Jules Hoffmann e l'immunità innata / Jules Hoffmann and innate immunity

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Dunque, gli insetti non hanno un sistema immunitario adattivo.

No. Il sistema immunitario adattivo è comparso, per quello che ne sappiamo e nel modo in cui lo conosciamo, circa 450 milioni di anni fa nei pesci. Tutti gli altri gruppi, che erano presenti fin da 1 miliardo di anni fa, hanno il sistema dell'immunità innata, che non è cambiato fondamentalmente da 1 miliardo di anni fa ad oggi.

E che è piuttosto semplice.

Esattamente. Per combattere un microbo invasore devi avere un'arma e questa arma è in primo luogo, 

nell'evoluzione, fatta di peptidi antimicrobici. I peptidi uccidono il microorganismo interagendo con la membrana cellulare. Questo sistema era presente, direi, nelle antiche forme animali e si è mantenuto fino agli esseri umani oggi. Quello che è cambiato non è questo meccanismo così efficace, che è fondamentalmente uguale, del modo di uccidere gli invasori, ma il sistema di riconoscimento.

L'immunità innata ha un numero ristretto di recettori, che riconoscono elementi che non variano nei microbi, elementi della membrana, e che non sono mai cambiati nell'evoluzione dei batteri, perchè se cambiassero i batteri non potrebbero sopravvivere. Queste parti fondamentali vengono riconosciute dal sistema immunitario innato, che poi manda un un segnale all'immunità adattiva dicendo: “Attento, guarda che sta succedendo qualcosa!”. E allora il sistema dell'immunità adattiva, che è più specifico, non più potente ma più specifico, è in grado di intervenire.

Questo sembra strano. Un sistema più antico, quello dell'immunità innata, è più potente di quello che si è sviluppato dopo, cioè l'immunità specifica.
Ma noi abbiamo anche l'immunità innata, non lo dimentichi! Abbiamo tutti i meccanismi efficienti di riconoscimento dell'immunità innata. Abbiamo solo aggiunto l'immunità adattiva. Che è specificamente orientata, io direi, a riconoscere qualunque tipo di proteina che possa presentarsi e poi ne conserva la memoria. Ora il problema è che questo sistema così sofisticato può reagire anche alle nostre stesse proteine! C'è un meccanismo molto complicato che si è sviluppato con l'immunità innata per evitarlo.

Ma la domanda è anche: perché abbiamo sviluppato l'immunità adattiva?

Oggi in biologia è molto difficile rispondere alla domanda “perché”. Quella a cui possiamo rispondere è la domanda “come”. Chiederci perché ci porta al problema del darwinismo, della selezione, e così via. O magari per qualcuno in Italia a discutere di una qualche forma di “disegno”...

Oh, no!

Ok, ok, allora diciamo che questo capita negli Stati Uniti... Quello che io, e molti dei miei colleghi, pensiamo è che tutto questo sia avvenuto solo per caso. L'immunità adattiva, per come la conosciamo, si è sviluppata con i vertebrati. E i vertebrati mostrano molti cambiamenti rispetto agli invertebrati. In particolare, c'è l'apparizione dei linfociti. Che sono i globuli bianchi su cui si appoggia l'immunità adattiva.

Quello che è tipico dell'immunità adattiva è che nei linfociti e solo nei linfociti i trasposoni (gli elementi genetici capaci di spostare pezzi di Dna) hanno “invaso” i geni per la produzione delle immunoglobuline, che sono presenti anche negli invertebrati, e li hanno tagliati a pezzi e poi li hanno riassemblati, grazie a un altro enzima. Questa è una cosa limitata ai vertebrati e specifica dei linfociti.

Perché è successo? È stato per caso. Poteva succedere, tutto qui. Dopodiché nasce l'altra questione: una volta che è comparsa, perché l'evoluzione adattiva è stata mantenuta nel corso dell'evoluzione quando avrebbe potuto essere eliminata, come molte altre cose? È stato così perché ha fornito un vantaggio peculiare. E questo vantaggio è il fatto di avere una memoria immunitaria.

E perché è più importante avere memoria immunitaria nei mammiferi piuttosto che negli insetti?

Perché la durata della vita è diversa. E poi il livello riproduttivo. Quanti figli ha in media una persona in Italia? Gli insetti migliaia. O decine di migliaia. La memoria di un'infezione non è così importante se tu hai una quantità di prole enorme. Loro ci saranno sempre.

C'è una seconda cosa molto importante che lei ha scoperto. Ed è che l'immunità innata mette in azione quella adattiva.

Sì, la stimola. Questo è stato ipotizzato per la prima volta dai miei colleghi Ralph Steinman, con il quale ho condiviso il Nobel, e Charles Janeway, che all'inizio degli anni 90 scrisse un articolo molto bello e importante. Una delle domande era proprio come l'immunità innata stimola quella adattiva e in particolare perché questo sia necessario.

Si pensava  allora che il checkpoint che dice all'immunità adattiva “questo è pericoloso” oppure “questo non è pericoloso” fosse il rinoscimento del “self”, l'allenamento a riconoscere ciò che appartiene all'organismo. Ma Steinman si focalizzò sulle cellule dendritiche, che sono cellule dell'immunità innata, e postulò che vi dovesse essere un legame diretto tra componenti dei microbi, per esempio molecole o componenti della loro membrana, che fossero in grado di indurre le cellule dendritiche a scatenare la tempesta in grado di attivare l'immunità adattiva. Questa è stata un'idea molto brillante, ma oggi noi sappiamo che è molto più complicato.

Ma le cellule dendritiche, che fanno parte dell'immunità innata, che ruolo avrebbero allora se non ci fosse l'immunità adattiva?
Sono macrofagi. Per chiarire, queste cellule hanno come primo ruolo di acchiappare i batteri e distruggerli e poi, nei vertebrati, di attivare l'immunità adattiva. Questo secondo ruolo non è presente negli invertebrati.

