Mezibuněčná komunikace a interakce buněk
imunitního systému
Základy buněčné signalizace
i. díl
Povrchové receptory li. díl Cytokiny
Lipidové mediatory zánětu
Lukáš Kubala
kubalal@ibp.cz
Vybrané typy povrchových receptoru buněk imunitního systému podle funkce
1. Imunoreceptory- receptory lymfocytů, NK buněk a žírnych buněk
2. Receptory prezentující antigen (MHC receptory)
3. Fas receptory
4. Receptory rozpoznávající struktury charakteristické pro patogeny a poškozené buňky (PRR, „Pattern Recognition Receptors")
5. Adheziny - adherence a migrace buněk
• Integriny v ,
Dnešní
• Selektiny přednáška
• Adheziny patřící do velké rodiny imunoglobulinů
• Cadheriny
• Mucinové receptory
Povrchové receptory adheziny
Receptory primárně zodpovědné za adherenci a migraci buněk
• Integriny
• Selektiny
• Adheziny patřící do velké rodiny imunoglobulinů
• Cadheriny
• Mucinové receptory
Integriny
Struktura:
• 2 podjednotky-vzájemné kombinace různých typů a (10) a (3 (8) podjednotek
Ugandy:
• primárně proteiny mezibuněčné hmoty nebo membránové glykoproteiny
Aktivita/efektivita integrinů je regulována:
1. povrchovou expresí integrinů (počtem integrinů na povrchu buněk)
2. konformačním stavem integrinů (regulace vazbou Ca2+ a Mg2+)
> klidový stav - nízko afinitní
> aktivovaný stav-vysoko afinitní
matrix binding
I-1
HtXXľ
[1 chain
cysteine-rich domains
COOH
talin artd fr-acLinin binding
plasma membrane
cytoiol
i
10 run
Vybrané integriny
(31 integriny:
• (31 s řetězcem al- a7 (např. rodina VLA = „Very Late Antigens" receptoru)
• ligandy: kolagen, fibronektin, nebo laminin
(32 integriny:
• (32 s různými a řetězci (např. LFA-1 = „Lymfocyte Function-associated Antigen 1" - CD18/CDlla, MAC-1 = antigen makrofágu-1 - CD18/CDllb nebo CR3)
• ligandy: molekuly ICAM-1, -2 a -3, fibrinogen ale MAC-1 se váže také na iC3b
• (32 řetězec s různými a řetězci (např. LFA-1 = „antigén 1 spojený s funkcí lymfocytů" - CD18/CDlla, MAC-1 = antigen makrofágu-1 - CD18/CDllb nebo CR3) ligandy: ICAM-1, -2 a -3, fibrinogen ale i MAC-1 se váže na iC3b
(33 integriny:
• (33 s různými a řetězci (např. CD61 a a V (CD51) tvoří receptor vitronektinu, CD61 a a 2B (CD41) tvoří receptor gpllb/llla)
• ligandy: von Willebrandův faktor, vitronektin, fibrinogen
Selektiny
Struktura:
• extracelulární část končí lektinovou doménou rozeznávající specifické sacharidové struktury, např. u glykoproteinů
Výskyt selektinů:
• na krevních a endoteliálních buňkách u obratlovců
• na povrchu buněk často exprimovány pouze přechodně podle aktivace buněk
Vybrané selektiny:
• P-selektin - na aktivovaných trombocytech a endoteliích
• E-selektin- na aktivovaných endoteliích; zpomalují leukocyty, což předchází jejich pevnému přichycení na endotel = tzv. rolování leukocytu
• L-selektin - na leukocytech; váží leukocyty k endotelu postkapilárních žilek
M uci n-like CAWs
Carbohyd rate
N
Lectin domain
Adheziny patřící do velké rodiny imunoglobulinů
Struktura:
• základem struktury jedna nebo více imunoglobulinových domén
• tvoří velké množství typů s rozdílnými funkcemi
Výskyt a funkce těchto typů adhezinů:
• exprimovány na většině buněk v organismu
• během aktivace endoteliálních buněk se objevují později než selektiny
