Інформація призначена тільки для фахівців сфери охорони здоров'я, осіб,
які мають вищу або середню спеціальну медичну освіту.

Підтвердіть, що Ви є фахівцем у сфері охорони здоров'я.

"Child`s Health" 2 (45) 2013

Back to issue

Роль NOD-подобных рецепторов в рекогниции патоген-ассоциированных молекулярных структур инфекционных патогенных агентов и развитии воспаления. Часть 2. Протеины NLR семейства, участвующие в активации RIP2-ассоциированного пути возбуждения

Authors: Абатуров А.Е.1, Волосовец А.П.2, Юлиш Е.И.3, 1 ГУ «Днепропетровская медицинская академия Министерства здравоохранения Украины», 2 Национальный медицинский университет им. А.А. Богомольца, г. Киев, 3 Донецкий национальный медицинский университет им. М. Горького

Categories: Infectious diseases, Pediatrics/Neonatology

Sections: Specialist manual

print version


Summary

В обзоре рассмотрено значение NLR (NLRC1/NOD1 и NLRC2/NOD2) в распознавании PAMP бактериальных агентов.

В огляді представлено значення NLR (NLRC1/NOD1 і NLRC2/NOD2) в розпізнаванні PAMP бактеріальних агентів.

The review deals with the value of NLR (NLRC1/NOD1 and NLRC2/NOD2) in recognition of PAMP bacterial agents.


Keywords

воспаление, инфекционный процесс, NOD-подобные рецепторы.

запалення, інфекційний процес, NOD-подібні рецептори.

inflammation, infection process, NOD-like receptors.

Введение

Первоначально участие NOD-подобных рецепторов (NLR) в защитных реакциях на проникновение патогенов было обнаружено у растений [38]. Однако и до настоящего времени нет прямых доказательств физического взаимодействия NLR с патоген-ассоциированными молекулярными структурами (РАМР) инфекционных агентов. NLR участвуют во внутриклеточной рекогниции РАМР различных бактериальных инфекционных агентов (табл. 1).

Протеины семейства NLR в цитоплазме неиндуцированных клеток находятся в неактивном состоянии и не вступают в межмолекулярные взаимодействия [10]. Считают, что у большинства NLR взаимодействие с РАМР приводит к отсечению C-терминального домена LRR, что обусловливает возбуждение интрадомена рецепторной молекулы. Однако в настоящее время еще недостаточно доказательств физического взаимодействия NLR с предполагаемыми лигандами. Не исключено, что активация протеинов NLR бактериальными РАМР опосредована неидентифицированными молекулярными структурами [7]. Взаимодействие NLR с проникшими в цитоплазму клетки РАМР приводит к возбуждению внутриклеточных сигнальных путей, основными из которых являются RIP2-ассоциированный путь, ведущий к активации фактора транскрипции NF-kB (NLRC1/NOD1 и NLRC2/NOD2), ASC-ассоциированный путь, обусловливающий активацию каспазы-1 (NLRC4, NLRP3 и NLRP1), а также пути, стимулирующие развитие аутофагии (NLRC1/NOD1, NLRC2/NOD2, NLRC4) и ведущие к смерти клетки (NLRC4, NLRP3 и NLRP1) [6, 18, 34, 42].

Протеины NLR семейства, участвующие в активации RIP2-ассоциированного пути возбуждения

Возбуждение NOD-подобных протеинов субсемейства CARD (NLRC1/NOD1 и NLRC2/NOD2), первых представителей семейства NLR, у которых была обнаружена способность к рекогниции внутриклеточно расположенных РАМР бактериальных агентов, приводит к индукции RIP2-ассоциированного сигнального пути [14]. Протеин NLRC1/NOD1 состоит из 953 аминокислотных остатков и содержит в N-конце CARD, в центральном регионе — NACHT-NAD и в C-конце — 10 повторов LRR. Протеин NLRC2/NOD2 состоит из 1040 аминокислотных остатков и содержит в N-конце два CARD, в центральном регионе — NACHT-NAD и в C-конце — 10 повторов LRR. Протеины NLRC1/NOD1 экспрессируются практически во всех клетках организма, а NLRC2/NOD2 — в макрофагах, дендритных клетках (DC), нейтрофилах, кератиноцитах, ацидофильных энтероцитах слизистой оболочки кишечника и эпителиоцитах респираторного тракта, эндотелиоцитах. Экспрессия NLRC1/NOD1 преимущественно конститутивная, а NLRC2/NOD2 — индуцибельная. Индукция экспрессии протеинов NOD преимущественно связана с действием РАМР сингенной кишечной флоры. Индуцирующими факторами продукции NLRC2/NOD2 также являются IFN-g и TNF-a. Белки NLRC1/NOD1 и NLRC2/NOD2 находятся не только в цитоплазматическом континууме клетки, но могут быть ассоциированы и с цитолеммой клетки [25, 42]. Так, скопление протеина NLRC1/NOD1 и субъединицы IKKg комплекса IKK, критической для активации фактора транскрипции NF-kB, было обнаружено на цитоплазматической мембране клетки в области взаимодействия с проникающей в клетку бактерией [41].

