Fontos az evolúció tanulmányozása az immunológus számára is sok szempontból

Átírás

1

2 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

3

4 Az eddig legtöbbet vizsgált szervezetek evolúciós kapcsolata Figure 15-1 Növény állat közös eredet: a közös ős a rovarok különválása előtti időkre tehető

5 Növények védekező rendszere minden egyes sejtben működik, nincs keringés (vér/nyirok) nincsenek specializálódott immunsejtek Nem módosított interaktív fehérje Rezisztencia protein foszforiláció Nat.Rev., 2012

6 Prokaryoták immunvédelme a CRISPR-Cas rendszer A prokaryotákat főként vírusok (bakteriofágok, fágok) veszélyeztetik. A baktériumok és archaeák egyik legfontosabb védekezési rendszere a nemrég felfedezett CRISPR-Cas rendszer, ami adaptív immunitást biztosít A vírusfertőzést követően a virális genom (főként ds DNS) egy rövid szekvenciája bp - (spacer) a CRISPR lokuszba integrálódik, ezzel mintegy immunizálja a gazdasejtet. A spacer-ek átíródnak kis RNS-vezetővé (small RNA-guide), ami lehetővé teszi a virális DNS hasítását a Cas endonukleáz által. A spacer lehetővé teszi a populáció védettségét, és az utódsejteket is védetté teszi.

7 A prokarióták védekezési rendszere CRISPR Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats baktériumok genomjának ismétlődő DNS-szekvenciái. Minden ilyen palindrom szakaszt spacer követ, mely a baktériumba bejutott vírus (bakteriofág) vagy plazmid eredetű DNS-szakasz. CAS (CRISPR ASsociated) endonukleázok felismerik a spacereket, és feldarabolják a DNS-t (eukariótákban RNS-interferencia) 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,

8 Emmanuel Charpentier és Jennifer Doudna Biotechnológiai forradalom Olyan genom-szerkesztési eljáárást dolgoztak ki, amellyel a genom újra-írható, hibás gének nagy pontossággal kijavíthatók. CRISPR - CAS (CRISPR ASsociated) Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats

9

10 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.)

11 Gerinctelenek Szivacsok (Porifera) telepképzés: sejtfelszíni polimorf determinánsok szerepe allograft rejekció, citotocikus reakció (NK-szerű) memória nincs

12 Szivacsok (Porifera) Allogén struktúrák felismerése, sejt-közvetített immunitás rovarok, gyűrűsférgek, zsákállatok esetében is ismert A gerinctelenek is képesek elpusztítani a xenograftot azonos kolóniák különböző kolóniák egyedei keringésének összekapcsolása kb. 1 hét Nincs reakció Sejtpusztulás, nekrózis

13 Gerinctelenek 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 Izeltlábúak (Arthropoda) xeno- és allograft felismerés (csótányok) biz. humorális immunválasz Puhatestűek (Mollusca) transzplantáció - technikai nehézségek, xeno- és allograftok - enkapszuláció (csiga) Ig doménszerű fje - paraziták ellen Gyűrűsférgek (Annelida) xeno- és allograft felismerés, kilökődés: cölomociták (fagociták, killer leukociták) memória nincs 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.

14 Zsákállat (Tunicata, Urochordata) telepképzés, allogénfelismerés memória nincs Két kolónia (C és M) fagocita

15 Izeltlábúak A ma élő állatfajok 90% a rovar!! Sikeresek... Drosophila melanogaster (ecetmuslica) Limulus polyphemus (atlanti tőfarkú Rovarok hemolimfa hemociták: többféle (morfológia és funkció alapján) pro-hemocita plazmatocita (fagocita) lamellociták kristálysejtek (enzimatikus kaszkád) granulocita koagulocita szferulocita

16 Drosophila melanogaster

17 Orvosi Nobel-díj Bruce A. Beutler Jules A. Hoffmann Drosophila immunitás Veleszületett vagy öröklött immunitás TLR-ek Ralph M. Steinman Dendritikus sejtek

18 Analóg szervek /szervrendszerek: - Központi idegrendszer - Légzési rendszer - Szisztémás válasz - Emésztőrendszer - Kiválasztási rendszer Az ecetmuslica és az ember szervrendszerei

19 Drosophila melanogaster Egyedfejlődés kifejlett rovar kemény kutikula báb Embrió áthatolhatatlan burok Lárva lágy kutikula

