IL-4

Corso di Laurea Specialistica in
Biotecnologie Biomolecolari
ANTONELLA GROSSO
Corso di Immunologia
Molecolare
ILAN RIESS
LA MOLECOLA
Interleukin 4
From Wikipedia, the free encyclopedia
Interleukin-4, abbreviated IL-4, is a Cytokine that stimulates the
proliferation of activated B-cells, T-cells, and differentiation of CD4+ Tcells into Th2 cells, among other effects. It is a key regulator in humoral
and adaptive immunity. IL-4 induces B-cell class switching to IgE, and
up-regulates MHC class II production. It was co-discovered by Maureen
Howard and William Paul and by Dr. Ellen Vitetta and her research
group in 1982.
http://en.wikipedia.org/wiki/Interleukin_4
Interleukin 13
From Wikipedia, the free encyclopedia
Interleukin 13 (IL-13) is a cytokine secreted by many cell types, but
especially T helper type 2 (Th2) cells, that is an important mediator of
allergic inflammation and disease. In addition to effects on immune
cells that are similar to those of the closely related cytokine IL-4, IL13 is more importantly implicated as a central mediator of the
physiologic changes induced by allergic inflammation in many
tissues...
http://en.wikipedia.org/wiki/Interleukin_13
IL-4 La Molecola
Famiglia di citochine
a 4 domini α-elica
Sorgente: Linfociti T
CD4+ appartenenti ai
TH2
Anche da mastociti e
basofili
http://cmbi.bjmu.edu.cn/cmbidata/cgf/CGF_Database/cytweb/cyt_strucs/il4.gif
Grotzinger J., Biochim Biophys Acta, 1592: 215, 2002
T.D. Mueller et al., Biochim. Biophys. Acta 1592 (2002) 237
IL-13 La Molecola
Famiglia di citochine
a 4 domini α-elica
Sorgente: Linfociti T
CD4+ appartenenti ai
TH2
Anche da cellule
epiteliali
http://bionmr-c1.unl.edu
Grotzinger J., Biochim Biophys Acta, 1592: 215, 2002
Classificazione sulla base di Subunità
Recettoriali Comuni
IL-13
IL-13Rα2
IL-13Rα
IL-4Rα
Grotzinger J., Biochim Biophys Acta, 1592: 215, 2002
IL-4 Sintesi della molecola
EARLY EXPRESSION !!!
• Naive T cells (via TCR)
• TH2 (via IL-4)
• NOTCH
www.cartoonstock.com/lowres/pha0110l.jpg
LA VIA DI NOTCH
Ansel K. A., et.al.,
Annu. Rev.
Immunol,
IL-13 Sintesi della molecola
•
TH2 CD4+ (after activation) – high
Naive T cells e CD8+ T cells – medium
Naive CD45RA+ T cells e TH1 cells – low
•
Attivazione lunga nel tempo
•
Si trova anche (low): B-cell lymphomas,
keratinocytes, mast cells, and basophils.
•
•
IL-13 vs IL-4
IL-13
IL-4
IL-13
IL-4
http://bionmr-c1.unl.edu
http://www.sigmaaldrich.com/Area_of_Interest/Life_Science/Cell_Signaling/Key_Resources/Pathway_Slides__Charts/IL13_and_IL4_receptor_combinations_and_binding.html
IL-4Rα CHR
T.D. Mueller et al. / Biochim. Biophy. Acta 1592 (2002) 237
Associazione IL-4/IL-4R
T.D. Mueller et al. / Biochim. Biophy. Acta 1592 (2002) 237
I RECETTORI
IL4 e IL 13 Pathway
I recettori
I recettori: gli eterodimeri
Tipo I: complesso tra IL4-Rα e γC (cell. Ematopoietiche).
Tipo II: complesso tra IL4-Rα e IL13Rα1, e contatta sia IL4 che IL13 (cell. non
ematopoietiche).
IL13R Decoy: IL13Rα2 non possiede i box necessari a legare le chinasi.
I pathway: Recettore Tipo I
Il legame dell’IL4 con il recettore di tipo I causa una cascata di attivazione di
proteine e chinasi specifiche.
• Appena legata l’IL4 alla catena IL4-Rα, si ha eterodimerizzazione con la catena γC e
reclutamento delle tirosin chinasi JAK1 (che si lega al box-1 su IL4-Rα) e JAK3
(che si lega al box-1 su γC). Esse si tranfosforilano e JAK1 fosforila il recettore (catena
IL4-Rα) in alcune zone specifiche della parte citoplasmatica, attivando diverse vie:
STAT-6 che porta all’attivazione della trascrizione, differenziazione Th2 e
sopravvivenza cellulare;
IRS-1/IRS-2 che porta alla crescita cellulare e all’inibizione dell’apoptosi(PI3K),
alla proliferazione cellulare (Ras);
Shc/SHIP (legame al sito ITIM) che porta alla proliferazione cellulare e
all’inibizione dell’apoptosi.
