מֵידָע

האם לאלרגנים יש דמיון מבני לפתוגנים?

האם לאלרגנים יש דמיון מבני לפתוגנים?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

ההסבר הפופולרי המקובל לאלרגיות הוא שמערכת החיסון מבלבלת בין אלרגנים לפתוגנים ומגיבה אליהם ככאלה. האם יש טעם בהסבר זה? אם כן, הייתי מצפה שניתן לחזות אילו חלבונים יהיו אלרגנים על ידי הדמיון המבני שלהם לפתוגנים. האם זה? אם לא, כיצד עוד נוכל להסביר אילו חלבונים הם אלרגנים ואילו לא?


ביולוגיה 171

בסוף פרק זה תוכל לבצע את הפעולות הבאות:

  • תאר את השלד
  • השווה את התפקידים של מיקרופילמנטים, חוטי ביניים ומיקרוטובולים
  • השווה וניגוד ריסים ודגלים
  • סכמו את ההבדלים בין המרכיבים של תאים פרוקריוטים, תאי בעלי חיים ותאי צמחים

אם היית מסיר את כל האברונים מהתא, האם קרום הפלזמה והציטופלזמה יהיו המרכיבים היחידים שנותרו? לא. בתוך הציטופלזמה, עדיין יהיו יונים ומולקולות אורגניות, בתוספת רשת של סיבי חלבון שעוזרים לשמור על צורת התא, לאבטח כמה אברונים במיקומים ספציפיים, לאפשר לציטופלזמה ולשלפוחיות לנוע בתוך התא, ולאפשר לתאים בתוך אורגניזמים רב-תאיים לנוע. במשותף, מדענים מכנים את רשת סיבי החלבון הזו בשם שלד. ישנם שלושה סוגים של סיבים בתוך השלד הציטוניים: מיקרופילמנטים, חוטי ביניים ומיקרוטובולים ((איור)). כאן, נבחן כל אחד מהם.


מיקרופילמנטים

מתוך שלושת סוגי סיבי החלבון שבציטוסלטון, המיקרופילמנטים הם הצרים ביותר. הם מתפקדים בתנועה הסלולרית, קוטרם כ -7 ננומטר, והם מורכבים משני גדילים שזורים בחלבון כדוריים, אותם אנו מכנים אקטין ((איור)). מסיבה זו, אנו קוראים גם מיקרופילמנטים אקטין נימים.


ATP מפעילה את האקטין להרכיב את צורתו החוטית, המשמשת מסלול לתנועה של חלבון מוטורי שאנו מכנים מיוזין. זה מאפשר לאקטין לעסוק באירועים סלולאריים הדורשים תנועה, כגון חלוקת תאים בתאים אוקריוטים והזרמה ציטופלסמית, שהיא התנועה המעגלית של הציטופלזמה של התא בתאי הצמחים. אקטין ומיוזין נמצאים בשפע בתאי השריר. כאשר חוטי האקטין והמיוזין שלך מחליקים זה על פני זה, השרירים שלך מתכווצים.

מיקרופילמנטים גם מספקים קשיחות וצורה מסוימים לתא. הם יכולים לבצע פוליפוליזציה (פירוק) ורפורמה במהירות, ובכך לאפשר לתא לשנות את צורתו ולנוע. תאי דם לבנים (התאים הנלחמים בזיהום של הגוף שלך) מנצלים היטב את היכולת הזו. הם יכולים לעבור לאתר זיהום ולפגוז את הפתוגן.

כדי לראות דוגמה של תאי דם לבנים בפעולה, צפו בתאי דם לבנים רודפים אחרי חיידקים תוך פרק זמן קצר של התא לוכד שני חיידקים. זה בולע אחד ואז עובר לשני.

חוטי ביניים

מספר גדילים של חלבונים סיביים הפצועים יחד מהווים נימי ביניים ((איור)). יסודות ציטו-שלד מקבלים את שמם מהעובדה שהקוטר שלהם, 8 עד 10 ננומטר, הוא בין אלו של מיקרופילמנטים ומיקרוטובולים.


לנימים ביניים אין תפקיד בתנועת התא. תפקידם מבני בלבד. הם נושאים מתח, ובכך שומרים על צורת התא, ומעגנים את הגרעין ואברונים אחרים במקומם. (איור) מראה כיצד חוטי ביניים יוצרים פיגום תומך בתוך התא.

חוטי הביניים הם הקבוצה המגוונת ביותר של יסודות ציטושלד. מספר סוגי חלבון סיביים נמצאים בחוטי הביניים. אתה כנראה מכיר את הקרטין, החלבון הסיבי המחזק את השיער, הציפורניים ואת העור האפידרמיס.

מיקרוטובולים

כפי שמרמז שמם, מיקרוטובולים הם צינורות חלולים קטנים. דימרים מפולימרים של α-tubulin ו- β-tubulin, שני חלבונים כדוריים, מהווים את קירות המיקרו-צינורית (איור). עם קוטר של כ -25 ננומטר, המיקרוטובולים הינם רכיבים רחבים ביותר. הם עוזרים לתא להתנגד לדחיסה, מספקים מסלול לאורכו שלפוחיות עוברות בתא, ומושכות כרומוזומים משוכפלים לקצוות מנוגדים של תא מתחלק. כמו מיקרופילמנטים, מיקרוטובולים יכולים להתפרק ולהתפרק במהירות.


מיקרו -צינורות הם גם המרכיבים המבניים של flagella, cilia ו- centrioles (האחרונים הם שני הגופים בניצב). בתאי בעלי חיים, הצנטרוזום הוא המרכז לארגון המיקרוטובוליות. בתאים אוקריוטים, flagella ו cilia שונים למדי מבחינה מבנית ממקביליהם בפרוקריוטים, כפי שנדון להלן.

פלגלה וסיליה

הדגלונים (יחיד = פלגלום) הם מבנים ארוכים דמויי שיער המשתרעים מממברנת הפלזמה ומאפשרים לתא שלם לנוע (למשל, זרע, יוגלנה, וכמה פרוקריוטים). כאשר הוא קיים, לתא יש רק flagellum אחד או כמה flagella. עם זאת, כאשר קיימים cilia (יחיד = cilium), רבים מהם משתרעים לאורך כל קרום הפלזמה. הם מבנים קצרים דמויי שיער המזיזים תאים שלמים (כגון paramecia) או חומרים לאורך המשטח החיצוני של התא (לדוגמה, צלעות התאים המרופדות את החצוצרות המזיזות את הביצית לכיוון הרחם, או ציליקה המקיפה את תאים של דרכי הנשימה הלוכדים חומר חלקיקים ומניעים אותו לכיוון הנחיריים שלך.)

למרות ההבדלים באורך ובמספר, flagella ו cilia חולקים סידור מבני משותף של מיקרו -צינורות הנקרא "מערך 9 + 2". זהו שם מתאים מכיוון שדגל או צלייה בודדת עשויים מטבעת של תשע כפולות מיקרו-צינוריות, המקיפות כפולת מיקרו-צינוריות בודדת במרכז ((איור)).


השלמת כעת סקר רחב של רכיבי תאים פרוקריוטים ואיקריוטים. לסיכום של רכיבים סלולריים בתאים פרוקריוטים ואיקריוטים, ראה (איור).

רכיבים של תאים פרוקריוטים ואיקריוטים
רכיב התא פוּנקצִיָה קיים בפרוקריוטים? קיים בתאי בעלי חיים? קיים בתאי צמחים?
קרום פלזמה הפרדת התא מהסביבה החיצונית שולטת במעבר מולקולות אורגניות, יונים, מים, חמצן ופסולת לתא ומחוצה לו. כן כן כן
ציטופלזמה מספק לחץ טורגור לתאים צמחיים כנוזל בתוך אתר הוואקו המרכזי של מדיום תגובות מטבוליות רבות בו נמצאות אברונים. כן כן כן
גרעין אזור חשוך בתוך הגרעין שבו מסונתזים יחידות משנה ריבוזומליות. לא כן כן
גַרעִין אברון תא המכיל DNA ומכוון סינתזה של ריבוזומים וחלבונים לא כן כן
ריבוזומים סינתזת חלבון כן כן כן
מיטוכונדריה ייצור ATP/נשימה תאית לא כן כן
פרוקסיסומים לחמצן ובכך לפרק חומצות שומן וחומצות אמינו, ולנקות רעלים לא כן כן
כלי רכב ואקום אחסון והובלה של תפקוד העיכול בתאי הצמח לא כן כן
צנטרוזום תפקיד לא מוגדר בחלוקת התא במקור המיקרו -תאי של בעלי חיים בתאי בעלי חיים לא כן לא
ליזוזומים עיכול מקרומולקולות מיחזור של אברונים בלויים לא כן כמה
דופן תא הגנה, תמיכה מבנית ושמירה על צורת התא כן, בעיקר פפטידוגליקן לא כן, בעיקר תאית
כלורופלסטים פוטוסינתזה לא לא כן
רשתית אנדופלסמית משנה חלבונים ומסנתז שומנים לא כן כן
מערכת גולג'י משנה, ממיין, מתייג, מארז ומפיץ שומנים וחלבונים לא כן כן
שלד ציטוס שומר על צורת התא, מאבטח אברונים בתנוחות ספציפיות, מאפשר לציטופלזמה ולשלפוחיות לנוע בתוך התא ומאפשר לאורגניזמים חד -תאיים לנוע באופן עצמאי. כן כן כן
פלגלה תנועה סלולרית כמה כמה לא, למעט כמה תאי זרע צמחיים
סיליה תנועה סלולרית, תנועת חלקיקים לאורך קרום הפלזמה ומשטח חוץ -תאי וסינון כמה כמה לא

סיכום סעיף

לתאי השלד שלושה סוגי רכיבי חלבון שונים. מהצר עד הרחב ביותר, הם המיקרופילמנטים (נימי אקטין), נימי ביניים ומיקרוטובולים. ביולוגים מקשרים לעתים קרובות מיקרופילמנטים עם מיוזין. הם מספקים קשיחות וצורה לתא ומקלים על תנועות התא. נימים ביניים נושאים מתח ועוגנים את הגרעין ואברונים אחרים במקום. מיקרו-צינוריות עוזרות לתא להתנגד לדחיסה, משמשות כמסלולים לחלבונים מוטוריים המעבירים שלפוחיות דרך התא, ומושכות כרומוזומים משוכפלים לקצוות מנוגדים של תא מתחלק. הם גם המרכיב המבני של צנטריולים, פלגלה וציליה.

תגובה חופשית

מהם קווי הדמיון וההבדלים בין מבני הצנטריולים והפלגלה?

צנטריולים ודגלונים דומים בכך שהם מורכבים ממיקרוטובולים. בצנטריולים, שתי טבעות של תשע "שלישיות" מיקרוטובוליות מסודרות בזוית ישרה זו לזו. הסדר זה אינו מתרחש ב- flagella.

במה נבדלים cilia ו- flagella?

ריסים ודגלים דומים בכך שהם מורכבים ממיקרו-צינוריות. ריסים הם מבנים קצרים דמויי שיער הקיימים במספרים גדולים ולרוב מכסים את כל פני השטח של קרום הפלזמה. לעומת זאת, דגלים הם מבנים ארוכים דמויי שיער כאשר יש דגלים, לתא יש רק אחד או שניים.

תאר כיצד מיקרופילמנטים ומיקרוטובולים מעורבים בפגוציטוזיס ובהרס של פתוגן על ידי מקרופאג.

מקרופאג בולע פתוגן על ידי סידור מחדש של מיקרו-פילמנטים של האקטין שלו כדי לכופף את קרום הפלזמה סביב הפתוגן. ברגע שהפתוגן אטום באנדוסום בתוך המקרופאג, שלפוחית ​​הולכת לאורך מיקרו -צינורות עד שהיא משתלבת עם ליזוזום לעיכול הפתוגן.

השווה והשוואה בין הגבולות שבהם משתמשים תאי צמחים, בעלי חיים וחיידקים כדי להפריד את עצמם מסביבתם.

לכל שלושת סוגי התאים יש קרום פלזמה הגובל בציטופלזמה בצד הפנימי שלה. בתאים של בעלי חיים, הצד החיצוני של קרום הפלזמה נמצא במגע עם הסביבה החוץ -תאית. עם זאת, בתאי צמחים וחיידקים, דופן תא מקיפה את החלק החיצוני של קרום הפלזמה. בצמחים דופן התא עשויה תאית ואילו בחיידקים דופן התא עשויה מפפטידוגליקן. לחיידקים גראם שליליים יש גם קפסולה נוספת העשויה מליפופוליסכרידים המקיפה את דופן התא שלהם.

מילון מונחים


בני אדם וצמחים חולקים מסלול רגולטורי משותף

בממצאים שחלקם עשויים להזכיר את המדע הבדיוני, מדענים ממכון המחקר Scripps הראו לראשונה שבני אדם וצמחים חולקים מסלול זיהוי פתוגן משותף כחלק ממערכת החיסון המולדת שלהם. הנתונים יכולים לעזור לשפוך אור חדש על תפקוד חלבוני זיהוי הפתוגנים ועל התפקיד שהם ממלאים במחלות דלקתיות כרוניות מסוימות.

המחקר מספק ראיות חדשות לכך ש-Nod1, חבר במשפחת החלבונים Nod-like Receptor (NLR), מופעל על ידי החלבון SGT1, אשר מפעיל גם חלבוני התנגדות (R) בחלבוני R צמחים מגנים על צמחים מפני פתוגנים שונים. המחקר גם מאשר קווי דמיון מבניים בין חלבון Nod1, הממלא תפקיד מרכזי בהכרת המערכת החיסונית המולדת והתגובה שלה לזיהום חיידקי ובני משפחת חלבוני R.

"היו ספקולציות רבות שחלבוני R ו-Nod1 קשורים זה לזה, אבל המחקר שלנו מספק את הקשר הישיר הראשון בין צמחים לבני אדם", אמר ריצ'רד אולביץ', מדען המחקר של Scripps שהמעבדה שלו ערכה את המחקר. "לצמחים יש קולטנים דמויי Nod ותגובות חיסוניות דומות לחיידקים ופתוגנים אחרים - חלבוני ה-R התפתחו כדי לנטרל את ההשפעות הפתוגניות הללו. המחקר שלנו מספק פרספקטיבה חדשה על מסלול Nod1 בתאי יונקים, כמו גם את הערך של התבססות על מחקרי צמחים של מסלולי חלבון R כדי להבין טוב יותר את פונקציות זיהוי הפתוגנים של חלבונים אלה."

