Come accennato in precedenza, ARSs funzionano come regolatori e molecole di segnalazione nello sviluppo delle cellule immunitarie. Non è difficile immaginare che l’ARSS funzioni anche come molecole pleiotropiche che regolano vari processi biologici nelle malattie immunitarie come malattie autoimmuni, malattie infettive e immunità tumorale.
ARSs e malattie autoimmuni
È ben noto che ARSS sono spesso coinvolti nello sviluppo di ASSD come autoantigeni specifici. Questa malattia è un gruppo eterogeneo di malattie autoimmuni caratterizzate da malattia polmonare interstiziale( ILD), miosite, mani del meccanico, fenomeno di Raynaud e artrite61. Fino ad ora, ci sono principalmente otto anti-ARS autoanticorpi 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), e anti-isoleucil (anti-GU) ASSD62,63. Tra questi, l’anticorpo anti-Jo-1 è il più comune. Un precedente studio di Stone et al.64 ha scoperto che i livelli di autoanticorpo anti-Jo-1 erano modestamente correlati con l’attività infiammatoria idiopatica della miopatia. Sorprendentemente, la specificità autoanticorpo anti-ARS era correlata alle caratteristiche cliniche, alla gravità della malattia e persino alla sopravvivenza dei pazienti ASSD65,66,67,68. Hamaguchi et al.69 ha scoperto che gli autoanticorpi anti-ARS erano generalmente mutuamente esclusivi, il che significa che due o più anticorpi raramente apparivano nello stesso paziente ASSD. Ancora più importante, hanno scoperto che la diagnosi clinica di anti-Jo-1, anti-EJ e anti-PL-7 era per lo più polimiosite o dermatomiosite; la diagnosi clinica di anti-PL-12 era per lo più dermatomiosite clinicamente amiopatica o ILD; e la diagnosi clinica di anti-KS e anti-OJ era per lo più ILD. Nel frattempo, i pazienti con autoanticorpi anti-PL-7, anti-EJ e anti-Jo-1 svilupperebbero più tardi la miosite se mostrassero solo ILD al momento dell’esordio. Rispetto ai pazienti senza anti-PL-7, i pazienti ASSD cinesi con anti-PL-7 avevano maggiori probabilità di sviluppare ILD rapidamente progressivo e il loro tasso di sopravvivenza diminuiva più rapidamente nella fase iniziale del follow-up a lungo termine70. Inoltre, analizzando il test log-rank e il rapporto di rischio proporzionale Cox, i ricercatori hanno dimostrato che i pazienti autoanticorpi non Jo-1 avevano una sopravvivenza peggiore rispetto ai pazienti Jo-1-positivi71.
In effetti, ricerche successive hanno cercato di definire la relazione tra ARS autoantigens e risposte immunitarie innate e adattive (Fig. 2). Howard et al. ha rivelato che istidil-tRNA sintetasi (HisRS) e AsnRS potrebbero agire come chemoattrattanti per i leucociti, mentre altri ARS senza attività antigenica non avevano attività chemiotattica simile72. In particolare, questi due miosite autoantigeni hanno indotto selettivamente la migrazione di linfociti, monociti attivati e DCS immaturi. Inoltre, HisRS ha indotto le cellule trasfette del recettore della chemochina CC 5 (CCR5) a migrare, mentre AsnRS ha indotto le cellule trasfette CCR3 a migrare. Recentemente, l’esclusivo dominio di estensione N-terminale degli ASNRS umani ha dimostrato di essere associato all’attività chemiotattica mediata da CCR373. Fernandez et al.74 ha osservato che gli HISRS ricombinanti hanno provocato la miosite nei topi attraverso il gene di risposta primaria di differenziazione mieloide multipla 88 (MyD88)-dipendente TLR. Cioè, i topi a doppio knockout TLR2 e TLR4 stimolati da HisRS hanno mostrato una significativa riduzione dell’infiammazione muscolare, mentre i topi a singolo knockout TLR2 e TLR4 mostravano ancora infiltrazione linfocitica del tessuto muscolare. Le cellule natural killer (NK) dei pazienti ASSD avevano una caratterizzazione fenotipica anormale, come una maggiore espressione del recettore inibitorio Ig-like transcript 2 (ILT2) e del recettore correlato alla differenziazione CD57, nonché una diminuzione dell’espressione del recettore attivante NKp3075. Nel frattempo, la sintesi di IFN-γ nelle cellule NK IL-12 più IL-18-stimolanti era significativamente compromessa, indicando che anche la funzione cellulare era anormale. In particolare, le infiltrazioni di cellule NK nei tessuti polmonari dei pazienti con ASSD erano dense e diffuse. Questi risultati suggeriscono che le cellule NK possono contribuire allo sviluppo e alla progressione dell’ASSD.
