Corso di Laurea Specialistica in Biotecnologie Biomolecolari. Corso di Immunologia Molecolare

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1 Corso di Laurea Specialistica in Biotecnologie Biomolecolari ANTONELLA GROSSO Corso di Immunologia Molecolare ILAN RIESS

2 LA MOLECOLA

3 Interleukin 4 From Wikipedia, the free encyclopedia Interleukin-4, abbreviated IL-4, is a Cytokine that stimulates the proliferation of activated B-cells, T-cells, and differentiation of CD4+ Tcells into Th2 cells, among other effects. It is a key regulator in humoral and adaptive immunity. IL-4 induces B-cell class switching to IgE, and up-regulates MHC class II production. It was co-discovered by Maureen Howard and William Paul and by Dr. Ellen Vitetta and her research group in

4 Interleukin 13 From Wikipedia, the free encyclopedia Interleukin 13 (IL-13) is a cytokine secreted by many cell types, but especially T helper type 2 (Th2) cells, that is an important mediator of allergic inflammation and disease. In addition to effects on immune cells that are similar to those of the closely related cytokine IL-4, IL13 is more importantly implicated as a central mediator of the physiologic changes induced by allergic inflammation in many tissues...

5 IL-4 La Molecola Famiglia di citochine a 4 domini α-elica Sorgente: Linfociti T CD4+ appartenenti ai TH2 Anche da mastociti e basofili Grotzinger J., Biochim Biophys Acta, 1592: 215, 2002

6 T.D. Mueller et al., Biochim. Biophys. Acta 1592 (2002) 237

7 IL-13 La Molecola Famiglia di citochine a 4 domini α-elica Sorgente: Linfociti T CD4+ appartenenti ai TH2 Anche da cellule epiteliali Grotzinger J., Biochim Biophys Acta, 1592: 215, 2002

8 Classificazione sulla base di Subunità Recettoriali Comuni IL-13 IL-13Rα2 IL-13Rα IL-4Rα Grotzinger J., Biochim Biophys Acta, 1592: 215, 2002

9 IL-4 Sintesi della molecola EARLY EXPRESSION!!! Naive T cells (via TCR) TH2 (via IL-4) NOTCH

10 LA VIA DI NOTCH Ansel K. A., et.al., Annu. Rev. Immunol,

11 IL-13 Sintesi della molecola TH2 CD4+ (after activation) high Naive T cells e CD8+ T cells medium Naive CD45RA+ T cells e TH1 cells low Attivazione lunga nel tempo Si trova anche (low): B-cell lymphomas, keratinocytes, mast cells, and basophils.

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13 IL-13 vs IL-4 IL-13 IL-4 IL-13 IL-4

14 Charts/IL13_and_IL4_receptor_combinations_and_binding.html

15 IL-4Rα CHR T.D. Mueller et al. / Biochim. Biophy. Acta 1592 (2002) 237

16 Associazione IL-4/IL-4R T.D. Mueller et al. / Biochim. Biophy. Acta 1592 (2002) 237

17 I RECETTORI

18 IL4 e IL 13 Pathway

19 I recettori

20 I recettori: gli eterodimeri Tipo I: complesso tra IL4-Rα e γc (cell. Ematopoietiche). Tipo II: complesso tra IL4-Rα e IL13Rα1, e contatta sia IL4 che IL13 (cell. non ematopoietiche). IL13R Decoy: IL13Rα2 non possiede i box necessari a legare le chinasi.

21 I pathway: Recettore Tipo I Il legame dell IL4 con il recettore di tipo I causa una cascata di attivazione di proteine e chinasi specifiche. Appena legata l IL4 alla catena IL4-Rα, si ha eterodimerizzazione con la catena γc e reclutamento delle tirosin chinasi JAK1 (che si lega al box-1 su IL4-Rα) e JAK3 (che si lega al box-1 su γc). Esse si tranfosforilano e JAK1 fosforila il recettore (catena IL4-Rα) in alcune zone specifiche della parte citoplasmatica, attivando diverse vie: STAT-6 che porta all attivazione della trascrizione, differenziazione Th2 e sopravvivenza cellulare; IRS-1/IRS-2 che porta alla crescita cellulare e all inibizione dell apoptosi(pi3k), alla proliferazione cellulare (Ras); Shc/SHIP (legame al sito ITIM) che porta alla proliferazione cellulare e all inibizione dell apoptosi.

