Joanna A. Szulc1, Iwona Bednarz- Misa2, Magdalena Mierzchała-Pasierb2, Paweł Serek2, Andrzej Gamian2
Streszczenie: Białka błony zewnętrznej (OMP) bakterii Gram-ujemnych odgrywają ważną rolę jako antygeny rozpoznawane przez układ odpornościowy zainfekowanego organizmu.
Mogą one pełnić rolę biomarkerów, gdyż obecność przeciwciał przeciwko nim skierowanych zaobserwowano u osób ze schorzeniami o podłożu autoimmunologicznym. W niniejszej pracy pokazano zależność pomiędzy infekcjami bakteryjnymi, a nieprawidłową odpowiedzią układu odpornościowego prowadzącą do wytworzenia autoprzeciwciał, co w konsekwencji może prowadzić do rozwoju choroby autoimmunologicznej.
Słowa kluczowe: choroby autoimmunologiczne; białka błony zewnętrznej; bakterie Gram- ujemne
1. Wstęp
Rozpoznawanie antygenu w ustroju zachodzi dzięki mechanizmom odpowiedzi swoistej i nieswoistej układu immunologicznego, w których ważne funkcje pełnią limfocyty T CD4+, określane jako limfocyty pomocnicze typu 1 (Th1), wytwarzające interferon gamma oraz limfocyty pomocnicze typu 2 (Th2), produkujące interleukinę 4 (IL-4), odpowiedzialne za inicjowanie odpowiedzi humoralnej [1, 2]. Za wiązanie i prezentację antygenów limfocytom T odpowiada główny układ zgodności tkankowej. Jednym z głównych zadań układu immunologicznego jest utrzymywanie stanu dynamicznej równowagi między reakcjami odpornościowymi, zaangażowanymi w eliminację patogenów, a mechanizmami odpowiedzialnymi za wyciszenie odpowiedzi immunologicznej. Zaburzenie takiego stanu równowagi może prowadzić do rozwoju chorób o podłożu autoimmunologicznym [3, 4].
Choroby autoimmunologiczne (autoimmune disease, AID) są grupą chorób, w których system odpornościowy rozpoznaje własne antygeny jako obce, w konsekwencji prowadząc do rozwoju stanu zapalnego i uszkodzenia specyficznych tkanek i narządów [1]. Schorzenia o podłożu autoimmunologicznym dotykają około 5 % populacji. Obecnie przyjmuje się, że do wystąpienia AID prowadzi wiele czynników, głównie uwarunkowania genetyczne i środowiskowe.
Ponadto istnieje hipoteza sugerująca, że pierwotny mechanizm zapoczątkowujący rozwój choroby autoimmunologicznej jest spowodowany pojawieniem się infekcji bakteryjnej [1, 5]. Patogeny wykształciły bowiem nie tylko mechanizmy umożliwiające im wnikanie do organizmu i dotarcie do komórki docelowej, ale także do oddziaływania na procesy wewnątrz- i zewnątrzkomórkowe, co umożliwia im unikanie działania układu odpornościowego gospodarza, przez co nie są rozpoznawane jako obce. Obecność na powierzchni komórek bakteryjnych białek o epitopach podobnych do tych obecnych na antygenach gospodarza narusza równowagę organizmu gospodarza w tolerowaniu rodzimych struktur białkowych. Podobieństwo między antygenami drobnoustrojów,
1 Politechnika Wrocławska, Wydział Chemiczny, adres e-mail: joanna.alicja.szulc@gmail.com
2 Uniwersytet Medyczny we Wrocławiu, Katedra i Zakład Biochemii Lekarskiej
145
a autoantygenami organizmu człowieka może więc doprowadzić do przekształcenia się łagodnej infekcji w schorzenie autoimmunologiczne [6].