חלבוני ה-Nod מזהים חיידקים פולשניים, במיוחד תשתיות נפרדות המצויות באורגניזמים גראם-שליליים ו-גראם-חיוביים. לאחר ההפעלה, Nod1 מייצר מספר תגובות הכוללות הפעלה של מסלולי איתות תוך תאיים, ייצור ציטוקינים ואפופטוזיס או מוות תאי מתוכנת. למרות העובדה כי תוארו מודלים שונים של הפעלת Nod1, לא ידוע מעט על חלבונים אחרים שעשויים להשפיע על הפעלת החלבון. לעומת זאת, מספר חלבונים נוספים נקשרו למסלולי ההפעלה של חלבון R בצמחים.

"למשפחת ה- NLR יש קשרים ברורים למחלות אנושיות", אמר אולביץ '. "מתוך יותר מ -20 החלבונים במשפחת ה- NLR, מספר מוטציות קשורות למחלות הכרוכות בדלקת כרונית או בתוצאות אוטואימוניות. עד כה הייתה הבנה מוגבלת של דרכי הרגולציה של Nod1. על ידי זיהוי SGT1 כחיובי. החלבון הרגולטורי, המחקר שלנו מציע תובנות חדשות לכל המשפחה ".

SGT1 הוא חלבון המצוי בשמרים, צמחים ויונקים הן בגרעין והן בציטוזול. הוא מתפקד במספר תהליכים ביולוגיים באמצעות אינטראקציה עם מתחמי ריבוי חלבונים שונים. אוסף גדול של ראיות גם מצביע על כך שהחלבון ממלא תפקיד בוויסות עמידות הפתוגנים בצמחים. מחקרים גנטיים שונים זיהו SGT1 כמרכיב מכריע לעמידות הפתוגנים בצמחים באמצעות ויסות ביטוי ופעילויות של כמה חלבוני R

למרות שקיימת הצלבה גנטית משמעותית בין צמחים ליונקים, מעט מאוד ידוע על מסלול רגולציה נפוץ זה של צמח אדם. Ulevitch שיערו כי מבנים מסוימים של חלבונים עשויים להתקיים הן בצמחים והן בבני אדם פשוט כי הם עושים את אותו הדבר בצורה זהה.

"במציאות", אמר, "יש רק כל כך הרבה דרכים להשיג תגובות ביולוגיות קשורות".

המחקר גם הראה שחלבון הלם חום, HSP90, עזר לייצב את Nod1.

"עיכוב HSP90 הביא לירידה משמעותית ברמות החלבון Nod1", אמר אולביץ '. "זה מעיד בבירור שלחלבון זה יש תפקיד מרכזי בייצוב Nod1 והגנה עליו מפני התדרדרות. לעומת זאת, כיבוי SGT1 לא שינה את רמות ה- Nod1".

במחקר קודם, דיווחה המעבדה של אולביץ 'כי Nod1 גם אינטראקציה עם מתחם COP9, קומפלקס מרובה חלבונים שידוע כממלא תפקיד במספר מסלולי התפתחות בצמחים ובעל מקבילה ליונקים. אינטראקציה זו, ציין אולביץ ', מספקת קישור שני בין מסלולי חלבון Nod1 לבין צמחי R.

"הקשר של Nod1 עם SGT1 וקומפלקס COP9 מצביע על כך שתפקיד אחד אפשרי של SGT1 יכול להיות לכוון חלבונים מווסת עמידות לפירוק", הוסיף. "בהשערה זו, חלבון המטרה יהיה מווסת שלילי של תגובות החיסון."

מחקרים עתידיים, אמר אולביץ ', יתמקדו בספרות הענפה הקיימת המתארת ​​את החסינות התלויה בחלבון R בצמחים כדי להבין טוב יותר את מסלולי ה- NLR האנושיים, במיוחד אלה התלויים ב- Nod1.

המחקר נתמך על ידי המכונים הלאומיים לבריאות ונוברטיס. המחקר פורסם במהדורה מקוונת של ההליכים של האקדמיה הלאומית למדעים במהלך השבוע של ה- 9 באפריל 2007.

מחברים אחרים של המחקר, "SGT1 חיוני להפעלת NOD1", הם ז'אן דה סילבה קורריה, איבון מירנדה וניקי לאונרד.

מקור הסיפור:

חומרים המסופקים על ידי מכון המחקר סקריפס. הערה: ניתן לערוך תוכן לפי סגנון ואורך.


הביולוגיה התא של אסטמה

הביטויים הקליניים של אסתמה נגרמים על ידי חסימה של דרכי הנשימה המוליכות של הריאה. שני סוגי תאי דרכי אוויר הם קריטיים לפתוגנזה של אסתמה: תאי אפיתל ותאי שריר חלק. תאי אפיתל בדרכי הנשימה, שהם קו ההגנה הראשון מפני פתוגנים וחלקיקים בשאיפה, יוזמים דלקת בדרכי הנשימה ומייצרים ריר, תורם חשוב לחסימת דרכי הנשימה. הגורם העיקרי הנוסף לחסימת דרכי הנשימה הוא התכווצות שריר חלק של דרכי הנשימה. גישות ניסויות משלימות הכוללות תאים מתורבתים, מודלים של בעלי חיים ומחקרים קליניים בבני אדם סיפקו תובנות רבות לגבי מנגנונים מגוונים התורמים לפתולוגיה של אפיתל דרכי הנשימה ותאי שריר חלק במחלה מורכבת זו.

מבוא

אסתמה היא מחלה שכיחה הפוגעת עד 8% מהילדים בארצות הברית (מורמן ואח ', 2007) והיא גורם עיקרי לתחלואה ברחבי העולם. הביטויים הקליניים העיקריים של אסתמה הם פרקים חוזרים ונשנים של קוצר נשימה וצפצופים שהופכים לפחות חלקית, שיעול חוזר ויצור עודף של ריר בדרכי הנשימה. מכיוון שאסתמה כרוכה בתגובה משולבת בדרכי הנשימה המוליכות של הריאה לטריגרים ידועים או לא ידועים, זוהי מחלה רב-תאית, הכוללת תגובות חריגות של סוגי תאים רבים ושונים בריאה (לוקסלי, 2010). כאן אנו מתמקדים בשני סוגי התאים שאחראים בסופו של דבר לפתולוגיה הסימפטומטית העיקרית באסתמה - תאי אפיתל שמתניעים דלקת בדרכי הנשימה באסתמה ומהווים מקור לעודף ריר בדרכי הנשימה, ותאי שריר חלקים שמתכווצים יתר על המידה כדי לגרום להיצרות סימפטומטית של דרכי הנשימה. החשיבה הנוכחית לגבי תקשורת תאים -תאים המניעים אסטמה (איור 1) היא הגירויים הידועים והבלתי ידועים בשאיפה (כלומר פרוטאזים ומרכיבים אחרים של אלרגנים בשאיפה, נגיפי נשימה ומזהמי אוויר) מעוררים תאי אפיתל בדרכי הנשימה להפריש את הציטוקינים TSLP , אינטרלויקין (IL)-25 ו-IL-33, הפועלים על תאים דנדריטים תת-אפיתליאליים, תאי פיטום ותאי לימפה מולדים (iLCs) כדי לגייס תאים המטופואיטיים מולדים וגם אדפטיביים ולהניע את שחרור הציטוקינים של T helper 2 (Th2) (בעיקר IL-5 ו-IL-13 Locksley, 2010 Scanlon and McKenzie, 2012 Bando et al., 2013 Barlow et al., 2013 Nussbaum et al., 2013). גירויים סביבתיים מפעילים גם עצבים אפרנטיים באפיתל דרכי הנשימה שיכולים בעצמם לשחרר מתווכים פפטידים פעילים ביולוגית וגם לעורר שחרור רפלקס של אצטילכולין מסיבים מתפרצים בעצב הוואגוס. תגובה ראשונית זו מועצמת על ידי גיוס והתמיינות של תת-קבוצות של תאי T המקיימות הפרשה של ציטוקינים אלה ובמקרים מסוימים מפרישים ציטוקין נוסף, IL-17, באתרים אסטרטגיים ספציפיים בדופן דרכי הנשימה. הציטוקינים המשתחררים פועלים על תאי אפיתל ותאי שריר חלק ומניעים את התגובות הפתולוגיות של תאים אלו התורמות למחלה סימפטומטית. הביולוגיה של התא העומדת בבסיס התגובות של השושלות ההמטופויטיות הרלוונטיות אינה ספציפית לאסתמה ונדונה במקומות אחרים (לוקסלי, 2010 סקאנלון ומקנזי, 2012). אנו ממקדים את הדיון שלנו בתרומות של תאי אפיתל ותאי שריר חלק של דרכי הנשימה.

ביולוגיה של התא באפיתל דרכי הנשימה

נתיב הנשימה מכוסה ביריעה רציפה של תאי אפיתל (Crystal et al., 2008 Ganesan et al., 2013).שני סוגי תאי דרכי אוויר עיקריים, תאים ריסים ותאים מפרישים, מקימים ומתחזקים את המנגנון הרירי, שהוא קריטי לשמירה על סבילות דרכי הנשימה והגנה מפני פתוגנים ואלרגנים בשאיפה. המכשיר מורכב משכבת ​​ג'ל רירית ושכבה פריצילית. תאים ריסים מקרינים כל אחד ~300 ריסים תנועתיים לתוך השכבה הפריצילית שהם קריטיים להנעת שכבת הריר במעלה דרכי הנשימה. בנוסף, הציליות מכוסות בריצינים המקיפים את הממברנה ועם מוקופוליסכרידים מחוברים שאינם מוציאים ריר מהחלל הסביבתי ומקדמים יצירת שכבת ריר מובחנת (Button et al., 2012). תאי הפרשה מייצרים סוג אחר של מוקינים, המוקינים הפולימריים היוצרים ג'ל. שני המוסיקים העיקריים ליצירת ג'ל בדרכי הנשימה הם MUC5AC ו- MUC5B. חלק מתאי ההפרשה, המכונים תאים ריריים או גביע, מייצרים מוקינים ומאחסנים אותם בתוך אוספים קלים של גרגרי מוקין, בעוד שתאים אחרים מייצרים ומפרישים מוקינים (במיוחד MUC5B) אך חסרים גרגירים בולטים. מוצינים היוצרים ג'ל מופרשים לומן דרכי הנשימה ואחראים על התכונות הויסקו-אלסטיות האופייניות של שכבת הג'ל הריר.

פגיעה באפיתל בדרכי הנשימה ושיפוץ באסתמה

מגוון שינויים מבניים באפיתל ובחלקים אחרים של דרכי הנשימה, המכונים "שיפוץ דרכי הנשימה", נראה לעתים קרובות אצל אנשים הסובלים מאסתמה (Elias et al., 1999). שינויים אלה כוללים עיבוי דופן דרכי הנשימה, היפרטרופיה אפיתלית ומטאפלזיה רירית, פיברוזיס תת -אפיתליאלי, היפרפלזיה של מיופיברובלסט והיפרפלזיה של תאי שריר חלק והיפרטרופיה. שיפוץ דרכי הנשימה נחשב לייצג תגובה לפגיעה מתמשכת ברקמות הנגרמות על ידי גורמים זיהומיים, אלרגנים או חלקיקים בשאיפה ועל ידי תגובות המארח לגירויים אלה. סימנים של פגיעה אפיתלית גלויה, כולל אובדן שלמות האפיתל, הפרעה בצמתים הדוקים, פגיעה בתפקוד המחסום ומוות תאים, זוהו במחקרים מסוימים ועשויים להיות בקורלציה עם חומרת האסתמה (Laitinen et al., 1985 Jeffery et al., 1989 Barbato et al., 2006 Holgate, 2007). עם זאת, אצל אנשים רבים סימפטומים של אסתמה ותכונות שיפוץ דרכי הנשימה, כולל מטאפלזיה רירית ופיברוזיס תת -אפיתאלי, נראים בהיעדר סימנים של זיהום פעיל בדרכי הנשימה או פגיעה ברקמות גלויות (Ordoñez et al., 2000), דבר המצביע על כך שתהליכים אחרים מהווים ההתמדה של אסתמה אצל אנשים אלה. עדויות מהותיות מצביעות על כך שההתמדה באסתמה מונעת מתגובות חיסוניות מתמשכות של המארח המייצרות מתווכים המניעים שיפוץ דרכי הנשימה ותפקוד לקוי של דרכי הנשימה. האפיתל הוא גם אתר ייצור של מתווכים אלו וגם מקור לתאים המגיבים למתווכים המיוצרים על ידי תאי חיסון ותאים אחרים בתוך דרכי הנשימה. כיצד תאי אפיתל בדרכי הנשימה מזהים ומגיבים לווירוסים, אלרגנים וגירויים אחרים נבדקה באופן מקיף במקומות אחרים (למברכט וחמאד, 2012). כאן נתמקד בתרומה של האפיתל לייצור ותגובות לציטוקינים Th2.

תרומות אפיתל לאוויר לתגובות Th2.

ציטוקינים Th2, במיוחד IL-13, ממלאים תפקידים קריטיים באסתמה. ציטוקינים מרובים, כולל TSLP, GM-CSF, IL-1, IL-25 ו-IL-33, מיוצרים על ידי האפיתל ומעודדים ייצור של ציטוקינים Th2 על ידי תאי חיסון (Cates et al., 2004 Hammad et al., 2009 לוקסלי, 2010 נגרקר ואח ', 2012). מחקרי אסוציאציות רחבי גנום מעורבים גנים רבים הקשורים ל- Th2, כולל IL13, IL33, ו TSLP, באסתמה (Moffatt et al., 2010 Torgerson et al., 2011). IL-13 מיוצר על ידי תאים לימפואידים מולדים (Neill et al., 2010 Price et al., 2010 Saenz et al., 2010 Hasnain et al., 2011) ותאי Th2 (Grünig et al., 1998 Wills-Karp et al. ., 1998) במהלך דלקת אלרגית ועל ידי מקרופאגים במודל עכבר של מחלת דרכי הנשימה הנגרמות מנגיפים (קים ואחרים, 2008). IL-13 גורם לשינויים אופייניים בדפוסי ביטוי של mRNA אפיתל בדרכי הנשימה (Kuperman et al., 2005b Woodruff et al., 2007 Zhen et al., 2007) ו-miRNA (Solberg et al., 2012) בתאי אפיתל בדרכי הנשימה. ניתן להשתמש ב"חתימת "התעתיק של IL-13 לזיהוי אנשים הסובלים מאסטמה" Th2 גבוהה "ו-" Th2 נמוכה "(Woodruff et al., 2009). חלבון פריוסטין המושרה על ידי IL-13 מופרש באופן בסיסי מתאי אפיתל בדרכי הנשימה והוא יכול לשמש כסמן ביולוגי לאסטמה גבוהה Th2 (Jia et al., 2012 Parulekar et al., 2014). בערך מחצית מהאנשים עם אסתמה הם בעלי Th2 גבוה, ולאנשים אלה יש תגובות טובות יותר לטיפול בקורטיקוסטרואידים בשאיפה (Woodruff et al., 2009) או נוגדן-IL-13 (Corren et al., 2011). המניעים העיקריים של אסתמה נמוכה Th2 עדיין לא מובנים, אם כי ציטוקינים ממשפחת Th17 עשויים להיות חשובים (Newcomb and Peebles, 2013).

