Курсовая работа (т): Характеристика иммунологических свойств c-di-GMP

Исследования изучения адъювантных свойств ц-ди-GMP используют на слизистых оболочках, внутримышечно или системно, вводя химически синтезированный ц-ди-GMP (Karaolis DKR и др., 2007; Yan HB и др. 2009; Ogunniyi AD и др., 2008). Он эффективно активирует врожденный иммунитет, но механизм, с помощью которого ц-ди-ГМФ входит в цитоплазму клеток неизвестен, но ясно, что наличие двух фосфатных групп в ц-ди-ГМФ препятствует его прохождению через клеточную мембрану. В соответствии с этим можно предположить, что ц-ди-ГМФ поставляется с липосомами (Miyabe H и др., 2014).

Несколько научных групп независимо друг от друга исследовали STING, который ранее был описан как адапторный белок, функционирующий во внутриклеточных сигнальных путях в качестве ключевого рецептора во врожденной иммунной реакции на нуклеиновые кислоты (Ishikawa, H. & Barber, G.N., 2008; Zhong, B. и др., 2008).

3.2 Структурный анализ STING-комплексов

Рисунок 3.1. STING-ц-ди-ГМФ комплекс

Как и предсказывалось по мнению ученых, связываясь (Yin, Q., Ouyang, S., Huang, Y.H., Shang, G., Shu, C., Burdette, D.L., и др., 20102; Burdette, D.L. и др., 2011), кристаллические структуры ц-ди-ГМФ показывают, что каждый димер STING связывает одну молекулу ц-ди-ГМФ, который размещен в глубокой расщелине между двумя «крыльями» димера. Следует отметить, что ц-ди-ГМФ сам по себе является симметричной димерной молекулы и, таким образом, размещаются в димере STING симметрично (Рисунок 3.1). Когда динуклеотид связывается со STING, ц-ди-ГМФ принимает изогнутую U-образную форму с фосфатами, которые глубоко размещены в расщелине из колец гуанина, вздымающиеся вверх.

3.3 Трансдукция STING-сигнала

Рисунок 3.2. Потенциальная модель сигнализации STING

По мере того как изучение кристаллических структур не показывает последовательную структурную перегруппировку после связывания ц-ди-ГМФ (Рисунок 3.1), эти структуры не указывают на очевидные конформационные изменения, которые могут быть ответственны за индукцию сигнала. Таким образом, структуры STING в сочетании с динуклеотидом может иметь решающее значение для определения механизма передачи сигнала после связывания лиганда. Кроме того, опубликованные структуры имеют лишь фрагмент STING и не предоставляют структурную информацию о карбоксиконцевом хвосте (ККХ) STING, которая была предложена одной группой ученых, которая имеет определяющее значение для передачи сигнала (Рисунок 3.2) (Yin, Q. и др., Tanaka, Y. & Chen, Z.J., 2012).

После «зондирования» нуклеиновых кислот (дцДНК, 11 бактериальных цикличесих нуклеотидов, в том числе ц-ди-AMP и ц-ди-ГМФ) в цитозоле, STING индуцирует повышенную экспрессию производства типа интерферона (специфически IFNβ). Рецепция происходит на мембране эндоплазматического ретикулума через свои четыре трансмембранных домена и его ККХ Barber, G.N., 2011). STING играет важную роль в обнаружении бактерий, вирусов и эукариотических патогенов внутри клетки и в осуществлении функций по «очистке» от инфекции с помощью индукции цитокинов (Burdette, D.L. & Vance, R.E., 2013).

Рисунок 3.3. STING-зависимая сигнализация

Хотя STING играет важные функции в сигнализации распознования цитозольных нуклеиновых кислот, дополнительный рецептор, такой как DDX41 (DEAD box protein 41), требуется для адекватного ответов на дцДНК 48. Тем не менее, рецептор является прямой иммунный датчик с-ди-ГМФ, так как структурный анализ белок показал, связывание циклического динуклеотидных ужалить в отсутствии других адаптеров (Zhang, Z., 2011). Важно отметить, что экспрессия этого рецептора происходит в тех клетках, которые не реагируют на ц-ди-ГМФ и приводят к производству интерферона после стимуляции ц-ди-ГМФ. Как упоминалось ранее, анализ кристаллической структуры рецептора показал, что STING существует как гомодимер, который создает открытое внутреннее ложе для связывания лиганда, что позволяет непосредственное взаимодействие ц-ди-ГМФ с рецептором (Рисунок 3.3) (Shu, C., Yi, G., Watts, T., Kao, C.C. & Li, P., 2012).

