Veleszületett immunitás és az

az immunrendszer evolúciója

Erdei Anna

ELTE, TTK, Immunológiai Tanszék

2019. őszi szemeszter

Veleszületett immunitás, az immunrendszer evolúciója - 2018. őszi szemeszter

Előadások csütörtökön 12.00-14.00-ig

5-202-es terem

Előadók: Prof. Bajtay Zsuzsa, Prof. Erdei Anna

Szept 9. Bevezetés - A veleszületett és az adaptív immunitás jellemzői, összefonódása EA

Szept. 16. Az immunrendszer evolúciója I. EA

Szept. 23. Az immunrendszer evolúciója II. EA

Szept. 30. Gyulladás, akutfázis reakció, plazma enzimrendszerek BZS

Okt. 7. Granulociták BZS

Okt.14. A hivatásos antigénbemutató sejtek (makrofágok, DC-k) kialakulása, populációi,

szerepük az adaptív immunválasz megindításában I. BZs

Okt. 21. A hivatásos antigénbemutató sejtek (makrofágok, DC-k) kialakulása, populációi,

szerepük az adaptív immunválasz megindításában II. BZs

Okt. 28. Őszi szünet

Nov.4. Komplementaktiválás, a C3 komplementfehérje szerkezete és működése EA

Nov 11. Mintázatfelismerő receptorok megjelenése, szerkezete és funkciója BZs

Nov.18. NK sejtek, ILC, BZs

Nov.25. Komplementreceptorok fajtái és szerepük az immunválaszban BZS

Dec. 5 Konzultáció

I.

Fontos az evolúció tanulmányozása az immunológus számára is

– sok szempontból

- A különböző fajok védelmi rendszereinek megismerése,

majd összehasonlítása segít az alapvetően fontos elemeket és

mechanizmusokat megkülönböztetni a véletlenszerűen felbukkanóktól;

- A szelekciós nyomást figyelembe kell venni, de meg kell ismerni a

változékonyság és az alkalmazkodás forrásait, módjait is;

- Az egyes fajok genomszekvenciáinak megismerése és összehasonlítsa

újabb lehetőségeket teremt.

Gerinctelen állatok - az összes állatfaj kb. 95%-a

„sok kísérleti alany”, de elsősorban

ízeltlábúakat, gyűrűsférgeket és puhatestűeket vizsgáltak eddig

De: már a baktériumok is megvédik magukat a vírusok ellen;

restrikciós endonukleázokkal

kivágják az idegen DNS-t

(A többsejtű szervezetekenek a sejtes támadókkal szemben is védekezniük kell.)

A CRISPR-ek az ismert genomú baktériumok 40%-ában és az archeák 90%-ában

megtalálhatóak.

A rendszer laboratóriumban is felhasználható a CAS9 enzim és a megfelelő

RNS-szakasz sejtbe bevitelével.

CRISPR

Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats(„halmozottan előforduló, szabályos közökkel elválasztott palindromikus ismétlődések”)

a baktériumok genomjának ismétlődő DNS-szekvenciái.

Minden ilyen palindrom szakaszt spacer (20-40 bp) követ, mely a

baktériumba bejutott vírus vagy plazmid eredetű DNS-szakasz.

A prokarióták védekezési rendszere

A spacer-t a CAS (CRISPR ASsociated) endonukleázok ismerik fel,

és feldarabolják a DNS-t.

Emmanuel Charpentier és Jennifer Doudna

„Biotechnológiai forradalom”

Olyan genom-szerkesztési eljárást dolgoztak ki, amellyel a genom „újraírható”,

hibás gének nagy pontossággal kijavíthatók .

CRISPR - CAS (CRISPR ASsociated) Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats

https://www.youtube.com/watch?v=O3e2_Ctty_M

Figure 15-1

Az eddig legtöbbet vizsgált

szervezetek evolúciós kapcsolata

Növény – állat

közös eredet:

a közös ős a rovarok

különválása előtti

időkre tehető

Gyökérgolyvásodás

(szöllő)

bakteriális hervadás

(paradicsom)

Pettyesedés

(paradicsom)

„fekete láb”

(krumpli)

Baktériumok által okozott tünetek növényeken;

4 féle virulencia mechanizmus

P. syringae pv.

tomato enters the

leaf apoplastic space

through stomata or

wounds, and uses a

type III secretion

system to inject a

large number of

virulence (effector)

proteins into the

plant cell.

Agrobacterium

tumefaciens uses a type

IV secretion system to

inject a tumour-

inducing transfer

DNA (tDNA) into the

plant cell cytoplasm.

This tDNA is integrated

into the plant genome

and leads to the

development of crown

gall disease.

