WikiDer > Иммуномика

Эта статья нужны дополнительные цитаты для проверка. Пожалуйста помоги улучшить эту статью к добавление цитат в надежные источники. Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален Найдите источники: «Иммуномика» – Новости · газеты · книги · ученый · JSTOR (Январь 2015) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Иммуномика это изучение иммунная система регулирование и ответ на патогены с помощью геномширокие подходы. С ростом геномный и протеомный технологий, ученые смогли визуализировать биологические сети и сделать вывод о взаимосвязи между генами и / или белками; недавно эти технологии стали использоваться, чтобы лучше понять, как функционирует иммунная система и как она регулируется. Две трети генома активны в одном или нескольких типах иммунных клеток, и менее 1% генов однозначно экспрессируются в данном типе клеток. Следовательно, очень важно, чтобы паттерны экспрессии этих типов иммунных клеток были расшифрованы в контексте сети, а не как индивидуума, чтобы их роли были правильно охарактеризованы и соотнесены друг с другом.^[1] Дефекты иммунной системы, такие как аутоиммунные заболевания, иммунодефицит, и злокачественные новообразования может извлечь выгоду из геномного понимания патологических процессов. Например, анализ систематических вариаций экспрессии генов может связать эти паттерны с конкретными заболеваниями и генными сетями, важными для иммунных функций.^[2]

Традиционно ученым, изучающим иммунную систему, приходилось искать антигены на индивидуальной основе и идентифицировать белковые последовательности этих антигенов («эпитопы»), Который будет стимулировать иммунный ответ. Эта процедура требовала, чтобы антигены были выделены из целых клеток, переварены на более мелкие фрагменты и протестированы против Т- и В-клеток, чтобы наблюдать ответы Т- и В-клеток. Эти классические подходы могли визуализировать эту систему только как статическое состояние и требовали большого количества времени и труда.

Иммуномика упростила этот подход благодаря своей способности рассматривать иммунную систему в целом и характеризовать ее как динамическую модель. Выяснилось, что одними из наиболее отличительных черт иммунной системы являются непрерывная подвижность, обновление и пластичность составляющих ее клеток. Кроме того, современные геномные технологии, такие как микрочипы, может фиксировать экспрессию генов иммунной системы с течением времени и может отслеживать взаимодействия микроорганизмов с клетками врожденная иммунная система. Новые протеомные подходы, включая Т-клетки и В-клетки.картирование эпитопа, также может ускорить темпы открытия учеными взаимоотношений антитело-антиген.

Определение

Иммунная система хозяина реагирует на вторжение патогенов набором патоген-специфических реакций, в которых участвуют многие «игроки»; к ним относятся антитела, Т-хелперные клетки, цитотоксические Т-клетки, и много других. Антигенпрезентирующие клетки (APC) способны интернализовать патогены и отображать фрагмент антигена - эпитоп - с основные комплексы гистосовместимости (MHCs) на поверхности клетки. Т-клеточный ответ инициируется, когда Т-клетки распознают эти отображаемые эпитопы. Только специфические пептидные последовательности некоторых патоген-специфических антигенов необходимы для стимуляции Т- и В-клеточных ответов; то есть вся последовательность патогенного пептида не является необходимой для инициирования иммунного ответа. ‘иммуном’Патогена описывается набором его эпитопов и может быть определен путем сравнения последовательностей генома и применения иммуноинформатических инструментов.^[3]

История

Аш Ализаде и другие. были одними из первых, кто осознал потенциал кДНК микрочипы для определения экспрессии генов иммунных клеток. Их анализ исследовал экспрессию генов B и T человека. лимфоциты во время клеточной активации и / или стимуляции цитокины, тип сигнальной регуляторной молекулы. Известно, что многие из активированных генов в стимулированных Т-лимфоцитах участвуют в G0 / G1. клеточный цикл переход или кодирование для хемокины, сигнальные молекулы, участвующие в воспалительной реакции. Эта команда также смогла визуализировать временные паттерны экспрессии генов во время Т-лимфоцитов. митогенез. В заключительных абзацах своей знаменательной статьи эти ученые заявляют, что «практически каждый уголок иммунологических исследований выиграет от анализа экспрессии генов с помощью микроматрицы кДНК», и, таким образом, провозгласили подъем иммуномики.

