Pyroptos

Pyroptos är en  typ av programmerad nekrotisk celldöd , där plasmamembranets integritet kränks som ett resultat av aktiveringen av kaspas 1 och cellens innehåll snabbt frigörs utanför. Ett karakteristiskt kännetecken för pyroptos är kaspas 1-beroende aktiv utsöndring av interleukinerna IL-1β och IL-18 från cellen , vilket leder till inflammation . Pyroptos fungerar som en skyddande mekanism för medfödd immunitet , vilket begränsar multiplikationen av intracellulära patogener , men denna typ av celldöd är inte begränsad till bakterieinfektioner [ 1] .

Historik

Fenomenet pyroptos beskrevs först av Arturo Zichlinski och kollegor 1992, när de studerade den lytiska dödsformen för makrofager infekterade med Shigella flexneri . Till en början förväxlades denna typ av celldöd för apoptos , eftersom den visade sig kännetecknas av några av de egenskaper som är inneboende i apoptos: DNA-fragmentering, kärnkondensering och beroende av kaspaser . På senare tid har en form av celldöd hos makrofager infekterade med Salmonella enterica subsp. enterica ( Typhimurium serovar ); det visade sig vara kaspas 1-beroende och helt annorlunda än apoptos. Termen "pyroptos" föreslogs för det 2001 [1] . Den grekiska roten "pyro" betyder "eld", vilket indikerar den inflammatoriska karaktären hos denna form av död, och roten "ptosis" ("fall") används i namnen på andra former av celldöd [2] .

Nyckelfunktioner

Pyroptos bestäms av ett antal kriterier. Först programmeras pyroptos av inflammatoriska kaspaser. Pyroptos kräver den proteolytiska aktiviteten hos kaspaser, men inte autoproteolytisk bearbetning (d.v.s. skära av varandra med kaspaser, vilket leder till aktivering av dem). I de flesta fall av pyroptos aktiveras kaspaser annorlunda, det vill säga inte genom att skära varandra, utan med direkt deltagande av ett speciellt komplex, inflammasomen som innehåller CARD-domänen . För det andra leder aktivering av inflammatoriska kaspaser till bildandet av porer i plasmamembranet , och cellen blir permeabel för färgämnen med låg molekylvikt , för vilka membranet är ogenomträngligt, såsom: 7-aminoactinomycin D (7-AAD) , bromidetidium (EtBr) och propidiumjodid (PI). Tydligen har dessa porer en diameter på 1,1–2,4 nm. Vid apoptos, tvärtom, förblir cellmembranet intakt och cellen sönderfaller till apoptotiska kroppar som inte färgas med 7-AAD eller PI [2] .

Efter att membranets integritet är bruten rusar joner och vatten in i cellen, vilket resulterar i att cellen sväller och genomgår lys , vilket släpper dess innehåll utåt. Efter att membranet förstörts exponeras plasmamembranets insida för den extracellulära vätskan och kan därför färgas med annexin V , som binder till fosfatidylserin (PS), en fosfolipid som endast finns på insidan av cellmembranet. Under apoptos flyttar flippase PS in i det yttre lagret av membranet, vilket gör det möjligt att färga med annexin V. Således gör färgning med annexin V det inte möjligt att skilja apoptos från pyroptos [2] .

För det tredje, under pyroptos, sker DNA-fragmentering i celler , och TUNEL-analys ger ett positivt resultat, men inte lika intensivt som under apoptos. Dessutom är "stegeeffekten" av DNA ( DNA laddering )  vid pyroptos svagt uttryckt. Som vid apoptos sker kromatinkondensation , men kärnan förblir intakt. Under apoptos medieras DNA- skada av kaspasaktiverat DNas (CAD), medan under pyroptos förblir detta enzym bundet till sin ICAD- hämmare (även om kaspas 1 kan klyva ICAD under in vitro -förhållanden). DNA-destruktion är dock inte nödvändig för pyroptos, och undertryckande av DNA-fragmentering med nukleashämmare förhindrar inte cellys [2] .