22 I pathway: Recettore di Tipo I

23 I pathway: Recettore di Tipo II Il legame dell IL4 o IL13 a questo tipo di recettore attiva in parte la stessa cascata che abbiamo visto per il recettore di tipo I (IRS-1/IRS2-JAK1PI3K-STAT-6). La presenza del recettore IL13Rα1 attiva invece di JAK3 le tirosin chinasi TYK2 e JAK2.

24 I pathway: Recettore decoy Il legame del IL13 con questo tipo di recettore formato dalla proteina IL13Ra2 non provoca nessun tipo di trasduzione all interno della cellula. Questo è dovuto alla mancanza di box di legame con le chinasi JAK, che non attivano così le vie considerate. Si pensa però che funzioni da modulatore della risposta all IL13. Affinità (Kd) IL4-Rα: 100 pmol/l (alta affinità) IL13Rα1: 2-10 nmol/l (bassa affinità) IL13Rα2: 250 pmol/l (alta affinità)

25 I pathway: Regolazione e Modulazione Le vie finora considerate possono essere regolate negativamente da diverse tipi di proteine: SOCS-1/SOCS-2/SOCS-3: inibizione della via JAK/STAT SHP-1:defosforilazione di STAT-6 in assenza di continua stimolazione BCL-6: soppressione dell espressione cellulare tramite legame con STAT-6 Altre vie ancora poco conosciute sono: PIAS: lega i dimeri di STAT prevenendo la traslocazione nel nucleo; Fes: se overespressa blocca l associazione tra le proteine IRS e la PI3K.

26 I pathway: la famiglia SOCS

27 I pathway: la famiglia SOCS

28 I pathway: Regolazione STAT e JAK Inibizione di JAK da parte di SOCS Inibizione di STAT attivata e assenza del suo legame al DNA. Non sono ancora state trovate proteine della famiglia PIAS specifiche per STAT-6 Inibizione di STAT e JAK da parte di SHP per defosforilazione.

29 L ATTIVITA BIOLOGICA

30 Target dell IL4 e IL13 IL4 in cellule ematopoietiche e non: Differenziazione delle cellule T vergini stimolate dall antigene in cellule producenti IL4, IL5, IL10, IL13 (es. TH2); Soppressione delle cellule T CD4+ nella produzione di IFNγ; Regolazione dell espressione del suo stesso recettore; Controllo della specificità dello switch isotipico delle classi di Ig (es. switch nelle cellule B delle IgE e IgG4); Aumento dell espressione delle molecole MHC di classe II e aumento dell espressione del CD23; Azione co-mitogena nella crescita delle cellule B (proliferazione), azione antiapoptotica; Induzione dell espressione delle VCAM-1, molecole di adesione vascolari; Reclutamento delle cellule T e eosinofili al sito di infiammazione; Stimolazione di chemochine e muco in cellule epiteliali.

31 Target dell IL4 e IL13 IL13 in cellule ematopoietiche e non: Funzione pleiotropica dell IL4: effetti simili a questa citochina sia nelle cellule B (proliferazione, switch) sia nell aumento di CD23 e Molecole MHC di classe II; Funzione fondamentale nell attivazione della sintesi delle IgE e ruolo primario nelle allergie e asma; In monociti e macrofagi aumento dell espressione di integrine importanti nell adesione, come CD11 e CD18 e inibizione della produzione di mediatori proinfiammatori come prostaglandine; Proliferazione in eosinofili; Nelle cellule non ematopoietiche ha effetti simili all IL4 per l induzione di VCAM-1, e per l espressione di chemochine.

32 Target dell IL4 e IL13 IL4 Differenziazione delle cellule T vergini stimolate dall antigene in cellule producenti IL4, IL5, IL10, IL13 (es. TH2) Cellule B (proliferazione, switch isotipico) Cellule T CD4 + MHC di classe II Espressione CD23 VCAM-1 nelle cellule non ematopoietiche Eosinofili (proliferazione) IL13 Funzione fondamentale nell attivazione della sintesi delle IgE e ruolo primario nelle allergie e asma, attiva-zione chemochine e ipersecrezione del muco