Ограниченные доступными микрочипами и неполным геномом человека на данный момент, эта же группа исследователей была мотивирована на создание специализированного микроматрицы, которая сосредоточена на генах, предпочтительно экспрессируемых в данном типе клеток или известных как функционально важные в данном типе клеток. биологический процесс. Как результат, Ализаде и его коллеги разработали микроматрицу кДНК «Лимфочип», которая содержала 13 000 генов и была обогащена генами, важными для иммунной системы.^[4]

Статья Айера и др. 1999 г. была еще одной статьей, раскрывающей важность применения геномных технологий в иммунологических исследованиях. Несмотря на то, что в начале эксперимента не собирались рассматривать какие-либо аспекты иммунитета, эти исследователи обнаружили, что профили экспрессии сыворотка-стимулированный фибробласты были намного богаче, чем предполагалось, и предполагали важную физиологическую роль фибробластов в заживлении ран. Гены, индуцированные сывороткой, были связаны с процессами, относящимися к заживлению ран, включая гены, непосредственно участвующие в ремоделировании сгустка и внеклеточного матрикса, а также гены, кодирующие сигнальные белки для воспаления, развития новых кровеносных сосудов и повторного роста эпителиальной ткани. Кроме того, одним из наиболее значительных результатов этого анализа экспрессии было открытие более 200 ранее неизвестных генов, экспрессия которых регулировалась во времени во время реакции фибробластов на сыворотку. Эти результаты показали важность рассмотрения иммунного ответа как совместной физиологической программы и потребовали дальнейшего изучения иммунной системы как сети, а не как отдельных частей.^[5]

В 2006 году Moutaftsi et al. продемонстрировали, что инструменты картирования эпитопов могут точно идентифицировать эпитопы, ответственные за 95% ответа мышиных Т-клеток на вирус осповакцины. Благодаря своей работе эти ученые представили междисциплинарную область информатики и иммунологии, используя геномные, протеомные и иммунологические данные. Поразительный успех и простота этого метода побудили исследователей как определить иммуномы других патогенов, так и измерить широту и перекрытие иммуномов патогенов, которые вызывают иммунитет. Кроме того, он предложил другие приложения, в которых можно было бы использовать инструменты картирования эпитопов, включая аутоиммунитет, трансплантацию и иммуногенность.^[6]

Используемые технологии

Иммуномные микрочипы

Было создано несколько типов микрочипов, чтобы специально наблюдать реакцию иммунной системы и взаимодействия. Микроматрицы антител использовать антитела как зонды и антигены как мишени. Их можно использовать для прямого измерения концентраций антигенов, для которых специфичны зонды антител. Пептидные микрочипы использовать антигенные пептиды в качестве зондов и сывороточные антитела в качестве мишеней. Их можно использовать для функциональных иммуномических применений для понимания аутоиммунных заболеваний и аллергий, определения эпитопов B-клеток, исследований вакцин, анализов обнаружения и анализа специфичности антител. MHC микрочипы являются самой последней разработкой в ​​иммуномных массивах и используют комплексы пептид-MHC и их костимулирующие молекулы в качестве зондов, а популяции Т-клеток в качестве мишеней. Связанные Т-клетки активируются и секретируют цитокины, которые захватываются специфическими детектирующими антителами. Этот микрочип может картировать эпитопы Т-лимфоцитов, ограниченные МНС.^[7]

Лимфочип

Лимфочип: специализированный микрочип кДНК

Лимфочип - это специализированный микрочип кДНК человека, обогащенный генами, связанными с иммунной функцией, и созданный Аш Ализаде в Стэндфордский Университет. 17,853 кДНК клоны были взяты из трех источников. Был выбран первый набор клонов, если они были идентифицированы. выраженные теги последовательности (EST) были уникальными или специфически обогащенными библиотеками лимфоидной кДНК; они составляют ~ 80% клонов лимфочипа. Второй набор клонов был идентифицирован во время анализа иммунных ответов на микрочипах первого поколения. Наконец, 3183 гена, о которых известно или предполагается, что они играют роль в иммунной функции, онкогенез, апоптоз, пролиферация клеток или открытые рамки для чтения от патогенных вирусов человека были использованы на Лимфочипе. Часто добавляются новые гены.