Slutligen, vid icke-programmerad nekrotisk lytisk celldöd, aktiverar DNA-skada ADP-ribospolymeras (PARP), som förbrukar NAD + , och därigenom sänker nivån av ATP i cellen. Effektorkaspaser av apoptos klyver och inaktiverar PARP, vilket bibehåller nivån av ATP i cellen tillräcklig för det fortsatta apoptosförloppet. Salmonella typhimurium -inducerad pyroptos inaktiverar dock inte PARP, även om in vitro kaspas 1 kan skära PARP. Det är inte känt om kaspas 11 kan klyva ICAD eller PARP in vitro som kaspas 1. Makrofager som saknar PARP har framgångsrikt genomgått pyroptos, så PARP krävs inte för pyroptos. Det har visats att in vitro PARP-1 kan fungera som en nukleär faktor-KB ( NF-KB ) kofaktor vid reglering av lipopolysackarid (LPS) -inducerad kaspas 11- transkription . Emellertid hade shRNA knockdown av PARP-1 ingen effekt på interferon-y (IFN-y) -inducerad kaspas 11-transkription, så PARP-1 verkar inte vara involverad i kaspas 11-medierad pyroptos. Pyroptos är också skild från programmerad nekrotisk celldöd ( nekroptos ); de viktigaste skillnaderna mellan pyroptos, apoptos och nekroptos sammanfattas i tabellen nedan [2] [3] .

Molekylära mekanismer

Pyroptos utlöses av farosignaler som känns igen i den extra- och intracellulära miljön av två grupper av mönsterigenkänningsreceptorer : Nod-like receptors (NLR) lokaliserade i cytoplasman och Toll-like receptors (TLR) lokaliserade i plasmamembranet [5 ] . Dessa farosignaler kan släppas ut av patogena organismer när vävnader skadas [6] . När intracellulära bakteriella, virala eller farosignaler som tillhör själva cellen binder till NLR, börjar sammansättningen av ett multiproteinkomplex  , inflammasomen (från engelskan  inflammation  - inflammation). Montering av inflammasomen leder till aktivering av kaspas 1, vilket är nödvändigt för bildning och frisättning av pro-inflammatoriska cytokiner [7] . Den mest väl studerade inflammasomen, NLRP3 , har tre huvudtyper av domäner: leucinrika upprepade [en] (LRR) domäner, en central nukleotidbindande oligomeriseringsdomän ( ) och en N-terminal pyrin domän ( PYD) [8] . Caspase 1 och NLRP3 interagerar via adapterproteinet ASC . ASC innehåller en kaspasaktiverings- och rekryteringsdomän ( CARD-domän ) som binder till pro-kaspas 1 och underlättar dess aktivering genom interaktion med dess CARD-domän [9] . Som ett resultat närmar sig prokaspaser 1 varandra, dimeriserar och skär varandra till pl0- och p20-fragment, som kan bearbeta pro-IL-1β och pro-IL-18. I andra fall aktiverar inflammasomen kaspas 1 genom andra proteiner som innehåller CARD- eller PYD-domänen [10] .

Nyckelrollen för kaspas 1 i pyroptos demonstrerades 1995 [11] i experiment med kaspas 1 knockout- möss : deras celler var oförmögna till pyroptos. Men 2011 visades det att alla dessa möss också bar på en samtidig mutation i kaspas 11 -genen . Därför spelar kaspas 11 ( de mänskliga ortologerna  kaspas 4 och 5 ) också en viktig roll i pyroptos och medfödda försvar mot intracellulära patogener. Dessutom kan kaspas 11 förbättra kaspas 1-aktiveringen vid gramnegativa bakterieinfektioner , så att båda dessa kaspaser kan initiera pyroptos [1] .

Den proteolytiska aktiviteten hos kaspaser är nödvändig för passage av pyroptos , och under pyroptos inträffar förstörelsen eller störningen av ett antal proteiner som är nödvändiga för cellens funktion och överlevnad. Hittills är många mål för kaspas 1 kända. Bland dem är proteiner i cytoskelettet , intracellulär transport, translation och viktiga metaboliska vägar (till exempel de glykolytiska enzymerna aldolas , triosfosfatisomeras , glyceraldehyd-3-fosfatdehydrogenas , enolas och pyruvatkinas ). Dessutom bearbetar kaspas 1 även andra kaspaser: 4, 5 och 7. Även om kaspas 7 är en effektorkaspas av apoptos , är dess aktivering för pyroptos valfri, vilket indikerar skillnader i signalvägarna för dessa två typer av celler död [12] .