Ruoli di ARSS nello sviluppo di ASSD.
Ascherman et al.76 ha sostenuto che sia le cellule presentanti l’antigene derivate da PBMC (APC) che le DCS hanno mediato la proliferazione delle cellule T del sangue periferico innescata da Jo-1 umano a lunghezza intera, ma solo le DCs hanno supportato le risposte proliferative al frammento Jo-176. Più profondamente, questa proliferazione delle cellule T è risultata essere dipendente dalla classe II del complesso di istocompatibilità (MHC), indicando la presenza di risposte specifiche delle cellule T Jo-1 nei pazienti con polimiosite Jo-1-positiva. Analizzando le prime risposte anticorpali indotte dall’uomo o dal topo Jo-1, i ricercatori hanno scoperto che le risposte delle cellule B e delle cellule T all’immunizzazione Jo-1 hanno mostrato una specifica specie significativa77. Da notare, le cellule B e T autoreattive indotte da Jo-1 murine hanno mirato ai propri epitopi e la diffusione dell’epitopo si è verificata uniformemente 8 settimane dopo la singola immunizzazione, suggerendo che autoanticorpo Jo-1 è stato in grado di guidare una risposta immunitaria sostenuta. Quando le PBMC e le cellule del liquido di lavaggio broncoalveolare (BALF) dei pazienti ASSD sono state stimolate con HisRS o un peptide derivato da HisRS (HisRS11-23), l’espressione di CD40L nelle cellule T CD4+ dai compartimenti corrispondenti è stata upregulated78. Rispetto ai PBMC, le cellule T di BALF CD4 + hanno mostrato un notevole fenotipo Th1 dopo la stimolazione, come la produzione di più IFN-γ e IL-2, indicando la presenza di cellule T CD4+ specifiche di HisRS nel sangue e nei polmoni dei pazienti con ASSD.
Oltre a queste possibili risposte autoimmuni, il sistema immunitario dei pazienti ASSD mostra anche altre anomalie. Studi recenti hanno rilevato che la frequenza delle cellule B di memoria CD19+CD27+ nel sangue periferico di pazienti ASSD con anti-Jo-1 era diminuita, mentre la frequenza delle cellule B ingenue CD19+CD27 era aumentata79. Inoltre, infiltrando le cellule B della memoria CD20 + CD27 + erano presenti nel muscolo dei pazienti anti-Jo-1, indicando che l’omeostasi delle cellule B era compromessa nell’ASSD. Rispetto ai pazienti Jo-1-negativi, i pazienti Jo-1-positivi hanno mostrato un profilo Fc-glicano con glicani meno bisecati e afucosilati, che è stato ulteriormente migliorato in anti-Jo-1 autoimmune I80. È importante sottolineare che le caratteristiche del profilo Fc-glycan sono state correlate con alcune informazioni cliniche e diagnostiche dei pazienti, suggerendo che gli specifici IgG Fc-glycans potrebbero essere responsabili della patogenicità degli autoanticorpi anti-Jo-1.