Инструменты картирования Т- и В-клеточных эпитопов

Картирование эпитопа определяет сайты антитела с которыми связываются их антигены-мишени. В прошлом ученым приходилось выделять антигены, переваривать их на более мелкие фрагменты и определять, какие из этих фрагментов стимулировали Т- и В-клеточные ответы, чтобы определить эпитоп антитела. Иммуномика использует возможности биоинформатики и предлагает алгоритмы картирования, которые ускоряют обнаружение последовательностей эпитопов. Эти алгоритмы актуальны для разработки вакцины, а также для характеристики и модификации иммунных ответов в контексте аутоиммунитет, эндокринология, аллергия, трансплантация, диагностика и инженерия терапевтических белков.

Алгоритмы картирования эпитопов Т-клеток и В-клеток могут предсказывать эпитопы с помощью вычислений на основе геномной последовательности патогенов без предварительного знания структуры или функции белка. Для идентификации эпитопов используется ряд шагов:

1. Сравнение вирулентных и авирулентных организмов позволяет идентифицировать гены-кандидаты, кодирующие эпитопы, вызывающие ответы Т-клеток, путем поиска последовательностей, уникальных для вирулентных штаммов. Кроме того, технологии дифференциальных микроматриц могут обнаруживать патоген-специфические гены, которые активируются во время взаимодействия с хозяином и могут быть важны для анализа, поскольку они критически важны для функции патогена.
2. Иммуноинформатика инструменты предсказывают области этих генов-кандидатов, которые взаимодействуют с Т-клетками, путем сканирования геномных белковых последовательностей патогена.
3. Эти предсказанные пептиды синтезируются и используются в скрининге in vitro против Т-клеток. Распознавание положительного иммунного ответа может свидетельствовать о том, что этот пептид содержит эпитоп, который стимулирует иммунный ответ в ходе естественной инфекции или заболевания.^[8]

Доступные инструменты картографии

• ЭпиМатрикс
• ТЕПИТОП
• Мультипред
• MHC поток
• MHCPred
• NetMHC
• LpPep
• BIMAS

Окрашивание тетрамеров методом проточной цитометрии

Руководящий принцип, лежащий в основе проточной цитометрии заключается в том, что клетки или субклеточные частицы, помеченные флуоресцентными зондами, проходят через лазерный луч и сортируются по силе флуоресценции, испускаемой клетками, содержащимися в каплях. MHC [[окрашивание тетрамера]] с помощью проточной цитометрии идентифицирует и изолирует специфические Т-клетки на основе специфичности связывания их рецепторов на клеточной поверхности с комплексами МНС-пептид с флуоресцентной меткой.^[9]

ELISPOT

ELISPOT это модифицированная версия ELISA иммуноанализ и является распространенным методом мониторинга иммунных ответов.

Вклад в понимание иммунной системы

Иммуномика оказала значительное влияние на понимание иммунной системы, обнаружив различия в профилях экспрессии генов для разных типов клеток, охарактеризовав иммунный ответ, осветив клоны и взаимосвязи иммунных клеток, а также установив сети регуляции генов. Несмотря на то, что следующий список статей не является полным, он предназначен для демонстрации широкого применения иммуномических исследований и сильных последствий для иммунологии.

