Minden élő szervezet kifejlesztett módszereket arra, hogy megvédje magát az abiotikus és biotikus támadásokkal szemben. A mikrobák például DNS-korlátozó/módosító rendszereket használnak az idegen DNS ellen való védekezéshez; emellett olyan rendszereket is tartalmaznak, amelyek méregtelenítik és/vagy kiűzik a xenobiotikumokat vagy a túlzott reaktív oxigénfajokat (ROS). A többsejtű szervezetek más rendszereket használnak, és gyakran az immunitás egy vagy több szintjének részvétele is szerepet játszik. Az állkapcsos gerinceseknél a legjobban tanulmányozott és legelismertebb a szerzett/adaptív immunrendszer a jól ismert B- és T-sejtekkel és antigénspecifikus antitestekkel. Az immunitásnak ez a szintje a sokkal alapvetőbb, evolúciósan ősi veleszületett immunrendszer fölött helyezkedik el, amely nemcsak az emlősökben, hanem más állatokban és a növényekben is jelen van. Csak az elmúlt évtizedekben kezdték felismerni a veleszületett immunitás jelentőségét a többsejtű szervezetek túlélése szempontjából. Megvédi az embert, más állatokat és a növényeket a több ezer potenciálisan ártalmas mikrobától, amelyekkel naponta találkozunk. A veleszületett immunitás kialakulásához a többsejtű szervezetekben olyan sejtfelszíni receptorok evolúciójára volt szükség, amelyek képesek felismerni/megkötni olyan molekulákat, amelyek kémiai szerkezete/mintázata általában konzerválódik az idegen szervezetek különböző osztályaiban, de hiányzik a “saját” molekulákból. Ezeket a konzervált idegen (nem önmaga) molekulákat nevezzük mikroba-asszociált molekuláris mintázatoknak (MAMP), más néven patogén-asszociált molekuláris mintázatoknak (PAMP), és jelenlétüket a mintafelismerő receptorok (PRR) nagy családjának tagjai érzékelik. A PRR-ek egy vagy több jelátviteli útvonalat aktiválnak, gyakran társreceptorok segítségével, hogy a downstream védelmi válaszokat indukálják. A MAMP-ok közé tartozik például a bakteriális lipopoliszacharid, a flagellin, az EF-Tu, a DNS, a lipoproteinek, a peptidoglikánok és a gombakitin. A MAMP-okról számos kiváló áttekintés áll rendelkezésre .
A biotikus támadások mellett a szervezeteknek számos abiotikus támadással, például mechanikai vagy sejtkárosodással, valamint környezeti stresszel, például a szárazsággal és a sótartalommal is meg kell küzdeniük. Néhány endogén molekula aktiválja a veleszületett immunrendszert, amikor a károsodás (trauma) következtében normál helyükről az extracelluláris térbe (beleértve a növényi apoplasztiszokat is) kerülnek; ezeket a molekulákat Damage-Associated Molecular Patterns (DAMPs ) néven emlegetik. A DAMP-ok a károsodás, trauma, iszkémia vagy fertőzés okozta nekrózis következtében elhaló sejtekből passzívan szabadulnak fel. Ezenkívül bizonyos immunsejtek vagy súlyosan stresszes sejtek (pl. bizonyos rákos sejtek ) aktívan is szekretálhatják őket. Míg a MAMP-ok mikroorganizmusokból származnak, és aktiválják a veleszületett immunrendszert, addig a DAMP-ok a gazdasejtekből származnak, és mind a veleszületett immunválaszt elindítják és fenntartják. Általánosan elfogadott, hogy ezek a védekezések segítenek megvédeni a sérült szövetet, amely a fizikai akadályok megszakadása miatt, amelyek egyébként megakadályoznák a mikrobák behatolását, sebezhetővé válik a fertőzéssel szemben. Emlősöknél a gyulladás a veleszületett immunválasz másik összetevője; nemcsak a fertőzés megelőzésében/elfojtásában segít, hanem a gyógyulásban is.