Come mai la prima conferenza sull'immunità innata è stata solo nel 1993?
Ci sono parecchie risposte per questo fatto. L'immunità adattiva, per il ruolo della memoria immunitaria, per l'importanza delle vaccinazioni, appariva la più importante. Quasi non c'erano studi sull'immunità innata. Era considerata una cosa primitiva, che aveva a che fare con le spugne e le mosche. Così i nove premi Nobel assegnati per studi sull'immunità nel Ventesimo secolo sono andati tutti a lavori sull'immunità innata. D'altra parte è così importante per l'uomo!

Un'altra cosa che mi sembra molto soprendente è la scoperta che i geni Toll-like, quelli che danno origine ai recettori dell'immunità innata, hanno anche molti altri ruoli. Quanti altri ruoli?

Dobbiamo fare una distinzione. Non vorrei essere troppo complicato. Negli insetti il gene Toll ha un ruolo soprattutto come regolatore dello sviluppo. Ma il recettore Toll non è un recettore dei segnali della membrana dei microbi. Quel ruolo è svolto invece da un'altra molecola, che è sempre in circolo, e che poi attiva il recettore Toll, il quale sta in mezzo al percorso, in un sistema a cascata.

E noi questi recettori circolanti non li abbiamo?

Sì, negli esseri umani abbiamo quattro gruppi di molecole simili, ma che agiscono direttamente nei confronti dei microbi e non attivano la risposta immunitaria. È soprendente e bellissimo questo modo di agire dell'evoluzione, per cui molecole simili possono esser usate in modi diversi! Invece i recettori Toll-like, che sono presenti nei vertebrati, hanno un ruolo soprattutto nella risposta immunitaria, allo stress, alle ferite e così via.

Oggi l'immunologia appare come una branca della medicina in grande espansione. Sono nate la neuroimmunologia, l'immunoncologia...

Sì, ci sono molte cose che si stanno scoprendo. Per esempio il microbioma, il gran numero di microorganismi che vivono nel nostro intestino, sulla nostra pelle, nell'apparato urogenitale. Sono  miliardi di funghi e batteri su cui si sta focalizzando l'attenzione. Ma ci sono anche virus, che sono ancora studiati troppo poco! Conviviamo nel nostro intestino con tanti virus, non so se felicemente oppure no, ma comunque sembra che giochino un ruolo nell'attivare il sistema immunitario.

Per molto tempo non si è creduto, o quasi, che il sistema immunitario fosse in grado di combattere il cancro. O comunque questo fatto non era considerato molto importante. E adesso invece si è compreso che il sistema immunitario può davvero, in modo decisivo, combattere i tumori. Una delle cose che più mi hanno sorpreso, anche se non è un campo che io segua direttamente, è la scoperta che le cellule del tumore hanno meccanismi che bloccano il sistema immunitario. Un'altra scoperta molto importante è il ruolo dei nucleotidi di Dna intracitoplasmatici come attivatori della risposta immunitaria. Questo apre la strada a una attivazione molto selettiva del sistema immunitario adattivo. Potrà essere importante anche per i vaccini, per aumentarne l'efficacia. Ma sia chiaro che le polemiche sugli adiuvanti dei vaccini che si sono scatenate in questi anni sono sbagliate e vergognose!

Professor Hoffmann, lei come ha cominciato a studiare gli insetti?

È una lunga storia! Io sono cresciuto in Lussemburgo. Mio padre era un professore delle superiori ed era molto innamorato della natura, come la maggior parte di noi. E studiava molto gli insetti. Sono un gruppo enorme: l'ottanta per cento delle specie, e giocano un ruolo enorme nell'economia e nelle malattie. Il venti per cento delle malattie dell'uomo sono trasmesse dagli insetti. Nel tempo libero ha coinvolto anche me nelle sue ricerche. Ho pubblicato il mio primo lavoro sulle cavallette quando avevo diciassette anni. Con il suo aiuto, naturalmente. Mio padre mi ha trascinato verso la scienza. O dovrei dire: mi ha spinto nella scienza. Senza di lui avrei scelto letteratura o storia. Ma mio padre mi disse: no, no, studia scienze. E io l'ho fatto.

Strasburgo era il posto più comodo in cui andare a studiare. E in quella università c'era un laboratorio che lavorava sugli insetti. Il professore era una persona molto interessante, gli facevo un sacco di domande dopo le lezioni, e lui mi disse: guarda che sto cercando uno studente per un dottorato, ti interesserebbe? E io gli risposi: sì, certo! Trapiantavamo il cervello da un insetto a un altro, per studiare il controllo endocrino. E il mio professore rifletteva sul fatto che in trent'anni non si era mai dovuto preoccupare di evitare infezioni. Ma non sapevamo nulla di questo meccanismo di difesa. È stato per pura curiosità che lo abbiamo scoperto! È bello dire oggi che abbiamo aiutato l'umanità. Ma questo è un “post factum”. Non abbiamo mai pensato che il nostro lavoro fosse utile per capire le difese immunitare degli uomini o dei topi o dei vertebrati.

Non ci avete mai pensato?
No! Abbiamo cominciato senza nessuna idea definita. Passo per passo. E poi la sorpesa è stata quando i nostri colleghi americani con i quali collaboravamo trovarono nei topi molecole simili a quelle del sistema immunitario degli insetti. E da questo poi è arrivato il Nobel, che è stato dato a tre persone ed è stato il frutto della collaborazione tra chi studiava l'uomo, i topi e le cavallette.

Uno dei segreti è allora quello di essere assolutamente aperti?

Assolutamente. La curiosità permette di andare in direzioni che magari non sono state già esplorate da altre persone. E questo è molto eccitante e interessante.