Активация и дифференциация иммунных клеток

Анергия В-лимфоцитов

Микромассивы обнаружили образцы экспрессии генов, которые коррелируют с индуцированной антигеном активацией или анергией в В-лимфоцитах. Пути анергии лимфоцитов включают индукцию некоторых, но не всех сигнальных путей, используемых во время активации лимфоцитов. Например, NFAT и Киназа MAPK / ERK пути экспрессируются в анергических (или «толерантных») клеточных линиях, тогда как NF-kB и c-Jun N-концевые киназы путей нет. Из 300 генов, экспрессия которых была изменена после стимуляции антигеном наивных В-клеток, только 8 из этих генов регулировались в толерантных В-клетках. Понимание этих путей «толерантности» имеет важное значение для разработки иммуносупрессивных препаратов. Эти сигнатуры экспрессии генов толерантных В-клеток можно использовать во время скрининга лекарств для исследования соединений, которые имитируют функциональные эффекты естественной толерантности.^[10]

Дифференциация лимфоцитов

Профили экспрессии генов у человека лимфоцит дифференцировка последовала за зрелыми, наивными В-клетками из состояния покоя через зародышевый центр реакции и в терминальную дифференцировку. Эти исследования показали, что В-клетки зародышевого центра представляют собой отдельную стадию дифференцировки, поскольку профиль экспрессии генов отличается от активированных периферических В-клеток. Хотя ни одна система культивирования in vitro не смогла побудить покоящиеся периферические В-клетки принять полный фенотип зародышевого центра, эти профили экспрессии генов можно использовать для измерения успеха культур in vitro в имитации состояния зародышевого центра по мере их развития.^[11]

Лимфоидные злокачественные новообразования

Примерно 9 из каждых 10 лимфоидных раковых опухолей человека происходят от В-клеток. Отчетливые паттерны экспрессии на всем иммуноме в большом количестве диффузная крупноклеточная лимфома (DLCL) - наиболее распространенная форма неходжкинской лимфомы - идентифицировали по крайней мере два разных подтипа того, что ранее считалось одним заболеванием. Одна подгруппа этих DLCL показывает паттерн экспрессии генов, подобный таковому у нормальных В-клеток зародышевого центра, и подразумевает, что опухолевая клетка произошла из В-клетки зародышевого центра. Другие исследования В-клеточных злокачественных новообразований показывают, что фолликулярные лимфомы имеют общие черты экспрессии с В-клетками зародышевого центра, тогда как клетки хронического лимфоцитарного лейкоза напоминают покоящиеся лимфоциты периферической крови. Кроме того, гетерогенность в каждой из этих клеточных линий также предполагает, что разные подтипы существуют в пределах каждого типа лимфомы, как это было показано в DLCL. Эти знания могут быть использованы для направления пациентов к наиболее подходящей терапии.^[12]

Иммунная реакция

Реакция макрофагов на бактерии

Микроматрицы проанализировали глобальные ответы макрофаги к различным микроорганизмам и подтвердили, что эти реакции поддерживают и контролируют воспалительные процессы, а также убивают микроорганизмы. Эти независимые исследования смогли лучше описать, как макрофаги атакуют различные микроорганизмы. Было обнаружено, что «основной транскрипционный ответ» индуцирует 132 гена и подавляет 59 генов. Индуцированные гены включают провоспалительные хемокины и цитокины и их соответствующие рецепторы. Также наблюдалась «патоген-специфическая реакция».^[13]

Дендритный ответ на патоген

Дендритные клетки (ДК) помогают макрофагам поддерживать воспалительные процессы и участвовать в врожденная иммунная система ответ, но может также адаптивный иммунитет. Анализ экспрессии генов показал, что DC могут «выполнять несколько задач», временно разделяя их различные функции. Вскоре после распознавания инфекционного агента незрелые ДК переходят в состояние ранней активации через основной ответ, характеризующийся быстрым подавлением генов, участвующих в распознавании патогенов и фагоцитоз, активация генов цитокинов и хемокинов для привлечения других иммунных клеток на сторону воспалений; и экспрессия генов, контролирующих миграционную способность. Ранние активированные DC могут мигрировать из нелимфоидных тканей в лимфатические узлы, где они могут запускать Т-клеточные ответы. Эти ранние ответы DC связаны с врожденным иммунитетом и состоят из «основного транскрипционного ответа» DC. Патоген-специфические ответы сильнее влияют на способность ДК регулировать адаптивный иммунитет.