Активация протеинов NLRC связана с появлением структурных компонентов бактериального пептидогликана (PGN) в цитоплазматическом пространстве клетки. Появление фрагментов PGN в цитоплазме клетки обусловлено процессом фагоцитоза. Структурные компоненты PGN бактериальных стенок высвобождаются под влиянием бактериальных эндогенных гидролаз или гидролаз макроорганизма. Фрагменты PGN из фагосом клетки частично перемещаются в цитоплазму при помощи специализированного олигопептидного транспортера SLC15A4. Другие механизмы перемещения фрагментов PGN из фагосом в цитоплазму клетки до настоящего времени не идентифицированы. Активация NLRC1/NOD1 ассоциирована с взаимодействием с диаминопимелиновой кислотой (DAP) — iE-DAP (дипептид g-D-Glu-meso-diaminopimelic acid), TriDAP, mTriDAP; NLRC2/NOD2 с мурамилдипептидом (muramyl dipeptide MDP — N-acetylmuramyl-l-alanyl-d-isoglutamine) (рис. 1) [5, 19, 24, 35]. Мышиный Nod1 также участвует в рекогниции трахеального цитотоксина (TCT) Bordetella pertussis. Молекулярная структура трахеального цитотоксина соответствует DAP-содержащему мурамилдипептиду GM-L-Ala-D-Glu-mesoDAP-D-Ala [28]. Специфичность распознавания NLRC протеинами крайне высока и распространяется в том числе на стереоизомерический уровень: NLRC2/NOD2 реагирует исключительно на LD энантиомеры MDP, игнорируя MDPDD (N-acetylmuramyl-d-alanyl-d-isoglutamine) и MDPLL (N-acetylmuramyl-l-alanyl-l-isoglutamine) энантиомеры [12, 30, 31]. Протеины NLRC распознают iE-DAP и MDP при очень низких концентрациях дериватов PGN, которые не в состоянии активировать TLR [9, 44].

Присутствие в пептидогликане MDP характерно практически для всех грамположительных и грам­отрицательных бактерий [24], наличие iE-DAP — для большинства грамотрицательных бактерий и для таких грамположительных бактерий, как Listeria monocytogenes и Bacillus subtilis [2, 30]. Проникновение во внутриклеточное пространство MDP может быть обусловлено функционированием мембранного пептидного транспортера hPepT1 и/или процессом фагоцитоза бактерий. Дипептид iE-DAP попадает в клетку при помощи системы бактериальной секреции IV типа [11, 13, 16]. NLRC1/NOD1 участвует в рекогниции РАМР Escherichia coli, Shigella flexneri, Pseudomonas aeruginosa, Chlamydia species, Campylobacter jejuni, Haemophilus influenzae, Helicobacter pylori и Listeria monocytogenes; NLRC2/NOD2 — в распознавании РАМР Listeria monocytogenes, Mycobacterium tuberculosis, Streptococcus pneumonia, Salmonella enterica [15, 20, 21, 29, 33].

