Kapitola 1: Role zánětlivých onemocnění u glomerulonefritidy

Pro více informací Kontakttina.xiang@wecistanche.com

Abstraktní: Thezánětlivýje imunitní multiproteinový komplex, který aktivuje pro-kaspázu 1 v reakci na podněty vyvolávající zánět a vede k produkci prozánětlivých cytokinů IL-1 a IL-18. Nejlépe jsou charakterizovány záněty NLRP1 a NLRP3, které souvisí s několika autoimunitními onemocněními. Je dobře známo, že ledviny exprimují zánětlivé geny, které mohou ovlivnit vývoj některýchglomerulonefritidajako je lupusová nefritida, ANCA glomerulonefritida, IgA nefropatie a anti-GBM nefropatie. Bylo také popsáno, že polymorfismy těchto genů hrají roli v autoimunitních aonemocnění ledvin. V tomto přehledu popisujeme hlavní charakteristiky, aktivační mechanismy, regulaci a funkce různých zánětlivých onemocnění. Kromě toho diskutujeme nejnovější poznatky o úloze zánětu v několika glomerulonefritech ze tří různých hledisek: studie in vitro, studie na zvířatech a na lidech.

Klíčová slova: zánětlivý; NLRP3; glomerulonefritida; imunita

Kliknutím sem se dozvíte o výhodách extraktu z cistanche tubulosa

1. Inflammasom

Imunitní systém se skládá ze dvou ramen, vrozené a adaptivní imunity, které jsou zodpovědné za okamžitou i dlouhodobou imunitu vůči antigenům odvozeným z patogenů a nepatogenů. Vrozená imunita detekuje infekce, změny v buněčné homeostáze a poškození tkání, které následně generujezánět, opravy tkání a obnovení homeostatické rovnováhy. Tyto účinky jsou podporovány rozpoznáním molekulárních vzorů spojených s patogeny (PAMP) a molekulárních vzorů spojených s poškozením (DAMP). PAMP a DAMP se vážou na receptory rozpoznávající vzory, které zahrnují Toll-like receptory (TLR), cytoplazmatické NOD-like receptory (NLR), a chybí v melanomových 2-receptorech podobných (AIM2). Předchozí studie prokázaly roli několika členů rodiny NLR při tvorbě inflammasomů, multiproteinových komplexů schopných rozpoznávat podněty vyvolávající zánět. Tyto komplexy aktivují pro-kaspázu-1, která je zodpovědná za štěpení mnoha substrátů, zejména prozánětlivých cytokinů IL-1 a IL-18. Uvolnění těchto cytokinů inflammasomem může být také provedeno prostřednictvím zánětlivé formy programované buněčné smrti zvané pyroptóza [4]. Aktivace inflammasomu tedy vyvine aktivitu přirozené imunity v reakci na tkáňovou infekci. Neinfekční stimul může také aktivovat zánětlivý proces. Ačkoli inflammasomy mohou být aktivovány mnoha členy rodiny NLR, tento přehled se zaměří hlavně na inflammasom NLRP3 a NLRP1, NLRC4 a proteiny nepřítomné v melanomu 2 (AIM2) (obrázek la), které jsou také důležité v mnohaimunitní onemocnění. Dále bude zhodnocena role těchto komplexů u různých glomerulonefritid.