I pathway: Recettore di Tipo I
I pathway: Recettore di Tipo II
Il legame dell’IL4 o IL13 a questo tipo di recettore attiva in parte la stessa
cascata che abbiamo visto per il recettore di tipo I (IRS-1/IRS2-JAK1PI3K-STAT-6).
La presenza del recettore IL13Rα1 attiva invece di JAK3 le tirosin chinasi
TYK2 e JAK2.
I pathway: Recettore decoy
Il legame del IL13 con questo tipo di recettore formato dalla proteina IL13Ra2
non provoca nessun tipo di trasduzione all’interno della cellula.
Questo è dovuto alla mancanza di box di legame con le chinasi JAK, che non
attivano così le vie considerate. Si pensa però che funzioni da modulatore della
risposta all’IL13.
Affinità (Kd)
IL4-Rα: 100 pmol/L (alta affinità)
IL13Rα1: 2-10 nmol/L (bassa affinità)
IL13Rα2: 250 pmol/L (alta affinità)
I pathway: Regolazione e Modulazione
Le vie finora considerate possono essere regolate negativamente da diverse tipi
di proteine:
• SOCS-1/SOCS-2/SOCS-3: inibizione della via JAK/STAT
• SHP-1:defosforilazione di STAT-6 in assenza di continua stimolazione
• BCL-6: soppressione dell’espressione cellulare tramite legame con STAT-6
Altre vie ancora poco conosciute sono:
• PIAS: lega i dimeri di STAT prevenendo la traslocazione nel nucleo;
• Fes: se overespressa blocca l’associazione tra le proteine IRS e la PI3K.
I pathway: la famiglia SOCS
I pathway: la famiglia SOCS
I pathway: Regolazione STAT e JAK
Inibizione di JAK da parte di
SOCS
Inibizione di STAT attivata e
assenza del suo legame al
DNA. Non sono ancora state
trovate proteine della famiglia
PIAS specifiche per STAT-6
Inibizione di STAT e JAK da
parte
di
SHP
per
defosforilazione.
L’ATTIVITA’ BIOLOGICA
Target dell’ IL4 e IL13
IL4 in cellule ematopoietiche e non:
• Differenziazione delle cellule T vergini stimolate dall’antigene in cellule
producenti IL4, IL5, IL10, IL13 (es. TH2);
• Soppressione delle cellule T CD4+ nella produzione di IFNγ;
• Regolazione dell’espressione del suo stesso recettore;
• Controllo della specificità dello switch isotipico delle classi di Ig (es. switch nelle
cellule B delle IgE e IgG4);
• Aumento dell’espressione delle molecole MHC di classe II e aumento
dell’espressione del CD23;
• Azione co-mitogena nella crescita delle cellule B (proliferazione), azione
antiapoptotica;
• Induzione dell’espressione delle VCAM-1, molecole di adesione vascolari;
• Reclutamento delle cellule T e eosinofili al sito di infiammazione;
• Stimolazione di chemochine e muco in cellule epiteliali.
Target dell’ IL4 e IL13
IL13 in cellule ematopoietiche e non:
• Funzione pleiotropica dell’IL4: effetti simili a questa citochina sia nelle cellule B
(proliferazione, switch) sia nell’aumento di CD23 e Molecole MHC di classe II;
• Funzione fondamentale nell’attivazione della sintesi delle IgE e ruolo primario
nelle allergie e asma;
• In monociti e macrofagi
aumento dell’espressione di
integrine importanti nell’adesione, come CD11 e CD18 e
inibizione della produzione di
mediatori proinfiammatori come prostaglandine;
• Proliferazione in eosinofili;
• Nelle cellule non ematopoietiche ha effetti simili all’IL4 per
l’induzione di VCAM-1, e per
l’espressione di chemochine.
Target dell’ IL4 e IL13
IL4
• Differenziazione
delle cellule T
vergini stimolate
dall’antigene in
cellule producenti
IL4, IL5, IL10, IL13
(es. TH2)
• Cellule B (proliferazione,
switch isotipico)
• Cellule T CD4
+
• MHC di classe II
• Espressione CD23
• VCAM-1 nelle cellule non
ematopoietiche
• Eosinofili (proliferazione)
IL13
•
Funzione
fondamentale
nell’attivazione della
sintesi delle IgE e
ruolo primario nelle
allergie
e
asma,
attiva-zione
chemochine
e
ipersecrezione
del
muco
Target dell’ IL4
Differenziazione delle cellule T vergini stimolate dall’antigene in cellule producenti IL4, IL5,
IL10, IL13 (es. TH2)
Cellule Th1: stimolazione con IFNγ, secrezione di IFNγ;
Cellule Th2: stimolazione con IL4, secrezione di IL4.
