Virustautien immunologia

Transkriptio

1 Virustautien immunologia Kalle Saksela L3 luento Yleistä virusimmunologiasta Virusten ja niiden isäntälajien pitkä yhteiselo evoluutiossa on tehnyt viruksista immuunipuolustuksen mestareita sekä luonut isännille monipuolisen arsenaalin antiviraalisia puolustusmekanismeja. Tuloksena monisyinen puolustus- ja vastapuolustusmekanismien verkosto: Virus Puolustus Vastahyökkäys Vastapuolustus Vastapuolustuksen väistö jne... Esimerkki HIV-1 Infektion saaneiden solujen tuhoaminen sytolyyttisten T solujen (CTL) avulla CTL-tunnistukselle välttämättömien MHC-I molekyylien poistaminen HIV-infektoitujen solujen pinnalta MHC-I-negatiivisten solujen tunnistus ja eliminaatio luonnollisten tappajasolujen (NK-solut) avulla Elimistön NK-solujärjestelmän halvaannuttaminen Siksi virustutkimus on keskeisellä tavalla edesauttanut ymmärtämystämme immunologian perusmekanismeista. Esimerkkinä Rolf Zinkernagelin ja Peter Dohertyn LCMV-infektiotutkimustensa yhteydessä 1974 tekemä havainto kudosantigeenien (MHC/HLA) roolista vieraiden antigeenien CTL tunnistuksessa (lääketieteen Nobel palkinto 1996) 1

2 Antiviraalisen immuunivasteen vaiheet Tunnistus ja puolustuksen käynnistäminen Vasteen vahvistaminen Vasteen sammuttaminen ja muisti Antiviraalisen puolustuksen komponentit Elimistöä uhkaavien infektioiden ehkäisy ja alkuvaiheen eliminaatio Immunologinen muisti Fysikaaliset ja kemialliset tekijät Ihon kuollut pintakerros, limakalvojen pinnan ominaisuudet (ph, värekarvat ja muut puhdistusmekanismit, jne) Luonnollinen immuniteetti Interferonit ja muut sytokiinit Apoptoosi Komplementti NK solut Makrofaagit ja neutrofiilit Opittu immuniteetti T solut (soluvälitteinen immuniteetti) B solut (humoraalinen eli vasta-ainevälitteinen immunitetti) Virusinfektioiden rajoittaminen ja häätäminen elimistöstä 2

3 Immuunijärjestelmän solut Luonnollinen ja opittu immuniteetti virusinfektiossa Luonnolliset antiviraaliset puolustusmekanismit ovat usein yksinään riittäviä pysäyttämään virusinfektion jo aivan alkuvaiheessa. Mikäli virusinfektio kuitenkin onnistuu leviämään on luonnollisilla immuunivasteella edelleen keskeinen rooli opitun immuunivasten käynnistämisessä ja ohjaamisesssa. 3

4 Tulehdusreaktio on monien luonnollisen ja hankitun immuniteetin komponenttien vuorovaikutusten näyttämö Tulehdusreaktiota säätelevien ja muiden paikallisten vaikutustensa lisäksi sytokiineillä on myös systeemisiä vaikutuksia antiviraalisessa immuunivasteessa, joista mm. monet virusinfektiolle tyypilliset oireet aiheutuvat. 4

5 Interferonit HISTORIAA: Vuonna 1957 Isaacs ja Lindenmann havaitsivat, että inaktivoidulla influenssaviruksella käsitellyt soluviljelmät tuottivat tuntematonta tekijää, joka lisättynä uusin viljelmiin esti elävän viruksen kykyä lisääntyä niissä. He ristivät tämän aineen interferoniksi. Suomalaisen Kari Cantellin tutkimukset edesauttoivat merkittävästi interferonin karakterisointia ja menetelmiä sen tuottamiseksi. Interferoneita tunnetaan yli 20 erilaista ja ne jaetaan tyypin-i, -II, ja III. Tyyppi-I interferoneita tuottavat lukuisat IFN-α geenit ja yksi IFN-β geeni sekä perheen kolme vähemmän tutkittua jäsentä (ω, κ, and, ε). Tyyppi-II interferoneihin kuuluu ainoastaan IFN-γ. Tyyppi-III interferoneita ovat IFN-λ1, -λ2, and -λ3 (joita aiemmein kutsuttiin interleukiineiksi IL-28A, IL-28B ja IL-29). Useimpien solutyyppien virusinfektio laukaisee niissä α/β interferonien tuotannon. Sen sijaan γ-interferonia tuottavat aktivoituneet NK-solut ja antigeeninsä kohdanneet T-solut. Interferonien sitoutuminen solun pinnan reseptoreihin aiheuttaa JAK-kinaasien aktivaation, mikä puolestaan johtaa soluliman STAT-transkriptiotekijöiden fosforylaatioon ja siirtymiseen tumaan stimuloimaan kohdegeeniensä ilmentymistä. JAK-kinaasien löytymisessä vuonna 1993 oli suomalaisilla keskeinen rooli (Olli Silvennoinen). Antiviraalinen tila (useimpien virusten kyky replikoitua soluissa estynyt tai alentunut) = muutos geenien ilmentymisessä. Interferonikäsittely lisää ainakin sadan proteiinin tuotantoa soluissa. Näistä vasta osan antiviraalisen vaikutuksen mekanismi on alustavasti selvitetty, esim. PKR, OAS, RNaseL ja Mx-proteiinit. Mekanismit, joilla virukset laukaisevat interferonien tuotannon infektion saaneissa soluissa ovat hiljattain alkaneet selvitä 5

