Makrofajlar, Gram Negatif Bakterileri Nasıl Ortadan Kaldırır?
Dilanur Toplak- Moleküler Biyoloji ve Genetik, Fen Fakültesi, İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü
Makrofajlar, hücreleri fagositoz yoluyla bakteriyel saldırılardan koruyan doğuştan gelen bağışıklık sisteminin katılımcılarıdır. Farklı bakteri türlerine farklı tepkiler verirler. Hücresel reseptör tiplerine göre farklı sinyal yolakları vardır, ayrıca patojenin hayatta kalması ve replikasyon mekanizmaları makrofaj yanıtı için önemlidir. Günümüzde bakterilerin farklı hücre duvarı bileşenlerini boyamalarına göre 2 ana sınıfı vardır: gram negatif ve gram pozitif bakteriler. Gram negatif bakteriler, konak savunmasında işlevi olan çok sayıda gen ekspresyonunu indükleyerek makrofaj aktivasyon uyarılarını tetikleyen lipopolisakkarit (LPS) adı verilen ikinci bir katmana sahiptir [1]. LPS, hücrelerin inflamatuar yanıtında rol oynamaktadır [2].
Önceki çalışmalar, Stat proteininin bu tepkiler için çok önemli olduğunu söylemektedir. Fagositoz, fagositoz reseptörlerinin patojenlerin yüzey ligandına bağlanması yoluyla bakterilerin yok edilmesi için gereklidir. Makrofaj, bakteri ile karşılaştığında fagositotik sinyal iletim yolları uyarılır. Her bakterinin farklı yol aktivasyonuna neden olan kendi reseptörü vardır [1].
Stat-1 proteini, sinyal dönüştürücü ve transkripsiyon 1 aktivatörü olarak çalışır. Bu protein, interferonlara (IFN'ler) hücresel yanıt oluşturmada önemli bir rol oynar. Reseptörle ilişkili Janus kinazlar (Jaks), interferonlar tarafından Stat proteinlerini tirozin fosforilasyonu yoluyla aktive etmek için kullanılır. Sonuç olarak, Stat proteinleri doğuştan gelen bağışıklık sistemini aktive etmede çok önemli bir rol oynamaktadır. Jak/Stat-1 yolakları, makrofajların veya apoptozun aktivasyonundan sorumlu olan farklı gen ifadelerine neden olmaktadır [1].
Gram negatif bakterilerin dış zarında, anti ve proinflamatuar sitokinleri tetikleyen porinler ve nötrofiller tarafından üretilen güçlü inflamatuar mediatör trombosit aktive edici faktör (PAF) üretimi bulunur. Lipopolisakkarit ayrıca sitokin üretimine de neden olmaktadır. Bakteriyel bileşenler, konak hücreler (monositler/makrofajlar, nötrofiller ve endotel hücreleri) tarafından tanındığında inflamatuar yanıt başlatılır. Lipid A, hedef hücre tarafından iyi tanınan gram-negatif bakteri molekülüdür [2].
LPS bağlayıcı proteinler (LBP), monositik hücrenin membran CD14'üne (mCD14) taşınan LPS/LBP komplekslerinin oluşumu (hücre aktivasyonundan monositik hücre sorumludur) veya kan ve sıvılarda bulunan çözünür CD14'ün transferi yoluyla LPS'nin toplanmasına neden olmaktadır [2].
LBP'nin rolü, fosfolipitlerin hareketini katalize ederek lipit dönüşümü sağlamaktır. LPS agregasyonu, mCD14 ve sCD14 ile gerçekleşir. Bu işlemden sonra CD14 aracılığıyla hücre aktivasyonu veya HDL aracılığıyla LPS'nin nötralizasyonu gerçekleşir. mCD14, LPS fonksiyonel reseptörü ve LPS süpürme işlevi görür. sCD14/LPS kompleksi, CD14-negatif hücrelere bağlanarak sitokin oluşumuna neden olur. Makrofajlar ayrıca LPS tanıma için başka hücre zarı bileşenlerine de sahiptir. Bunlar; çöpçü reseptör ve LPS alımından sorumlu integrin CD11/CD18 reseptörüdür. Bu bileşenler LPS'nin detoksifikasyonuna aracılık etmektedir. CD18 ayrıca LPS kaynaklı hücre aktivasyonuna neden olmaktadır. CD14 ve Toll-benzeri reseptörler (transmembran proteinler olarak TLR'ler), patojenlere reaksiyon vermek için örüntü tanıma reseptörleri olarak görev almaktadırlar [2].
Şekil 1: LPS, LBP ve CD14 arasındaki etkileşim. LPS ve LBP etkileşimini ayrıca sCD14 ve HDL+ hücre yanıtlarını gösterir [2]. Monositler, LPS/LPB kompleksi ile karşılaştıklarında aktif hale gelirler.
LPS/LBP kompleksi erken faz olarak CD14'e bağlanır. TLR ailesi proteinleri, sinyalin hücreye iletilmesi için önemlidir, özellikle TLR4, LPS sinyalinin membranda bulunan CD14'ten sitoplazmaya aktarılmasında çok önemli bir role sahiptir [2].
