IL-5 - Corsi di Studio del Dipartimento di Biotecnologie Molecolari e

IL-5
Parte generale
Laurea specialistica in
Biotecnologie
Molecolari,corso di
Immunologia Molecolare
Francesco Mainini
L’il-5 ha un peso molecolare che va dai 45-60kDa ed è
formata da due monomeri. Il primo monomero (in rosso) è
composto da tre α-eliche (A,B,C) mentre il secondo è
composto solo dalla elica D. Tra A/B e C/D è presente una
piccola struttura di congiunzione a β-foglietti
Rif.[5]
Amminoacidi coinvolti
nel binding con il
recettore IL-5rα
Rif.[5]
Caratteristiche dell’IL-5
-Il gene dell’IL-5 è localizzato sul cromosoma 5
-E’ prodotta principalmente da Th2 attivati ma anche dalle mast cell e
dagli eosinofili
-Il suo recettore è un eterodimero composto da una subunità α
(espressa principalmente sulla membrana degli eosinofili) e da una
subunità β comune ai recettori dell’IL-3 e GM-CSF
-La trasduzione del segnale del recettore attiva numerose proteine
tra cui la famiglia di Src, JAK, STAT-1 e STAT-5
Funzioni dell’ IL-5
-L’IL-5 è importante nei processi biologici che riguardano sia
l’immunità innata che l’immunità adattativa
-L’IL-5 è principalmente implicata nello sviluppo, differenziazione,
reclutamento e attivazione degli eosinofili e in parte minore anche dei
basofili
-IL-5 promuove anche il differenziamento terminale delle cellule B
indirizzando la produzione di Ig inizialmente verso IgM e IgA e
successivamente verso IgG1
-Inoltre stimola le cellule CD34+ presenti nel midollo che esprimono il
IL-5Rα facendole cosi differenziare in eosinofili
Gli eosinofili
-Gli eosinofili sono cellule granulocitarie
multifunzionali che contengono e producono
numerose sostanze ad attività biologica.
-La loro presenza è spesso correlata con infezioni
di parassiti e manifestazioni allergiche
-Al loro interno sono presenti proteine basiche
altamente tossiche per gli elminti (specialmente
nello stato di larva)
-Esprimono IL-5Rα e mediano la citotossicità
cellulo-mediata anticorpo-dipendente (ADCC) in
quanto esprimono il recettore per il frammento
cristallizzabile delle IgE e IgG
Ruolo fisiologico dell’IL-5
-L’IL-5 è una citochina pro-infiammatoria prodotta da linfociti TH2
differenziati
-Promuove la migrazione verso il sito di infiammazione e l’attivazione degli
eosinofili (immunita innata)
-Gli eosinofili sono in grado, attraverso l’ADCC, di lisare eventuali parassiti
mediante il rilascio di sostanze contenute nelle vescicole al loro interno
-L’IL-5 è ha un ruolo nel differenziamento terminale dei linfociti B, i quali
tramite la produzione di IgA, IgM e successivamente di IgG1, partecipano
all’eliminazione del patogeno (immunità adattativa)
-L’inalazione di allergeni aumenta la produzione di IL-5 nelle vie respiratorie
incrementando cosi sia il numero di eosinofili nel circolo periferico, sia il
differenziamento di cellule staminali ematopoietiche verso gli eosinofili
Bibliografia
1: Paul M. O’Byrne, Cytokines or Their Antagonists for the Treatment of
Asthma, CHEST, 130;244-250,2006
2: Kay AB, Menzies-Gow A., Eosinophils and Interleukin-5, Am J Respir Crit
Care Med, 167(12):1586-7, 2003
3: Paul M. O’Byrne, Reassessing the Th2 cytokine basis of asthma, Trends
Pharmacol Sci., 25(5):244-8, 2004
4:Alan Daugherty, IL-5 links adaptive and natural immunity in reducing
atherosclerotic disease, J Clin Invest, 114(3):317-9, 2004
5:J.-L. Verscheldea, Analysis of three human interleukin 5 structures suggests
a possible receptor binding mechanism, FEBS Lett., 424(3):121-6 ,1998
Università degli Studi di Torino, Scuola per le Biotecnologie
Corso di Immunologia molecolare
Prof. Forni, prof. Cavallo
IL-5
RECETTORE, PATHWAYS
INTRACELLULARI E APPLICAZIONI
TERAPEUTICHE
Laura Lattanzio
Torino, 9 novembre 2006
LA MOLECOLA
Punti cruciali per il legame con il recettore
Martinez-Moczygemba M et al., J Allergy Clin
Immunol, 2003
Uings I and McKinnon M, Curr Pharm Des, 2002
IL RECETTORE
Catena α
specifica
per ogni
citochina
Catena β
comune
Geijsen N et al., Cytokine Growth Factor Rev,
2001
IL-5R appartiene alla superfamiglia
dei recettori di classe I delle
citochine
IL RECETTORE
CARATTERISTICHE:
• Il recettore (IL-5R) è espresso solo su cellule della linea basofila/eosinofila,
sui precursori delle cellule B (CD34+) nel midollo osseo e sulle cellule B mature
• E’un complesso eterodimerico che presenta una subunità α specifica che lega
l’IL-5 ad alta affinità ed una subunità β a bassa affinità per l’interleuchina,
necessaria per la trasduzione del segnale mediata dall’IL-5
• Sono necessarie entrambe le subunità per la trasduzione del segnale
STRUTTURA:
SUBUNITA’ α: - il gene per la catena α è sul cr.3 (6 nel topo)
CMR ( cytokine receptor module) di ~100 aa con
fibronectina di tipo III contenenti cisteine che
ponti disolfuro
WSXWS vicino alla membrana
- 1 dominio
domini di
formano
- 1 dominio
SUBUNITA’ β: - il gene per la catena β è sul cr.22
- porzione extracellulare formata da 2 CMR con cisteine che
formano ponti disolfuro
- molto più lunga, contiene i residui necessari per la
trasduzione del segnale intracellulare (proline, tirosine..)