Ez az áttekintés a DAMP-okra összpontosít, különösen a növényekre. A DAMP-okat összehasonlítjuk a MAMP-okkal és a veleszületett immunitás aktivátorainak egy újonnan azonosított osztályával, a Nematode-Associated Molecular Patterns (NAMP-ok ) nevűvel, mivel mindhárom osztály sok azonos védelmi választ indukál és néhány jelátviteli komponensük közös.
Állati DAMP-ok
A tárgyalást az állati DAMP-okkal kezdjük, mivel ezeket ismerték fel először és tanulmányozták a legnagyobb mértékben. A DAMP-ok kifejezést Seong és Matzinger alkotta meg 2004-ben . Az 1. táblázat 26 DAMP-ot sorol fel, köztük purinokat, pirimidineket, DNS-t (nem metilezett CpG), oxidált alacsony sűrűségű lipoproteineket, N-formil peptideket és különböző fehérjéket. A legtöbbjükkel rokon receptorokat azonosítottak (1. táblázat). Ezenkívül egyes DAMP-ok komplexeket alkotnak partnermolekulákkal/interaktorokkal a jelátvitel fokozása vagy megkönnyítése érdekében. Ezek közé tartozik a High Mobility Group Box 1 (HMGB1), amely az egyik elsőként azonosított és legjobban jellemzett DAMP. A HMGB1 egy nagy mennyiségben előforduló, kromatin-asszociált fehérje, amely minden állati sejtben jelen van. Két alapvető DNS-kötő doménből áll, amelyeket HMG-doboz A és B jelöléssel látnak el, valamint egy erősen savas C-terminális farkából, amely specifikus molekulán belüli kölcsönhatásokban vesz részt . A sejtmagban a HMGB1 a DNS kis barázdájához kötődik, hogy elősegítse a DNS kondenzációját, a nukleoszóma kialakulását és a transzkripciós faktorok kötődését . Amikor nekrotikus, sérült vagy súlyosan stresszes sejtekből az extracelluláris miliőbe kerül, kemo-attraktáns és citokinindukáló aktivitású DAMP-ként működik .
A HMGB1 az extracelluláris HMGB1 számos biológiai választ közvetít több receptorral társulva, mint például a fejlett glikációs végtermékek receptora (RAGE), a Toll-szerű receptor 2 (TLR2), TLR4, TLR9, C-X-C kemokin receptor 4. típus (CXCR4), Siglec-10 és T-sejt immunglobulin mucin receptor 3 (TIM3) . A HMGB1 és a különböző interaktorok, például az adaptor MD-2 vagy a gyulladáskeltő ligandumok, a lipopoliszacharidok és a CpG oligodeoxinukleutidok közötti specifikus heterokomplex-képződés fokozza vagy megkönnyíti a jelátvitelt, és egyes esetekben kritikus fontosságú a HMGB1 különböző receptorok általi felismeréséhez (1. táblázat). Úgy tűnik, hogy a specifikus heterokomplex-képződést legalábbis részben a HMGB1 különböző redoxállapotai szabályozzák, amelyek részben a 23. és 45. ciszteinmaradványok között kialakuló reverzibilis molekulán belüli diszulfidkötéstől függnek. A közelmúltban végzett vizsgálatok kimutatták, hogy a redukált HMGB1 heterokomplexet képez a CXCL12-vel, amely a CXCR4 receptor felismerésén keresztül elősegíti a gyulladásos sejtek toborzását a sérült szövetekbe . A diszulfidkötést tartalmazó HMGB1 specifikusan megköti az MD-2-t, ami megkönnyíti a TLR4 általi felismerést, ami a pro-inflammatorikus citokinek NF-κB által közvetített transzkripciós aktivációjának indukciójához vezet . A HMGB1 számos más receptorral is kölcsönhatásba lép, beleértve a RAGE-t és a TLR2-t; jelenleg nem világos, hogy specifikus redoxállapotok szükségesek-e az e receptorok általi felismeréséhez . A HMGB1 változatos tevékenységei, partnermolekulái és receptorai valószínűleg magyarázzák sokféle szerepét számos elterjedt, pusztító emberi betegségben.
