Los receptores de reconocimiento de patrones ( PRR ) [1] desempeñan un papel crucial en el funcionamiento adecuado del sistema inmunológico innato . Los PRR son sensores del huésped codificados por la línea germinal, que detectan moléculas típicas de los patógenos. [2] Son proteínas expresadas principalmente por células del sistema inmunológico innato, como células dendríticas, macrófagos, monocitos, neutrófilos, así como por células epiteliales, [3] [4] para identificar dos clases de moléculas: patrones moleculares asociados a patógenos (PAMP), que están asociados con patógenos microbianos , y patrones moleculares asociados a daños (DAMP), que están asociados con componentes de las células del huésped que se liberan durante el daño o la muerte celular. También se denominan receptores de reconocimiento de patrones primitivos porque evolucionaron antes que otras partes del sistema inmunológico, particularmente antes de la inmunidad adaptativa . Los PRR también median el inicio de la respuesta inmune adaptativa específica de antígeno y la liberación de citocinas inflamatorias. [2] [5]
Las moléculas específicas de microbios que son reconocidas por un PRR dado se denominan patrones moleculares asociados a patógenos (PAMP) e incluyen carbohidratos bacterianos (como lipopolisacárido o LPS, manosa ), ácidos nucleicos (como ADN o ARN bacteriano o viral), péptidos bacterianos (flagelina, factores de elongación de microtúbulos), peptidoglicanos y ácidos lipoteicoicos (de bacterias Gram-positivas), N -formilmetionina , lipoproteínas y glucanos fúngicos y quitina . Las señales de estrés endógeno se denominan patrones moleculares asociados a daños (DAMP) e incluyen ácido úrico y ATP extracelular , entre muchos otros compuestos. [2] Hay varios subgrupos de PRR. Se clasifican según su especificidad de ligando , función, localización y/o relaciones evolutivas.
Según su localización, los PRR pueden dividirse en PRR unidos a la membrana y PRR citoplasmáticos:
Los PRR se descubrieron por primera vez en plantas. [6] Desde entonces, se han predicho muchos PRR de plantas mediante análisis genómico (370 en arroz; 47 en Arabidopsis ). A diferencia de los PRR animales, que están asociados con quinasas intracelulares a través de proteínas adaptadoras (ver quinasas no RD a continuación), los PRR de plantas se componen de un dominio extracelular, un dominio transmembrana, un dominio yuxtamembrana y un dominio de quinasa intracelular como parte de una sola proteína.
El reconocimiento de patrones moleculares extracelulares o endosómicos asociados a patógenos está mediado por proteínas transmembrana conocidas como receptores tipo Toll (TLR). [7] Los TLR comparten un motivo estructural típico, las repeticiones ricas en leucina (LRR) , que les dan su apariencia específica y también son responsables de la funcionalidad de los TLR. [8] Los receptores tipo Toll se descubrieron por primera vez en Drosophila y desencadenan la síntesis y secreción de citocinas y la activación de otros programas de defensa del huésped que son necesarios tanto para las respuestas inmunitarias innatas como adaptativas. Hasta ahora se han descrito 10 miembros funcionales de la familia TLR en humanos. [5] También se han realizado estudios sobre TLR11 y se ha demostrado que reconoce flagelina y proteínas similares a profilina en ratones. [9] No obstante, TLR11 es solo un pseudogén en humanos sin función directa o expresión de proteína funcional. Se ha demostrado que cada uno de los TLR interactúa con un PAMP específico. [5] [10] [11]