Активация NLRC1/NOD1 и NLRC2/NOD2 приводит к их олигомеризации через CARD-CARD взаимодействие и к рекрутированию киназы RIP2, формируя нодосому [22, 23]. В 2002 году Kobayashi и соавт. [36] продемонстрировали ключевую роль киназы RIP2 во внутриклеточном сигнальном NOD-ассоциированном пути, показав, что эмбриональные фибробласты, полученные от Rip2-дефицитных мышей, неспособны активировать NF-kB в ответ на введение агонистов NLRC1/NOD1 и NLRC2/NOD2. Молекулярные образования 2(NLRC1/NOD1)-RIP2 или 2(NLRC2/NOD2)-RIP2 возбуждают активируемую трансформирующим фактором роста b (TGFb) киназу (TAK1) и активируют IKKg опосредованно, через К-63-сопряженное полиубиквитинирование. Цитоплазаматически расположенная активная киназа TAK1 фосфорилирует ингибиторную субъединицу IKKg IKK, вследствие чего IKK приобретает активную димерную форму IKKa/IKKb. Возбужденная IKK фосфорилирует ингибиторные IkB-белки, освобождая ядерный фактор транскрипции NF-kB. В результате этого образуется активный фактор транскрипции гетеродимер p65/p50, который, импортируясь в ядро клетки, индуцирует транскрипцию генов, большинство из которых являются основными участниками регуляции воспалительного процесса, неспецифических и специфических механизмов защиты [1, 4, 26, 37, 45]. Активация протеинов NLRC1/NOD1 и NLRC2/NOD2 приводит к возбуждению митоген-активируемых протеинкиназ (MAPK) p38, экстрацеллюлярных сигнал-регулируемых киназ (ERK 1/2) и JNK (c-Jun N-terminal kinases) при участии адаптерной молекулы CARD9 [15].

Возбуждение NLRC1/NOD1 или NLRC2/NOD2 в DC, макрофагах и моноцитах приводит к продукции провоспалительных цитокинов и хемокинов (TNF-a, IL-1F2/IL-1b, IL-1F4/IL-18, IL-12p40, IL-12p70, IL-6, CXCL8/IL-8, CXCL1/KC, CCL5/RANTES), монооксида азота, костимулирующих молекул (CD40, CD80 и CD86), молекул адгезии; в эпителиальных клетках — к продукции TNF-a, IL-6, CXCL8/IL-8, CXCL2/MIP-2 (macrophage inflammatory protein-2), CCL2/MCP-1, CXCL5/ENA-78, антибактериальных пептидов, в частности a-дефенсинов и b-дефенсина-2 (рис. 2). Таким образом, NOD протеины индуцируют развитие воспалительного процесса [10, 33]. Причем активация NLRC1/NOD1 приводит к продукции преимущественно TNF-a и IL-6, а возбуждение NLRC2/NOD2 обусловливает преимущественно синтез TNF-a и IL-1b [Kędziora S., Słotwiński R., 2009]. Alexandra Grubman и соавт. [40] показали, что NLRC1/NOD1 играет одну из ключевых ролей в эрадикации Helicobacter pylori, регулируя продукцию антибактериального пептида b-дефенсина-2. Также протеин NLRC1/NOD1, индуцируя продукцию хемокина CCL20, способствует росту лимфатической ткани кишечника. По мнению Tanja Petnicki-Ocwieja и соавт. [32], NLRC2/NOD2 является молекулярным фактором, определяющим взаимоотношения макроорганизма и бактериальных комменсалов его кишечника. Эубиотическая флора через неизвестные механизмы усиливает экспрессию протеина NLRC2/NOD2, который, в свою очередь, активирует продукцию b-дефенсина-2, способствующего эрадикации патогенной флоры кишечника. Laurent-Herve Perez и соавт. [8] показали, что LRR домен протеина NLRC2/NOD2 обладает непосредственной антибактериальной активностью против патогенных микробов.

Основными регуляторами активации RIP2-ассоциированного пути являются CARD-содержащий протеин 6 (CARD6), TRIP-6, GRIM-19, Erbin, Rac1, Duox2, GEF-H1. CARD6 усиливает RIP2-ассоциированное возбуждение, взаимодействуя с NLRC1/NOD1, NLRC2/NOD2, RIP2, и индуцирует NF-kB через Bcl10 и Malt-1. LIM-домен, содержащий протеин TRIP-6, потенцирует NLRC1/NOD1-ассоциированное возбуждение, вероятно взаимодействуя с RIP2. Селективно взаимодействующий с NLRC2/NOD2 протеин GRIM-19, гомологичный NADPH дегидрогеназе, является необходимым компонентом возбуждения фактора транскрипции NF-kB [33]. Показано, что белки NLRC1/NOD1 и NLRC2/NOD2 физически взаимодействуют с мембраносвязанными протеинами GEF-H1, Erbin, Rac1 и Duox2. Мембраносвязанные белки Erbin, Rac1 и Duox2 ингибируют функциональную активность NLRC2/NOD2, а протеин GEF-H1 способствует активации NLRC1/NOD1 [33, 34].


