Генетические механизмы распознавания бактерий рецепторами врожденного иммунитета крупного рогатого скота

В ходе исследований определен перечень молекул, вовлеченных в механизмы врожденного иммунитета крупного рогатого скота и распознавания бактериальных патогенов. Современный перечень молекулярных рецепторов расширился и теперь иммуносенсоры включают: рецепторы TLR, а также недавно определенные NOD-подобные рецепторы (NLR): NOD, NALP, NAIP и IPAF. Молекулы TLR предназначены для передачи сигнала связывания лиганда на поверхности клетки или эндосомы и активации в цитозоле специфичных молекул бактериального происхождения, таких как пептидогликаны, РНК, токсины и флагеллины. Полученные данные о молекулярной структуре рецепторов TLR и NLR указывают на их противовоспалительную роль, опосредованную сигналами через κB-фактор ядерной транскрипции и активацией в инфламмасоме каспазы-1. Показано, что роль в регуляции воспаления иммуносенсоров неклеточного и внутриклеточного восприятия бактерий синергетична. Мутации в TLR- и NOD-рецепторах связаны с аутоимунными воспалительными синдромами. В данном обзоре рассмотрены способы организма распознавать внутриклеточные патогены, описана проблема их мимикрии от иммунной системы животных, молекулярные механизмы таких взаимодействий. Рассмотрены также варианты молекулярных взаимодействий рецепторов врожденного иммунитета с пептидогликанами, бактериальной ДНК и токсинами, компартментами клеточных стенок, а также рецепторами бактериального флагеллина. Целью данного исследования был анализ современного понимания генетической и молекулярной структуры иммунного ответа на бактериальные факторы окружающей среды, а также анализ механизмов и особенностей реагирования организма животных.

1. Medzhitov R., Janeway Jr C.A. An ancient system of host defense // Current opinion in immunology. – 1998. – Vol. 10, N 1. – P. 12–15. – DOI: 10.1016/s0952-7915(98)80024-1.

2. Геномная селекция как основа племенной работы / А.Е. Калашников, А.И. Голубков, В.Г. Труфанов и др. // Вестник КрасГАУ. – 2021. – № 7 (172). – P. 163–170. – DOI: 10.36718/18194036-2021-7-163-170.

3. Kawai T., Akira S. TLR signaling // Seminars in immunology. – Academic Press, 2007. – Vol. 19, N 1. – P. 24–32. – DOI: 10.1016/j.smim.2006.12.004.

4. Innate recognition of bacteria by a macrophage cytosolic surveillance pathway / M. O'Riordan, C.H. Yi, R. Gonzales [et al.] // Proceedings of the National Academy of Sciences. – 2002. – Vol. 99, N 21. – P. 13861–13866. – DOI: 10.1073/pnas.202476699.

5. Pamer E.G. Immune responses to Listeria monocytogenes // Nature Reviews Immunology. – 2004. – Vol. 4, N 10. – P. 812–823. – DOI: 10.1038/nri1461.

6. NOD-LRR proteins: role in host-microbial interactions and inflammatory disease / N. Inohara, M. Chamaillard, C. McDonald, G. Nunez // Annu. Rev. Biochem. – 2005. – Vol. 74. – P. 355–383. – DOI: 10.1146/annurev.biochem.74.082803.133347.

7. Martinon F., Tschopp J. NLRs join TLRs as innate sensors of pathogens // Trends in immunology. – 2005. – Vol. 26, N 8. – P. 447–454. –DOI: 10.1016/j.it.2005.06.004.

8. Human Nod1 confers responsiveness to bacterial lipopolysaccharides / N. Inohara, Y. Ogura, F.F. Chen [et al.] // Journal of Biological Chemistry. – 2001. – Vol. 276, N 4. – P. 2551–2554. – DOI: 10.1074/jbc.M009728200.

9. Dostert C., Meylan E., Tschopp J. Intracellular pattern-recognition receptors // Advanced drug delivery reviews. – 2008. – Vol. 60, N 7. – P. 830–40. – DOI: 10.1016/j.addr.2007.12.003.