Los TLR tienden a dimerizarse, TLR4 forma homodímeros y TLR6 puede dimerizarse con TLR1 o TLR2 . [10] La interacción de los TLR con su PAMP específico está mediada por la vía dependiente de MyD88 y desencadena la señalización a través de NF-κB y la vía de la MAP quinasa y, por lo tanto, la secreción de citocinas proinflamatorias y moléculas coestimulantes o la vía de señalización dependiente de TRIF . [2] [5] [10] La vía dependiente de MyD88 es inducida por varios PAMP que estimulan los TLR en macrófagos y células dendríticas. MyD88 atrae a la molécula IRAK4 , IRAK4 recluta a IRAK1 e IRAK2 para formar un complejo de señalización. El complejo de señalización reacciona con TRAF6, lo que conduce a la activación de TAK1 y, en consecuencia, a la inducción de citocinas inflamatorias. La vía dependiente de TRIF es inducida por macrófagos y DC después de la estimulación con TLR3 y TLR4. [2] Las moléculas liberadas tras la activación de TLR envían señales a otras células del sistema inmunológico, lo que convierte a los TLR en elementos clave de la inmunidad innata y adaptativa . [2] [12] [13]
Muchas células diferentes del sistema inmunitario innato expresan una miríada de CLR que dan forma a la inmunidad innata en virtud de su capacidad de reconocimiento de patrones. [14] Aunque la mayoría de las clases de patógenos humanos están cubiertas por CLR, los CLR son un receptor importante para el reconocimiento de hongos: [15] [16] no obstante, otros PAMP también se han identificado en estudios como objetivos de los CLR, por ejemplo, la manosa es el motivo de reconocimiento para muchos virus, hongos y micobacterias; de manera similar, la fucosa presenta lo mismo para ciertas bacterias y helmintos; y los glucanos están presentes en micobacterias y hongos. Además, muchas de las superficies no propias adquiridas, por ejemplo, neoantígenos de tipo carcinoembrionario/oncofetal que llevan un patrón de patógeno de tipo "fuente de peligro interno"/"propio convertido en ajeno", también se identifican y destruyen (por ejemplo, por fijación del complemento u otros ataques citotóxicos) o secuestran (fagocitan o envainan) por el sistema inmunitario en virtud de los CLR. El nombre lectina es un poco engañoso porque la familia incluye proteínas con al menos un dominio de lectina de tipo C (CTLD), que es un tipo específico de dominio de reconocimiento de carbohidratos. CTLD es un motivo de unión de ligando que se encuentra en más de 1000 proteínas conocidas (más de 100 en humanos) y los ligandos a menudo no son azúcares. [17] Si y cuando el ligando es azúcar, necesitan Ca2+ , de ahí el nombre "tipo C", pero muchos de ellos ni siquiera tienen un ligando de azúcar conocido, por lo que a pesar de tener una estructura de plegamiento de tipo lectina, algunos de ellos técnicamente no son "lectina" en función.
Existen varios tipos de señalización implicados en la respuesta inmunitaria inducida por CLR; se ha identificado una conexión importante entre la señalización de TLR y CLR; por lo tanto, diferenciamos entre la señalización dependiente de TLR y la independiente de TLR. La señalización DC-SIGN que conduce a la cascada RAF1-MEK-ERK, la señalización de BDCA2 a través de ITAM y la señalización a través de ITIM pertenecen a la señalización dependiente de TLR. La señalización independiente de TLR, como Dectin 1 y Dectin 2 – señalización mincle conduce a la activación de MAP quinasa y NFkB . [14] [15]
Los CLR del receptor de membrana se han dividido en 17 grupos según su estructura y origen filogenético. [18] Generalmente hay un grupo grande, que reconoce y se une a los carbohidratos, los llamados dominios de reconocimiento de carbohidratos (CRD) y los CTLD mencionados anteriormente.
