Toate organismele vii au dezvoltat modalități de a se proteja împotriva atacurilor abiotice și biotice. De exemplu, microbii utilizează sisteme de restricție/modificare a ADN-ului pentru a se proteja împotriva ADN-ului străin; ei conțin, de asemenea, sisteme de detoxifiere și/sau extrudere a xenobioticelor sau a speciilor reactive excesive de oxigen (ROS). Organismele multicelulare utilizează alte sisteme, iar participarea unuia sau mai multor niveluri de imunitate este adesea implicată. Cel mai bine studiat și cel mai apreciat la vertebratele cu fălci este sistemul imunitar dobândit/adaptiv, cu binecunoscutele celule B și T și anticorpii specifici antigenului. Acest nivel de imunitate se suprapune peste sistemul imunitar înnăscut, mult mai fundamental și mai vechi din punct de vedere evolutiv, care este prezent nu numai la mamifere, ci și la alte animale și la plante. Abia în ultimele câteva decenii a început să se aprecieze importanța imunității înnăscute pentru supraviețuirea organismelor multicelulare. Aceasta protejează oamenii, alte animale și plante de miile de microbi potențial dăunători întâlniți zilnic. Dezvoltarea imunității înnăscute la organismele pluricelulare a necesitat evoluția unor receptori de suprafață celulară care să recunoască/legă molecule a căror structură/model chimic este, în general, conservat(ă) în cadrul diferitelor clase de organisme străine, dar este absent(ă) în moleculele „proprii”. Aceste molecule străine conservate (non-self) sunt denumite modele moleculare asociate microbilor (MAMP), denumite, de asemenea, modele moleculare asociate agenților patogeni (PAMP), iar prezența lor este detectată de membrii unei mari familii de receptori de recunoaștere a modelelor (PRR). PRR-urile activează una sau mai multe căi de semnalizare, adesea cu ajutorul unor co-receptori, pentru a induce răspunsuri de apărare în aval. Printre exemplele de MAMP-uri se numără lipopolizaharida bacteriană, flagelina, EF-Tu, ADN, lipoproteinele, peptidoglicanii și chitina fungică. Sunt disponibile mai multe analize excelente ale MAMP-urilor .
În plus față de agresiunea biotică, organismele trebuie să facă față unei varietăți de agresiuni abiotice, cum ar fi daunele mecanice sau celulare, precum și stresul de mediu, cum ar fi seceta și salinitatea. Unele molecule endogene activează sistemul imunitar înnăscut atunci când sunt eliberate în spațiul extracelular (inclusiv în apoplastul plantelor) din locația lor normală din cauza unei deteriorări (traume); aceste molecule sunt denumite „Damage-Associated Molecular Patterns” (DAMPs ). DAMP sunt eliberate în mod pasiv din celulele muribunde ca urmare a leziunilor, traumatismelor, ischemiei sau necrozei induse de infecții. În plus, ele pot fi secretate în mod activ de către anumite celule imune sau de către celule grav stresate (de exemplu, anumite celule canceroase ). În timp ce MAMP sunt derivate din microorganisme și activează sistemul imunitar înnăscut, DAMP sunt derivate din celulele gazdă și atât inițiază, cât și perpetuează răspunsurile imunitare înnăscute. Este în general acceptat faptul că aceste apărări contribuie la protejarea țesutului afectat, care este vulnerabil la infecții din cauza întreruperii barierelor fizice care, altfel, ar împiedica pătrunderea microbienelor. La mamifere, inflamația este o altă componentă a răspunsului imunitar înnăscut; aceasta nu numai că ajută la prevenirea/supresia infecției, dar ajută, de asemenea, la vindecare.
Această analiză se va concentra pe DAMP-uri, în special pe cele ale plantelor. DAMP-urile vor fi comparate cu MAMP-urile și cu o clasă nou-identificată de activatori ai imunității înnăscute, denumită Nematode-Associated Molecular Patterns (NAMPs ), deoarece toate cele trei clase induc multe dintre aceleași răspunsuri de apărare și împărtășesc unele componente de transducție a semnalului.