6 Viimeaikaista tutkimustietoa luonnollisessa antiviraalisessa immuniteetissa hahmontunnistuksesen osallistuvista molekyyleistä Kaksisäikeinen RNA (dsrna), jota muodostuu useimpien virusinfektioiden yhteydessä, käynnistää interferonituotantoon johtavan signaalinvälitysreitin sitoutuessaan TLR3 reseptoriin (solunulkoinen dsrna) tai RIG-I ja MDA5 RNA-helikaaseihin (solun sisällä tuotettu dsrna). Myös yksisäikeinen RNA, jonka 5 päässä trifosfaatti on tehokas RIG-I aktivaattori Omaan reseptoriinsa sitouduttuaan interferoni puolestaan indusoi samassa sekä muissa, vielä infektoimattomissa soluissa useiden antiviraalisten proteiinien, kuten PKR-kinaasin sekä RNaseL-nukleaasin tuotannon. Sekä PKR:n että RNaseL:n toiminta myös aktivoituu dsrna:n vaikutuksesta, mutta niillä ei ole varsinaista osuutta antiviraalisen vasteen käynnistämiseen. Double-stranded RNA (dsrna) is a replication intermediate of RNA viruses and is also often generated during the replication of DNA viruses dsrna Recognition by PRRs (Pattern recognition receptors for dsrna include TLR3 and RIG-I) Interferon response and apoptosis dsrna sirna (small-interfering RNA; 22 nt RNA duplexes) RISC Dicer (a nuclease containing a DEXD/H ATPase domain,a DUF283 domain, a PAZ domain, two tandem RNase III domains, and a dsrna-binding domain) (RNA-induced silencing complex; contains the guide strand of sirna, and Argonaute protein family member and associated factors) Amplification (In plants and nematodes the complementary sirna strand primes RdRp-catalyzed synthesis of more dsrna from target ssrna) Mammalian cells Target mrna degradation (mrnas homologous to the sirna are degraded by the Argonaute slicer activity) Fungi, plants and invertebrate animals 6

7 Luonnollisen antiviraalisen immuniteetin solutason mekanismeja Pathogen-associated molecular patterns (PAMP) ja niitä tunnistavilla solun proteiinieilla, erityisesti Toll-perheen reseptorit (TLR) ja DExD/H box RNA helikaasit (RIG-I ja MDA-5), on keskeinen rooli solutason antiviraalisessa puolustuksessa Viime vuosina on tunnistettu myös suuri määrä muita intracellular immunity proteiineja, jotka eri mekanismeilla ehkäisevät joko yhden tai useamman viruksen replikaatiota (esim. HIV tutkimuksen paljastamat APOBEC3, TRIM5α, tetheriini ja SAMHD1 proteiinit) Intrinsic immunity against viruses Cellular restriction factors can inhibit viral replication by diverse mechanisms and have been collectively referred to as intrinsic immunity. Discovered largely via studies on HIV biology, but the same factors or related mechanisms are also active against other viruses. Depending on the definition, could also be considered as an intracellular arm of innate immunity. Indeed, expression of tetherin is interferon-dependent and levels of TRIM5 APOBEC3, SAMHD1, and Schlafen11 are also increased by interferon stimulation. TRIM5 class of inhibitors target incoming retroviral capsids. Tetherin inserts into viral membranes preventing release of enveloped viruses APOBEC3 class of cytidine deaminases hypermutate and destabilize retroviral genomes. Schlafen11 reduces the pool of cellular trnas to impair translation of viruses with a biased amino acid codon usage SAMHD1 reducesthe pool of cellular dntp Below levels that support HIV-1 reverse transcription 7