In un'intervista lei ha detto che l'importante è avere una buona domanda.

Sì, è una cosa che dico spesso ai ragazzi quando mi chiedono un consiglio per il loro futuro. La prima cosa, gli dico, è trovare una domanda. E non quella che oggi è sulle prime pagine dei migliori giornali scientifici. Perché altrimenti prima che tu possa arrivare a fare una scoperta, sarà già stata superata!

PRR : i recettori chimici dell’immunità innata

Negli organismi viventi a partire dagli invertebrati, l’evoluzione ha selezionato dei recettori chiamati PRR (Pattern Recognition Receptors) in grado di riconoscere un ampio spettro di motivi strutturali associati ai patogeni relativamente costanti e indispensabili alla sopravvivenza di questi microorganismi.

Le strutture molecolari riconosciute dai PRR sono denominate PAMP dalla dizione anglosassone “Pathogen Associated Molecular Pattern” e rappresentano i lipopolisaccaridi (LPS) sui batteri Gram negativi (Fig.1) e gli acidi teicoici sui batteri Gram positivi , i peptidi formilati che contengono all’estremità N –terminale una formilmetionina, i peptidoglicani e i flagelli dei batteri (Fig.2), gli RNA a singolo e a doppio filamento virali, le sequenze CpG non metilate ( regioni genomiche che contengono un’elevata densità di siti CpG dove la “p” nella notazione CpG si riferisce al legame fosfodiesterico tra la citosina e la guanina) in alcuni batteri o ancora i mannani cioè composti glucidici a base di mannosio dei funghi e dei lievit

Negli esseri umani esistono due sistemi che contribuiscono all’immunità: il sistema immunitario innato o aspecifico e il sistema adattativo o specifico suddiviso in umorale e in cellulo-mediato. Entrambi questi sistemi sono essenziali per la sopravvivenza della specie.
Il primo è costituito da un grande numero di cellule specializzate come i neutrofili , i macrofagi, le cellule di Langerhans, le cellule natural killer o NK, le cellule dendritiche o DC che svolgono il compito elementare di monitorare la presenza di invasori attraverso un sistema di riconoscimento(PRR) di strutture essenziali dei microorganismi estranei come i componenti delle pareti batteriche (PAMP) ma assenti nell’ospite.  Il riconoscimento di patogeni come batteri ed elminti che non è specifico da parte di queste cellule, attiva dei sistemi di uccisione rapida che sono costituiti da intermedi reattivi dell’ossigeno (meccanismi di uccisione ossigeno dipendenti come i radicali idrossilici , l’ossigeno singoletto e il perossido di idrogeno e non dipendenti come il lisozima ed enzimi idrolitici che non coinvolgono l’ossigeno) oppure composti dell’azoto ( ossido nitrico o NO) o ancora costituiti da peptidi antimicrobici e citotossici.  Inoltre tale riconoscimento induce la produzione di citochine infiammatorie (proteine prodotte dai linfociti T e B e dai macrofagi con funzione immunoregolatrice cioè attraverso il legame a specifici recettori espressi sulla superficie cellulare regolano e coordinano la risposta immunitaria) come IL- 1 e TNF α e β e di chemochine(peptidi di 70 – 80 amminoacidi che regolano l’attivazione di molecole di adesione o integrine sulla superficie dei leucociti) che reclutano i leucociti e aumentano la risposta infiammatoria amplificando così i meccanismi di resistenza innata.

Accanto a questi composti chimici altri componenti umorali dell’immunità innata sono rappresentati dalla lectina che lega il mannosio (MBL), dai surfactanti A e D (SP-A e SP-D), dalle pentrassine (proteine pentameriche costituite ognuna da 5 subunità monomeriche identiche associate ad ione Ca⁺⁺, che si legano tra loro a formare una struttura pentagonale) quali la Proteina C reattiva e il PTX3 e dalle proteine che accompagnano il sistema del Complemento.  Queste molecole precedono nell’evoluzione gli anticorpi dell’immunità adattativa.
I componenti sia cellulari che solubili possono essere attivati entro pochi minuti o alcune ore dall’inizio di una infezione e questa risposta rapida risulta indispensabile per la sopravvivenza in quanto sono necessari molti giorni affinché i componenti del sistema adattativo entrino in funzione.
Il secondo sistema immunitario cioè quello adattativo è fondato sulla generazione di recettori specifici costituiti dagli anticorpi per i linfociti B e dal recettore per i linfociti T o TCR. Ogni cellula porta un unico recettore ed è l’incontro con l’antigene (sostanza estranea all’organismo o immunogeno) che seleziona la cellula più adatta in grado di firnire una risposta efficace.   I linfociti T rappresentano gli elementi cellulari centrali nella risposta immunitaria adattativa per la discriminazione del self dal non self.   Essi, con il riconoscimento dell’antigene fanno partire una risposta immunitaria specifica aiutando i linfociti B nella produzione di anticorpi ma facendo anche aumentare la capacità delle cellule dell’immunità innata a distruggere i microorganismi patogeni.   La percezione del mondo esterno da parte dei linfociti T passa attraverso il riconoscimento del self.   Il TCR vede l’antigene cioè il mondo esterno solo se presentato dalle APC nel contesto dell’MHC (Major Histocompatibility Complex).   L’MHC costituisce una specie di identità immunologica dell’individuoe la sua funzione è quella di legare e presentare in maniera adatta frammenti (peptidi) al TCR dei linfociti T.