DAMP-uri animale
Începem discuția noastră cu DAMP-urile animale, deoarece acestea au fost recunoscute pentru prima dată și studiate cel mai extensiv. Termenul DAMPs a fost inventat de Seong și Matzinger în 2004 . Tabelul 1 enumeră 26 de DAMP-uri, inclusiv purine, pirimidine, ADN (CpG nemetilat), lipoproteine oxidate cu densitate scăzută, N-formil peptide și o varietate de proteine. Pentru majoritatea au fost identificați receptori congeniali (tabelul 1). În plus, unele DAMP formează complexe cu molecule partenere/interactori pentru a spori sau facilita semnalizarea. Printre acestea se numără High Mobility Group Box 1 (HMGB1), care este una dintre primele DAMP identificate și cel mai bine caracterizate. HMGB1 este o proteină foarte abundentă, asociată cu cromatina, care este prezentă în toate celulele animale . Este alcătuită din două domenii de bază de legare a ADN-ului, denumite cutii HMG A și B, și o coadă C-terminală foarte acidă care participă la interacțiuni intramoleculare specifice . În nucleu, HMGB1 se leagă de șanțul minor al ADN-ului pentru a facilita condensarea ADN-ului, formarea nucleozomilor și legarea factorilor de transcripție . Atunci când este eliberat în mediul extracelular de către celulele necrotice, deteriorate sau grav stresate, funcționează ca un DAMP cu activități chemo-atractive și inducătoare de citokine .
HMGB1 extracelular mediază o serie de răspunsuri biologice în asociere cu mai mulți receptori, cum ar fi Receptorul pentru produsele finale de glicație avansată (RAGE), receptorul Toll-like 2 (TLR2), TLR4, TLR9, receptorul de chemokină C-X-C de tip 4 (CXCR4), Siglec-10 și receptorul de imunoglobulină mucină pentru celulele T 3 (TIM3) . În special, formarea heterocomplexelor specifice între HMGB1 și o varietate de interacționari, cum ar fi adaptorul MD-2 sau liganzii proinflamatori lipopolizaharidele și oligodeoxinucleotidele CpG, îmbunătățește sau facilitează semnalizarea și, în unele cazuri, este esențială pentru recunoașterea HMGB1 de către receptori distincți (tabelul 1). Formarea heterocomplexului specific pare să fie cel puțin parțial reglată de diferitele stări redox ale HMGB1, care depind în parte de o legătură disulfidică intramoleculară reversibilă formată între reziduurile de cisteină 23 și 45 . Studii recente au arătat că HMGB1 redus formează un heterocomplex cu CXCL12, care favorizează recrutarea de celule inflamatorii în țesutul afectat prin recunoașterea de către receptorul CXCR4 . HMGB1 care conține legături disulfidice se leagă în mod specific de MD-2, care facilitează recunoașterea de către TLR4, ceea ce duce la inducerea activării transcripționale a citokinelor proinflamatorii mediate de NF-κB . HMGB1 interacționează, de asemenea, cu alți câțiva receptori, inclusiv RAGE și TLR2; în prezent, nu este clar dacă sunt necesare stări redox specifice pentru recunoașterea sa de către acești receptori . Diversele activități, molecule partenere și receptori ai HMGB1 explică probabil rolurile sale multiple în multe boli umane predominante și devastatoare.
Am descoperit recent că HMGB1 se leagă de acidul salicilic (SA); acest lucru suprimă atât activitatea chemo-atractivă a HMGB1 redus, cât și capacitatea HMGB1 care conține legături disulfidice de a induce expresia genelor citokinelor pro-inflamatorii și a COX-2 . Locurile de legare a SA pe HMGB1 au fost identificate în domeniile HMG-box prin studii RMN și confirmate prin analiză mutațională. O proteină HMGB1 care a suferit o mutație la unul dintre situsurile de legare la SA a păstrat activitatea chemo-atractivă, dar a pierdut legarea și inhibarea de SA, stabilind astfel în mod ferm că legarea SA la HMGB1 suprimă în mod direct activitățile sale proinflamatorii. Au fost identificați, de asemenea, derivați naturali și sintetici de SA cu o potență mult mai mare de inhibare a HMGB1, furnizând astfel o dovadă de concept că se pot obține noi molecule pe bază de SA cu eficacitate ridicată.
DAMP-uri la plante
În contrast cu animalele, până în prezent au fost identificate mult mai puține DAMP-uri la plante (tabelul 2). Cea mai mare clasă și, fără îndoială, cea mai bine caracterizată sunt polipeptidele/peptidele produse din proteine precursoare mai mari. Printre acestea se numără trei familii descoperite de Ryan și colegii săi în timpul studiilor lor de identificare a sistemului – un termen „utilizat pentru a descrie semnalele de apărare polipeptidice care sunt produse de plantă ca răspuns la daune fizice și care induc gene de apărare, fie la nivel local, fie la nivel sistemic” . O polipeptidă de 18 aminoacizi (aa) a fost izolată din 60 lb de răsaduri de tomate și s-a demonstrat că induce sinteza proteinelor inhibitoare de proteină induse de rană . Această sistemină de tomate este generată prin procesarea indusă de rană a unei prohormone de 200 aa, prosistemina, care este localizată în citoplasma celulelor parenchimului floemului vascular. Systeminul induce celulele însoțitoare vecine și elementele de sită ale fasciculului vascular să sintetizeze acidul iasmonic (JA), care, la rândul său, activează în mod sistemic expresia genelor inhibitorilor de protează.