Различение типов иммунных клеток

Сравнение различий между общей программой транскрипции иммунных клеток может создать графики, которые позиционируют каждый тип клеток таким образом, чтобы наилучшим образом отражать его профиль экспрессии относительно всех других клеток, и могут выявить интересные взаимосвязи между типами клеток. Например, профили транскрипции иммунных клеток медуллярного эпителия тимуса картированы ближе к лимфоцитам, чем к другому эпителию. Это может указывать на то, что между этими двумя типами клеток существует функциональное взаимодействие, которое требует совместного использования определенных транскриптов и белков. При сравнении профилей экспрессии генов из клеток системы крови, субпопуляции Т-клеток и В-клеток тесно группируются с соответствующими типами клеток.

Изучая профиль транскрипции различных Т-клеток, ученые показали, что естественные Т-клетки-киллеры являются близким вариантом обычных CD4 + Т-клетки, а не промежуточный тип клеток между Т-клетками и естественные клетки-киллеры. Кроме того, DC, естественные клетки-киллеры и B-клетки плотно сгруппированы на основе их глобальных профилей экспрессии. Можно было ожидать, что В-лимфоциты и Т-лимфоциты будут кластеризоваться отдельно друг от друга, или что естественные клетки-киллеры будут более тесно связаны с Т-клетками, потому что они имеют общие предшественники, цитолитическую активность и аналогичные маркеры активации. Таким образом, иммуномика установила отношения между клеточными линиями, которые отличаются от классических взглядов. Кроме того, это может лучше объяснить наблюдаемую пластичность дифференцировки лимфоидных и миелоидных клеток из-за значительного перекрытия между глобальными профилями экспрессии этих разных клонов.^[14]

Регуляторные сети иммунных клеток

Сети представляют собой самый широкий уровень генетических взаимодействий и стремятся связать все гены и транскрипты в иммунологическом геноме. Клеточные фенотипы и состояния дифференцировки в конечном итоге устанавливаются активностью этих сетей совместно регулируемых генов. Одна из наиболее полных сетей в иммунологии расшифровала регуляторные связи между нормальными и трансформированными В-клетками человека. Этот анализ предполагает наличие иерархической сети, в которой небольшое количество тесно связанных генов (называемых «концентраторами») регулирует большинство взаимодействий. Прото-онкоген МОЙ С стал основным центром и очень влиятельным регулятором В-клеток. В частности, было обнаружено, что MYC напрямую контролирует BYSL, высококонсервативный, но плохо охарактеризованный ген, и является крупнейшим центром во всей сети B-клеток. Это говорит о том, что BYSL кодирует важную клеточную молекулу и критический фактор, влияющий на функцию MYC, и мотивирует дополнительные исследования для выяснения его функции. Следовательно, использование данных об экспрессии генов для создания сетей может выявить гены, сильно влияющие на дифференцировку иммунных клеток, которые еще не были идентифицированы прегеномными технологиями.^[14]