Otra posible caracterización de los CLR puede ser en receptores de manosa y receptores de asialoglicoproteína. [14]
El receptor de manosa (MR) [19] es un PRR presente principalmente en la superficie de los macrófagos y las células dendríticas . Pertenece al grupo de CRD múltiple dependiente de calcio. [15] El MR pertenece al grupo de proteínas del receptor multilectina y, al igual que los TLR, proporciona un vínculo entre la inmunidad innata y adaptativa. [20] [21] Reconoce y se une a unidades de manosa repetidas en las superficies de agentes infecciosos y su activación desencadena la endocitosis y la fagocitosis del microbio a través del sistema del complemento. Específicamente, la unión de manosa desencadena el reclutamiento de serina proteasas asociadas a MBL (MASP). Las serina proteasas se activan en una cascada, amplificando la respuesta inmune: MBL interactúa con C4, uniéndose a la subunidad C4b y liberando C4a en el torrente sanguíneo; de manera similar, la unión de C2 provoca la liberación de C2b. Juntos, MBL, C4b y C2a se conocen como la convertasa C3. El C3 se divide en sus subunidades a y b, y el C3b se une a la convertasa. Estas se denominan en conjunto convertasa C5. De manera similar, el C5b se une y el C5a se libera. El C5b recluta al C6, C7, C8 y varios C9. El C5, C6, C7, C8 y C9 forman el complejo de ataque a la membrana (MAC).
Esta es otra gran superfamilia de CLR que incluye la lectina de tipo galactosa del receptor de asialoglicoproteína clásica de macrófagos (MGL) , DC-SIGN (CLEC4L), Langerin (CLEC4K), lectina mieloide asociada a DAP12 (MDL)-1 ( CLEC5A ), subfamilia de lectina tipo C asociada a DC 1 (Dectin1) y subfamilia de inmunorreceptores DC ( DCIR ). Además, la subfamilia Dectin y la subfamilia DCIR constan de algunos miembros como se indica a continuación. La subfamilia de lectina 1 de tipo C asociada a DC (Dectin1) incluye dectin 1 / CLEC7A , DNGR1/ CLEC9A , receptor similar a lectina mieloide de tipo C (MICL) ( CLEC12A ), CLEC2 (también llamado CLEC1B), el receptor de activación plaquetaria para podoplanina en células endoteliales linfáticas y frente invasor de algunos carcinomas, y CLEC12B; mientras que la subfamilia de inmunorreceptores de DC (DCIR) incluye DCIR/ CLEC4A , Dectin 2/ CLEC6A , antígeno DC sanguíneo 2 (BDCA2) ( CLEC4C ) y Mincle , es decir, lectina de tipo C inducible por macrófagos ( CLEC4E ).
La nomenclatura (manosa versus asialoglicoproteína) es un poco engañosa ya que estos receptores de asialoglicoproteína no son necesariamente receptores específicos de galactosa (uno de los residuos externos más comunes de la asialoglicoproteína) e incluso muchos de los miembros de esta familia también pueden unirse a la manosa , que da nombre al otro grupo.
Los receptores tipo NOD (NLRs) son proteínas citoplasmáticas, que reconocen peptidoglicanos bacterianos y generan una respuesta inmune proinflamatoria y antimicrobiana. [22] Aproximadamente 20 de estas proteínas se han encontrado en el genoma de los mamíferos e incluyen el dominio de oligomerización de unión a nucleótidos (NODs), que se une al nucleósido trifosfato . Entre otras proteínas las más importantes son: el transactivador de clase II del MHC ( CIITA ), IPAF, BIRC1 etc. [23]
Los ligandos son conocidos actualmente para NOD1 y NOD2 . NOD1 reconoce una molécula llamada meso-DAP, que es un componente peptidoglicano solo de bacterias Gram negativas . Las proteínas NOD2 reconocen MDP intracelular (dipéptido de muramilo), que es un componente peptidoglicano de bacterias Gram positivas y Gram negativas. Cuando están inactivos, los NOD están en el citosol en un estado monomérico y experimentan un cambio conformacional solo después del reconocimiento del ligando, lo que conduce a su activación. [22] Los NOD transducen señales en la vía de las quinasas NF-κB y MAP a través de la quinasa serina-treonina llamada RIP2. Los NOD envían señales a través de dominios CARD N-terminales para activar eventos de inducción génica descendentes e interactúan con moléculas microbianas por medio de una región de repetición rica en leucina (LRR) C-terminal . [24]
Se ha establecido la interacción y cooperación entre diferentes tipos de receptores típicos del sistema inmunitario innato. Se ha descubierto una cooperación interesante entre los TLR y los NLR, en particular entre TLR4 y NOD1 en respuesta a la infección por Escherichia coli . [25] Otra prueba de la cooperación e integración de todo el sistema inmunitario se ha demostrado in vivo: cuando la señalización de los TLR se inhibe o desactiva, los receptores NOD asumen el papel de los TLR. [26]
