Rollen von Aminoacyl-tRNA-Synthetasen bei Immunregulation und Immunerkrankungen

Wie oben erwähnt, wirken ARSs als Regulatoren und Signalmoleküle bei der Entwicklung von Immunzellen. Es ist nicht schwer vorstellbar, dass ARSs auch als pleiotrope Moleküle fungieren, die verschiedene biologische Prozesse bei Immunerkrankungen wie Autoimmunerkrankungen, Infektionskrankheiten und Tumorimmunität regulieren.

ARSs und Autoimmunerkrankungen

Es ist bekannt, dass ARSs häufig als spezifische Autoantigene an der Entwicklung von ASSD beteiligt sind. Diese Krankheit ist eine heterogene Gruppe von Autoimmunerkrankungen, die durch interstitielle Lungenerkrankung (ILD), Myositis, Mechanikerhände, Raynaud-Phänomen und Arthritis61 gekennzeichnet sind. Bisher gibt es hauptsächlich acht Anti-ARS-Autoantikörper, darunter Anti-Histidyl (Anti-Jo-1), Anti-Alanyl (Anti-PL-12), Anti-Threonyl (Anti-PL-7), Anti-Asparaginyl (Anti-KS), Anti-Glycyl (Anti-EJ), Anti-Phenylalanyl (Anti-Zo), Anti-Tyrosyl (Anti-Ha) und Anti-Isoleucyl (Anti-OJ) in ASSD62,63. Unter ihnen ist der Anti-Jo-1-Antikörper der häufigste. Eine frühere Studie von Stone et al.64 fanden heraus, dass die Spiegel des Anti-Jo-1-Autoantikörpers mäßig mit der Aktivität der idiopathischen entzündlichen Myopathie korrelierten. Auffallend war, dass die Anti-ARS-Autoantikörperspezifität mit den klinischen Merkmalen, dem Schweregrad der Erkrankung und sogar dem Überleben von ASSD-Patienten zusammenhing65,66,67,68. Hamaguchi et al.69 entdeckten, dass sich die Anti-ARS-Autoantikörper im Allgemeinen gegenseitig ausschlossen, was bedeutet, dass zwei oder mehr Antikörper selten bei demselben ASSD-Patienten auftraten. Noch wichtiger war, dass die klinische Diagnose von Anti-Jo-1, Anti-EJ und Anti-PL-7 meist Polymyositis oder Dermatomyositis war; Die klinische Diagnose von Anti-PL-12 war meist klinisch amyopathische Dermatomyositis oder ILD; und die klinische Diagnose von Anti-KS und Anti-OJ war meist ILD. In der Zwischenzeit würden Patienten mit Anti-PL-7-, Anti-EJ- und Anti-Jo-1-Autoantikörpern später eine Myositis entwickeln, wenn sie nur zum Zeitpunkt des Auftretens eine ILD zeigten. Im Vergleich zu Patienten ohne Anti-PL-7 entwickelten chinesische ASSD-Patienten mit Anti-PL-7 eher eine schnell fortschreitende ILD, und ihre Überlebensrate verringerte sich im Frühstadium der Langzeitbeobachtung70. Darüber hinaus zeigten die Forscher durch Analyse des Log-Rank-Tests und des proportionalen Cox-Hazards-Verhältnisses, dass Nicht-Jo-1-Autoantikörper-Patienten im Vergleich zu Jo-1-positiven Patienten ein schlechteres Überleben aufweisten71.

