Jak enzym ULP-4 reguluje obronę przeciwwirusową organizmu?

Naukowcy odkryli mechanizm molekularny, który wyjaśnia, dlaczego starsze osoby są bardziej podatne na infekcje wirusowe. Badania na modelu Caenorhabditis elegans wykazały, że enzym ULP-4 odgrywa kluczową rolę w aktywacji odpowiedzi przeciwwirusowej poprzez usuwanie modyfikacji SUMO z białka DRH-1. Proces ten, zwany deSUMOylacją, zabezpiecza DRH-1 przed rozkładem i umożliwia jego przemieszczenie do mitochondriów, gdzie uruchamiana jest wewnątrzkomórkowa odpowiedź na patogeny.

W organizmach pozbawionych aktywności ULP-4 zaobserwowano znaczący wzrost ilości wirusa oraz objawy chorobowe, takie jak obrzęk jelita. Co istotne, zwierzęta te nie były w stanie skutecznie usunąć wirusa z organizmu. Badanie ujawniło również, że SUMOylacja – modyfikacja białek przypominająca ubikwitynację – normalnie oznacza DRH-1 do rozkładu przez proteasom. Jednak podczas infekcji wirusowej ULP-4 usuwa tę modyfikację, stabilizując DRH-1 i umożliwiając jego translokację do mitochondriów.

Co to jest SUMOylacja i jak wpływa na odpowiedź immunologiczną?

SUMOylacja to szybki i odwracalny proces modyfikacji białek, który odgrywa złożoną rolę w replikacji wirusów i mechanizmach obronnych organizmu. W genomie C. elegans zidentyfikowano pojedynczą cząsteczkę SUMO (SMO-1) oraz cztery enzymy – izopeptydazy SUMO – które usuwają tę modyfikację: ULP-1, ULP-2, ULP-4 i ULP-5.

Eksperymenty wykazały, że spośród czterech izopeptydaz tylko utrata ULP-4 znacząco ograniczała uruchomienie odpowiedzi przeciwwirusowej po infekcji. Ekspresja markera pals-5, kanonicznego wskaźnika aktywacji tej odpowiedzi, była około czterokrotnie niższa u zwierząt pozbawionych ULP-4 w porównaniu z grupą kontrolną. Z drugiej strony, inaktywacja komponentów promujących dołączanie SUMO znacząco zwiększała ekspresję pals-5 po infekcji.

Badania potwierdziły, że ULP-4 jest niezbędny specyficznie dla odpowiedzi na infekcje wirusowe. Gdy testowano inne czynniki wywołujące odpowiedź obronną – takie jak blokada proteasomu czy przedłużony stres cieplny – okazało się, że ULP-4 nie jest wymagany w tych warunkach. To wskazuje na wyspecjalizowaną rolę tego enzymu w obronie antywirusowej.

Jak białko DRH-1 aktywuje obronę przeciwwirusową w komórkach?

Białko DRH-1, odpowiednik ssaczego receptora RIG-I, pełni fundamentalną rolę w wykrywaniu infekcji wirusowych i aktywacji odpowiedzi immunologicznej. Po infekcji wirusowej DRH-1 przemieszcza się z rozproszonej lokalizacji w cytoplazmie do mitochondriów, gdzie tworzy charakterystyczne skupiska.

Analiza lokalizacji DRH-1 z wykorzystaniem znaczników mitochondrialnych ujawniła, że po infekcji niezmodyfikowane białko DRH-1 kolokalizuje głównie z mitochondriami w zainfekowanych komórkach jelita. Co istotne, eksperymenty wykazały, że praktycznie nie ma nakładania się między cząsteczką SUMO a DRH-1 w miejscach tworzenia skupisk podczas infekcji.

U ssaków mitochondria funkcjonują jako platformy dla odpowiedzi immunologicznej na infekcje wirusami RNA, przy udziale białek MAVS na zewnętrznej błonie mitochondrialnej. Mimo że C. elegans nie posiada odpowiednika MAVS, translokacja DRH-1 do mitochondriów wskazuje na ewolucyjnie zachowaną rolę tych organelli jako węzłów sygnalizacyjnych w obronie antywirusowej. Badacze zidentyfikowali dwa miejsca SUMOylacji w DRH-1: lizyny K647 i K731. Mutacja tych reszt aminokwasowych skutkowała silną aktywacją odpowiedzi obronnej nawet bez infekcji oraz zwiększoną lokalizacją białka w pobliżu mitochondriów.

W jaki sposób ULP-4 zapobiega rozkładowi białka DRH-1?

Szczegółowe analizy molekularne wykazały, że w warunkach podstawowych utrata ULP-4 znacząco zmniejszała poziomy białka DRH-1 w całym organizmie, podczas gdy utrata SMO-1 prowadziła do wyższych poziomów DRH-1. Aby określić mechanizm tej regulacji, naukowcy inaktywowali proteasom lub autofagię w połączeniu z utratą ULP-4 lub SMO-1.