Практическое применение

Разработка вакцины

Как цитируют Стефания Бамбини и Рино Раппуоли: «Новые мощные технологии геномики увеличили количество болезней, которые можно лечить с помощью вакцинации, и сократили время для открытия исследований и вакцина разработка." Доступность полных последовательностей генома патогенов в сочетании с высокопроизводительными геномными технологиями помогли ускорить разработку вакцины. В обратной вакцинологии используются геномные последовательности вирусных, бактериальных или паразитарных патогенов для идентификации генов, потенциально кодирующих гены, способствующие патогенез.^[15]Первое применение обратной вакцинологии позволило идентифицировать вакцины-кандидаты против Neisseria meningitidis серогруппа B. Компьютерные инструменты идентифицировали 600 предполагаемых поверхностно-экспонированных или секретируемых белков из полной последовательности генома патогенного штамма MenB на основе характеристик последовательности. Эти предполагаемые белки были экспрессированы в E. coli, очищены и использованы для иммунизации мышей. Тесты с использованием иммунных сывороток мышей оценили способность антител защищать от этих белков. Белки, способные вызывать устойчивый иммунный ответ, были проверены на сохранение последовательности в группе штаммов менингитов и позволили дополнительно выбрать антиген, способный вызвать иммунный ответ против большинства штаммов в панели. На основе этих антигенных последовательностей ученые смогли разработать универсальную «коктейльную» вакцину против Neisseria meninitidis который использует пять антигенов для повышения иммунитета.^[16]Подобные подходы использовались для множества других патогенов человека, таких как Пневмококк, Chlamydia pneumoniae, бацилла сибирской язвы, Porphyromonas gingivalis, Микобактерии туберкулеза, Helicobacter pylori, среди других. Кроме того, начались исследования по разработке вакцин против вирусов.

Диагностика заболеваний

Перечень рецепторов и путей передачи сигналов, которые иммунные клетки используют для мониторинга и защиты организма, дает начало характерным паттернам измененной экспрессии генов в клетках периферической крови, которые отражают характер инфекции или травмы. Следовательно, распознавание характерных профилей экспрессии клеток периферической крови может быть мощным диагностическим инструментом путем привлечения этих клеток в качестве «шпионов» для обнаружения скрытых заболеваний или агентов, которые нельзя легко культивировать от хозяина.

Например, цитомегаловирус (ЦМВ) инфекция фибробласты и инфицирование Т-лимфоцитов HTLV-I выявило различные профили экспрессии генов. Инфекция CMV вызвала уникальный ответ интерферона, тогда как инфекция HTLV-1 индуцировала гены-мишени NF-kB. Тип лейкоцитов также был протестирован снова на воздействие бактерий, и экспрессия иммунома варьировалась в зависимости от типа используемого бактериального штамма.

Мониторинг изменения экспрессии генов периферической крови также может помочь определить течение инфекции и помочь лечить пациентов терапией, адаптированной к стадии их заболевания. Этот подход уже использовался против сепсиса - болезни, которая прогрессирует по предсказуемой цепочке событий. Изменения сигнатур экспрессии генов могут предшествовать клиническому обострению симптомов, как при рассеянный склероз, и позволить врачам пресекать эти «вспышки болезни» в зародыше.^[1]

Проект иммунологического генома

Иммунная система - это сеть генетических и сигнальных путей, связанных сетью взаимодействующих клеток. В Проект иммунологического генома стремится создать полный перечень экспрессии генов, кодирующих белок, для всех популяций клеток иммунной системы мыши. Он анализирует как стационарные условия в разных популяциях клеток, так и в ответ на генетические и / или экологические нарушения, вызванные естественным генетическим полиморфизмом, нокаутом гена, нокаутом гена РНКи, или медикаментозное лечение. Вычислительные инструменты для обратного проектирования или прогнозирования регуляторных сетей иммунных клеток используют эти профили экспрессии.

К 2008 году в проекте ImmGen участвовали семь лабораторий иммунологии и три лаборатории вычислительной биологии в Соединенных Штатах, и было идентифицировано и описано более 200 популяций клеток, задействованных в иммунной системе. Этот консорциум создал браузер данных для исследования паттернов экспрессии определенных генов, сетей совместно регулируемых генов и генов, которые могут надежно различать типы клеток. Необработанные данные также доступны из Омнибуса экспрессии генов NCBI.^[17][18]

Базы данных

• Иммунный ответ in silico (IRIS)
• Справочная база данных иммунных клеток
• Проект иммунологического генома
• База данных иммунных эпитопов и ресурсы для анализа (IEDB)
• IMGT
• SYFPEiTHi
• AniJen
• MHCBN
• IPD
• Воплощение
• Аллергом

Смотрите также

• Иммунопротеомика

Рекомендации

←