Bibliography

1. Abbott D.W., Wilkins A., Asara J.M., Cantley L.C. The Crohn’s disease protein, NOD2, requires RIP2 in order to induce ubiquitinylation of a novel site on NEMO // Curr. Biol. — 2004. — Vol. 14, № 24. — P. 2217-2227.

2. An essential role for NOD1 in host recognition of bacterial peptidoglycan containing diaminopimelic acid / M. Chamaillard, M. Hashimoto, Y. Horie et al. // Nat. Immunol. — 2003. — Vol. 4, № 7. — P. 702.

3. Brodsky I.E., Monack D. NLR-mediated control of inflammasome assembly in the host response against bacterial pathogens // Semin. Immunol. — 2009. — Vol. 21, № 4. — P. 199-207.

4. Burns K.A., Martinon F. Inflammatory diseases: is ubiquitinated NEMO at the hub? // Curr. Biol. — 2004. — Vol. 14, № 24. — P. R1040-1042.

5. Characterization of natural human nucleotide-binding oligomerization domain protein 1 (NOD1) ligands from bacterial culture supernatant for elucidation of immune modulators in the environment / A.R. Pradipta, Y. Fujimoto, M. Hasegawa, N. Inohara, K. Fukase // J. Biol. Chem. — 2010. — Vol. 285, № 31. — P. 23607-23613.

6. Chen G., Shaw M.H., Kim Y.G., Nunez G. NOD-like receptors: role in innate immunity and inflammatory disease // Ann. Rev. Pathol. — 2009. — Vol. 4. — P. 365-398.

7. Crystal structure of the Nod1 caspase activation and recruitment domain / N.P. Coussens, J.C. Mowers, C. McDonald, G. Nunez, S. Ramaswamy // Biochem. Biophys. Res. Commun. — 2007. — Vol. 353, № 1. — P. 1-5.

8. Direct bacterial killing in vitro by recombinant Nod2 is compromised by Crohn’s disease-associated mutations / L.H. Perez, M. Butler, T. Creasey, J. Dzink-Fox, J. Gounarides, S. Petit, A. Ropenga, N. Ryder, K. Smith, P. Smith, S.J. Parkinson // PLoS One. — 2010. — Vol. 5, № 6. — P. e10915.

9. Dziarski R., Gupta D. Staphylococcus aureus peptidoglycan is a Toll-like receptor 2 activator: a re-evaluation // Infect. Immun. — 2005. — Vol. 73. — P. 5212-5216.

10. Franchi L., Warner N., Viani K., Nunez G. Function of Nod-like receptors in microbial recognition and host defense// Immunol. Rev. — 2009. — Vol. 227, № 1. — P. 106-128.

11. Herskovits A.A., Auerbuch V., Portnoy D.A. Bacterial ligands generated in a phagosome are targets of the cytosolic innate immune system // PLoS Pathog. — 2007. — Vol. 3, № 3. — P. e51.

12. Host recognition of bacterial muramyl dipeptide mediated through NOD2. Implications for Crohn’s disease / N. Inohara, Y. Ogura, A. Fontalba, O. Gutierrez, F. Pons, J. Crespo, K. Fukase, S. Inamura, S. Kusumoto, M. Hashimoto, S.J. Foster, A.P. Moran, J.L. Fernandez-Luna, G. Nunez // J. Biol. Chem. — 2003. — Vol. 278, № 8. — P. 5509-5512.

13. hPepT1 selectively transports muramyl dipeptide but not Nod1-activating muramyl peptides / M.G. Ismair, S.R. Vavricka, G.A. Kullak-Ublick, M. Fried, D. Mengin-Lecreulx, S.E. Girardin / Can. J. Physiol. Pharmacol. — 2006. — Vol. 84, № 12. — P. 1313-1319.