In der Tat hat die Forschung versucht, die Beziehung zwischen ARS-Autoantigenen und angeborenen und adaptiven Immunantworten zu definieren (Abb. 2). Howard et al. ergab, dass Histidyl-tRNA-Synthetase (HISR) und AsnRS als Chemoattraktoren für Leukozyten wirken könnten, während andere ARSs ohne antigene Aktivität keine ähnliche chemotaktische Aktivität aufweisten72. Insbesondere induzierten diese beiden Myositis-Autoantigene selektiv die Migration von Lymphozyten, aktivierten Monozyten und unreifen DCs. Darüber hinaus induzierte HisRS CC Chemokinrezeptor 5 (CCR5) -transfizierte Zellen zur Migration, während AsnRS CCR3-transfizierte Zellen zur Migration induzierte. Kürzlich wurde gezeigt, dass die einzigartige N-terminale Erweiterungsdomäne menschlicher AsnRS mit der CCR3-vermittelten chemotaktischen Aktivität assoziiert ist73. Fernandez et al.74 beobachtet, dass rekombinante HisRS provoziert Myositis bei Mäusen über multiple myeloische Differenzierung primary response gene 88 (MyD88)-abhängige TLRs. Das heißt, HisRS-stimulierte TLR2- und TLR4-Doppel-Knockout-Mäuse zeigten eine signifikante Verringerung der Muskelentzündung, während TLR2- und TLR4-Einzel-Knockout-Mäuse immer noch eine lymphozytäre Infiltration von Muskelgewebe zeigten. Natürliche Killerzellen (NK-Zellen) von ASSD-Patienten wiesen eine abnormale phänotypische Charakterisierung auf, wie z. B. eine erhöhte Expression des inhibitorischen Rezeptors Ig-like Transcript 2 (ILT2) und des differenzierungsbezogenen Rezeptors CD57 sowie eine verringerte Expression des aktivierenden Rezeptors NKp3075. Unterdessen war die Synthese von IFN-γ in den IL-12 plus IL-18-stimulierenden NK-Zellen signifikant beeinträchtigt, was darauf hindeutet, dass auch die Zellfunktion abnormal war. Bemerkenswerterweise waren die Infiltrationen von NK-Zellen in den Lungengeweben von ASSD-Patienten dicht und diffus. Diese Ergebnisse legen nahe, dass NK-Zellen zur Entwicklung und zum Fortschreiten von ASSD beitragen können.

Ascherman et al.76 unterstützte, dass sowohl PBMC-abgeleitete Antigen-präsentierende Zellen (APCs) als auch DCs die periphere Blut-T-Zellproliferation vermittelten, die durch menschliches Jo-1 in voller Länge ausgelöst wurde, aber nur DCs unterstützte proliferative Reaktionen auf das Jo-1-Fragment76. Tiefgreifender wurde festgestellt, dass diese T-Zellproliferation vom Haupthistokompatibilitätskomplex (MHC) der Klasse II abhängt, was auf das Vorhandensein von Jo-1-spezifischen T-Zellantworten bei Jo-1-positiven Polymyositis-Patienten hinweist. Durch die Analyse der frühen Antikörperantworten, die durch menschliches oder Maus-Jo-1 induziert wurden, fanden die Forscher heraus, dass die B-Zell- und T-Zell-Reaktionen auf die Jo-1-Immunisierung eine signifikante Spezies-Spezifität aufwies77. Bemerkenswert ist, dass murines Jo-1 autoreaktive B- und T-Zellen induzierte, die auf seine eigenen Epitope abzielten, und die Epitopausbreitung erfolgte gleichmäßig 8 Wochen nach der einzelnen Immunisierung, was darauf hindeutet, dass der Autoantikörper Jo-1 in der Lage war, eine anhaltende Immunantwort auszulösen. Wenn PBMCs und Bronchoalveolar Lavage Fluid (BALF) -Zellen von ASSD–Patienten mit HisRS oder einem von HisRS abgeleiteten Peptid (HisRS11-23) stimuliert wurden, wurde die Expression von CD40L in CD4 + T-Zellen aus den entsprechenden Kompartimenten hochreguliert78. Im Vergleich zu PBMCs zeigten BALF CD4 + T-Zellen nach Stimulation einen bemerkenswerten Th1-Phänotyp, wie die Produktion von mehr IFN-γ und IL-2, was auf das Vorhandensein von HisRS-spezifischen CD4 + T-Zellen im Blut und in der Lunge von Patienten mit ASSD hinweist.