Ma quali sono le cellule che hanno l’MHC e svolgono la funzione di presentarlo? Le cellule che posseggono l’MHC e svolgono la funzione di presentarlo sono costituite dalle cellule dendritiche che appartengono all’universo dell’immunità innata e non hanno recettori specifici ma solo i PRR scarsamente specifici. Sono quindi queste cellule non specifiche che decidono presentando un segnale di costimolazione se far partire la risposta immunitaria adattativa guidata dai linfociti T .
Cioè, in poche parole, paradossalmente sono gli elementi cellulari e umorali dell’immunità innata che decidono se far partire una risposta immunitaria adattativa o specifica.
Tutti i meccanismi dell’immunità adattativa sono comparsi nell’evoluzione in organismi più complessi e sono caratterizzati da una estrema specificità. Infatti, nell’immunità adattativa la risposta è mirata e altamente specifica perché punta a combattere un particolare batterio o un particolare virus e i prodotti finali sono rappresentati dagli anticorpi che neutralizzano microorganismi extracellulari e dai linfociti T che eliminano microorganismi intracellulari utilizzando un grande repertorio di recettori. In definitiva, l’immunità adattativa differisce solamente da quella innata in quanto è dotata di memoria anche se entrambe sono in grado di discriminare il self dal non self.

Infatti, fino a poco tempo fa, si riteneva che i due sistemi fossero nettamente distinti cioè si pensava che l’immunità innata servisse solo ad innescare e a orientare la risposta immunitaria adattativa e che il suo ruolo si limitasse solamente a quello di una semplice linea di difesa con il compito di contenere l’infezione in attesa di reazioni specifiche e adattate assicurate dai linfociti T (immunità acquisita cellulare) o dagli anticorpi ( immunità acquisita umorale).
Successivamente si dimostrò che l’attivazione dei linfociti T richiedeva da una parte che l’antigene venisse presentato dalle molecole del complesso maggiore di istocompatibilità o MHC (Major Histocompatibility Complex o HLA nell’uomo da Human Leucocyte Antigen) e dall’altra parte che le cellule incaricate di segnalare l’antigene (macrofagi e cellule dendritiche) chiamate anche APC (Antigen presenting cell) esprimessero anch’esse sulla propria superficie delle molecole costimolatorie che avvertissero il sistema immunitario della presenza di un agente patogeno. Una volta chiarito il meccanismo per il quale le APC esprimevano molecole costimolatrici quando riconoscevano un agente patogeno, rimaneva aperta una questione molto importante: quali erano i recettori in grado di identificare elementi potenzialmente pericolosi? Dopo la scoperta del ruolo immunitario di recettori chiamati Toll nella Drosophila , molti ricercatori sono andati alla ricerca di molecole omologhe nell’uomo. Tali ricerche sono state coronate da successo dato che sono stati identificati diversi tipi di questi recettori candidati particolarmente adatti ad assumere il ruolo di recettori dell’immunità innata.
Oggi , grazie alle scoperte dei Premi Nobel Steinman, Beutler e Hoffmann di alcuni dei meccanismi che coinvolgono l’immunità innata appare sempre più chiaramente che il sistema innato e quello adattativo sono intimamente connessi e che il sistema adattativo non può manifestarsi senza essere attivato dal sistema innato.

Negli anni ’90 Hoffmann mentre lavorava sui moscerini della frutta (Drosophila) cercò di capire come questi piccoli insetti combattevano le infezioni. Nei suoi studi scoprì come un gene, chiamato Toll (che in tedesco significa «fantastico, strano»), fosse essenziale per la risposta immunitaria: uno dei Toll nel moscerino è il sensore che capta la presenza di batteri nell’organismo dando luogo alla risposta immunitaria innata. Dopo pochi anni Beutler, mentre studiava nei topolini lo shock settico, scoprì che anche nei mammiferi, incluso l’uomo, esistevano dei geni simili a Toll che avevano la stessa funzione (TLR, «Toll-like receptors»). I TLR sono presenti non solo nei fagociti, ma anche in altre cellule come le cellule dell’epitelio e le cellule endoteliali, che rivesono l’interno dei vasi. Essi, oltre a riconoscere lipopolisaccaridi batterici, sono in grado di riconoscere anche il DNA batterico, e anche gli acidi ribonucleici. Il vero cambio di paradigma si è avuto quando si è capito che mammiferi e moscerini condividevano un sistema di risposta immunitaria innata molto simile: trasportare lo schema dei recettori Toll-like tra mammiferi (topo e uomo) e averne le prove era un passaggio ovviamente importante ma tutto sommato poco innovativo.

Il sistema dell’immunità innata riconosce i patogeni attraverso recettori oggi chiamati PRR o Pattern Recognition Receptor presenti sulle membrane cellulari di alcune cellule immunitarie (linfociti, cellule dendritiche, macrofagi, neutrofili) oltre che sulle cellule epiteliali ed endoteliali ( Toll –Lile o TLR) ma che possono essere anche solubili sia nel sangue (componenti del sistema complementare) che nei liquidi extracellulari. La loro funzione è quella di legarsi a strutture molecolari specifiche dette PAMP presenti su un’ampia varietà di virus, batteri, protozooi e funghi con cui possono iniziare la fagocitosi del patogeno e stimolare un programma di espressione genica nella cellula ospite che consiste nell’ attivare una trasduzione del segnale intracellulare che scatena una risposta effettrice che può provenire dalla cellula stessa (fagociti) o da altre cellule come le NK reclutate da mediatori chimici come le citochine.

Le principali classi di PRR associati alla cellule sono rappresentati dai recettori Toll- like o TLR di cui si conoscono differenti molecole, dalle lectine di tipo C, dai recettori Scavenger, dai Recettori 7 α-eliche, dagli NRL e dalle proteine della famiglia CARD.