A közelmúltban felfedeztük, hogy a HMGB1 szalicilsavat (SA) köt; ez elnyomja mind a redukált HMGB1 kemo-vonzó aktivitását, mind a diszulfidkötést tartalmazó HMGB1 azon képességét, hogy pro-inflammatorikus citokin gének és a COX-2 expresszióját indukálja . A HMGB1 SA-kötőhelyeit NMR-vizsgálatokkal azonosították a HMG-box doménekben, és mutációs elemzéssel megerősítették. Az egyik SA-kötőhelyen mutálódott HMGB1-fehérje megtartotta kemo-attraktív aktivitását, de elvesztette az SA kötődését és gátlását, ezzel szilárdan bizonyítva, hogy az SA kötődése a HMGB1-hez közvetlenül elnyomja annak pro-inflammatorikus aktivitását. A HMGB1 gátlásában sokkal nagyobb hatékonyságú természetes és szintetikus SA-származékokat is azonosítottak, ezzel bizonyítva, hogy nagy hatékonyságú új SA-alapú molekulák készíthetők.
Növényi DAMP-ok
Az állatokkal ellentétben a növényekben eddig sokkal kevesebb DAMP-ot azonosítottak (2. táblázat). A legnagyobb és vitathatatlanul a legjobban jellemzett osztály a nagyobb prekurzor fehérjékből előállított polipeptidek/peptidek. Ezek közé tartozik három család, amelyeket Ryan és munkatársai fedeztek fel a systeminok azonosítására irányuló vizsgálataik során – ez a kifejezés “a növény által fizikai károsodásra válaszul termelt és a védelmi géneket lokálisan vagy szisztémásan indukáló polipeptid védelmi jelek leírására használt kifejezés” . Egy 18 aminosav (aa) polipeptidet izoláltak 60 lb paradicsom palántából, és kimutatták, hogy a sebzés által indukálható proteináz inhibitor fehérjék szintézisét indukálja . Ez a paradicsom systemin egy 200 aa prohormon prosystemin sebindukált feldolgozásával keletkezik, amely a vaszkuláris floem parenchima sejtek citoplazmájában található. A systemin a szomszédos társsejteket és az ércsomó szitaelemeit jázmonsav (JA) szintézisére készteti, ami viszont szisztémásan aktiválja a proteináz inhibitor gének expresszióját .
Míg a systemin számos más Solanaceae fajban, köztük a burgonyában, a paprikában és a nadragulyában jelen van , a dohányban nem található meg. Ez a megállapítás arra késztette Ryan csoportját, hogy egy másik típusú systemin után kutasson. Végül két hidroxiprolinban gazdag 18 aa-s polipeptidet azonosítottak, amelyek egy 165 aa-s preproteinből kerülnek feldolgozásra, de nincs szekvencia-homológiájuk a paradicsom systeminjével .
A peptid alapú DAMP-ok harmadik családját Arabidopsisban fedezték fel. Ezek a 23 aa növényi elicitor peptidek (Peps) egy 92 aa prekurzorból származnak. Az AtPepl számára két receptort azonosítottak, a PEPR1-et és a PEPR2-t . Az AtPepek különböző veleszületett immunválaszokat és fokozott rezisztenciát indukálnak, és nemrégiben kimutatták, hogy a ProPep3 prekurzor egy formája az Arabidopsis hemi-biotróf Pseudomonas syringae-vel való fertőzésekor az extracelluláris térbe szabadul fel. Később azonosították a kukorica (Zea mays) ortológját, a ZmPep1-et, amelyről kimutatták, hogy az AtPepl-hez hasonlóan fokozza a mikrobiális kórokozókkal szembeni ellenállást. Az endogén peptid elicitorok részletesebb tárgyalását lásd Yamaguchi és Huffaker .