10. Differential roles of MDA5 and RIG-I helicases in the recognition of RNA viruses / H. Kato, O. Takeuchi, S. Sato [et al.] // Nature. – 2006. – Vol. 441, N 7089. – P. 101–105. – DOI: 10.1038/nature04734.

11. Coupling pathogen recognition to innate immunity through glycan-dependent mechanisms / R.C. Davicino, R.J. Elisabe, M.S. Di Genaro, G.A. Rabinovich // International immunopharmacology. – 2011. – Vol. 11, N 10. – P. 1457–1463. – DOI: 10.1016/j.intimp.2011.05.002.

12. Bonizzi G., Karin M. The two NF-κB activation pathways and their role in innate and adaptive immunity // Trends in immunology. – 2004. – Vol. 25, N 6. – P. 280–288. – DOI: 10.1016/j.it.2004.03.008.

13. Martinon F., Burns K., Tschopp J. The inflammasome: a molecular platform triggering activation of inflammatory caspases and processing of proIL-β // Molecular cell. – 2002. – Vol. 10, N 2. – P. 417–426. – DOI: 10.1016/s1097-2765(02)00599-3.

14. Cytoplasmic flagellin activates caspase-1 and secretion of interleukin 1β via Ipaf / E.A. Miao, C.M. Alpuche-Aranda, M. Dors [et al.] // Nature immunology. – 2006. – Vol. 7, N 6. – P. 569– 575. – DOI: 10.1038/ni1344.

15. Matzinger P. The danger model: a renewed sense of self // Science. – 2002. – Vol. 296, N 5566. – P. 301–305. – DOI: 10.1126/science.1071059.

16. Nod2, a Nod1/Apaf-1 family member that is restricted to monocytes and activates NF-kappaB / Y. Ogura, N. Inohara, A. Benito [et al.] // Journal of Biological Chemistry. – 2001. – Vol. 276, N 7. – P. 4812–4818. – DOI: 10.1074/jbc.M008072200.

17. Nod1 detects a unique muropeptide from gram-negative bacterial peptidoglycan / S.E. Girardin, I.G. Boneca, L.A. Carneiro [et al.] // Science. – 2003. – Vol. 300 N 5625. – P. 1584–1587. – DOI: 10.1126/science.1084677.

18. Murine Nod1 but not its human orthologue mediates innate immune detection of tracheal cytotoxin / J.G. Magalhaes, D.J. Philpott, M.A. Nahori [et al.] // EMBO reports. – 2005. – Vol. 6, N 12. – P. 1201–1207. – DOI: 10.1038/sj.embor.7400552.

19. Nod2 is a general sensor of peptidoglycan through muramyl dipeptide (MDP) detection / S.E. Girardin, I.G. Boneca, J. Viala [et al.] // Journal of Biological Chemistry. – 2003. – Vol. 278, N 11. – P. 8869–8872. – DOI: 10.1074/jbc.C200651200.

20. Regulatory regions and critical residues of NOD2 involved in muramyl dipeptide recognition / T. Tanabe, M. Chamaillard, Y. Ogura [et al.] // The EMBO journal. – 2004. – Vol. 23, N. 7. – P. 1587–1597.

21. Association of NOD2 leucine-rich repeat variants with susceptibility to Crohn's disease / J.P. Hugot, M. Chamaillard, H. Zouali [et al.] // Nature. – 2001. – Vol. 411, N 6837. – P. 599–603. – DOI: 10.1038/35079107.

22. Association between a complex insertion/deletion polymorphism in NOD1 (CARD4) and susceptibility to inflammatory bowel disease / D.P. McGovern, P. Hysi, T. Ahmad [et al.] // Human molecular genetics. – 2005. – Vol. 14, N 10. – P. 1245–1250. – DOI: 10.1093/hmg/ddi135.

23. A frameshift mutation in NOD2 associated with susceptibility to Crohn's disease / Y. Ogura, D.K. Bonen, N. Inohara [et al.] // Nature. – 2001. – Vol. 411, N 6837. – P. 603–606. – DOI: 10.1038/35079114.

