Immunsystemets Evolution SV 2015 75-minuter · 2020. 2. 25. · Bakterier kan förhindra virus från att ta sig in i celler genom att producera mukus (slem) eller genom att mutera

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


CRISPR systemen


CRISPR promotorn


CRISPR systemet


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


Struktur,LokalisaEonochSpecificitet-TLR

Fig.4-2


SignalleringsfunkEonerhosTLR(1)

Fig.4-3A


SignalleringsfunkEonerhosTLR(2)

Fig.4-3B


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


Cathelicidin- LL-37 bildar en amfipatisk helix


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

Documents

Immunsystemets Evolution SV 2015 75-minuter · 2020. 2. 25. · Bakterier kan förhindra virus från att ta sig in i celler genom att producera mukus (slem) eller genom att mutera