Immunsystemets Evolution SV 2015 75-minuter · 2020. 2. 25. · Bakterier kan förhindra virus...
Transcript of Immunsystemets Evolution SV 2015 75-minuter · 2020. 2. 25. · Bakterier kan förhindra virus...
-
Immunsystemets Evolution
Prof. Lars Hellman
Dept of Cell and Molecular Biology Uppsala University
SWEDEN
-
Alla levande organismer behöver skydda sig från infektion
-
Även bakterier
De infekteras av virus –bakteriofager
-
Bakteriella försvarssystem
Westra et al Ann Rev Genet 2012
Bakterier kan förhindra virus från att ta sig in i celler genom att producera mukus (slem) eller genom att mutera receptorer. När väl viruset har kommit in i cellen kan bakterien inducera självdöd genom att producera ett toxin för att förhindra ytterligare spridning inom populationen. Ett system kallad ¨ Abortive infection systems¨ Abi i Lactobicilli där det finns upp emot 20 olika sådana system. Aktivering eller mobiisering av olika toxiner. Profager kan inhibera nya fager från att infektera- Superinfektion exclusion system (Sie) system. När fagen komit in i värden kan restriktionsenzymer bryta ner det inkommande DNAt– Fagerna kan mutera sitt DNA för att avlägsna igenkänningssekvenser och därmed undkomma nedbrytning. Tre typer av restriktionsenzymer system TypI-III (Type II). Bakterier och Archea har också utvecklat en typ av adaptivt immunsystem CRISPR/Cas systemet. Kopior av delar av det inkommande fagDNAt sparas i en kassett i bakteregenomet för att producera interfererande RNA kopior vilka kan användas av bakterien för att känna igen och söka upp faggenom för specifick. Detta system har dock vissa i 20% av fallen hamnar värdcells DNA i värdcellskasetten vilket resulterar i autoimmunitet och nedbrytning av värdcells genomet.
-
Bakteriella Försvarssystem
Westra et al Ann Rev Genet 2012
-
CRISPR systemen
Westra et al Ann Rev Genet 2012
-
CRISPR promotorn
Westra et al Ann Rev Genet 2012
-
CRISPR systemet
Westra et al Ann Rev Genet 2012
-
CRISPR systemet
Westra et al Ann Rev Genet 2012
-
Immunitet i mammalier
Yttre barriärer
Icke adaptiv Immunitet
Adaptivt immunsvar
-
Icke adaptiv Immunitet • Pattern recognition receptors (PRR) som Toll-
lika-receptorer och cytoplasmatiska sensorer (NOD like receptors (NLR) och RIG like receptors (RLR))
• Utsöndrade anti-bakteriella substanser eller enzymer som lysozyme, laktoferrin and defensiner.
• Inteferoner (primärt antiviral immunitet) • Komplement systemet • Celler primarär involverade i icke adaptiv
immunitet; Fagocyter- Monocyter-Macrophager och Neutrophiler (också Mastceller i en tidig fas av bakteriella infektioner)
-
Receptorer i icke adaptiv immunitet
Tom P. Monie , Clare E. Bryant , Nicholas J. Gay Activating immunity: lessons from the TLRs and NLRs Trends in Biochemical Sciences Volume 34, Issue 11 2009 553 - 561
TLR - Toll-like receptors (TLR) NLR - NOD (Nucleotide Oligomerization Domain) like receptors (NLR) 22 in humans 30 in mice. RLR – RIG-I (Retinoic acid-inducible gene I) like receptors (RLR) RIG-I, MDA5 and LGP2 C-type lectins, - MBP, DAI (DNA dependent activator of interferon-regulatory factors; also called DLM-1 and ZBP1). Other cytosolic DNA sensors are IFI16, LRRIFIP1, DHX9/36 and Histone H2B. HIN200 receptor AIM2 (absent in melanoma 2)
-
Copyright©2011bySaunders,animprintofElsevierInc.Abbas,Lichtman,andPillai.CellularandMolecularImmunology,7thediEon.Copyright©2012bySaunders,animprintofElsevierInc.