• umožňují migraci leukocytů přes endotel
Vybrané adheziny patřící do velké rodiny imunoglobulinů: • ICAM-1 (^Intercellular Adhesion Molecule"), ICAM-2, VCAM-1 („Vascular Cell Adhesion Molecule") - ligandy leukocytárních integrinů; exprimovány na monocytech a aktivovaných endoteliálních buňkách, PECAM-1 - (Platelet endothelial cell adhesion molecule) nejen na destičkách
lg-5uperfamily CAMs tN-CAM}
Ig domains
Type III
^fibronectin repeats
Cadheriny
Struktura:
• 5 opakujících se domén
• většinou ve formě dimerů
Výskyt a funkce cadherinů:
• exprimovány na různých buněčných populacích v organismu
• uplatňují se v kontaktech stejných buněčných populací, ale také mezi leukocyty a endotelem
Vybrané cadheriny:
• E-cadherin - interakce mezi endoteliálními buňkami
Muciny
Struktura:
• silně glykosylované proteiny
• membránově vázané, ale i sekretované do okolí buněk Funkce:
• některé jsou ligandy selektinů
Muci n-like' CAMs
	
	
1 Carbohydrate^^	
Lectin dor
Vybrané molekuly:
• CD34 - exprimován na nediferencovaných buňkách a raných vývojových stádiích leukocytu a endoteliích
• CD43 - exprimován na leukocytech
Selecting
Příklad: důležité adhezivní molekuly neutrofilních granulocytů
LFA-l (CD18/CDlla)
> vazba na endotel
MAC-1 (CD18/CDllb)
> vazba C3a a bakteriálních polysacharidu
L-selektin (CD62L)
> vazba na endotel
PECAM-1 (CD31)
> vazba na trombocyty a endotel
CD44
> vazba hyaluronanu
Příklad: důležité adhezivní molekuly a povrchově vázané chemokiny na vysokém endotelu v lymf. orgánech (HEV)
Cy to kiny
Cy to kiny
• Nízkomolekulární látky (~25 kDa), zejména proteiny, peptidy a glykoproteiny.
• První cytokin (interferon a) popsán 1957 virology A. Isaacsem a J. Lindenmannem.
• V dnešní době známy desítky cytokinů.
• Produkovány buňkami specifické i nespecifické imunity.
• Propojeny do „sítě" => zprostředkovávají komunikace mezi buňkami
imunitního systému (IS), ale i buňkami IS a ostatními systémy organismu.
• Modulují aktivitu a funkce buněk => ovlivňují průběh imunitních
a zánětlivých reakcí, ale i jiné fyziologické a patofyziologické procesy v buňkách.
Základní vlastnosti cytokinů
1. Produkty buněk specifické i nespecifické imunity.
2. Regulují imunitní odpověď (stimulační i inhibiční účinky).
3. Nejsou antigenně specifické.
4. Jejich tvorba je regulována časově a místně.
5. Působí prostřednictvím vysokoafinitních receptoru => účinné v extrémně nízkých koncentracích (pM). Odpověď buňky na cytokin je závislá na koncentraci cytokinu v okolí a míře exprese receptoru pro daný cytokin.
6. Na cytokin může odpovídat stejná buňka (autokrinní reakce), okolní buňka (parakrinní reakce) nebo vzdálená buňka (endokrinní reakce; podoba cytokinů a klasických hormonů).
Autocrine action
Paracrine action        Nearby cell
Figure 12-lb
Kuby IMMUNOLOGY, Sixth Edition © 2007 W.H.Freeman and Company
Základní vlastnosti cytokinů
Activated Th cells
7. Kaskádová indukce imunitní odpovědi.
cascade induction    8. Vykazují několik typů aktivit:
• Pleiotropismus - stejný cytokin může působit na různé buňky.
• Redundance (nahraditelnost) -stejný efekt může vyvolat více různých cytokinů.
• Synergismus/antagonismus-efekty různých cytokinů se mohou vzájemně násobit nebo potlačovat.
