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Además de desencadenar su propia captación y muerte por células fagocíticas, los microbios inducen un amplio espectro de respuestas inmunitarias innatas celulares por medio de una amplia variedad de tipos de células. Varias familias de receptores de reconocimiento de patrones (prr) que no son las antes descritas como mediadores de la fagocitosis (cuadro 5-3) desempeñan funciones importantes en la inmunidad innata. Como se explica en esta sección, estos prr se unen a pamp, así como a algunos damp endógenos (propios) y desencadenan vías de transducción de señal que activan la expresión de genes que tienen funciones importantes en la inmunidad innata. Entre las proteínas codificadas por estos genes figuran moléculas antimicrobianas como los péptidos antimicrobianos e interferones, quimiocinas y citocinas que reclutan y activan otras células, enzimas como la iNOS (véase antes) que generan moléculas antimicrobianas, y mediadores proinflamatorios (esto es, componentes que promueven la inflamación).
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Receptores de reconocimiento de patrones celulares activan respuestas contra microbios y daño celular
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Varias familias de prr celulares contribuyen a la activación de respuestas inmunitarias innatas que combaten infecciones. Algunos de estos prr son expresados sobre la membrana plasmática, mientras que otros en realidad se encuentran dentro de las células del ser humano, sea en endosomas/lisosomas o en el citosol. Esta gama de prr asegura que la célula puede reconocer pamp sobre patógenos tanto extracelulares como intracelulares. Los damp liberados por daño de células y tejidos también pueden ser reconocidos por prr tanto de superficie celular como intracelulares. Muchos tipos de células en el cuerpo expresan estos prr, incluso todos los tipos de leucocitos mieloides (monocitos, macrófagos, neutrófilos, eosinófilos, mastocitos, basófilos, células dendríticas) y subgrupos de los tres tipos de linfocitos (células B, células T y células nk). Los prr también son expresados por algunos otros tipos de células, en especial los que comúnmente quedan expuestos a agentes infecciosos; los ejemplos son células epiteliales de la piel, mucosas y glandulares, células endoteliales vasculares que revisten los vasos sanguíneos, y fibroblastos y células de apoyo del estroma en diversos tejidos. Si bien es poco probable que cualquier célula única exprese todos estos prr, subgrupos de receptores son expresados por diversas subpoblaciones celulares. En el resto de esta sección se describen las cuatro familias principales de prr de mamífero, y las vías de señalización que activan, lo que conduce a respuestas protectoras.
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Los receptores tipo Toll reconocen muchos tipos de moléculas de agentes patógenos
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Los receptores tipo Toll (tlr) fueron la primera familia de prr que se descubrió, y aún es la mejor caracterizada en términos de su estructura, la manera en que se unen a pamp y activan células, y el grupo extenso y variado de respuestas inmunitarias innatas que inducen.
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Descubrimiento de receptores Toll de invertebrados y de receptores tipo Toll de vertebrados
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Durante la década de 1980, investigadores en Alemania descubrieron que embriones de mosca de la fruta Drosophila no podían establecer un eje dorsal-ventral (de la parte posterior hacia el frente) apropiado si el gen que codifica para la proteína de membrana Toll está mutado. (El nombre “Toll” viene del argot alemán que significa “raro”, que se refiere a las características anatómicas extrañamente revueltas de moscas mutantes.) Por su caracterización subsiguiente de los genes toll y genes de homeosecuencia (homeobox) relacionados, y de su función en la regulación del desarrollo embrionario, Christiane Nusslein-Volhard, Eric Wieschaus y Edward B. Lewis recibieron el Premio Nobel en Fisiología y Medicina en 1995. Con todo, ¿qué tiene que ver esto con receptores del sistema inmunitario? Se generaron muchas mutaciones del gen toll, y en 1996 Jules Hoffman y Bruno Lemaitre descubrieron que las mutaciones en toll hacen a las moscas altamente susceptibles a infección mortal por Aspergillus fumigatus, un hongo al cual las moscas de tipo silvestre eran inmunes (figura 5-9). Esta notoria observación llevó a otros estudios que mostraron que la proteína Toll y proteínas relacionadas están involucradas en la activación de respuestas inmunitarias innatas en vertebrados. Por sus contribuciones fundamentales al estudio de la inmunidad innata en Drosophila, Jules Hoffman fue un co-ganador del Premio Nobel en Fisiología y Medicina de 2011.
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La caracterización de la proteína Toll sorprendentemente reveló que su dominio de señalización citoplasmático fue homólogo al del receptor de vertebrados para la citocina IL-1 (IL-1R). Por medio de una búsqueda de proteínas de ser humano con dominios citoplasmáticos homólogos a los de Toll e IL-1R, en 1997 Charles Janeway y Ruslan Medzhitov descubrieron un gen de ser humano que codifica para una proteína similar a Toll que activó la expresión de genes de la inmunidad innata en células de ser humano. Apropiadamente, este y otros parientes de Toll de vertebrados descubiertos poco después se llamaron receptores tipo Toll (TLR).