Varicellenfinnsdessareceptorer?
Fig.4-1
-
Copyright©2011bySaunders,animprintofElsevierInc.Abbas,Lichtman,andPillai.CellularandMolecularImmunology,7thediEon.Copyright©2012bySaunders,animprintofElsevierInc.
Struktur,LokalisaEonochSpecificitet-TLR
Fig.4-2
-
Copyright©2011bySaunders,animprintofElsevierInc.Abbas,Lichtman,andPillai.CellularandMolecularImmunology,7thediEon.Copyright©2012bySaunders,animprintofElsevierInc.
SignalleringsfunkEonerhosTLR(1)
Fig.4-3A
-
Copyright©2011bySaunders,animprintofElsevierInc.Abbas,Lichtman,andPillai.CellularandMolecularImmunology,7thediEon.Copyright©2012bySaunders,animprintofElsevierInc.
SignalleringsfunkEonerhosTLR(2)
Fig.4-3B
-
Copyright©2011bySaunders,animprintofElsevierInc.Abbas,Lichtman,andPillai.CellularandMolecularImmunology,7thediEon.Copyright©2012bySaunders,animprintofElsevierInc.
Inflammasomen
Fig.4-4
-
Mer än 95% av alla kända arter är Evertebrater
-
Patter Recognition Receptors i andra arter?
TLR i de flesta arter. NLR funna I växter och fiskar och är väl konserverade
-
EVERTEBRATER Hur försvarar dom sig?
Tenebrio molitor
Drosophila melanogaster
Limulus polyphemus/ Tachypleus tridentatus
Bombyx mori and Manduca sexta
Pacifastacus leniusculus
-
Igenkänning Pattern recognition proteins
Pattern recognition receptors
LPS-bindande proteiner
Faktor C (Limulus polyphemus) (serine proteinase)
LGBP (Pacifastacus leniusculus) (binds both LPS och ß-1,3-glucans)
GNBP (Anopheles gambiae)
BmLBP (Bombyx mori)
CCF-1 (Eisenia foetida) (binds both LPS och ß-1,3-glucans)
-
NF- B
Toll
Fungi Gram positive bacteria
Spaetzle
Proteolytic cascade
Toll-2 Toll-3 Toll-4 Toll-5 Toll-6 Toll-7 Toll-8
Toll-9
Receptors
-
Gram positive bacteria
(LYS-PGN) PGRP-SA Gram negative bacteria
(DAP-PGN)
PGRP-LC
Relish
Effector genes
Imd DD
Fungi ( -Glucan)
GNBP-3
Persephone (serine protease)
Microbial proteases
NF- B
Toll
Effector genes
Dif
Spaetzle
Cascade of serine proteases
-
• Koagulation • Pattern recognition proteins • Induktion av AMP • Pro PO-systemet • Blod cells syntes • Specifik immunitet?
Evertebrat Immunitet
-
Gram positive bacteria
(LYS-PGN) PGRP-SA Gram negative bacteria
(DAP-PGN)
PGRP-LC
Relish
Effector genes
Imd DD
Fungi ( -Glucan)
GNBP-3
Persephone (serine protease)
Microbial proteases
NF- B
Toll
Effector genes
Dif
Spaetzle
Cascade of serine proteases
Melanization
-
Humans
Tyrosinase/Phenoloxidase activity
Melanisering
-
Melanisering
CaCO3
Chitin Protein
-
Mikrobiella polysaccharider inducerar proPO kaskaden
PAMPs + Recognition proteins
Serine proteinase cascade
Activation of proPO
Cytotoxic compounds Melanin production
-
Antimicrobiella peptider (AMPs) Normalt positivt laddade peptider med både en hydrofob och en hydrofil sida produceras av både epiteliala celler och av specialiserade immunceller. AMPs uppvisar potent avdödning av ett stort antal mikro-organismer som gramnegativa och grampositiva bakterier, svampar och virus. Dessutom har AMPs en funktion bortom första linjens försvar de inducerar reparation av skadad vävnad och aktiverar det adaptiva immunförsvaret.