È interessante notare che gli ARSS sono stati disregolati anche in altre malattie autoimmuni, tra cui sclerosi multipla, artrite reumatoide, trombocitopenia immunitaria e lupus eritematoso sistemico81, 82, 83,84. Ad esempio, Narasimhan et al.85 ha tentato di predire l’espressione genica sinoviale analizzando le caratteristiche dei profili metabolomici sierici dei pazienti con artrite reumatoide. Hanno osservato che il metabolismo della serina/glicina e la biosintesi dell’aminoacil-tRNA erano correlati alle firme di TNF-α/CD3E e B/plasmacellule, indicando che queste vie potrebbero essere coinvolte nella regolazione delle funzioni linfocitarie nella sinovia reumatoide. In generale, indoleamina-2,3-diossigenasi (IDO) e WRS sono responsabili del metabolismo e dell’utilizzo del triptofano, rispettivamente, e svolgono ruoli importanti nella regolazione immunitaria86. Il rapporto tra chinurenina sierica e triptofano è aumentato nei pazienti con malattia di Graves rispetto ai controlli sani87. Ulteriori studi hanno rilevato che l’espressione di IDO nelle cellule B e DCs era superiore a quella nei controlli sani, ma non nelle cellule T CD4+. Al contrario, l’espressione WRS nelle cellule T CD4 + era superiore a quella nei controlli sani, ma non nelle cellule B e nei DCS. Gli alti livelli di WRS nelle cellule T CD4 + hanno abolito l’immunosoppressione IDO-mediata da DCs, che potrebbe essere correlata alla patogenesi della malattia di Graves.
ARSs e malattie infettive
ARSs nell’infezione da virus
È interessante notare che gli ARSS sono diventati attori importanti in una varietà di infezioni virali (Fig. 3). La sindrome da immunodeficienza acquisita (AIDS) è un difetto acquisito dell’immunità cellulare associato all’infezione da virus dell’immunodeficienza umana (HIV). Sebbene questa malattia possa essere trattata, non ha cura e ha un impatto importante sulla salute. Pertanto, la prevenzione dell’infezione da HIV è molto importante88. Durante l’assemblaggio dell’HIV-1, la cellula ospite tRNALys, 3 come primer per la trascrizione inversa è stata selettivamente confezionata nel virione da una specifica interazione con KRS umani, così come la poliproteina Gag virale e i precursori gagpol89, 90,91, 92 (Fig. 3 bis). Sorprendentemente, altri ARS non sono stati rilevati nell’HIV-1,suggerendo che KRS potrebbe essere specificamente incorporato in particelle virali89, 93. Recentemente, Duchon et al.94 ha osservato che l’infezione da HIV-1 ha innescato il rilascio di KRS dal MSC per formare un pool libero di KRS, che potrebbe essere dovuto alla fosforilazione specifica di S207 in KRS (Fig. 3 bis). Allo stesso tempo, i ricercatori hanno scoperto che il KRS rilasciato è stato parzialmente trasportato al nucleo. È interessante notare che il blocco di questa via mediante l’aggiunta di un inibitore MAPK/extracellulare delle chinasi regolate dal segnale (MEK) nelle cellule produttrici di HIV-1 potrebbe ridurre l’infettività dei virioni della progenie, suggerendo che l’HIV-1 utilizzava un MSC dinamico per migliorare la propria replicazione.
un’infezione da HIV-1 innesca il rilascio di KRS dal MSC per formare un pool libero di KRS, e quindi il KRS rilasciato viene parzialmente trasportato al nucleo. Il blocco di questa via mediante l’aggiunta di inibitore MEK riduce l’infettività dei virioni della progenie. Inoltre, KRS si lega a un elemento simile al tRNA situato vicino al sito di legame del primer all’interno dell’RNA genomico HIV-1, facilitando così un’efficace ricottura di tRNALys,3 all’RNA virale prima della trascrizione inversa. Inoltre, la cellula ospite tRNALys interagisce con KRS umana, poliproteina Gag e precursore GagPol per formare un complesso di confezionamento durante l’assemblaggio dell’HIV-1. l’infezione virale di b induce specificamente la fosforilazione di EPRS a Ser990, che successivamente conduce alla dissociazione di EPRS dal MSC. L’EPRS dissociato interagisce con PCBP2 e blocca l’ubiquitinazione MAVS mediata da PCBP2, che a sua volta inibisce la replicazione virale.