33 Target dell IL4 Differenziazione delle cellule T vergini stimolate dall antigene in cellule producenti IL4, IL5, IL10, IL13 (es. TH2) Cellule Th1: stimolazione con IFNγ, secrezione di IFNγ; Cellule Th2: stimolazione con IL4, secrezione di IL4. Non si conosce ancora la provenienza dell IL4 stimolatrice, si pensa che provenga dalla stessa cellula stimolata con l antigene e che la trasformazione avvenga per un delicato equilibrio di produzione e stimolazione autocrina di IFNγ e IL4. Naive T cell Antigen Differentiated Th2 cell Antigen NFAT STAT5 STAT6 NFAT IL2R IFNγ IL4 IL2 IL2 NFAT NFAT GATA3 IL4R IL4 Ansel KM, et al.. Annu Rev Immunol. IL4

34 Target dell IL13 Attivazione della sintesi delle IgE e ruolo primario nelle allergie e asma, attivazione chemochine e ipersecrezione del muco

35 BIOTECH

36 Inibitori delle Citochine LIVELLO LIGANDO-RECETTORE Overdose di citochine Anticorpi inibitori Receptor domain solubili Antagonisti Small molecular mimetics LIVELLO PATHWAY K.O. mirna Inhibitori pathway

37 IL-4 / IL-13 e ASMA

38 IL-4 e ASMA IL-4 è coinvolta nel reclutamento degli eosinofili alle vie respiratorie, e si trova nelle vicinanze dei siti in cui ci sono risposte allergiche. Nel modello murino, anticorpi bloccanti IL-4 inibiscono l iperrisposta delle vie respiratorie, della goblet cell metaplasia e della eosinofilia polmonare. Uso di IL-4R solubile (not valid on milder asthma). Uso di IL-4 mutato anti-il-4rα/il-13α1 (short duration). Uso di inibitori per STAT-6 (delivery problems). Uso di SOCS.

39 IL-13 e ASMA IL-13 è coinvolta in iper-responsitività, iper-secrezione di mucco e fibrosis delle vie respiratorie. L iper-responsitività è osservata solo in assenza di STAT-6. I K.O. di IL-13 (no IL-4) prevengono questi effetti. Uso del IL-13Rα2 solubile (humanized). Uso di anticorpi anti-il-13.

40 GRAZIE

41 Bibliografia Recettori e Attività Biologica Kelly-Welch A, et al, Interleukin-4 (IL-4) pathway. Sci STKE. 293, 2005 Kelly-Welch A, et al, Interleukin-13 (IL-13) pathway. Sci STKE. 293, 2005 Kelly-Welch AE, et al, Interleukin-4 and interleukin-13 signaling connections maps. Science, 300:1527, 2003 G. K. Hershey, IL-13 receptors and signaling pathways: An evolving web. J. Allergy Clin. Immunol. 111:677, 2003 Jiang H., et al, IL-4/IL-13 signaling beyond JAK/STAT. J Allergy Clin Immunol, 105:1063, 2000 Hanada T, et al, Regulation of cytokine signaling and inflammation. Cytokine Growth Factor Rev, 13:413, 2002 Nelms K, et al, The IL-4 receptor: signaling mechanisms and biologic functions. Annu Rev Immunol, 17:701, 1999 Jan E. de Vries, The role of IL-13 and its receptor in allergy and inflammatory. J Allergy Clin Immunol, 102:165, 1998 Ansel KM, et al, Regulation of Th2 differentiation and Il4 locus accessibility. Annu Rev Immunol, 24:607, 2006

42 Bibliografia Molecola e Biotech T.D. Mueller et al., Structure, binding, and antagonists in the IL-4/IL-13 receptor system, Biochim. Biophys. Acta 1592:237, 2002 Grotzinger J. Molecular mechanisms of cytokine receptor activation, Biochim Biophys Acta, 1592:215, 2002 Ansel K. A., et.al., Regulation of Th2 Differentiation and Il4 Locus Accessibility, Annu. Rev. Immunol, 24:607, 2006 O Garra et al., The molecular basis of T helper 1 and T helper 2 cell differentiation. Trends Cell Biol, 10:542, 2000 Yamagata T. et al, Agents against cytokine synthesis or receptors. Eur J Pharmacol, 533:289, 2006 Jan E. de Vries, The role of IL-13 and its receptor in allergy and inflammatory. J Allergy Clin Immunol, 102:165, 1998