2. Zjawisko mimikry molekularnej i ekspresji podwójnie specyficznych TCR
Mimikra molekularna jest to zjawisko indukowania przeciwciał, przez cząsteczki chemiczne patogenów, które reagują zarówno z antygenami pochodzącymi od patogenu, jak i antygenami gospodarza. Wytworzenie takich przeciwciał może doprowadzić do reakcji krzyżowej, autoagresji i w konsekwencji do rozwoju AID. Mimikra molekularna może zaistnieć, gdy antygeny patogenu i autoantygeny wykazują homologię w sekwencji aminokwasowej białka lub w konformacji cząsteczki. Podobieństwo może zachodzić pomiędzy daleko spokrewnionymi grupami organizmów [1, 12, 13]. Za rozpoznawanie specyficznie pojedynczego antygenu patogenu lub błędnie homologicznego autoantygenu odpowiedzialne są receptory limfocytów T (T-cell receptors, TCRs) [1].
Oprócz mimikry molekularnej na uwagę zasługuje również ekspresja podwójnie specyficznych TCR (dual TCR) w jednej komórce T. Antygen drobnoustroju rozpoznawany jest przez jeden receptor limfocytu T, a autoantygen przez drugi [14]. Taki mechanizm może być związany z rozwojem chorób, takich jak stwardnienie rozsiane (multiple sclerosis, MS), nieswoiste zapalenie jelit (w tym choroba Crohna), a także zakażenie wirusem HIV, białaczki wywodzącej się z limfocytów T, chłoniaka T-komórkowego, czy choroby przeszczep- przeciwko- gospodarzowi (GvHD) [1, 15-18].
3. Udział OMPs w rozwoju chorób autoimmunologicznych
Budowa osłony komórkowej bakterii Gram-ujemnych jest bardzo charakterystyczna, gdyż składa się z wewnętrznej błony komórkowej (inner membrane, IM), warstwy peryplazmy i błony zewnętrznej (outer membrane, OM) [7]. Białka błony zewnętrznej (outer membrane proteins, OMPs), dzięki swej lokalizacji na powierzchni komórki bakteryjnej, uczestniczą w interakcjach zachodzących między patogenem, a organizmem gospodarza. OMP pełnią rolę czynników wirulencji oraz białek adaptujących patogenną bakterię do potencjalnie wrogich warunków środowiska zewnętrznego [8].
W surowicach chorych na schorzenia o podłożu autoimmunologicznym wykrywa się przeciwciała skierowane przeciwko różnym OMP bakterii Gram-ujemnych [9-11]. Przykładowo, towarzyszące boreliozie zapalenie stawów wywoływane przez Borrelia burgdorferi jest związane z obecnością przeciwciał skierowanych przeciw OmpA - białku strukturalnemu licznie występującemu w OM. Autoantygenem ludzkim w tym przypadku jest białko powierzchniowe leukocytów hLFA-1 (human leukocyte function- asociated antigen- 1) [19]. Innym przykładem jest OmpC, poryna pochodząca z Escherichia coli, identyfikowana jako marker choroby Crohna.
W badaniach przeprowadzonych prze Mei i wsp. u 39% chorych wykryto we krwi przeciwciała anty-OmpC [9]. Również infekcje wywołane przez E. coli, Helicobacter ssp. i Novoshingobium aromactivorans mogą być czynnikami ryzyka wystąpienia pierwotnej marskości żółciowej wątroby, w przebiegu której obserwuje się cholestazę i niszczenie drobnych wewnątrzwątrobowych przewodów żółciowych. Wykazano także mimikrę molekularną między kompleksem dehydrogenazy pirogronianowej pochodzącej z N. aromactivorans z podjednostką E2 ludzkiej dehydrogenazy pirogronianowej [20, 21]. Poza tym badania przeprowadzone przez Bluwet i wsp.
pokazały, że Chlamydia pneumonia i Chlamydia psittacosis, Brucella ssp., Neisseria ssp.
i Salmonella ssp. mają wpływ na rozwój zapalenia mięśnia sercowego [22, 23]. Croxford i wsp.
wykazali, że zakażenia Haemophilus influenzae mogą sprzyjać rozwojowi stwardnienia rozsianego:
146
przewlekłej, demielinizacyjnej choroby centralnego układu nerwowego. Proteaza IV Haemophilus influenzae wykazuje podobieństwo w budowie molekularnej (mimikrę molekularną) z głównym białkiem osłonki mielinowej białka proteolipidu (proteolipid protein, PLP) [24]. Ponadto zakażenie Helicobacter pylori jest ważnym czynnikiem ryzyka wystąpienia wrzodów żołądka i dwunastnicy, nowotworu żołądka i chłoniaka B-komórkowego MALT (mucosa-associated lymphoid tissue, MALT) lymphoma [25]. Zauważono również zależność pomiędzy obecnością H. pylori, a małopłytkowością swoistą (chorobą Werlhofa, immune thrombocytopenic purpura, ITP), autoimmunologicznym zapaleniem trzustki, stwardnieniem rozsianym, zespołem Guillain- Barre'a i niedoborem żelaza [26-29]. Jako antygeny bakteryjne w ITP zidentyfikowano czynniki wirulencji:
CagA i VagA [25].