A növényekben és az állatokban is megtalálható DAMP-ok másik osztálya az extracelluláris mátrixból származik. A gerincesekben a hialuronán, egy egyszerű lineáris poliszacharid, amely ismétlődő D-glükuronsavból és D-N-acetilglükozaminból áll, töredékei mechanikai sérülés vagy hidrolitikus enzimek hatására felszabadulva veleszületett immunitást váltanak ki . Ezeket a fragmentumokat a leucinban gazdag ismétlődésű TLR2 és TLR4 receptorok érzékelik . Hasonlóképpen, a növények tartalmazzák a pektikus poliszacharid homogalakturonánt, az 1,4-hez kötött α-D galakturonsav lineáris polimerjét, amely segít fenntartani a sejtfal integritását. E polimer töredékei, az úgynevezett oligogalakturonidok (OG-k) mechanikusan vagy gyakrabban a kórokozók által kódolt hidrolitikus enzimek által szabadulhatnak fel. Az OG-k veleszületett immunválaszt indukálnak, beleértve a MAPK aktivációt, a kallóz lerakódást, a ROS termelést, a citoszolikus Ca2+ emelkedését és a védelmi gének aktiválódását. A fal-asszociált kináz 1 (WAK1) az OG-k valószínű receptoraként azonosították .
Az extracelluláris ATP (eATP) a növényi DAMP-ok egy másik, növényekben és állatokban egyaránt megtalálható osztályát alkotja. Annak ellenére, hogy évtizedek óta egyre több bizonyíték van arra, hogy az eATP jelzőmolekulaként működik, ezt a funkciót nagyrészt elvetették/elutasították, valószínűleg azért, mert az ATP mindenütt jelen van, és központi szerepet játszik, mint univerzális energia valuta minden élő szervezetben a baktériumoktól az emberig . Csak a plazmamembránban lokalizált receptorok azonosításával – először az állatokban (lásd ), majd a növényekben – fogadták el jelző funkcióját mindkét birodalomban. Az állatokban az eATP neurotranszmitterként és jelzőmolekulaként működik, amely részt vesz az izomösszehúzódásban, a sejthalálban és a gyulladásban . Kétféle receptor játszik szerepet: egy G-fehérje-kapcsolt P2Y receptor és egy ligandumkapcsolt P2X ioncsatorna receptor. A növényekben az eATP jelátviteli szerepét nemrégiben igazolták a receptor, a Does not Respond to Nucleotides 1 (DORN1 ) azonosításával. Az eATP növényi DAMP-ként való kijelölése azon az együttes megfigyelésen alapul, hogy i) a dorn1 mutáns nemcsak az ATP-re, hanem a sebzésre is elnyomott transzkripciós választ mutat, ii) az eATP alkalmazása által indukált gének többsége szintén sebindukálható , és iii) az eATP-kezelés tipikus veleszületett immunválaszt indukál, beleértve a citoszolikus Ca2+ beáramlást, MAPK aktivációt és a sűrűséghez kapcsolódó gének, köztük a JA és etilén bioszintézisében részt vevő gének indukcióját. Azt azonban még nem tudni, hogy hozzájárul-e a kórokozókkal szembeni rezisztenciához.
A közelmúltban azonosítottuk a növényi DAMP-ok negyedik osztályát, az Arabidopsis HMGB fehérjét, az AtHMGB3 . Minden eukarióta sejt, így a növények is rendelkeznek HMGB1-hez kapcsolódó fehérjékkel. Arabidopsisban 15 gén kódolja a HMG-box domént tartalmazó fehérjéket. Ezeket négy csoportra osztották: (i) HMGB-típusú fehérjék, (ii) A/T-gazdag interakciós domén (ARID)-HMG fehérjék, (iii) 3xHMG fehérjék, amelyek három HMG-dobozt tartalmaznak, és (iv) a szerkezet-specifikus felismerő fehérje 1 (SSRP1) . A nyolc HMGB-típusú fehérje (HMGB1/2/3/4/4/5/6/12/14) nukleáris elhelyezkedésük és doménszerkezetük alapján úgy gondolják, hogy az emlős HMGB1-hez hasonlóan architekturális kromoszómális fehérjékként működnek. Az AtHMGB2/3/4 a citoplazmában és a sejtmagban is jelen van. E fehérjék citoplazmatikus funkciója nem ismert. A sejtkárosodás után azonban a citoplazmatikus alpopulációknak nagyobb hozzáféréssel kell rendelkezniük az extracelluláris térhez (apoplasztisz), mint a kizárólag a sejtmagban található AtHMGB-knek, mivel nem kötődnek DNS-hez, és csak a plazmamembránon kell átjutniuk az apoplasztiszba való bejutáshoz. Tekintettel az emlős HMGB1 mint prototipikus DAMP jól ismert szerepére, az AtHMGB3 citoplazmatikus alpopulációjának jelenléte felvetette annak lehetőségét, hogy ez a fehérje hasonló funkciót tölt be. Valóban, amikor a rekombináns AtHMGB3-at beszivárogtattuk Arabidopsis levelekbe, az AtPep1-hez hasonló DAMP-szerű aktivitást mutatott. A kezelés mindkét fehérjével MAPK aktivációt, kallóz lerakódást, védekezéssel kapcsolatos génexpressziót és a nekrotróf Botrytis cinereával szembeni fokozott ellenállást indukált.