Activated Th cells
IFN-y, TNF, IL-2, and other cytokines
I SYNERGY j
IL-4 ^ VV + I)
pleiotropy
Activated Th cells
I redundancy]
Activated Th cells
Induces class switch to IgE
il-5
Activated Th cells I ANTAGONISM |
Bcell
Blocks class switch to IgE induced by IL-4
Activated Th cells IFN"V
Bcell
-> IL-4
IL-2 -> IL-4 IL-5 -
http://jovie-blog.blogspot.cz/
Funkce cytokinů
• Imunostimulace/imunosuprese, regulace zánětlivé reakce
• Chemotaxe - stimulovaný a usměrněný aktivní pohyb buněk (zejména fagocytů) ve směru nebo proti směru koncentračního gradientu chemotaktického faktoru
• Regulace hematopoézy-tvorba krevních elementů v kostní dřeni
• Angiogeneze - tvorba nových cév větvením z existujících cév; angiogenní/angiostatické faktory; i zapojení do patofyziologie
• Embryogenéze aj.
Dělení cytokinů
Vysoká komplexnost cytokinového systému => nejednoznačná klasifikace => více způsobů třídění cytokinů, např. podle funkce, podle struktury.
Hlavní skupiny cytokinů:
1. Interleukiny (IL)
2. Chemokiny
3. Interferony (IFN)
4. Faktory nekrotizující nádory (TNF, „Tumor Necrosis Factor")
5. Transformující růstové faktory (TGF, „Transforming Growth Factor")
6. Faktory stimulující růst kolonií (CSF, „Colony Stimulating Factor")
Zkratky buněčných typů použité na dalších slajdech:
B = B lymfocyty; Bas = basofily; DC = dendritické buňky; Eos = eosinofily; Fib = fibroblasty; Hep = hepatocyty; Mf = makrofágy; Mo = monocyty; Neu = neutrofily; NK = NK buňky; T/Th/Tc/Treg = T lymfocyty
Interleukiny
Funkce: regulují především různé aspekty vývoje a aktivace leukocytu Členové: aktuálně známy IL-1 až IL-40 (+ další, např. TSLP a LIF)
Zástupci: Producenti:
IL-la a ILip Mf, epiteliální buňky
IL-2 Tlymf
IL-3 T lymf, stromální buňky T lymf, žírné buňky
IL-6 Ta B lymf, Mf, endotel
IL-10 Mf, DC, T a B lymf
Funkce:
Aktivace Mo, Mf a Neu, aktivace T, pyrogen
Proliferace a diferenciace T lymf
Synergistická aktivita v rané hematopoéze
Aktivace B, indukce izotyp. přesmyku na IgE, indukce diferenciace Th2, inhibice Thl a Mf
Aktivace Mo, Mf a Neu, indukce syntézy proteinů akutní fáze, pyrogen, proliferace a diferenciace T a B
Silná inhibice Mf funkcí
Příklady interleukinů a jiných cytokinů regulujících tvorbu subpopulací Th lymfocytů a jejich efektorových cytokinů
Diferenciační
cytokiny:
Podpora fiinkc Í1S
Ejektorové cytokiny:
Er21
ILr 18
IL 2 7
Intracelulámí patogeny, apoptóza
infíko va nýc h
buněk
IFN-Y
De n cl litická
buňka
T
T
lymfocyt
T
T
ILr 4
ILr 4
TG F- ß
TGF-ß
ILr 6 ILr 1 ß
ILr 21
lH2
Podpora B-lymf TVoiba IgE
ILr 4 ILr 5 ILr 13
lH9
defense against he Im inthic infe c tio ns,
Produkce hlenu
ILr 9
ILr 10
Zánětlivá odpověď,
extracelulámí patogeny
ILr 6
ILr 8 ILr 17 ILr 2 2 ILr 2 6
Synté za protilátek
ILr
21
I
TGF-ß
g
Potlačení zánětu
ILr 10
TGF-ß
ILr 3 5
Chemokiny
Funkce: silné chemoatraktanty
Struktura -> členové: malé peptidy (<100 aminokyselin, 7-16 kDa); dělí se do čtyř podskupin podle umístění cysteinu v polypeptidovém řetězci
disulfidový můstek
COOH
I
C chemokin
6
CC chemokin
CXC chemokin
CXaC chemokin
mucinu
podobná
doména
https://www.biolegend.com /chemokine_receptors
Zástupci:
IL-8
Producenti:
Mo, Mf, Fib, Endotel
MCP-1       Mo, Mf, Fib, keratinocyty
MlP-la      Mo, T lymf, žírné buňky
MIP-ip      Mo, Mf, Neu, endotel