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Por medio de estudios en ratones mutantes, en 1998 Bruce Beutler obtuvo la prueba importante de que los tlr contribuyen a funciones inmunitarias normales en mamíferos. Ratones homocigotos para una forma mutante de un gen llamado lps fueron resistentes a las respuestas perjudiciales inducidas por lipopolisacárido (lps; también conocido como endotoxina), un componente importante de las paredes celulares de bacterias gramnegativas (figura 5-10). En seres humanos, una acumulación de endotoxina por infección bacteriana grave puede inducir una respuesta inmunitaria innata demasiado fuerte, lo que causa choque séptico, una afección que pone en peligro la vida en la cual órganos vitales como cerebro, corazón, riñones e hígado pueden fallar. Cada año, alrededor de 20 000 personas mueren en Estados Unidos por choque séptico causado por infecciones por bacterias gramnegativas, de modo que fue notorio que algunas cepas de ratones mutantes fueron resistentes a dosis mortales de lps. Beutler encontró que el gen lps defectuoso de ratón codificó para una forma mutante de un tlr, TLR4, que difirió de la forma normal por un aminoácido único de modo que ya no fue activado por lps. Esta investigación proporcionó una demostración inequívoca de que TLR4 es el receptor de reconocimiento de patrones innato celular que reconoce lps, e hizo a Beutler acreedor a una parte del Premio Nobel de 2011.
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Así, esta serie de experimentos que sirven como punto de referencia mostró en sucesión rápida que los invertebrados muestran respuesta a agentes patógenos, que usan receptores que también se encuentran en vertebrados, y que de uno de estos receptores es responsable de las respuestas inmunitarias innatas inducidas por lps.
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Investigación intensiva durante la última década y media ha identificado múltiples miembros de la familia tlr en ratones y en seres humanos —hacia 2011, 13 tlr que funcionan como prr se habían identificado en estas especies—. Los tlr 1 a 10 están conservados entre ratones y seres humanos, aunque TLR10 no es funcional en ratones, mientras que los tlr 11 a 13 son expresados en ratones pero no en seres humanos. Si bien no se ha mostrado que los tlr estén involucrados en el desarrollo de vertebrados, a diferencia de lo que sucede en las moscas de la fruta, el juego de tlr presentes en un ser humano o en un ratón puede detectar una amplia variedad de pamp de bacterias, virus, hongos y parásitos, así como damp de células y tejidos dañados. Cada tlr tiene un repertorio separado de especificidades para pamp conservados; en el cuadro 5-4 se listan los tlr y algunos de sus ligandos pamp conocidos. Estudios bioquímicos han revelado la estructura de varios tlr y cómo se unen a sus ligandos específicos. Los tlr son proteínas que abarcan la membrana, que comparten un elemento estructural común en su región extracelular llamado repeticiones ricas en leucina (lrr); múltiples lrr constituyen el dominio de unión a ligando extracelular en forma de herradura de la cadena polipeptídica tlr (figura 5-11a).
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Cuando los tlr se unen a sus ligandos pamp o damp por medio de sus dominios lrr extracelulares, son inducidos para que se dimericen. En la mayor parte de los casos cada tlr se dimeriza con sí mismo y forma un homodímero, pero TLR2 forma heterodímeros al formar pares con TLR1 o TLR6. El modo en que los tlr se unen a sus ligandos no se conoció sino hasta que complejos de los dímeros del dominio lrr extracelular con ligandos unidos se analizaron mediante cristalografía de rayos X. En la figura 5-11b se muestran las estructuras de TLR2/1 con un lipopéptido unido y TLR3 con dsRNA; la conformación en la forma de “m” característica de los dímeros de tlr es fácilmente observable.
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Los tlr existen tanto en la membrana plasmática como en las membranas de endosomas y lisosomas (figura 5-12); su ubicación celular está hecha a la medida para permitirles mostrar respuesta óptima a los ligandos microbianos particulares que reconocen. Los tlr que reconocen pamp sobre la superficie externa de microbios extracelulares (cuadro 5-4) se encuentran en la membrana plasmática, donde pueden unirse a estos pamp e inducir respuestas. En contraste, los tlr que reconocen componentes microbianos internos que tienen que quedar expuestos mediante el desmantelamiento o la degradación de agentes patógenos que fueron objeto de endocitosis —ácidos nucleicos en particular— se encuentran en endosomas y lisosomas. Singular entre los tlr, se ha mostrado que TLR4 se mueve desde la membrana plasmática hacia endosomas/liposomas después de unirse a lps u otros pamp. Como se verá más adelante, activa diferentes vías de señalización desde las dos ubicaciones.
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Además de ligandos microbianos, los tlr también reconocen damp, componentes endógenos (propios) liberados por células muertas/moribundas o tejidos dañados. Entre los damp reconocidos por tlr de la membrana plasmática figuran proteínas de choque por calor y de cromatina, fragmentos de componentes de la matriz extracelular (como fibronectina y hialuronina), y lipoproteína de baja densidad oxidada y β-amiloide. Mientras que los ácidos nucleicos propios por lo general no activan el prr intracelular, en ciertas circunstancias (como cuando está unido a anticuerpos anti-dna o anti-cromatina en individuos con la enfermedad autoinmunitaria lupus eritematoso) pueden ser objeto de endocitosis y activar tlr endosomales/lisosomales, lo que contribuye a la enfermedad (capítulo 16).
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Señalización por medio de TLR: perspectiva general
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Dada la amplia variedad de agentes patógenos potenciales que el sistema inmunitario innato necesita reconocer y combatir, ¿de qué modo la unión de un agente patógeno específico desencadena una respuesta apropiada para ese agente patógeno? La señalización por medio de tlr utiliza muchos de los principios y algunas de las moléculas de señalización que se describen en los capítulos 3 y 4, junto con algunos singulares para vías activadas por tlr (y por otros prr; véase más adelante).