Al igual que los NOD, las NLRP contienen LRR C-terminales, que parecen actuar como un dominio regulador y pueden estar involucrados en el reconocimiento de patógenos microbianos. También como los NOD, estas proteínas contienen un sitio de unión de nucleótidos (NBS) para trifosfatos de nucleósidos. La interacción con otras proteínas (por ejemplo, la molécula adaptadora ASC ) está mediada por el dominio pirina N-terminal (PYD). Hay 14 miembros de esta subfamilia de proteínas en humanos (llamados NLRP1 a NLRP14). NLRP3 y NLRP4 son responsables de la activación del inflamasoma . [27] NLRP3 puede ser activado y dar lugar al inflamasoma NLRP3 por ATP, toxinas formadoras de poros bacterianos, alumbre y cristales. Además de las moléculas enumeradas, que conducen a la activación del inflamasoma NLRP3, el ensamblaje y la activación también pueden ser inducidos por el eflujo de K + , la entrada de Ca2 + , la interrupción de los lisosomas y las ROS que se originan en las mitocondrias. [27] El inflamasoma NLRP3 es esencial para la inducción de una respuesta inmunitaria eficaz. El inflamasoma NLRP3 puede ser inducido por una amplia gama de estímulos en contraste con el inflamasoma NLRP4, que se une a un número y variedad más limitados de ligandos y trabaja en un complejo con la proteína NAIP. [28]
También se ha demostrado que otros NLR como IPAF y NAIP5/Birc1e activan la caspasa-1 en respuesta a Salmonella y Legionella .
Algunas de estas proteínas reconocen moléculas endógenas o microbianas o respuestas al estrés y forman oligómeros que, en animales, activan caspasas inflamatorias (por ejemplo, la caspasa 1 ) causando la escisión y activación de citocinas inflamatorias importantes como IL-1 , y/o activan la vía de señalización NF-κB para inducir la producción de moléculas inflamatorias.
La familia NLR se conoce con varios nombres diferentes, incluida la familia CATERPILLER (o CLR) o NOD-LRR. [23] [29] Los miembros más importantes de los NLR son NOD1 y NOD2. Detectan los peptidoglicanos microbianos conservados en el citoplasma de la célula y, por lo tanto, representan otro nivel de respuesta inmunitaria después de los receptores unidos a la membrana, como los TLR y los CLR. [22] Esta familia de proteínas está muy expandida en las plantas y constituye un componente central de los sistemas inmunitarios de las plantas . [30]
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Hasta ahora se han descrito tres helicasas RLR: RIG-I y MDA5 (que reconocen ARN-5'trifosfato y ARNdc, respectivamente), que activan la señalización antiviral, y LGP2 , que parece actuar como un inhibidor dominante negativo. Las RLR inician la liberación de citocinas inflamatorias e interferón tipo I (IFN I). [2]
Las RLR son helicasas de ARN que han demostrado participar en el reconocimiento intracelular del ARN viral de doble cadena (ds) y monocatenario que reclutan factores a través de dominios CARD N-terminales gemelos para activar programas de genes antivirales, que pueden explotarse en la terapia de infecciones virales. [31] [32] Se ha sugerido que el principal programa antiviral inducido por RLR se basa en la actividad ATPasa . [33] Las RLR a menudo interactúan y crean una comunicación cruzada con las TLR en la respuesta inmune innata y en la regulación de la respuesta inmune adaptativa. [34]
Varios PRR no permanecen asociados con la célula que los produce. Los receptores de complemento , colectinas , ficolinas , pentraxinas como amiloide sérico y proteína C reactiva , transferasas lipídicas, proteínas de reconocimiento de peptidoglicano (PGRP) [35] y el LRR, XA21D [36] son todas proteínas secretadas. Una colectina muy importante es la lectina de unión a manano (MBL), un PRR principal del sistema inmune innato que se une a una amplia gama de bacterias, virus, hongos y protozoos. La MBL reconoce predominantemente ciertos grupos de azúcar en la superficie de los microorganismos pero también se une a fosfolípidos , ácidos nucleicos y proteínas no glicosiladas . [37] Una vez unidos a los ligandos, los oligómeros de MBL y Ficolin reclutan MASP1 y MASP2 e inician la vía de lectina de activación del complemento que es algo similar a la vía clásica del complemento .