Pullulanazy pulA i pulD, lipoproteiny występujące na powierzchni bakterii rodzaju Klebsiella są identyfikowane jako kolejne czynniki sprzyjające występowaniu choroby Crohna.
Enzymy te wykazują mimikrę molekularną z wieloma ludzkimi kolagenami: pulA reaguje krzyżowo z kolagenami I, III i IV, natomiast pulD z miozyną i HLA-B27 [30, 31]. W swoich badaniach Rashid i wsp. udowodnili, że wysokoskrobiowa dieta sprzyja nadmiernemu wzrostowi bakterii Klebsiella ssp. naturalnie występujących w jelitach i powstawaniu autoprzeciwciał skierowanym przeciw kolagenom I, III i IV oraz cząsteczkom HLA-B27 [31].
U osób z chorobą Buergera we frakcji IgG surowicy wykryto przeciwciała skierowane przeciw enolazopodobnemu białku komórek Klebsiella pneumoniae [32]. Enolaza jest enzymem glikolitycznym, pełni również funkcje nieenzymatyczne. Wyeksponowana na powierzchni bakterii bierze udział w procesie indukowania odpowiedzi immunologicznej gospodarza [11, 33]. Struktura pierwszorzędowa α-enolazy wykazuje od 40 do 90% homologii między enolazami różnych gatunków na poziomie sekwencji aminokwasowej i nukletotydowej [33, 34]. Konserwatywna struktura tego białka sprzyja występowaniu zjawiska mimikry molekularnej, czego potwierdzeniem jest obecność autoprzeciwciał skierowanych przeciw α-enolazie w surowicy osób ze schorzeniami o podłożu autoimmunologicznym [11], w tym reumatoidalnym zapaleniem stawów [35], encefalopatią Hashimoto [36, 37], autoimmunologicznym zapaleniem naczyń krwionośnych [38, 39], czy też przedwczesnym wygaszaniem jajników [40] i chorobami przysadki [10].
4. Podsumowanie
Choć patogeneza większości chorób o podłożu autoimmunologicznym wciąż jest nieznana, to zakłada się, że wiele czynników ma wpływ na ich wystąpienie. W powyższej pracy pokazano, że istnieje zależność pomiędzy przebytą infekcją spowodowaną przez bakterie Gram-ujemne, a rozwojem choroby autoimmunologicznej. Bardzo duży wpływ na układ immunologiczny, a przez to na wystąpienie mechanizmów molekularnych prowadzących do rozwoju AID, mają OMP. Poznanie zależności pomiędzy rozwojem infekcji bakteryjnej a AID może wspomóc strategie diagnostyczne i prewencyjne chorób autoimmunologicznych oraz zakażeń bakteriami Gram- ujemnymi.
Literatura:
[1] M.F. Cusick, J.E. Libbey, R.S. Fujinami. Molecular mimicry as a mechanism of autoimmune disease. Clin Rev Allergy Immunol 42(1): 102-111. 2012.
[2] J. Lis, D. Witkowska. Rola mimikry molekularnej w etiologii schorzeń o podłożu autoimmunologicznym. Postępy Hig Med Dosw 66: 475-491. 2012.
[3] S.S. Diebold. Determination of T-cell fate by dendritic cells. Immunol Cell Biol 86: 389- 397.
2008.
147
[4] F. Sallusto, A. Lanzavecchia. Heterogeneity of CD4+ memory T cells: functional modules for tailored immunity. Eur J Immunol 39: 2076-2082. 2009.
[5] G.J. Tobon, J.O. Pers, C.A. Canas, A. Rojas-Villarraga, P. Yuinou, J.M. Anaya. Are autoimmune diseases predictable? Autoimmunity Reviews 11: 259-266. 2012.