In realtà, l’incorporazione di tRNALys nel virione era strettamente correlata alla sua interazione con KRS95. Quando KRS nelle cellule infette è stato specificamente inibito,il virus risultante ha mostrato ridotta confezione tRNALys e tRNALys, 3 ricottura a RNA virale. In particolare, l’incorporazione di tRNALys dipendeva dalla capacità di KRS di legarsi a tRNALys, piuttosto che dalla sua capacità di aminoacilare tRNALys96. Inoltre, KRS legato ad un elemento tRNA-like situato vicino al sito di primer-binding all’interno del RNA genomico HIV-1, facilitando in tal modo la ricottura efficiente di tRNALys,3 a RNA virale prima della trascrizione inversa97,98,99 (Fig. 3 bis). Tutti insieme, questi studi chiariscono fortemente che il KRS svolge un ruolo importante nell’assemblaggio dell’HIV-1.
Inoltre, Clarke et al.100 ha confrontato l’espressione genica cellulare dopo l’infezione cerebrale con il virus dell’encefalite giapponese (JEV) e il virus del Nilo occidentale (WNV) (due virus che hanno causato la malattia del sistema nervoso centrale) e reovirus (un virus neurotropico non correlato) mediante analisi microarray. Nei cervelli infettati da tutti e tre i virus, molti geni sono stati sovraregolati, come i geni legati all’infiammazione, alla segnalazione IFN e al sistema immunitario, mentre i geni legati alla segnalazione del glutammato sono stati downregolati. In particolare, 14 ARSS sono stati sovraregolati in cervelli infetti da JEV o WNV, mentre nessuno di questi ARSS è stato sovraregolato dopo l’infezione da reovirus, suggerendo che ARSs potrebbe essere coinvolto nello sviluppo della malattia del sistema nervoso centrale indotta da JEV o WNV. Un motivo di RNA a 32 nucleotidi all’estremità 3′ del genoma trasmissibile del coronavirus della gastroenterite (TGEV) è stato trovato per interagire con l’ospite EPRS e l’arginil-tRNA sintetasi (RRS)101. Poiché questo motivo di RNA aveva un’elevata omologia all’elemento inibitore della traduzione (ANDATURA) attivato dall’interferone gamma, poteva legarsi al complesso di ANDATURA e inibire la traduzione di un mRNA chimerico che comprendeva il motivo di RNA. Le cellule infettate con TGEV che ospitano mutazioni nel motivo RNA a 32 nucleotidi hanno mostrato una risposta immunitaria innata più potente mediata dalla via del gene 5 (MDA5) associato alla differenziazione del melanoma, indicando che questo motivo RNA potrebbe inibire la risposta immunitaria dell’ospite durante l’infezione da TGEV. Recentemente, Lee et al.102 ha dimostrato che l’infezione virale specificamente indotta fosforilazione di EPRS a Ser990, che successivamente ha portato alla dissociazione di EPRS dal MSC (Fig. 3 ter). L’EPRS dissociato interagiva con la poli (rC)-binding protein 2 (PCBP2) e bloccava l’ubiquitinazione della proteina di segnalazione antivirale mitocondriale mediata da PCBP2 (MAVS), che a sua volta inibiva la replicazione virale. Coerentemente, i topi EPRS− aploidi (Eprs+/ -) hanno mostrato un’ampia immunodeficienza, come viremia più grave e clearance virale ritardata.
ARSs nell’infezione batterica
Studi proteomici hanno rivelato che 26 proteine erano significativamente differenzialmente espresse tra le fasi acuta e convalescente dell’infezione da Vibrio cholerae o1103. Attraverso l’analisi dell’ontologia genica (GO), i ricercatori hanno dimostrato che queste proteine espresse in modo differenziato erano principalmente correlate alle risposte immunitarie innate, all’espressione delle citochine e all’apoptosi. È interessante notare che i livelli di S100A8 e WRS erano più alti nelle cellule lamina propria durante la fase acuta del colera, suggerendo che queste due proteine potrebbero svolgere un ruolo importante nella risposta infiammatoria intestinale nella fase iniziale del colera. Recentemente, analizzando i set di dati integrati del trascrittoma e del metaboloma, Duffy et al.104 ha scoperto che la progressione della tubercolosi era associata a un profilo immunometabolico, tra cui triptofano, cortisolo, glutatione e reti di acilazione del tRNA. Dopo l’infezione da diversi agenti patogeni, come Salmonella typhimurium, Staphylococcus aureus e virus respiratorio sinciziale, i monociti ospiti rapidamente secreti WRS105. I WRS secreti hanno provocato la produzione di citochine nei macrofagi umani e murini e livelli aumentati di CD40, CD80 e CD86 sulla superficie cellulare, indicando che i WRS potrebbero attivare i macrofagi. Ulteriori studi hanno scoperto che la WRS ha indotto la produzione di chemochina e la fagocitosi legandosi al complesso TLR4-myeloid differentiation factor 2 (MD2) sui macrofagi.