Recettori Toll-like o TLR

I recettori Toll-like o TLR costituiscono la prima linea di difesa. Essi devono il loro nome al recettore Toll identificato per la prima volta nella Drosophila e rappresentano la classe principale di recettori dell’immunità innata. Nell’uomo ne sono stati identificati sinora undici, numerati da TLR1 a TLR11.
Strutturalmente sono delle proteine transmembrana che hanno un comune dominio extracellulare che consiste in una serie di ripetizioni ricche di leucina e cisteina e un dominio intracellulare che svolge un ruolo primario nella trasduzione del segnale.   I vari TLR riconoscono vari componenti microbici, fra cui LPS, peptidoglicani , nucleotidi CpG non metilati (tutte molecole presenti prevalentemente nei microrganismi), singola e doppia elica di RNA. Questi recettori, una volta attivati, stimolano la produzione di sostanze battericide.   Dopo la loro stimolazione possiamo ritrovare:  a) produzione di ossigeno nascente e intermedi dell’ossigeno; b) attivazione della cascata del complemento; c) attivazione dell’interferone; d) attivazione delle cellule natural killer; e) produzione di citochine e di chemochine; f) produzione di molecole di adesione; g) produzione delle proteine della fase acuta; h) produzione di peptidi di vario tipo.

Lectine tipo C

Le lectine di tipo C sono delle proteine transmembrana Ca⁺⁺ dipendenti che legano alcuni polisaccaridi come i β-glucani (Fig.4) molto comuni nei batteri e presenti nei macrofagi e nelle cellule dendritiche.
I β-glucani  sono dei polisaccaridi lineari costituiti da molecole di glucosio unite insieme mediante legami glicosidici β(1-3) e β(1-4). Una delle lectine di tipo C più comuni è il recettore per il mannosio di cui le pareti cellulari dei batteri sono ricche.

I Recettori Scavenger

I Recettori scavenger sono una classe di PRR espressi dalle cellule fagocitarie.   Si conoscono due famiglie di scavenger, denominate A e B.   Il tipo B è maggiornmente rappresentato ed è una glicoproteina di 88 kD, conosciuta come CD36, la quale risiede su numerosi tipi di cellule, tra cui l’endotelio e i macrofagi.   Il ruolo degli scavenger è di legare le sostanze di degradazione di accumulo metabolico tra cui LDL (Low Density Lipoprotein) e i prodotti terminali glicosilati.

Recettori 7 α- eliche

I Recettori 7 α-eliche sono composti da un’unica catena polipeptidica formata da 7 α-eliche che attraversa 7 volte la membrana plasmatica (Fig. 5).   A queste 7 α- eliche si aggiungono 6 anse idrofiliche (3 extracellulari e 3 citoplasmatiche) di collegamento fra le α -eliche.
L’estremità amino-terminale è extracellulare, quella carbossi-terminale è intracellulare.   L’ansa intracitoplasmatica che collega la 5a e la 6a elica transmembarana (cioè la 3a ansa intracellulare), insieme ad un dominio della regione C-terminale, forma il sito di legame per le proteine G.   Questa stessa ansa e la coda C-terminale, inoltre, hanno degli aminoacidi di serina e treonina che rappresentano i siti di enzimi fosforilanti importanti per la modulazione e la desensitizzazione di questi recettori.   Mediano i loro effetti attraverso l’attivazione di una proteina G, questi recettori sono espressi dai leucociti neutrofili e dai macrofagi , riconoscono batteri e alcuni mediatori prodotti in risposta alle infezioni.
I recettori di questa classe riconoscono piccoli peptidi che contengono residui N-formil-metioninici.  Poiché tutte le proteine batteriche iniziano con N-formil-metionina, questo recettore consente ai neutrofili di riconoscere e rispondere alle proteine batteriche.

Recettori NLR

I Recettori NLR sono proteine citoplasmatiche che riconoscono specifiche molecole batteriche come il peptidoglicano. In risposta a tale riconoscimento scatenano la trasduzione del segnale che mediante una cascata di proteine attiva dei fattori trascrizionali come NF – kB i quali trascrivono geni coinvolti nelle risposte infiammatorie e nell’apoptosi. . I più noti sono i Recettori NOD (Nucleotide binding Domain) come NOD1,NOD2,NOD3 e i Recettori NALP ( NACHT –LRR and pyrin domain containing Proteins) come NALP1,NALP2 e NALP3.

Recettori CARD

I Recettori CARD sono dei recettori citoplasmatici che contengono il dominio CARD che riconoscono l’RNA virale . Attivano la trasduzione del segnale che porta all’attivazione del fatoore trascizionale NF – kB e dunque alla produzione di citochine come gli interferoni. I più noti recettori sono rappresentati da RIG-1 e MDA5.

ENGLISH

Therefore, insects do not have an adaptive immune system.

No. The adaptive immune system has appeared, for what we know and the way we know it, about 450 million years ago in fish. All the other groups, who were present since 1 billion years ago, have the system of innate immunity, which has not changed fundamentally from 1 billion years ago to today.

And that's pretty simple.

Exactly. To fight an invading microbe you have to have a weapon and this weapon is in the first place.

In evolution, made of antimicrobial peptides. The peptides kill the microorganism by interacting with the cell membrane. This system was present, I would say, in ancient animal forms and has kept up to humans today. What has changed is not such an effective mechanism, which is basically the same, of how to kill invaders, but the recognition system.

Inborn immunity has a small number of receptors, which recognize elements that do not differ in microbes, membrane elements, and that have never changed in the evolution of bacteria, because if the bacteria change they could not survive. These fundamental parts are recognized by the innate immune system, which then sends a signal to adaptive immunity by saying, "Look out, look something is happening!". And then the adaptive immune system, which is more specific, no more powerful but more specific, is able to intervene.

This sounds strange. An older system, that of innate immunity, is more powerful than what developed after, that is, the specific immunity.

But we also have innate immunity, do not forget it! We have all the efficient mechanisms of recognition of innate immunity. We just added the adaptive immunity. Which is specifically oriented, I would say, to recognize any kind of protein that can be present and then keeps it in memory. Now the problem is that this sophisticated system can also react to our own proteins! There is a very complicated mechanism that has developed with innate immunity to avoid it.