RANTES     T lymf, destičky, endotel
Přitahované buňky:
Neu, naivní T lymf
Mo, NK,Tlymf, Bas, DC
Funkce:
Mobilizace, aktivace a degranulace Neu
Aktivace Mf, uvolňování histaminu Bas, podpora Th2
Protivirová obrana, podpora Thl, aktivace Mo a granulocytů
Protivirová obrana
Degranulace Bas, aktivace T lymf, chronický zánět
Příklad: Regulace chemotaxe neutrofilů
Interferony
Funkce: interferují s virovou a bakteriální infekcí, ale i s nádorovým bujením
Zástupci:
IFN-C( (rodina více než 12 odlišných proteinů)
IFN-P
Producenti:
Leukocyty, DC
Fibroblasty
Funkce:
Antivirová obrana, zvýšení exprese MHCI Antivirová obrana, zvýšení exprese MHCI
1. typu
IFN-Y
T lymf, NK, Neu,
intraepiteliální
lymfocyty
Aktivace Mf, zvýšení exprese MHC molekul
a komponent zpracovávající antigen,
přesmyky Ig tříd ^' tvPu
Faktory nekrotizující nádory
Funkce: mají cytotoxické a cytostatické efekty na nádorové buňky a silný prozánětlivý a proapoptotický účinek
Zástupci:
TNF-a Fas ligand Trail
Producenti:
Mf, NK, T lymf T lymf T lymf, Mo
Funkce:
Podpora zánětu, aktivace endotelu
Apoptóza, Ca2+-nezávislá cytotoxicita
Apoptóza aktivovaných T lymf, nádorových buněk a virem infikovaných buněk
Cytokiny v regulaci zánětu
Cytokiny s prozánětlivým účinkem: IL-la, IL-ip, IL-6, IL-8, TNF-a, aj. Cytokiny s převážně protizánětlivým účinkem: IL-10 a TGF-(3 aj.
v
Játra
Proteiny akutní fáze (C-reaktivní protein, manózu-vázající lektin)
Aktivace komplementu, opsonizace
2 £
Endotel kostní drene
Mobilizace neutrofilů
Fagocytóza
IL-ip/IL-6/TNF-a
T""C
2 £
Hypotalamus
Zvýšení tělesné teploty
2 £
Tuková tkáň, svaly
Mobilizace proteinů a energie umožňující zvýšení tělesné teploty
Snížení replikace virů a bakterií, zvýšení zpracování antigenů, zvýšení adaptivní imunitní odpovědi
2
Dendritické buňky
Stimulace migrace do lymfatických uzlin a jejich maturace
"š3
Iniciace adaptivní imunitní odpovědi
Figure 3.33 Immunobiology, 9/e. (© Garland science 2016)
Transformující růstové faktory
Funkce: regulují tumorogenezi, embryonální vývoj, proces hojení poškozených tkání a imunitní odpověď
Zástupci:
TGF-P
Producenti:
T lymf, Mf, trombocyty
Funkce:
Inhibice mitózy, izotypový přesmyk na IgA, protizánětlivý účinek, reguluje angiogenezi
Faktory stimulující růst kolonií
Funkce: regulují diferenciaci, proliferaci a maturaci hematopoietických progenitorových buněk, ale také funkční aktivitu zralých buněk
Zástupci:       Producenti: Funkce:
GM-CSF Endotelie, T lymf, Mf, Fib   Stimulace diferenciaci buněk myeloidní linie
M-CSF Stroma kostní dřeně,        Stimulace diferenciaci monocytů
T lymf, osteoklasty, Fib
G-CSF Stroma kostní dřeně, Fib    Stimulace diferenciaci granulocytů
Příklad: cytokiny v regulaci hematopoézy
Pluripotentní kmenová buňka
IL-3
Lymfatická kmenová buňka IL-7
IL-3, GM-CSF Myeloidní kmenová buňka
NK buňky
®Tymus /lL-2 yiL-4
T lymfocyty
monocyty, makrofágy
IL-2.IL-4 IL-5,IL-6
IL-3, GM-CSF
IL-3, GM-CSF, Tpo, Epo Epo
^IL-11 |
megakaryocyty erytroblasty
I GM-CSF i Epo
JEpo.lL-6 |
destičky erytrocyty
A • #) m
IL-9
dendritické neutrofily buňky
\ \ \
eozinofily    bazofily    žírné buňky
Toman M. a kol., Veterinární imunologie, Grada, 2009
Cytokinové receptory
Cytokiny působí pouze na buňky exprimující odpovídající receptor. Exprese receptoru se velmi dynamicky mění aktivací buněk.