Zusätzlich zu diesen möglichen Autoimmunreaktionen weist das Immunsystem von ASSD-Patienten auch andere Anomalien auf. Jüngste Studien ergaben, dass die Häufigkeit von CD19 + CD27 + -Gedächtnis-B−Zellen im peripheren Blut von ASSD-Patienten mit Anti-Jo-1 verringert war, während die Häufigkeit von CD19 + CD27- naiven B-Zellen erhöht war79. Darüber hinaus waren infiltrierende CD20 + CD27 + Gedächtnis-B-Zellen im Muskel von Anti-Jo-1-Patienten vorhanden, was darauf hinweist, dass die B-Zell-Homöostase bei ASSD beeinträchtigt war. Im Vergleich zu Jo-1-negativen Patienten zeigten Jo-1-positive Patienten ein Fc-Glycan-Profil mit weniger halbierten und afucosylierten Glykanen, das in Anti-Jo-1-Autoimmun-IgG80 weiter verstärkt wurde. Wichtig ist, dass die Fc-Glykan-Profilmerkmale mit bestimmten klinischen und diagnostischen Informationen der Patienten korreliert waren, was darauf hindeutet, dass die spezifischen IgG-Fc-Glykane für die Pathogenität von Anti-Jo-1-Autoantikörpern verantwortlich sein könnten.Interessanterweise waren ARSs auch bei anderen Autoimmunerkrankungen, einschließlich Multipler Sklerose, rheumatoider Arthritis, Immunthrombozytopenie und systemischem Lupus erythematodes, fehlreguliert81,82,83,84. Zum Beispiel Narasimhan et al.85 versuchten, die synoviale Genexpression vorherzusagen, indem sie die Eigenschaften der serummetabolomischen Profile von Patienten mit rheumatoider Arthritis analysierten. Sie beobachteten, dass der Serin / Glycin-Metabolismus und die Aminoacyl-tRNA-Biosynthese mit TNF-α / CD3E- und B / Plasma-Zellsignaturen zusammenhängen, was darauf hindeutet, dass diese Signalwege an der Regulation der Lymphozytenfunktionen in der rheumatoiden Synovia beteiligt sein könnten. Im Allgemeinen sind Indoleamin-2,3-Dioxygenase (IDO) und WRS für den Metabolismus bzw. die Verwertung von Tryptophan verantwortlich und spielen eine wichtige Rolle bei der Immunregulation86. Das Verhältnis von Serum-Kynurenin zu Tryptophan war bei Patienten mit Morbus Basedow im Vergleich zu gesunden Kontrollpersonen erhöht87. Weitere Studien ergaben, dass die IDO-Expression in B-Zellen und DCs höher war als in gesunden Kontrollen, jedoch nicht in CD4 + T-Zellen. Im Gegensatz dazu war die WRS-Expression in CD4 + T-Zellen höher als in gesunden Kontrollen, jedoch nicht in B-Zellen und DCs. Die hohen WRS-Spiegel in CD4 + T-Zellen beseitigten die IDO-vermittelte Immunsuppression von DCs, was mit der Pathogenese der Basedow-Krankheit zusammenhängen könnte.

ARSs und Infektionskrankheiten

ARSs bei Virusinfektionen

Interessanterweise sind ARSs zu wichtigen Akteuren bei einer Vielzahl von Virusinfektionen geworden (Abb. 3). Das erworbene Immunschwächesyndrom (AIDS) ist ein erworbener Defekt der zellulären Immunität im Zusammenhang mit einer Infektion durch das humane Immunschwächevirus (HIV). Obwohl diese Krankheit behandelt werden kann, ist sie nicht heilbar und hat große Auswirkungen auf die Gesundheit. Daher ist die Prävention einer HIV-Infektion sehr wichtig88. Während der HIV-1-Assemblierung wurde die Wirtszelle tRNALys,3 als Primer für die reverse Transkription durch eine spezifische Interaktion mit humanem KRS sowie viralem Gag-Polyprotein und GagPol-Vorläufer89,90,91,92 selektiv in das Virion verpackt (Abb. 3a). Auffallend ist, dass andere ARSs in HIV-1 nicht nachgewiesen wurden, was darauf hindeutet, dass KRS spezifisch in virale Partikel eingebaut werden könnte89,93. Kürzlich haben Duchon et al.94 beobachteten, dass eine HIV-1-Infektion die Freisetzung von KRS aus dem MSC auslöste, um einen freien Pool von KRS zu bilden, was auf die spezifische Phosphorylierung von S207 in KRS zurückzuführen sein könnte (Abb. 3a). Gleichzeitig fanden die Forscher heraus, dass das freigesetzte KRS teilweise in den Kern transportiert wurde. Interessanterweise könnte die Blockierung dieses Weges durch die Zugabe eines MAPK / extrazellulären signalregulierten Kinasen (MEK) -Inhibitors in HIV-1-produzierenden Zellen die Infektiosität von Nachkommen-Virionen verringern, was darauf hindeutet, dass HIV-1 eine dynamische MSC verwendet, um seine eigene Replikation zu verbessern.