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Estudios detallados de las vías de señalización torrente abajo de todos los tlr, que se resumen esquemáticamente en la figura 5-13, han revelado que incluyen algunos componentes compartidos y activan la expresión de muchos de los mismos genes. Un ejemplo importante de un componente compartido es el factor de transcripción NF-κB. NF-κB es clave para inducir genes innatos e inflamatorios, incluso los que codifican para defensinas; enzimas como iNOS; quimiocinas, y citocinas como las citocinas proinflamatorias TNF-α, IL-1 e IL-6, producidas por macrófagos y células dendríticas. También hay vías de señalización específicas para tlr, y componentes que inducen la expresión de subgrupos de proteínas, algunos de los cuales son en particular eficaces para combatir el tipo de agente patógeno reconocido por el o los tlr particulares. Un ejemplo importante es la expresión de los potentes interferones tipo I antivirales, IFN-α e IFN-β, inducidos por vías torrente abajo de los tlr que se unen a componentes virales. La activación de los factores reguladores de interferón (irf) es esencial para inducir la transcripción de los genes que codifican para IFN-α e IFN-β (véase más adelante). Combinaciones de factores de transcripción contribuyen a inducir la expresión de muchos de estos genes; los ejemplos son combinaciones de NF-κB, irf, o factores de transcripción, o todos o una combinación de los anteriores, torrente abajo de las vías de la map cinasa (mapk) (capítulos 3 y 4), como AP-1, que pueden ser activados por intermediarios de señalización torrente abajo de ciertos tlr.
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La o las vías de transducción de señales particulares activadas por un dímero de tlr después de unión a pamp están determinadas en gran parte por el tlr y por el adaptador de proteína inicial (capítulo 3) que se une al dominio citoplasmático del tlr. Esta región se llama dominio tir (de Toll/receptor de IL-1) en referencia a la similitud antes mencionada entre los dominios citoplasmáticos de tlr y receptores de IL-1 (figuras 5-11a y 4-5a). Los dominios tir de todos los dímeros de tlr sirven como sitios de unión para los dominios tir de adaptadores que activan las vías de señalización torrente abajo. Los dos adaptadores clave son MyD88 (factor de diferenciación mieloide 88) y trif (factor IFN-β inductor de adaptador que contiene dominio TIR). Casi todos los tlr, sea que se encuentran sobre la superficie celular o en endosomas/lisosomas, se unen a la proteína adaptadora MyD88 (lo que activa vías de señalización dependientes de MyD88) (figura 5-13). En contraste, TLR3 se une a la proteína adaptadora alternativa trif (lo que activa vías de señalización dependientes de trif). TLR4 es singular en la unión tanto a MyD88 (cuando está en la membrana plasmática, lo cual emite señales para su endocitosis) como a trif (cuando está en endosomas, después de internalización). La figura 5-13 también muestra la presencia de otros dos adaptadores asociados con casi todos los tlr: tirap (proteína adaptadora que contiene dominio TIR) y tram (molécula adaptadora relacionada con TRIF). Son adaptadores que contienen dominio tir que sirven como receptores de distribución: tirap ayuda a reclutar MyD88 hacia tlr 2/1, 2/6 y 4, y tram ayuda a reclutar trif hacia TLR3 y hacia TLR4 endosomal/lisosomal.
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Vías de señalización dependientes de MyD88
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Luego de asociarse con un dímero de tlr después de unirse a su ligando, MyD88 inicia una vía de señalización que activa las vías NF-κB y mapk por medio de esencialmente la misma vía que la activada por IL-1 (figura 4-6). Como se muestra para los tlr de la membrana plasmática 2/1, 4 y 5 en la figura 5-13, MyD88 recluta y activa varias proteínas cinasas irak, que a continuación se unen a TRAF6 y lo activan. TRAF6 ubiquitina proteínas nemo y tab, lo que da pie a la activación de TAK1, que a continuación fosforila el complejo de IκB cinasa (ikk). El ikk activado a continuación fosforila la subunidad IκB inhibidora de NF-κB lo que libera NF-κB para que entre al núcleo y active la expresión de gen. TAK1 desempeña una doble tarea en esta cascada de señalización de tlr. Después de separarse del complejo ikk, activa vías de señalización mapk (capítulo 3) que dan lugar a la activación de factores de transcripción, incluso Fos y Jun, que constituyen el dímero AP-1 (figura 3-16).
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Además de activar las vías del NF-κB y de la mapk por medio de la vía dependiente de MyD88, los tlr 7, 8 y 9 endosomales que se unen a ácidos nucleicos microbianos (en especial rna viral y dna bacteriano) también desencadenan vías que activan irf. Cuando es desencadenado por estos tlr, el complejo MyD88/ IRAK4/TRAF6 activa un complejo que contiene TRAF3, IRAK1 e IKKα, lo que lleva a fosforilación, dimerización, activación y localización nuclear de IRF7 (figura 5-13). IRF7 induce la transcripción de genes que codifican tanto para los dos interferones tipo I, IFN-α e IFN-β, que tienen potente actividad viral. Así, diferentes TLR pueden activar de modo diferencial factores de transcripción separados (NF-κB, ciertos IRF, o los activados por vías de la MAPK, o todos o una combinación de los anteriores), lo que conduce a variación de cuáles genes son activados para ayudar a proteger al ser humano contra agentes patógenos invasores.