But the question is also: why did we develop adaptive immunity?

Today in biology it is very difficult to answer the question "why". What we can answer is the "how" question. Ask us why it brings us to the problem of Darwinism, selection, and so on. Or maybe for someone in Italy to discuss some form of "drawing" ...

Oh, no!

Okay, okay then let's say that's what's happening in the United States ... What I, and many of my colleagues, think is all that happened by chance. Adaptive immunity, as we know it, developed with vertebrates. And vertebrates show many changes compared to invertebrates. In particular, there is the appearance of lymphocytes. That is the white blood cells on which the adaptive immunity is based.

What is typical of adaptive immunity is that in lymphocytes and only in lymphocytes, transposons (genetic elements capable of moving DNA pieces) have "invaded" the genes for the production of immunoglobulins, which are also present in invertebrates, and They cut into pieces and then reassembled them, thanks to another enzyme. This is a thing limited to vertebrates and specific lymphocytes.

Why did it happen? It was by chance. It could happen, everything here. From now on, the other question arises: once it has emerged, why did adaptive evolution be maintained during evolution when it could have been eliminated, like many other things? That was because it provided a peculiar advantage. And this advantage is having an immune memory.

And why is it more important to have immune memory in mammals than in insects?

Because the life span is different. And then the reproductive level. How many children have an average person in Italy? The insects are thousands. About tens of thousands. The memory of an infection is not so important if you have a huge amount of offspring. They will always be there.

There is another very important thing that she has discovered. And it is that innate immunity puts that adaptive action into action.

Yes, she stimulates her. This was first hypothesized by my colleagues Ralph Steinman, with whom I shared the Nobel, and Charles Janeway, who at the beginning of the 90's wrote a very beautiful and important article. One of the questions was just how innate immunity stimulates adaptive and in particular because this is necessary.

It was then thought that the checkpoint that says adaptive immunity "this is dangerous" or "this is not dangerous" was the re-emergence of "self", training to recognize what belongs to the body. But Steinman focused on dendritic cells, which are cells of innate immunity, and postulated that there should be a direct link between microbial components, such as molecules or components of their membrane, that would be able to induce dendritic cells to trigger The storm can activate the adaptive immunity. This was a very brilliant idea, but today we know it's a lot more complicated.

But dendritic cells, which are part of innate immunity, what role would then be if there was no adaptive immunity?

They are macrophages. To clarify, these cells have the primary role of catching bacteria and destroying them, and then, in vertebrates, activating adaptive immunity. This second role is not present in invertebrates.

How was the first conference on innate immunity only in 1993?

There are several responses to this fact. Adaptive immunity, by the role of immune memory, for the importance of vaccinations, seemed the most important. Almost there were no studies on innate immunity. It was considered a primitive thing that had to do with sponges and flies. So the nine Nobel prizes awarded for Immunity studies in the twentieth century have all gone to work on innate immunity. On the other hand, it is so important for THE man!

Another thing that seems very sophisticated is the discovery that Toll-like genes, those that give birth to innate immune receptors, also have many other roles. How many other roles?

We have to make a distinction. I would not be too complicated. In the insects, the Toll gene has a role primarily as a regulator of development. But the Toll receptor is not a receptor of microbial membrane signals. That role is played by another molecule, which is always in the circle, and then activates the Toll receptor, which is in the middle of the path, in a cascade system.

And do we not have these circulating receptors?

Yes, in humans we have four groups of similar molecules, but they act directly against microbes and do not activate the immune response. This mode of evolution is sophisticated and beautiful so similar molecules can be used in different ways! Instead, Toll-like receptors, which are present in vertebrates, play an important role in immune response, stress, wounds, and so on.

Today, immunology appears to be a branch of highly expanding medicine. Neuroimmunology, immunoconjuncture ...

Yes, there are many things that you are discovering. For example, the microbioma, the large number of microorganisms living in our intestines, our skin, the urogenital apparatus. There are billions of mushrooms and bacteria on which focus is being focused. But there are also viruses, which are still studied too little! We encircle our intestines with so many viruses, I do not know whether happily or not, but they still seem to play a role in activating the immune system.

For a long time, it was not believed, or nearly, that the immune system was able to fight cancer. However, this fact was not considered very important. And now it is understood that the immune system can really, decisively, fight tumors. One of the things that surprised me most, although it is not a field I follow directly, is the discovery that tumor cells have mechanisms that block the immune system. Another very important discovery is the role of intracytoplasmic DNA nucleotides as triggers of the immune response. This opens the way for a very selective activation of the adaptive immune system. It can also be important for vaccines, to increase their effectiveness. But it is clear that the controversy over the vaccine adjuvants that have sparked in these years is wrong and shameful!

Professor Hoffmann, how did she start studying insects?

It's a long story! I grew up in Luxembourg. My dad was a high school professor and he was in love with nature, like most of us. He was studying insects very much. They are a huge group: eighty percent of the species, and play a huge role in the economy and diseases. Twenty percent of human diseases are transmitted by insects. In leisure, he also involved me in his research. I published my first work on grasshoppers when I was seventeen. With his help, of course. My father dragged me to science. Or should I say: he pushed me into science. Without him, I would have chosen literature or history. But my father told me: no, no, study science. And I did.

Strasbourg was the most convenient place to go to study. And in that university, there was a lab that worked on insects. The professor was a very interesting person, I did a lot of questions after the lessons, and he said to me: Look, I'm looking for a student for a doctorate, would you care? And I answered him, yes, yes! We trapped the brain from one insect to another, to study endocrine control. And my professor reflected that in thirty years he had never had to worry about avoiding infections. But we did not know anything about this defense mechanism. It was for the pure curiosity that we found out! It is good to say today that we have helped humanity. But this is a "post factum". We never thought our work was useful to understand the immune defense of men or mice or vertebrates.

