloetanoloamina i fosfatydyloseryna , cukry i sialilowane glikany oraz kwasy nukleinowe wszystkie mogą służyć jako ligandy dla niektórych sparowanych receptorów.
Powinowactwo wiązania sparowanych domen zewnątrzkomórkowych receptorów z ich ligandami jest na ogół dość słabe, ze stałymi dysocjacji (Kd ) w zakresie mikromolowym (μM). Jednak członek hamujący pary zwykle wiąże się z większym powinowactwem niż członek aktywujący. Może to wywołać kompetycyjny efekt hamowania , w którym hamujący członek pary konkuruje ze swoim aktywującym odpowiednikiem o wiązanie ligandu; inne mechanizmy interferencji z aktywacją, takie jak zakłócanie dimeryzacji , zostały również opisane. Zatem sygnał linii podstawowej netto z pary jest zwykle hamujący, ale może być modulowany przez różnice w ekspresji, gęstości powierzchniowej, lokalizacji subkomórkowej lub innych czynników.
W komórkach NK ligandy dla receptorów hamujących są często cząsteczkami MHC klasy I (MHC-I), podczas gdy ligandy dla receptorów aktywujących mogą obejmować sygnały nieprawidłowości lub infekcji, takie jak białka z patogenów lub nowotworów lub cząsteczki związane ze stresem komórkowym . Endogenne ligandy dla receptorów hamujących są lepiej scharakteryzowane niż ligandy dla receptorów aktywujących. Sparowana sygnalizacja receptora może reprezentować utrzymanie homeostazy tak, że odpowiedzi immunologiczne na normalne komórki gospodarza są hamowane, podczas gdy odpowiedzi na nieprawidłowe lub patogenne cząsteczki w środowisku są aktywowane. Aktywacja NK przy braku hamujących sygnałów receptora z endogennych ligandów jest molekularnym mechanizmem hipotezy brakującego ja aktywacji NK.
Interakcja z patogenami
W literaturze opisano szereg przykładów naśladowania molekularnego przez patogeny, naśladujących naturalne endogenne ligandy sparowanych receptorów dla unikania odpowiedzi immunologicznej . Takie interakcje są szczególnie powszechne w przypadku hamujących członków par receptorów, co potwierdza hipotezę, że partnerzy aktywujący są późniejszą ewolucyjną odpowiedzią na tę strategię ucieczki immunologicznej.
Pierwsza opisana interakcja między sparowanym receptorem a białkiem wirusowym zidentyfikowała ILT-2 i ILR-4 ( LILRB1 i LILRB2 ) jako cele dla białka UL18 wirusa opryszczki pospolitej , które przypomina cząsteczkę MHC-I. Różnice w podatności na infekcję mysiego wirusa cytomegalii spowodowane różnicami w Ly49 wśród szczepów myszy są dobrze scharakteryzowane i przypisuje się je strukturalnemu podobieństwu między wirusowym białkiem m157 i cząsteczkami MHC-I. Patogenna bakteria Escherichia coli K1 eksponuje powierzchnię kwasu polisialowego , które służą jako mimika molekularna dla natywnego liganda receptora hamującego Siglec-11, ale indukują przeciwną odpowiedź poprzez interakcje ze sparowanym receptorem aktywującym Siglec-16, co stanowi przykład korzyści z aktywowania receptorów jako mechanizmów obronnych przed mimikrą molekularną przez patogeny.
Sparowane receptory są również wykorzystywane jako wirusowe receptory wejściowe przez wiele wirusów, a czasami jako mechanizmy wejściowe dla innych patogenów. Sialilacja jest powszechna wśród białek powierzchniowych komórek ssaków, a wiele patogenów wykorzystuje kwas sialowy - samosyntetyzowany lub uzyskany z komórki gospodarza - w celu uniknięcia odporności gospodarza, w tym poprzez interakcję z hamującymi receptorami siglec .
Rodziny
Istnieją dwie główne grupy sparowanych receptorów, wyróżniające się regionami zewnątrzkomórkowymi zawierającymi domeny immunoglobulinowe lub lektynowe typu C. Nomenklatura w tych rodzinach jest złożona i zmieniała się w czasie, gdy identyfikowano nowych członków. Ogólnie stosuje się przykład rodziny LILR; geny oznaczone A reprezentują receptor hamujący, a geny oznaczone B reprezentują receptor aktywujący.