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Vías de señalización dependientes de trif
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Para los dos tlr endosomales que reclutan el adaptador trif en lugar de MyD88 —TLR3 y TLR4 endosomal— las vías de emisión de señales torrente abajo difieren un poco de las activadas por MyD88 (figura 5-13). trif recluta la proteína cinasa ripi que, a su vez, recluta y activa TRAF6, que a continuación inicia los mismos pasos que en la vía dependiente de MyD88. TLR3 también activa PI3K, lo cual aumenta la activación de la vía de la mapk. Además, trif activa TRAF3 y un complejo de TBK-1 e IKKє, que fosforila y activa IRF7 y un irf diferente —IRF3—. IRF3 e IRF7 se dimerizan y se mueven hacia el núcleo y (junto con NF-κB y AP-1) inducen la transcripción de los genes que codifican para IFN-α e IFN-β. Así, todos los TLR intracelulares que se unen a PAMP virales en una célula infectada inducen la síntesis y secreción de interferones tipo I, que producen retroalimentación para inhibir con potencia la replicación del virus en esa célula infectada.
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Receptores de lectina tipo C se unen a carbohidratos sobre la superficie de agentes patógenos extracelulares
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La segunda familia de prr de superficie celular que activan respuestas innata e inflamatoria es la familia del receptor de lectina tipo C (clr). Los clr son receptores de membrana plasmática expresados de manera variable sobre monocitos, macrófagos, células dendríticas, neutrófilos, células B y subgrupos de células T. Los clr por lo general reconocen componentes carbohidrato de hongos, micobacterias, virus, parásitos y algunos alergenos (proteínas de cacahuate [maní] y de ácaros del polvo). Los humanos tienen al menos 15 clr que funcionan como prr, la mayor parte de los cuales reconoce una o más porciones azúcar específicas, como manosa (p. ej., el receptor de manosa y dc-sign), fucosa (p. ej., dectina-2 y dc-sign), y glucanos (p. ej., dectina-1).
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Los clr desempeñan diversas funciones. A diferencia de los tlr, que no promueven la fagocitosis, algunos clr funcionan como receptores fagocíticos (cuadro 5-3), y todos los clr desencadenan vías de señalización que activan factores de transcripción que inducen expresión de genes efectores. Algunos clr desencadenan eventos de señalización que inicialmente difieren de la señalización de tlr, pero que en general llevan a pasos torrente abajo similares a las vías de tlr dependientes de MyD88 que activan los factores de transcripción NF-κB y AP-1. Un ejemplo de esto es la dectina-1, que se une a β-1,3-glucanos de la pared celular sobre micobacterias, levaduras y otros hongos (figura 5-14). La dectina-1 contiene un dominio citoplasmático con un motivo de activación de inmunorreceptor basado en tirosina (itam) similar a los que están en las cadenas de emisión de señales de receptores de antígeno de célula B y de célula T (capítulo 3). Después de que la dectina-1 se une a un ligando, su itam es fosforilado y después reconocido por la tirosina cinasa Syk, también involucrada en las etapas iniciales de activación de células B (figura 3-28). Syk desencadena las vías de la mapk, lo que da pie a la activación del factor de transcripción AP-1, y activa también CARD9, uno de los muchos componentes de emisión de señales con dominios de reclutamiento de caspasa (card; cuadro 3-1 y ejemplos adicionales más adelante). CARD9 forma un complejo con componentes emisores de señales adicionales, lo que lleva a la activación de ikk y la translocación nuclear de NF-κB como se describió para el tlr. NF-κB y AP-1 cooperan en la inducción de la expresión de citocinas inflamatorias e IFN-β.
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Las señales por medio de diferentes prr pueden modular los efectos una de otra, lo que aumenta la expresión de genes particulares o la inhibe. Puesto que las vías emisoras de señales torrente abajo de algunos clr y tlr son similares, las señales que llegan a una célula desde tlr y dectina-1 (o clr relacionados) que reconocen de manera simultánea pamp sobre los mismos microbios o sobre microbios diferentes, pueden combinarse para aumentar la producción de citocinas proinflamatorias. Además, otras vías de emisión de señales torrente abajo de la dectina-1 pueden activar y regular diferentes miembros de la familia del NF-κB, que controlan la expresión de genes que codifican para citocinas adicionales que regulan la diferenciación de células T auxiliares (véase más adelante). Otros clr tienen diferentes dominios citoplasmáticos, vías de señalización torrente abajo y resultados. Por ejemplo, la unión de pamp a un clr, dc-sign, sobre células dendríticas reduce la inflamación al inducir la expresión de la citocina antiinflamatoria IL-10 o al reducir la concentración de mRNA que codifica para citocinas proinflamatorias. En algunos casos esos efectos moduladores son beneficiosos, porque las respuestas pueden cambiarse desde respuestas inflamatorias en potencia perjudiciales hacia la activación de poblaciones de células T protectoras. Aun así, los agentes patógenos también pueden aprovechar estos circuitos de control para disminuir respuestas que contribuirían a su eliminación (véase más adelante).