20 A különböző fejlődési stádiumban más-más védekezési módok: - 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 lárvaállapottól kezdődően immunvédekezés: - emésztőcsőben: lizozim enzim - légcsőben: antimikrobiális peptidek (hámsejtek termelik) - testüregben: plazmatociták fagocitálnak + antimikrobiláis peptidek (zsírsejtek termelik)

21 A vérsejtek fenotípusának változásai a Drosophila egyedfejlődése során ( ellenség : fürkészdarázs) embrió lárva báb kifejlett rovar Andó István, SZBK

22 15.3. ábra Az ecetmuslica-lárva keringő immunsejtjei fagocitózis profelonoloxidáz enzim-kaszkád koaguláció kapszualképzés melanizáció A kórokozó (pl. fürkészdarázs pete) burkolása Andó István, SZBK

23 A Drosophila immunválasza fertőzés hatására lokális válasz fertőződés 1.A proteolítikus kaszkád azonnali indukálása 2. fagocitózis plazmatocita - Koaguláció - Melanizáció - Opszonizáció - Elimináció - Kapszulaképződés 3.Antimikrobiális peptidek indukáklása -Szisztémás válasz (zsírtestből felszabaduló anyagok)

24 A fertőzést követően (1-2 óra múlva) a Drosophila zsírtest sejtjei nagy mennyiségű antimikrobiális peptidet (1-100 mm) termelnek: drosomycin, diptericin, attacin, cekropin, defenzin etc ábra A Drosophila zsírtestje által termelt gomba-pusztító és antibakteriális peptidek Izeltlábúakra (Arthropoda) jellemző

25 A Drosophila fontos szerepe Toll receptor Drosophilában embrio dorso-ventrális polarizációja emlős sejtek IL1 R citoplazma-doménben toll-homológ szakasz NFkB szignaling antimikrobiális peptidek génjeinek promoterében NFkB helyek, TollR kell a drosomycin expresszióhoz a TLR4 az LPS receptora TLR TLR A Toll receptor(ok) felfedezése, funkciója Drosophila - emlős ping-pong

26 15.1. ábra A veleszületett immunrendszer hasonló felismerési és jelátviteli mechanizmusa rovarokban és emlősökben A hemolimfa proteolítikus kaszkádja aktiválódik, az enzimek hasítják a kórokozót, így keletkezik a spaetzle

27 PRR-ek mintázat felismerő-receptorok - fagocitózis - oldékony faktorok indukálása mintázat-felismerés a sejt felszínén: PRR: Pathogen Recognition Receptors fagocita a felismert molekuláris mintázat : PAMP: Pathogen Associated Molecular Pattern baktérium PRR PAMP

28 Limulus polyphemus Atlanti tőrfarkú nem rák!

29 Atlanti tőrfarkú rák (Limulus polyphemus) (pók/skorpió) 200 millió éves fosszilia Granuláris hemociták, antimikrobiális peptidek

30 15.4. ábra Az atlanti tőrfarkú (Limulus polyphemus) granuláris hemocitáiból baktérium hatására felszabaduló anyagok A keringő sejtek 95%-a granuláris hemocita!

31 A Limulus hemocitáiból és hemolymphájából származó defenzinek 3D szerkezete LPS Granuláris hemocita Iwanaga, 2002, Curr.Opon.

32 Koaguláció, noduláris reakció Limulus (Atlanti tőrfarkú) hemolimfájában LPS (Gram - baktérium) hatására hemociták exocitózisa: alvadási faktorok: B, C (szerin-eszteráz enzimek), proenzimek, koagulogén mp-eken belül: gél képződik, magába zárja a sejteket, fragmentumokat újabb hemociták exocitózisa történik, + mikroorganizmusok aggregátumai fibrózus anyagban: NODULUSOK (kapszulák) képződnek - elzárják a patogént a környezettől, - pusztító anyagok felszabadulása a hemocitákból: a patogén pusztulása

33 A Limulus koagulációs kaszkádja: Endotoxin (LPS) Factor C Factor C Factor B Factor B Gomba sejtfal: 1,3-b-D-Glükán Factor G Factor G Összecsapzódást segítő elő-enzim Összecsapzódást segítő enzim koagulogén koagulin

34 Endotoxin kimutatása: Limulus-teszt LAL (Limulus amőbocita-lizátum) -teszt Gram - baktériumok - LPS a Limulus amőbocita-lizátum összecsapzódását idézi elő