14. Intracellular NOD-like receptors in innate immunity, infection and disease / L. Franchi, J.-H. Park, M.H. Shaw, N. Marina-Garcia, G. Chen, Y.-G. Kim, G. Nunez // Cell. Microbiol. — 2007. — Vol. 10, № 1. — P. 1-8.

15. Kanneganti T.D., Lamkanfi M., Nunez G. Intracellular NOD-like receptors in host defense and disease // Immunity. — 2007. — Vol. 27, № 4. — P. 549-559.

16. Kawai T., Akira S. The roles of TLRs, RLRs and NLRs in pathogen recognition // Internat. Immunol. — 2009. — Vol. 21, № 4.— P. 317-337.

17. Kędziora S., Słotwiński R. Molekularne mechanizmy towarzyszące rozpoznawaniu patogenu przez receptory wrodzonej odporności // Postepy Hig. Med. Dosw. (online). — 2009. — Vol. 63. — P. 30-38.

18. Kufer T.A. Signal transduction pathways used by NLR-type innate immune receptors // Mol. Biosyst. — 2008. — Vol. 4, № 5. — P. 380-386.

19. Kusumoto S., Fukase K., Shiba T. Key structures of bacterial peptidoglycan and lipopolysaccharide triggering the innate immune system of higher animals: chemical synthesis and functional studies // Proc. Jpn Acad. Ser. B Phys. Biol. Sci. — 2010. — Vol. 86, № 4. — P. 322-337.

20. Le Bourhis L., Benko S., Girardin S.E. Nod1 and Nod2 in innate immunity and human inflammatory disorders // Biochemical Society Transactions. — 2007. — Vol. 35, № 6. — P. 1479.

21. Liu X., Chauhan V.S., Young A.B., Marriott I. NOD2 mediates inflammatory responses of primary murine glia to Streptococcus pneumonia // Glia. — 2010. — Vol. 58, № 7. — P. 839-847.

22. Martinon F., Agostini L., Meylan E., Tschopp J. Identification of bacterial muramyl dipeptide as activator of the NALP3/cryopyrin inflammasome // Curr. Biol. — 2004. — Vol. 14. — P. 1929-1934.

23. Mathews R.J., Sprakesm M.B., McDermott M.F. NOD-like receptors and inflammation // Arthritis Research Therapy. — 2008. — Vol. 10, № 6. — P. 228-242.

24. McDonald C., Inohara N., Nunez G. Peptidoglycan signaling in innate immunity and inflammatory disease // J. Biol. Chem. — 2005. — Vol. 280, № 21. — P. 20177-20180.

25. Membrane recruitment of NOD2 in intestinal epithelial cells is essential for nuclear factor-{kappa}B activation in muramyl dipeptide recognition / N. Barnich, J.E. Aguirre, H.C. Reinecker, R. Xavier, D.K. Podolsky // J. Cell Biol. — 2005. — Vol. 170, № 1. — P. 21-26.

26. Molecular mechanisms involved in the regulation of cytokine production by muramyl dipeptide / M. Windheim, C. Lang, M. Peggie, L.A. Plater, P. Cohen // Biochem. J. — 2007. — Vol. 404, № 2. — P. 179-190.

27. Monack D.M., Navarre W.W., Falkow S. Salmonella-induced macrophage death: the role of caspase-1 in death and inflammation // Microbes Infect. — 2001. — Vol. 3, № 14–15. — P. 1201-1212.

28. Murine Nod1 but not its human orthologue mediates innate immune detection of tracheal cytotoxin / J.G. Magalhaes, D.J. Philpott, M.A. Nahori, M. Jehanno, J. Fritz, L.L. Bourhis, J. Viala, J.P. Hugot, M. Giovannini, J. Bertin, M. Lepoivre, D. Mengin-Lecreulx, P.J. Sansonetti, S.E. Girardin // EMBO Rep. — 2005. — Vol. 6, № 12. — P. 1201-1207.

29. Necchi V., Sommi P., Ricci V., Solcia E. In vivo accumulation of Helicobacter pylori products, NOD1, ubiquitinated proteins and proteasome in a novel cytoplasmic structure // PLoS One. — 2010. — Vol. 5, № 3. — P. e9716.