Non si conosce ancora la provenienza dell’IL4 stimolatrice, si pensa che provenga dalla
stessa cellula stimolata con l’antigene e che la trasformazione avvenga per un delicato
equilibrio di produzione e stimolazione autocrina di IFNγ e IL4.
Naive T cell
Antigen
Differentiated Th2 cell
Antigen
NFAT
STAT5
STAT6
NFAT
IL2R
IFNγ IL4
IL2
IL2
NFAT
NFAT
GATA3
IL4R
IL4
Ansel KM, et al.. Annu Rev Immunol.
IL4
Target dell’ IL13
Attivazione della sintesi delle IgE e ruolo primario nelle allergie e asma, attivazione
chemochine e ipersecrezione del muco
BIOTECH
Inibitori delle Citochine
LIVELLO
LIGANDO-RECETTORE
Overdose di citochine
Anticorpi inibitori
Receptor domain solubili
Antagonisti
Small molecular mimetics
LIVELLO
PATHWAY
K.O.
miRNA
Inhibitori pathway
IL-4 / IL-13 e ASMA
IL-4 e ASMA
IL-4 è coinvolta nel reclutamento degli eosinofili alle vie
respiratorie, e si trova nelle vicinanze dei siti in cui ci sono
risposte allergiche.
Nel modello murino, anticorpi bloccanti IL-4 inibiscono l’iperrisposta delle vie respiratorie, della goblet cell metaplasia e della
eosinofilia polmonare.
Uso di IL-4R solubile (not valid on milder asthma).
Uso di IL-4 mutato anti-IL-4Rα/IL-13α1 (short duration).
Uso di inibitori per STAT-6 (delivery problems).
Uso di SOCS.
IL-13 e ASMA
IL-13 è coinvolta in iper-responsitività, iper-secrezione di mucco
e fibrosis delle vie respiratorie.
L’iper-responsitività è osservata solo in assenza di STAT-6.
I K.O. di IL-13 (no IL-4) prevengono questi effetti.
Uso del IL-13Rα2 solubile (humanized).
Uso di anticorpi anti-IL-13.
GRAZIE
Bibliografia ‘Recettori e Attività Biologica’
• Kelly-Welch A, et al, Interleukin-4 (IL-4) pathway. Sci STKE. 293, 2005
• Kelly-Welch A, et al, Interleukin-13 (IL-13) pathway. Sci STKE. 293, 2005
• Kelly-Welch AE, et al, Interleukin-4 and interleukin-13 signaling connections maps. Science,
300:1527, 2003
• G. K. Hershey, IL-13 receptors and signaling pathways: An evolving web. J. Allergy Clin.
Immunol. 111:677, 2003
• Jiang H., et al, IL-4/IL-13 signaling beyond JAK/STAT. J Allergy Clin Immunol, 105:1063,
2000
• Hanada T, et al, Regulation of cytokine signaling and inflammation. Cytokine Growth Factor
Rev, 13:413, 2002
• Nelms K, et al, The IL-4 receptor: signaling mechanisms and biologic functions. Annu Rev
Immunol, 17:701, 1999
• Jan E. de Vries, The role of IL-13 and its receptor in allergy and inflammatory. J Allergy Clin
Immunol, 102:165, 1998
• Ansel KM, et al, Regulation of Th2 differentiation and Il4 locus accessibility. Annu Rev
Immunol, 24:607, 2006
Bibliografia ‘Molecola e Biotech’
•
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•
http://en.wikipedia.org/wiki/Interleukin_4
http://en.wikipedia.org/wiki/Interleukin_13
http://cmbi.bjmu.edu.cn/cmbidata/cgf/CGF_Database/cytweb/cyt_strucs/il4.gif
http://bionmr-c1.unl.edu
www.cartoonstock.com/lowres/pha0110l.jpg
http://www.sigmaaldrich.com/Area_of_Interest/Life_Science/Cell_Signaling/Key_Resources/P
T.D. Mueller et al., Structure, binding, and antagonists in the IL-4/IL-13 receptor system,
Biochim. Biophys. Acta 1592:237, 2002
Grotzinger J. Molecular mechanisms of cytokine receptor activation, Biochim Biophys Acta,
1592:215, 2002
Ansel K. A., et.al., Regulation of Th2 Differentiation and Il4 Locus Accessibility, Annu.
Rev. Immunol, 24:607, 2006
O’Garra et al., The molecular basis of T helper 1 and T helper 2 cell differentiation. Trends
Cell Biol, 10:542, 2000
Yamagata T. et al, Agents against cytokine synthesis or receptors. Eur J Pharmacol, 533:289,
2006
Jan E. de Vries, The role of IL-13 and its receptor in allergy and inflammatory. J Allergy
Clin Immunol, 102:165, 1998