Было высказано предположение, что взаимодействуя с лигандом, гомодимерный STING направляется от эндоплазматической сети к аппарату Гольджи, а затем к цитоплазматическим структурам, где активируются киназы TBK1 (TANK-binding kinase 1) (Ishikawa, H., Ma, Z. & Barber, G.N., 2009). Активные TBK1 фосфорилируют IRF3 (Interferon-regulatory factor 3), ключевой фактор транскрипции, необходимый для производства IFNβ (Yoneyama, M. И др., 1998). STING-опосредованная сигнализация была также связана с инициированием NFκB (ядерный фактор «каппа-би») и МАРК (MAP-киназы), что приводит к секреции провоспалительных цитокинов и созревание в дендритных клеток. c-di-GMP через STING опосредованного активирует иммунную систему и перспективен в развитии новых иммунотерапевтических агентов, таких как адъювантная вакцина адъювантной применения. В официальных данных не проведено ни одного клинического испытания на людях. В данной работе использовались сведения, исходя сугубо из экспериментальных данных на мышах, так как последовательность аминокислотных остатков STING человека и мыши на 81% аналогичны и на 68% идентичны (Jin, L. и др., 2011), что создало возможность для тестирования циклических динуклеотидных оснований иммунотерапевтических средств на мышиных моделях, которые будут иметь отношение к будущим клиническим исследованиям в людях.

4. Потенциальные области применения

Циклический ди-ГМФ способствуют созреванию и активации человеческих ДК. ДК играют центральную роль в иммунном ответе; именно они реагируют соответствующим образом, чтобы активировать Т-клеточный иммунитет и способствовать иммунному ответу.

Рисунок 4.1. Области применения циклического гуанозинмонофосфата

Циклический ди-ГМФ является адъювантом вакцин преимущественно через слизистые оболочки. Недавнее исследование показало, что дигуанилатмонофосфат является более мощным активатором Т-хелперов 1 и 2, чем липополисахариды, олигонуклеотиды и соли алюминия на основе исследований на мышах (Ogunniyi и др, 2008)., Мансури и др. изучали иммунный ответ мышей при действии циклического ди-ГМФ интранозально. В заключении экспериментов они пришли к нескольким выводам. Во-первых, циклический ди-ГМФ улучшает поглощение антигенов некоторыми клетками, подвергнутых вакцинации. Во-вторых, Blaauboer, Мансури и др. объяснили, что циклический ди-ГМФ селективно активирует дендритные клетки, которые затем вырабатывают цитокины, которые сигнализируют к другим клеткам и координируют иммунный ответ. Дальнейшие их исследования сводились к исследованию вопроса о применении циклического ди-ГМФ в качестве адъювантной вакцины для человека против пневмококков.

Так как ц-ди-ГМФ активирует сильный иммунный ответ, стоит задуматься об использовании ц-ди-ГМФ в качестве адъюванта для повышения эффективности вакцины (Li X. Min M., 2013). Адъюванты представляют собой соединения, вводимые вместе с вакцинных антигенов с целью продлить действие и выработать «клеточную память» и уменьшить эффективную дозу антигена во избежание побочных эффектов. Это достигается за счет стимуляции врожденной иммунной системы, что приводит к увеличению продукции цитокинов и хемокинов, повышающие регуляции провоспалительных генов (Cusi M.G., 2006), который затем усиливает распознавание антигена (Wiedermann U. Wiltschke C. Jasinska J., 2005). Развитие новых адъювантов может иметь решающее значение для успеха вакцин, ориентированных на болезни, для которых прививки ранее неудачные, такие как вируса иммунодефицита человека, малярии и рака. Несмотря на спрос, в настоящее время существует несколько вспомогательных веществ, утвержденных для использования человеком. Наиболее часто используемые вспомогательные вещества - соли алюминия (квасцы). Однако, эти адъюванты имеют свои недостатки, в том числе местные реакции воспаления, неадекватные реакции Т-клеток, а также аллергические реакции IgE типа, и поэтому являются неэффективными с определенными типами антигенов (Adamina M. Guller U. Bracci L. Heberer M. Spagnoli G., 2006). Другие, реже используемые вспомогательные вещества, включают масла и эмульсии, производные липополисахарида вирусных наночастиц и так далее. (Adamina M. Guller U. Bracci L. Heberer M. Spagnoli G., 2006). В то время как каждый адъювант располагает различными преимуществами и недостатками, есть большая потребность в новых адъювантах, которые могут улучшить вакцинацию. Поскольку с-ди-GMP обладает эффективными иммуностимулирующими свойствами, является перспективным кандидатом в качестве нового адъюванта и химиотерапевтическим лекарственным средством (Li X. Min M., 2013).

