Toll Like Receptor

NOD Like Receptors
Prof. Dr. Albert Duschl
Leerer Raum?
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Verschiedene Kompartimente des Körpers werden von
Rezeptoren überwacht die non-self erkennen können, wie
Antikörper in Blut und Lymphe, und TLRs in der
Zellmembran und intrazellulären Membranen.
Ein leerer Raum scheint das Cytoplasma zu sein, in dem
eine Reihe von Bakterien überleben können, etwa
Vertreter von Mycobacterium, Salmonella und Shigella.
Diese Lücke in der non-self Erkennung wird durch NOD
Like Rezeptoren (NLR) ausgefüllt, cytoplasmatische
Proteine, die auf Bakterienkomponenten mit
Signalübertragung zu Zellaktivierung, Entzündung, Stress
und Apoptose reagieren können. Es gibt im Menschen
über 20 Vertreter dieser Famile.
Namesgebend sind NOD1 und NOD2. NOD steht für
Nucleotide-binding Oligomerization Domain.
Peptidoglycane
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Peptidoglycane sind
Komponenten bakterieller
Zellwände.
NOD2 reagiert auf muramyl
dipeptide (MDP; box A) das
in Gram-neg. und Grampos. Bakterien vorkommt.
NOD1 reagiert auf mesodiaminopimelic acid (mDAP
oder ieDAP, box B),
hauptsächlich aus Gramneg. Bakterien.
Ob das direkte Liganden
sind ist bisher nicht klar.
Immunological Reviews
Volume 243, Issue 1, pages 9-25, 26 AUG 2011 DOI: 10.1111/j.1600-065X.2011.01039.x
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1600-065X.2011.01039.x/full#f1
Intracellular sensors of extracellular bacteria
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Peptidoglycane können von NLR
auch erkannt werden wenn die
Bakterien nicht aktiv in die Zellen
eindringen. Dafür gibt es
verschiedene Möglichkeiten:
Endozytose
Phagozytose
Bakterielle Sekretion
Peptidtransporter
Bakterielle AussenmembranVesikel
Porenformende Toxine
Sowohl der Wirt als auch die
Bakterie kann für die Aufnahme
von PGN verantwortlich sein.
Immunological Reviews
Volume 243, Issue 1, pages 9-25, 26 AUG 2011 DOI: 10.1111/j.1600-065X.2011.01039.x
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1600-065X.2011.01039.x/full#f2
NOD-Struktur
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NOD Proteine bestehen aus drei Typen von
Domänen, die auch in vielen anderen Proteinen
auftauchen:
C-terminal: LRR, Leucine Rich Repeat
Zentral: NOD-Domain = NBD, Nod-Binding
Domain = NACHT, Naip, CIITA, HAT-E and TP-I
domain (das NATCH in der Abbildung ist ein
Druckfehler, macht es aber auch nicht einfacher
sich das alles zu merken).
N-terminal: CARD, Caspase Activation and
Recruitment Domain
In verwandten Proteinen u.a.:
BIR: Baculovirus Inhibitors of apoptosis protein
Repeat domains (eine Protein Interaction
Domain)
PYR: Pyrin domain (eine Protein Interaction
Domain)
The Journal of Pathology
Volume 214, Issue 2, pages 136-148, 27 DEC 2007 DOI: 10.1002/path.2271
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/path.2271/full#fig1
Sind Sie verzweifelt?
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Also nochmal: Wozu dürften diese Domänen gut
sein?
LRR, die Sie schon von TLRs kennen, haben
etwas mit der Erkennung der Liganden zu tun. Es
ist aber nicht gezeigt daß die Peptidoglycane
direkt daran binden. Es könnte auch auf
indirektem Wege gehen.
Die NBD Domäne vermittelt Oligomerisierung der
Proteine. Die Signalübertragung hängt von der
Bildung großer Komplexe aus NODs ab, nur dann
ist NOD aktiv.
CARD ist die Effektordomäne, weil sie die weiter
downstream liegenden Effektoren rekrutiert, vor
allem die Kinase RIP2. Dieses RIP2 hat ebenfalls
einen CARD-Domäne, so daß CARD-CARD
Bindung ermöglicht wird.
The Journal of Pathology
Volume 214, Issue 2, pages 136-148, 27 DEC 2007 DOI: 10.1002/path.2271
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/path.2271/full#fig1
Nod‐like proteins in inflammation and disease
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Die NODs werden von
den bakteriellen Stimuli
aktiviert.
Als Oligomere binden
sie RIP2, das eine
CARD Domäne hat
(rot) und dazu eine
Kinase-Domäne (blau).
RIP2 phosphoryliert
I B, was zur
Aktivierung von NF B
führt.
The Journal of Pathology
Volume 214, Issue 2, pages 136-148, 27 DEC 2007 DOI: 10.1002/path.2271
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/path.2271/full#fig2
Nod‐like proteins in inflammation and disease
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Verwandte Proteine
wie NALP1, NALP3,
Ipaf und Naip haben
ähnliche Domänen und
Mechanismen, es gibt
aber neben NF- B
noch ein zweites
wichtiges Zielprotein:
Caspase-1.
Caspase-1 ist keine
echte Caspase,
sondern eine Protease
die Pro-IL-1ß spaltet.
Damit wird ein starkes
Signal induziert das je
nachdem zu
Entzündung oder
Apoptose führt.