Utrata funkcji proteasomu zwiększała poziomy DRH-1 u zwierząt pozbawionych ULP-4, SMO-1 lub u normalnych. W przeciwieństwie do tego, utrata autofagii nie wpłynęła na poziomy DRH-1. Co istotne, jednoczesna inaktywacja SMO-1 i proteasomu nie wykazała efektu dodawczego, co sugeruje, że SUMOylacja promuje rozkład DRH-1 przez proteasom. Jednak w nieobecności ULP-4 inaktywacja proteasomu nie podniosła w pełni poziomów DRH-1, co wskazuje na dodatkowe mechanizmy regulacji.

Regulacja DRH-1 przez ULP-4 jest ściśle potranslacyjna – poziomy mRNA drh-1 pozostawały niezmienione po inaktywacji ULP-4. Analiza genetyczna potwierdziła, że ULP-4 i DRH-1 działają w ramach wspólnego szlaku. Jednoczesna utrata obu genów nie prowadziła do wyższych ilości wirusa niż utrata samego DRH-1, co wskazuje na wspólną funkcję antywirusową.

Dlaczego odpowiedź przeciwwirusowa słabnie wraz z wiekiem?

Jedno z najważniejszych odkryć dotyczy związku między starzeniem się a osłabieniem odpowiedzi przeciwwirusowej. Do czwartego dnia dorosłości aktywacja odpowiedzi obronnej po infekcji była poważnie upośledzona u normalnych zwierząt. Młode i starsze zwierzęta miały podobne ilości wirusa, co oznacza, że starsze organizmy nie były w stanie uruchomić pełnej odpowiedzi immunologicznej mimo obecności patogenu.

Analiza molekularna ujawniła mechanizm tego zjawiska. Ekspresja mRNA ULP-4 znacząco spadała do czwartego dnia dorosłości. Dodatkowo, poziomy białka DRH-1 zmniejszały się wraz z wiekiem. Konstytutywna ekspresja DRH-1 w jelicie nie była jednak wystarczająca do przeciwdziałania związanemu z wiekiem spadkowi odpowiedzi obronnej, co sugeruje, że problem leży w regulacji, a nie w samych poziomach białka.

Przełomowe wyniki uzyskano, gdy naukowcy testowali ekspresję nieSUMOylowanej formy DRH-1 w starszych zwierzętach. Starsze zwierzęta wyrażające jelitową formę DRH-1(2KR) aktywowały odpowiedź obronną około 50-krotnie po infekcji, co wskazuje na częściowe odzyskanie funkcji. Szczególnie interesujące było odkrycie, że ekspresja DRH-1(2KR) prowadziła do rosnącej ekspresji markerów odpowiedzi obronnej podczas starzenia nawet bez infekcji.

Jakie skutki zdrowotne niesie osłabiona obrona antywirusowa?

Badacze ocenili fizjologiczne konsekwencje utraty funkcji ULP-4 lub DRH-1, badając stan jelita. W nieobecności ULP-4 lub DRH-1 infekcja wirusowa prowadziła do objawów obrzęku jelita u znaczącej części zainfekowanych zwierząt. Obrzęk jelita jest wskaźnikiem zwiększonej patogenezy podczas infekcji.

Kolejne badania wykazały wpływ na eliminację wirusa. Normalne zwierzęta wykazywały znaczące zmniejszenie poziomów wirusa cztery dni po infekcji. W przeciwieństwie do tego, zwierzęta pozbawione ULP-4 lub DRH-1 nie tylko miały wyższe ilości wirusa, ale również nie zmniejszały znacząco jego poziomów w czasie. Te odkrycia potwierdzają, że ULP-4 i DRH-1 odgrywają kluczową rolę w aktywacji odpowiedzi obronnej oraz że utrata tej odpowiedzi skutkuje zwiększoną patogenezą i niemożnością usunięcia wirusa.

Co te odkrycia oznaczają dla przyszłości medycyny?

Badanie ujawnia mechanizm molekularny, który może tłumaczyć zwiększoną podatność osób starszych na infekcje wirusowe. Odkrycie, że związany z wiekiem spadek ULP-4 osłabia obronę antywirusową poprzez zaburzoną SUMOylację DRH-1, reprezentuje nowy poziom immunostarzenia – stopniowego pogarszania się układu odpornościowego.

Model C. elegans dostarcza możliwości określenia, jak odpowiedzi antywirusowe w komórkach zmieniają się z wiekiem – coś, co byłoby trudne do zbadania u bardziej złożonych organizmów. Pojawiające się dowody sugerują, że związane z wiekiem zaburzenie prawidłowej SUMOylacji białek przyczynia się do starzenia i chorób związanych z wiekiem u ludzi.

Zrozumienie tych mechanizmów może otworzyć drogę do opracowania nowych strategii terapeutycznych dla osób starszych. Potencjalne interwencje mogłyby skupić się na modulacji aktywności ULP-4 lub stabilizacji DRH-1, aby przywrócić skuteczną odpowiedź przeciwwirusową u starszych pacjentów.

Pytania i odpowiedzi