8 Virusproteiineilla on lukuisia tapoja estää interferonin vaikutuksia (Taulukko 14.6), sekä myös estää interferonin tuotantoa infektoituneissa soluissa. Jälkimmäisestä esimerkkeinä Influenssa A viruksen NS1:en kyky estää IRF3 transkriptiotekijän aktivaatiota sekä hepatiitti C viruksen NS3-4A:n kyky proteolyyttisesti pilkkoa TLR3 ja RIG-I/MDA5 signalointireitteihin osallistuvia proteiineja. Apoptoosi eli ohjelmoitu solukuolema viruksen infektoimissa soluissa Apoptoosin voivat laukaista: Samat hahmontunnistusreseptorit, jotka ovat yleisemminkin tärkeitä luonnollisessa immuniteetissa (esim. dsrna tunnistus) Mekanismit, jotka aistivat häiriöitä solun homeostaasin kannalta tärkeissä säätelyjärjestelmissä, kuten solusyklin ja genomivaurioiden monitorointi. Virusproteiinien suora apoptoosin säätely (Yleensä kuitenkin vasta myöhemmin uusien viruspartikkelien jo vapautuessa solusta. Infektoidut solut myös usein aiheuttavat apoptoosia naapurisoluissa, tarkoituksena estää immuunisolujen hyökkäys) 8

9 Virukset ovat kehittäneet nerokkaita mekanismeja estääkseen isäntäsolunsa apoptoosin Komplementti viruspuolustuksessa Komplementti on luonnollisen immuniteetin tärkeä osa, joka koostuu n. 20:stä seerumin proteiinista sekä lähes yhtä monesta solukalvon proteiinista, jotka muodostavat proteolyyttisten reaktioiden kaskadeita. Aktivoitunut komplementti tuhoaa infektion saaneita soluja sekä vaipallisia viruksia MAC kompleksin avulla (membrane attack complex). Komplementin aktivaation myös tehostaa paikallista tulehdusreaktiota ja osallistuu siten myös epäsuorasti antiviraaliseen puolustukseen. Klassinen komplementin aktivaatio käynnistyy C1 proteiinin toimesta vasta-aineen sitouduttua antigeeniinsä, mutta ns. oikotieaktivaatio käynnistyy opitusta immuunivasteesta riippumatta C3b:n tunnistaessa vieraan pinnan, kuten viruksen. Monet virukset kuitenkin inkorporoivat vaippaansa solun pinnan komplementin aktivaatiota estäviä proteiineja, kuten Cr1, CD55, CD59 ja CD46. Lisäksi virukset tuottavat säätelijäproteiineja, jotka inhiboivat komplementtikaskadin reaktioita, kuten isorokon SPICE (smallpox inhibitor of complement enzymes) ja HSV-1:n vaippaglykoproteiini-c. 9

10 NK-solut viruspuolustuksessa Suuria granulaarisia T soluja, joilta puuttuu T-solureseptori Henkilöt, joilla peritty NK-solujen toiminnan vaje ovat herkkiä virusinfektioille, erityisesti vakaville herpesvirusten infektioille Tuhoavat suoraan viruksen infektoitumia ja muita vieraita soluja sekä tukevat immuunivastetta tuottamalla interferoni-γ sekä TNF-α sytokiinejä. NK-soluilla on pinnallaan sekä niitä aktivoivia että inhiboivia reseptoreita. Ne tappavat soluja, jolla on pinnallaan ensin mainittuja mutta ei jälkimmäisiä reseptoreita stimuloivia ligandeja. Inhibitoristen NK-reseptorien tärkein ligandi on MHC-I, mutta aktivoivien reseptorien ligandit tunnetaan vasta osittain. Välttyäkseen CTL-tapolta monet virukset estävät MHC-I:n ilmenemistä isäntäsolun pinnalla, mikä herkistää näitä soluja NK-tapolle. Virukset voivat kuitenkin harhauttaa NK-soluja, esim. tuottamalla itse ligandeja inhibitorisille NK-reseptoreille, tai kuten sytomegalovirus, indusoimalla solut tuottamaan MHC:n kaltaisia molekyylejä (HLA-E). Opittu immuunivaste (1) Yleistä Käynnistyminen riippuu luonnollisesta immuniteetista, jonka kanssa opittu vaste toimi kiinteässä yhteistyössä Vastaa immunologisesta muistista (immuniteetti, immunisaatio) Kostuu soluvälitteisestä (T-solut) ja humoraalisesta (B-solut) vasteesta, jotka kuitenkin molemmat ovat auttaja-t-solujen koordinoimia. Oppiminen perustuu T- ja B-solujen antigeenireseptoreita koodaavien geenien sattumanvaraiseen uudelleenjärjestelyyn (rekombinaatio) ja sopivalla reseptorilla varustettujen solujen valintaan (päinvastoin kuin luonnollisessa immuniteetissa, jossa hahmontunnistus on perittyä ja kehittynyt evoluution kuluessa) Primaarin opitun immuunivasteen käynnistyminen ja tehostuminen kestävät muutamista päivistä pariin viikkoon, kun taas sekundaarinen opittu immuunivaste on käytössä jo tuntien kuluessa virusinfektion alkamisesta. 10

