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" 8 (51) 2013

Back to issue

Роль ДНК-сенсоров в рекогниции патоген-ассоциированных молекулярных структур инфекционных агентов и развитии воспаления. Часть 1. Семейство патогенных Z-ДНК-связывающих протеинов

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

Categories: Pediatrics/Neonatology

Sections: Clinical researches

print version


Summary

В обзоре охарактеризовано молекулярное семейство Z-ДНК-связывающих протеинов и их значение в развитии инфекционного процесса.

В огляді охарактеризоване молекулярне сімейство Z-ДНК-зв’язуючих протеїнів і їх значення в розвитку інфекційного процесу.

The survey characterized molecular family of Z-DNA-binding proteins and their role in the development of infectious process.


Keywords

воспаление, инфекционный процесс, ДНК-сенсоры.

запалення, інфекційний процес, ДНК-сенсори.

inflammation, infectious process, DNA sensors.

Введение

Рекогниция внеядерно расположенных нуклеиновых кислот — один из древнейших механизмов защиты от внутриклеточных инфекционных агентов, который индуцирует преимущественно продукцию IFN I типа, обусловливая развитие многовекторного ответа, ингибирующего репликацию вирусов, ограничивающего диссеминацию инфекционных агентов, индуцирующего лимфоцитарные эффекторные системы [20, 21]. До недавнего времени единственным известным сенсором внеядерно расположенных молекул ДНК являлся TLR9, который участвует в процессах рекогниции естественной В-формы двуцепочечной ДНК (дцДНК) вирусов, бактерий, апоптотических клеток, синтетических В-форм ДНК, предопределяя ответную продукцию IFN I типа макроорганизмом [8]. Однако было установлено, что ответная продукция интерферона на внутриклеточное введение ДНК стимулируется в TLR- и Myd88-дефицитных клетках, что позволило сделать предположение о существовании специфических цитоплазматических рецепторов, распознающих ДНК [23, 24].

Основными цитоплазматическими сенсорами ДНК считают DAI/ZBP1 семейства Z-ДНК-связывающих белков и AIM2 семейства HIN-200 белков (табл. 1).

В настоящее время появились доказательства того, что в распознавании цитоплазматически расположенной ДНК принимают участие и такие протеины, как ДНК-зависимая РНК-полимераза III, LRRFIP1 (leucine rich repeat (in FLII) interacting protein 1), Ku70 (ATP-dependent DNA helicase 2 subunit KU70), DHX9 (DEAH (Asp-Glu-Ala-His) box helicase 9), DHX36 (DEAH (Asp-Glu-Ala-His) box polypeptide 36), DDX41 (DEAD (Asp-Glu-Ala-Asp) box polypeptide 41), cGAS (cGAMP синтетаза — человеческий гомолог E330016A19) (рис. 1) [1, 26].

Семейство Z-ДНК-связывающих протеинов

В 2007 году ранее известный протеин DLM-1-Z-DNA/ZBP-1 был идентифицирован Akinori Takaoka и cоавт. [2] как цитоплазматический рецептор ДНК, участвующий в рекогниции цитозольно локализованной Z-ДНК и в регулировании продукции IFN I типа, в связи с чем он получил новое название — ДНК-зависимый активатор интерферон-регулирующих факторов (DNA-dependent activator of IFN-regulatory factors DAI).

Семейство Z-ДНК-связывающих протеинов образовано четырьмя Z-ДНК-связывающими протеинами (ADAR1, DAI, PKZ и протеином E3L покс­вируса). Три представителя данного семейства (ADAR1, DAI, PKZ) являются непосредственными компонентами системы неспецифической защиты организма. Протеин DAI идентифицируется только у человека, ADAR1 — практически у всех многоклеточных животных и является ингибитором DAI-ассоциированного возбуждения, PKZ — у таких рыб, как рыба-зебра (Danio Renio), серебряный карась (Salmo Salar) [2, 29, 33].