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Receptores tipo gen-I inducibles por ácido retinoico se unen a rna viral en el citosol de células infectadas
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Los receptores tipo (like) gen-I inducibles por ácido retinoico (rlr) son prr solubles que residen en el citosol de muchos tipos de células, donde desempeñan funciones cruciales como detectores de infección viral (figura 5-14). Los tres rlr conocidos (RIG-I, MDA5 y LGP2) son rna helicasas que contienen card que reconocen rna virales, por lo general de virus rna, como el de la gripe, el sarampión y el oeste del Nilo. Estos receptores parecen distinguir entre rna viral y celular con base en características estructurales particulares no compartidas por el rna celular normal, como regiones bicatenarias del rna, motivos de secuencia específicos para virus y, en el caso de RIG-I, una modificación 5′ trifosfato que surge durante la síntesis de rna viral y el procesamiento del mismo. En el momento de unión de rna viral, RIG-I pasa por un cambio conformacional que conduce a unión por medio de interacciones card-card a su molécula adaptadora torrente abajo ubicada en membranas mitocondriales, la proteína mavs (señalización antivirales mitocondriales) asociada a mitocondrias. La mavs se agrega y recluta más proteínas, incluso el adaptador tradd, TRAF3 y ripi, que activan nemo/ikk que llevan a la activación de complejos de ikk, que activan IRF 3 y 7 y la vía del NF-κB, lo que da pie a la expresión de IFN-α e IFN-β, otros antimicrobianos, quimiocinas y citocinas proinflamatorias.
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Los receptores tipo Nod son activados por diversos pamp, damp y otras sustancias perjudiciales
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La familia final de prr son los nlr (nlr es un acrónimo que significa tanto receptores tipo (like) Nod como receptores que contienen dominio de oligomerización de nucleótido/repetición rica en leucina). Los nlr son una familia grande de proteínas citosólicas activadas por pamp intracelulares y sustancias que avisan a las células de daño o peligro (damp y otras sustancias perjudiciales). Desempeñan funciones importantes en la activación de respuestas inmunitarias e inflamatorias innatas beneficiosas pero, como se verá, algunos nlr también desencadenan inflamación que causa daño tisular extenso y enfermedad. El genoma del ser humano contiene aproximadamente 23 genes nlr, y el genoma del ratón hasta 34. Las proteínas nlr se dividen en tres grupos principales, con base en la mayor parte en su estructura de dominio (figura 5-15): nlrc (que tienen dominios de reclutamiento de caspasa, card), nlrb (algunos de los cuales tienen dominios de repetición inhibitoria de baculovirus, bir) y nlrp (que tienen dominios pirina [pyrin], pyd). Las funciones de muchos nlr todavía no se han caracterizado bien; a continuación se describen las de varios nlr.
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Los miembros mejor caracterizados de la familia nlrc son NOD1 y NOD2. pamp importantes reconocidos por NOD1 y NOD2 son productos de desintegración (como dipéptidos muramilo) producidos durante la síntesis o degradación de peptidoglucanos de la pared celular de bacterias intracelulares o extracelulares —los péptidos de estas últimas deben entrar a la célula para activar nod—. En estudios en ratones se ha mostrado que NOD1 también proporciona protección contra el parásito protozoo intracelular Trypanosoma cruzi, que causa la enfermedad de Chagas en humanos, y que NOD2 activa respuestas a algunos virus, incluso el de la gripe. La unión de pamp a las regiones lrr de nod inicia señalización al activar la unión de nod a la serina/treonina cinasa RIP2 por medio de sus card (figura 5-14). A continuación RIP2 activa ikk, lo que lleva a la translocación nuclear de NF-κB. RIP2 también activa vías de la mapk, lo que conduce a activación de AP-1. El NF-κB y AP-1 activados inician la transcripción de citocinas inflamatorias —entre ellas TNF-α, IL-1 e IL-6— y mediadores antimicrobianos y otros mediadores. Además, RIP2 activa el complejo TRAF3/TBK1/IKKє, lo que da pie a fosforilación de IRF 3 y 7, y a producción de IFN-α e IFN-β.
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En tanto los nlrc NOD1 y NOD2 activan la transcripción de genes que codifican para citocinas inflamatorias y proteínas antimicrobianas y de otros tipos, algunos otros nlr no desencadenan vías de señalización que inducen la expresión de genes involucrados en respuestas inmunitarias innatas. En lugar de eso, estos nlr se ensamblan con otras proteínas hacia un complejo que activa proteasas necesarias para convertir las formas precursoras grandes inactivas (procitocinas) de IL-1 e IL-18 en las formas maduras que son secretadas por células activadas. Debido a los efectos inflamatorios muy potentes de la IL-1 secretada (y hasta cierto grado también IL-18) (capítulo 4), estos complejos de ciertos nlr con otras proteínas, incluso proteasas clave, ahora se denominan inflamasomas. El descubrimiento y las propiedades sorprendentes de los inflamasomas se describen en el recuadro 5-1, Avances.