IL RECETTORE
Carr PD et al., Cell, 2001
IL RECETTORE
Carr PD et al., Cell, 104: 291, 2001
SPLICING DEL RECETTORE (βc)
Tavernier J et al., Blood, 2000
FORMA
TRANSMEMBRANA:
FORMA SOLUBILE
DI TIPO I:
FORMA SOLUBILE
DI TIPO II:
Esclusione esone 11,
inclusione esoni 12, 13
, 14
Include e termina
all’esone 11
Generata in assenza
di splicing
ATTIVAZIONE DEL RECETTORE
Per
l’attivazione
del recettore è
necessaria la
dimerizzazione,
che porta allla
transfosforilazione delle
tirosine della
βc
Guthridge M et al., Stem Cells, 1998
Martinez-Moczygemba
Carr
PD et al., Cell, 2001M et al., J Allergy Clin
Immunol, 2003
In realtà studi recenti hanno
dimostrato che è sufficiente
un monomero per avere
l’attivazione del recettore e
del pathway intracellulare,
anche se il legame con l’IL-5
avviene con un’affinità molto
inferiore
PATHWAYS INTRACELLULARI
• I tre principali
pathway
attivati dall’IL5 sono:
2. JAK/STAT
3. MAPK
4. PI3K
• Sono molto
importanti
anche i
meccanismi di
terminazione
del segnale
Martinez-Moczygemba M et al., J Allergy Clin Immunol, 2003
STRATEGIE PER INIBIRE L’ATTIVITA’ DELL’IL-5
PREVENIRE l’ATTIVAZIONE
IMMUNITARIA: immunomodulatori, citochine
anti-infiammatorie
INIBIRE L’ESPRESSIONE DELL’IL-5:
oligonucleotidi antisenso, inibitori dei fattori
di trascrizione
SEQUESTRO DELLE CITOCHINE
CIRCOLANTI: recettori solubili, anticorpi
neutralizzanti
ANTAGONISMO DEL LEGAME DEL
RECETTORE: piccole molecole, peptidi,
proteine mutanti
BLOCCO DEL SIGNALING
INTRACELLULARE: inibitori del signaling e
bloccanti della catena β
Uings I and McKinnon M, Curr Pharm Des, 2002
IL-5 e PATOLOGIE: ASMA
ASMA: disordine infiammatorio cronico della mucosa delle vie respiratorie. La patologia si
presenta in 2 stadi:
2. Sensitizzazione all’allergene, con sviluppo di TH2 antigene-specifici
3. L’infiammazione viene estesa alle vie respiratorie più basse, dove provoca alterazioni
della struttura delle mucose e iperrisposta delle vie respiratorie.
Durante l’infiammazione si ha un aumento notevole di diversi tipi di citochine e fattori di
crescita
IL-5 è coinvolta nella patologia dell’asma in
quanto regola proliferazione,
differenziamento, maturazione e
attivazione degli eosinofili, cellule chiave
nella patogenesi delle infiammazioni
allergiche.