Izadpanah A. and Gallo R.L.J. Am. Acad. Dermatol. 2005
-
Antimikrobiella peptider
Tre huvudklasser; Defensiner, Cathelicidiner och Saposiner. Dessa genfamilier har lite gemensamt förutom deras förmåga att döda mikroorganismer. Defensiner
α -defensins (HNP.1-4; Neutro- NK and Monoc.) (mouse cryptidins not in neutrof.) Defensins 5 and 6 (HD5 & 6)expressed by Paneth and epithelial cells β -defensins (hBD1-4, 30 human genes, 45 in mice) θ -defensins (old world monkeys but not in humans)
18-45 amino acids (cationic +1 to +11) α -and θ defensins are primarily expressed constitutively while β -defensins are regulated in their expression
Cathelicidiner
In humans a single gene - for protein LL-37 (hCAP18) Saposine
Granulysin in T cells and Lysin in NK cells
(members of a larger family of saposins)
Selsted M.E. & Quellette A.J.Nature Imm. 2005
Izadpanah A. and Gallo R.L.J. Am. Acad. Dermatol. 2005
-
Cathelicidin- LL-37 bildar en amfipatisk helix
Izadpanah A. and Gallo R.L.J. Am. Acad. Dermatol. 2005
-
Mekanism Membraner Laddningsfördelning negativ laddning genom phosphatidylserine
Mammalieceller relativt resistenta genom att de har låg negativ laddning på ytan
Vissa tumörceller känsliga p.g.a. negativ ytladdning interagerar med positivt laddade AMPs
Bakterier, svampar känsliga p.g.a. negativ och parasiter ytladdning interagerar
med positivt laddade AMPs
- -- - - -- -- -- - - - - -- -
- -- - - -- -- -- - - - - -- -
- -- - - -- -- -- - - - - -- -
- -- - - -- -- -- - - - - -- -
- -- - - -- -- -- - - - - -- -
++++ ++++ ++++
++++
++++ ++++ ++++
++++
++++
++++ ++++
Ca2+ and Na+
K+
-
Systemic (“humoral”) antimicrobial response in Drosophila – identification of antimicrobial
peptides
Fat body cells
Drosocin
G G G G G
G G G G G
G
G G G
G G
G G
Attacin
P G P
P P P
P G G G G G
G G
G G
G G
G
G G
Diptericin
Cecropin
P P
P P P
Metchnikowin
Defensin
-
NF- B response elements in the promoter of the diptericin gene
-150 -140 -62 -1 kb coding sequence of the diptericin gene enhancer
B-Response element
-31
CACTUS
Ank 482 1
DORSAL
678
REL 1 NLS
Stewart 1987
Diptericin-LacZ reporter gene
Unchallenged Challenged
-
Imd pathway mutants are sensitive to bacterial infections
E. coli infection 6 5 4 3 2 1 0
20
40
60
80
100
Time (days)
%
of s
urvi
val
wild type Imd mutants
-
Toll pathway mutants are sensitive to fungal infections
6 5 4 3 2 1 0
20
40
60
80
100
Toll mutants Wild type
Time (days)
%
surv
ival
Aspergillus infection
-
Overwhelming fungal infection in a Toll deficient background
Lemaitre B, Nicolas E, Michaut L, Reichhart JM, Hoffmann JA. Cell, 1996, 20:973-83
-
Phylogeny of Innate Immune Defenses
origin ~1 billion years
Sponges (Porifera)
Protostomes
Chordates Echinoderms Sea anemones (Cnidaria)
Radial diploblastic
Bilateral triploblastic
Multicellularity
Deuterostomes
Insects Worms
Molluscs
Precambrian, ~ 800 million years
Precambrian, ~ 600 million years
Cambrian, ~ 550 million years
~ 450 million years
TOLL TOLL TOLL TOLL TOLL TOLL TAK1 TAK1 TAK1 TAK1 TAK1 TAK1 NF- B NF- B NF- B NF- B NF- B NF- B AMP AMP AMP AMP AMP AMP
Hemichordates
-
Adaptiv immunitet?eller variabilitet ?