Ett tidigt steg i pyroptos är bildandet av små katjonpermeabla porer i cellmembranet . Detta stör cellens jonbalans och leder till att den svullnar och lyser . Genom dessa porer kommer Ca 2+ -joner in i cellen , som är involverade i många cellulära händelser associerade med kaspas 1. Celllys föregås av kärnkondensation , DNA-fragmentering , såväl som utsöndring av IL-1β och IL- 18. Kalcium främjar också exocytos av lysosomer , som "stänger" luckor i membranet och tillåter frisättning av antimikrobiella föreningar. Dessa föreningar dödar bakterier i den intracellulära miljön. Dessutom frisätts fagocyterade partiklar och intracellulära patogener genom exocytos före cellys [12] .

Under pyroptos frigörs de så kallade skadeassocierade molekylmönstren (DAMP) från cellen , som fungerar starka  pro-inflammatoriska faktorer i den extracellulära miljön. Dessa inkluderar ATP , DNA , RNA , värmechockproteiner . DAMP utlöser inflammatoriska processer i celler, aktiverar frisättningen av cytokiner och förbättrar inriktningen av T-celler till specifika mål. En av DAMPs, HMGB1 , spelar en speciell roll vid pyroptos. HMGB1 är en nukleär transkriptionsfaktor som frisätts till utsidan under pyroptos och aktiverar de cellulära receptorerna TLR4 och RAGE , som i sin tur aktiverar cytokinfrisättning och cellmigration. Det har visat sig att HMGB1 ensamt, utan IL-1β, IL-18 och andra DAMPs, kan orsaka inflammation [12] .

Signallipider från eikosainoidgruppen , såsom leukotriener och prostaglandiner , ökar blodkärlens permeabilitet och främjar inflammation. 2012 visades det att kalciuminflöde efter aktivering av kaspas 1 kan inducera syntesen av eikosainoider. Samtidigt blockerade inte glycin , som hämmar cellys, men inte sekretoriska vägar associerade med kaspas 1, frisättningen av eikosanoider, vilket bekräftar att de verkligen utsöndras och inte passivt läcker in i den yttre miljön med en ökning av membranet. permeabilitet. Eikosainoida signalvägar är inte alltid associerade med aktiveringen av kaspas 1, men de representerar en mycket snabb och stark pro-inflammatorisk signal utlöst av kaspas 1 [12] .

Flera studier har visat att kaspas 1-aktivering och autofagi är antagonistiska mot varandra: aktivt kaspas 1 undertrycker autofagi, medan autofagi interfererar med kaspas 1-aktivering och minskar mängden IL-1β och inflammasomer i cytosolen [12] .

Pyroptos och patogener

Vikten av pyroptos som en mekanism som tar bort patogener från den extracellulära miljö som de är anpassade för stöds av det faktum att många patogener har mekanismer för att undvika detta medfödda immunsvar. Dessa patogener inkluderar både bakterier och virus . I allmänhet finns det tre huvudriktningar på vilka dessa mekanismer för att undvika pyroptos är baserade.

• Patogener kan begränsa uttrycket av en inflammasomaktiverande ligand till fack som är otillgängliga för inflammasomer, eller göra det omöjligt för liganden att binda till NLR.
• Patogener modifierar ligandens struktur så att inflammasomer inte kan känna igen den;
• Patogener blockerar direkt funktionen av inflammasomer.

Det är värt att betona att det, beroende på patogenen, kan vara viktigt för den att blockera inte bara pyroptos, utan även utsöndringen av interleukinerna IL-1b och/eller IL-18 (eller bara det, utan att blockera pyroptos) [2] .

Tabellen nedan sammanfattar de strategier som olika patogener använder för att undvika pyroptos [2] .

Förutom ovanstående bakterier har sådana bakterier som Anaplasma phagocytophilum , Burkholderia thailandensis , Burkholderia pseudomallei [10] mekanismer för att undvika pyroptos . Dessutom är inflammasomer associerade med utvecklingen av vissa protozoinfektioner , såsom de som orsakas av Trypanosoma cruzi , Toxoplasma gondii , Plasmodium spp. och Leishmania [13] .