În timp ce systeminul este prezent în multe alte specii de solanacee, inclusiv în cartof, piper și nightshade , nu se găsește în tutun. Această constatare a determinat grupul lui Ryan să caute un alt tip de sistemamină. În cele din urmă, au fost identificate două polipeptide bogate în hidroxiprolină de 18 aa, care sunt procesate dintr-o preproteină de 165 aa, dar care nu au nicio omologie de secvență cu sistemamina din tomate.
O a treia familie de DAMP-uri pe bază de peptide a fost descoperită la Arabidopsis . Aceste peptide elicitoare de plante (Peps) de 23 aa sunt derivate dintr-un precursor de 92 aa. Au fost identificați doi receptori pentru AtPepl, PEPR1 și PEPR2 . AtPeps induce o varietate de răspunsuri imune înnăscute și o rezistență sporită, iar o formă a precursorului ProPep3 a fost recent demonstrată ca fiind eliberată în spațiul extracelular la infectarea Arabidopsis cu Pseudomonas syringae hemi-biotrofic . Un ortolog al porumbului (Zea mays), ZmPep1, a fost identificat ulterior și s-a demonstrat că sporește rezistența la agenții patogeni microbieni, la fel ca AtPepl . Pentru o discuție mai aprofundată despre elicitorii peptidici endogeni, a se vedea Yamaguchi și Huffaker .
O altă clasă de DAMP-uri întâlnite la plante, precum și la animale, este derivată din matricea extracelulară. La vertebrate, fragmente de hialuronan, o polizaharidă liniară simplă formată din acid D-glucuronic și D-N-acetilglucozamină repetate, induc imunitatea înnăscută atunci când sunt eliberate de leziuni mecanice sau de enzimele hidrolitice . Aceste fragmente sunt percepute de receptorii TLR2 și TLR4 care conțin repetiții bogate în leucină . În mod similar, plantele conțin polizaharidul pectic homogalacturonan, un polimer liniar de acid α-D galacturonic legat de 1,4, care ajută la menținerea integrității peretelui celular. Fragmente din acest polimer, numite oligogalacturonide (OG), pot fi eliberate mecanic sau, mai frecvent, de către enzimele hidrolitice codificate de agenții patogeni. OG-urile induc răspunsuri imune înnăscute, inclusiv activarea MAPK, depunerea de caloză, producția de ROS, Ca2+ citosolic ridicat și activarea genelor de apărare . Kinaza 1 asociată cu peretele (WAK1) a fost identificată ca fiind un receptor probabil pentru OG .
ATP extracelular (eATP) cuprinde încă o clasă de DAMP-uri vegetale întâlnite atât la plante, cât și la animale. În ciuda deceniilor de dovezi din ce în ce mai numeroase că eATP acționează ca o moleculă de semnalizare, această funcție a fost în mare măsură respinsă/discreditată, probabil din cauza naturii omniprezente a ATP și a rolului central ca monedă energetică universală în toate organismele vii, de la bacterii la oameni . Numai odată cu identificarea receptorilor săi localizați în membrana plasmatică, mai întâi la animale (a se vedea ) și apoi la plante , funcția sa de semnalizare a fost acceptată în ambele regnuri. La animale, eATP acționează ca neurotransmițător și moleculă de semnalizare care participă la contracția musculară, moartea celulară și inflamația . Sunt implicate două tipuri de receptori: un receptor P2Y cuplat cu proteina G și un receptor P2X cu canal ionic pornit de ligand. La plante, rolul de semnalizare al eATP a fost confirmat mai recent prin identificarea receptorului său, Does not Respond to Nucleotides 1 (DORN1 ). Desemnarea eATP ca DAMP al plantelor se bazează pe observațiile combinate că i) mutantul dorn1 prezintă un răspuns transcripțional suprimat nu numai la ATP, ci și la rănire, ii) majoritatea genelor induse prin aplicarea de eATP sunt, de asemenea, inductibile la rănire și iii) tratamentul cu eATP induce răspunsuri imune înnăscute tipice, inclusiv influxul de Ca2+ citosolic, activarea MAPK și inducerea genelor asociate cu densitatea, inclusiv unele implicate în biosinteza JA și etilenă . Cu toate acestea, nu se știe încă dacă aceasta contribuie la rezistența la agenții patogeni.