Have not you ever thought about it?

No! We started without any definite idea. Step by step. And then the sorpesa was when our American colleagues with whom we collaborated found mice in molecules similar to those of the insect immune system. And then came the Nobel Prize, which was given to three people and was the fruit of collaboration between people studying man, mice and grasshoppers.

One of the secrets is then to be absolutely open?

Absolutely. Curiosity allows you to go in directions that may have not been explored by other people. And this is very exciting and interesting.

In an interview, she said the important thing is to have a good question.

Yes, it's something I often say to boys when they ask for advice for their future. The first thing, I say, is to find a question. And not what is now on the front pages of the best scientific journals. Because otherwise before you can make a discovery, it will already be overcome!

PRR: the innate immunity chemical receptors

In living organisms from invertebrates, evolution has selected receptors called PRRs (Pattern Recognition Receptors) that recognize a broad spectrum of structural causes associated with relatively constant and indispensable pathogens for the survival of these microorganisms.

The molecular structures recognized by PRRs are called PAMP by the Anglo-Saxon Disease "Pathogen Associated Molecular Pattern" and represent lipopolysaccharides (LPSs) on Gram negative bacteria (Fig.1) and theicidal acids on Gram positive bacteria, formylated peptides that contain the " N-terminus endangers a formylmethionine, peptidoglycans and scattering of bacteria (Fig. 2), single and double filament viral RNAs, non-methylated CpG sequences (genomic regions containing high density of CpG sites where "p" In the CpG notation refers to the phosphodiester linkage between cytosine and guanine) in some bacteria or mannans ie mannose-based glucidic compounds of mushrooms and yeasts

In humans, there are two systems that contribute to immunity: the innate or non-specific immune system and the adaptive or specific system subdivided into humoral and cell-mediated. Both of these systems are essential for the survival of the species.

The first consists of a large number of specialized cells such as neutrophils, macrophages, Langerhans cells, natural killer cells or NK, dendritic or DC cells performing the elemental task of monitoring the presence of invaders through a system of Recognition (PRR) of essential structures of foreign microorganisms such as bacterial wall components (PAMPs) but absent in the host. The recognition of pathogens such as bacteria and necrosis that is not specific to these cells, activates rapid killing systems that are made up of reactive oxygen intermediates (oxygen dependent mechanisms of action such as hydroxyl radicals, single oxygen and Hydrogen and non-dependent peroxides such as lysozyme and hydrolytic enzymes that do not involve oxygen) or nitrogen compounds (nitric oxide or NO) or still constituted by antimicrobial and cytotoxic peptides. Moreover, this recognition induces the production of inflammatory cytokines (proteins produced by T and B lymphocytes and macrophages with immunoregulatory function ie by binding to specific receptors expressed on the cell surface regulate and coordinate the immune response) such as IL-1 and TNF α and β And chemokines (peptides of 70-80 amino acids regulating the activation of adhesion molecules or integrins on the surface of leukocytes) that recruit leukocytes and increase inflammatory response thereby amplifying the innate resistance mechanisms.

Beside these chemical compounds, other humoral components of innate immunity are the lectin binding mannose (MBL), surfactants A and D (SP-A and SP-D), pentrassines (pentameric proteins each constituted by 5 monomeric subunits Identically associated with Ca ++ ion, which bind to form a pentagonal structure) such as the reactive protein C and the PTX3 and the proteins that accompany the Complement system. These molecules preceded the evolution of the adaptive immune antibodies.

Cellular and soluble components can be activated within a few minutes or a few hours after the onset of an infection and this rapid response is essential for survival as it takes many days for the components of the adaptive system to come into operation.

The second immune system, that is, the adaptive one, is based on the generation of specific antibody receptors for lymphocytes B and the receptor for T or TCR lymphocytes. Each cell carries a single receptor and it is the meeting with the antigen (a substance outside the body or immunogen) that selects the most suitable cell capable of giving an effective response. T lymphocytes represent the central cellular elements in the adaptive immune response to self-discrimination by self. They, with antigen recognition, start a specific immune response by assisting Lymphocytes B in the production of antibodies but also increase the ability of innate immunity cells to destroy pathogenic microorganisms. The perception of the outside world by T lymphocytes goes through self-recognition. The TCR sees the antigen ie the outside world only when submitted by APCs in the context of the HHC (Major Histocompatibility Complex). The MHC constitutes a kind of immunological identity of the individual and its function is to properly bind and present fragments (peptides) to TCR of T lymphocytes.

But what are the cells that have the MHC and perform the function of presenting it? Cells that possess the MHC and perform the function of presenting it are dendritic cells that belong to the universe of innate immunity and do not have specific receptors but only PRRs that are not specific. These non-specific cells are therefore deciding to present a costimulation signal if the T-lymphocyte-adaptive immune response starts.

That is, in short, paradoxically they are the cellular and humoral elements of innate immunity that decide whether to initiate an adaptive or specific immune response.

All adaptive immunity mechanisms have emerged in evolution in more complex organisms and are characterized by extreme specificity. In fact, the adaptive immunity is targeted and highly specific because it aims to combat a particular bacterium or a particular virus and end products are represented by antibodies that neutralize extracellular microorganisms and T lymphocytes that eliminate intracellular microorganisms using a large repertoire of receptors. Ultimately, adaptive immunity differs only from the innate one because it has memory, even though both are able to discriminate self from non self.

Indeed, until recently, it was believed that the two systems were distinctly distinct, that is, it was thought that the innate immunity only served to trigger and adapt the adaptive immune response and that its role was limited to that of a simple line of Defense with the task of containing the infection waiting for specific and adapted responses ensured by T cellular immunity (acquired cellular immunity) or antibodies (acquired humoral immunity).