Молекулярная структура протеина DAI

Молекула протеина DAI состоит из двух Z-ДНК-связывающих доменов (Z и Z) (ZBD), домена D3, который является доменом предполагаемого связывания B-формы ДНК, и C-терминального региона, который содержит TID — TBK1-IRF-взаимодействующий домен (рис. 2).

Z домен молекул DAI или ADAR1, представляющий особую подгруппу семейства HTH (helix-turn-helix) доменов, участвующих в рекогниции В-форм ДНК, является субстратом, который непосредственно взаимодействует с Z-формой ДНК. Активация Z-ДНК-связывающих доменов обусловливает индукцию димеризации молекул DAI, в которой определяющую роль играет домен Z [22].

В трех доменах DAI располагаются аминокислотные последовательности, которые напоминают гомотипические RIP-взаимодействующие мотивы (RHIM) [3, 11]. RHIM-подобные мотивы, получившие названия RLR-A, RLR-B и RLR-C, обусловливают взаимодействие DAI с адаптерной молекулой RIP1 [31].

Локализация и экспрессия протеина DAI

DAI высокоэкспрессирован не только в клетках стромальной опухоли, где он впервые был определен, но и в лимфоцитах, макрофагах и других клетках различных тканей и органов. Максимальная экспрессия мPHR DAI отмечается в селезенке, легких, почках и тонком кишечнике (рис. 3).

Экспрессия DAI индуцируется B-ДНК, IFN-стимулирующей ДНК, LPS, IFN, IFN [13].

Протеин DAI локализуется в цитоплазме клеток около эндоплазматического ретикулума в виде диффузно распределенных гранулоподобных образований, ассоциированных со стресс-гранулами и не связанных с какими-либо клеточными органеллами [4, 19]. Гранулы, содержащие DAI, отличаются от процессинговых гранул и стресс-гранул [4].

Лиганды протеина DAI

В отличие от TLR9, который участвует в рекогниции исключительно B-дцДНК, лигандами DAI являются экзогенные или эндогенные B- и Z-формы дцДНК [18]. Молекула ДНК в зависимости от условий может существовать в разных конформационных формах — A-, B-, C-, Z- и других (табл. 2, рис. 4), которые образуют большие полиморфные семейства ДНК. Основная часть ДНК в клетках пребывает в В-форме, которая представляет стандартную уотсон-криковскую молекулярную структуру [12, 28].

Молекула ДНК Z-семейства (Z-, Zi-, Zii- и Z'-ДНК), открытого в 1979 году при исследовании структуры гексануклеотида d(CG), характеризуется левоспиральной конформацией с длиной витка 4,4 нм, на который приходится 12 нуклеотидных пар, и зигзагообразной формой сахарофосфатного остова. Z-форма в отличие от B-формы ДНК высокоиммуногенна. Данная форма присуща богатым на CpG-повторы участкам молекулы дцДНК [2, 7, 17].

Проведенное сравнительное исследование зависимости активации DAI от конформационной формы ДНК показало, что B-форма дцДНК является более мощным стимулятором продукции ­IFN, чем Z-ДНК, но продукция хемокинов Cxcl10 и Ccl5 не зависит от формы ДНК. По мнению авторов, рекогниция DAI разных конформационных типов ДНК выполняется различными молекулярными механизмами, что приводит к определенному распределению силы возбуждения между NF-kB- и IRF-связанными сигнальными путями [3, 8].

Daniel B. Stetson, Ruslan Medzhitov [20] показали, что существует внутриклеточное распознавание ДНК, которое приводит к активации IRF, не возбуждая МАРК и IKK.

Распознавание ДНК протеином DAI

При взаимодействии с ДНК происходит связывание значительного числа молекул DAI с одним отрезком ДНК и мультимеризация DAI. Согласно мнению Zhi Chao Wang и соавт. [18], начальное взаимодействие домена D3 молекулы DAI с дцДНК приводит к конформационному изменению молекулы DAI таким образом, что Z- и Z-связывающие ДНК домены становятся доступными для взаимодействия с молекулой ДНК. Участие в рекогниции трех доменов DAI формирует устойчивый комплекс DAI/ДНК. В последующем мультимеры DAI рекрутируют TBK1 и IRF3. Считается, что DAI является основным сенсором, возбуждение которого обеспечивает продукцию IFN при инфекциях, вызванных герпесвирусом 1-го типа и цитомегаловирусом [3, 9]. DAI-опосредованную продукцию IFN I типа вызывают и бактериальные инфекционные агенты — L.pneumophila [20], Listeria monocytogenes [10], Shigella flexneri, enterophathogenic E.coli [23].

