Inflamasoma

Los inflamasomas son oligómeros multiproteicos citosólicos del sistema inmunitario innato responsables de la activación de las respuestas inflamatorias. La activación y el ensamblaje del inflamasoma promueve la escisión proteolítica, la maduración y la secreción de citoquinas proinflamatorias interleucina 1β (IL-1β) e interleucina 18 (IL-18), así como la escisión de Gasdermin-D. El fragmento N-terminal resultante de esta escisión induce una forma proinflamatoria de muerte celular programada distinta de la apoptosis, conocida como piroptosis, y es responsable de la secreción de citocinas maduras, presumiblemente a través de la formación de poros en la membrana plasmática.

La activación del inflamasoma es iniciada por diferentes tipos de receptores de reconocimiento de patrones citosólicos (PRR) que responden a patrones moleculares asociados a patógenos derivados de microbios (PAMP) o patrones moleculares asociados a peligros (DAMP) generados por la célula huésped. Los receptores de reconocimiento de patrones involucrados en los inflamasomas comprenden NLR (dominio de oligomerización de unión a nucleótidos y receptores que contienen repeticiones ricas en leucina), así como AIM2 (ausente en el melanoma 2), IFI16 (proteína 16 inducible por IFN) y pirina. A través de su dominio de activación y reclutamiento de caspasa (CARD) o dominio de pirina (PYD), los receptores del inflamasoma interactúan con la proteína adaptadora ASC, que luego recluta pro-caspasa-1 a través de su dominio CARD y activa la caspasa efectora a través de la escisión proteolítica.La caspasa-1 activada finalmente escinde las citoquinas proinflamatorias inmaduras pro-IL-1β y pro-IL-18, así como la Gasdermin-D, que son responsables de la señalización inflamatoria y la muerte celular piroptótica, respectivamente. Además de estos llamados inflamasomas canónicos, diferentes estudios también describen complejos de inflamasomas no canónicos que actúan independientemente de la caspasa-1. En ratones, el inflamasoma no canónico se activa mediante la detección directa de lipopolisacárido bacteriano (LPS) citosólico por caspasa-11, que posteriormente induce la muerte celular piroptótica. En las células humanas, las caspasas correspondientes del inflamasoma no canónico son la caspasa 4 y la caspasa 5.

Tradicionalmente, los inflamasomas se han estudiado principalmente en células inmunitarias profesionales del sistema inmunitario innato, como los macrófagos. Sin embargo, estudios más recientes indican altos niveles de expresión del componente inflamasoma en los tejidos de la barrera epitelial, donde se ha demostrado que representan una importante primera línea de defensa.

En el caso de la desregulación de la activación del inflamasoma, puede surgir una variedad de enfermedades importantes, como cáncer, enfermedades autoinmunes, metabólicas y neurodegenerativas.

Descubrimiento

El inflamasoma fue descubierto por el equipo de Jürg Tschopp, en la Universidad de Lausana, en 2002. Tschopp y el equipo pudieron articular el papel del inflamasoma en enfermedades como la gota y la diabetes tipo 2. Descubrieron que una variedad de señales de peligro podrían provocar una respuesta de un inflamasoma, incluido el ADN viral, el dipéptido de muramilo (MDP), el asbesto y la sílice. Tschopp y sus colegas encontraron una conexión entre el síndrome metabólico y NLRP3, un subtipo de inflamasoma. Dentro de su investigación sobre NLRP3, pudieron demostrar que cuando se inhibe NLRP3, se exhibe un comportamiento inmunosupresor del interferón tipo I. En última instancia, el trabajo de Tschopp y su equipo condujo a la investigación y eventuales tratamientos de muchas enfermedades y dolencias importantes.En 2002, fue informado por primera vez por Martinon et al. que un subconjunto de NLR llamado NLRP1 pudo ensamblarse y oligomerizarse en una estructura común que activó colectivamente la cascada de caspasa-1, lo que condujo a la producción de citocinas proinflamatorias, especialmente IL-1B e IL-18. Este complejo multimolecular NLRP1 se denominó "inflamasoma", lo que despertó mucho interés en los años siguientes; desde entonces, se descubrieron varios otros inflamasomas, dos de los cuales también son subconjuntos de NLR: NLRP3 y NLRC4.