Tatsächlich war der Einbau von tRNALys in das Virion eng mit seiner Wechselwirkung mit KRS95 verbunden. Wenn KRS in den infizierten Zellen spezifisch gehemmt wurde, zeigte das resultierende Virus eine reduzierte tRNALys-Verpackung und tRNALys,3 -Annealing zu viraler RNA. Insbesondere war der Einbau von tRNALys von der Fähigkeit von KRS abhängig, an tRNALys zu binden, und nicht von seiner Fähigkeit, tRNALys96 zu aminoacylieren. Darüber hinaus bindet KRS an ein tRNA-ähnliches Element, das sich in der Nähe der Primer-Bindungsstelle innerhalb der genomischen HIV-1-RNA befindet, wodurch ein effizientes Annealing von tRNALys,3 an virale RNA vor der reversen Transkription erleichtert97,98,99 (Abb. 3a). Alles in allem verdeutlichen diese Studien nachdrücklich, dass KRS eine wichtige Rolle bei der HIV-1-Assemblierung spielt.

Zusätzlich haben Clarke et al.100 verglichen die zelluläre Genexpression nach einer Gehirninfektion mit dem japanischen Enzephalitis-Virus (JEV) und dem West-Nil-Virus (WNV) (zwei Viren, die eine Erkrankung des Zentralnervensystems verursachten) und dem Reovirus (einem nicht verwandten neurotropen Virus) durch Microarray-Analyse. In Gehirnen, die mit allen drei Viren infiziert waren, wurden viele Gene hochreguliert, wie Gene, die mit Entzündungen, IFN-Signalen und dem Immunsystem zusammenhängen, während Gene, die mit Glutamat-Signalen zusammenhängen, herunterreguliert wurden. Bemerkenswerterweise wurden 14 ARSs in JEV- oder WNV-infizierten Gehirnen hochreguliert, während keines dieser ARSs nach einer Reovirusinfektion hochreguliert wurde, was darauf hindeutet, dass ARSs an der Entwicklung einer JEV- oder WNV-induzierten Erkrankung des Zentralnervensystems beteiligt sein könnte. Ein 32-Nukleotid-RNA-Motiv am 3′-Ende des Transmissible Gastroenteritis Coronavirus (TGEV) -Genoms interagierte mit Host-EPRS und Arginyl-tRNA-Synthetase (RRS)101. Da dieses RNA-Motiv eine hohe Homologie zu dem Gamma-Interferon-aktivierten Inhibitor der Translation (GAIT)-Element aufwies, konnte es an den GAIT-Komplex binden und die Translation einer chimären mRNA, die das RNA-Motiv umfasste, inhibieren. Zellen, die mit TGEV infiziert waren und Mutationen im 32-Nukleotid-RNA-Motiv aufwiesen, zeigten eine stärkere angeborene Immunantwort, die durch den melanomdifferenzierungsassoziierten Gen 5 (MDA5) -Weg vermittelt wurde, was darauf hindeutet, dass dieses RNA-Motiv möglicherweise die Wirtsimmunantwort während einer TGEV-Infektion hemmte. Kürzlich haben Lee et al.102 zeigte, dass eine Virusinfektion spezifisch eine Phosphorylierung von EPRS bei Ser990 induzierte, was anschließend zur Dissoziation von EPRS von der MSC führte (Abb. 3b). Die dissoziierten EPRS interagierten mit Poly (rC) -bindendem Protein 2 (PCBP2) und blockierten die PCBP2-vermittelte Ubiquitinierung des mitochondrialen antiviralen Signalproteins (MAVS), was wiederum die Virusreplikation hemmte. Konsequent, EPRS-haploide (Eprs +/−) Mäuse zeigten umfangreiche Immunschwäche, wie schwerer Virämie und verzögerte virale Clearance.