Am identificat recent o a patra clasă de DAMP-uri vegetale, proteina HMGB AtHMGB3 din Arabidopsis . Toate celulele eucariote, inclusiv plantele, au proteine legate de HMGB1. La Arabidopsis, 15 gene codifică proteine care conțin domeniul HMG-box. Acestea au fost subdivizate în patru grupe: (i) proteine de tip HMGB, (ii) proteine cu domeniu de interacțiune bogat în A/T (ARID)-HMG, (iii) proteine 3xHMG care conțin trei cutii HMG și (iv) proteina de recunoaștere specifică structurii 1 (SSRP1) . Pe baza locației lor nucleare și a structurii domeniilor, se crede că cele opt proteine de tip HMGB (HMGB1/2/3/4/5/6/6/12/14) funcționează ca proteine cromozomiale arhitecturale, similare cu HMGB1 de la mamifere. În special, AtHMGB2/3/4 sunt prezente în citoplasmă și, de asemenea, în nucleu . Funcția citoplasmatică a acestor proteine nu este cunoscută. Cu toate acestea, subpopulațiile citoplasmatice ar trebui să aibă un acces mai mare la spațiul extracelular (apoplast) după deteriorarea celulară, în comparație cu AtHMGBs localizate exclusiv în nucleu , deoarece acestea nu sunt legate de ADN și trebuie doar să traverseze membrana plasmatică pentru a intra în apoplast. Având în vedere rolul bine stabilit al HMGB1 de mamifere ca DAMP prototipic, prezența unei subpopulații citoplasmatice de AtHMGB3 a ridicat posibilitatea ca această proteină să îndeplinească o funcție similară. Într-adevăr, atunci când AtHMGB3 recombinant a fost infiltrat în frunzele de Arabidopsis, acesta a prezentat activități DAMP similare cu cele ale lui AtPep1. Tratamentul cu oricare dintre proteine a indus activarea MAPK, depunerea de caloză, expresia genelor legate de apărare și o rezistență sporită la Botrytis cinerea necrotrofă.
În contrast cu HMGB1 de mamifere, care poate fi secretată în mod activ în urma modificării post-translaționale, nu există nicio dovadă de secreție a AtHMGB3. Acesta intră probabil în spațiul extracelular în mod pasiv atunci când celulele sunt deteriorate mecanic, cum ar fi de către insecte, sau în timpul infecției cu agenți patogeni necrotrofi. Într-adevăr, infecția cu B. cinerea a provocat eliberarea de AtHMGB3 în apoplast în termen de 24 de ore de la inoculare. O astfel de eliberare rapidă în timpul fazei timpurii a necrozei celulare induse de necrotrofi ar putea spori rezistența prin activarea răspunsurilor imune.
Analizele suplimentare au arătat că AtHMGB3, ca și HMGB1, se leagă de SA și că această interacțiune, care este mediată de reziduurile conservate Arg și Lys din singura cutie HMG a lui AtHMGB3, inhibă activitatea DAMP a acestuia. Această constatare pare să intre în conflict cu rolul bine-cunoscut al SA ca regulator pozitiv al răspunsurilor imune . Cu toate acestea, în timp ce răspunsurile de apărare induse de SA sunt esențiale pentru rezistența la agenții patogeni biotrofi și hemi-biotrofi, principalul hormon responsabil pentru activarea apărării împotriva agenților patogeni necrotrofi și a insectelor este JA . Căile de semnalizare a apărării JA și SA sunt, în general, antagoniste între ele. Prin urmare, inhibarea mediată de SA a activității DAMP a AtHMGB3 ar putea reprezenta un mecanism prin care aceste căi se întrepătrund. În acest scenariu, deteriorarea celulară cauzată de infecția cu agenți patogeni necrotrofi ar duce la eliberarea de AtHMGB3 în spațiile extracelulare; acest lucru ar activa apărarea asociată cu JA/etilenă pentru a ajuta la neutralizarea acestei amenințări. În schimb, infecția cu agenți patogeni biotrofi induce biosinteza SA . Nivelurile crescute de SA ar putea atunci să antagonizeze activarea apărării asociate cu JA prin suprimarea activității DAMP a AtHMGB3, precum și să promoveze activarea apărării asociate cu SA, care este mai eficientă împotriva acestui tip de agent patogen.