En 2009, Hornung et al. clasificó un inflamasoma de la familia PYHIN (pirina y proteína que contiene el dominio HIN), denominado ausente en el melanoma 2 (AIM2), que se ensambla al detectar ADN de doble cadena citoplasmático extraño (dsDNA). En particular, se ha demostrado recientemente que el dominio pirina de la proteína adaptadora ASC funciona como un dominio similar a un prión, a través de una forma de autoperpetuación tras la activación.

Activación de la inflamación

El inflamasoma activa una cascada inflamatoria piroptótica. Una vez activo, el inflamasoma se une a la pro-caspasa-1 (la molécula precursora de la caspasa-1), ya sea homotípicamente a través de su propio dominio de activación y reclutamiento de caspasa (CARD) o a través de la CARD de la proteína adaptadora ASC a la que se une durante el proceso de inflamación. formación. En su forma completa, el inflamasoma une muchas moléculas p45 pro-caspasa-1, lo que induce su escisión autocatalítica en subunidades p20 y p10. Caspase-1 luego se ensambla en su forma activa que consta de dos heterodímeros con una subunidad p20 y p10 cada uno.

Una vez activo, puede llevar a cabo una variedad de procesos en respuesta a la señal inflamatoria inicial. Estos incluyen la escisión proteolítica de pro-IL-1β en Asp116 en IL-1β, la escisión de pro-IL-18 en IL-18, así como la escisión de Gasdermin-D para liberar su fragmento N-terminal responsable de la inducción de piroptosis, una forma inmunoestimuladora de muerte celular programada en la que la célula libera su contenido citoplásmico para inducir la señalización proinflamatoria. Se descubrió que la IL-1β y la IL-18 liberadas después de la activación del inflamasoma inducen la secreción de IFN-γ y la activación de células asesinas naturales, escisión e inactivación de IL-33, fragmentación del ADN y formación de poros celulares, inhibición de enzimas glucolíticas,activación de la biosíntesis de lípidos y secreción de mediadores de reparación tisular como pro-IL-1α. Además, AIM2 contiene un dominio HIN200 que detecta y se une a dsDNA citoplasmático extraño y activa NF-κB, un papel que es crucial en la infección bacteriana y viral.

Familia inflamasoma

NLRP1, NLRP3, NLRP6 y NLRC4 son subconjuntos de la familia NLR y, por lo tanto, tienen dos características comunes: la primera es un dominio de oligomerización de unión a nucleótidos (NOD) que está unido por ribonucleótido-fosfatos (rNTP) y es importante para la autooligomerización. El segundo es una repetición rica en leucina C-terminal (LRR), que sirve como dominio de reconocimiento de ligando para otros receptores (p. ej., TLR) o ligandos microbianos. Se ha encontrado NLRP1 en neuronas, mientras que tanto NLRP3 como NLRC4 (IPAF) se han identificado en células microgliales.

La proteína tipo mota asociada a la apoptosis que contiene un dominio de reclutamiento de caspasa (ASC o Pycard) juega un papel clave en la activación del inflamasoma. ASC ayuda a reclutar caspasa-1 para asociarse con NLR en el complejo inflamasoma a través de su dominio CARD.

ASC también tiene funciones independientes del inflamasoma, ya que se ha demostrado que es necesario para que el MHC de clase II presente péptidos antigénicos en las células dendríticas.