מטאפלזיה רירית.

למרות שהריר הוא קריטי להגנת המארח, ייצור ריר פתולוגי הוא תורם חשוב לתחלואה ולתמותה באסתמה. באסתמה קטלנית, דרכי הנשימה מחוברות לעיתים קרובות לסתמי ריר עקשנים החוסמים את תנועת הגז (Kuyper et al., 2003). תופעה קטסטרופלית זו משקפת ככל הנראה את ייצור ההפרשה וההפרשה המוסין, כמו גם את השינויים בהצלבת ההצבה של המיצין, לחות ג'ל ריר ופינוי ריר. הפרעות בריר אינן מוגבלות להחמרות קשות באסתמה מכיוון שעלייה במאגרי המוסין התוך תאי (מטאפלזיה רירית) נראית אפילו אצל אנשים עם אסתמה יציבה, קלה עד בינונית (Ordoñez et al., 2001). במודלים של מחלת דרכי אוויר אלרגית של עכברים של אסתמה, מטפלזיה רירית נובעת מייצור ואחסון מוגבר של mucins (במיוחד MUC5AC) בתאי הפרשה קיימים, כולל תאי מועדון (Evans et al., 2004), במקום מהיפרדות של תאים ריסים (Pardo-Saganta) et al., 2013). עם זאת, במודלים מונעי וירוסים של תאים ריריים של אסתמה עשויים להיווצר מהתמיינות טרנספרנציונלית של תאים בעלי ריצות (Tyner et al., 2006). הוכח כי מגוון גירויים ודרכי איתות מווסתים את ייצור המוקין וההפרשה בתאי אפיתל בדרכי הנשימה.

IL-13 ממריץ ייצור מוצין באסתמה גבוהה של Th2.

השפעות ישירות של IL-13 על תאי אפיתל בדרכי הנשימה מעוררות מטאפלזיה רירית בתאי אפיתל בדרכי הנשימה בתרבות (Laoukili et al., 2001 Zhen et al., 2007) ובתאי אפיתל של דרכי הנשימה in vivo (Kuperman et al., 2002) . IL-13 נחוץ למטפלזיה רירית במודלים רבים של אסתמה של עכברים (Grünig et al., 1998 Wills-Karp et al., 1998 Tyner et al., 2006). לאנשים הסובלים מאסטמה גבוהה מסוג Th2 יש רמות גבוהות של תא אפיתל הסימפונות MUC5AC mRNA בהשוואה לבקרים בריאים או לאנשים הסובלים מאסטמה נמוכה של Th2 (Woodruff et al., 2009). מחקרי עכברים מהונדסים לאחרונה מראים תפקידים של MUC5AC בניקוי זיהומים של נמטודות אנטריות (Hasnain et al., 2011) והגנה מפני זיהום שפעת (Ehre et al., 2012). מוּגדָל MUC5AC הביטוי הוא אפוא חלק מתגובה חיסונית משולבת התורמת להגנה על המארח מפני פתוגנים או חלקיקים בשאיפה. תכונה פחות מוכרת של אסתמה גבוהה Th2 היא הירידה המהותית בביטוי של MUC5B (Woodruff et al., 2009). הגילוי האחרון ש-MUC5B נדרש לפינוי רירי נורמלי והגנה מפני זיהום בדרכי הנשימה (Roy et al., 2014) מצביע על כך שיש להפנות תשומת לב נוספת לאפשרות שהפחתה ב-MUC5B עשויה להיות גורם חשוב לתפקוד לקוי של דרכי הנשימה באסתמה.

IL-13 מזוהה על ידי קולטני משטח התא המתבטאים כמעט בכל סוגי התאים, כולל תאי אפיתל בדרכי הנשימה (איור 2). קולטן תא האפיתל IL-13 הקריטי למטאפלזיה רירית הוא הטרודימר המורכב מ- IL-13Rα1 ו- IL-4Rα. הסרת קולטן זה בתאי הפרשת אפיתל בדרכי הנשימה (מונע על ידי האמרגן CCSP) מנעה מטאפלזיה רירית במודל אסתמה אלרגי (Kuperman et al., 2005a). קישור IL-13 מוביל להפעלה של Jak kinases הקשורים לתחום הציטופלסמי של הקולטן ולאחר מכן זרחון של מתמר האותות ומפעיל של שעתוק 6 (STAT6). הפעלת STAT6 נדרשת למטפלזיה רירית המושרה על ידי IL-13 (Kuperman et al., 2002).

סדרת האירועים המקשרת בין הפעלת STAT6 למטאפלזיה רירית מובן רק בחלקה. נראה כי STAT6 אינו מווסת באופן ישיר MUC5AC תמלול (Young et al., 2007) והמטרות הישירות הקריטיות של STAT6 לא נקבעו. מסלול אחד שתלוי בהפעלת STAT6 כרוך בערוץ 1 (CLCA1) של כלוריד המופעל בסידן. CLCA1 הוא בין הגנים המושרה ביותר בתאי אפיתל בדרכי הנשימה מאנשים הסובלים מאסתמה (Hoshino et al., 2002 Toda et al., 2002). למרות שמו, CLCA1 לא נראה מתפקד כערוץ יונים אלא עובר הפרשה ומחשוף חוץ -תאי. CLCA1 חוץ תאי יכול לגרום MUC5AC ביטוי באמצעות הפעלה של ה- MAP kinase MAPK13 (p38δ-MAPK Alevy et al., 2012), למרות שטרם זוהו הקולטן המשוער של CLCA1 והיעדים הרלוונטיים ל- MAPK13. מסלול שני כולל את מעכב הפרוטאזות Serpin3a, האורתולוג העכבר של SERPINB3 ו-SERPINB4 אנושיים. סרפינים אלו מושרים על ידי IL-13 באופן תלוי STAT6 (Ray et al., 2005). לאחר אתגר אלרגנים, Serpin3a -/- לעכברים היו פחות מטאפלזיה רירית מאשר לעכברים מסוג פרא (Sivaprasad et al., 2011), למרות תגובה דלקתית שלמה. תוצאות אלו מצביעות על כך שסרפינים מעכבים פרוטאזות שבדרך כלל מפרקים חלבון אחד או יותר הנדרשים למטפלזיה רירית, למרות שהפרוטאזות הרלוונטיות ומצעי החלבון שלהם עדיין אינם ידועים. מסלול נוסף המושרה על ידי IL-13 כולל את האנזים 15-lipoxygenase-1 (15-LO-1 Zhao et al., 2009). 15-LO-1 ממיר חומצה ארכידונית לחומצה 15-הידרוקסיאיקוסאטראטואנואית, אשר הוכחה כמשפרת MUC5AC ביטוי בתאי אפיתל בדרכי הנשימה האנושיות.

מטאפלסיה רירית בתיווך IL-13 ו- STAT6 תלויה בשינויים בפעילות של רשת גורמי שעתוק. הפעלת STAT6 בתיווך IL-13 המושרה על ידי אלרגן מובילה לביטוי מוגבר של הגורם המכיל Ets-מכיל SAM-pointed (SPDEF Park et al., 2007 Chen et al., 2009). האינדוקציה של SPDEF תלויה לפחות בחלקה ב- FOXM1, חבר במשפחת גורמי התעתיק של Forkhead (FOX) (Ren et al., 2013). תוכנית SPDEF חשובה גם למטפלזיה רירית המופעלת על ידי גירויים אחרים, כולל נגיפי אף (Korfhagen et al., 2012). למרות שנדמה כי SPDEF לא מווסת באופן ישיר את שעתוק הגנים של המוסין, SPDEF יוזם תוכנית תעתיק הכרחית ומספיקה בכדי לעורר מטאפלזיה רירית. אחת ההשפעות של SPDEF היא עיכוב הביטוי של גן אחר של משפחת FOX, FOXA2. בעכברים, מחיקת Foxa2 במבשרי תאים ריריים מספיק כדי לגרום למטפלזיה רירית, וביטוי יתר של FOXA2 מעכב מטפלזיה רירית הנגרמת על ידי אלרגן (Zhen et al., 2007 G. Chen et al., 2010). הקשר בין IL-13 ל- FOXA2 מורכב. IL-13 מעכב ביטוי של FOXA2, התורם למטאפלזיה רירית. עם זאת, מחיקת Foxa2 בתאי אפיתל בדרכי הנשימה במהלך התפתחות העובר הביאו לדלקת Th2 וייצור של IL-13 בדרכי הנשימה (G. Chen et al., 2010). המטרות הישירות שאחראיות להשפעות אלה של FOXA2 עדיין אינן ידועות.

מסלול ה-EGFR משרה ביטוי של גן mucin ומטאפלזיה רירית.

קולטן לגורם גדילה אפידרמיס (EGFR) קושר ליגנדים מרובים כולל EGF, TGF-α, EGF קושר הפרין, אמפירגולין, β-צלולין ואפירגולין. קשירת ליגנד מפעילה את תחום הקינאז EGFR, ויוזמת מפלי איתות שהם מרכזיים בתהליכים ביולוגיים בסיסיים רבים, כולל התפשטות תאים, בידול, הישרדות והגירה. ליגנדים EGFR מעוררים ביטוי של MUC5AC בקווי תאי אפיתל דרכי אוויר אנושיים ומעכב טירוזין קינאז המעכב EGFR kinase מונע מטפלזיה רירית הנגרמת על ידי ליגנד EGFR או על ידי אתגר אלרגני (Takeyama et al., 1999). מחקרים לאחר מכן הראו כי רמות EGFR אפיתל הסימפונות גדלות באסתמה ומתואמות עם חומרת המחלה (Takeyama et al., 2001a), וכי איתות EGFR אפיתל תורם למטפלזיה רירית במודל אסתמה כרוני (Le Cras et al., 2011).

גירויים שונים, כולל מוצרים חיידקיים (Kohri et al., 2002 Lemjabbar and Basbaum, 2002 Koff et al., 2008), וירוסים (Tyner et al., 2006 Zhu et al., 2009 Barbier et al., 2012), עשן סיגריות ( Takeyama et al., 2001b Basbaum et al., 2002), ומוצרי תאים דלקתיים (Burgel et al., 2001) יכולים להפעיל את מסלול ה-EGFR בתאי אפיתל בדרכי הנשימה. כמה גירויים הוכחו ליזום את מפל האיתות EGFR על ידי הפעלת איזופורמים PKC PKC δ ו- PKC θ, מה שמוביל לגיוס של יחידות המשנה של NADPH אוקסידאז p47 phox ו- p67 פוקס לאוקסידאז כפול הקשור לממברנה וליצור מיני חמצן תגובתי. (ROS) על פני התא (Shao and Nadel, 2005). ROS בתורו מפעיל אנזים סמוי הממיר TGF-α וכתוצאה מכך ביקוע של פרו-ליגנדים EGFR על פני השטח (Shao et al., 2003). קשירת ליגנד EGFR מובילה להפעלת מסלול Ras – Raf – MEK1/2 – ERK1/2 ו MUC5AC אינדוקציה של תעתיק, שתלוי בגורם התעתיק של Sp1 ובאתרים המחייבים Sp1 בתוך MUC5AC מקדם (Takeyama et al., 2000 Perrais et al., 2002). מסלולי IL-13 ו- EGFR תורמים תרומות קריטיות אך מובחנות לוויסות הגנים בתאי אפיתל בדרכי הנשימה (Zhen et al., 2007). שני המסלולים מעכבים את הביטוי של FOXA2, דבר המצביע על כך שגורם שעתוק זה עשוי לייצג מסלול נפוץ אחרון עבור מטאפלזיה רירית המושרה על ידי IL-13 ו- EGFR.

איתות חריץ מסדיר את התמיינות תאים ריריים.

איתות חריצים חשוב גם למטפלזיה רירית (Tsao et al., 2011). Notch הוא קולטן טרנסממברני הנקשר לליגנדים על פני התא במשפחות דמויי דלתא ומשופשפות. קישור ליגנד מפעיל ביקוע פרוטאוליטי מתווך γ-secretase ומשחרר את התחום התוך-תאי של Notch, שנכנס לגרעין, מתקשר עם גורמי שעתוק ומניע ביטוי של גנים Notch במורד הזרם. למניפולציה גנטית של איתות Notch בעכברים יש השפעות שונות בהתאם לשלב ההתפתחותי. בריאות עובריות מושתקות, הוספת ליגנד Notch או ביטוי של צורה פעילה מכוננת של Notch הגדילו תאים ריריים המכילים MUC5AC, ואילו מעכב γ-secretase הפחית תאים ריריים (Guseh et al., 2009). מטאפלזיה רירית הנגרמת מחריץ לא דרשה הפעלה של STAT6, מה שמרמז על כך שמסלולי ה- Notch ו- STAT6 עשויים לפעול במקביל. לעומת זאת, בריאה עכבר לאחר לידה, הפרעות באותות Notch גרמו למטאפלזיה רירית (Tsao et al., 2011), תהליך שתלוי בעיקר בליגנד Notch Jagged1 (Zhang et al., 2013). נראה כי יעד החריץ Hes1 הוא קריטי לעיכוב מטאפלזיה רירית ו MUC5AC תעתיק, למרות ביטול של הס1 לא היה מספיק כדי לגרום למטפלזיה רירית (Ou-Yang et al., 2013). התצפית כי מעכב γ-secretase הפחית מטאפלזיה רירית המושרה על ידי IL-13 בתאי אפיתל בתרבית האדם (Guseh et al., 2009) מעידה כי יש צורך בהתייחסות נוספת לתפקיד של איתות חריץ אפיתל באסתמה.

