Toll Like Receptor

Toll Like Receptor
Prof. Dr. Albert Duschl
Pattern recognition
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Innate Immunity (angeborene
Immunität) beruht darauf, daß
Mikroorganismen wie Bakterien und
Viren bestimmte Merkmale haben,
durch die sie sich sofort
identifizieren lassen. Dabei handelt
es sich nicht um die Grösse, weil
sich die Grössenbereiche der
Prokaryonten und der einzelligen
Eukaryonten überlappen.
Erkannt werden bestimmte Muster
(pattern recognition), durch die sich
Viren, gramnegative/grampositive
Bakterien oder Pilze auszeichnen.
Diese Merkmale lösen
Immunabwehr aus.
© Calbiochem, Signal Transduction Catalog & Technical Resource
TLRs
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Toll like receptors (TLR) sind
Homologe zum DrosophilaRezeptorprotein toll.
Der Mensch hat 11
verschiedene TLRs (1-11).
In der Maus gibt es auch TLR
12 und 13.
Sie sind an der
Cytoplasmamembran und in
Endosomen lokalisiert.
All TLR sind pattern
recognition receptors der
innate immunity.
Corezeptoren können die
Erkennungsfähigkeiten von
TLRs weiter verändern.
© Gay et al. Nature Rev. Immunol. 14:546-558 (2014)
doi:10.1038/nri3713
Liganden
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Zahlreiche Liganden, sowohl PAMPs als
auch DAMPs. Beispiele für PAMPs:
TLR1 und 6 sind Corezeptoren für TLR2
TLR2 erkennt u.a. Lipoproteine und
Lipopeptide
TLR3 erkennt doppelsträngige RNA
TLR4 erkennt u.a. LPS von gramnegativen und Lipoteichonsäure von
gram-positiven Bakterien
TLR5 erkennt Flagellin
TLR7/8 erkennen ssRNA
TLR9 erkennt CpG
Die liganden-bindenden Strukturen sind
unterschiedlich, aber homolog. Von links
nach rechts: TLR4, TLR8, Drosophila
toll. Die Wirkung von Ligandenbindung
dürfte ähnlich sein wie bei EGFR.
© Gay et al. Nature Rev. Immunol. 14:546-558 (2014)
doi:10.1038/nri3713
TLR Signaling
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TLR sind von der Signalübertragung her
mit IL-1 / IL-18 Cytokinrezeptoren
verwandt. IL-1 ("endogenes Pyrogen")
stimuliert sehr stark Entzündung und
induziert Fieber.
Diese Proteine haben alle mit
Immunabwehr gegen Viren, Bakterien
oder Protozoen zu tun - konservierte
Funktion!
Die IL-1/IL-18 Rezeptorfamilie ist mit der
Cytokinrezeptorfamilie nicht verwandt.
Sie verwendet auch weder Jaks noch
Stats.
Noch eine Homepage mit sehr guten
Abbildungen für Signalübertragung:
http://www.biocarta.com/genes/index.asp
© BioCarta
IL-1R/TLR Superfamilie
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Mitglieder dieser Familie haben
normalerweise eine TIR Domäne (Toll-IL1R). Toll wurde durch seine Funktion in
dorsoventraler Polarität entdeckt, ist aber
auch an antifungaler Abwehr beteiligt.
Die Subklasse 1 (IL-1R Familie) enthält drei
Ig-artige Domänen, der Rezeptor ist ein
Heterodimer. Dazu gehören die IL-1
Rezeptoren 1 und 2, der Co-Rezeptor
IL-1RAcP und die entsprechenden Proteine
des IL-18 Systems
Die Subklasse 2 (TLR-Familie) enthält ein
Leucin-rich Motif (LRM) und die Rezeptoren
bilden Homo- oder Heterodimere. Vertreter
sind Toll, die tlr, und cytosolische Proteine
aus Pflanzen, die mit Abwehr fungaler
Infekte zu tun haben.
MyD88 ist ein lösliches Adapterprotein.