11 Opittu immuunivaste (2) B-solut Tunnistavat pintaansa kiinnitettyjen vasta-ainemolekyylien (B-solureseptori) avulla virusproteiineja liukoisina taikka viruspartikkelin tai infektion saaneen solun pinnalla, minkä seurauksena ne jakautuvat ja kehittyvät liukoisia vastaaineita (IgM, IgG, IgD, IgE, IgA) tuottaviksi plasmasoluiksi. Vasta-aineiden alaluokat muuttuvat infektion kuluessa (IgM -> IgG ; DNA rekombinaation aiheuttama class switching ) ja niiden sitoutumiskyky paranee (somaattinen hypermutaatio). Eri Ig-alaluokkien muodostumiseen vaikuttaa myös anatominen sijainti (suoliston sekretoituva IgA) sekä infektion aiheuttaja (luonnollisen immuniteetin ja auttaja-t-solujen ohjaavan vaikutuksen kautta). Vasta-aineet voivat neutraloida (tarttuminen, fuusio) tai opsonoida (ohjata makrofaagien tai neutrofiilien fagosytoitavaksi) viruksia sekä aktivoida komplementin tai ohjata infektion saaneen solun tuhoamisen ATCC:n (antibody-mediated cell-dependent cytotoxicity) avulla. T-solut Opittu immuunivaste (3) Tunnistavat T-solureseptorinsa avulla virusproteiineista proteolyyttisesti pilkottuja peptidejä, joita kaikki infektion saanet solut esittelevät MHC-I rakenteen avulla (CD8+ T-soluille) sekä antigeenin esittelyyn erikoistuneet APC solut MHC-II rakenteen avulla (CD4+ T-soluille). APC solut voivat myös esitellä myös muista soluista peräisin olevia viruspeptidejä sekä CD4+ että CD8+ soluille, mikä on tärkeää T soluvasteen käynnistämiseksi viruksia kohtaan, jotka eivät infektoi APC soluja. Antigeeninsa kohdattuaan T solut jakaantuvat voimakkaasti ja kehittyvät kypsiksi efektorisoluiksi, eli sytolyyttisiksi T-soluiksi (CD8+ T-solut) sekä auttaja-t-soluiksi (Th1 tai Th2) tai regulatorisiksi T soluiksi (T reg ) (CD4+ T-solut). Jälkimmäiset ovat tärkeitä mm. immuunivasteen rajoittamisessa tarkoituksenmukaiseksi sekä sen sammuttamisessa. 11

12 Opittu immuunivaste (4) Antigeenia esittelevät solut (APC), joita ovat dendriittiset solut, makrofaagit sekä B-solut, voivat prosessoida ulkopuoleltaan kaappamia virusproteiineja sekä viruksia ja esitellä niistä peräisin olevia peptidejä kypsyville CD4+ tai CD8+ T-soluille pinnallaan olevissa MHC-II (vasen kuva) ja MHC-I rakenteissa Muut elimistön solut yleensä esittelevät vain niissä infektion seurauksena tuotettuja virusproteiineja CD8-positiivisille sytolyyttisille T-soluille pinnallaan olevissa MHC-I rakenteissa (oikea kuva). Interferoni-γ stimulaatio aktivoi MHC-II:n ilmenemisen myös eräissä muissa soluissa (esim. epiteelisolut), jotka voivat sen seurauksena myös esitellä antigeenejä CD4 T-soluille. Useimmat virukset ovat kehittäneet mekanismeja, joilla ne pyrkivät estämään MHC-I-välitteistä peptidien esittelyä T-soluille 12

13 Yhteenveto virusten immuuniväistömekanismeista MHC järjestelmän esto Apoptoosin esto IFN induktion ja vaikutusten esto Komplementin esto NK solujen harhautus MHC-analogien avulla Sytokiini- ja sytokiinireseptorianalogit & antagonistit Kyky latenttiin infektioon Antigeenien muuntelu Yleinen immunosupressio (steroidit, luuydin) Immuunijärjestelmän solut infektion kohteena Influenssa A virus muuntuu genetic shift ja genetic drift mekanismeilla, siten aiheuttaen säännöllisiä epidemioita sekä ajoittaisia pandemioita 13