Receptory TN F
Imunoglobulinové receptory
http://nfs.unipvjt/nfs/minf/dispense/immunology /lectures/files/immune_network.html
Cytokinové receptory
I. třídy
II. třídy
li
Chemokinové receptory
Ugandy: IL-1
M-CSF
TNF-a TNF-(3
IL-2 IL-6 IL-12 IL-3 IL-7 IL-13 IL-4 IL-9 IL-15 IL-5 IL-11 GM-CSF G-CSF
IFN-a IFN-P IFN-y
IL-8
RANTES MIP-1
Přenos signálu přes Janus kinázy
JAK vážící se na intracelulární domény interleukinových receptoru zprostředkovávají přenos signálu spolu s transkripčními faktory STAT.
Cytoplasmatické domény cytokinových receptoru váží Janus kinázy (JAK).
Vazba cytokinů dimerizuje receptor, JAK se dostávají do kontaktu, vzájemně se aktivují a fosforylují receptor.
Transkripční faktory
(STATs) se váží k fosforylovanému receptoru a jsou samy fosfo ryl ovány Janus kinázami.
Fosfo ryl ováné STATs tvoří dimery, které se translokují do jádra a iniciují genovou transkripci.
Figure 6-23 Immunobiology, 6/e. (© Garland science 2005)
O ITAM („Immunoreceptor Tyrosine-based Activation Motif) - funkčně důležité tyrosiny Video
Chemokinové receptory
Chemokinové receptory jsou velké transmembránové proteiny (7
transmembránových domén).
Váží nejen chemokiny, ale i jiné molekuly, např. bakteriální peptidy obsahující aminokyselinu N-formyl-methionin (např. fMLP = f-Met-Leu-Phe).
Signální transdukce tohoto receptoru vede přes trimerní G-proteiny.
V závislosti na typu chemokinu a receptoru vede aktivace receptoru k polymerizace aktinu, adhezi buněk, změně tvaru buněk, chemotaxi, aktivaci NADPH oxidázy, degranulaci a zabíjení intracelulárních patogenů.
Aktivace trimerních G-proteinů
Trimerní G-protein je intracelulární signální molekula zprostředkovávající přenos signálu pro celou řadu receptoru leukocytu včetně chemokinových receptoru.
V neaktivní formě váže G-protein GDP a jeho podjednotky a a ßy jsou pohromadě.
chemokine
chemokine receptor O
large G protein
Po vazbě chemokinu se G-protein váže na chemokinový receptor a GDP je zaměněno za GTP.
G-protein disociuje od chemokin. receptoru a disociují také a a (3y podjednotky, které pak aktivují další proteiny.
Hydrolýza GTP na GDP umožní a podjednotce opětovné spojení s (3y
podjednotkami do neaktivního komplexu.