Erwinia carotovora

subspecies atroseptica

uses a type II

secretion system to

deliver cell wall-

degrading enzymes

(for example,

cellulases and

pectinases) to the plant

cell wall.

Ralstonia solanacearum

enters plant roots through

wounds and multiplies in

the xylem vessels in which

it produces exopoly-

saccharides that are

believed both to interfere

with recognition and to

inhibit water transport

through the vascular

system. Nat Rev Mol Cell Biol. 2006 August

Pivoting the Plant Immune System from Dissection to Deployment, Jeffery L. Dangl1, Diana M. Horvath6,*Brian J.

Staskawicz7,, Science 16 Aug 2013: Vol. 341, Issue 6147, pp. 746-751

A növényi kórokozók – PAMP-okat fejeznek ki

(Pathogen Associated Molecular Pattern)

A növényi sejt immunreakciójának vázlatos rajza

A PAMP-okat extracelluláris

PRR (Parthogen Recognition

Receptor) révén érzékelik a

sejtek, és elindítják a válasz.

A sejten belül a patogén virulens

effektor molekulái elnyomhatják

a PRR-indukált választ (PTI -

2,3).

Az intracelluláris NLR-ek (Nod

Like Receptor) többféle módon

érzékelhetik az effektor

molekulákat, és ez indukálja a

választ (ETI – Effector Triggered

Immunity), gének átírását.

Lúdfű (Arabidopsis thaliana)

„Modell” organizmus

biológiai, genetikai vizsgálatokhoz

-5 kromoszóma,

-2000-ben szekvenálták a teljes genomját,

-27 000 gén 35 000 fehérjét kódol

- rövid generációs idő (kb. 6 hét)

Plant immunology: A life or death switch, Andrea A. Gust & Thorsten Nürnberger, Nature 486, 2012)

A fertőzés helyén nagy a szalicilsav

koncentrációja, ezért a kis affinitású

receptorokhoz (NPR3) kötődik és a

sejthalál-szuppresszor (NPR1)

degardációját okozza, ami programozott

sejthalált idéz elő „helyi immunitás”

A fertőzéstől távolabb kicsi a szalicilsav

koncentrációja, ezért a nagy affinitású

receptorokhoz (NPR4) kötődik, és

így nem jön létre a sejthalál, nem bomlik le a

az NPR1 - „szisztémás immunitás”

A növények immunválasza akkor indul be, amikor sejtek receptorai

felismerik a kórokozót, és szalicilsav (fitohormon) termelődik.

Kis (NPR3)- és nagy (NPR4) affinitású szalicilsav receptort azonosítottak Arabidopsisban

Az immunrendszer evolúciója – az „egymásra-rétegződés” elmélete

A veleszületett és az adaptív immunitás jellemzői

Veleszületett

immunitás

Adaptív

immunitás

Evolúciósan

ősibb

Gerincesek-

kel alakult

ki (RAG)

Nincs

memória

Memóriát

biztosít

Azonnal

aktiválódik

1-2 hét

alatt alakul

ki

Korlátozott

mértékű

fajlagosság

Korlátlan

mértékű

fajlagosság

Nem vihető át

másik

egyedbe

Átvihető

másik

egyedbe

A gerinctelenek

immunrendszere

Gerinctelenek védelme:

(nincs Ig, nincsenek limfoid szervek etc.)

- nagyon fontos a fizikai-kémiai barrier

(kitin, nyák)

- humorális, celluláris faktorok

(enzimek, agglutininek, antimikrobiális fehérjék,

testnedvek koagulációja, fagociták etc.)

Csak öröklött, veleszületett immun-elemek védik

Sejtek – 5 fő kategória:

progenitorok

fagociták (hasonló a mf, gr.hoz)

hemociták (v. granuláris sejtek)

tápláló (nutritiv)

pigmentsejtek (légzési pigmentet tart.)

Szivacsok (Porifera)

telepképzés: sejtfelszíni polimorf determinánsok szerepe

allograft rejekció, citotocikus reakció (NK-szerű)

memória nincs

Gerinctelenek

Allogén struktúrák felismerése, sejt-közvetített immunitás

azonos kolóniák különböző kolóniák

egyedei keringésének összekapcsolása

Sejtpusztulás, nekrózis

Szivacsok (Porifera)

rovarok,

gyűrűsférgek,

zsákállatok

esetében is ismert

kb. 1 hét

A gerinctelenek is

képesek elpusztítani

a xenograftot

Nincs reakció

Szivacsok (Porifera)

telepképzés: sejtfelszíni polimorf determinánsok szerepe

allograft rejekció, citotocikus reakció (NK-szerű)

memória nincs

Csalánzók (Cnidaria)

allogén rejekció – polimorf gén (6 allél) kontrollálja

xenogén felismerés

memória nincs

Gyűrűsférgek (Annelida)

xeno- és allograft felismerés, kilökődés: cölomociták (fagociták, killer leukociták)

memória nincs

Puhatestűek (Mollusca)

transzplantáció - technikai nehézségek, xeno- és allograftok - enkapszuláció (csiga)