Заключение

В последнее десятилетие, многочисленные исследования показали сильную иммунную стимулирующими активность с-ди-GMP, включая его использование в качестве успешного адъювантной вакцины у мышей. Присоединение с-di-GMP к STING приводит к созревания дендритных клеток, провоспалительных цитокинов и продукции индукции типа I интерферонов у мышей и, возможно, людей. Имея такие важные характеристики, C-ди-ГМФ рассматривается в качестве кандидата адъюванта для исследований вакцин, а также противоопухолевого терапевтического агента. Тем не менее, химическая структура и анионный характер молекулы ограничивает ее эффективный ввод в цитозоль, требующий разработки новых стратегий доставки, которые позволили бы улучшить свою химиотерапевтическую активность. Цель данной работы заключалась в теоритическом обосновании иммунной системы и действия на нее циклического нуклеотида. После проделанной работы можно сделать вывод, что циклический димер (3 '→ 5') гуанозинмонофосфат является весьма перспективным объектом исследования для лечения и профилактики, например, ВИЧа и онкологических заболеваний.

Список литературы

1. Ross P, Weinhouse H, Aloni Y, Michaeli D, Weinberger-Ohana P, Mayer R, Braun S, de Vroom E, van der Marel GA, van Boom JH, Benziman M. 1987. Regulation of cellulose synthesis in Acetobacter xylinum by cyclic diguanylic acid. Nature 325:279-281 [PubMed]

. D'Argenio DA, Miller SI. 2004. Cyclic di-GMP as a bacterial second messenger. Microbiology 150:2497-2502 [PubMed]

. Jenal U. 2004. Cyclic di-guanosine-monophosphate comes of age: a novel secondary messenger involved in modulating cell surface structures in bacteria? Curr. Opin. Microbiol. 7:185-191 [PubMed]

. Jenal U, Malone J. 2006. Mechanisms of cyclic-di-GMP signaling in bacteria. Annu. Rev. Genet. 40:385-407 [PubMed]

5. Römling U, Gomelsky M, Galperin MY. 2005. c-di-GMP: the dawning of a novel bacterial signalling system. Mol. Microbiol. 57:629-639 [PubMed]

. Römling U, Amikam D. 2006. Cyclic di-GMP as a second messenger. Curr. Opin. Microbiol. 9:218-228 [PubMed]

. Tamayo R, Pratt JT, Camilli A. 2007. Roles of cyclic diguanylate in the regulation of bacterial pathogenesis. Annu. Rev. Microbiol. 61:131-148 [PMC free article] [PubMed]

. Ogunniyi AD, Paton JC, Kirby AC, McCullers JA, Cook J, Hyodo M, Hayakawa Y, Karaolis DKR. 2008. C-di-GMP is an effective immunomodulator and vaccine adjuvant against pneumococcal infection

. Galperin, M.Y., Nikolskaya, A.N. & Koonin, E.V. Novel domains of the prokaryotic two-component signal transduction systems. FEMS Microbiology Letters 203, 11-21 (2001).

. Barends, T.R.M. et al. Structure and mechanism of a bacterial light-regulated cyclic nucleotide phosphodiesterase. Nature 459, 1015-1018 (2009).