Inflamasoma NLRP1

Además de NOD y LRR, NLRP1 contiene en su N-terminal un dominio pirina (PYD) y en su C-terminal un motivo FIIND y una CARD, que lo distingue de los otros inflamasomas. Si bien solo hay una proteína NLRP1 presente en los humanos, se descubrió que los roedores tienen diferentes parálogos. Tras la activación, la TARJETA C-terminal interactúa homotípicamente con la TARJETA de procaspasa-1 o procaspasa-5, mientras que su PYD N-terminal interactúa homotípicamente con la PYD de la proteína adaptadora ASC, cuya TARJETA puede reclutar otra procaspasa-1. El reclutamiento general y la escisión de procaspasa-1 pueden activar todas las vías de caspasa-1 aguas abajo.

Se encontró que NLRP1B en ratones y NLRP2 en ratas respondían a la toxina letal de Bacillus anthracis. El factor letal de B. anthracis escinde proteolíticamente NLRP1B, lo que conduce a la ubiquitinación del receptor y al direccionamiento para la degradación por parte del proteasoma. Esta degradación genera un fragmento C-terminal recortado, que posteriormente se une al resto de la proteína de forma no covalente. Durante este proceso, se puede acceder a una TARJETA en el fragmento C-terminal para el ensamblaje del inflamasoma. Hasta ahora, este mecanismo de activación que depende de la degradación por la maquinaria del proteasoma es único entre los inflamasomas.

La actividad de NLRP1 está regulada por las proteínas antiapoptóticas Bcl-2 y Bcl-x(L) que, en las células en reposo, se asocian e inhiben la actividad de NLRP1.

Inflamasoma NLRP3

Además de los dominios NOD y LRR, NLRP3 contiene un dominio PYD como NLRP1 y, por lo tanto, activa la caspasa-1 de la misma manera, utilizando su PYD para reclutar ASC. Forma solo un oligómero por célula, y su oligómero está formado por siete moléculas NLRP3. Se sabe que es el inflamasoma más grande de todos, cubriendo alrededor de 2 um de diámetro.

La oligomerización de NLRP3 se activa por una gran cantidad de estímulos, incluidos PAMP y DAMP, lo que ha implicado estudios sobre su vía de activación. Ejemplos de tales estímulos del grupo DAMP son la materia cristalina, como los cristales de urato monosódico (MSU), el alumbre o el asbesto, la entrada de calcio, las especies reactivas de oxígeno (ROS) mitocondriales y el ATP extracelular. También se descubrió que el inflamasoma NLRP3 responde a los PAMP de diferentes patógenos, como virus, por ejemplo, influenza A, bacterias, por ejemplo, Neisseria gonorrhoeae, y toxinas bacterianas, por ejemplo, nigericina y maitotoxina.

El punto aguas abajo donde convergen todos los diferentes estímulos NLRP3 se encontró por debajo de las concentraciones de potasio intracelular. La activación del inflamasoma NLRP3 por los cristales de colesterol y los cristales de MSU aumentan la producción de IL-1β inducida por NLRP3 y se cree que este proceso se anula en la aterosclerosis y la gota, donde estos cristales se forman en la célula. También se ha demostrado que las partículas inorgánicas como el dióxido de titanio, el dióxido de silicio y el asbesto pueden desencadenar la activación del inflamasoma. Un estudio incluso indica que la activación del inflamasoma NLRP3 está involucrada en la regulación del sueño. Estudios recientes muestran que la neuroinflamación mediada por el inflamasoma NLRP3 está involucrada en la lesión cerebral secundaria después de una hemorragia intracerebral.

El principal producto endógeno de la peroxidación lipídica, el 4-hidroxinonenal, se unió directamente a NLRP3 e inhibió la activación del inflamasoma NLRP3 independientemente de la señalización de Nrf2 y NF-κB

Inflamasoma NAIP/NLRC4

NLRC4 es el subconjunto de la familia NLRC para formar un inflamasoma y contiene solo un dominio CARD además de NOD y LRR, que utiliza para reclutar la proteína adaptadora ASC o pro-caspasa-1 directamente.