מסלול ההפרשה בתאים ריריים

מונומרים ממוצין הם חלבונים גדולים (∼5,000 שאריות חומצת אמינו) הדורשים עיבוד מקיף במיון ובגולגי. כל מונומר מוצין מכיל כ -200 שאריות ציסטאין שיכולות להשתתף בקשרים של דיסולפיד תוך-מולקולרי. ה-ER של תאים ריריים מכיל מולקולות מיוחדות שאינן מתבטאות באופן נרחב בסוגי תאים אחרים ונדרשות לעיבוד יעיל של mucins. אחד מאלה הוא הומולוג קדמי 2 (AGR2) הקדמי, בן למשפחת איזומראז דיסולפיד חלבונים. שייר ציסטאין באתר פעיל ב-AGR2 יוצר קשרי דיסולפיד מעורבים עם mucins ב-ER ולעכברים החסרים ב-AGR2 יש פגמים עמוקים בייצור מוצין במעי (Park et al., 2009). במודל עכברים של אסתמה אלרגית, עכברים חסרי AGR2 הפחיתו את ייצור הליחה בהשוואה לעכברים מסוג wild-challenge בעלי אלרגן (Schroeder et al., 2012). ההפחתה בייצור הריר הייתה קשורה להפעלה של תגובת החלבון הנפרשת, תגובה אופיינית ללחץ ER (Walter and Ron, 2011). לכן AGR2 עשוי להיות בעל תפקיד ישיר בקיפול מוקין או בפונקציה אחרת הדרושה לשמירה על תפקוד תקין של התא הרירי. מולקולה נוספת הנמצאת בתא הרירי היא אנזים 1β (IRE1β) הדורש אינוזיטול, חיישן לחץ ER טרנסממברני. IRE1β נמצא בתאים המייצרים ריר במעי ובדרכי הנשימה, אך לא בתאים אחרים. IRE1β מסדיר את שעתוק AGR2, ועכברים חסרים ב- IRE1β הפחיתו את ביטוי AGR2 ופגעו בייצור המוסין בדרכי הנשימה במודל של אסתמה אלרגית (Martino et al., 2013). AGR2 ו- IRE1β ככל הנראה התפתחו כדי לעמוד בדרישות יוצאות הדופן הנובעות מהצורך לייצר כמויות גדולות של mucins.

ORMDL3, חבר במשפחת Orm של חלבוני ER טרנסממברניים, היה מעורב גם באסתמה. פולימורפיזמים גנטיים במקומות קרובים ORMDL3 היו קשורים מאוד לאסטמה במחקרי אסוציאציות רחבי גנום (Moffatt et al., 2007 Galanter et al., 2008). אתגר אלרגן גרם לביטוי ORMDL3 בתאי אפיתל בדרכי הנשימה באופן תלוי ב- STAT6, אם כי ORMDL3 לא נראה כיעד ישיר של STAT6 (Miller et al., 2012). מחקרים הכוללים ביטוי יתר או ביטול של ORDML3 בתאי HEK293 מצביעים על כך ש-ORMDL3 מעורב בוויסות תגובות ER מתח ובאותות סידן בתיווך ER (Cantero-Recasens et al., 2010). בנוסף, חלבוני Orm יוצרים מתחמים עם טרנסאזאז palmitoyl-CoA serine (SPT), האנזים הראשון ומגביל קצב בייצור ספינגוליפידים, ועלולים בכך לסייע בתיאום חילוף החומרים של השומנים במסלול ההפרשה (Breslow et al., 2010). הפחתה גנטית ותרופתית בפעילות SPT גרמה לתגובת יתר של דרכי הנשימה בהעדר דלקת או מטאפלזיה רירית (Worgall et al., 2013). נדרשים מחקרים נוספים כדי לקבוע אם תפקידו של ORMDL3 בוויסות ייצור ספינגוליפידים, מתח ER, איתות סידן או פונקציות ER אחרות בתאי אפיתל בדרכי הנשימה או בתאים אחרים חשוב באסתמה.

Mucins עוברים מהמיון ל-Golgi ולאחר מכן נארזים לתוך גרגירים גדולים להפרשה. בגולגי, מוצינים נמצאים בהרחבה O-לגלוקוזילציה ועוברות מולטימריזציה נוספת לפני שחרור מהתא על ידי אקסוציטוזיס מווסת. בכל דרכי הנשימה של עכברים רגילים ובדרכי נשימה מרוחקות (קטנות יותר) של בני אדם, הפרשה בסיסית אחראית לרוב שחרור המוצין, ותאים המייצרים מוצין שומרים על מעט מדי מוצין כדי לזהות באמצעות כתמים היסטולוגיים. עם זאת, תאים ריריים שנמצאו בדרכי נשימה גדולות יותר של בני אדם ועכברים מאוגרים לאלרגנים מכילים הצטברויות ניתנות לזיהוי של גרגירים המכילים ריר שיכולים להשתחרר על ידי גירויים שונים, כולל P2י2 ליגנדים קולטן ATP ו- UTP ופרוטאזות המפרקות קולטנים המופעלים על ידי פרוטאז. עכברים חסרי חלבון ההחלמה האקסוציטי Munc13-2 צוברים מוקין בתאי הפרשה שבדרך כלל יש להם מוצין תאיים מינימלי (תאי מועדון) אך יכולים להפריש מוקין בתגובה לגירוי (Zhu et al., 2008). לעומת זאת, לעכברים המאתגרים באלרגן חסרי חיישן סידן בעל זיקה נמוכה, יש לו פגם חמור בהפרשת מיצין בדרכי הנשימה החריפות של אגוניסט, אך שומרים על הפרשת הבסיס ואינם מצטברים ריקים בתאי המועדון (Tuvim et al., 2009) . הפרשה מעוררת אגוניסט תלויה גם בערוץ ה- TMEM16A המופעל באמצעות סידן המופעל על ידי IL-13, אשר גדל בתאים ריריים מאנשים הסובלים מאסתמה (Huang et al., 2012). מכיוון שייצור מוגבר של MUC5AC באמצעות ביטוי יתר מהונדס לא הספיק כשלעצמו כדי לגרום לחסימת דרכי הנשימה (Ehre et al., 2012), נראה כי פגמים איכותיים בעיבוד מוצין, הפרשת או הידרציה המשפיעים על התכונות הפיזיקוכימיות של הריר תורמים לדרכי הנשימה. חסימה באסתמה. הובלת אפיתל של מים ויונים, כולל H+ וביקרבונט, חשובה בשמירה על התכונות התקינות של ריר (E. Chen et al., 2010 Paisley et al., 2010 Garland et al., 2013). הפרשה מהירה של המוסין המאוחסן, שאינו מיובש במלואו, עלולה לגרום להיווצרות ריר מרוכז וגומי שאינו ניתן לניקוי רגיל על ידי ציליליות או שיעול (Fahy and Dickey, 2010). מכאן ש- IL-13 (Danahay et al., 2002 Nakagami et al., 2008) ומתווכי אסתמה אחרים המשפיעים על תאי אפיתל בדרכי הנשימה והובלת יונים יכולים לתרום לחסימת דרכי הנשימה על ידי שינוי התכונות הפיסיקוכימיות של ריר.

מבנה תאים מתוחכמים ותפקודם באסתמה

בהשוואה לספרות האסתמה הענפה לגבי תאים ריריים, דיווחים מעטים יחסית התמקדו בתאים ריסים. מחקר אחד של רצועות תאי אפיתל שהושגו על ידי צחצוח אנדו-ברונכיאלי מצא ירידה בתדירות פעימות ריסי ועלייה בדפוסי פעימות ריסיריות חריגות ובפגמים אולטרה-סטרוקטורליים ריסייים אצל אנשים עם אסתמה בהשוואה לביקורות בריאים (Thomas et al., 2010). הפרעות אלה היו בולטות יותר באסתמה קשה. הפרעות בכלי הרגל לוו בעלייה במספר התאים המתים וראיות לאובדן שלמות המבנית האפיתלית, דבר המצביע על כך שתפקוד לקוי של הכליון עשוי להיות תוצאה של פגיעה אפיתלית כללית. בכל מקרה, תוצאות אלו מצביעות על כך שתפקוד לקוי של הכליון עשוי לתרום חשוב לפגיעה בפינוי רירית הרירית באסתמה.

ביולוגיה של תאים של שריר חלק בדרכי הנשימה באסתמה

היצרות מוגזמת של דרכי הנשימה העלולה להוביל לקוצר נשימה חמור, ליקוי נשימתי ולמוות מאסתמה נובעת במידה רבה מהתכווצות רצועות שריר חלק הקיימות בדפנות דרכי הנשימה המוליכות בגודל בינוני וריאתי. בדרכי הנשימה המרכזיות הגדולות של בני אדם, פסי שרירים אלו נמצאים בחלק האחורי של דרכי הנשימה ומתחברים לטבעות הסחוס של דרכי הנשימה הקדמיות, אך בדרכי הנשימה היקפיות יותר שריר חלק קיים בהיקפי מסביב לדרכי הנשימה. בשני המקומות התכווצות של שריר חלק, הנגרמת פיזיולוגית על ידי שחרור אצטילכולין מהעצבים הפאראסימפתטיים או על ידי שחרור היסטמין וליקוטריאנים ציסטניל מתאי מאסט ובזופילים, גורמת לצמצום בדרכי הנשימה, עם היצרות הנרחבת ביותר בדרכי הנשימה בינוניות. . ביונקים בריאים, לרבות בני אדם, תגובות פיזיולוגיות לשחרור אצטילכולין מעצבים מתפרצים או לשחרור היסטמין וליקוטריאנים מתאי פיטום ובזופילים גורמות רק להיצרות קלה ובדרך כלל א-סימפטומטית של דרכי הנשימה. יונקים רגילים גם עמידים בדרך כלל להצטמצמות דרכי הנשימה כתגובה למתן תרופתי של ריכוזים גבוהים של אגוניסטים מכווצים אלה ישירות לדרכי הנשימה. עם זאת, לאנשים עם אסתמה יש עלייה ניכרת ברגישות לכל האגוניסטים הללו שניתן להדגים בקלות על ידי עלייה דרמטית בהתנגדות של דרכי הנשימה וירידות נלוות בקצבי זרימת האוויר המקסימלית במהלך תמרוני נשיפה מאולצים (Boushey et al., 1980). השוואות אחרונות בין תגובות לאלרגנים בשאיפה אצל נבדקים אסתמטיים אלרגיים לבין נושאים אחרים עם תגובות חיסוניות עוריות חמורות באופן דומה לאלרגנים מבהירה כי כל בני האדם האלרגיים משחררים כמויות דומות במידה רבה של סמפונות לבדיקות הנשימה (קרי היסטמין ולוקוטריאנים), אך רק אסתמה מתפתחת היצרות מוגזמת של דרכי הנשימה כתגובה למגשרים אלה (בקי קלי ואח ', 2003).

מנגנונים המסדירים את יצירת הכוח על ידי צימוד של אקטין -מיוזין של שריר חלק

יצירת כוח על ידי שריר חלק בדרכי הנשימה מתווכת על ידי אינטראקציות בין אקטין ומיוזין התלויות בזרחון של השרשרת הקלה של המיוזין על ידי הקינאז סרין-תרונין, קינאז שרשרת קלה של מיוזין (איור 3). תהליך זה מוסדר באופן שלילי על ידי מיוזין פוספטאז. עלייה בריכוז הסידן התוך תאי בתאי שריר חלק גורמת להתכווצות בשני מסלולים מקבילים. כאשר הוא נקשר לסידן, סרין-תרונין קינאז קלמודולין מזרחן ישירות, ובכך מפעיל, קינאז שרשרת קלה של מיוזין. סידן מוגבר גם מגביר את העמסת ה-GTP של ה-GTPase, RhoA, מה שמגביר את הפעילות של קינאזות האפקטור שלו במורד הזרם, הקשורות ל-Rho, הקשורות ל-Rho-coiled-coil-מכילות חלבון קינאזות 1 ו-2 (ROCK 1 ו-2). ROCKs מזרחנים ישירות פוספטאז שרשרת קלה של מיוזין, אפקט המשבית את הפוספטאז, ומשפר עוד יותר את זרחון מיוזין. ניתן להפעיל RhoA גם ללא תלות בגידול בסידן התוך תאי.

ישנם מספר נתיבים במעלה הזרם להגברת i[Ca] בשריר חלק בדרכי הנשימה. אצטילכולין, המשתחרר מעצבים פאראסימפאתיים פוסט-גנגליוניים הפוגעים בעצבני השריר, מפעיל קולטנים מוסקריניים M2 מצמידים חלבון G, המחוברים ל- Gαq. Gαq עמוס ב-GTP מפעיל את האפקטור במורד הזרם שלו, PLCβ, אשר מזרחן PIP2 ליצירת IP3. IP3, בתורו, נקשר לקולטני IP3 על הרשת הסרקופלזמית כדי לעורר טרנסלוקציה של סידן לציטוזול. אגוניסטים מכווצים אחרים, כולל היסטמין, ברדיקינין וסרוטונין (5-HT האגוניסטים והקולטנים הספציפיים משתנים בין מיני יונקים) נקשרים לקולטנים שונים המחוברים לחלבון G כדי להפעיל את אותו מסלול. התכווצות שריר חלק של דרכי הנשימה הנגרמות על ידי אגוניסט קשורה בדרך כלל לתנודות מחזוריות ב- i [Ca], הנחשבות כנגרמות על ידי שינויים מקומיים בסידן ציטוזולי המפעילים ספיגה חוזרת של סידן על ידי הרשתית הסרקופלסמית, ועוצמת הכוח המתכווץ המושרה קשורה קשר הדוק ביותר עם התדירות של תנודות הסידן הללו ולא המשרעת שלהן (Bergner and Sanderson, 2002).

עלייה בריכוז הסידן הציטוזולי יכולה להיגרם גם על ידי נהירה של סידן מהחלל החוץ-תאי, בדרך כלל עקב פתיחת תעלות סידן תלויות-מתח בממברנת הפלזמה. ניתן לפתוח ערוצים אלה בניסוי על ידי הגדלת הריכוז החוץ-תאי של יוני אשלגן, מה שגורם גם להתכווצות שריר חלק בדרכי הנשימה. ריכוזי אשלגן חוץ-תאי מוגברים גם מגבירים את השחרור של אצטילכולין מהעצבים הפוסט-גנגליוניים, ולכן פרשנות נכונה של ההשפעות של KCl דורשת הוספה בו-זמנית של אנטגוניסט מוסקריני כגון אטרופין.