Vf\Jp
GTP
Figure 6-22 Immunobiology, 6/e. (© Garland science 2005)
Video
Signalizace TNF-a přes jaderný faktor kB (NF-kB)
TN Fa
coactivator protein
TNFa receptor
activated IKK complex
IKK COMPLEX PHOSPHORYLATES IkB
TRANSLOCATION OF NFkBINTO NUCLEUS
1KB
MFkB
UBIQUITYLATION AND DEGRADATION OF PHOSPHORYLATED 1KB IN PROTEASOMES
LIBERATION OF NFkB
TRANSCRIPTION OF NFkB TARGET GENES
I
Figure 15-1 Molecular Biology of the Cell 6e (© Garland Science 2015)
Jak se dá regulovat odpověď buněk na cytokin
Solubilní receptory cytokinů
• Uvolňovány z povrchů buněk odloučením od jejich transmembranových a cytoplasma-tických domén.
• Váží se na cytokiny v plasmě a extracelulárních tekutinách => inhibice vazby cytokinu na jeho receptory na povrchu buněk.
cytokin
solubilní cytokinový receptor (sIL-R) membránově vázaný
Antagonisté cytokinů
• Proteiny vážící se specificky na receptory určitých cytokinů, aniž by indukovaly aktivaci receptoru a následný přenos signálu.
Lipidové mediatory zánětu
Lipidové mediatory zánětu
Základem jsou kyselina eikosapentaenová (co3, 20:5); kyselina arachidonová (co6, 20:4) a kyselina dihomo-y-linolenová (co6, 20:3) uvolněné z membránových fosfolipidů
COOH
kyselina arachidonová
fosfolipidy
_I_
fosfolipáza A2
kyselina arachidonová
cyklooxygenáza
~7-
lipooxygenáza
Cyklické prostanoidy
Acyklické prostanoidy
http://www.wikiskripta.eu/w/Eikosanoidy
Prozánětlivé lipidové mediatory zánětu
Cyklické prostanoidy
prostaglandiny
bolest
horečka
zánět
žaludeční
kyselina [
žaludeční
hlen t
kontrakce uteru ledviny:
vylučování Na+ aH20
prostacyklin
vazodilatace l agregace trombocytů
lipooxygenáza
tromboxan
vazokonstrikce t agregace trombocytů
Acyklické prostanoidy
leukotríeny
alergická reakce (např. asthma) leukotaxe
http://www.wikiskripta.eu/w/Eikosanoidy
Prozánětlivé lipidové mediátory - hlavní zástupci a
důsledky jejich působení:
* Prostaglandin D2 a E2
• Leukotrien C4, D4 a E4
kontrakce hladké svaloviny; chemotaxe eosinofilů, basofilů a Th lymfocytů; zvýšená propustnost cév; stimulace sekrece hlenu; konstrikce bronchů
Prostacykliny
Rozšiřují cévy a brání adhezi krevních destiček
Faktor-aktivující destičky (PAF) - migrace leukocytu; amplifikace produkce lipidových
mediátorů; aktivace neutrofilů, eosinofilů a krevních destiček
Prozánětlivé lipidové mediatory jako terapeutické cíle
prozánětlivých léčiv
fosfolipidy
_I_
glukokortikoidy —► lipokortin -0-^
fosfolipáza A2
NSAIDs
cyklooxygenáza
kyselina arachidonová
~7
\
lipooxygenáza
Steroidní protizánětlivé látky (kortikoidy) - hydrokotison a další
Nesteroidní protizánětlivé látky (Nonsteroidal anti-inflammatory drugs - NSAIDs) -
acetylsalicylová, ibuprofen, diclofenac, indometacin, ketoprofen a další
Protizánětlivé lipidové mediátory
Lipoxiny
Acyklické prostanoidy tvořené lipoxygenázami
Podporují ukončení akutního zánětu, brání přechodu zánětu v chronický a indukují hojení
Účinky lipoxinů podporující ukončení zánětu
Inhibice chemotaxe a diapedézu neutrofilních a eozinofilních granulocytů Inhibice produkci kyslíkových radikálů Inhibice produkce prozánětlivých cytokinů Stimulace fagocytózy apoptotických buněk Antagonisté receptoru pro leukotrieny