El inflamasoma NAIP/NLRC4 participa en la defensa del huésped. Los NAIP se activan al unirse a los PAMP bacterianos en el citosol, proporcionados por los componentes de la varilla (NAIP2) y la aguja (NAIP1) del sistema de secreción bacteriano tipo 3 (T3SS), así como flagelina, el bloque de construcción molecular de los flagelos (NAIP5 y 6). Después de la unión del ligando, los NAIP interactúan con NLRC4 para iniciar el ensamblaje del inflamasoma NAIP/NLRC4, que luego recluta y activa la pro-caspasa-1 a través de su dominio CARD.

Se ha demostrado experimentalmente que el palmitato induce el inflamasoma NLRC4 sin la presencia de bacterias.

El inflamasoma NAIP/NLRC4 es el inflamasoma epitelial mejor descrito y juega un papel importante en la restricción de las poblaciones bacterianas intraepiteliales durante las primeras etapas de la infección por enterobacterias con, por ejemplo, Salmonella y Citrobacter rodentium. Las bacterias intracelulares desencadenan la activación del inflamasoma, lo que da como resultado la expulsión específica de las células epiteliales infectadas del epitelio para reducir las cargas bacterianas. Este proceso también se conoce como extrusión de células epiteliales y ocurre sin comprometer la integridad de la barrera epitelial. Además, se descubrió que el inflamasoma NAIP/NLRC4 reduce la carga tumoral en un modelo de ratón de carcinoma colorrectal (CRC), al activar la eliminación de las células iniciadoras de tumores.

Inflamasoma AIM2

Artículo principal: AIM2

El inflamasoma AIM2 es un detector de ADN citosólico de doble cadena (dsDNA) y desempeña un papel importante en la coordinación de la defensa inmunitaria frente a las infecciones por virus de ADN, así como a las infecciones bacterianas intracelulares. AIM2 es activado por dsDNA viral, dsDNA bacteriano y también aberrante dsDNA del huésped, y en consecuencia se ha relacionado con diferentes enfermedades humanas. Por ejemplo, se descubrió que la autoinflamación en la enfermedad de la psoriasis está relacionada con el reconocimiento del propio ADN por parte de AIM2. Además, se supone que la activación de AIM2 juega un papel en las respuestas autoinmunes durante la enfermedad autoinmune del lupus eritematoso sistemático. El inflamasoma AIM2 también se activa mediante la interrupción farmacológica de la integridad de la envoltura nuclear. AIM2 se une a dsDNA con su dominio C-terminal HIN-200.El dominio PYD de AIM2 interactúa homotípicamente mediante interacciones PYD-PYD con ASC. El dominio ASC CARD recluta pro-caspasa-1 en el complejo. Caspasa-1 activa la maduración de citocinas proinflamatorias (IL-1β, IL-18).

Inflamasoma IFI16

Al igual que AIM2, IFI16 (proteína 16 inducible por IFN) pertenece a la familia PYHIN (pirina y dominio HIN). IFI16 en humanos e IFI204 en el ortólogo de ratón juegan un papel importante en la regulación de la producción de IFN durante infecciones bacterianas y virales. A diferencia de AIM2, IFI16 es un sensor de ADN nuclear. Después de la interacción con los ADN virales, se demostró que IFI16 recluta caspasa-1 a través de la interacción con ASC, lo que da como resultado la muerte celular de las células T CD4+ en respuesta a la infección por VIH.

Pirina

El ensamblaje del inflamasoma de pirina es desencadenado por toxinas bacterianas y proteínas efectoras a través de la detección de alteraciones provocadas por patógenos en la dinámica del citoesqueleto. Más específicamente, la pirina detecta la inactivación de Rho GTPase RHOA por estos factores bacterianos. Después de la detección de la inactivación de RHOA, la pirina interactúa con ASC a través de su dominio PYD N-terminal para inducir la activación de caspasa-1.