Ig doménszerű fje - paraziták ellen

Izeltlábúak (Arthropoda)

xeno- és allograft felismerés (csótányok)

biz. humorális immunválasz

Tüskésbőrűek (Echinodermata)

fontos – gerincesekkel kapcsolat (tengeri csillag, tengeri sün)

allograft rejekció, specifikus memória (kilökődés gyorsul) – nem minden esetben

cölomociták aktiválhatók mitogénekkel (LPS, ConA)

Zsákállatok (Urochordata)

telepképzők: hisztokompatibilitási reakció, polimorf gének

kolónia – fúzió, saját felismerés, szaporodás

szoliter - specifikus memória - limfocita–szerű sejtek, hemociták – citotx.

Gerinctelenek

Zsákállat

(Tunicata, Urochordata)

fagocita

telepképzés, allogénfelismerés

memória nincs

Két kolónia (C és M)

Rovarok

hemolimfa

hemociták:

többféle (morfológia és funkció alapján)

pro-hemocita

plazmatocita (fagocita)

lamellociták

kristálysejtek (enzimatikus kaszkád)

granulocita

koagulocita

szferulocita

Izeltlábúak Drosophila melanogaster (ecetmuslica)

Limulus polyphemus (atlanti tőfarkú

A ma élő állatfajok 90% a rovar!! Sikeresek...

Invertebrate Immune Systems–Specific, Quasi-Specific, or Nonspecific?Andrew F. Rowley and Adam Powell, J Immunol December 1, 2007, 179 (11) 7209-7214;

Ízeltlábúak védekezési módjai patogének és paraziták ellen

Drosophila melanogaster

Orvosi Nobel-díj 2011.

Bruce A. Beutler Jules A. HoffmannDrosophila immunitás

Ralph M. Steinman

Veleszületett vagy öröklött immunitás

TLR-ek

Dendritikus sejtek

Az ecetmuslica és az ember szervrendszerei

Analóg szervek

/szervrendszerek:

- Központi idegrendszer

- Légzési rendszer

- Szisztémás válasz

- Emésztőrendszer

- Kiválasztási rendszer

egyedfejlődése

A Drosophila melanogaster

báb

kifejlett rovarkemény kutikula

Embrióáthatolhatatlan burok

Lárvalágy kutikula

- az embrió burka a mikroorganizmusok számára átjárhatatlan

embrionális falósejtek – apoptotikus sejtek bekebelezése

- lárvák: lágy kitin-kutikula,

amit pl. a fürkészdarázs tojócsöve átlyukaszt

és a testnyílásokon (száj, végbél, légző) át is bejuthat a kórokozó;

- kifejlett rovar: kemény kutikula védi, de a testnyílások

„kapuk”

A különböző fejlődési stádiumban más-más védekezési módok:

A lárvaállapottól kezdődően immunvédekezés:

- emésztőcsőben: lizozim enzim

- légcsőben: antimikrobiális peptidek (hámsejtek termelik)

- testüregben: plazmatociták fagocitálnak +

antimikrobiláis peptidek (zsírsejtek termelik)

embrió lárva báb kifejlett rovar

A vérsejtek fenotípusának változásai a Drosophila egyedfejlődése során

Andó István, SZBK

(„ellenség”:

fürkészdarázs)

15.3. ábra Az ecetmuslica-lárva keringő immunsejtjei

Andó István, SZBK

fagocitózis

a kórokozó

(pl. fürkészdarázs pete)

„burkolása”

profelonoloxidáz

enzim-kaszkád

koaguláció

kapszualképzés

melanizáció

plazmatocita

A Drosophila immunválasza fertőzés hatására

1.A proteolítikus kaszkád

azonnali indukálása

- Koaguláció

- Melanizáció

- Opszonizáció

- Elimináció

- Kapszula-

képződés

-Szisztémás

válasz

(zsírtestből

felszabaduló

anyagok)

2. fagocitózis

3.Antimikrobiális peptidek

indukáklása

fertőződés

lokális

válasz

Toll receptor

Drosophilában

embrio

dorso-ventrális

polarizációja

1988.emlős sejtek IL1 R

citoplazma-doménben

toll-homológ szakasz

NFkB szignaling

1991-1994.

antimikrobiális peptidek

génjeinek promoterében

NFkB helyek,

TollR kell a drosomycin

expresszióhoz

1996.

a TLR4 az LPS receptora

1998.

A Toll receptor(ok) felfedezése, funkciója

Drosophila - emlős „ping-pong

TLR92000.