Endast käkförande vertebrater har
immunoglobuliner T cells receptorer
(och lymphocyter)
-
Hagfish
Lampreys
Mono tremes
Sharks Skates Rays
Bony Fish
Reptiles Marsu- pials
Placental Mammals
? Monotremes 215 million years
? ? ?
IgM IgW
IgNAR
IgM IgY IgA
IgM IgD* IgT/ Z
IgM (IgD) IgG IgE IgA
IgM
Birds
Amphi- bians Frogs Axolotl
IgM IgY (IgX/ A) IgF*
No Igs detected
Lungfish
First Big Bang
Second Big Bang
?
Marsupials 185 million years
-
Dept of Cell and Molecular Biology
Biologisk aktivitet Effektorfunktioner!
Mast Cell
IgM: Komplementfixering IgG: Komplementfixering
Transport över Placenta FcγRI, II och III interaktion
IgA: Transport över epiteliala
celllager IgE: FcεRI och II interaktion
(Mastceller och Basophiler)
-
Adaptiv immunitet?eller variabilitet
i andra arter än käkförande vertebrater ?
Ja!!!
• DSCAM i Insekter• FREP molekyler i mollusker
• SP-proteiner i sjöborrar• VCBP i Cephalocordater (Amphioxus)• VLR i Cyclostomer rundmunnar• NBS- LRR i växter
-
Immunitet i eukaryoter
SP- proteins
-
Adaptiv immunitet?
DSCAM-liknande molekyler
• Homolog till Human Down syndrome cell adhesion molecule;• I neuronal utvekling
• Immunoglobulin Superfamilj medlem• Komplex genetisk organisation • Verkar som både fagocytisk receptor och som opsonin
-
Fagocytos
38 000 isoforms
-
Stuart & Ezekowitz. 2008. Nature Review Immunology 8,131-141
Adaptiv immunitet??
-
Sjöborrens�Immunitet
The purple sea Urchin (Strongylocentrotus purpuratus) har ett komplext immunsystem 253 TLRs (Människan har 10) 203 NLRs. (Människan har 20) 218 Scavenger Receptor Cystein Rik domän protein (SRCR) Människan har 16. Och den högt variabla Sp 185/333 klassen av gener som ger upphov till proteiner i en storlek från 5 kDa till över 250 kDa. 40-60 gener per genom som kan modifieras genom rekombination, punkt mutationer och troligen också RNA editing. Inducerad vid infektion. Uttryckt i de felsta organ dock högre i makrofagliknande celler. 264 distinkt olika proteiner upptäckta.
-
Sp 185/333 proteiner från Sjöborren
Sp genkluster Uttrycks av polygonala och små fagocyter och de flesta
inre organ
-
FREPs ��
Fibrinogen relaterade molekyler har hittats i ett större antla evertebrater var de
deltar i immunitet och inte koagulation som hos oss.
Den mest välstuderade medlemmen av denna familj är FREP molekyler i mollusken Biomphalaria glabrata
(Schistosome överförande mollusk)
-
FREP struktur�
�Fibrinogen relaterad molekyl
-
Rundmunnar-Cyclostomer
-
VLR struktur
-
VLR- bindning till dess antigen
J Immunol. 2010 Aug 1;185(3):1367-74.Alternative adaptive immunity in jawless vertebrates. Herrin BR, Cooper MD
-
Published by AAAS
M. N. Alder et al., Science 310, 1970 -1973 (2005)
Fig. 1. Lamprey VLR diversity and gene rearrangement intermediates
-
VLR assembly
-
VLR assembly
Stort antal av kassetter 454 för VLRB och 182 för VLRC Ingen N region diversitet Total variabilitet beräknad till 1014
-
Ig eller VLR
-
Lymfocyt populationer i rundmunnar
-
Immunitet i eukaryoter
SP- proteins