. Yan, H. & Chen, W. 3’, 5'-Cyclic diguanylic acid: a small nucleotide that makes big impacts. Chemical Society Reviews 39, 2914-2924 (2010)

. Ross, P. et al. Regulation of cellulose synthesis in Acetobacter xylinum by cyclic diguanylic acid. Nature 325, 279-281 (1987)

. Simm, R., Morr, M., Kader, A., Nimtz, M. & Römling, U. GGDEF and EAL domains inversely regulate cyclic di-GMP levels and transition from sessility to motility. Molecular Microbiology 53, 1123-1134 (2004)

. Pesavento, C. & Hengge, R. Bacterial nucleotide-based second messengers. Current Opinion in Microbiology 12, 170-176 (2009)

. Karaolis, D.K.R. et al. Cyclic di-GMP stimulates protective innate immunity in bacterial pneumonia. Infection and Immunity 75, 4942-4950 (2007)

16. Bulet, P., Stöcklin, R. & Menin, L. Anti-microbial peptides: from invertebrates to vertebrates. Immunological Reviews 198, 169-184 (2004)

. Medzhitov, R. Recognition of microorganisms and activation of the immune response. Nature 449, 819-826 (2007)

. Sakaguchi, S., Yamaguchi, T., Nomura, T. & Ono, M. Regulatory T cells and immune tolerance. Cell 133, 775-787 (2008)

. Pulendran, B. & Ahmed, R. Translating innate immunity into immunological memory: implications for vaccine development. Cell 124, 849-863 (2006)

. Su, L. et al. Targeted epithelial tight junction dysfunction causes immune activation and contributes to development of experimental colitis. Gastroenterology 136, 551 - 563 (2009)

. Schauber, J. & Gallo, R.L. Antimicrobial peptides and the skin immune defense system. The Journal of allergy and clinical immunology 122, 261-266 (2008).

. Geissmann, F. et al. Development of monocytes, macrophages, and dendritic cells. Science 327, 656-661 (2010).

. Guermonprez, P., Valladeau, J., Zitvogel, L., Théry, C. & Amigorena, S. Antigen presentation and T cell stimulation by dendritic cells. Annual Review of Immunology 20, 621-667 (2002)

. Orkin, S.H. Diversification of haematopoietic stem cells to specific lineages. Nature Reviews Genetics 1, 57-64 (2000)

. Iwasaki, H. & Akashi, K. Myeloid lineage commitment from the hematopoietic stem cell. Immunity 26, 726-740 (2007).

. Klug, C.A. et al. Hematopoietic stem cells and lymphoid progenitors express different Ikaros isoforms, and Ikaros is localized to heterochromatin inlymphocytes. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 95, 657-62 (1998).

. Cella, M., Sallusto, F. & Lanzavecchia, A. Origin, maturation and antigen presenting function of dendritic cells. Current Opinion in Immunology 9, 10-16 (1997).

. Schwab, S.R. & Cyster, J.G. Finding a way out: lymphocyte egress from lymphoid organs. Nature Immunology 8, 1295-1301 (2007).

. Chtanova, T. et al. Dynamics of T cell, antigen-presenting cell, and pathogen interactions during recall responses in the lymph node. Immunity 31, 342-355 (2009)

. Qiu, C.H. et al. Novel subset of CD8alpha+ dendritic cells localized in the marginal zone is responsible for tolerance to cell-associated antigens. The Journal of Immunology 182, 4127-4136 (2009).

. Walport, M., Janeway, C., Travers, P. & Murphy, K.P. Janeway Immunobiology. 823 (Garland Science Publishing, 2008).

. Rivas, F. In this Issue: Inflammation. Cell 140, 755-757 (2010)

. Takeuchi, O. & Akira, S. Pattern recognition receptors and inflammation. Cell 140, 805-820 (2010).

. Lebien, T.W. & Tedder, T.F. B lymphocytes : how they develop and function ASH 50th anniversary review B lymphocytes : how they develop and function. Blood 112, 1570-1580 (2009).

. Chen, K. et al. Immunoglobulin D enhances immune surveillance by activating antimicrobial, proinflammatory and B cell-stimulating programs in basophils. Nature Immunology 10, 889-898 (2009).