The Journal of Pathology
Volume 214, Issue 2, pages 136-148, 27 DEC 2007 DOI: 10.1002/path.2271
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Intracellular NOD‐like receptors in innate immunity, infection and disease
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ASC ist ein
Adapterprotein, das
für die Bindung von
Inflammsomen an
Caspase-1 benötigt
wird.
Caspase-1 aktiviert
IL-1ß und bewirkt
über wenig
bekannte
Mechanismen
seine Sekretion.
Beachten Sie: Die
Signaltransduktion
führt diesmal nicht
in den Kern!
Cellular Microbiology
Volume 10, Issue 1, pages 1-8, 19 SEP 2007 DOI: 10.1111/j.1462-5822.2007.01059.x
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1462-5822.2007.01059.x/full#f2
Inflammasom
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Unterschiedliche Stimuli
induzieren die Bildung und
Aktivierung von Komplexen
die man als Inflammasom
bezeichnet.
Da Entzündungen
inzwischen auch weit über
Infektionserkrankungen
hinaus aus Kausalfaktoren
angesehen werden (etwa für
Infarkte und Tumore) ist es
eine dringende Aufgabe
dieses System
pharmazeutisch zu
kontrollieren.
11, 213-220 (2011)
Interaktionen
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Man kann experiementell einen
einzelnen Stimulus verwenden, bei
Infektionen sind aber immer viele Stimuli
gleichzeitig vorhanden, so dass
Crosstalk zwischen Signalwegen nahe
liegt. Zwei Beispiele:
TLRs und NLRs verwenden beide
CARD9 um MAP Kinasen zu aktivieren.
Beide Rezeptortypen aktivieren auch
NF- B, das wesentliche
Inegrationssignal für die Auslösung des
Programms für zellulären Stress.
Das System muß dabei so justiert sein
daß geringe Stimulusstärke zur Toleranz
führt, vor allem an Körperoberflächen.
© Kanneganti et al., Immunity 27:549-559 (2007)
Zelltypen
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Epithelzellen im Darm erkennen kontinuierlich
Bakterien durch TLRs und NLRs. Sie
reagieren mit Produktion von antimikrobiellen
Peptiden und von Mucin, sowie von
protektiven Cytokinen wie IL-18. Tight
junctions werden verstärkt. Die Epithelzelle
bleibt gesund und funktionsfähig.
Dendritische Zellen – auch in Immunität im
Darm involviert – reagieren proinflammatorisch, vermittelt durch Aktivierung
von NF- B. Es gibt jedoch auch hier noch
Möglichkeiten zur Hemmung: NOD2
unterdrückt TLR-Signale und induziert
Autophagie, was die Entzündung begrenzt.
© Maloy and Powrie, Nature 474:298- 306 (2011)
Homeostase
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Bei einem Zusammenbruch der Homeostase kommt es im
Darm zu autoimmunen Darmerkrankungen (Crohn‘s disease
und Ulcerative Colitis, beide als Inflammatory Bowel
diseases zusammengefasst).
Mutationen in NOD2 und NLRP3 sind damit assoziiert.
Beachten Sie bitte: Assoziation heißt nicht daß die Faktoren
die Krankheit verursachen! Sie kann auch heißen daß sie
protektiv sind indem sie unter normalen Umständen an der
Homeostase der Wechselwirkung zwischen Darmepithel
und Bakterienflora mitwirken.
Hinweis darauf: Knockout Mäuse denen Pattern Recognition
Receptors fehlen (u.a. NOD1, NOD2, MyD88 und TLRs
2,4,5,9) sind anfälliger gegen Colitis.
NOD2 Mutationen die mit Crohn‘s assoziiert sind liegen
hauptsächlich in der LRR Domäne und führen zu
verminderter NF- B Aktivierung. Man vermutet daß NOD2
dabei mit TLR-Signalen interferiert.
Liganden
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Sterile Entzündung (in
Abwesenheit von
Mikroorganismen ist
gegen DAMPs
gerichtet.
Die Erkennung erfolgt
über Rezeptoren wie
NLRs und TLRs, aber
die Liganden sind sehr
heterogen, für NLRP3
etwa Kristalle und
ATP.
© Chen and Nunez, Nature Rev.
Immunol. 10:826-37 (2010)
Partikel
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Partikuläre Stimuli, wie
Harnsäurekristalle, können
etwa über mechanische
Zerstörung von
lysoendosomalen Vesikeln
das System aktivieren.
Auch andere Stimuli können
eingreifen, wie etwa ROS,
die u.a. im Rahmen von
apoptotischen Prozessen
aus Mitochondrien
freigesetzt werden.
© Schroder et al., Science 327:296-300 (2010)
Gut, aber sind das echte Liganden?
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Bei sehr komplexen Systemen ist es oft schwierig eine
einzelne Primärursache für einen bestimmten Vorgang
zu identifizieren.
Dieser Zustand ist für uns unbefriedigend, weil wir in
unserer reduktionistischen Sicht des Lebens anstreben
die Einzelkomponenten zu verstehen und wenn
erforderlich nach Wunsch zu manipulieren.
Wenn sehr viele Inputs gleichzeitig verrechnet werden,
dann ist es allerdings nicht leicht so wie oft sonst über
Liganden-Rezeptor Systeme einzugreifen.
Als Alternative empfiehlt sich die Identifzierung von
zentralen Schaltstellen an denen (digitale)
Entscheidungen getroffen werden. In unserem
heutigen System bieten sich wenigstens zwei
Kandidaten an: NF- B und Caspase-1.
© Rainer Simons: Geschichte der
Automobile mit Frontantrieb