Descoperirea faptului că AtHMGB3 extracelular este un DAMP al plantelor a cărui activitate de inducere a răspunsului imunitar este inhibată de legarea de SA oferă dovezi trans-kingdom că proteinele HMGB funcționează extracelular ca DAMP-uri atât la plante cât și la animale. Mai mult, evidențiază existența unor ținte comune și a unor mecanisme de acțiune comune pentru SA la plante și la oameni. În mod interesant, majoritatea DAMP-urilor din plante identificate până în prezent au corespondenți la animale. Studiile noastre au indicat, de asemenea, că plantele și animalele au ținte comune ale SA dincolo de HMGBs . De exemplu, enzima glicolitice gliceraldehidă 3-fosfat dehidrogenază (GAPDH), atât la plante, cât și la oameni, se leagă de SA și, ca urmare, are o activitate modificată. SA suprimă rolul GAPDH în replicarea virusului Tomato Bushy Stunt în plante și poate avea efecte similare asupra replicării virusului hepatitei C la om . De asemenea, suprimă moartea celulelor neuronale mediată de GAPDH la animale. Analizele preliminare ale ecranelor de mare capacitate sugerează existența multor alte ținte ale SA atât la plante, cât și la oameni. Poate că prezența țintelor multiple de SA la animale a evoluat ca răspuns fie la ingestia unor niveluri scăzute de SA care sunt prezente în mod natural în materialul vegetal, fie la sinteza endogenă de SA din benzoați . Vor fi necesare studii viitoare pentru a evalua dacă aceste noi proteine care interacționează cu SA din plante și animale funcționează ca DAMP-uri.
NAMP-uri
Nematodele, unul dintre cele mai abundente animale din natură, parazitează atât plantele, cât și animalele. Mai multe studii au indicat că plantele ar putea percepe infecția cu nematode , dar identitatea semnalului perceput derivat de nematode era necunoscută. Am identificat recent un grup de molecule de semnalizare de apărare de la mai multe genuri de nematode parazite de plante, inclusiv de la nematodele cu noduri de rădăcină și de la nematodele cu chisturi . Acestea reprezintă o familie conservată din punct de vedere evolutiv de feromoni de nematode numite ascaroside. Ascr#18, cel mai abundent ascarosid din nematozii paraziți ai plantelor, induce răspunsuri imune înnăscute caracteristice, inclusiv activarea i) MAPK-urilor, ii) a genelor de apărare și iii) a căilor de semnalizare a apărării SA și JA, precum și o rezistență sporită la agenții patogeni virali, bacterieni, fungici și oomicete și la nematozii cu noduri ale rădăcinilor la mai multe specii de plante dicotiledonate și monocotiledonate.
MAMPs, DAMPs și NAMPs
Deși sursele semnalelor inductoare sunt foarte diferite, MAMPs derivând de la microbi, NAMPs derivând de la nematode, iar DAMPs fiind molecule endogene localizate în mod aberant, studiile efectuate pe Arabidopsis sugerează că majoritatea membrilor acestor trei clase de molecule imunoinducătoare activează semnalizarea imună înnăscută prin intermediul unor căi care au în comun aceleași kinaze asemănătoare receptorilor cu repetiție bogată în leucină, kinazele BRI1-Associated Kinase1 (BAK1) și BAK1-Like Kinase1 (BKK1) (, pentru NAMP rezultat nepublicat M. Manohar, F.C. Schroeder și D.F. Klessig). În plus, aceste molecule induc multe dintre aceleași răspunsuri de apărare imunitară înnăscută, inclusiv un aflux de Ca+2 în citosol, depunerea de caloză, activarea MAPK-urilor MPK3 și MPK6 asociate apărării, producerea de ROS și o expresie sporită a multor gene legate de apărare (tabelul 3). Au fost identificați receptori ai plantelor pentru mai multe MAMP, cum ar fi FLS2 pentru flagelină/flg22 și EFR pentru EF-Tu/elf18 . De asemenea, au fost descoperiți receptori pentru majoritatea DAMP-urilor din plante, inclusiv Arabidopsis PEPR1/2 pentru Peps , Arabidopsis WAK1 pentru OGs și Arabidopsis DORN1 pentru eATP . În timp ce SR160 de la tomate a fost raportat inițial ca fiind receptorul pentru sistemamină , două studii recente susțin că nu este așa. Receptorii plantelor pentru AtHMGB3 și pentru ascarosidul NAMP ascr#18 rămân necunoscuți (tabelul 2). De asemenea, nu se știe nici dacă semnalizarea DAMP a lui AtHMGB3 este îmbunătățită sau facilitată de moleculele care interacționează, așa cum s-a demonstrat pentru HMGB1 de mamifere.
.