ARSs bei bakterieller Infektion

Proteomische Studien ergaben, dass 26 Proteine zwischen der akuten und der rekonvaleszenten Phase der Vibrio cholerae O1-Infektion signifikant differentiell exprimiert wurden103. Durch die Analyse der Genontologie (GO) zeigten die Forscher, dass diese differentiell exprimierten Proteine hauptsächlich mit angeborenen Immunantworten, Zytokinexpression und Apoptose zusammenhängen. Interessanterweise waren die Spiegel von S100A8 und WRS in den Lamina Propria-Zellen während des akuten Stadiums der Cholera höher, was darauf hindeutet, dass diese beiden Proteine eine wichtige Rolle bei der intestinalen Entzündungsreaktion im Frühstadium der Cholera spielen könnten. Durch die Analyse integrierter Transkriptom- und Metabolom-Datensätze haben Duffy et al.104 fanden heraus, dass das Fortschreiten der Tuberkulose mit einem immunometabolischen Profil verbunden war, einschließlich Tryptophan-, Cortisol-, Glutathion- und tRNA-Acylierungsnetzwerken. Nach einer Infektion durch verschiedene Krankheitserreger wie Salmonella typhimurium, Staphylococcus aureus und Respiratory Syncytial virus sezernierten Wirtsmonozyten schnell WRS105. Die sekretierten WRS führten zur Produktion von Zytokinen in menschlichen und murinen Makrophagen und erhöhten CD40-, CD80- und CD86-Spiegeln auf der Zelloberfläche, was darauf hindeutet, dass WRS Makrophagen aktivieren könnte. Weitere Studien ergaben, dass WRS die Chemokinproduktion und Phagozytose durch Bindung an den TLR4-myeloischen Differenzierungsfaktor 2 (MD2) -Komplex an Makrophagen induzierte.Darüber hinaus induzierten die von Escherichia coli produzierten Shiga-Toxine KRS in Makrophagen-ähnlichen differenzierten THP-1-Zellen, um sich von MSC zu dissoziieren und anschließend in den extrazellulären Raum zu sekretieren106. Im Gegenzug könnte das sekretierte KRS die Produktion von proinflammatorischen Zytokinen in THP-1-Zellen wie IL-8, IL-1β und TNF-α fördern. Im Unterschied zu Shiga-Toxinen hemmten die von Salmonella Enteritidis und Typhimurium produzierten Acetyltransferase-Toxine die Translation in Makrophagen durch Acetylierung von Aminoacyl-tRNAs, wodurch die Bildung von Salmonellen-Persistern während der Infektion induziert107. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Wirt-ARSs nicht nur an der HIV-Assembly teilnehmen, sondern auch vor bakteriellen und viralen Infektionen schützen, indem sie die Immunantwort modulieren, was darauf hinweist, dass ARSs eine wichtige Rolle bei Infektionskrankheiten spielen.

ARSs und Tumorimmunität

Auffallend ist, dass ARSs eng mit der Tumorimmunität verwandt sind (Abb. 4). Eierstockkrebszellen konnten als Reaktion auf Zellstress ThrRS absondern, und die ThrRS-Spiegel in Krebsproben von Patienten korrelierten mit dem fortschreitenden Krankheitsstadium und dem vaskulären endothelialen Wachstumsfaktor (VEGF)108. Es war von besonderem Interesse zu finden, dass ThrRS in infiltrierenden Leukozyten, einschließlich Neutrophilen und Plasmazellen, in Ovarialtumoren überexprimiert wurde. Diese Daten zeigten, dass ThrRS die Tumormikroumgebung durch Regulierung der Angiogenese und der Immunzellantworten manipulieren und dadurch die Tumorprogression beeinflussen können. Analog dazu könnte eine hohe Expression von KRS in Magenkrebszellen und deren infiltrierenden Entzündungszellen, wie CD4 + T-Zellen, Makrophagen / Monozyten und /oder Neutrophilen109 vorhanden sein. Unter ihnen waren Patienten mit hoher KRS-Expression in Krebszellen mit einem kürzeren Gesamtüberleben von Magenkrebs assoziiert, während Patienten mit hoher KRS-Expression in Entzündungszellen mit einem längeren Gesamtüberleben assoziiert waren. Darüber hinaus hatten Patienten mit hoher KRS-Expression in Krebszellen, begleitet von niedriger oder keiner KRS-Expression in Entzündungszellen, signifikant reduzierte Überlebensraten. Auffallend, Kim et al.110 untersuchten systematisch den Sekretionsmechanismus von KRS in kolorektalen Karzinomzellen (Abb. 4). In Tumorzellen wurde ein PDZ-bindendes Motiv am C-Terminus von KRS durch Spaltung des N-Terminus durch Caspase-8 freigelegt. Das exponierte PDZ-bindende Motiv bindet an Syntenin, was wiederum die KRS-Dissoziation von MSC und die anschließende Sekretion in den extrazellulären Raum in Form von Exosomen fördert. Die freigesetzten Exosomen könnten Makrophagenmigration und Expression verschiedener Zytokine induzieren. Interessanterweise hatten die Exosomen, die sehr niedriges KRS enthielten, eine stärkere immunstimulatorische Aktivität als nacktes KRS, und HSP90, ein immunstimulatorischer Faktor in Exosomen, korrelierte positiv mit KRS, was darauf hindeutet, dass KRS eine synergistische Rolle mit anderen in Exosomen vorhandenen Entzündungsfaktoren spielen könnte. Anthrazykline induzierten die Translokation von Calreticulin (CRT) an die Oberfläche von Krebszellen, was zum immunogenen Zelltod führt111. In: Kepp et al.112 fanden heraus, dass KRS auch an die Oberfläche der Krebszellen transloziert, die durch immunogene Todesinduktoren stimuliert und mit CRT in Lipidflößen co-lokalisiert wurden. Darüber hinaus hemmte die KRS-Depletion die CRT-Exposition, was darauf hindeutet, dass KRS an der Translokation von CRT beim immunogenen Krebszelltod beteiligt war.