© O'Neill, L.A.J., Sci. STKE 2000 Aug 8;2000(44):RE1
TIR Domäne
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Die TIR Domäne ist etwa 200
Aminosäuren lang und enthält
drei konservierte Sequenzmotive
(Box 1-3).
Die Funktion von TIR Domänen
ist Protein-Protein Interaktion
über Bindung an andere TIRDomänen. Von der Struktur her
gibt es mehrere mögliche
Bindungsflächen.
Ein TIR-haltiges Protein taucht
bereits bei Dictyostelium
discoideum auf und ist dort schon
für Bakterienabwehr zuständig
(Nature 317:678-81(2007)). Damit
ist TIR ein sehr alter Typ von
Signaldomäne.
© Xu et al., Nature 408, 111 - 115 (2000)
IL-1 System
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Das IL-1 System besteht mindestens
aus
den Liganden IL-1a und IL-1b, die
ähnliche aber nicht ganz gleiche
Wirkungen haben
IL-1RA, einem antagonistischen IL-1b
Analog
IL-1R I, der den funktionellen Rezeptor
bildet, zusammen mit
IL-1RAcP, dem Rezeptorakzessorischen Protein, während
IL-1R II nicht signalkompetent ist.
Von allen Rezeptoren gibt es
ausserdem noch lösliche Formen.
© Martin and Wesche, Biochim Biophys. Acta 1592:251-264 (2002)
Drosophila - Mensch
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Die Signalwege sind wieder stark
konserviert. Am besten ist die IL-1
Signalübertragung aufgeklärt.
Die Verbindung zwischen Toll und
IL-1 fand man, als IRAK
identifiziert wurde: Die IL-1
receptor associated kinase.
IRAK ist eine S/T-Kinase, deren
Drosophila-Homolog Pelle in der
Toll-Signalkette verwendet wird.
TIR bilden einen spezifischen
Signalkomplex aus MyD88, IRAK
und Tollip.
Dieser Komplex aktiviert das
Adaptermolekül TRAF, über das
weitere Signalketten erreicht
werden, wie NF-kB.
© O'Neill, L.A.J., Sci. STKE 2000 Aug 8;2000(44):RE1
IL-1 Signaling: Rezeptorkomplex
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IL-1 bindet an IL-1RI, was
Assoziation von IL-1RAcP auslöst.
Der heterodimere Rezeptorkomplex
wechselwirkt über TIR:TIR Kontakte
mit MyD88.
IRAK hat normalerweise Tollip (Toll
interacting protein) gebunden, das
als silencer wirkt.
IRAK/Tollip bindet an den aktiven
IL-1R Komplex. MyD88 verdrängt
Tollip und IRAK wird aktiviert,
wahrscheinlich als Dimer durch
Transphosphorylierung.
Aktives IRAK verlässt den Rezeptor
und bindet im Cytoplasma an das
Adaptermolekül TRAF.
© Wesche and Martin, Biochim. Biophys. Acta, 1592:251-264 (2002)
IL-1 Signaling: TRAF
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TRAF (Tumor Necrosis Factor
Receptor Associated Factor) wird
über zahlreiche Rezeptoren
aktiviert, aber nur die TIR-Familie
verwendet dafür den
MyD88/IRAK/Tollip Komplex.
IRAK organisiert einen Komplex in
dem TRAF über weitere Proteine
ubiquitiniliert wird.
Über einen unbekannten
Mechanismus führt Ub-TRAF zur
Autophosphorylierung der S/TKinase TAK1 (eine MKKK).
TAK1 phosphoryliert IkB (NF-kB
Aktivierung) und MKK6 (Aktivierung
der MAP-Kinasen p38 und JNK).
© Wesche and Martin, Biochim. Biophys. Acta, 1592:251-264 (2002)
Ubiquitin
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Ubiquitin ist ein kleines Protein (8.5 kDa,
76 Aminosäuren) das normalerweise dazu
verwendet wird, Proteine zu markieren,
die für Abbau im Proteasom vorgesehen
sind.