Внутриклеточные сигнальные пути, ассоциированные с протеином DAI

Организация мультимеров DAI является важнейшим компонентом DAI-ассоциированного возбуждения. Экспериментально показано, что формирование димера DAI в условиях отсутствия ДНК приводит к продукции IFN I типа [18]. Активированная DAI формирует тандемный массив вдоль ДНК, c которым лиганд-зависимым способом взаимодействуют: 1) TBK1, индуцирующая фактор транскрипции IRF-3, ведущий к продукции IFN; 2) адаптерная молекула RIP-1, индуцирующая фактор транскрипции NF-kB, возбуждающий продукцию провоспалительных цитокинов (рис. 5) [3, 23].

Существуют данные, которые позволяют предполагать, что в дцДНК-индуцированном возбуждении принимают участие митохондриальные протеины и протеины эндоплазматического ретикулума — ­IPS-1 и STING/MITA [31].

Регуляция активности DAI-ассоциированного возбуждения

В настоящее время идентифицировано два основных протеина, которые участвуют в ингибировании DAI-индуцированного возбуждения: ADAR1; 3'-5'-репарирующая эндонуклеаза 1 (TREX1) [33].

ADAR1 является IFN-индуцибeльным белком, который обладает ДНК-связывающими доменами. У млекопитающих идентифицированы четыре представителя протеинового семейства ADAR — ADAR1, ADAR2, ADAR3, TENR, из которых IFN-индуцибельный синтез характерен для ADAR1. Фермент ADAR1 представлен тремя изоформами — длинной р150 (первичным продуктом трансляции) и двумя его производными — функционально активными короткими изоформами р80, р110. Длинная р150 изоформа ADAR1 состоит из 1226 аминокислотных остатков и характеризуется наличием в N-терминальном регионе нетипичной последовательности ядерного импорта NLS, двух ZBD, трех дц-РНК-связывающих доменов (DRBM) и в С-конце — каталитического домена дезаминазы. Короткая изоформа р80 состоит из 502 аминокислотных остатков дезаминазного региона. Ген, кодирующий ADAR1, расположен на длинном плече хромосомы 1 (1q21.1-21.2). Синтез ADAR1 индуцируется IFN и IFN и дцРНК. Продукция ADAR1 осуществляется преимущественно альвеолярными макрофагами. Ядерный экспорт ADAR1p150 в цитоплазму осуществляется при участии рецептора CMR1, который формирует экспортный комплекс с RanGTP. Особенности строения молекулы длинной формы ADAR1 предопределяют ее локализацию в цитоплазме клетки. Короткая изоформа р80 представляет собой курсирующий из ядра в цитоплазму и обратно белок, блокирование ядерного экспорта которого обусловливает его внутриядерную аккумуляцию [2, 32]. В начале острых инфекционных заболеваний экспрессируется длинная форма ADAR1, которая обладает самым высоким аффинитетом к молекуле РНК [32]. По мере развития инфекционного процесса происходит переключение синтеза длинной формы на синтез короткой р80 изоформы ADAR1, которая накапливается в ядре клетки. Каталитическая активация ADAR1 связана с димеризацией молекулы. Протеин ADAR1, дезаминируя аденозин, осуществляет посттранскрипционную модификацию вирусной РНК по типу A to I (аденозин в иозин), нарушая функционирование вирусных РНК [5, 16, 30]. Также ADAR1 взаимодействует с ядерным фактором NF90, вызывая NF90-опосредованную экспрессию генов [15]. ADAR1, конкурируя с DAI за связь с дцДНК, способствует снижению уровня DAI-ассоциированного возбуждения [18, 31].