Fysiologisk och klinisk betydelse

Som nämnts ovan är pyroptos en viktig försvarsmekanism för medfödd immunitet eftersom det utlöser en inflammatorisk process. Dessutom fungerar pyroptos, tillsammans med nekroptos, som en viktig mekanism för eliminering av infekterade celler. Men vid systemiska infektioner sträcker sig detta även till hematopoetiska stam- och stamceller , vilket resulterar i försämrad hematopoiesis, cytopeni och immunsuppression [14] . Men ihållande inflammation är förknippad med många sjukdomar, inklusive metabola störningar, autoinflammatoriska störningar och leverskador [15] .

Expressionsnivån för NLRP3 -inflammasom och kaspas 1 är direkt relaterad till svårighetsgraden av symtomen på sådana metabola störningar som fetma och typ 2-diabetes mellitus . Detta beror på effekten av kaspas 1 på IL-1β och IL-18 nivåer, vilket försämrar insulinutsöndringen . När kaspas 1 överuttrycks, minskar cellulärt upptag av glukos och ett tillstånd som kallas insulinresistens sätter in [16] . Vidare förvärras det ytterligare, eftersom IL-1β inducerar förstörelsen av pankreas -β-celler [17] .

Mutationer i gener som kodar för inflammasomkomponenter leder till utvecklingen av autoinflammatoriska sjukdomar som kallas kryopyrinopati. Dessa sjukdomar inkluderar Muckle-Wales syndrom , förkylningsallergi och neonatal multisysteminflammatorisk sjukdom [18] . Alla av dem kännetecknas av plötsliga attacker av värme och feber och lokaliserade inflammationer; dessa effekter beror på överdriven bildning av IL-1β [19] .

Det finns bevis för att kaspas 1 är involverat i patogenesen av andra sjukdomar associerade med celldöd och inflammation, såsom: hjärtinfarkt , cerebral ischemi , neurodegenerativa sjukdomar , inflammatorisk tarmsjukdom och endotoxinchock [ 10] . Det är möjligt att pyroptos är associerad med utvecklingen av systemisk lupus erythematosus [20] . Leverskada vid värmeslag beror på pyroptos [21] .

En studie från 2014 visade att vid HIV-infektion ligger pyroptos till grund för minskningen av CD4+ T-celler och inflammation [22] [23]  , två karakteristiska händelser som inträffar under övergången av HIV- infektion till AIDS- stadiet . På grund av pyroptos vid HIV-infektion skapas en "ond cirkel": T-celler som dör av pyroptos släpper pro-inflammatoriska signaler som attraherar andra T-celler till den infekterade lymfvävnaden , där de också dör; således utvecklas kronisk inflammation och vävnadsförstöring. Det är möjligt att säkra och effektiva kaspas 1 -hämmare kan bryta denna cykel. Dessa medel kan bli nya anti-HIV-läkemedel som inte verkar på själva viruset utan på värdorganismen. Intressant nog visar möss med kaspas 1-brist inte synliga abnormiteter och utvecklas normalt, så hämning av detta protein kommer inte att ha signifikanta biverkningar hos HIV-infekterade människor [24] [11] [22] .