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RECUADRO 5-1
AVANCES: Inflamasomas
La citocina IL-1 se ha reconocido como uno de los inductores potentes de inflamación. Si bien se sabía que el gen que codifica para IL-1 es activado desde el punto de vista de transcripción luego de exposición a agente patógeno, daño o moléculas asociadas a peligro, se necesitaron pasos adicionales para generar la proteína IL-1 madura desde su precursor pro-IL-1 intracelular grande. Se mostró que una enzima, inicialmente llamada enzima convertidora de la IL-1 (ICE), ahora conocida como caspasa-1, lleva a cabo la ruptura de pro-IL-1, pero la enzima en sí existió en casi todas las células como un precursor inactivo grande. El avance sensacional en el entendimiento de cómo se produce la IL-1 madura llegó en 2002 cuando Jurg Tschopp y otros publicaron estudios bioquímicos que mostraron que la activación de células por LPS indujo la formación de un agregado multiproteínico grande que contenía un nlr y caspasa-1 madura que dividió pro-IL-1 hacia IL-1 madura, lo que permitió su liberación desde células. Debido a la importancia de IL-1 en la promoción de inflamación, Tschopp y sus colegas acuñaron el término inflamasoma para el complejo proteínico grande que activa la caspasa-1 para que genere IL-1. Se ha mostrado que tres nlr (NLRP1, NLRP3 y NLRC4) forman infla masomas que activan la caspasa-1 para que divida los precursores grandes tanto de la IL-1 como de la IL-18, lo que genera las citocinas proinflamatorias maduras.
El inflamasoma mejor caracterizado es el inflamasoma NLRP3, que es expresado por monocitos, macrófagos, neutrófilos, células dendríticas y algunos linfocitos y células epiteliales. El NLRP3 es un complejo grande que contiene múltiples copias, cada uno, de NLRP3, la proteína adaptadora asc (que se une a NLRP3 por medio de interacciones de dominio de pyd:pyd homotípico), y caspasa-1 (figura 1). El NLRP3 puede ser activado en células por diversos componentes de bacterias, hongos y algunos virus. Además de componentes microbianos, el NLRP3 también puede ser activado por sustancias no microbianas (“estériles”), incluso varios damp liberados por tejidos y células dañados, como hialuronano, β-amiloide (asociado con las placas de Alzheimer), y atp y glucosa extracelulares. Investigación reciente también ha implicado al NLRP3 en la mediación de enfermedades inflamatorias graves causadas por una clase poco común de sustancias perjudiciales: cristales. Los cristales de urato monosódico en individuos con hiperuricemia causan gota, una enfermedad articular inflamatoria, y la inhalación de cristales de sílice o asbesto ambientales causa las enfermedades inflamatorias pulmonares graves, a menudo mortales, silicosis y asbestosis. Cuando estos cristales son fagocitados, dañan membranas lisosomales, con liberación de componentes lisosomales hacia el citosol. Efectos similares pueden ser la causa del aflojamiento (osteólisis aséptica) de articulaciones artificiales, causado por pequeñas partículas de aleación metálica provenientes de la prótesis, que también activan la inflamación mediada por NLRP3.
La manera en que estos diversos pamp, damp, cristales y partículas metálicas activan el inflamasoma NLRP3 se está investigando intensamente. Sin embargo, hasta la fecha no hay evidencia concluyente para la unión de cualesquiera ligandos de manera directa al NLRP3; así, quizá no actúe como un prr para pamp y damp en sí, sino que en lugar de eso tal vez detecte cambios en el medio intracelular originados por la exposición a estos materiales. Los modelos actuales, que se resumen en la figura 2, comprenden la activación por estos estímulos variados de un grupo común de señales intracelulares, como flujo de salida de ion potasio, especies de oxígeno reactivo (ros), o escape de contenido lisosomal, o todos o una combinación de los ante riores, todos los cuales parecen inducir montaje del inflamasoma NLRP3 y activación de caspasa-1, lo que lleva al procesamiento de IL-1 e IL-18 y la secreción de las mismas. Empero, está claro que los inflamasomas por lo general funcionan en tándem con otros prr en una célula para generar estas citocinas. La activación de muchos tlr, clr, rlr y nlr nod por pamp o damp prepara la res puesta inflamatoria al inducir transcripción de los genes que codifican para IL-1 e IL-18 mediante las vías de emisión de señales antes descritas. Una vez activado por mediadores intracelulares hasta ahora desconocidos, el inflamasoma NLRP3 a continuación procesa los precursores procitocina hacia la IL-1 e IL-18 maduras, activas, que entonces son liberadas por la célula mediante un proceso de secreción atípico desconocido.
Se sabe un poco menos acerca de los otros inflamaso mas, aunque también son agregados multiproteínicos grandes que contienen nlr o proteínas y caspasas relacionadas, y generan IL-1 e IL-18 maduras. El inflamasoma descubierto por Tschopp contiene la proteína nlr ahora llamada NLRP1 (figura 5-15), que es expresada en una amplia gama de células hematopoyéticas y de otros tipos. Su activación por la toxina letal de Bacillus anthracis contribuye a la mor talidad producida por el ántrax (carbunco). El inflamasoma NLRC4 (también llamado ipaf), expresado de manera predominante en células hemato poyéticas, es activado por ciertas bacterias gramnegati vas y por la presencia citosólica de flagelina bacteriana. Un cuarto inflamasoma utiliza la proteína AIM2, que no contiene un nbd y, por ende, no es un nlr, sino que contiene un dominio de pyd y, por tanto, puede formar inflamasomas con asc y caspasa-1. Despierta interés que a últi mas fechas se ha mostrado que AIM2, que es inducida por interferones, se une a dna bicatenario citosólico, como el de virus y bacterias intrace lulares, y que genera IL-1 e IL-18 maduras.