35 Enkapszuláció és melanizáció (a belső sejtrétegekben) A granuláris hemocitákból kiszabaduló profenoloxidáz - fenoloxidáz (tirozináz) szerepe szerin-proteázok fenol oxidációja: kinonok, polimerizáció (melanin) Melanin (tirozinpolimer) sejtek rétegei baktérium Baktériumok enkapszulációja lepke vérsejtek által

36 Mytilus (kagyló) Immunválasz 2 hullámban: -azonnali, intracelluláris (mytilin) 2 -későbbi szisztémás (defenzinek) 1 humán neutrofilfunkcióhoz hasonló

37 A gerincesek immunrendszerének evolúciója

38 ábra A nyirokszervek megjelenése az evolúció során L.Du Pasquier nyomán

39 Alacsonyabbrendű gerincesekben: limfomieloid szövet - Limfocitákat, granulocitákat és egyéb vérsejteket tartalmaz - Anatómiai helyet biztosít az antigen/patogén és az immunsejtek találkozásához Halak Állkapocs nélküliek (Körszájúak): nincs tímusz, nincs lép a limfociták a bélben vagy a elő-vesében fejlődnek - az orsóhalban található primitív lép és csontvelő-szerű szövet Állkapcsos halak: nincs csontvelő, nyirokcsomó, de fejlett tímuszuk és lépük van, valamint megjelenik a GALT, vese és máj

40 Halak limfomieloid szövetében: melanomakrofág központok Melano-makrofág központok hal májában (60 nappal a coccus szal való fertőzés után) Pigment (melanin, lipofukszin) Májban, lépben, vesében

41 Kétéltűek (Xenopus) Tímusz bőr alatt, fül mögött stroma: dendritikus sejtek, makrofágok, granuláris sejtek (mieloid sejtek), epiteliális sejtek (MHCII expresszió) T-sejt funkciókat ellátó limfocitákat termel B-sejtek is vannak a timuszban HEV (High Endothelial Venule) - sejtmigráció Lép: mint a magasabbrendűekben ag-csapda, B- és T-dedpendens áreák, limfocita-aktiváció etc., de nincs benne csíraközpont; a B-sejt fejlődés színhelye Limfomieloid csomók (csak hasonlítanak a nyirokcsomókra) - főleg a vérből szűri ki a kórokozót - ellenanyagtermelő sejtek forrása

42 A madarak elsődleges nyirokszervei Bursa Fabricii timusz limfoid follikulusok kortex medulla

43 Néhány fontos molekula megjelenése a gerincesek evolúciója során MHCI MHCII Ig TCR komplement komplement

44 A komplementrendszer evolúciója

45 7.2. ábra A komplementrendszer aktiválásának útjai

46 A komplementrendszer evolúciója

47 7.4. ábra A C3 komplementkomponens kovalens kötődése

48 15.6. ábra A komplementrendszer evolúciója

49 Az Ig evolúciója

50 ábra A nyirokszervek megjelenése az evolúció során L.Du Pasquier nyomán

51 11.6. ábra Az immunglobulin gének szerveződése és a kifejeződő fehérje szerkezete

52 RSS Rag1 Rag transzpozon model Terminális ismétlődő egységek (RSS-szerű Rekombinációs Szignál Szekvencia) TnRag Rag2 RSS Feltételezett ősi transzpozon Tn Rag A Rag transzpozáz 1-et és 2-t kódolja Primitív gerinces genomja c 400 millió éve RSS Rag1 Rag2 RSS integrálódás Az integrálódás a target-gént V és J szegmentumra bontja V RSS RSS J Rag1 Rag2 A Rag gének és az RSS-szerű szekvenciák fizikailag elkülönülnek Gén-duplikáció, transzlokáció

53 15.7. ábra A RAG beépülése az emlősök genomjába

54 15.8. ábra Az immunglobulin osztályok kialakulása a gerincesek evolúciója során

55 A porcos halak Ig izotípusai IgM (monomer, pentamer) a monomér forma cápákban a szérumfehérjék fele! IgX rájában IgNARC New Antigen Receptor NAR Nurse shark Antigen Receptor - az Ig-t az újszülött állatok maguk termelik (nem a szikből jut át) - a antigénspecifikus 7S IgM később jelenik meg, mint a 19S pentamer

56 15.9. ábra Ig-nehézlánc-gének szerveződése különböző fajokban

57

58 Az adaptív immunrendszer konvergerns evolúciója Dr. Goetz Ehrhardt of the University of Toronto

59