Inflamasomas no canónicos

Los inflamasomas no canónicos son independientes de la caspasa-1. En ratones, el inflamasoma no canónico depende de la caspasa-11, mientras que los inflamasomas no canónicos humanos dependen de la caspasa 4 y la caspasa 5. Todas estas caspasas pueden unirse directamente al LPS intracelular y posteriormente formar complejos macromoleculares que median en la escisión de Gasdermin-D. e inducción de muerte celular piroptótica.

Además, los inflamasomas no canónicos también pueden activar indirectamente el inflamasoma NLRP3 al desencadenar la salida de potasio a través de los poros de la membrana formados por Gasdermin-D. El inflamasoma NLRP3 puede luego mediar en el procesamiento de citoquinas proinflamatorias y dar como resultado la liberación de IL-1β e IL-18 en respuesta a la activación del inflamasoma no canónico.

Papel en la salud

Papel en la inmunidad innata

Como parte del sistema inmunitario innato, los inflamasomas desempeñan un papel importante en la inducción de cascadas inflamatorias y la coordinación de las defensas del huésped, tanto a través de la activación y secreción de citocinas proinflamatorias como de la inducción de una forma especializada de muerte celular programada inmunoestimuladora denominada piroptosis.

Además de las células profesionales del sistema inmunitario innato, como los macrófagos, varios estudios describieron varios inflamasomas epiteliales y destacaron su papel crucial como primera línea de defensa. Teniendo en cuenta la importancia de los epitelios como sitios comunes de entrada de patógenos como resultado de su ubicación en la interfaz con el medio ambiente, parece intuitivo que los tejidos epiteliales no solo cumplen una función como barrera física, sino que además inician una respuesta defensiva al contacto inicial con el patógeno De acuerdo con esto, se encontró que diferentes componentes del inflamasoma se expresaban en una variedad de tejidos epiteliales.La expresión de componentes inmunitarios innatos en las barreras epiteliales facilita además la detección de patógenos dado que se requiere la expresión de factores de virulencia y, por lo tanto, la exposición de PAMP para romper estas barreras durante la invasión, mientras que estos factores pueden estar regulados a la baja cuando el patógeno interactúa con células inmunitarias profesionales más adelante. etapas de la infección. Los inflamasomas epiteliales se han estudiado principalmente en la mucosa intestinal, pero también hay evidencia de inflamasomas en otros tipos de epitelio, como el epitelio de la vejiga urinaria.

Mientras que la caspasa-11 murina se expresa principalmente en macrófagos, la caspasa-4 humana también se expresa en niveles elevados en las células epiteliales intestinales. De manera similar a lo que se observó para el inflamasoma epitelial NAIP/NLRC4, se demostró que las células epiteliales humanas experimentan muerte celular y extrusión dependientes de caspasa-4 e independientes de caspasa-1 en respuesta a la infección con enteropatógenos como Salmonella, Shigella flexneri o Escherichia. coli _ Además, la secreción de IL-18 podría desencadenarse por el LPS citosólico en las células epiteliales.

Inflamasoma epitelial papel

La activación de inflamasomas epiteliales en respuesta a patógenos invasores tiene importantes efectos autónomos celulares en la propia célula infectada, así como en su comunicación con otros tipos de células a nivel local y global. Estas consecuencias posteriores de la activación del inflamasoma se pueden dividir en tres categorías, a saber, (1) muerte de la propia célula epitelial, (2) liberación de moléculas proinflamatorias solubles y (3) reclutamiento y activación de células efectoras. Además, la activación del inflamasoma epitelial induce la contracción de las capas epiteliales y evita la pérdida de integridad en etapas posteriores de la infección.