Ubiquitin wird durch spezifische
Transferproteine auf die Zielproteine
übertragen. Dabei bindet die C-terminale
Carboxylgruppe des Ubiquitins an die
e-Aminogruppe eines Lysinrests.
Ubiquitinierung erlaubt die Erkennung
durch Ubiquitin-Binding Domains (UBD)
von Zielproteinen.
An Lys48 von Ubiquitin kann ein weiteres
Ubiquitin angehängt werden, was zur
normalen Variante von
Polyubiquitinilierung führt.
© both figures Stryer: Biochemistry
Degradation vs. Signaling
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Proteosomale
Degradation eines
zunächst
monoubiquinierten*
Proteins wird durch
Polyubiquinierung über
Lys 48 eingeleitet.
Durch entsprechende
Signalketten wird
Polyubiquinierung über
Lys 63 induziert. Die so
modifizierten Proteine
werden nicht abgebaut,
sondern zur
Signaltransduktion
verwendet.
* Rechtschreibung optional
© Hochstrasser M., Nature 458:422 (2009)
NF-kB Aktivierung
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NF-kB wurde als Nuclear Factor für die
Expression der leichten Antikörperkette Kappa
in B-Zellen identifiziert, ist aber an der
Regulation vieler anderer Gene ebenfalls
beteiligt.
Die Verbindung zu TLR erfolgt über den IkB
kinase (IKK) Komplex und NEMO (NF-kB
essential modulator).
Der NF-kB Dimer wird im inaktiven Zustand im
Cytoplasma zurückgehalten, wo es an den
Inhibitor IkB gebunden ist.
Serinphosphorylierung von IkB durch IKK
bewirkt daß der Inhibitor ubiquitinyliert und
proteolytisch abgebaut wird, so daß der
Transkriptionsfaktor in den Kern wandern
kann.
© Pasparakides M., Nature Rev. Immunol. 9:778 (2009)
NF-kB Wirkung
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Kanonisches NF-kB ist ein
Heterodimer aus den Untereinheiten
p65 (Rel) und p50. Es gibt aber
mehrere Mitglieder dieser Familie, die
auf unterschiedliche Weise
zusammenwirken können.
NF-kB alleine kann Transkription nicht
auslösen. Für Genaktivierung sind
transkriptionelle Coaktivatoren
erforderlich, wie etwa p300 oder CBT.
Die Coaktivatoren acetylieren NF-kB,
was verhindert daß es an neu
auftauchendes IkB binden kann.
Das Signal wird auf dieser Ebene
abgeschaltet indem NF-kB von der
(Histon) Deacetylase HDAC3
deacetyliert wird und wieder an IkB
bindet.
© BioCarta
Ubiquitin-Editing
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A20 ist keine Autobahn sondern ein
Tumorsuppressor. Es handelt sich um
ein Targetgen von NF-kB.
A20 Protein bindet an eine Komplex
aus dem Adapterprotein TAX1BP1 und
den E3 Ligasen Itch und RNF11.
Dieser Komplex ist in der Lage die
K63-Ubiquitinkette von TRAF6 zu
entfernen.
Weiterhin wird das E2-konjugierende
Enzym Ubc13/5 zur proteosomalen
Degradation freigegeben. Die
Ubiquitinierung von IKK und IkB wird
ebenfalls geändert.
Das Ergebnis ist eine negative
Rückkopplung des Signals.
© Sriskantharajah and Ley, Science 327:1093-4 (2010)
Lineare Signalketten vs. Netzwerke
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Signalwege können linear verlaufen, also etwa
der klassische Weg EGF - EGFR - Grb2 - Sos ras - Raf-1 - MEK - ERK - Transkriptionsfaktoren.
Die Regel ist aber Crosstalk, Branching und
Feedback (auch im ras/Raf Weg übrigends). Die
Signalverarbeitung erfolgt also bereits während
der Signalweiterleitung.
Die vielen Namen in der Signaltransduktion sind
schwer zu merken, da haben Sie recht. Wenn
Sie also Gelegenheit zu einer Namensgebung
haben, suchen Sie etwas einprägsames und
vernünftiges aus.
© Martin Perscheid