Anteckningar

1. ↑ 1 2 3 Vanden Berghe T. , Linkermann A. , Jouan-Lanhouet S. , Walczak H. , Vandenabeele P. Regulated necrosis: the expanding network of non-apoptotic cell death pathways.  (engelska)  // Naturrecensioner. Molekylär cellbiologi. - 2014. - Vol. 15, nr. 2 . - S. 135-147. doi : 10.1038 / nrm3737 . — PMID 24452471 .
2. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Jorgensen I. , Miao EA Pyroptotisk celldöd försvarar mot intracellulära patogener.  (engelska)  // Immunologiska recensioner. - 2015. - Vol. 265, nr. 1 . - S. 130-142. - doi : 10.1111/imr.12287 . — PMID 25879289 .
3. ↑ Kaczmarek A. , Vandenabeele P. , Krysko DV Necroptosis: frisättningen av skada-associerade molekylära mönster och dess fysiologiska relevans.  (engelska)  // Immunitet. - 2013. - Vol. 38, nr. 2 . - S. 209-223. - doi : 10.1016/j.immuni.2013.02.003 . — PMID 23438821 .
4. ↑ Sosna J. , Voigt S. , Mathieu S. , Lange A. , Thon L. , Davarnia P. , Herdegen T. , Linkermann A. , Rittger A. , ​​Chan FK , Kabelitz D. , Schütze S. , Adam D. TNF-inducerad nekroptos och PARP-1-medierad nekros representerar distinkta vägar till programmerad nekrotisk celldöd  . (engelska)  // Cellulär och molekylär biovetenskap : CMLS. - 2014. - Vol. 71, nr. 2 . - s. 331-348. - doi : 10.1007/s00018-013-1381-6 . — PMID 23760205 .
5. ↑ Bortoluci KR , Medzhitov R. Kontroll av infektion genom pyroptos och autofagi: roll för TLR och NLR.  (engelska)  // Cellulär och molekylär biovetenskap : CMLS. - 2010. - Vol. 67, nr. 10 . - P. 1643-1651. - doi : 10.1007/s00018-010-0335-5 . — PMID 20229126 .
6. ↑ Matzinger P. Faromodellen: en förnyad självkänsla.  (engelska)  // Science (New York, NY). - 2002. - Vol. 296, nr. 5566 . - S. 301-305. - doi : 10.1126/science.1071059 . — PMID 11951032 .
7. ↑ Ogura Y. , Sutterwala FS , Flavell RA Inflammasomen: första raden av immunsvaret mot cellstress.  (engelska)  // Cell. - 2006. - Vol. 126, nr. 4 . - s. 659-662. - doi : 10.1016/j.cell.2006.08.002 . — PMID 16923387 .
8. ↑ Kufer TA , Sansonetti PJ Känsla av bakterier: NOD ett ensamt jobb.  (engelska)  // Aktuell åsikt inom mikrobiologi. - 2007. - Vol. 10, nr. 1 . - S. 62-69. - doi : 10.1016/j.mib.2006.11.003 . — PMID 17161646 .
9. ↑ Franchi L. , Warner N. , Viani K. , Nuñez G. Funktion av Nod-liknande receptorer i mikrobiell igenkänning och värdförsvar.  (engelska)  // Immunologiska recensioner. - 2009. - Vol. 227, nr. 1 . - S. 106-128. - doi : 10.1111/j.1600-065X.2008.00734.x . — PMID 19120480 .
10. ↑ 1 2 3 Yang Y. , Jiang G. , Zhang P. , Fan J. Programmerad celldöd och dess roll i inflammation.  (engelska)  // Militärmedicinsk forskning. - 2015. - Vol. 2. - P. 12. - doi : 10.1186/s40779-015-0039-0 . — PMID 26045969 .
11. ↑ 1 2 Li P. , Allen H. , Banerjee S. , Franklin S. , Herzog L. , Johnston C. , McDowell J. , Paskind M. , Rodman L. , Salfeld J. Möss som saknar IL-1 beta- omvandlande enzym är defekta i produktionen av mogen IL-1 beta och resistenta mot endotoxisk chock.  (engelska)  // Cell. - 1995. - Vol. 80, nej. 3 . - s. 401-411. — PMID 7859282 .
12. ↑ 1 2 3 4 5 LaRock CN , Cookson BT Bränna ner huset: cellulära handlingar under pyroptos.  (engelska)  // PLoS-patogener. - 2013. - Vol. 9, nr. 12 . — P. e1003793. - doi : 10.1371/journal.ppat.1003793 . — PMID 24367258 .
13. ↑ Zamboni DS , Lima-Junior DS Inflammasomer som värdsvar på protozoparasiter.  (engelska)  // Immunologiska recensioner. - 2015. - Vol. 265, nr. 1 . - S. 156-171. - doi : 10.1111/imr.12291 . — PMID 25879291 .