Las plantas contienen una cantidad significativa de PRR que comparten una notable similitud estructural y funcional con los TLR de Drosophila Toll y mamíferos. El primer PRR identificado en plantas o animales fue la proteína Xa21, que confiere resistencia al patógeno bacteriano Gram-negativo Xanthomonas oryzae pv. oryzae . [6] [38] Desde entonces, se han aislado otros dos PRR de plantas, FLS2 (flagelina) y EFR (receptor del factor de elongación Tu) de Arabidopsis . [39] Se han reportado más de 600 genes de receptor-quinasa y 57 proteínas similares a receptores en el genoma de Arabidopsis desde 2019. [40] Los PRR de plantas existen como quinasas receptoras localizadas en la superficie (RK) o proteínas similares a receptores (RLP) que contienen múltiples ectodominios de unión a ligandos que perciben PAMP o DAMP. [41] Se han identificado los PAMP correspondientes para FLS2 y EFR. [39] Tras el reconocimiento del ligando, los PRR de la planta transducen la "inmunidad desencadenada por PAMP" (PTI). [42]
Los sistemas inmunes de las plantas también codifican proteínas de resistencia que se parecen a los receptores tipo NOD (ver arriba), que presentan dominios NBS y LRR y también pueden llevar otros dominios de interacción conservados como el dominio citoplasmático TIR que se encuentra en los receptores Toll y de interleucina. [43] Las proteínas de unión a nucleótidos y repetición rica en leucina (NBS-LRR) son necesarias para detectar firmas moleculares no indígenas de patógenos. [40] Los PRR de las plantas están asociados con el sistema inmune innato mientras que las proteínas NBS-LRR se inician en el sistema inmune adaptativo llamado inmunidad desencadenada por efectores . [40]
Los PRR se asocian comúnmente con o contienen miembros de un grupo monofilético de quinasas llamado la familia de quinasas asociadas al receptor de interleucina-1 (IRAK) que incluye Drosophila Pelle, IRAK humanas, arroz XA21 y Arabidopsis FLS2. En los mamíferos, los PRR también pueden asociarse con miembros de la familia de quinasas de proteína que interactúa con el receptor (RIP), parientes lejanos de la familia IRAK. Algunas quinasas de la familia IRAK y RIP caen en una pequeña clase funcional de quinasas denominadas no RD, muchas de las cuales no autofosforilan el bucle de activación. Un estudio de los quinomas de levadura, mosca, gusano, humano, Arabidopsis y arroz (3723 quinasas) reveló que a pesar del pequeño número de quinasas no RD en estos genomas (9-29%), 12 de las 15 quinasas conocidas o predichas que funcionan en la señalización PRR caen en la clase no RD. En las plantas, todos los PRR caracterizados hasta la fecha pertenecen a la clase no RD. Estos datos indican que las quinasas asociadas con los PRR pueden predecirse en gran medida por la falta de un único residuo conservado y revelan nuevas subfamilias potenciales de PRR en plantas. [44] [45]
Los grupos de investigación han llevado a cabo recientemente una amplia investigación sobre la participación y el uso potencial del sistema inmunológico del paciente en la terapia de varias enfermedades, la llamada inmunoterapia , incluyendo anticuerpos monoclonales , inmunoterapias no específicas, terapia con virus oncolíticos , terapia con células T y vacunas contra el cáncer . [46] NOD2 se ha asociado a través de una pérdida y ganancia de función con el desarrollo de la enfermedad de Crohn y la sarcoidosis de aparición temprana . [22] [47] Las mutaciones en NOD2 en cooperación con factores ambientales