Протеин TREX1 относится к группе белков, индуцирующих и связывающих интерферон-стимулирующую ДНК. TREX1 (прежнее название протеина — дезоксирибонуклеаза III) — один из наиболее экспрессируемых клетками организма человека представителей семейства автономных 3'-5'-экзонуклеаз ДНК. Автономные экзонуклеазы, находясь в ядре клетки, осуществляют репарирующую функцию, а при переходе в цитоплазму они разрушают аберрантную ДНК, возникшую при репликации, предупреждая развитие аутоиммунных заболеваний. Показано, что протеин TREX1 является ключевым компонентом регуляции уровня продукции IFN I типа, благодаря которому, по мнению Hideyuki Yanai и соавт. [31], ингибируется избыточный синтез IFN, тем самым предотвращая развитие аутоиммунного процесса при ДНК-индуцированном воспалении. Ген TREX1, расположенный на хромосоме 3 (3p21-14), состоит из единственного экзона и кодирует белок из 314 аминокислотных остатков. Характерной особенностью молекул данного семейства экзонуклеаз является наличие в N-терминальном регионе трех консервативных последовательностей: Exo I, Exo II и Exo III, которые формируют энзиматический сайт, обладающий активностью по отношению к дцДНК и оцДНК (рис. 6) [25].

Способность протеина TREX1 связываться с ДНК обусловливает его ингибирующее действие на DAI-ассоциированное возбуждение. В дополнение к трем экзонуклеазным мотивам протеин TREX1 содержит обогащенную пролиновыми остатками последовательность (спираль PPII) и состоящий из 72 аминокислотных остатков высокогидрофобный С-терминальный домен, который формирует трансмембранную спираль и обеспечивает локализацию протеина TREX1 на эндоплазматическом ретикулуме. Спираль PPII участвует в белково-белковых взаимодействиях с Src гомолог 3, WW и EVH1 доменами [14]. Активация смертельного внутриклеточного пути и действие ДНК-разрушающих веществ обусловливают транслокацию протеина TREX1 в ядро клетки, где он взаимодействует с 3-концом ДНК [25].

У Trex1-нокаутных мышей развивается летальный аутоиммунноподобный воспалительный миокардит, который сопровождается гиперпродукцией IFN I типа [6].


Bibliography

1. Ablasser A., Hornung V. DNA sensing unchained // Cell. Res. — 2013. — Vol. 23, № 5. — P. 585-587.

2. Crystal structure of a junction between two Z-DNA helices / M. de Rosa, D. de Sanctis, A.L. Rosario, M. Archer, A. Rich, A. Athanasiadis, M.A. Carrondo // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. — 2010. — Vol. 107, № 20. — P. 9088-9092.

3. DAI (DLM-1/ZBP1) is a cytosolic DNA sensor and an activator of innate immune response / A. Takaoka, Z. Wang, M.K. Choi, H. Yanai, H. Negishi, T. Ban, Y. Lu, M. Miyagishi, T. Kodama, K. Honda, Y. Ohba, T. Taniguchi // Nature. — 2007. — Vol. 448, № 7152. — P. 501-505.

4. Deigendesch N., Koch-Nolte F., Rothenburg S. ZBP1 subcellular localization and association with stress granules is controlled by its Z-DNA binding domains // Nucleic Acids Res. — 2006. — Vol. 34, № 18. — P. 5007-5020.

5. Farajollahi S., Maas S. Molecular diversity through RNA editing: a balancing act // Trends Genet. — 2010. — Vol. 26, № 5. — P. 221-230.

6. Gene-targeted mice lacking the Trex1 (DNase III) 3`5` DNA exonuclease develop inflammatory myocarditis / M. Morita, G. Stamp, P. Robins, A. Dulic, I. Rosewell, G. Hrivnak, G. Daly, T. Lindahl, D.E. Barnes // Mol. Cell. Biol. — 2004. — Vol. 24, № 15. — P. 6719-6727.