37. Czyzewska-Buczyńska, A., Lewandowicz-Uszyńska, A. & Jankowski, A. IgA, an essential part of the immune system: selected issues. Postepy higieny i medycyny doswiadczalnej Online 61, 38-47 (2006).

. Geisberger, R., Lamers, M. & Achatz, G. The riddle of the dual expression of IgM and IgD. Immunology 118, 429-437 (2006).

. Barbalat, R., Ewald, S.E., Mouchess, M.L. & Barton, G.M. Nucleic acid recognition by the innate immune system. Annual Review of Immunology 29, 185 - 214 (2011)

. Karaolis DKR, Means TK, Yang D, Takahashi M, Yoshimura T, Muraille E, Philpott D, Schroeder JT, Hyodo M, Hayakawa Y, Talbot BG, Brouillette E, Malouin F. 2007. Bacterial c-di-GMP is an immunostimulatory molecule. J. Immunol.

. Karaolis DKR, Newstead MW, Zeng XY, Hyodo M, Hayakawa Y, Bhan U, Liang H, Standiford TJ 2007. Cyclic di-GMP stimulates protective innate immunity in bacterial pneumonia. Infect. Immun.

. Yan HB, KuoLee R, Tram K, Qiu HY, Zhang JB, Patel GB, Chen WX 2009.3′, 5′-Cyclic diguanylic acid elicits mucosal immunity against bacterial infection. Biochem. Biophys. Res. Commun.

. Ogunniyi AD, Paton JC, Kirby AC, McCullers JA, Cook J, Hyodo M, Hayakawa Y, Karaolis DKR 2008. C-di-GMP is an effective immunomodulator and vaccine adjuvant against pneumococcal infection. Vaccine

. Miyabe H, Hyodo M, Nakamura T, Sato Y, Hayakawa Y, Harashima H 2014. A new adjuvant delivery system ‘cyclic di-GMP/YSK05 liposome' for cancer immunotherapy. J. Control. Release

. Ishikawa, H. & Barber, G.N. STING is an endoplasmic reticulum adaptor that facilitates innate immune signalling. Nature 455, 674-678 (2008).

. Zhong, B. et al. The adaptor protein MITA links virus-sensing receptors to IRF3 transcription factor activation. Immunity 29, 538-550 (2008).

. Yin, Q. et al. Cyclic di-GMP sensing via the innate immune signaling protein STING. Mol. Cell 46, 735-745 (2012).

. Ouyang, S. et al. Structural analysis of the STING adaptor protein reveals a hydrophobic dimer interface and mode of cyclic di-GMP binding. Immunity 36, 1073-1086 (2012).

. Huang, Y.H., Liu, X.Y., Du, X.X., Jiang, Z.F. & Su, X.D. The structural basis for the sensing and binding of cyclic di-GMP by STING. Nat. Struct. Mol. Biol. 19, 728-730 (2012).

. Shang, G. et al. Crystal structures of STING protein reveal basis for recognition of cyclic di-GMP. Nat. Struct. Mol. Biol. 19, 725-727 (2012).

. Shu, C., Yi, G., Watts, T., Kao, C.C. & Li, P. Structure of STING bound to cyclic di-GMP reveals the mechanism of cyclic dinucleotide recognition by the immune system. Nat. Struct. Mol. Biol. 19, 722-724 (2012).

. Burdette, D.L. et al. STING is a direct innate immune sensor of cyclic di-GMP. Nature 478, 515-518 (2011).

. Li X. Min M. Du N. et al. 2013. Chitin, chitosan, and glycated chitosan regulate immune responses: the novel adjuvants for cancer vaccine. Clin. Dev. Immunol.2013:387023.

. Adamina M. Guller U. Bracci L. Heberer M. Spagnoli G.C. and Schumacher R.2006. Clinical applications of virosomes in cancer immunotherapy. Expert Opin. Biol. Ther. 6:1113.

. Cusi M.G. 2006. Applications of influenza virosomes as a delivery system. Hum. Vaccin. 2:1.

. Wiedermann U. Wiltschke C. Jasinska J. et al. 2010. A virosomal formulated Her-2/neu multi-peptide vaccine induces Her-2/neu-specific immune responses in patients with metastatic breast cancer: a phase I study. Breast Cancer Res. Treat. 119:673