[6] A. Pearl. Autoimmunity. Methods and Protocols. Pathogenesis and spectrum of autoimmunity.
Wyd. Humana Press, Totowa, New Jersey. 2004.
[7] P.A. Lambert. Enterobacteriaceae: composition, structure and function of the cell envelope.
J Appl Bacteriol Sym Suppl 21-34. 1988.
[8] T.J. Silhavy, D. Kahne, S. Walker. The bacterial cell envelope. Cold Spring Harb Biol 2 a000414. 2010.
[9] L. Mei, S.R. Targan, C.J. Landers, D. Dutridge, A. Ippoliti, E.A. Vasiliauskas, K.A. Papdakis, P.R. Fleshner, J.I. Rotter, H. Yang. Familiar expression of anti-Escherichia coli outer membrane porin C in relatives of patients with Crohn's disease. Gastroenterology, 130(4):
1078-1085. 2006.
[10] S. Tanaka, K.I. Tatsumi, T. Takano, Y. Murakami, T. Takao, N. Yamakita, S. Tahara, A. Teramoto, K. Hashimoto, Y. Kato. Amino N. anti-alpha-enolase antibodies in pituitary disease. Endocrine Journal 50(6): 697-702. 2003.
[11] B. Terrier, N. Degand, P. Guilpain, A. Servettaz, L. Guillevin, L. Mouthon. Alpha-enolase:
A target of antibodies in infectious and autoimmune diseases. Autoimmunity Reviews 6: 176-182. 2007.
[12] A.E. Karlsen, T. Dyrberg. Molecular mimicry between non-self, modified self and self in autoimmunity. Semin Immunol 10: 25-34. 1998.
[13] M. Kotb. Infection and autoimmunity: a story of the host, the pathogen and the copathogen.
Clin Immunol Immunopathol 74: 10-22. 1995.
[14] M. Malissen, J. Trucy, F. Letourneur. A T cell clone expresses two T cell receptor α genes but uses one αβ heterodimer for allorecognition and self MHC-restricted antigen recognition. Cell 55: 49-59. 1988.
[15] S. Boehrer, T. Hinz, D. Schui. T-large granular lymphocyte leukaemia with natural killer cell-like cytotoxicity and expression of two different α- and β-T-cell receptor chains. Br J Haematol 112: 201-203. 2001.
[16] G.P. Morris, P.M. Allen. Cutting edge: Highly alloreactive dual TCR T cells play a dominant role in graft-versus-host disease. J Immunol 182: 6639-6643. 1999.
[17] K. Söderstöm, A. Bucht, E. Halapi, A. Grönberg, I. Magnusson, R. Kiessling. Increased frequency of abnormal γδT cells in blood of patients with inflammatory bowel diseases.
J Immunol 156: 2331-2339. 1996.
[18] J.L. Taupin, F. Halary, J. Dechanet, M.A. Peyrat, J.M. Ragnaud, M. Bonneville, J.F. Moreau.
An enlarged subpopulation of T lymphocytes bearing two distinct gd TCR in an HIV-positive patient. International Immunology 11(4): 545-552. 1999.
[19] D.M. Gross, T. Forsthuber, M. Tary-Lehmann, C. Etling, I. Kouichi, Z.A. Nagy, J.A. Field, A.C. Steere, B.T. Huber. Identification of LFA-1 as a candidate of autoantigen in treatment-resistant lyme arthritis. Science 281: 703-705. 1998.
[20] D.P. Bogdanos, D. Vergani. Bacteria and primary biliary cirrhosis. Clin Rev Allergy Immunol 36: 30-39. 2009.
[21] K.A. Padgett, C. Selmi, T.P. Kenny. Phylogenetic and immunological definition of four lipoylated protein from Novoshingobium aromaticivorans, implications for primary biliary cirrhosis. J Autoimmun 24: 209-219. 2005.
[22] K. Bachmaier, N. Neu, L. de la Maza, S. Pal, A. Hessel, J.M. Penninger. Chlamydia infections and heart disease linked through antigenic mimicry. Science 283: 1335-1339. 1999.