24. Nod2-dependent regulation of innate and adaptive immunity in the intestinal tract / K.S. Kobayashi, M. Chamaillard, Y. Ogura [et al.] // Science. – 2005. – Vol. 307, N 5710. – P. 731–734. – DOI: 10.1126/science.1104911.

25. Eckmann L., Karin M. NOD2 and Crohn’s disease: loss or gain of function? // Immunity. – 2005. – Vol. 22, N 6. – P. 661–667. – DOI: 10.1016/j.immuni.2005.06.004.

26. Nod2 mutation in Crohn's disease potentiates NF-kappaB activity and IL-1beta processing / S. Maeda, L.C. Hsu, H. Liu [et al.] // Science. – 2005. – Vol. 307, N 5710. – P. 734–738. – DOI: 10.1126/science.1103685.

27. Boyden E.D., Dietrich W.F. Nalp1b controls mouse macrophage susceptibility to anthrax lethal toxin // Nature genetics. – 2006. – Vol. 38, N 2. – P. 240–244. – DOI: 10.1038/ng1724.

28. Scobie H.M., Young J.A.T. Interactions between anthrax toxin receptors and protective antigen // Current opinion in microbiology. – 2005. – Vol. 8, N 1. – P. 106–112. – DOI: 10.1016/j.mib.2004.12.005.

29. Identification of bacterial muramyl dipeptide as activator of the NALP3/cryopyrin inflammasome / F. Martinon, L. Agostini, E. Meylan, J. Tschopp // Current Biology. – 2004. – Vol. 14, N 21. – P. 1929–1934. – DOI: 10.1016/j.cub.2004.10.027.

30. Bacterial RNA and small antiviral compounds activate caspase-1 through cryopyrin/Nalp3 / T.D. Kanneganti, N. Ozören, M. Body-Malapel [et al.] // Nature. – 2006. – Vol. 440, N 7081. – P. 233– 236. – DOI: 10.1038/nature04517.

31. Cryopyrin activates the inflammasome in response to toxins and ATP / S. Mariathasan, D.S. Weiss, K. Newton [et al.] // Nature. – 2006. – Vol. 440, N 7081. – P. 228–232. – DOI: 10.1038/nature04515.

32. Gout-associated uric acid crystals activate the NALP3 inflammasome / F. Martinon, V. Pétrilli, A. Mayor [et al.] // Nature. – 2006. – Vol. 440, N 7081. – P. 237–241. – DOI: 10.1038/nature04516.

33. Critical role for NALP3/CIAS1/Cryopyrin in innate and adaptive immunity through its regulation of caspase-1 / F.S. Sutterwala, Y. Ogura, M. Szczepanik [et al.] // Immunity. – 2006. – Vol. 24, N 3. – P. 317–327. – DOI: 10.1016/j.immuni.2006.02.004.

34. Cytosolic recognition of flagellin by mouse macrophages restricts Legionella pneumophila infection / A.B. Molofsky, B.G. Byrne, N.N. Whitfield [et al.] // The Journal of experimental medicine. – 2006. – Vol. 203, N 4. – P. 1093–1104. – DOI: 10.1084/jem.20051659.

35. Birc1e is the gene within the Lgn1 locus associated with resistance to Legionella pneumophila / E. Diez, S.H. Lee, S. Gauthier [et al.] // Nature genetics. – 2003. – Vol. 33, N 1. – P. 55–60. – DOI: 10.1038/ng1065.

36. Naip5 affects host susceptibility to the intracellular pathogen Legionella pneumophila / Jr E.K. Wright, S.A. Goodart, J.D. Growney [et al.] // Current biology. – 2003. – Vol. 13, N 1. – P. 27–36. – DOI: 10.1016/s0960-9822(02)01359-3.

37. The Birc1e cytosolic pattern-recognition receptor contributes to the detection and control of Legionella pneumophila infection / D.S. Zamboni, K.S. Kobayashi, T. Kohlsdorf [et al.] // Nature immunology. – 2006. – Vol. 7, N 3. – P. 318–325. – DOI: 10.1038/ni1305.