Eine aktuelle Studie von Adam et al.113 fanden heraus, dass Krebszellen WRS auf zwei verschiedene Arten hochregulieren können, um sich an den durch den Tryptophanabbau verursachten Ernährungsstress anzupassen. Einerseits aktivierte die Tryptophan-Depletion, die durch eine hohe Expression von Indoleamin-2,3-Dioxygenase-1 (IDO1) und Tryptophan-2,3-Dioxygenase (TDO2) in LN229-Glioblastomzellen verursacht wurde, die nicht-derepressible-2 (GCN2) -Kinase der allgemeinen Kontrolle, was zu einer Phosphorylierung des eukaryotischen Translationsinitiationsfaktors 2α (eIF2a) und der Aktivierung des aktivierenden Transkriptionsfaktors 4 (ATF4 ), was die Expression weiter hochregulierte. Auf der anderen Seite induzierten tumorinfiltrierende T-Zellen gemeinsam die Expression von IDO1 und WRS bei Brustkrebs, Dickdarmkarzinom und B-Zell-Lymphom durch Sekretion von IFN-γ. Bei der Phosphorylierung des S207-Restes von KRS in Darmkrebszellen würde das KRS-Molekül von MSC dissoziieren und in den Kern translozieren114 (Abb. 4). Dann förderte das nukleare KRS die wachstumsstopp-spezifische 6 (GAS6) -Transkription durch MiTF und verursachte so die M2-Polarisation von Makrophagen. M2-Makrophagen sezernierten mehrere lösliche Faktoren, wie Fibroblastenwachstumsfaktor 2 (FGF2), wachstumsregulierter Onkogen-α (GROa) und Makrophagen-Kolonie-stimulierender Faktor, der nicht nur intrazelluläre Signale in Krebszellen aktivierte, sondern auch die Lamininsekretion durch krebsassoziierte Fibroblasten förderte, was zu Mikroumweltumbau und Krebsmetastasen führte. Darüber hinaus könnten Tumorzellen Fas, einen apoptotischen Liganden, freisetzen, der Makrophagen zur Sekretion von Glycyl-tRNA-Synthetase (GRS) 115 veranlasste. Das sekretierte GRS wiederum bindet an Cadherin-6 in Krebszellen, wodurch die Phosphatase-2A (PP2A) -Aktivität erhöht wird. Schließlich hemmte das aktivierte PP2A die ERK-Signalisierung durch Dephosphorylierung von ERK, wodurch die Tumorentstehung unterdrückt wurde. Insgesamt sind ARSs aktive Teilnehmer an der Tumorimmunität. Einerseits regulieren Tumorzellen die Funktionen von Immunzellen, indem sie ARSs absondern. Andererseits können tumorbezogene Immunzellen auch ARSs absondern und dadurch die Tumorentwicklung beeinflussen.