IL-5 - Scuola Universitaria Interfacoltà per le Biotecnologie ...

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IL-5 - Scuola Universitaria Interfacoltà per le Biotecnologie ...

Laurea specialistica in

Biotecnologie

Molecolari,corso di

Immunologia Molecolare

IL-5

Parte generale

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]


Rif.[5]

Amminoacidi coinvolti

nel binding con il

recettore IL-5rα IL-5r


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


Martinez-Moczygemba M et al., J Allergy Clin

Immunol, 2003

LA MOLECOLA

Punti cruciali per il legame con il recettore

Uings I and McKinnon M, Curr Pharm Des, 2002


Geijsen N et al., Cytokine Growth Factor Rev,

2001

IL RECETTORE

IL-5R appartiene alla superfamiglia

dei recettori di classe I delle

citochine

Catena α

specifica

per ogni

citochina

Catena β

comune


CARATTERISTICHE:

IL RECETTORE

• 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)

- 1 dominio

CMR ( cytokine receptor module) di ~100 aa con domini di

fibronectina di tipo III contenenti cisteine che formano

ponti disolfuro

WSXWS vicino alla membrana

- 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..)


Carr PD et al., Cell, 2001

IL RECETTORE


Carr PD et al., Cell, 104: 291, 2001

IL RECETTORE


SPLICING DEL RECETTORE (βc)

Tavernier J et al., Blood, 2000

FORMA

TRANSMEMBRANA:

Esclusione esone 11,

inclusione esoni 12, 13

, 14

FORMA SOLUBILE

DI TIPO I:

Include e termina

all’esone 11

FORMA SOLUBILE

DI TIPO II:

Generata in assenza

di splicing


ATTIVAZIONE DEL RECETTORE

Per

l’attivazione

del recettore è

necessaria la

dimerizzazione,

che porta allla

transfosforila-

zione delle

tirosine della

βc

Guthridge M et al., Stem Cells, 1998

Carr Martinez-Moczygemba 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

Martinez-Moczygemba M et al., J Allergy Clin Immunol, 2003

• I tre principali

pathway

attivati dall’IL-

5 sono:

2. JAK/STAT

3. MAPK

4. PI3K

• Sono molto

importanti

anche i

meccanismi di

terminazione

del segnale


STRATEGIE PER INIBIRE L’ATTIVITA’ DELL’IL-5

Uings I and McKinnon M, Curr Pharm Des, 2002

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


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

Kips JC, Eur Respir J, 2001

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.

• 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

Non trattate Trattate con YM-90709

Morokata T et al., Int Immunopharmacol, 2002

Stimolando con IL-5 e

somministrando YM-

90709 a dosi

crescenti si ha una

diminuzione del

numero di molecole di

IL-5 che si lega al

recettore


YM-90709: effetti sulla sopravvivenza degli

eosinofili

Morokata T et al., Int Immunopharmacol, 2002

Non trattate

Trattate con YM-

90709

Stimolando con IL-5 e

somministrando YM-

90709 a dosi

crescenti viene inibita

la sopravvivenza degli

eosinofili


YM-90709: effetti sui pathways

intracellulari

Morokata T et al., Int Immunopharmacol, 2002

Stimolando con IL-5 e

somministrando YM-

90709 a dosi

crescenti si ha una

diminuzione della

fosforilazione della

JAK2

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

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