Kips JC, Eur Respir J, 2001
•
Nelle vie respiratorie si ha un aumento
dell’espressione dell’mRNA dell’IL-5
•
Topi che overesprimono IL-5: aumenta il
numero di eosinofili e di cellule CD34+
•
Topi KO per IL-5: diminusce il numero di
eosinofili circolanti e la risposta eosinofila
ad infezioni e infiammazioni
TH2, IL-5 e ASMA
Hamelmann E and
Gelfand EW,
Immunol Rev, 2001
Nella patogenesi dell’asma si verigica uno squilibrio (aumento) della risposta mediata dai TH2
che producono elelvati livelli di diversi tipi di citochine:
- IL-4 stimola la produzione di IgE che legano i R sui mastociti che secernono IL-5. Induce il
differenziamento delle cellule TH naive in TH2 aumentando ulteriormente il rilascio di
citochine
- IL-5 induce il differenziamento e la crescita degli eosinofili ( e dei precursori degli
eosinofili nel midollo), stimolando il rilascio di sostanze che intervengono nella risposta
infiammatoria
APPLICAZIONI TERAPEUTICHE
Queste citochine sono ottimi target utilizzabili nelle terapie contro l’asma e le
patologie polmonari croniche.
Tra le terapie già in atto ci sono:
• Anticorpi bloccanti le citochine specifiche (es:
mepolizumab, Fool-Page PT et al., 2003- O’Byrne PM et
al., 2006)
• Antagonisti dei recettori (es: isotiazolone, Roche)
• Piccole molecole che inibiscono il recettore
• Inibitori della sintesi delle citochine
• Inibitori dei pathway intracellulari(es: Dynamin,
Gorska MM et al.,2006)
• Uso di citochine anti-infiammatorie che down-regolano
l’infiammazione allergica (IL-10, IL-12..)
Questi farmaci
presentano problemi
soprattutto per il
metodo di
somministrazione e il
delivery, ostacoli non
indifferenti in terapie
croniche quali quelle per
l’asma. Sono in corso
diversi studi per
superare questi fattori
limitanti e migliorare le
terapie a favore dei
pazienti.
Negli ultimi anni la terapia più utilizzata è stata quella basata sull’uso di anticorpi
che bloccano le diverse interleuchine. Più recentemente si stanno sviluppando
farmaci antagonisti in grado di bloccare i recettori specifici di ogni citochina
UN ESEMPIO: YM-90709
YM-90709 inibisce il legame tra IL-5 e IL-5R e influenza gli effetti dell’IL-5
sulla sopravvivenza cellulare e sul signaling intracellulare
Studio sugli effetti del farmaco antagonista su:
4. Legame IL-5 e recettore
5. Sopravvivenza degli eosinofili
6. Pathways intracellulari
Morokata T et al., Int Immunopharmacol,
2002
YM-90709: effetti sul legame IL-5/IL-5R
Stimolando con IL-5 e
somministrando YM90709 a dosi
crescenti si ha una
diminuzione del
numero di molecole di
IL-5 che si lega al
recettore
Non trattate
Trattate con YM-90709
Morokata T et al., Int Immunopharmacol, 2002
YM-90709: effetti sulla sopravvivenza degli
eosinofili
Non trattate
Stimolando con IL-5 e
somministrando YM90709 a dosi
crescenti viene inibita
la sopravvivenza degli
eosinofili
Trattate con YM90709
Morokata T et al., Int Immunopharmacol, 2002
YM-90709: effetti sui pathways
intracellulari
Stimolando con IL-5 e
somministrando YM90709 a dosi
crescenti si ha una
diminuzione della
fosforilazione della
JAK2
Morokata T et al., Int Immunopharmacol, 2002
QUINDI: l’antagonista blocca l’interazione tra l’IL-5 e il suo
recettore e di conseguenza le funzioni dell’interleuchina sugli
eosinofili, modulando la risposta infiammatoria in vivo. Sono in
corso trial clinici per verificare l’uso di questo farmaco nelle
terapie delle infiammazioni eosinofiliche, quali l’asma
BIBLIOGRAFIA
• Martinez-Moczygemba M and Houston DP, Biology of common β receptorsignaling cytokines: IL-3, IL-5, and GM-CSF, J Allergy Clin Immunol, 112 : 653,
2003
• Uings I and McKinnon M, Development of IL-5 Receptor antagonists, Curr Pharm
Des, 8 : 1837, 2002
• Geijsen N et al., Specificity in cytokine signal transduction: lessons learned from
the IL-3/IL-5/GM-CSF receptor family, Cytokine and Growth Factor Rev, 12 : 19,
2001
• Carr PD et al., Structure of the complete extracellular domain of the common β
subunit of the human GM-CSF, IL-3 and IL-5 receptors reveals a novel dimer
configuration, Cell, 104 : 291, 2001
• Tavernier J et al., Interleukin 5 regulates the isoform expression of its own
receptor a-subunit, Blood, 95 : 1600, 2000
• Guthridge M et al., Mechanism of the activation of the GM-CSF, IL-3 and IL-5
family of receptors, Stem Cells, 16 : 301, 1998