Az emlős HMGB1-gyel ellentétben, amely poszttranszlációs módosítás után aktívan szekretálódhat, az AtHMGB3 szekréciójára nincs bizonyíték. Valószínűleg passzívan kerül az extracelluláris térbe, amikor a sejtek mechanikusan sérülnek, például rovarok által, vagy nekrotróf patogének általi fertőzés során. A B. cinerea fertőzés valóban az AtHMGB3 felszabadulását okozta az apoplasztiszba a beoltást követő 24 órán belül. Az ilyen gyors felszabadulás a nekrotrófok által kiváltott sejtek nekrózisának korai fázisában az immunválaszok aktiválásával fokozhatja a rezisztenciát .
A további elemzések kimutatták, hogy az AtHMGB3 a HMGB1-hez hasonlóan SA-t köt, és hogy ez a kölcsönhatás, amelyet az AtHMGB3 egyetlen HMG dobozában lévő konzervált Arg és Lys maradékok közvetítenek, gátolja a DAMP aktivitását . Ez a megállapítás ellentmondani látszik az SA-nak az immunválaszok pozitív szabályozójaként jól ismert szerepének . Míg azonban az SA által indukált védelmi válaszok kritikusak a biotróf és hemi-biotróf kórokozókkal szembeni ellenálláshoz, a nekrotróf kórokozók és rovarok elleni védekezés aktiválásáért felelős fő hormon a JA . A JA és az SA védelmi jelátviteli útvonalak általában kölcsönösen antagonisztikusak . Az AtHMGB3 DAMP-aktivitásának SA által közvetített gátlása ezért az egyik olyan mechanizmus lehet, amelyen keresztül ezek az útvonalak egymásra hatnak. Ebben a forgatókönyvben a nekrotróf kórokozókkal való fertőzés által okozott sejtkárosodás az AtHMGB3 felszabadulásához vezetne az extracelluláris terekbe; ez aktiválná a JA/etilén-asszociált védekezést, hogy segítsen semlegesíteni ezt a fenyegetést. Ezzel szemben a biotróf kórokozókkal való fertőzés SA bioszintézist indukál . A megnövekedett SA-szint az AtHMGB3 DAMP-aktivitásának elnyomása révén antagonizálhatja a JA-asszociált védekezés aktiválódását, valamint elősegítheti az SA-asszociált védekezés aktiválódását, amely hatékonyabb az ilyen típusú patogénekkel szemben .
A felfedezés, hogy az extracelluláris AtHMGB3 egy olyan növényi DAMP, amelynek immunválaszt kiváltó aktivitását az SA-kötés gátolja, birodalmak közötti bizonyítékot nyújt arra, hogy a HMGB fehérjék extracellulárisan DAMP-ként működnek a növényekben és az állatokban egyaránt. Ráadásul rávilágít az SA közös célpontjainak és közös hatásmechanizmusainak létezésére a növényekben és az emberekben. Érdekes módon az eddig azonosított növényi DAMP-ok többségének van megfelelője az állatokban. Vizsgálataink továbbá azt is jelezték, hogy a növények és az állatok a HMGB-ken túl közös célpontjai az SA-nak. Például a glikolitikus enzim, a gliceraldehid-3-foszfát-dehidrogenáz (GAPDH) növényekben és emberekben egyaránt megköti az SA-t, és ennek következtében megváltozott aktivitással rendelkezik. Az SA elnyomja a GAPDH szerepét a paradicsom bokrosodás vírus replikációjában a növényekben, és hasonló hatással lehet a hepatitis C vírus replikációjára az emberben . Elnyomja a GAPDH által közvetített neuronális sejthalált is állatokban . A nagy áteresztőképességű szűrések előzetes elemzései arra utalnak, hogy mind a növényekben, mind az emberekben számos további SA célpont létezik. Lehet, hogy a több SA célpont jelenléte az állatokban vagy a növényi anyagokban természetesen jelen lévő alacsony SA-szintek lenyelése, vagy az SA benzoátokból történő endogén szintézise miatt alakult ki . A jövőbeni vizsgálatokra lesz szükség annak értékeléséhez, hogy ezek az új növényi és állati SA-val kölcsönhatásban lévő fehérjék DAMP-okként működnek-e.