7. Herbert A., Rich A. The biology of left-handed Z-DNA // J. Biol. Chem. — 1996. — Vol. 271, № 20. — P. 11595-11598.

8. Host innate immune receptors and beyond: making sense of microbial infections / K.J. Ishii, S. Koyama, A. Nakagawa, C. Coban, S. Akira // Cell Host. Microbe. — 2008. — Vol. 3, № 6. — P. 352-363.

9. Human cytomegalovirus induces the interferon response via the DNA sensor ZBP1 / V.R. DeFilippis, D. Alvarado, T. Sali, S. Rothenburg, K. Früh // J. Virol. — 2010. — Vol. 84, № 1. — P. 585-598.

10. Innate recognition of bacteria by a macrophage cytosolic surveillance pathway / M. O’Riordan, C.H. Yi, R. Gonzales, K.D. Lee, D.A. Portnoy // Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. — 2002. — Vol. 99, № 21. — P. 3861-13866.

11. Kaiser W.J., Upton J.W., Mocarski E.S. Receptor-interacting protein homotypic interaction motif-dependent control of NF-kB activation via the DNA-dependent activator of IFN regulatory factors // J. Immunol. — 2008. — Vol. 181, № 9. — P. 6427-6434.

12. Kypr J., Kejnovská I., Renciuk D., Vorlícková M. Circular dichroism and conformational polymorphism of DNA // Nucleic Acids Res. — 2009. — Vol. 37, № 6. — P. 1713-1725.

13. Molecular cloning and functional characterization of porcine DNA-dependent activator of IFN-regulatory factors (DAI) / L. Xie, L. Fang, D. Wang, R. Luo, K. Cai, H. Chen, S. Xiao // Dev. Comp. Immunol. — 2010. — Vol. 34, № 3. — P. 293-299.

14. New roles for the major human 3'-5' exonuclease TREX1 in human disease / D. Kavanagh, D. Spitzer, P.H. Kothari, A. Shaikh, M.K. Liszewski, A. Richards, J.P. Atkinson // Cell Cycle. — 2008. — Vol. 7, № 12. — P. 1718-1725.

15. Nie Y., Hammond G. L., Yang J.-H. Double-Stranded RNA Deaminase ADAR1 Increases Host Susceptibility to Virus Infection // J. Virol. — 2007. — Vol. 81, № 2. — Р. 917-923.

16. p150 ADAR1 isoform inVolved in maintenance of HeLa cell proliferation / H. Wang, Z. Hou, Y. Wu, X. Ma, X. Luo // BMC Cancer. — 2006. —Vol. 6, № 1. — P. 282.

17. Phan A.T., Kuryavyi V., Patel D.J. DNA architecture: from G to Z // Curr. Opin. Struct. Biol. — 2006. — Vol. 16, № 3. — P. 288-298.

18. Regulation of innate immune responses by DAI (DLM-1/ZBP1) and other DNA-sensing molecules / Z. Wang, M.K. Choi, T. Ban, H. Yanai, H. Negishi, Y. Lu, T. Tamura, A. Takaoka, K. Nishikura, T. Taniguchi // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. — 2008. — Vol. 105, № 14. — P. 5477-5482.

19. Rothenburg S., Schwartz T., Koch-Nolte F., Haag F. Complex regulation of the human gene for the Z-DNA binding protein DLM-1 // Nucleic Acids Res. — 2002. — Vol. 30, № 4. — P. 993-1000.

20. Stetson D.B., Medzhitov R. Recognition of Cytosolic DNA Activates an IRF3-Dependent Innate Immune Response // Immunity. — 2006. — Vol. 24, № 1. — P. 93-103.

21. Stetson D.B., Ko J.S., Heidmann T., Medzhitov R. Trex1 prevents cell-intrinsic initiation of autoimmunity // Cell. — 2008. — Vol. 134, № 4. — P. 587-598.

22. Takaoka A., Shinohara S . DNA sensors in innate immune system / Uirusu. — 2008 — Vol. 58, № 1. — P. 37-46.

23. Takaoka A., Taniguchi T. Cytosolic DNA recognition for triggering innate immune responses // Adv. Drug. Deliv. Rev. — 2008. — Vol. 60, № 7. — P. 847-857.