148
[23] L.A. Blauwet, L.T. Cooper. Myocarditis; progress in cardiovascular diseases. 52: 274-288.
2010.
[24] J.L. Croxford, H.A. Anger, S.D. Miller. Viral delivery of an epitope from Haemophilus influenzae induces central nervous system autoimmune disease by molecular mimicry.
J Immunol 174: 907-917. 2005.
[25] E. Vlachaki, A. Agapidou, P. Klonizakis. Helicobater pylori and immune thrombocytopenic purpura. Immuno-Gastroenterology 1(2): 104-107. 2012.
[26] J. Kounttouras, C. Zavos, E. Gavalas. Challenge in the pathogenesis of autoimmune pancreatitis: potential role of Helicobacter pylori infection via molecular mimicry.
Gastroenterology 133(1): 368-369. 2007.
[27] J. Kountouras, G. Deretzi, N. Grigoriadis. Guillain- Barre syndrome. Lancet Neurol 7(12):
1080-1081. 2009.
[28] J. Kountouras, E. Gavalas, G. Deretzi. Helicobacter pylori with or without its neutrophil- activating protein may be the common denominator associated with multiple sclerosis and neuromyelitis optica. Mult Scler 16(3): 376-377. 2010.
[29] R. Stasi, D. Provan. Helicobater pylori and chronic ITP. Hematology 206-211. 2008.
[30] M. Fielder, S.J. Pirt, I. Tarpey, C. Wilson, P. Cunningham, C. Ettelaie. Molecular mimicry and ankulosing spondylitis: possible role of a novel sequence in pullulanase of Klebsiella pneumoniae. FEBS Lett 369: 243-248. 1995.
[31] T. Rashid, A. Ebringer, H. Tiwana, M. Fielder. Role of Klebsiella and collagens in Crohn's disease: a new prospect in the use of low-starch diet. European Journal of Gastroenterology and Hepatology 21: 843-849. 2009.
[32] D. Witkowska, J. Pietkiewicz, B. Szostko, R. Danielewicz, L. Masłowski, A. Gamian.
Antibodies against human muscle enolase recognize a 45-kDa bacterial cell wall outer membrane enolase-like protein. FEMS Immunology and Medical Microbiology 45: 53-62.
2005.
[33] V. Pancholi. Multifunctional α-enolase: its role in diseases. Cell Mol Life Sci 58: 902-920.
2001.
[34] M. Piast, I. Kustrzeba-Wójcicka, M. Matusiewicz, T. Banaś. Molecular evolution of enolase.
Acta Biochimica Polonica 52(2): 507-513. 2005.
[35] V. Saulot, O. Vittecoq, R. Charlionet, P. Fardellone, C. Lange, L. Marvin. Presence of autoantibodies to the glycolytic enzyme alpha-enolase in sera from patients with early rheumatoid arthritis. Arthritis Rheum 46: 1196-1201. 2002.
[36] H. Ochi, I. Horiuchi, N. Araki, T. Toda, T. Araki, K. Sato. Proteomic analysis of human brain identifies alpha-enolase as a novel autoantigen in Hashimoto's encephalopathy. FEBS Lett 528:
197-202. 2002.
[37] A. Fujii, M. Yoneda, T. Ito, O. Yamamura, S. Satomi, H. Higa, A. Kimura, M. Suzuki, M. Yamashita, T. Yuasa, H. Suzuki, M. Kuriyama. Autoantibodies against the amino terminal of α-enolase are a useful diagnostic marker of Hashimoto encephalopathy. Journal of Neuroimmunology 162, 130-136. 2005.
[38] F.D.L. Moodie, B. Leaker, G. Cambridge, N.F. Totty, A.W. Segal. Alpha-enolase: A novel cytosolic autoantigen in ANCA positive vasculitis. Kidney International 43:675-681. 1993.
[39] M. Wisłowska, J. Gozdowska. Ziarniniak Wegenera-obserwacja przypadków. Reumatologia 46(2): 68-71. 2008.
[40] V. Sundblad, L. Bussmann, V. A. Chiauzzi, V. Pancholi, E.H. Charreau. α-enolase:
a novel autoantigen in patients with premature ovarian failure. ClinicalEndocrinology 65. 745-751. 2006.
149