Makrofajlarda TLR aktivasyonunun fagositoz için 3 aşaması vardır:
1) fagozom oluşumunu başlaması,
2) fagozom olgunlaşması için katılımcıların bulunması,
3) tüm fagositik adımların gen transkripsiyonunu etkileyen transkripsiyonel yanıt oluşumu [5].
Adaptör molekülü MyD88 ve interlökin-1 (IL-1) reseptörü ile ilişkili kinaz (IRAK), TLR4 aracılığıyla sinyal iletimi gerçekleşmesi için gereklidir. IL1, IL-1, IL-1 reseptörü; I ve IL-1 reseptörü ilişkili aksesuar proteinlerinin (IL1R-AcP) katılımıyla bir kompleks oluşumunu başlatır. MyD88, bir tür Toll benzeri moleküldür, yani IRAK'ı komplekse ekleme yapmaktadır. IRAK kompleksten çıkarıldığında, nükleer faktör-nB veya cJun N-terminal kinaz/stresle aktive olan protein kinaz (JNK/SAP) yoluyla hücre aktivasyonuna neden olan tümör nekroz faktörü (TNF) reseptörü ile ilişkili faktör 6'ya (TRAF6) bağlanır [2]. Bu sistemler aktif inflamatuar genler yapar. TLR4, programlanmış ve nekrotik hücre ölümü için kullanılan kaspaz 11 proteazını aktive eder, ayrıca inflamatuar sitokinler interlökin (IL)-1β ve IL-18 salınımını arttırır [3]. LPS kaspaz 4,5 civarında olduğunda kaspaz 11 kompleks yapar ancak kaspaz 11 insanda bulunmadığı için kaspaz 4 ve 5 inflamatuar kaspaz olarak bulunmaktadır [3,4]. Bu kaspazlar makrofajlar yoluyla nekrotik hücre ölümüne neden olur [4].
Şekil 2: LPS tarafından uyarılmış makrofaj aktivasyonu hakkındaki güncel bakış [2]. LPS varlığı tarafından indüklenen makrofaj aktivasyonunu gösterir [2]. IRAK/MyD88/MD2//TRAF6/TLR4 kompleksi NF-kB'yi uyarır ve SAP/JNK nekrotik hücre ölümü için gen ekspresyonu ile sonuçlanır.
TLR'ler ROS oluşumunu başlatabildikleri için bakteri öldürmede önemli bir role sahiptir [5]. TLR4 de p38 MAPK'yı aktive ederken, p38 fosforlu fagositoz aktin polimerizasyonunun artışına bağlı olarak artar [5]. MAPK p38, LPS varlığı ve fiziksel kuvvetler ile aktif olabilir [7]. TLR2 ayrıca hem gram pozitif hem de negatif bakterilerin hücre duvarındaki çeşitli bileşikleri (örn; peptidoglikan, lipoprotein) tanır [6]. Makrofajlar, sitokin üreterek ortamın basıncı değiştiğinde de aktif olabilirler; ancak hücre içi mekanizma bilinmemektedir [7].
Özetlemek gerekirse makrofajlar, bakteri hücre saldırısında hayati bir role sahip doğuştan gelen bağışıklık sisteminin askerleridir. Bakterilerin fagositozundan sorumludurlar. Bu derlemede, makrofajlar tarafından gram negatif bakterilerin eliminasyon mekanizması açıklanmıştır.
Referanslar
1. Schiavano, G. F., Dominici, S., Rinaldi, L., Cangiano, A. M., Brandi, G., & Magnani, M. (2016). Modulation of stat-1 in human macrophages infected with different species of intracellular pathogenic bacteria. Journal of Immunology Research, 2016.
2. Heumann, D., & Roger, T. (2002). Initial responses to endotoxins and Gram-negative bacteria. Clinica Chimica Acta, 323(1-2), 59–72. doi:10.1016/s0009-8981(02)00180-8
3. Demon, D., Walle, L. V., & Lamkanfi, M. (2014). Sensing the enemy within: how macrophages detect intracellular Gram-negative bacteria. Trends in Biochemical Sciences, 39(12), 574-576.
4. Shi, J., Zhao, Y., Wang, Y., Gao, W., Ding, J., Li, P., ... & Shao, F. (2014). Inflammatory caspases are innate immune receptors for intracellular LPS. Nature, 514(7521), 187-192.
5. Ninkovic, J., Anand, V., Dutta, R., Zhang, L., Saluja, A., Meng, J., ... & Roy, S. (2016). Differential effects of gram-positive and gram-negative bacterial products on morphine induced inhibition of phagocytosis. Scientific Reports, 6(1), 1-17.
6. Karlsson, H., Larsson, P., Wold, A. E., & Rudin, A. (2004). Pattern of cytokine responses to gram‐positive and gram‐negative commensal bacteria is profoundly changed when monocytes differentiate into dendritic cells. Scandinavian Journal of Immunology, 59(6), 628-628.
7. Shiratsuchi, H., & Basson, M. D. (2005). Activation of p38 MAPKα by extracellular pressure mediates the stimulation of macrophage phagocytosis by pressure. American Journal of Physiology-Cell Physiology, 288(5), C1083-C1093.