Obrázek 1. Struktura zánětu a mechanismus aktivace. (a) Schematické znázornění sestavení zánětu NLRP3 a podrobné potvrzení skafoldu NLRP3, adaptorového apoptózového speck-like proteinu (ASC) a efektorové prokaspázy-1.(b)Struktura NLRP1, NLRP3, NLRC4 a AIM2, které podílet se na tvorbě hlavních zánětů. Členové rodiny NLR (NLRP1, NLRP3, NLRC4) obsahují repetice bohaté na leucin (LRR) a centrální doménu vázající nukleotidy (NBD). N-terminální PYD doména je přítomna u členů podrodiny NLRP, zatímco NLRC4 představuje doménu CARD. NLRP1 také obsahuje C-terminální rozšíření obsahující doménu funkce k nalezení (FIIND) a doménu CARD. AIM2 se skládá z N-terminální domény PYD a C-terminální domény HIN (hematopoetická, interferonem indukovatelná a jaderná lokalizace). (c) Aktivační dráhy NLRP3 a efektorové funkce. Sestavení zánětu NLRP3 lze spustit několika způsoby: detekce PAMP a DAMP prostřednictvím PRR, stimulace cytokinů prostřednictvím receptoru IL-1 (IL-1R) nebo prostřednictvím vazby TNF na receptory faktoru nekrózy nádorů (TNF) TNFR1 a TNFR2. Tyto prvky spouštějí transkripci NF-kB, která podporuje transkripci genů NLRP3 a IL1B; toto je první signál nebo naplnění. Druhý signál nebo aktivace může být produkována tokem iontů, efluxem K, influxem Ca2 plus, influxem Nat a Cl efluxem, reaktivními formami kyslíku (ROS) a mitochondriální dysfunkcí nebo lysozomálním poškozením. Sestavení zánětu NLRP3 vyvolává proteolytické zrání cytokinů IL-1 a IL{36}}, které se také podílejí na rozvoji autoimunity a pyroptóze působením gasderminu-D. Primární odpověď proteinové myeloidní diferenciace 88, MyD88; kináza regulující signál apoptózy, ASK; kinázy kináza spojená s receptorem interleukinu 1, IRAK; caspase{43}}, CASP8; Fas-asociovaný protein s doménou smrti, FADD; P2X purinoceptor 7, P2X7R; melastatin s přechodným receptorovým potenciálem, TRPM; přechodný receptorový potenciál vaniloid, TRPV. Obrázek 1 byl vytvořen pomocí BioRender.com.

2. Inflammasomy rodiny NLR

Rodina NLR obsahuje 23 lidských genů. Členové této rodiny vykazují společné strukturní prvky: C-terminální série repetic bohatých na leucin (LRR) a centrální nukleotidové vazebné domény (NBD), což je součást větší domény NACHT. Kromě toho lze členy rodiny NLR rozdělit do různých podrodin v závislosti na jejich N-terminální efektorové doméně: doména aktivace a náboru kaspázy (CARD), bakulovirový inhibitor repetice proteinu apoptózy (BIR) nebo doména pyrinu (PYD). Podrodiny NLRP a NLRC jsou nejdůležitější, přičemž první z nich je nejlépe charakterizovanou podrodinou NLR. Členové podrodiny NLRP mají na svém N-konci domény PYD, zatímco proteiny NLRC mají jednu nebo více domén CARD [8-10]. Členové rodiny NLR NLRP1, NLRP3 a NLRC4 byli nejlépe prostudováni při tvorbě zánětu.

2.1.Podrodina NLRP

Podrodina NLRP se skládá ze 14 členů v lidském genomu plus 3 paralogů u myší, přičemž NLRP1(NALP1/CARD7) jsou první, které byly popsány při tvorbě zánětů. Jeho struktura se skládá z N-terminálního PYD následovaného doménou NACHT a LRR. K tomu přispívá také C-terminální rozšíření obsahující doménu funkčního hledání (FIIND), která automaticky zpracovává NLRP1 na dva polypeptidové řetězce, a doménu CARD, která vede k aktivaci kaspázy{10}} a následnému pro - uvolňování zánětlivých cytokinů. Bylo hlášeno, že mutace NLRP1 mohou hrát roli u zánětlivých onemocnění, jako je psoriáza [15], revmatoidní artritida (RA)[16] nebo systémový lupus erythematodes (SLE).

Inflammasom NLRP3 (Cryopyrin/Nalp3/Cias1/Pypaf1) je nejvíce studovaný a je jediným známým členem, který je aktivován četnými patogenními a sterilními zánětlivými signály. NLRP3 navíc hraje roli v regulaci produkce IL-1 v makrofázích [18,19]. NLRP3 se skládá ze skafoldu NLRP3, adaptorového apoptózového speck-like proteinu (ASC) a efektorové prokaspázy-1. Interaguje s ASC prostřednictvím homotypických interakcí PYD-PYD a podporuje tvorbu zánětu tím, že získává a aktivuje prokaspázu-1 za účelem generování aktivní kaspázy-1(obrázek lb). Tento efektorový protein vede ke konverzi cytokinových prekurzorů pro-IL-1 a pro-IL-18 na zralý a biologicky aktivní IL-1 a IL-18. Hlavní pozornost věnovaná zánětu NLRP3 byla způsobena zejména jeho implikací v patogenezi několika lidských zánětlivých onemocnění, zejména periodických syndromů spojených s kryopyrinem (CAPS)[21]. Pokud se zaměříme na svou kritickou roli při regulaci zánětu, mohl by mít inflammasom NLRP3 velký význam pro terapie zaměřené na zánět.