Receptory podobne do immunoglobulin
Receptory podobne do immunoglobulin są członkami nadrodziny immunoglobulin i mają jedną lub więcej domen immunoglobulinowych (Ig) o długości 70-110 reszt w swoim regionie zewnątrzkomórkowym, typowo wiele takich domen w tandemie. Wiele genów kodujących te białka występuje w kompleksie receptora leukocytów (LRC), dużym skupisku genów na ludzkim chromosomie 19 . Członkowie tej grupy znalezione w ludzkim genomie obejmują:
- Rodzina receptorów podobnych do immunoglobulin komórek zabójców (KIR) zawiera białka z 2-3 zewnątrzkomórkowymi domenami Ig i długimi (hamującymi) lub krótkimi (aktywującymi) regionami cytoplazmatycznymi. Zwykle ulegające ekspresji w komórkach NK i niektórych komórkach T , oddziałują z MHC klasy I. Ta rodzina genów zlokalizowana w LRC jest wysoce polimorficzna i występuje indywidualna zmienność zarówno pod względem alleli , jak i liczby kopii , a także alternatywnego splicingu . Ta rodzina przeszła znaczne zróżnicowanie w naczelnych .
- leukocytów immunoglobulinopodobnych receptorów (LILR) zawiera 13 genów, w tym dwa pseudogeny . Mają 2-4 domeny Ig. Jeden członek, LILRA3 , nie ma regionu transbłonowego i jest rozpuszczalnym białkiem ; inne mogą ulegać ekspresji w postaci rozpuszczalnej poprzez alternatywne składanie. Podobnie jak podobna rodzina KIR, geny LILR znajdują się w LRC i są polimorficzne, choć w mniejszym stopniu niż KIR. Białka LILR są szeroko eksprymowane w komórkach odpornościowych i mają bardzo zróżnicowane ligandy.
- Sparowana rodzina receptorów podobnych do immunoglobulin typu 2 (PILR) zawiera dwa geny, PILRA (hamujący) i PILRB (aktywujący). Mają pojedynczą zewnątrzkomórkową domenę Ig o do siglec .
- białek regulujących sygnał (SIRP) zawiera trzy geny, SIRPA (hamujący), SIRPB1 (aktywujący) i SIRPG (nie sygnalizujący), przy czym bardziej odległe SIRPD i SIRPB2 nie zostały jeszcze dobrze scharakteryzowane. SIRPA oddziałuje z CD47 , regulatorem fagocytozy . Ta rodzina wchodzi również w interakcje z białkiem surfaktantu D.
- adhezji komórkowej związanej z antygenem rakowo-płodowym (CEACAM) zawiera 12 genów z jedną lub więcej domenami Ig. Ulegają one szerokiej ekspresji, zwłaszcza w śródbłonku i nabłonku , i odgrywają rolę w rozpoznawaniu komórka-komórka. Zostały szeroko przebadane pod kątem ich roli w raku i zostały wykorzystane jako biomarkery raka .
- siglec zawiera 15 genów podzielonych na dwie powiązane ewolucyjnie grupy . Ta rodzina ma trzech członków z motywami aktywującymi, Siglec-14, Siglec-15 i Siglec-16. Białka te wiążą kwasy sialowe i często są celem patogenów.
- TIGIT (immunoreceptor komórek T z domenami Ig i ITIM) jest receptorem hamującym, który tworzy niehomologiczną, ale funkcjonalną parę z DNAM1 (CD226).
Receptory lektynopodobne typu C
Receptory lektynopodobne typu C (CLR) zawierają jedną lub więcej domen lektyny typu C (lektyny wiążące węglowodany zależne od Ca2+). Przykładowe pary to:
- CD94 / NKG2 , wyrażany w komórkach NK i niektórych komórkach T, oddziałuje z ligandem HLA-E .
- Immunoreceptor komórek dendrytycznych (DCIR) / receptor immunoaktywujący komórki dendrytyczne (DCAR), scharakteryzowany jako para u myszy, chociaż nie zidentyfikowano żadnego ludzkiego DCAR.
- NKR-P1 (CD161) jest członkiem sparowanej grupy receptorów u gryzoni, ale ludzki genom zawiera tylko jeden receptor hamujący, NKRP1A (KLRB1).
- Rodzina Ly49 u myszy była szeroko badana pod kątem jej roli w aktywacji NK przy użyciu myszy laboratoryjnych jako organizmu modelowego , ale nie ma homologicznego klastra genów w ludzkim genomie. Funkcjonalnym odpowiednikiem jest rodzina KIR.