ויסות יצירת כוח שריר חלק בדרכי הנשימה על ידי קומפלקסים הידבקות המכילים אינטגרין

כדי שהתכווצות תאי השריר החלק יתורגמו לכוח הנדרש להצרת דרכי הנשימה, תא השריר החלק המתכווץ חייב להיות קשור בחוזקה ל-ECM הבסיסי. הצמדה ל- ECM מתבצעת באמצעות ארגון קומפלקסים מרובי חלבונים הגרעינים על ידי אינטגרינים. התחומים הציטופלסמיים הקצרים של האינטגרינים יכולים לארגן מכונות מרובות חלבונים גדולות להפתיע המווסתות מסלולי איתות מרובים ומקשרות אינטגרינים (ובכך ליגנדים ה- ECM שלהם) לציטוסקלטון האקטין-מיוזין (יאמאדה וגייגר, 1997 זיידל-בר ואח ', 2007). . רבים מהאגוניסטים המתכווצים המעוררים זרחון של מיוזין ואינטראקציה אקטין-מיוזין משפרים בו-זמנית את היווצרותם של קומפלקסים לאיתות אינטגרין, מעוררים פילמור אקטין באתרי הידבקות ומחזקים את הצימוד בין ציטושלד האקטין-מיוזין וה-ECM (Mehta and Gunst, 1999 Tang. et al., 1999, 2003 Gunst and Fredberg, 2003 Gunst et al., 2003 Opazo Saez et al., 2004). נראה כי אירועים אלה חשובים למדי ליצירת כוח התכווצות מרבי מכיוון שהתערבויות המעכבות היווצרות או פעילות של מתחמי הדבקה עלולות לעכב את חוזק ההתכווצות מבלי להשפיע על זרחון המיוזין (מהטה וגאסט, 1999 Tang et al., 2003 Opazo Saez et al., 2004).

לקחים מהתנהגות לא תקינה של שריר חלק בדרכי הנשימה במודלים של בעלי חיים

עכברים חסרי אינטרין α9β1 בשריר החלק של דרכי הנשימה.

למרות שיש הבדלים גדולים בין הארגון של דרכי הנשימה בעכברים ובני אדם, חריגות in vivo בהצרת דרכי הנשימה הנראות במודלים של עכברים אכן מספקות תובנה מסוימת לגבי מסלולים שעלולים לתרום להתכווצות שרירים חלקים לא תקינים בדרכי הנשימה באסתמה. לצורך סקירה זו נביא שלוש דוגמאות להמחשה. האינטגרין α9β1 מתבטא מאוד בשריר החלק של דרכי הנשימה (Palmer et al., 1993). נוק-אאוט מותנה של תת-יחידת האינטגרין α9 (נמצא באופן ייחודי באינטגרין α9β1) גורם לעלייה ספונטנית בתגובתיות של דרכי הנשימה in vivo (כפי שנמדד על ידי עלייה בהתנגדות ריאתית בתגובה לאצטילכולין תוך ורידי), ולהגברת תגובות התכווצות לאגוניסטים כולינרגיים של שניהם. דרכי אוויר בפרוסות ריאה וטבעות קנה הנשימה שנחקרו באמבט איברים (Chen et al., 2012). מעניין לציין שלמרות שלטבעות קנה הנשימה של עכברים אלה יש גם תגובות התכווצות מוגברות לאגוניסטים אחרים של קולטן צמודים לחלבון G (למשל, סרוטונין), יש להם תגובות התכווצות נורמליות לדפולריזציה עם KCl. ממצאים אלה מצביעים על כך שאובדן α9β1 מגביר את ההיענות לדרכי הנשימה בשלב כלשהו במעלה הזרם של שחרור הסידן מהרשת הסרקופלסמית (איור 4 א). במקרה זה, נראה כי תגובתיות מוגברת של דרכי הנשימה נובעת מאובדן לוקליזציה משותפת של האנזים המפרק פוליאמין spermidine/spermine N1-acetyltransferase (SSAT), הנקשר ישירות לתחום הציטופלסמי α9 (Chen et al., 2004), והקינאז הליפידי, PIP5K1γ, הנקשר ישירות לטלין, שותף לקישור של תת-יחידת אינטגרין β1. spermine ו-spermidine הם גורמים קריטיים ל-PIP5K1γ, ולכן השילוב שלו עם SSAT מפחית ביעילות את הפעילות האנזימטית. PIP5K1γ ממיר את PI4P ל- PIP2 והוא אחראי לרוב ה- PIP2 המיוצר בתאי שריר חלק בדרכי הנשימה (Chen et al., 1998). PIP2 הוא המצע ליצירת IP3 על ידי PLCβ, כך שכאשר α9β1 קיים ומקושר, אגוניסטים מתכווצים המפעילים קולטנים מחוברים ל-Gαq מעוררים פחות יצירת IP3 (Chen et al., 2012) וכך פחות שחרור Ca 2+ דרך קולטני IP3 ב רשת סרקופלזמית. חשיבותו של מסלול זה אושרה על ידי התצפיות כי תדירות תנודות Ca 2+ הנגרמות על ידי אגוניסטים כולינרגיים הופחתה בפרוסות ריאה מעכברים חסרי α9β1, וכי ניתן להציל את כל החריגות בשריר החלק מבעלי חיים אלה על ידי תוספת של צורה חדירת תאים של PIP2 (Chen et al., 2012).

השפעות של ציטוקינים של תאי T על התכווצות שריר חלק בדרכי הנשימה.

מספר מחקרים שנערכו במהלך 15 השנים האחרונות הצביעו על כך שציטוקינים המשתחררים מתאי T יכולים לתרום לתגובת יתר של דרכי הנשימה באסתמה אלרגית (לוקסלי, 2010). ציטוקינים Th2 IL-13 נחקרו בהרחבה ביותר, ויכולים לגרום הן למטאפלסיה רירית והן לתגובת יתר של דרכי הנשימה כאשר ניתנת ישירות לדרכי הנשימה של עכברים (Grünig et al., 1998 Wills-Karp et al., 1998). במבחנה, דגירה של טבעות קנה הנשימה או פרוסות ריאות מגבירה את היצרות דרכי הנשימה בפרוסות הריאה ומגבירה את יצירת הכוח על ידי טבעות קנה הנשימה של עכברים, לפחות בחלקה על ידי גרימת עלייה דרמטית בביטוי של GTPase הקטן, RhoA (Chiba et al., 2009 ), שהוא גורם קריטי להתכווצות שרירי החלקה של דרכי הנשימה (איור 4 ב). אתגר אלרגני כרוני או מתן ישיר של IL-13 לדרכי הנשימה של עכברים גם הגדילו את ביטוי RhoA, בשילוב עם השראת היענות יתר של דרכי הנשימה. מחקר שנערך לאחרונה הציע ש-IL-17 יכול גם להגביר את התכווצות השרירים החלקים של דרכי הנשימה והצרת דרכי הנשימה על ידי אינדוקציה של RhoA בתאי שריר חלקים בדרכי הנשימה (Kudo et al., 2012). במחקר זה, עכברים חסרי אינטגרטין αvβ8 במיוחד על תאים דנדריטים המציגים אנטיגן היו מוגנים מפני תגובת יתר של דרכי הנשימה הנגרמות על ידי אלרגן. לעכברים אלו הייתה אותה מידה של דלקת כללית בדרכי הנשימה ומטאפלזיה רירית בתגובה לאלרגן כמו לעכברי שליטה מסוג פרא, אך היה להם פגם ספציפי מאוד ביצירת תאי Th17 הספציפיים לאנטיגן, מקור חשוב ל-IL-17 בריאות ( Kudo et al., 2012). במבחנה, הוכח כי IL-17 מגביר באופן ישיר את ההתכווצות של טבעות קנה הנשימה של העכבר ומעלה את רמות החלבון RhoA ואת אפקטורו במורד הזרם, ROCK2, ומגביר את הזרחון של יעד ה- ROCK הישיר, מיוזין פוספטאז. זרחון של מיוזין פוספטאז מעכב את תפקודו, וכתוצאה מכך הוכח כי IL-17 גם מגביר זרחון של קינאז שרשרת קלה של מיוזין. חשוב לציין, כל ההשפעות הביוכימיות הללו נגרמו באופן דרמטי in vivo בשריר חלק בדרכי הנשימה של עכברי ביקורת בתגובה לרגישות לאלרגנים ולאתגר, אך כולן הופחתו באופן ניכר בעכברים חסרי αvβ8 על תאים דנדריטים. יתרה מזאת, טבעות קנה הנשימה שהוסרו מעכברי נוקאאוט אלה לאחר אתגר אלרגן הפחיתו את ההתכווצות במבחנה בהשוואה לטבעות מעכברי ביקורת מאותגרי אלרגן, אך הבדל זה בכיווץ בוטל על ידי תוספת אקסוגנית של IL-17. ממצאים אלה מצביעים מאוד על כך שגם IL-13 ו- IL-17 יכולים לתרום להיענות יתר של דרכי הנשימה על ידי גרימת ישירות ביטוי RhoA בשריר החלק של דרכי הנשימה (איור 4 ב). גורם נמק גידול α, המעורב גם בפתוגנזה של אסתמה, הוכח כמגביר את התכווצות שרירי החלקה בדרכי הנשימה על ידי מנגנון דומה (Goto et al., 2009).

התכווצות שרירים חלקים בתיווך ציטוקינים בדרכי הנשימה בעכברים חסרי MFGE8.

גלולת שומן חלב EGF גורם 8 (MFGE8) הוא חלבון המופרש המורכב משני חזרות EGF ושני תחומים של דיסקודידין. MFGE8 תואר במקור כדי להקל על קליטת תאים אפופטוטיים על ידי פגוציטים (Hanayama et al., 2004). לעכברים חסרי MFGE8 יש מורפולוגיה ותפקוד ריאות נורמליים בקו הבסיס, אך יש להם היענות מוגזמת של דרכי הנשימה לאחר רגישות ואתגר לאלרגנים (Kudo et al., 2013). עם זאת, נראה כי חריגה זו לא קשורה להשפעות כלשהן על קליטה מחודשת של תאים אפופטוטיים. צביעה חיסונית הוכיחה כי MFGE8 שהופרש היה מרוכז בסמוך לשריר חלק בדרכי הנשימה. לטבעות קנה הנשימה שהוסרו מעכברי נוקאאוט MFGE8 היו תגובות התכווצות נורמליות בקו הבסיס, אך היו תגובות התכווצות משופרות באופן ניכר לאחר דגירה של לילה עם IL-13, וניתן היה להציל עלייה זו בכיווץ על ידי הוספת MFGE8 רקומביננטי לאמבט השרירים. חשוב לציין שההצלה דרשה נוכחות של לפחות אחד מתחומי הדיסקואידין ושל מוטיב ה- RGD המחייב את האינטגרין של החזרה השנייה של EGF. בטבעות קנה הנשימה של עכברים ובשריר חלק מתורבת של דרכי הנשימה, אובדן של MFGE8 הגביר מאוד את העלייה המושרה על ידי IL-13 בחלבון RhoA. ממצאים אלה מצביעים על כך שקשירת אחד או יותר אינטגרינים המחייבים RGD בשריר החלק של דרכי הנשימה על ידי MFGE8 תאי משמשת בדרך כלל כבלם לאינדוקציה של RhoA בתיווך ציטוקינים ובכך מגבילה את תגובת ההיפר המקסימלית של ציטוקינים המושרה בדרכי הנשימה (איור 4 ב). האינטגרינים הספציפיים המעורבים בתגובה זו, המנגנונים המולקולריים המקשרים בין קשירת אינטגרין לעיכוב של RhoA, ותפקידם ושותפיהם המחייבים של תחומי הדיסקואידין MFGE8 הנדרשים לעיכוב RhoA נותרו עדיין לקבוע.

מסקנות

התקדמות מהירה בזיהוי מולקולות ותאי השריר החלק אפיתל ושריר חלק שיכולים לייצר רבות מההפרעות שנמצאות אצל אנשים הסובלים מאסתמה. מכיוון שתגליות אלו התגלו במערכות ניסוי מגוונות, אנו עדיין מתמודדים עם אתגרים גדולים בהבנת האופן שבו מולקולות ומסלולים אלו מתקשרים ב-vivo ובזיהוי המסלולים הרלוונטיים ביותר אצל אנשים עם אסתמה. אסטמה היא מחלה הטרוגנית, וההתקדמות האחרונה לזיהוי תת -סוגים עם מנגנונים פתופיזיולוגיים מובטחים מבטיחה למקד את תשומת הלב במסלולים מסוימים בתאי השריר האפיתל והחלק (Lötvall et al., 2011). חשוב במיוחד להבין מנגנונים העומדים בבסיס אסתמה קשה. בערך 5-10% מהאנשים הסובלים מאסתמה סובלים ממחלה קשה, עם תסמינים שנמשכים למרות טיפול סטנדרטי עם מרחיבי סימפונות וקורטיקוסטרואידים בשאיפה (Brightling et al., 2012). לאנשים אלה יש שיעורי החמרה באסטמה המובילים לאשפוז והם נמצאים בסיכון גבוה יחסית להתקפי אסתמה קטלניים. תשומת לב מתמשכת לחקר הביולוגיה התא של אסתמה תהיה מכרעת ליצירת רעיונות חדשים למניעה וטיפול באסתמה המבוססים על נורמליזציה של תפקוד האפיתל והשריר החלק.


תוצאות ודיון

מאחר וידיעותינו על אלרגיה לבוטנים הוגבלו למיני היבול ולשני אבותיו הגנומיים, ובהתחשב בממצאים שלתחליפי חומצות אמינו יחידות עשויה להיות השפעה ניכרת על האלרגניות [14, 31, 32], רלוונטי לחקור חומצת אמינו יחידה. החלפות במיני הבר של ארכיס ולהעריך את השפעתם על האלרגניות. לשם כך, ריצפנו את שני האלרגנים החיסוניים ערה ח 2 ו ארה ח 6 מתוך 24 מינים המייצגים את השושלות העיקריות ב אראצ'יס והשתמש בגישות מרובות לאפיין שינויים מולקולריים ולקבוע את השפעתם על אלרגיניות. שלוש תוצאות בולטות ממחקר זה עלו. האחד, שני ההומולוגים לאלרגנים שנחקרו, ערה ח 2 ו ערה ח 6, עקבו אחר מסלולים אבולוציוניים מנוגדים מאוד. במיוחד, ערה 2 עבר שיעור גבוה יותר של החלפות חומצות אמינו בהשוואה ל ערה 6 וצבר הרבה יותר הפסדים ורווחים של מוטיבים הנעים בין 1–24 חומצות אמינו (S1 איור). שניים, וחשוב למדי, השינויים המולקולריים הללו התרכזו בעיקר באזורים העשירים באפיטופים אימונודומיננטיים, במיוחד באפיטופים 6 ו-7 (איור 2, איור S1). שלוש, אירועי המוטציה (החלפות והוספות/מחיקות) במיוחד ב ערה 2 נראה כי עוקב אחר מגמות פילוגנטיות מבסיס ה- אראצ'יס עץ לענפי הטרמינל.ממצאים אלה מעלים את השאלות של הגורמים הבסיסיים שהשפיעו בצורה שונה ערה 2 ו ערה 6 אופני האבולוציה והאם שינויים מולקולריים כאלה קשורים להדגשה פוטנציאלית של אלרגניות. כדי להתמודד עם המצב הביולוגי המוזר הזה, נשווה את שני ההומולוגים ברבדים מולקולריים שונים ונדון בממצאים במסגרת פילוגנטית/אבולוציונית.