conducen al desarrollo de inflamación crónica en el intestino. [22] [48] Por lo tanto, se ha sugerido tratar la enfermedad inhibiendo las moléculas pequeñas, que son capaces de modular la señalización de NOD2, particularmente RIP2. Hasta ahora, la FDA ha aprobado dos terapias que inhiben la fosforilación en RIP2, que es necesaria para el funcionamiento adecuado de NOD2, gefitinib y erlotinib . [49] [50] Además, se han llevado a cabo investigaciones sobre GSK583, un inhibidor altamente específico de RIP2, que parece muy prometedor en la inhibición de la señalización de NOD1 y NOD2 y, por lo tanto, en la limitación de la inflamación causada por las vías de señalización de NOD1 y NOD2. [51] Otra posibilidad es eliminar el sensor de NOD2, que ha demostrado ser eficaz en modelos murinos en el esfuerzo por suprimir los síntomas de la enfermedad de Crohn. [52] Los inhibidores de la quinasa de tipo II, que son altamente específicos, han mostrado resultados prometedores en el bloqueo del TNF que surge de las vías dependientes de NOD, lo que muestra un alto potencial en el tratamiento de tumores asociados a la inflamación. [53]
Otra posible explotación de los PRR en la medicina humana también está relacionada con las neoplasias malignas de los intestinos. Se ha demostrado en estudios que Helicobacter pylori se correlaciona significativamente con el desarrollo de tumores gastrointestinales. En un individuo sano, la infección por Helicobacter pylori es atacada por la combinación de PRR, es decir, TLR, NLR, RLR y CLR DC-SIGN. En caso de que funcionen mal, estos receptores también se han relacionado con la carcinogénesis. Cuando se deja que la infección por Helicobacter pylori progrese en el intestino, se desarrolla en inflamación crónica, atrofia y, finalmente, displasia que conduce al desarrollo de cáncer. Dado que todos los tipos de PRR desempeñan un papel en la identificación y erradicación de la infección, sus agonistas específicos generan una fuerte respuesta inmunitaria contra los cánceres y otras enfermedades relacionadas con los PRR. Se ha demostrado que la inhibición de TLR2 se correlaciona significativamente con una mejoría del estado del paciente y la supresión del adenocarcinoma gástrico. [54]
Los PRR también están estrechamente relacionados con el funcionamiento adecuado de las redes neuronales y los tejidos, especialmente debido a su participación en los procesos de inflamación, que son esenciales para el funcionamiento adecuado pero que pueden causar daños irreparables si no se controlan. Los TLR se expresan en la mayoría de las células del sistema nervioso central (SNC) y desempeñan un papel crucial en la inflamación estéril. Después de una lesión, conducen a un deterioro del crecimiento axonal y ralentizan o incluso detienen por completo la recuperación. Otra estructura importante involucrada y potencialmente explotable en la terapia después de una lesión es el inflamasoma . A través de su inducción de citocinas proinflamatorias, IL-1β e IL-18, se ha propuesto que la inhibición del inflamasoma también puede servir como un método terapéutico eficiente. [55] La participación del inflamasoma también se ha investigado en varias otras enfermedades, incluida la encefalomielitis autoinmune experimental (EAE), las enfermedades de Alzheimer y Parkinson y en la aterosclerosis relacionada con la diabetes tipo II en pacientes. Las terapias sugeridas incluyen la degradación de NLRP3 o la inhibición de las citocinas proinflamatorias. [55]