2.2. Podrodina IPAF-NAIP

Jeho nejlépe prozkoumaný prvek, NLRC4 (IPAF/CARD12), byl dříve charakterizován jako ICE-proteázový aktivační faktor (IPAF), pokud jde o jeho schopnost aktivovat kaspázu-1. Nicméně pozdější studie jasně umístily její doménovou strukturu do rodiny NLR, a protože měla doménu CARD, byla přejmenována na NLRC4. Doména CARD jí umožňuje přímo se vázat na CARD kaspázy-1 bez účasti ASC [24]. NLRC4 se však dokáže vázat na ASC a účinně aktivovat kaspázu-1, stejně jako kaspázu{10}} a apoptotickou kaspázu.

NLRC5 je méně známý zánětlivý nádor, který spojuje vrozené i adaptivní imunitní reakce regulací exprese hlavního histokompatibilního komplexu (MHC) I. třídy. Je exprimován v makrofázích, dendritických buňkách, T buňkách, B buňkách a fibroblastech [27]. Kromě toho se zdá, že pozorovaná interakce s inflamasomem NLRP3 má synergický účinek na štěpení IL-1, takže může pozitivně modulovat aktivaci zánětu NLRP3 [28]. Proto by NLRC5 mohl tvořit funkční inflammasom, ale k přesnějšímu poznání jeho fyziologické funkce je zapotřebí více studií.

Kromě toho je NOD1 zakládajícím členem rodiny NLR a spolu s NOD2 byly prvními NLR identifikovanými jako senzory pro PAMP [29]. Receptory NOD1(NLRC1) a NOD2(NLRC2) mohou aktivovat NF-kB a vést k produkci zánětlivých cytokinů. Přesto u nich nebylo popsáno, že by tvořily zánětlivý komplex.

3. Zánětlivé onemocnění z rodiny non-NLR

Nedávno byly široce popsány další záněty, které nepatří do rodiny NLR, jako jsou proteiny nepřítomné v melanomu 2 (AIM2) a pyrinových zánětech. AIM2 byl popsán jako senzor schopný spouštět aktivaci zánětu, pyroptózu a uvolňování IL-1 a IL-18 v reakci na detekci intracelulárně dodávané dvouvláknové DNA (dsDNA) [31]. člen rodiny proteinů ALR, složený z N-koncové domény PYD a C-koncové domény HIN (hematopoetická, interferonem indukovatelná a jaderná lokalizace). Navíc negativně reguluje zánět a reakce interferonu typu I (IFN) nezávisle na jeho inflammasomové funkci [33]. Různé studie objasnily souvislost mezi zvýšenou expresí AIM2 a několika lidskými chorobami, jako je ateroskleróza, kožní onemocnění a chronické onemocnění ledvin.