Inoltre, le tossine Shiga prodotte da Escherichia coli hanno indotto KRS in cellule THP-1 differenziate simili a macrofagi a dissociarsi da MSC e successivamente essere secrete nello spazio extracellulare 106. A sua volta, il KRS secreto potrebbe promuovere la produzione di citochine pro-infiammatorie nelle cellule THP-1, come IL-8, IL-1β e TNF-α. A differenza delle tossine Shiga, le tossine acetiltransferasi prodotte dalla Salmonella Enteritidis e dal Typhimurium hanno inibito la traduzione nei macrofagi mediante acetilazione di aminoacil-TRNA, inducendo così la formazione di Salmonella persister durante l’infezione107. In conclusione, l’ARSS ospite non solo partecipa all’assemblea dell’HIV, ma protegge anche dalle infezioni batteriche e virali modulando le risposte immunitarie, indicando che l’ARSS svolge un ruolo importante nelle malattie infettive.
ARSs e immunità tumorale
Sorprendentemente, ARSs sono strettamente correlati all’immunità tumorale (Fig. 4). Le cellule tumorali ovariche potrebbero secernere ThrRS in risposta allo stress cellulare e i livelli di ThrRS nei campioni di cancro dei pazienti erano correlati con lo stadio avanzato della malattia e il fattore di crescita endoteliale vascolare (VEGF)108. Era di particolare interesse scoprire che il ThrRS era sovra-espresso nell’infiltrazione dei leucociti, inclusi neutrofili e plasmacellule, all’interno dei tumori ovarici. Questi dati hanno dimostrato che i THRRS potrebbero manipolare il microambiente tumorale attraverso la regolazione dell’angiogenesi e delle risposte delle cellule immunitarie, influenzando così la progressione del tumore. Analogamente, un’elevata espressione di KRS potrebbe essere presente nelle cellule tumorali gastriche e nelle loro cellule infiammatorie infiltranti, come le cellule T CD4+, i macrofagi/monociti e/o i neutrofili109. Tra questi, i pazienti con elevata espressione di KRS nelle cellule tumorali erano associati a una sopravvivenza globale più breve del cancro gastrico, mentre i pazienti con elevata espressione di KRS nelle cellule infiammatorie erano associati a una sopravvivenza globale più lunga. Inoltre, i pazienti con elevata espressione di KRS nelle cellule tumorali accompagnati da bassa o nessuna espressione di KRS nelle cellule infiammatorie avevano ridotto significativamente i tassi di sopravvivenza. In modo vistoso, Kim et al.110 ha studiato sistematicamente il meccanismo di secrezione di KRS nelle cellule di carcinoma del colon-retto (Fig. 4). Nelle cellule tumorali, un motivo di legame PDZ al C-terminale di KRS è stato esposto spaccando l’N-terminale da caspasi-8. Il motivo di legame PDZ esposto legato alla syntenin, che a sua volta ha promosso la dissociazione KRS da MSC e la successiva secrezione nello spazio extracellulare sotto forma di esosomi. Gli esosomi rilasciati potrebbero indurre la migrazione dei macrofagi e l’espressione di varie citochine. È interessante notare che gli esosomi contenenti KRS molto bassi avevano una maggiore attività immunostimolante rispetto ai KRS nudi e HSP90, un fattore immunostimolante negli esosomi, era positivamente correlato con KRS, indicando che KRS potrebbe svolgere un ruolo sinergico con altri fattori infiammatori presenti negli esosomi. Le antracicline hanno indotto la traslocazione della calreticolina (CRT) sulla superficie delle cellule tumorali, portando alla morte cellulare immunogenica111. Kepp et al.112 trovato che KRS anche traslocato alla superficie delle cellule tumorali che stimolato da induttori di morte immunogenici e co-localizzato con CRT in zattere lipidiche. Inoltre, la deplezione di KRS ha inibito l’esposizione alla CRT, indicando che KRS era coinvolto nella traslocazione della CRT nella morte immunogenica delle cellule tumorali.