NAMP-ok
A természetben az egyik legnagyobb számban előforduló állat, a nematodák mind a növényeket, mind az állatokat parazitálják. Számos tanulmány jelezte, hogy a növények képesek érzékelni a fonálférgek által okozott fertőzést , de az érzékelt fonálférgektől származó jel azonossága ismeretlen volt. Nemrégiben azonosítottunk egy csoport védelmi jelzőmolekulát a növényparazita fonálférgek több nemzetségéből, beleértve a gyökércsomós és a cisztás fonálférgeket is. Ezek a fonálférgek feromonjainak evolúciósan konzervált családját, az aszkarkozidokat alkotják. Az ascr#18, a növényi parazita fonálférgek legnagyobb mennyiségben előforduló aszkarozidja, jellegzetes veleszületett immunválaszokat indukál, beleértve i) a MAPK-k, ii) a védelmi gének és iii) az SA és JA védelmi jelátviteli útvonalak aktiválását, valamint a vírusos, bakteriális, gombás és oomycéta kórokozókkal és gyökércsomós fonálférgekkel szembeni fokozott ellenállást számos két- és egyszikű növényfajban.
MAMP-ok, DAMP-ok és NAMP-ok
Az indukáló jelek forrásai azonban nagyon különbözőek: a MAMP-ok mikrobákból, a NAMP-ok fonálférgekből származnak, a DAMP-ok pedig rendellenesen lokalizált endogén molekulák, az Arabidopsison végzett vizsgálatok arra utalnak, hogy az immunindukáló molekulák e három osztályának legtöbb tagja olyan útvonalakon keresztül aktiválja a veleszületett immunrendszer jelátvitelt, amelyek ugyanazokon a leucinban gazdag ismétlődő receptorszerű kinázokon, a BRI1-asszociált kináz1-en (BAK1) és a BAK1-szerű kináz1-en (BKK1) osztoznak (, NAMP esetében publikálatlan eredmény M. Manohar, F.C. Schroeder és D.F. Klessig). Ezenkívül ezek a molekulák számos azonos veleszületett immunvédelmi választ indukálnak, beleértve a Ca+2 beáramlását a citoszolba, a kallóz lerakódását, a védelemhez kapcsolódó MPK3 és MPK6 MAPK-k aktiválódását, a ROS termelését és számos védelemmel kapcsolatos gén fokozott expresszióját (3. táblázat). Számos MAMP-ra azonosítottak növényi receptort, például az FLS2-t a flagellin/flg22 és az EFR-t az EF-Tu/elf18 számára. A legtöbb növényi DAMP-receptort is felfedezték, köztük az Arabidopsis PEPR1/2-t a Peps-re, az Arabidopsis WAK1-et az OG-re és az Arabidopsis DORN1-et az eATP-re. Míg a paradicsom SR160-at eredetileg a systemin receptoraként jelentették, két újabb tanulmány szerint ez nem így van. Az AtHMGB3 és az ascarozid NAMP ascr#18 növényi receptorai továbbra sem ismertek (2. táblázat). Az sem ismert, hogy az AtHMGB3 DAMP jelátvitele fokozódik-e vagy elősegítik-e a kölcsönható molekulák, ahogy azt az emlős HMGB1 esetében kimutatták.
.