Toll Like Receptor. Prof. Dr. Albert Duschl

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1 Toll Like Receptor Prof. Dr. Albert Duschl

2 Pattern recognition 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 bzw. gramnegative oder grampositive Bakterien auszeichnen. Diese Merkmale lösen Immunabwehr aus. Calbiochem, Signal Transduction Catalog & Technical Resource

3 Toll Like Rezeptoren Toll like receptors (tlr) sind Homologe zum Drosophila-Rezeptorprotein toll. Der Mensch hat 11 verschiedene tlr. Sie sind als Rezeptoren der Innate Immunity identifiziert worden. TLR 1 und 6 sind Corezeptoren für TLR 2 TLR 2 erkennt u.a. Lipoproteine und Lipopeptide TLR 3 erkennt doppelsträngige RNA TLR 4 erkennt u.a. LPS von gramnegativen und Lipoteichonsäure von grampositiven Bakterien TLR 5 erkennt Flagellin TLR 9 erkennt CpG-Motive in bakterieller DNA Corezeptoren können die Erkennungsfähigkeiten von TLRs weiter verändern. both figures Akira, Takeda & Kaisho: Nature Immunol. 2:675 (2001)

4 TLR Signaling 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: BioCarta

5 IL-1R/TLR Superfamilie Mitglieder dieser Familie haben normalerweise eine TIR Domäne (Toll-IL- 1R). 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

6 TIR Domäne Die TIR Domäne ist etwa 200 Aminosäuren lang und enthält drei konservierte Sequenzmotive (Box 1-3). Die Funktion von TIR Domänen ist anscheinend Protein-Protein Interaktion über Bindung an andere TIR-Domänen. 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, (2000)

7 IL-1 System Das IL-1 System besteht mindestens aus den Liganden IL-1 und IL-1, die ähnliche aber nicht ganz gleiche Wirkungen haben IL-1RA, einem antagonistischen IL-1 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: (2002)

8 Drosophila - Mensch 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- B. O'Neill, L.A.J., Sci. STKE 2000 Aug 8;2000(44):RE1

9 IL-1 Signaling: Rezeptorkomplex 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: (2002)

10 IL-1 Signaling: TRAF 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/T- Kinase TAK1 (eine MKKK). TAK1 phosphoryliert I B (NF- B Aktivierung) und MKK6 (Aktivierung der MAP-Kinasen p38 und JNK). Wesche and Martin, Biochim. Biophys. Acta, 1592: (2002)

11 Ubiquitin 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 -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

12 Degradation vs. Signaling 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)

13 NF- B Aktivierung NF- B 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 I B kinase (IKK) Komplex und NEMO (NF- B essential modulator). Der NF- B Dimer wird im inaktiven Zustand im Cytoplasma zurückgehalten, wo es an den Inhibitor I B gebunden ist. Serinphosphorylierung von I B 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)

14 NF- B Wirkung Kanonisches NF- B ist ein Heterodimer aus den Untereinheiten p65 (Rel) und p50. Es gibt aber mehrere Mitglieder dieser Familie, die auf unterschiedliche Weise zusammenwirken können. NF- B alleine kann Transkription nicht auslösen. Für Genaktivierung sind transkriptionelle Coaktivatoren erforderlich, wie etwa p300 oder CBT. Die Coaktivatoren acetylieren NF- B, was verhindert daß es an neu auftauchendes I B binden kann. Das Signal wird auf dieser Ebene abgeschaltet indem NF- B von der (Histon) Deacetylase HDAC3 deacetyliert wird und wieder an I B bindet. BioCarta

15 Ubiquitin-Editing A20 ist keine Autobahn sondern ein Tumorsuppressor. Es handelt sich um ein Targetgen von NF- B. 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: (2010)

16 Lineare Signalketten vs. Netzwerke 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