פערים ואפיטופים מסומנים. מספרים מעל העמודות מציינים עמדות יישור.

הרכב מולקולרי השוואתי על פני הסוג אראצ'יס

אחד הממצאים הבולטים במחקר זה הוא זה ערה 2 ו ערה 6 הומולוגים מן הבר אראצ'יס מינים שונים באופן מהותי בדפוסי מוטציה ובאורך ORF. כדי לשפוך אור על הגורמים הבסיסיים שעשויים להסביר את ההבדלים הללו ולהעריך את ההשפעה של אבולוציה מנוגדת זו על חלבונים אלה, הערכנו קומפוזיציות מולקולריות בשתי שכבות: רמות נוקלאוטיד וחומצות אמינו. תרכובות הנוקלאוטיד לכל ORFs של ערה 2 ו ערה 6 הומולוגים וכן תדירויות הנוקלאוטידים לכל מיקום קודון מוצגים באיור 3. בסך הכל, שני ההומולוגים לא נבדלו באופן משמעותי בהרכב הנוקלאוטידים שלהם על פני הסוג מאז בדיקת ה-t דחתה את השערת האפס. זה מדגיש אילוצים בולטים על אופן החלפות הנוקלאוטידים שלהם כדי לשמור על הרכבים דומים.

אחוזים ממוצעים של אדנין (A), תימין (T), גואנין (G), ציטוזין ויחסי GC. חישובים נעשו עבור רצפי DNA הכוללים ומיקומי קודון בודדים של ערה 2 ו ערה 6 ממין אראצ'יס. הסימונים 1, 2 ו -3 מציינים עמדות קודון 1, 2 ו -3 ו -3. הנתונים מוצגים כממוצע ± SD. ANOVA דו-כיוונית עם סידאק לאחר הבדיקה הוחלה. שני ההומולוגים לא היו שונים מבחינה סטטיסטית בהרכב הנוקלאוטידים.

הוכח כי תוכן GC גבוה יותר מתאם באופן חיובי עם שיעורי ההחלפות [62, 63]. מחקר שנערך לאחרונה המתמקד ב א. duranensis אומדן תכולת GC ממוצעת של 31.8% לכל הגנום, וזה תואם את רוב הקטניות שנבדקו [9]. יחס ה- GC הכולל של שני ההומולוגים היה דומה מאוד (ערה 2 = 55.7± 0.8 ערה 6 = 56.1± 0.5, (איור 3). התוכן הממוצע של 56% GC של ערה 2 ו ערה 6, בהיותו גבוה משמעותית (75%) מזה שדווח בכללותו א. duranensis הגנום מצביע על נוף גנטי מתאים לשיעורים מואצים של מוטציות בשניהם. עם זאת, התדירות של החלפות חומצות אמינו נותרה נמוכה יותר ערה 6. הבדל אחד בולט הוא זה ערה 2 הראה יחסי GC גבוהים יחסית בעמדות הקודון ה-1 וה-2 שלו בניגוד ל ערה 6 (איור 3). הבדל זה עשוי להסביר בין השאר את תחליפי חומצת האמינו המוגברים ב ערה 2 מאחר שמוטציות במיקוד קודון ראשון ושני מתורגמות ל -96% ול -100% תחליפים לא -אנונימיים, בהתאמה, לעומת 31% למיקום השלישי [64].

שני ההומולוגים, למרות היותם אלרגניים ביותר, מפגינים פער במספרם ובדרכי החלפת חומצות האמינו (איור 4, איור S1). זהויות רצף חומצות אמינו הדדיות עבור ערה 2 מעבר ל אראצ'יס המינים נעו בין 65.5% ל 99.4% (ממוצע 89.4% ± 8.2) לעומת 75.7% -99.3% עבור ארה ח 6 (ממוצע 93.2%± 5.3), המדגיש את התדירות הגבוהה יותר של תחליפים בראשון. במקרה של ערה 2, אורך ORF נע בין 156 ל- 181 חומצות אמינו (טבלת S1). יישור חומצת האמינו של ערה 2 נדרשה החדרה של 17 פערים הנעים בין 1 ל-29 חומצות אמינו, וכתוצאה מכך 203 עמדות יישור (איור S1). חשוב לציין כי חומצת האמינו ממקמת 59–90 באפיטופ 5 ובאפיטופים 6, 7 והאימונו -דומיננטיות ו -7b שהוכרו לאחרונה מציגות תחליפי שאריות והפסדים/רווחים שעלולים להשפיע על אלרגניות (איור 2). 13 פערים בגזרה הכוללים אפיטופים 6, 7 ו -7b מזוהים ומתויגים A-L (איור 2). המוטציה בעמדה 64 מציגה סמן מולקולרי למוצא הגנומי של היבול הטטרפלואידי מכיוון שהוא גליצין (G) בכל שלוש ההצטרפות של א. ipaensis וחומצה גלוטמית (E) בסך הכל א. היפוגאיה ו א. duranensis הצטרפות (איור 2).

ANOVA דו-כיוונית עם סידאק לאחר הבדיקה הוחלה. כל הנתונים מוצגים כממוצע ± SD. *p & lt 0.05, ** p & lt 0.01, *** p & lt 0.001, **** p & lt0.0001.

ה ערה 6 ORF, לשם השוואה, הציג טווח צר יותר של שאריות חומצות אמינו ברחבי הסוג, 145 עד 147 (טבלה S1). רק שני פערי רצף נדרשו ליישור, המתאימים למתיונין בעמדה 22 וארגינין בעמדה 69 (איור S1). מעניין לציין כי קודון התחלת ההתחלה הזה בתוך המסגרת בעמדה 22 התפתח במינים שהופיעו לאחר ההתפצלות המוקדמת א. triseminata, א. paraguariensis ו א. macdoi. שארית מתיונין זו לא יכולה להיחשב כקודון התחלה חלופי מכיוון שהיא מתרחשת במורד הזרם של אזור פפטיד האות. ההבדלים הנותרים בחומצות אמינו נבעו מהחלפות, מה שמדגיש את דפוסי האבולוציה המנוגדים שעברו ערה 2 ו ערה 6 לרוחב הסוג. אובדן/עלייה נדירה של שאריות חומצות אמינו ב ערה 6 על פני הסוג אראצ'יס לעומת ערה 2 מסקרן וניתן לייחס אותו למגבלות מבניות/תפקודיות של חלבון אלרגן זה.

כדי להעריך הטרוגניות פוטנציאלית בהרכב חומצות האמינו ברחבי אראצ'יס ההיסטוריה האבולוציונית של הסוג עקב אירועי המוטציה שצוינו, ניתחנו את הרכבי חומצות האמינו של ערה 2 ו ערה 6 הומולוגים. השניים היו דומים בהרכב חומצות האמינו ברחבי הסוג, והיו דלים בטריפטופן (W) ובעלי ארגינין (R) וגלוטמין (Q) (איור 4 ו- S2 טבלה). ממצאים אלה תואמים מחקרים קודמים על בוטנים [65]. טריפטופן היה חסר ערה 2 משלושה מינים וה ערה 6 מתוך 14 מינים (לוח S2). זה נצפה כי ערה 2 הכיל וריאציה גבוהה יותר על פני הסוג אראצ'יס בגלוטמין (Q), פרולין (P) ואספרטט (D), ואילו ערה 6 הציג וריאציה גבוהה יותר בגלוטמט (E), היסטידין (H) וארגינין (R) (S2 איור ו- S2 טבלה). למרות דפוסי השונות המנוגדים, שני ההומולוגים דומים בהרכבם מבחינת חמש הקבוצות הפיסיקוכימיות של חומצות אמינו והם עשירים בחומצות אמינו הידרופוביות ודלות בחומצות אמינו ארומטיות (איור 5). לכן, נראה שאירועי מוטציה בשני ההומולוגים מוגבלים לשמור על הרכב הקבוצות הפיזיקוכימיות על מנת לשמר את השלמות התפקודית והמבנית של חלבונים אלה.

הממוצעים, סטיות התקן (מצוינות כפסים) וערכי ה-p הסטטיסטיים עבור מובהקות ההפרש חושבו ב-Graphpad Prism. ANOVA דו-כיוונית עם סידאק לאחר הבדיקה הוחלה. שני ההומולוגים לא היו שונים מבחינה סטטיסטית בהרכבים של רשתות צד.

האופי ההידרופובי של החלבון חשוב לפונקציונליות של פפטידי האותות של האלרגנים הללו [30]. ערה 2 ו ערה 6 מסונתזים בציטופלזמה כחלבוני מבשר עם פפטיד אות נוסף של חומצת אמינו מסוף N הנדרש להובלה לווקום [19, 30, 66]. פפטידי האות (שיירי חומצות אמינו 1-7 [29] או שיירים 1-21 [67] מכילים פערים של 2 שאריות ב ערה 2 והצג מספר החלפות בשניהם ערה 2 ו ערה 6 (איור 6 ו-S1 איור). למרות המוטציות הללו, האזור נותר מוגבל מאוד לשמור על התכונה הפיזיקוכימית ההידרופובית הנדרשת לתפקוד המכריע שלו (איור S1). לסיכום, למרות ששני חלבוני האלרגן עברו דפוסים מנוגדים של החלפות חומצות אמינו והפסדים/רווחים בהיסטוריה האבולוציונית של הסוג, הם שמרו על הרכב חומצות אמינו דומות וקבוצות פיסיקוכימיות.

מוצגות התפלגות לפי קודון של מוטציות נרדפות (אדום), מוטציות לא-אנונימיות (אפור) ואינדלים (כחול). אפיטופים קושרי IgE מודגשים מתחת לשאריות חומצות האמינו. 5א. הומולוג Ara 2. 5ב. ארא ח 6 הומלוג.

חתימות של ברירה טבעית ב ערה 2 ו ערה 6

דפוסי המוטציה המנוגדים שנצפו ב ערה 2 ו ערה 6 (איורים 4 ו -6, איור S1) מעלים את השאלה האם מצבים אבולוציוניים אלה מונעים על ידי ברירה טבעית, גיוון חיובי או טיהור שלילי. הערכת חתימות של הברירה הטבעית הפועלת על קידוד אזורים גנומיים היא אתגר גדול. מורל ואח '. (2015) [45] ציין כי עדיין אין דרך בלתי שנויה במחלוקת לענות על השאלה האם הגן התפתח תחת סלקציה חיובית. גורמים בסיסיים התורמים לקשיים בקביעת חתימת הסלקציה החיובית כוללים דפוסים מהותיים של החלפות גנים, הנחות ביולוגיות שנעשו ומודלים בשימוש. כדי להעריך חתימות לבחירה טבעית אפשריות הפועלות על פי ערה 2 ו ערה 6בהתחשב בהבדלים הבולטים בדפוסי המוטציה, בחרנו בניגוד לתוצאות של שלוש שיטות עצמאיות (מבוססות-מרחק, BUSTED ו- FUBAR) המאמצות הנחות ביולוגיות שונות ומשתמשות במדדים לאומדן גנים ספציפיים או שלמים של חתימות ברירה טבעית.

אחת השיטות הפשוטות ביותר היא זו של ניי וגוג'ובורי (1986) [43] המתמקדת באיתור הברירה הטבעית תוך שימוש בשיעורים של החלפות נרדפות לעומת לא -נרדפות בגנים המקודדים חלבונים. האלגוריתמים מחשבים שונות ושונות של המוטציות dS (שם נרדף) ו- dN (לא מילים נרדפות) והפרופורציות של הבדלים נרדפים (pS) ולא -מילים (pN). באמצעות SNAP עבור חישובים אלה, הממוצעים של כל ההשוואות הזוגיות עבור ה ערה 2 מערך הנתונים הראה dS = 0.0142, dN = 0.0475, dS/dN = 0.3319 ו-pS/pN = 0.3379. לעומת זאת, ה ערה 6 מערך הנתונים חשף dS = 0.0831, dN = 0.0247, dS/dN = 5.8627, ו-pS/pN = 5.5914. ה-0.332 dS/dN עבור ערה 2 מרמז שהוא חווה ברירה חיובית לאורך ההיסטוריה האבולוציונית של הסוג, בעוד שה-5.863 dS/dN מחושב עבור ערה 6 מציין סלקציה מטהרת. ערך dS/dN מתחת ל -1 מרמז על בחירה חיובית/מגוונת בעוד שמעל 1 מסמל בחירה מטהרת (פלט SNAP מוצג כ-dS/dN ולא dN/dS). BUSTED, שיטה רחבה וממוקדת ברירה חיובית, דיווחה על עדויות לברירה אפיזודית מגוונת בכל הגנים ב ערה 2 על פני ענפי הפילוגניה (עמ = 0.005 ≤ 0.05) אך אין עדות למגוון אפיזודי ב ערה 6 (עמ-ערך = 0.151 ≥ 0.05). לכן, הממצא BUSTED תואם את גישת Nei and Gojobori (1986), כאשר שניהם מראים כי ערה 2 חווה בחירה חיובית. ערה 6, לעומת זאת, הוכח תחת בחירה מטהרת באמצעות גישת Nei and Gojobori (1986) (בדיקות BUSTED לבחירה חיובית).