4. Mechanismy aktivace zánětu NLRP3

Inflammasom lze chápat jako oboustranný prvek a reguluje patogenní infekci, ale pokud spouštěná imunitní odpověď není přísně regulována, může se podílet na patologiích, jako je CAPS a autoinflamatorní poruchy [21]. Inflammasomy mohou rozpoznat širokou škálu endogenních nebo exogenních, sterilních nebo infekčních stimulů v buňce (PAMP a DAMP), které spouštějí její sestavení a aktivaci. Tento proces může být vysvětlen zvážením upstream senzorů rozpoznávajících aktivační signály, adaptérů a downstream efektorů ]35. Neproveditelnost přímé interakce mezi NLRP3 a touto rozmanitostí stimulů vedla k buněčné události produkující konformační změnu v NLRP3, převádějící ji do aktivní formy. Nicméně neexistuje žádný jedinečný mechanismus pro aktivaci zánětu NLRP3 36]. Aktivace NLRP3 může být spuštěna detekcí PAMP a DAMP prostřednictvím PRR, jako jsou TLR a NLR, stimulací cytokinů prostřednictvím receptoru IL-1 (IL-1R) nebo prostřednictvím vazby TNF na faktor nekrotizující nádory (TNF )receptory TNFR1 a TNFR2 [37]. Kromě toho existují mediátory, které usnadňují přenos signálu těchto receptorů: adaptorový protein myeloidní diferenciační primární odpověď 88 (MyD88), kináza regulující signál apoptózy (ASK)1 a ASK2, kináza spojená s receptorem interleukinu 1 (IRAK)1 a IRAK4, kaspáza-8 (CASP8), Fas-asociovaný protein s doménou smrti (FADD), ubikvitin-vazebný protein SHARPIN a TRAF-interagující protein s forkhead-associated domain (TIFA). Všechny tyto prvky spouštějí transkripci NF-kB, která podporuje transkripci genů NLRP3 a IL1B, čímž se buňka uschopňuje reagovat na aktivátory NLRP3.

Aktivace inflammasomu NLRP3 v makrofázích je dvoustupňový proces, takže vyžaduje primární signál. V procesu aktivace způsobí neaktivující stimul transkripční expresi hlavních složek zánětlivého zánětu, což je první zásah“. Druhý stimul nebo „druhý zásah“ zhoršuje funkční aktivitu zánětu NLRP3 [39]. Aktivace NLRP3 inflammasomu může být produkována různými stimuly, včetně iontového toku, K plus efluxu, Ca2 plus influxu, Na plus influxu a Cl- efluxu, reaktivních forem kyslíku (ROS) a mitochondriální dysfunkce nebo lysozomálního poškození. K plus efluxní kanály P2X purinoceptor 7 (P2X7R) se účastní tohoto typu aktivace zánětu. Další Ca2 plus kanály rezidentní na plazmatické membráně, jmenovitě melastatin 2 s přechodným receptorovým potenciálem (TRPM2), TRPM7 a vaniloid s přechodným receptorovým potenciálem 2 (TRPV2), mohou vést k přílivu Ca2 plus do cytosolu [21] (obrázek lc). Mitochondrie regulují homeostázu a reagují na změny intracelulárních K plus a ROS, což vede k mitochondriální dysfunkci a apoptóze. Navíc mitochondriální apoptotická signalizace stimulovaná NF-kB způsobuje produkci IL-1. Oxidovaná mitochondriální DNA se uvolňuje jako důsledek mitochondriální dysfunkce a apoptózy a přímo aktivuje NLRP3 inflammasom [40-42].

Kromě NLR-ASC-kaspázy-1 aktivace kanonického zánětu existuje také nekanonický zánětlivý nádor, který se vyznačuje aktivací prostřednictvím kaspázy-1l u myší s lidským ortologem kaspázou-4/ 5. Kaspáza-11 rozpoznává lipopolysacharid (LPS) transfekovaný do cytosolu z gramnegativních bakterií a přímo se váže na jeho doménu CARD. Spouští proteolytické zrání IL-1 a také smrt pyroptotických buněk způsobem závislým na GSDMD [35,43]. Nekanonická aktivace zánětu složkou LPS byla prokázána v předchozí studii, kde myši postrádající kaspázu-1l byly odolné vůči letalitě vyvolané LPS, a to i v přítomnosti TLR4 [44]. Nicméně z kanonických a nekanonických zánětů byla pozorována alternativní cesta aktivace zánětu. Nevyžaduje eflux K plus, indukci tvorby skvrn ASC nebo vedoucí k následné pyroptóze a byl šířen signalizací TLR4-TRIF-RIPK1-FADD-CASP8 proti proudu NLRP3.