Para mantener la integridad de la barrera epitelial, la muerte celular y la subsiguiente extrusión de la célula infectada deben ocurrir de manera coordinada para asegurar el sellado de la brecha en el epitelio por parte de las células vecinas. La muerte de las células epiteliales puede desencadenarse de manera directa y autónoma de las células mediante la activación del propio inflamasoma, así como mediante el reclutamiento local de otros tipos de células que inducen la muerte, o la inflamación global, lo que da como resultado un aumento de la renovación epitelial que elimina tanto las células infectadas como las no infectadas. La consecuencia más importante de la muerte de las células epiteliales es la reducción de las cargas de patógenos epiteliales para mantener la integridad de la barrera.

Se sabe que la activación del inflamasoma desencadena la escisión, la activación y la secreción de IL-1β e IL-18 proinflamatorias, que luego reclutan diferentes tipos de células efectoras y coordinan la respuesta inmunitaria innata. La expresión de pro-IL-1β depende de la señalización del receptor tipo Toll y, por lo tanto, las células epiteliales intestinales producen niveles muy bajos de IL-1β. Pro-IL-18, por otro lado, se expresa constitutivamente por diferentes tipos de células epiteliales y se secreta fácilmente tras la activación del inflamasoma. La IL-18 secretada por el epitelio puede inducir la producción de IFN-γ por diferentes tipos de células.

Es importante destacar que la IL-18 derivada del inflamasoma también participa en el reclutamiento de células asesinas naturales (NK), que desempeñan un papel crucial en las primeras etapas de las respuestas inmunitarias innatas. Además, la IL-18 también puede estimular las funciones efectoras de las células NK que se acumularon en el sitio de la infección. Las células NK activadas pueden ayudar a restringir las cargas de patógenos y propagarse a sitios sistémicos en puntos de tiempo posteriores en comparación con la inducción de muerte celular autónoma del epitelio. Finalmente, las células NK también secretan IFN-γ para reclutar otros tipos de células inflamatorias.

En un estudio de infección por UPEC del epitelio de la vejiga urinaria, se encontró que las células epiteliales secretan IL-1β en niveles elevados en respuesta a la infección bacteriana. El estudio informó que la secreción de IL-1β dependía del inflamasoma NLRP3 y la caspasa-1, y la citoquina proinflamatoria secretada era necesaria para el reclutamiento de mastocitos en el sitio de la infección. Los mastocitos luego inducen una forma lítica de muerte celular en el epitelio al secretar gránulos que son absorbidos por el epitelio.

Además de las células NK y los mastocitos, los neutrófilos son otras células efectoras de la inmunidad innata importantes que se infiltran en el tejido infectado después de que los patógenos rompan las barreras epiteliales. Tanto la IL-1β como la IL-18 secretadas en respuesta a la activación del inflamasoma están involucradas en el reclutamiento de neutrófilos. Una vez que han llegado al tejido infectado, los neutrófilos ayudan a inmovilizar y eliminar los patógenos invasores, por lo que engullen o matan directamente a los microbios invasores. Además, secretan mediadores inflamatorios como IFN-γ e IL-22. Se sabe que IFN-γ impulsa la activación de la capacidad microbicida de los fagocitos mononucleares. IL-22, por otro lado, fortalecerá la barrera epitelial.Finalmente, los neutrófilos son los encargados de eliminar las bacterias que quedan atrapadas dentro de los macrófagos piroptóticos.

Papel en la enfermedad

Los problemas con la regulación de los inflamasomas se han relacionado con varias enfermedades autoinmunes, como la diabetes tipo I y tipo II, la enfermedad inflamatoria intestinal (EII), la artritis gotosa, la esclerosis múltiple y el vitíligo, así como con trastornos autoinflamatorios.

También se sabe que las mutaciones de ganancia de función en los componentes del inflamasoma causan el síndrome periódico asociado a la criopirina (CAPS), un grupo de enfermedades congénitas caracterizadas por inflamación sistémica mediada por IL-1β.

Significación clínica

Ha habido algún progreso en el desarrollo de inhibidores de NLRP3, algunos incluyen: dapansutrilo y diarilsulfonilurea MCC-950.