שיטת FUBAR הספציפית לאתר, מבוססת בייסיאנית זוהתה ב ערה 2 גיוון מבחר וטיהור מבחר ב -5 אתרים כל אחד עם הסתברות אחורית 0.9. ל ערה 6, שיטה זו גילתה גיוון בחירה בשני אתרים אך טיהרה את הבחירה ב -8 אתרים (הסתברות אחורית 0.9). האתרים שזוהו מודגשים בטבלת S3. ל- FUBAR (Murrell et al. 2013) [46] יש יותר כוח לאיתור בחירה חיובית חלשה (בשפל ωערכי & gt1). בהשוואה בין השיטות הרחב לגן לבין השיטות הספציפיות לאתר המשמשות כאן, מאמינים שהשיטות רחבות הגנים יעילות יותר בזיהוי חתימות ברירה טבעית. מורל ואח '. ) מסקנות דומות הגיעו על ידי אחרים [68, 69]. נראה שזה המקרה באיתור של סלקציה חיובית בשיטות רחבות הגן הנהוגות במחקר זה. לסיכום, הגישות הכוללות את הגנים הראו זאת ערה 2 מתפתח תחת בחירה חיובית/מגוונת. גישות Nei and Gojobori (1986) [43] וגישות FUBAR (בדיקות BUSTED לבחירה חיובית) הוכיחו כי ערה 6 מתפתח תחת בחירה שלילית/מטהרת. FUBAR זיהה אתרים תחת מבחר חיובי בשניהם ערה 2 ו ערה 6 אבל יותר אתרים תחת בחירה מטהרת ב ערה 6 (2 לעומת 8 אתרים, בהתאמה). ממצאים אלה מעלים את השאלות המוזרות האם בחירה חיובית ב ערה 2 מילא תפקיד בהופעתם של מוטיבים חיסוניים, ואילו טיהור הבחירה ב ערה 6 שמר על סטטוס של גן שהופיע בתחילה עם תכונות אלרגניות חזקות כאשר אראצ'יס סטה ממוצא המשותף שלו.

כדי להעריך את ההשלכות האפשריות של הבחירה החיובית שהתגלתה ב ערה 2, יהיה צורך להתייחס לשני מושגים. האחד מתייחס לזיהוי של עלייה מתקדמת באלרגניות לאורך ההיסטוריה האבולוציונית של הסוג והשני נוגע ליתרונות ההסתגלותיים הפוטנציאליים שלו לאלרגניות. תובנה לגבי הקשר בין ההתרחבות המתקדמת של האזור המקיף את האפיטופים האימונודומיננטיים 6, 7 ו-7b, כולל התוספות הפרוגרסיביות של מוטיבים של DPYSPS ב ערה 2 (איור 2) והשיפור של האלרגניות מסופק על ידי ניסויי immunoblot. ניסויים אלו (מפורטים בהמשך) חשפו עלייה מתקדמת באלרגניות מהמין הבסיסי א. triseminata למינים הסופיים בעץ הפילוגנטי, א. היפוגאה. השינויים תואמים להרחבות של אזור המוטיבים האימונודומיננטיים (איור 2), מה שמצביע על קשר אפשרי בין שתי התופעות. הנקודה השנייה שיש להתייחס אליה היא זמינות הראיות ליתרונות הסתגלותיים האלרגניות עשויה להעניק לזרעי בוטנים. מחקרים ניסיוניים ישירים המתייחסים לשאלה זו במיני הבר של אראצ'יס אינם זמינים בספרות. עם זאת, קיימת עבודות מסוימות המקשרות את חלבוני האלרגן להגנה מפני חרקים ופתוגנים. ערה 2 הוא מעכב טריפסין [7] ותפקוד זה הוכח לשלוט בהתקפות חרקים, תכונה המשמשת בתוכניות רבייה לסבילות חרקים במהלך אחסון זרעים [70]. משפחת חלבוני האלבומין 2S, אליה ערה 2 ו ערה 6 שייך, הוכח כיעיל במניעת צמיחת פטריות וחיידקים בזרעי צנון ועוד ארבעה מבני משפחת החרדל Brassicaceae [71]. באופן דומה, תכונות אנטי פטרייתיות ידועות בחלבון 2S אלבומין הומולוגי מזרעי פסיפלורה [72]. בהתחשב בממצאים אלה בבוטנים ובצמחים פורחים אחרים, לחץ בחירה חיובי/מגוון המקדם את הגברת האלרגניות עשוי להיות יתרון כדי להגדיל את סיכויי הישרדות הזרעים באמצעות הגנה מפני חרקים ופטריות. דפוסי האבולוציה המולקולרית מתועדים ב ערה 2 והעלייה ההולכת ומתקדמת באלרגיניות שנפתרה ב- immunoblots מעודדת מחקרים ישירים על זרעי מיני בר כדי להעריך יתרונות סלקטיביים לאלרגניזם של חלבונים.

הערכה פילוגנטית ואבולוציונית של אפיטופים

דפוס ההחלפה (מוטציות ואינדלים), במיוחד תחליפים לא מילים נרדפות, יכול להיות בעל השלכות מבניות ופונקציונליות כפולות בגנים המקודדים חלבון. בגנים של אלרגן, תחליפים לא-אנונימיים בקטעים עתירי אפיטופים או כפילויות של אפיטופים אלרגניים עשויים להשפיע באופן מהותי על אלרגניות [14, 17, 30]. הוכח בבוטנים כי החלפת שאריות בודדת מבטאת ירידה של עד 99% באלרגניות על ידי פגיעה ביכולת הקישור של IgE [14, 31, 32]. נדון בפלטפורמה פילוגנטית באירועי המוטציה באפיטופים האלרגניים של שני ההומולוגים. זיהוי של ערה 2 ו ערה 6 אפיטופים ברחבי הסוג מבוססים על אפיטופים המוכרים בגידול ובאבותיו המשוערים על ידי Staley et al. (1997) ו- Ratnaparkhe et al. (2014) [14, 29].

ה ערה 2 הומולוג

עשר אפיטופים הוכרו ב ערה 2 [14]. אפיטופים 6 ו-7 הם ייחודיים להומלוג זה ומכילים את מוטיב ההקסאפפטיד האימונודומיננטי האופייני DPYSPS (איור 2 ו-S1 איור) הממוקם בין סלילים 2 ו-3. שמונת האפיטופים האחרים מחולקים בין האזור במעלה הזרם (אפיטופ 1-5) והמורד הזרם. אזורים (אפיטופים 8-10). אפיטופ 1-4 (HASARQQWEL, QWELQGDR, DRRCQSQLER, LRPCEQHLMQ, בהתאמה) ואפיטופים 8-10 (LQGRQQ, KRELRN, QRCDLDVE, בהתאמה) נשמרים לחלוטין עד מאוד אראצ'יס (איור S1). אפיטופ 5 (KIQRDEDS), לעומת זאת, עבר אירועי מוטציה מורכבים. למרות שמוטיב ה-KIQR שלו לא השתנה בכל הסוג, המגזר הנותר (DEDS) הכיל מספר מוטציות ואינדלים לאורך ההיסטוריה של הסוג, המופיעים כ-DQD-Q ו-DED-S (מקפים מציינים פערים) בקליפת הבסיס של א. macdoi, א. lutescens, ו א. triseminata, עובר מוטציה ל-DQS—, EED-Q, DEDSS במינים של שושלות עוקבות, וחוזר לרצף המקורי של DED-S ביבול ובמינים הקשורים אליו של השושלת הסופית (איור 1 ו-S1 איור). יש לציין כי הסטייה המוקדמת א. triseminata עם ה- DQS הקטוע - מוטיב הציג את הרמה הנמוכה ביותר של אלרגניות בניסוי האימונובלוט שלנו בהשוואה לבוטן (איור 7, יידון להלן). למוטציות טבעיות אלו יש פוטנציאל לספק קווים מנחים חשובים לבחינת ההשפעה של מוטציות אובדן/רווח ושאריות על האלרגניות.


מידע על הסופר

מחברים אלה פיקחו במשותף על עבודה זו: יו ה. ריד, ג'יימי רוסג'ון.

שותפים

תכנית זיהום וחסינות והמחלקה לביוכימיה וביולוגיה מולקולרית, מכון גילוי ביו -רפואה אוניברסיטת מונש, קלייטון, ויקטוריה, אוסטרליה

יאן פיטרסן, לורה צ'אצ'י, מאי ט.טראן, חי לי לו, נתן פ. קרופט, אנתוני וו. פורסל, יו ה. ריד וג'יימי רוסג'ון.

מרכז המצוינות של מועצת המחקר האוסטרלית בהדמיה מולקולרית מתקדמת, אוניברסיטת מונש, קלייטון, ויקטוריה, אוסטרליה

יאן פטרסן, לורה צ'יאקי, יו ה. ריד וג'יימי רוסג'ון

המחלקה לאימונוהמטולוגיה ועירוי דם, המרכז הרפואי של אוניברסיטת ליידן, ליידן, הולנד

איבון קוי-וינקלאר ופריץ קונינג

מכון וולטר ואליזה הול למחקר רפואי, פארקוויל, ויקטוריה, אוסטרליה

מלינדה י 'הארדי וג'ייסון א' טי-דין

המחלקה לביולוגיה רפואית, אוניברסיטת מלבורן, פארקוויל, ויקטוריה, אוסטרליה

מלינדה י 'הארדי וג'ייסון א' טי-דין

המחלקה למיקרוביולוגיה ואימונולוגיה, מכון פיטר דוהרטי לזיהום וחסינות, אוניברסיטת מלבורן, מלבורן, ויקטוריה, אוסטרליה

ז'נג'ון צ'ן וג'יימס מק'קלוסקי

ImmusanT, קיימברידג', MA, ארה"ב

המחלקה לגסטרואנטרולוגיה, בית החולים המלכותי מלבורן, פארקוויל, ויקטוריה, אוסטרליה

המכון לזיהום וחסינות, בית הספר לרפואה של אוניברסיטת קרדיף, קרדיף, בריטניה

תוכל גם לחפש מחבר זה ב- PubMed Google Scholar

תוכל גם לחפש מחבר זה ב- PubMed Google Scholar

תוכל גם לחפש מחבר זה ב- PubMed Google Scholar

תוכל גם לחפש מחבר זה ב- PubMed Google Scholar

תוכל גם לחפש מחבר זה ב- PubMed Google Scholar

תוכל גם לחפש מחבר זה ב- PubMed Google Scholar

תוכל גם לחפש מחבר זה ב- PubMed Google Scholar

תוכל גם לחפש מחבר זה ב- PubMed Google Scholar

תוכל גם לחפש מחבר זה ב- PubMed Google Scholar

תוכל גם לחפש מחבר זה ב- PubMed Google Scholar

תוכל גם לחפש מחבר זה ב- PubMed Google Scholar

תוכל גם לחפש מחבר זה ב- PubMed Google Scholar

תוכל גם לחפש מחבר זה ב- PubMed Google Scholar

תוכל גם לחפש מחבר זה ב- PubMed Google Scholar

תוכל גם לחפש מחבר זה ב- PubMed Google Scholar

תרומות

ג'יי.פי, ח.ר., ל.סי. ומ.י.ה. תרם ליצירת וניתוח הנתונים. Z.C. ו-J.M סיפקו ריאגנטים מרכזיים. R.P.A., A.W.P., J.A.T-D. ו- F.K. תרם לניתוח נתונים ולכתיבת כתבי יד. ח.ר. וג'יי.אר הם מחברים בכירים ומתכתבים משותפים, יחד עם ג'יי פי, הגה את המחקר, ניתח נתונים וכתב את כתב היד במשותף.

מחברים מקבילים


תַקצִיר

חיידקים משתמשים בשליחים כימיים ניתנים להפצה, המכונים פרומונים, כדי לתאם ביטוי גנים והתנהגות בין תאים בקהילה על ידי תהליך המכונה חישת קוורום. פרומונים של חיידקים גרם חיוביים רבים, כגון בזילוס ו סטרפטוקוקוס, הם פפטידים קטנים ולינאריים המופרשים מהתאים ומתגלים לאחר מכן על ידי קולטנים תחושתיים כמו אלה השייכים למשפחה הגדולה של חלבוני RRNPP. חלבונים אלה הם קולטני פרומון ציטופלסמיים החולקים תחום מחייב פרומונים דומה מבחינה מבנית המתפקד באופן אלוסטרי לוויסות פעילות הקולטן. מבני גבישי רנטגן של חברי RRNPP אבות טיפוסיים סיפקו תובנות ברמה האטומית לגבי המנגנון והוויסות שלהם על ידי פרומונים. סקירה זו מספקת סקירה כללית של איתות אב טיפוס של RRNPP מתארת ​​את המבנה-פונקציה של משפחת חלבונים זו, המתפשטת בקרב חיידקים חיוביים גרם ומציעה גישות למקד מערכות RRNPP על מנת לתמרן התנהגויות חיידקיות מועילות ומזיקות.


עבור מערכות חיסון של צמחים ובעלי חיים הדמיון חורג מעבר לחישה

סופרפוזיציה של תחומי ה-HeLo של MLKL של צמח (צהוב), אנושי (כחול) ועכבר (ורוד). קרדיט: טאקאקי מאקאווה

אף על פי ששונה מאוד מבחינת הפיזיולוגיה, בית הגידול והצרכים התזונתיים, צמחים ובעלי חיים מתמודדים עם בעיה קיומית משותפת אחת: כיצד לשמור על ביטחונם מול חשיפה מתמדת למיקרואורגניזמים מזיקים. עדויות עולה כי צמחים ובעלי חיים פיתחו באופן עצמאי קולטנים דומים החשים מולקולות פתוגניות ומפעילים תגובות חיסוניות מולדות מתאימות.

כעת, במחקר שפורסם בכתב העת מארח סלולרי ומיקרוב, הסופרת הבכירה טאקאקי מאקאווה יחד עם המחברים הראשונים ליסה ק. מאדי, מנגאנג הואנג, שיאוקסיאו ז'אנג ועמיתיו גילו כי צמחים פיתחו משפחה של חלבונים הדומים בולט לחלבונים הנקראים חלבונים דמויי קינאז מעורבים (MLKL) ), המעוררים מוות של תאים בבעלי חוליות כחלק מהתגובה החיסונית. בחשיפת ואפיון משפחה חדשה וחשובה של חלבונים חיסוניים מהצומח, מחקר המחברים, שכלל שיתוף פעולה עם חוקרי MPIPZ אחרים, פול שולצה-לפרט, ג'יין פארקר וג'ג'י צ'אי, מספק תובנות חדשות מסקרנות כיצד הצמחים מגנים על עצמם מפני פולשים מיקרוביאליים.

מוות תאי מוסדר מלווה לעתים קרובות בחסינות מפני זיהום בצמחים, בבעלי חיים ובפטריות. תיאוריה רווחת אחת מציעה שתגובות מוות תאי מקומיות מאוד משמשות להגבלת התפשטות הזיהום. למרות שמקורו העצמאי נראה כי תגובה משותפת זו כוללת גם מכונות דומות מאוד: חלבונים רבים המעורבים במוות תאים בממלכות חיים שונות מכילים תחום HeLo, מבנה צרור המורכב מארבע סלילים, הגורם להתנגדות ותאים מוות על ידי הפרעה לשלמות של ממברנות הסלולר או יצירת תעלות יונים.