14. ↑ Croker B.A. , Silke J. , Gerlic M. Fight or flight: reglering av akut hematopoiesis genom pyroptos och nekroptos.  (engelska)  // Aktuell åsikt inom hematologi. - 2015. - Vol. 22, nr. 4 . - S. 293-301. - doi : 10.1097/MOH.00000000000000148 . — PMID 26049749 .
15. ↑ Davis BK , Wen H. , Ting JP De inflammasoma NLRs i immunitet, inflammation och associerade sjukdomar.  (engelska)  // Årlig översyn av immunologi. - 2011. - Vol. 29. - P. 707-735. - doi : 10.1146/annurev-immunol-031210-101405 . — PMID 21219188 .
16. ↑ Vandanmagsar B. , Youm YH , Ravussin A. , Galgani JE , Stadler K. , Mynatt RL , Ravussin E. , Stephens JM , Dixit VD . NLRP3-inflammasomen sätter igång fetmainducerad inflammation och insulinresistens.  (engelska)  // Naturmedicin. - 2011. - Vol. 17, nr. 2 . - S. 179-188. - doi : 10.1038/nm.2279 . — PMID 21217695 .
17. ↑ Strovig T. , Henao-Mejia J. , Elinav E. , Flavell R. Inflammasomes in health and disease.  (engelska)  // Nature. - 2012. - Vol. 481, nr. 7381 . - S. 278-286. - doi : 10.1038/nature10759 . — PMID 22258606 .
18. ↑ Neven B. , Prieur AM , Quartier dit Maire P. Cryopyrinopathies: uppdatering om patogenes och behandling.  (engelska)  // Nature clinical practice. Reumatologi. - 2008. - Vol. 4, nr. 9 . - s. 481-489. - doi : 10.1038/ncprheum0874 . — PMID 18665151 .
19. ↑ Church LD , Cook GP , McDermott MF Primer: inflammasomer och interleukin 1beta vid inflammatoriska störningar.  (engelska)  // Nature clinical practice. Reumatologi. - 2008. - Vol. 4, nr. 1 . - S. 34-42. - doi : 10.1038/ncprheum0681 . — PMID 18172447 .
20. ↑ Magna M. , Pisetsky DS Celldödens roll i patogenesen av SLE: Är pyroptos den felande länken?  (engelska)  // Scandinavian journal of immunology. - 2015. - Vol. 82, nr. 3 . - S. 218-224. - doi : 10.1111/sji.12335 . — PMID 26118732 .
21. ↑ Geng Y. , Ma Q. , Liu YN , Peng N. , Yuan FF , Li XG , Li M. , Wu YS , Li BL , Song WB , Zhu W. , Xu WW , Fan J. , Su L. Heatstroke inducerar leverskada via IL-1β och HMGB1-inducerad pyroptos.  (engelska)  // Journal of hepatology. - 2015. - Vol. 63, nr. 3 . - s. 622-633. - doi : 10.1016/j.jhep.2015.04.010 . — PMID 25931416 .
22. ↑ 1 2 Doitsh G. , Galloway NL , Geng X. , Yang Z. , Monroe KM , Zepeda O. , Hunt PW , Hatano H. , Sowinski S. , Muñoz-Arias I. , Greene WC Celldöd genom pyroptos driver CD4 T-cellsutarmning vid HIV-1-infektion.  (engelska)  // Nature. - 2014. - Vol. 505, nr. 7484 . - P. 509-514. - doi : 10.1038/nature12940 . — PMID 24356306 .
23. ↑ Monroe KM , Yang Z. , Johnson JR , Geng X. , Doitsh G. , Krogan NJ , Greene WC IFI16 DNA-sensor krävs för död av lymfoida CD4 T-celler som misslyckas med HIV.  (engelska)  // Science (New York, NY). - 2014. - Vol. 343, nr. 6169 . - s. 428-432. - doi : 10.1126/science.1243640 . — PMID 24356113 .
24. ↑ Kuida K. , Lippke JA , Ku G. , Harding MW , Livingston DJ , Su MS , Flavell RA Ändrad cytokinexport och apoptos hos möss som saknar interleukin-1 beta-omvandlande enzym.  (engelska)  // Science (New York, NY). - 1995. - Vol. 267, nr. 5206 . - P. 2000-2003. — PMID 7535475 .

Litteratur

• Winkler S. , Rösen-Wolff A. Caspase-1: en integrerad regulator av medfödd immunitet.  (engelska)  // Seminarier i immunopatologi. - 2015. - Vol. 37, nr. 4 . - s. 419-427. - doi : 10.1007/s00281-015-0494-4 . — PMID 26059719 .