24. Takeuchi O., Akira S. Pattern recognition receptors and inflammation // Cell. — 2010. — Vol. 140, № 6. — P. 805-820.

25. The TREX1 double-stranded DNA degradation activity is defective in dominant mutations associated with autoimmune disease / D.A. Lehtinen, S. Harvey, M.J. Mulcahy, T. Hollis, F.W. Perrino // J. Biol. Chem. — 2008. — Vol. 283, № 46. — P. 31649-31656.

26. Theofilopoulos A.N., Kono D.H., Beutler B., Baccala R. Intracellular nucleic acid sensors and autoimmunity // J. Interferon Cytokine Res. — 2011. — Vol. 31, № 12. — P. 867-886.

27. Vilaysane A., Muruve D. A. The innate immune response to DNA // Sem. Immunol. — 2009. — Vol. 21, № 4. — P. 208-214.

28. Wells R.D. Non-B DNA conformations, mutagenesis and disease // Trends Biochem. Sci. — 2007. — Vol. 32, № 8. — P. 271-278.

29. Wilkins C., Gale M. Jr. Recognition of viruses by cytoplasmic sensors // Curr. Opin. Immunol. — 2010. — Vol. 22, № 1. — P. 41-47.

30. Wong S.K., Lazinski D.W. Replicating hepatitis delta virus RNA is edited in the nucleus by the small form of ADAR1 // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. — 2002. — Vol. 99, № 23. — P. 15118-15123.

31. Yanai H., Savitsky D., Tamura T., Taniguchi T. Regulation of the cytosolic DNA-sensing system in innate immunity: a current view // Curr. Opin. Immunol. — 2009. — Vol. 21, № 1. — P. 17-22.

32. Yang H., Young D. W., Gusovsky F., Chow J. C. Cellular events mediated by lipopolysaccharide-stimulated toll-like receptor 4. MD-2 is required for activation of mitogen-activated protein kinases and Elk-1 // J. Biol. Chem. — 2000. — Vol. 275, № 27. — P. 20861-20866.

33. Z-DNA binding proteins as targets for structure-based virtual screening / D. Kim, Y.H. Lee, H.Y. Hwang, K.K. Kim, H.J. Park // Curr. Drug Targets. — 2010. — Vol. 11, № 3. — P. 335-344.

Similar articles

Роль ДНК-сенсоров в рекогниции патоген-ассоциированных молекулярных структур инфекционных патогенных агентов и развитии воспаления. Часть 2. Семейство HIN-200 протеинов
Authors: Абатуров А.Е. - ГУ «Днепропетровская медицинская академия Министерства здравоохранения Украины; Волосовец А.П. - Национальный медицинский университет им. А.А. Богомольца, г. Киев; Юлиш Е.И. - Донецкий национальный медицинский университет им. М. Горького
"Child`s Health" 1 (52) 2014
Date: 2014.04.07
Categories: Pediatrics/Neonatology
Sections: Clinical researches
Authors: А.Е. Абатуров, Днепропетровская государственная медицинская академия; Е.И. Юлиш, Донецкий национальный медицинский университет им. М. Горького
"Child`s Health" 6(9) 2007
Date: 2008.07.25
Categories: Pediatrics/Neonatology, Immunology
Sections: Specialist manual
Роль NOD-подобных рецепторов в рекогниции патоген-ассоциированных молекулярных структур инфекционных патогенных агентов и развитии воспаления. Часть 3б. Протеины NLR семейства, участвующие в активации ASC-ассоциированного пути возбуждения. Инфламмасомы
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
"Child`s Health" 4 (47) 2013
Date: 2013.07.17
Categories: Pediatrics/Neonatology
Sections: Specialist manual
Authors: А.Е. Абатуров, Днепропетровская государственная медицинская академия; Е.И. Юлиш, Донецкий национальный медицинский университет им. М. Горького
"Child`s Health" 5(8) 2007
Date: 2008.07.14
Categories: Pediatrics/Neonatology, Immunology
Sections: Specialist manual

Back to issue