Nelle cellule tumorali, un motivo di legame PDZ al C-terminale di KRS è esposto dalla scissione dell’N-terminale da caspasi-8. Il motivo di legame PDZ esposto si lega alla syntenin, che a sua volta promuove la dissociazione KRS da MSC e la successiva secrezione nello spazio extracellulare sotto forma di esosomi. Gli esosomi rilasciati inducono la migrazione dei macrofagi e l’espressione di varie citochine. Inoltre, dopo la fosforilazione del residuo S207 di KRS nelle cellule tumorali del colon, il KRS si dissocia da MSC e si trasferisce nel nucleo. Quindi, il KRS nucleare promuove la trascrizione di GAS6 da parte del MiTF e quindi causa la polarizzazione M2 dei macrofagi. I macrofagi M2 secernono FGF2, GROa e M-CSF, che possono non solo attivare i segnali intracellulari nelle cellule tumorali, ma anche promuovere la secrezione di laminina da parte dei CAFs, portando a rimodellamento microambientale e metastasi del cancro.
Un recente studio di Adam et al.113 ha scoperto che le cellule tumorali potrebbero upregulate WR in due modi diversi per adattarsi allo stress nutrizionale causato dalla degradazione del triptofano. Da un lato, la deplezione di triptofano causato da alta espressione di indoleamine-2,3-diossigenasi-1 (IDO1) e triptofano-2,3-diossigenasi (TDO2) in LN229 cellule di glioblastoma attivato il controllo generale non derepressible-2 (GCN2) chinasi, con conseguente fosforilazione di eucariotica fattore di iniziazione traduzione 2α (eIF2a) e l’attivazione di attivare il fattore di trascrizione 4 (ATF4), il che ERA sovraregolati espressione. D’altra parte, le cellule T infiltranti il tumore hanno indotto congiuntamente l’espressione di IDO1 e WRS nel cancro al seno, nel carcinoma del colon e nel linfoma delle cellule B secernendo IFN-γ. Dopo la fosforilazione del residuo S207 di KRS nelle cellule tumorali del colon, la molecola di KRS si dissocierebbe da MSC e traslocerebbe nel nucleo114 (Fig. 4). Quindi, il KRS nucleare ha promosso la trascrizione 6 (GAS6) specifica per l’arresto della crescita da parte del MiTF e quindi ha causato la polarizzazione M2 dei macrofagi. I macrofagi M2 secernevano più fattori solubili, come il fattore di crescita dei fibroblasti 2 (FGF2), l’oncogene-α regolato dalla crescita (GROa) e il fattore stimolante le colonie dei macrofagi, che non solo attivavano i segnali intracellulari nelle cellule tumorali, ma promuovevano anche la secrezione di laminina da parte dei fibroblasti associati al cancro, portando a rimodellamento microambientale e metastasi del cancro. Inoltre, le cellule tumorali potrebbero rilasciare Fas, un ligando apoptotico, che ha indotto i macrofagi a secernere glicil-tRNA sintetasi (GRS)115. A sua volta, il GRS secreto legato a caderina-6 nelle cellule tumorali, migliorando così l’attività della fosfatasi 2A (PP2A). Infine, il PP2A attivato ha inibito la segnalazione ERK tramite la defosforilazione di ERK, sopprimendo così la tumorigenesi. Nel complesso, ARSS sono partecipanti attivi nell’immunità tumorale. Da un lato, le cellule tumorali regolano le funzioni delle cellule immunitarie secernendo ARSs. D’altra parte, le cellule immunitarie correlate al tumore possono anche secernere ARSs, influenzando così lo sviluppo del tumore.