El descubrimiento recien te de inflamasomas ha proporcionado la respuesta a una pregunta que había estado en el aire mucho tiempo: ¿cómo se genera IL-1 madura en células en respuesta a estímulos innatos e inflamatorios? Con todo, persisten otros desafíos; el más importante es iden tificar el o los mecanismos mediante los cuales los inflamasomas son activados, de modo que su enzima caspasa-1 clave se hace funcional. Además, puesto que todavía no se conocen funciones para varios otros nlr, es posible que queden por descubrir más inflamasomas.
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La expresión de proteínas de la inmunidad innata es inducida por señalización de prr
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Las vías de señalización activadas por prr ya descritas inducen la transcripción de genes que codifican para un arsenal de proteínas que ayudan al ser humano a montar respuestas protectoras. Algunas de las proteínas inducidas son antimicrobianas, y combaten directamente agentes patógenos, mientras que otras desempeñan funciones clave en la activación y el aumento de respuestas inmunitarias innatas y adaptativas. Hay tremenda variación en cuanto a cuáles proteínas son sintetizadas en respuesta a agentes patógenos, lo que refleja sus pamp, así como los tipos de células que muestran respuesta y sus disposiciones de prr. En el cuadro 5-5 se listan algunas de las proteínas y péptidos más comunes que son secretados por células después de activación de prr por pamp, y que contribuyen a respuestas innata e inflamatoria.
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Péptidos antimicrobianos
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Las defensinas y las catelicidinas se mencionaron como importantes en la protección de barrera, como en la piel y en las capas epiteliales conectadas a las aberturas del cuerpo (cuadro 5-2). Algunas células y tejidos expresan estos péptidos de manera constitutiva (esto es, de modo continuo, sin activación). Por ejemplo, las células epiteliales de Paneth intestinales del ser humano expresan de modo constitutivo α-defensinas y algunas β-defensinas, y algunas defensinas y la catelicidina LL-37 son sintetizadas de manera constitutiva y empacadas en los gránulos de neutrófilos, listas para matar bacterias, hongos, virus y parásitos protozoos fagocitados. De cualquier modo, en algunos otros tipos de células, como células epiteliales de la mucosa y glandulares, queratinocitos cutáneos y células nk, la expresión de estos péptidos antimicrobianos es inducida o aumentada por señalización por medio de prr, en particular tlr y los nlr nod. Los macrófagos no producen estos péptidos antimicrobianos después de activación de prr; no obstante, despierta interés que hay una vía indirecta mediante la cual los microbios inducen catelicidina en macrófagos. La unión de ligandos microbianos a tlr de macrófago induce expresión aumentada de receptores para vitamina D; la unión de vitamina D a estos receptores activa los macrófagos para producir catelicidina, que entonces puede ayudar a los macrófagos a matar los agentes patógenos.
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Otra clase importante de proteínas antimicrobianas inducidas de manera transcripcional directamente por prr son los interferones tipo I (IFN-α, IFN-β). La producción de interferón tipo I por lo general es activada por los tlr de superficie celular y los tlr, rlr y nlr intracelulares que reconocen ácidos nucleicos y otros componentes virales, y activan los factores de transcripción irf. Los interferones tipo I se producen en dos situaciones (cuadro 5-5). Cuando quedan infectados por virus, muchos tipos de células son inducidos para que sinteticen IFN-α, o IFN-β, o ambos, después de unión de pamp virales citosólicos, como ácidos nucleicos, a sus rlr o nlr (figura 5-14). Además, muchas células expresan tlr de superficie celular que reconocen pamp virales, o internalizan virus sin necesariamente estar infectadas, o ambas cosas, lo que permite que tlr endosomales reconozcan componentes de virus. La señalización desde estos tlr activa la producción de irf, IFN-α e IFN-β. Un tipo particular de célula dendrítica, llamado célula dendrítica plasmacitoide (pDC) debido a su forma, es un productor en particular eficaz de ifn tipo I. Las pDC efectúan endocitosis de virus que se han unido a diversas proteínas de superficie celular (incluso clr como dc-sign que, por ejemplo, se une al hiv). A continuación, los tlr 7 y 9 en los endosomas son activados por pamp virales (ssRNA y dna CpG, respectivamente), lo que lleva a activación de irf.
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Los interferones tipo I ejercen sus efectos antivirales y de otros tipos al unirse a un receptor específico, frecuentemente llamado ifnar (receptor de IFN-α), expresado sobre casi todos los tipos de células (capítulo 4). De modo similar a las vías de señalización torrente abajo de muchos receptores de citocina (cuadro 4-3 y figura 4-11), la unión de IFN-α o IFN-β activa ifnar para reclutar y activar jak específicas (JAK1 y Tyk2) que a continuación activan stat específicos (STAT 1 y 2; figura 5-16). Los dímeros STAT1/1 y STAT1/2 a continuación inducen la expresión de diversos genes, incluso los que codifican para las tres proteínas que bloquean la replicación viral: proteína cinasa R (pkr), que inhibe la síntesis de proteína viral (y celular) al inhibir el factor de elongación eIF2α; 2′, 5′-oligoadenilato A sintetasa, que activa la ribonucleasa RNasa L que degrada mRNA viral, y proteínas Mx, que inhiben tanto la transcripción de genes virales hacia mRNA como el ensamble de partículas de virus. Los interferones tipo I se usan para tratar algunas infecciones virales, como hepatitis B y C, lo que refleja sus potentes actividades antivirales. Además de sus funciones clave en el control de infecciones virales, los interferones tipo I tienen otras actividades relacionadas con la inmunidad por cuanto activan células nk y regulan las actividades de macrófagos y células T. Se ha mostrado que el tratamiento con IFN-β genera efectos beneficiosos en algunas formas de esclerosis múltiple, una enfermedad autoinmunitaria mediada por células T, con afección inflamatoria, probablemente al inhibir la producción de ciertas citocinas proinflamatorias derivadas de células T (capítulo 16).