TLR21999.

A Drosophila fontos szerepe

15.1. ábra A veleszületett immunrendszer hasonló felismerési és

jelátviteli mechanizmusa rovarokban és emlősökben

„spaetzle”

a kórokozó hasítási terméke

mintázat-felismerés a sejt felszínén:

PRR:

Pathogen Recognition Receptors

fagocita

PRRa felismert molekuláris mintázat :

PAMP:

Pathogen Associated Molecular Patternbaktérium

PAMP

PRR-ek (pl. Toll-like receptorok):

mintázat felismerő-receptorok

- fagocitózis

- oldékony faktorok indukálása

Humorális immunválasz ízeltlábúakban

Enkapszuláció és melanizáció(a belső sejtrétegekben)

Melanin

(tirozin-

polimer)

baktérium

Baktériumok enkapszulációja lepke vérsejtek által

sejtek rétegei

A granuláris hematocitákból kiszabaduló

profenoloxidáz - fenoloxidáz (tirozináz) szerepe

fenol oxidációja:

kinonok,

polimerizáció

(melanin)

szerin-proteázok

Limulus polyphemus

Atlanti tőrfarkúnem rák!

Atlanti tőrfarkú „rák”

(Limulus polyphemus)

200 millió éves fosszilia

Granuláris hemociták,

antimikrobiális peptidek

(pók/skorpió)

Koaguláció, noduláris reakció

Limulus hemolimfában

LPS hatására hemociták exocitózisa:

alvadási faktorok: B, C (szerin-eszteráz enzimek),

proenzim, koagulogén

mp-eken belül:

„gél” képződik, magába zárja a sejteket, fragmentumokat

újabb hemociták exocitózisa,

+ mikroorganizmusok aggregátumai fibrózus anyagban:

NODULUSOK

Elzárás a környezttől, pusztító anyagok felszabadulás a hemocitákból:

a patogén pusztulása

A nodulus kapszulává alakulhat

(többsejtes paraziták, nagy számú patogén hatására)

Endotoxin kimutatása: Limulus-teszt

Gram- baktériumok - LPS

a Limulus amőbocita-lizátum

összecsapzódását idézi elő

LAL (Limulus amőbocita-lizátum) -teszt

Antimikrobiális peptidek

Defenzinek

- antimikrobiális peptidek

- kis méretű (20-50- as), kationos peptidek;

- konzervált ciszteinek (6-8) – jellegzetes szerkezet;

- pórust-formálnak a mikroba felszínén;

- hatékonyak baktériumok, gombák, egyes vírusok ellen;

- antibiotikum-szerű hatásuk miatt gyakorlati hasznuk lehet

Figure 15-2

Defenzinek hasonló harmadlagos szerkezete

növény rovar

DrosophilaRaphanus sativus

emlős

Homo sapiens

Vad retek

Raphanus sativus

15.2. ábra A Drosophila zsírtestje által termelt

gomba-pusztító és antibakteriális peptidek

A fertőzést követően (1-2 óra múlva)

a Drosophila zsírtest sejtjei nagy mennyiségű

(1-100 mM) antimikrobiális peptidet

termelnek: drosomycin, diptericin,

attacin, cecropin,

defenzin etc.

15.4. ábra Az atlanti tőrfarkú (Limulus polyphemus) granuláris

hemocitáiból baktérium hatására felszabaduló anyagok

Mytilus

(kagyló)

humán

neutrofil-

funkcióhoz

hasonló

Immunválasz

2 hullámban:

-azonnali,

intracelluláris

(mytilin)

-későbbi

szisztémás

(defenzinek)

1

2

A csörgőkígyó által termelt crotamine kígyómérget kódoló gén

közeli rokona az anti-bakteriális defenzineket kódoló géneknek

A komodói varánusz vérében olyan

antimikrobális tulajdonságokkal rendelkező

fehérjeszekvenciák találhatóak, amelyek

védik a gyíkot a szájüregében élő toxikus

baktériumokkal szemben.

A fehérjéket két szuperbaktérium ellen

tesztelték.: Pseudomonas aeruginosa, és

a Staphylococcus aureus ellen.

MRSA – Multi Resistant S.A.,

A csörgőkígyó által termelt crotamine kígyómérget kódoló gén

közeli rokona az anti-bakteriális defenzineket kódoló géneknek

A komodói varánusz szájüregében termelődnek a

béta-defenzin gének duplikációjával és mutációival

kialakult méreg-anyagok, ami védi az állatot

szájában élő toxikus baktériumokkal szemben.

A fehérjéket két szuperbaktérium ellen tesztelték:

Pseudomonas aeruginosa, és a Staphylococcus

aureus ellen.

(MRSA – Multi Resistant S.A.)