38. Flagellin-deficient Legionella mutants evade caspase-1-and Naip5-mediated macrophage immunity / T. Ren, D.S. Zamboni, C.R. Roy [et al.] // PLoS pathogens. – 2006. – Vol. 2, N 3. – P. e18. – DOI: 10.1371/journal.ppat.0020018.

39. O'Riordan M., Portnoy D.A. The host cytosol: front-line or home front? // Trends in microbiology. – 2002. – Vol. 10, N 8. – P. 361–364. – DOI: 10.1016/s0966-842x(02)02401-0.

40. Cytosolic flagellin requires Ipaf for activation of caspase-1 and interleukin 1β in salmonella-infected macrophages / L. Franchi, A. Amer, M. Body-Malapel [et al.] // Nature immunology. – 2006. – Vol. 7, N 6. – P. 576–582. – DOI: 10.1038/ni1346.

41. Sato S., Nieminen J. Seeing strangers or announcing “danger”: galectin-3 in two models of innate immunity // Glycoconjugate journal. – 2002. – Vol. 19, N 7. – P. 583–591. – DOI: 10.1023/B:GLYC.0000014089.17121.cc.

42. Brown G.D., Gordon S. Immune recognition. A new receptor for beta-glucans // Nature. – 2001. – Vol. 413, N 6851. – P. 36–37. – DOI: 10.1038/35092620.

43. Stetson D.B., Medzhitov R. Recognition of cytosolic DNA activates an IRF3-dependent innate immune response // Immunity. – 2006. – Vol. 24, N 1. – P. 93–103. – DOI: 10.1016/j.immuni.2005.12.003.

44. Innate immunity against Francisella tularensis is dependent on the ASC/caspase-1 axis / S. Mariathasan, D.S. Weiss, V.M. Dixit, D.M. Monack // The Journal of experimental medicine. – 2005. – Vol. 202, N 8. – P. 1043–1049. – DOI: 10.1084/jem.20050977.

45. Recognition of bacteria in the cytosol of mammalian cells by the ubiquitin system / A.J. Perrin, X. Jiang, C.L. Birmingham [et al.] // Current biology. – 2004. – Vol. 14, N 9. – P. 806–811. – DOI: 10.1016/j.cub.2004.04.033.

46. Autophagy controls Salmonella infection in response to damage to the Salmonella-containing vacuole / C.L. Birmingham, A.C. Smith, M.A. Bakowski [et al.] // Journal of Biological Chemistry. – 2006. – Vol. 281, N 16. – P. 11374–11383. – DOI: 10.1074/jbc.M509157200.

47. Autophagy defends cells against invading group A Streptococcus / I. Nakagawa, A. Amano, N. Mizushima [et al.] // Science. – 2004. – Vol. 306, N 5698. – P. 1037–1040. – DOI: 10.1126/science.1103966.

48. Human IRGM induces autophagy to eliminate intracellular mycobacteria / S.B. Singh, A.S. Davis, G.A. Taylor, V. Deretic // Science. – 2006. – Vol. 313, N 5792. – P. 1438–1441. – DOI: 10.1126/science.1129577.

49. Mycobacterium tuberculosis inhibition of phagolysosome biogenesis and autophagy as a host defence mechanism / V. Deretic, S. Singh, S. Master [et al.] // Cellular microbiology. – 2006. – Vol. 8, N 5. – P. 719–727. – DOI: 10.1111/j.1462-5822.2006.00705.x.

50. Role of the caspase-1 inflammasome in Salmonella typhimurium pathogenesis / M. Lara-Tejero, F.S. Sutterwala, Y. Ogura [et al.] // The Journal of experimental medicine. – 2006. – Vol. 203, N 6. – P. 1407–1412. – DOI: 10.1084/jem.20060206.

51. Генетическая изменчивость и функциональные различия толл - подобных рецепторов / К. Новак, А.Е. Калашников, Л.А. Калашникова и др. // Проблемы биологии продуктивных животных. – 2021. – № 2. – P. 22–37. – DOI 10.25687/1996-6733.prodanimbiol.2021.2.22-37.