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Entre las proteínas inducidas de manera transcripcional por activación de prr figuran varias citocinas clave que —si bien no son directamente antimicrobianas— activan y regulan una amplia variedad de células y tejidos involucrados en respuestas innatas, inflamatorias y adaptativas. Como se introdujo en el capítulo 4, las citocinas funcionan como las hormonas proteínicas del sistema inmunitario, producidas en respuesta a estímulos, y que actúan sobre diversos blancos celulares. El cuadro 5-5 lista varios ejemplos clave de citocinas inducidas por activación de prr durante respuestas inmunitarias innatas, junto con sus efectos sobre células blanco y tejidos.
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Tres de las citocinas más importantes son IL-1, IL-6 y TNF-α, las principales citocinas proinflamatorias que actúan localmente sobre vasos sanguíneos y otras células para aumentar la permeabilidad vascular y ayudar a reclutar células en sitios de infección y activarlas; también tienen efectos sistémicos (véase más adelante). La IL-1, la IL-6 y el gm-csf también producen retroalimentación sobre la hematopoyesis en la médula ósea para aumentar la producción de neutrófilos y otras células mieloides que contribuirán a la eliminación de agentes patógenos. La activación de monocitos, macrófagos y células dendríticas por medio de algunos tlr también induce la producción de IL-12 e IL-18, citocinas que desempeñan una función clave en la inducción de células T auxiliares vírgenes para que se conviertan en células TH1, en particular al inducir la producción de IFN-γ. La citocina característica de las células TH1 es el IFN-γ, que estimula inmunidad mediada por células y es una importante citocina activadora de macrófagos (capítulo 11). Por ende, la IL-12 y la IL-18 también se consideran proinflamatorias. La IL-10 es otra citocina importante inducida de manera específica por algunos tlr en macrófagos, células dendríticas y otras células mieloides, y subgrupos de células T, B y nk. La IL-10 es antiinflamatoria, por cuanto inhibe la activación de macrófagos y la producción de citocinas proinflamatorias por otras células mieloides. La concentración de IL-10 aumenta con el tiempo y contribuye al control de la magnitud del daño de tejido causado por inflamación.
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Estas proteínas pequeñas quimioatrayentes (agentes que inducen a las células para que se muevan hacia concentraciones más altas del agente) reclutan células hacia tejidos, así como dentro y fuera de los mismos (capítulos 4 y 14, y apéndice III). Algunas quimiocinas se encargan de la migración constitutiva (homeostática) de leucocitos en todo el organismo. Otras quimiocinas, producidas en respuesta a activación de prr, tienen un desempeño crucial en las etapas tempranas de respuestas inmunitarias e inflamatorias por cuanto atraen células que contribuyen tanto a eliminar la infección o el daño, como a amplificar la respuesta. La primera quimiocina que se clonó, IL-8 (también llamada CXCL8), es producida en respuesta a activación —por pamp, damp o algunas citocinas— de diversas células en sitios de infección o daño tisular, incluso macrófagos, células dendríticas, células epiteliales y células endoteliales vasculares. Uno de los papeles clave de la IL-8 ocurre en las etapas iniciales de infección o daño de tejido; sirve como un quimioatrayente para neutrófilos y los recluta hacia sitios de infección. Otras quimiocinas son inducidas de manera específica por activación de prr de células epiteliales en ciertos tejidos mucosos y sirven para reclutar células de manera específica a esos sitios, donde generan respuestas inmunitarias apropiadas para eliminar el agente patógeno invasor. Por ejemplo, las células B son reclutadas hacia la lámina propia, el tejido rico en linfocitos bajo el epitelio intestinal, por dos quimiocinas, CCL28 y CCL20, producidas por células epiteliales intestinales activadas por unión de pamp a sus tlr. Estas células epiteliales activadas (así como células dendríticas locales activadas por pamp) también producen citocinas que estimulan a las células B para que produzcan IgA, la clase de anticuerpos más eficaces en la protección contra infecciones de mucosas (capítulo 13).
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Entre otros genes activados en muchos tipos de células por vías de señalización activadas por prr figuran los que codifican para dos enzimas que contribuyen de manera importante a la generación de mediadores antimicrobianos y proinflamatorios: óxido nítrico sintasa inducible (iNOS) y ciclooxigenasa 2 (COX2). Como se describió, la enzima iNOS cataliza un paso importante en la formación de óxido nítrico, que mata microbios fagocitados (figura 5-8). La COX2, cuya síntesis es inducida por activación de prr en monocitos, macrófagos, neutrófilos y mastocitos, es clave para convertir el intermediario de lípido ácido araquidónico en prostaglandinas, potentes mediadores proinflamatorios. En la sección que sigue se proporciona una perspectiva general de los principales procesos de respuestas inflamatorias iniciados por respuestas inmunitarias innatas. La inflamación se cubrirá con mayor detalle en el capítulo 15.