Inflammasom NLRP3 může být regulován na post-transkripční a post-translační úrovni. Na post-transkripční úrovni mohou epigenetické faktory, jako je methylace DNA a acetylace histonů, regulovat expresi mRNA NLRP3 v reakci na infekci Mycobacterium tuberculosis. Dysregulace epigenetických mechanismů by mohla přispět k patologickému rozvoji autoinflamatorních syndromů upregulací exprese složek zánětu. MikroRNA jsou také studovány jako post-transkripční regulátory zánětů NLRP3 (miR-223, miR-133a, miR-7, miR-30e..)[35,47] . Aktivace zánětu NLRP3 může být také regulována posttranslačními modifikacemi, zejména fosforylací a ubikvitinací. Tyto úpravy jsou často propojeny. Mohou vyvolat různé osudy na proteinu NLRP3, včetně modifikace interagujících proteinových sítí, transportu, změny subcelulární lokalizace, aktivace/inhibice enzymatické aktivity a proteasomální, lysozomální nebo autofagické degradace [48]. Nedávná studie ve skutečnosti ukázala, že fosforylace NLRP3 v jeho doméně LRR může regulovat sestavení zánětu.

5. Funkce zánětlivého efektoru

Jak již bylo zmíněno, inflammasomy hrají klíčovou roli ve vrozeném imunitním systému svou schopností řídit aktivaci proteolytického enzymu kaspázy-1, což vede k proteolytickému zrání prozánětlivých cytokinů IL-1 a IL{ {2}}, stejně jako smrt buněk pyroptózy [50]. Zralý IL-1 se váže na IL-1R, podporuje heterodimerizaci receptoru a následný nábor složek, jako je MyD88. IL-1 vede k uvolňování dalších cytokinů, jako jsou IL-1, IL-6 a TNF-, stejně jako dalších faktorů, které řídí růst a diferenciaci imunitních buněk. IL-18 se účastní mnoha fyziologických drah. Vyšší hladina IL-18 může způsobit metabolické syndromy. Například chronický zánět generovaný v tukových tkáních může vést k inzulínové rezistenci a diabetes mellitus 2. typu.

Dalším důležitým procesem prováděným inflammasomy je lytická forma programované buněčné smrti zvaná pyroptóza. Spouštět může jak kanonická inflammasomová signalizace, nábor kaspázy-1, tak nekanonický inflammasom prostřednictvím kaspázy-4, kaspázy-5(u lidí) a kaspázy-11 (u myší). pyroptóza. Je charakterizován otokem buněk, lýzou membrány a uvolňováním zánětlivých sloučenin do extracelulárního prostoru, jako jsou IL-1, IL-6 a IL-18. Předchozí studie ukázaly, že masterminds, skupina efektorových proteinů tvořících póry, mohou hrát zánětlivou kaspázou indukovanou pyroptózu, která je N-terminální doménou gasderminu-Dostatečná ke spuštění procesu. Navíc apoptóza-8-závislá na kaspáze je další dráha vyplývající z aktivace zánětu. Inflammasomy AIM2 a NLRP3 vykazovaly štěpené formy apikální kaspázy-8 a popravčí kaspázy-3 v reakci na cytosolickou DNA a nigericin, v daném pořadí. Proces probíhal nezávisle na kaspáze-1, ale závisel na inflammasomovém adaptéru ASC. Je zajímavé, že nedávná studie popsala kapacitu Z-DNA vazebného proteinu 1 (ZBP1), vrozeného imunitního senzoru schopného aktivovat buněčnou smrt ve formě pyroptózy, apoptózy a nekroptózy (PANoptóza) spolu s zánětem NLRP3.

Zatímco efektorové funkce byly široce studovány, existuje několik dalších rolí inflammasomových komplexů, které byly méně charakterizovány. IL-1 je cytoplazmatický protein bez vedoucího postavení, jehož sekreční mechanismy jsou špatně definovány. Byl prokázán mechanismus nezávislý na endoplazmatickém retikulu (ER)/Golgiho, nazývaný „nekonvenční proteinová sekrece“, který byl závislý na aktivaci kaspázy-1. Konkrétní mechanismy a molekulární složky zahrnuté v tomto procesu jsou však nejasné. Další nově vznikající úlohou zánětlivých buněk je aktivace eikosanoidů, bioaktivních molekul odvozených z membránových lipidů, které hrají roli v homeostatických a patologických procesech. Dále byla pozorována souvislost mezi aktivací zánětu a autofagií a také regulací zrání fagozomů.