בהתבסס על קווי הדמיון בין מערכת החיסון של בעלי חיים וצמחים ותפקיד המפתח שממלאים תחומי HeLo במוות תאים, שיער מאקווה כי צמחים עשויים להכיל חלבונים אחרים בעלי תחומי HeLo. בעזרת ניתוח ביואינפורמטי ומבני, הוא וצוותו גילו משפחה חדשה של חלבונים המכילים תחום HeLo המשותפים באופן נרחב בין מיני צמחים שונים, דבר המצביע על כך שהם חשובים לפיזיולוגיה של הצמחים.

Maekawa כינה את צמח החלבונים MLKLs, ולמחקרים נוספים הוא התמקד ב-MLKLs המתבטאים בצמח המודל Arabidopsis thaliana. הוא והצוות שלו בודדו חלבוני MLKL מ-A. thaliana וקבעו של-MLKL צמחים יש את אותה ארכיטקטורת חלבון כוללת כמו עמיתיהם בעלי החוליות, וגם מתאספים למבנים טטרמרים, כנראה מעכבים אוטומטיים, כאשר הם אינם פעילים. חשוב לציין כי MLKL צמחים ממלאים תפקיד גם בחסינות, כצמחים בהם גנים המקודדים לחלבונים אלה מוטציות ולכן לא תפקודיים היו רגישים לזיהום פתוגני.

מחקר נוסף גילה קווי דמיון נוספים עם MLKLs בעלי חוליות: MLKLs צמחים נסחרים גם לממברנות הסלולר כחלק מתפקודם, והפעלת חלבונים אלה מובילה למוות תאים. Maekawa שואפת כעת לגלות את הפרטים המולקולריים העומדים בבסיס תפקודם של MLKL צמחים בחסינות: "יהיה מרגש לחשוף בדיוק כיצד MLKLs מופעלים בעת זיהום פתוגן וכיצד הפעלה זו מתורגמת להגנה יעילה על צמחים."


משפחות חלבוני אלרגנים במזון ומאפייניהם המבניים ויישומם באבחון שנפתר על רכיבים: נתונים חדשים מפרויקט EuroPrevall

מספר רב של אלרגנים למזון המסוגלים לגרום לתסמינים אלרגיים אצל אנשים בעלי נטייה, כולל תגובות חמורות ואף מסכנות חיים, זוהו ואופיינו. עם זאת, חלבונים המסוגלים לגרום לתגובות כאלה בתיווך IgE ניתן לשייך רק למספר מוגבל של משפחות חלבונים. ידע מפורט אודות המאפיינים של אלרגנים למזון, המבנים התלת-ממדיים שלהם, הפעילות הביולוגית ויציבותם, יסייעו לשפר את האבחנה של אלרגיה למזון, להימנע מדיאטות הדרה מיותרות ולהעריך את הסיכון לאלרגיות צולבות למקורות מזון אחרים. סקירה זו מוקדשת לסיכום הידע העדכני על משפחות החלבון האלרגנים החשובות ביותר למזון ולהצגת נתונים מספריית האלרגנים של EuroPrevall, אוסף הוכחת מושג של אלרגנים למזון מטוהרים, מאופיינים ומאומתים ביותר ממקורות מזון מן החי והצומח כדי להקל על אבחון משופר של אלרגיות למזון.

מקורות רלוונטיים לאלרגני מזון

זוהי תצוגה מקדימה של תוכן המנוי, גישה באמצעות המוסד שלך.


שיטות

חיות

נקבות עכברי BALB/c, בגילאי 8-12 שבועות (נ= 12 לקבוצה), נרכשו ממעבדות צ'ארלס ריבר (Saint-Constant, קוויבק, קנדה) ושוכנו בתנאים מבוקרים סביבתיים ספציפיים ללא פתוגנים במשך שבוע אחד לפני המחקר, ולאורך כל הניסויים. כל ההליכים נבדקו ואושרו על ידי מועצת האתיקה לחקר בעלי חיים באוניברסיטת מקמאסטר.

רגישות וחשיפה לאלרגנים

עכברים עברו רגישות ונחשפו ל-OVA, HDM או שילוב של שני האלרגנים (HDM ו-OVA) לפי פרוטוקולי חשיפה כרונית לאלרגנים שנקבעו (איור 1) (Inman et al., 1999 Leigh et al., 2002 Leigh et al. , 2004c Leigh et al., 2004a Leigh et al., 2004b Southam et al., 2007).

חשיפה ל- OVA

כל העכברים שקיבלו OVA היו רגישים ל- OVA באמצעות הזרקה תוך -צפקית (IP) ביום הראשון ואחריו הזרקת IP והתקנה אינטראנלית (IN) ביום 11. זריקות OVA IP כוללות זירוז 10% אלומיניום אשלגן סולפט עם 0.05% OVA, התאמת ה- pH ל -6.5, ולאחר מכן צנטריפוגה וחידוש הגלולה במי מלח, ואחריו הזרקת IP 200 μl. לאחר מכן, חמש תקופות של חשיפה ל-IN OVA, כל אחת בהפרש של שבועיים. במהלך כל תקופה של יומיים, OVA ניתנה בימים רצופים בריכוז 100 מיקרוגרם/25 μl. עכברים שקיבלו OVA קיבלו גם חשיפה מדומה לאלרגן HDM (בצורה של IN SAL), על פי פרוטוקול החשיפה של HDM (איור 1).

חשיפה ל-HDM

תמצית HDM מ Dermatophagoides pteronyssinus (Greer Laboratories, Lenoir, NC) הוחלף מחדש עם תמיסת מלח סטרילית עם חוסם פוספט כדי להגיע לריכוז של 15 מיקרוגרם/25 μl, שנחלק לאחר מכן והוקפא ב-20 מעלות צלזיוס. ה- HDM הופשר בטמפרטורה של 4 מעלות צלזיוס למשך הלילה ותינתן למחרת. כל העכברים שקיבלו HDM נחשפו תחילה לאלרגן באמצעות התקנה יומית של 25 μl (15 μg/25 μl) IN, למשך שתי תקופות של 5 ימים כל אחת (ימים 29-33 ו-36-40). לאחר מכן הגיעה תקופה של 8 שבועות של חשיפה ל-HDM, במהלכה נחשפו עכברים ל-IN HDM שלוש פעמים בשבוע, בכל יום אחר בשבוע (ימי שני, רביעי ושישי), החל מיום 43. עכברים שקיבלו HDM גם קיבל חשיפה דמה לאלרגן OVA (בצורה של IN SAL), על פי פרוטוקול החשיפה ל- OVA (איור 1).

חשיפת HDM-OVA (שילוב)

תוך שימוש באותן שיטות מתן המשמשות לאלרגנים בודדים בלבד, כל העכברים שקיבלו את השילוב של HDM ו-OVA עברו רגישות ראשונה ל-OVA ולאחר מנוחה של 16 ימים (ימים 12-28), נחשפו ל-HDM ב-5 ימים. בשבוע לתקופה של 2 שבועות. במחקר פיילוט שנערך לפני המחקר הנוכחי (הנתונים לא מוצגים), ניסינו לרגיש עכברים לשני האלרגנים בו זמנית. עם זאת, זה הביא לבריאות לקויה ולמוות. לכן, תקופת המנוחה של 16 יום בין רגישות לכל אלרגן הייתה הכרחית כדי להבטיח שהעכברים יישארו בריאים במהלך שלב הרגישות. לאחר הרגישות, עכברים נחשפו הן ל- OVA והן ל- HDM, ושילבו את שני פרוטוקולי החשיפה לאלרגן (איור 1).

חשיפה לדמה (עכברי שליטה מלוחים)

עכברי הבקרה עברו רגישות ונחשפו ל-SAL (25 μl IN) על ידי ביצוע אותם פרוטוקולי אלרגן כרוניים המוצגים באיור 1 ועל ידי שימוש באותן שיטות ניהול.

מדידות התוצאה

מדידות התוצאה בוצעו בשתי נקודות זמן: 24 שעות לאחר החשיפה הסופית לאלרגן, כדי לחקור את הקשר בין דלקת בדרכי הנשימה ל-AHR, וב-4 שבועות לאחר החשיפה הסופית לאלרגן, כדי לחקור את הקשר בין שיפוץ דרכי הנשימה לבין AHR בזמן שבו הדלקת בדרכי הנשימה שככה לחלוטין (איור 1). מדידות התוצאה הוערכו בשמונה קבוצות של עכברים, המורכבות מארבע קבוצות עכברים שונות בכל אחת משתי נקודות הזמן. קבוצה 1 הייתה עכברי ביקורת שנחשפו ל- SAL, קבוצה 2 הייתה עכברים שנחשפו ל- OVA, קבוצה 3 הייתה עכברים שנחשפו ל- HDM וקבוצה 4 הייתה עכברים שנחשפו לשילוב של אלרגנים (HDM ו- OVA) (נ= 12 עכברים לכל קבוצה). מדידת התוצאה העיקרית בשתי נקודות הזמן הייתה הערכה in vivo של ההיענות לדרכי הנשימה (R.RS ל- MCh). מדידות תוצאה נוספות בשתי נקודות הזמן כללו ספירת תאים כוללת ודיפרנציאלית (אאוזינופילים, נויטרופילים, לימפוציטים ומקרופאגים) בנוזל BAL ומורפומטריה של דרכי הנשימה באמצעות מערכת ניתוח תמונה מבוססת מחשב (Northern Eclipse, גרסה 7.0 Empix Imaging Inc., Mississauga , אונטריו, קנדה) כדי לכמת את מספר תאי התורן באזור נתון של רקמת ריאה. מדידות תוצאות נוספות שנעשו 4 שבועות לאחר החשיפה הסופית לאלרגן כללו החזרת ספלנוציטים עבור ה-Tח2 ציטוקינים IL-4, לאישור רגישות לאלרגן, ומורפומטריה של דרכי הנשימה באמצעות ליקוי צפוני כדי לכמת שינויים מבניים מתמשכים בדרכי הנשימה.

היענות לדרכי הנשימה

היענות דרכי האוויר הוערכה על ידי מדידת ה-RRS תגובה למינון מוגבר של MCh תוך ורידי באמצעות מכשיר ההנשמה של בעלי חיים קטנים flexiVent (SCIREQ, מונטריאול, קנדה), כפי שתואר לעיל (Hirota et al., 2006).

זכירת ספלונוציטים

זיכרון ספלונוציטים בוצע כמתואר לעיל (Johnson et al., 2004). בקצרה, הטחולים נקצרו, והטחולונים היו מבודדים ומדוללים לריכוז של 8 × 10 6 תאים/מיליליטר ב- RPMI מלא. ספלנוציטים תורבו ב-RPMI שלם בלבד, או ב-RPMI שלם בתוספת OVA (40 מיקרוגרם/מ"ל) או HDM (40 מיקרוגרם/מ"ל) בצלחת בעלת תחתית שטוחה, 96 בארות (Becton Dickinson) בריבוע. לאחר 5 ימי תרבית, הסופרנטנטים נקצרו וארבע עותקים אספו והוקפאו ב-80 מעלות צלזיוס עד שמדידות ציטוקינים היו מוכנות לביצוע.

ניתוח ציטוקינים

רמות ה-IL-4 בסופרנטנט של תרבית הספלנוציטים נמדדו באמצעות ערכת ELISA עבור IL-4 (Quantikine R&D Systems, Minneapolis, MN).

איסוף וניתוח נוזלי BAL

נוזל BAL נאסף כמתואר לעיל (Inman et al., 1999 Leigh et al., 2002 Leigh et al., 2004c Leigh et al., 2004a Leigh et al., 2004b Southam et al., 2007). ספירות תאים דיפרנציאליות בוצעו על 400 תאים. תאים סווגו, בהתבסס על קריטריונים מורפולוגיים, כאאוזינופילים, נויטרופילים ולימפוציטים.

היסטולוגיה ומורפומטריה של הריאות

היסטולוגית ריאות ומורפומטריה בוצעו כמתואר לעיל (Ellis et al., 2003 Inman et al., 1999 Leigh et al., 2002 Leigh et al., 2004c Leigh et al., 2004a Leigh et al., 2004b Southam et al. , 2007). בקצרה, קטעי ריאה בעובי 3 מיקרומטר נחתכו ונצבעו ב: PSRed לכימות נוכחות של קולגן תת-אפיתליאלי, PAS להדגמת נוכחות של תאי גביע, ו-Toluidine Blue כדי להדגים נוכחות של תאי פיטום. קטעים נוספים הוכנו לצביעה חיסונית באמצעות נוגדן חד שבטי נגד α-SMA (Clone 1A4, DAKO, דנמרק) כדי לכמת את כמות החלבונים המתכווצים אקטין שריר חלק בדרכי הנשימה. כימות מורפומטרי של קטעי ריאה מוכתמים בוצע באמצעות מערכת ניתוח תמונה דיגיטלית מותאמת אישית (Northern Eclipse). כימות תאי פיטום, שלא תואר קודם לכן, בוצע על ידי איסוף תמונה של כל קטע הרקמה המוכתמת תחת מטרה 1× לחישוב שטח רקמת הריאה. אדם שעיוור לקודי המחקר ספר אז את כל תאי התורן תחת מטרה של 40 × והתוצאה התבטאה כ- MCs/mm 2.

ניתוח סטטיסטי

ערכים באים לידי ביטוי כממוצע ± ס"מ. של סטודנטים tנעשה שימוש בבדיקות כדי להשוות רמות של IL-4, תגובתיות דרכי הנשימה (השיפוע של ה-RRS-Mch עקומת מינון-תגובה), Max RRS, ספירות תאים דיפרנציאליות ומדדים לשיפוץ דרכי הנשימה בין עכברי בקרה מלוחים לבין עכברים המקבלים אלרגן. השוואות בין קבוצות העכברים שקיבלו אלרגנים בודדים לבין קבוצת העכברים שקיבלו את השילוב האלרגני בוצעו באמצעות ANOVA (גרסה 10.0 של סטטיסטיקה). בדיקת השוואה מרובה פוסט-הוקית בוצעה על ידי שימוש במבחן של דאנקן. כל ההשוואות היו דו זנבות ו פ ערכים של פחות מ-0.05 נחשבו למובהקים סטטיסטית.