30. Nod1 detects a unique muropeptide from gram-negative bacterial peptidoglycan / S.E. Girardin, I.G. Boneca, L.A. Carneiro, A. Antignac, M. Jehanno, J. Viala, K. Tedin, M.K. Taha, A. La­bigne, U. Zahringer et al. // Science. — 2003. — Vol. 30, № 5625. — P. 1584-1587.

31. Nod2 is a general sensor of peptidoglycan through muramyl dipeptide (MDP) detection / S.E. Girardin, I.G. Boneca, J. Viala, M. Chamaillard, A. Labigne, G. Thomas, D.J. Philpott, P.J. Sansonetti // J. Biol. Chem. — 2003. — Vol. 278, № 11. — P. 8869-8872.

32. Nod2 is required for the regulation of commensal microbiota in the intestine / T. Petnicki-Ocwieja, T. Hrncir, Y.J. Liu, A. Biswas, T. Hudcovic, H. Tlaskalova-Hogenova, K.S. Kobayashi // Proc. Natl Acad. Sci. USA. — 2009. — Vol. 106, № 37. — P. 15813-15818.

33. Nod-like proteins in inflammation and disease / L.A. Carneiro, J.G. Magalhaes, I. Tattoli, D.J. Philpott, L.H. Travassos // J. Pathol. — 2008. — Vol. 214, № 2. — P. 136-148.

34. Philpott D.J., Girardin S.E. Nod-like receptors: sentinels at host membranes // Current Opinion in Immunology. — 2010. — Vol. 22, № 4. — P. 1-7.

35. Recognition of peptidoglycan from the microbiota by Nod1 enhances systemic innate immunity / T.B. Clarke, K.M. Davis, E.S. Lysenko, A.Y. Zhou, Y. Yu, J.N. Weiser // Nat. Med. — 2010. — Vol. 16, № 2. — P. 228-231.

36. RICK/Rip2/CARDIAK mediates signalling for receptors of the innate and adaptive immune systems / K. Kobayashi, N. Inohara, L.D. Hernandez, J.E. Galan, G. Nunez, C.A. Janeway, R. Medzhitov, R.A. Flavell // Nature. — 2002. — Vol. 416, № 6877. — P. 194-199.

37. Shaw M.H., Reimer T., Kim Y.G., Nunez G. NOD-like receptors (NLRs): bona fide intracellular microbial sensors // Curr. Opin. Immunol. — 2008. — Vol. 20, № 4. — P. 377-382.

38. Staskawicz B. J. Genetics of plant-pathogen interactions specifying plant disease resistance // Plant Physiol. — 2001. — Vol. 125, № 1. — P. 73-76.

39. Stehlik C., Dorfleutner A. COPs and POPs: modulators of inflammasome activity // J. Immunol. — 2007. — Vol. 179, № 12. — P. 7993-7998.

40. The innate immune molecule, NOD1, regulates direct killing of Helicobacter pylori by antimicrobial peptides / A. Grubman, M. Kaparakis, J. Viala, C. Allison, L. Badea, A. Karrar, I.G. Bo­neca, L. Le Bourhis, S. Reeve, I.A. Smith, E.L. Hartland, D.J. Philpott, R.L. Ferrero // Cell Microbiol. — 2010. — Vol. 12, № 5. — P. 626-639.

41. The NOD2-RICK complex signals from the plasma membrane / P. Lecine, S. Esmiol, J.Y. Metais, C. Nicoletti, C. Nourry, C. McDonald, G. Nunez, J.P. Hugot, J.P. Borg, V. Ollendorff // J. Biol. Chem. — 2007. — Vol. 282, № 20. — P. 5197-15207.

42. Wilmanski J.M., Petnicki-Ocwieja T., Kobayashi K.S. NLR proteins: integral members of innate immunity and mediators of inflammatory diseases // J. Leukoc. Biol. — 2008. — Vol. 83, № 1. — P. 13-30.

44. Xiang M., Fan J. Pattern recognition receptor-dependent mechanisms of acute lung injury // Mol. Med. — 2010. — Vol. 16, № 1–2. — P. 69-82.

45. Yu H.B., Finlay B.B. The caspase-1 inflammasome: a pilot of innate immune responses // Cell Host. Microbe. — 2008. — Vol. 4, № 3. — P. 198-208.


Back to issue