6. Role inflammasomu v adaptivní imunitě a autoimunitě

Produkce prozánětlivých cytokinů je kritická pro účinnou vrozenou odpověď, stejně jako mechanismus, kterým vrozený imunitní systém ovlivňuje následný vývoj adaptivní imunitní odpovědi. Jak je dobře známo, inflamasomy jsou složky vrozeného imunitního systému, které produkují prozánětlivé cytokiny IL-1 a IL-18 a řídí diferenciaci specifických linií pomocných T buněk (Th1, Th2, Th17 a regulační T buňky), které jsou hlavními hráči adaptivní imunity [60]. Na druhé straně je aberantní aktivace zánětu zodpovědná za rozvoj CAPS, stejně jako dalších běžných onemocnění, jako jsou metabolické poruchy, onemocnění související s krystaly a autoimunitní onemocnění. Zánět je také zásadní u mnoha onemocnění ledvin, včetně akutního poškození ledvin (AKI) a chronického onemocnění ledvin (CKD). I když je vždy zapojen vrozený imunitní systém, v těchto stavech hraje hlavní roli adaptivní imunita.

Pokud jde o autoimunitní onemocnění, jsou charakterizována samovolně reagujícími buňkami a nadprodukcí autoprotilátek, produkovaných v důsledku nedostatku imunologické tolerance a aberantních autoreaktivních imunitních odpovědí. Patogeneze autoimunitních onemocnění musí být ještě objasněna, ale bylo prokázáno, že se jedná o aberaci ve vrozené a adaptivní imunitě. Inflammasom NLRP3 byl nedávno spojován s rozpoznáváním vrozených imunitních signálů a indukcí autoreaktivních imunitních odpovědí, což je pravděpodobně kontrolní bod ve vrozené imunitě způsobující zkreslenou adaptivní imunitu [62,63]. Jak tedy může funkce zánětu NLRP3 ovlivnit vývoj autoimunitních onemocnění? Cytokiny uvolňované inflammasomem, zejména IL-1, vyvolávají zánětlivý účinek, který podporuje rozvoj většiny autoimunitních onemocnění, včetně RA a zánětlivého onemocnění střev. Kromě toho je inflammasom NLRP3 také zodpovědný za autoimunitní onemocnění v důsledku adaptivní imunitní dysfunkce. IL-1 zprostředkovává proliferaci T buněk, takže může podporovat autoreaktivní T buňky, aby způsobily smrt b-buněk [63,66]. Inflammasom NLRP3 podporuje diferenciaci Th1 u RA, indukovanou IL-1 způsobem závislým na kaspáze, a může také indukovat diferenciaci a polarizaci Th2, Th17 a dendritických buněk u jiných autoimunitních onemocnění [63, 67]. Th17 buňky mohou produkovat prozánětlivé cytokiny, jmenovitě IL-17A, IL-17F, IL-21 a IL-22, zatímco Th1 buňky vylučují IFN- , indukovaný IL{{ 26}} a všechny tyto faktory přispívají k rozvoji autoimunity. Kromě toho mohou být autoimunitní onemocnění podporována pyroptózou, což vede k uvolnění buněčných úlomků a jejich reakci s imunitními buňkami, což spouští zánět.

Mnohočetné polymorfismy v genech zánětu byly spojovány s náchylností a rozvojem autoimunitních onemocnění. Například vzácné varianty se ziskem funkce se mohou podílet na dědičných zánětlivých onemocněních, charakterizovaných nekontrolovanou produkcí IL-1 a/nebo IL-18, nazývaných inflammasomopatie. Mutace v NLRP3 jsou prototypem zánětlivého masazopatie, ale byly také popsány jako autozánětlivá onemocnění spojená s mutacemi, které aktivují záněty NLRP1, NLRC4 a pyrin [69,70]. Jednonukleotidové polymorfismy (SNP) navíc hrají klíčovou roli u autoimunitních onemocnění a mohou ovlivnit primární aktivaci zánětů, některých jejich složek nebo konečných produktů (IL-1, IL-18).