It was then demonstrated that activation of T lymphocytes required that the antigen was introduced by the molecules of the higher complexity of histocompatibility or MHC (Major Histocompatibility Complex or HLA in human by Human Leucocyte Antigen) and on the other side that the Cells in charge of signaling the antigen (macrophages and dendritic cells) also called APCs (Antigen presenting cells) also expressed on their surface the costimulatory molecules that alerted the immune system to the presence of a pathogen. Once the mechanism for which APCs expressed costimulatory molecules when they recognized a pathogen was clarified, a very important question remained open: what were receptors capable of identifying potentially dangerous elements? After discovering the immune role of receptors called Toll in Drosophila, many researchers have gone to search for homologous molecules in humans. Such research has been successful in succession since various types of these candidate receptors have been identified that are particularly suitable to assume the role of innate immunity receptors.

Today, thanks to the findings of the Nobel Steinman Prize, Beutler and Hoffmann of some of the mechanisms involved in innate immunity, it is increasingly clear that the innate and adaptive systems are intimately connected and that the adaptive system can not manifest without being activated by the system innate.

In the 1990s Hoffmann while working on fruit flies (Drosophila) tried to figure out how these little bugs were fighting infections. In his studies he discovered that a gene called Toll (which in German means "fantastic, strange") was essential for the immune response: one of the Toll in the Mouse is the sensor that captures bacteria in the body, giving rise to the response Innate immunity. After a few years, Beutler studied septic shock in the mice and found that Toll-like receptors (TLRs) similar to Tolls were also found in mammals, including humans. TLRs are present not only in phagocytes but also in other cells such as epithelial cells and endothelial cells, which bring the inside of the vessels. In addition to recognizing bacterial lipopolysaccharides, they also recognize bacterial DNA, and also ribonucleic acids. The real paradigm shift was when it was understood that mammals and mice shared a very similar innate immune response system: carrying the Toll-like receptor pattern among mammals (mice and humans) and having evidence was a obviously important step But all in all a little innovative.

The innate immune system recognizes pathogens through receptors called PRR or Pattern Recognition Receptors present on cellular membranes of some immune cells (lymphocytes, dendritic cells, macrophages, neutrophils) as well as on Toll-Lile or TLR cells, But which may also be soluble in the blood (components of the complementary system) or in the extracellular fluid. Their function is to bind to specific molecular structures called PAMPs present on a wide variety of viruses, bacteria, protozoa and fungi with which they can initiate pathogen phagocytosis and stimulate a gene expression program in the host cell that consists in activating A transcript of the intracellular signal that triggers an efficacious response that may originate from the cell itself (phagocytes) or other cells such as NK recruited by chemical mediators such as cytokines.

The main classes of PRR associated with the cells are represented by Toll-like or TLR receptors of which are known different molecules, C-type lectins, Scavenger receptors, 7 α-helix receptors, NRLs, and CARD family proteins.

Toll-like or TLR receptors

Toll-like or TLR receptors constitute the first line of defense. They need their name for the Toll receptor identified for the first time in Drosophila and represent the major class of innate immunity receptors. Man has been identified so far eleven, numbered by TLR1 to TLR11.

Structurally they are transmembrane proteins that have a common extracellular domain that consists of a series of replications rich in leucine and cysteine and an intracellular domain that plays a primary role in signal transduction. The various TLRs recognize various microbial components, including LPS, peptidoglycans, non-methylated CpG nucleotides (all molecules present predominantly in microorganisms), single and double RNA propellers. These receptors, once activated, stimulate the production of bactericidal substances. After their stimulation we can find: a) production of oxygen rising and oxygen intermediates; B) activation of the complement cascade; C) interferon activation; D) activation of natural killer cells; E) production of cytokines and chemokines; F) production of adhesion molecules; G) production of acute phase proteins; H) production of peptides of various kinds.

Lectine type C

C-type lectins are Ca ++ transmembrane proteins that bind some polysaccharides such as β-glucans (Fig.4) very common in bacteria and present in macrophages and dendritic cells.

Β-glucans are linear polysaccharides consisting of glucose molecules joined together by glycidic bonds β (1-3) and β (1-4). One of the most common C-type lectins is the mannose receptor whose bacterial cell walls are rich.

 

The Scavenger Receptors

Scavenger receptors are a class of PRRs expressed by phagocytic cells. Two scavenger families, known as A and B, are known. B type is most represented and is a 88 kD glycoprotein, known as CD36, which resides on many types of cells, including the endothelium and macrophages. The role of scavengers is to bind metabolic accumulation degradation substances including LDL (Low Density Lipoprotein) and glycosylated terminal products.

7-Propeller Receptors

The α-helix 7 receptors are composed of a single polypeptide chain formed by 7 α-helices crossing 7 times the plasma membrane (Fig. 5). To these 7 α-helices are added 6 hydrophilic (3 extracellular and 3 cytoplasmic) axes linking the α-helixes.

The amino-terminal end is extracellular, the carboxy terminal being intracellular. The intracytoplasmic tract connecting the 5th and 6th transmembrane helix (i.e., the 3rd intracellular tract) together with a domain of the C-terminal region forms the binding site for the G protein. This same trap and C-terminal tail, They also have serine and threonine amino acids that represent sites of phosphorylating enzymes important for the modulation and desensitization of these receptors. They mediate their effects by activating a G protein, these receptors are expressed by neutrophilic leukocytes and macrophages, recognize bacteria and some mediators produced in response to infections.

The receptors of this class recognize small peptides that contain N-formylmethionine residues. Since all bacterial proteins start with N-formyl methionine, this receptor allows neutrophils to recognize and respond to bacterial proteins.

NLR receptors

NLRs are cytoplasmic proteins that recognize specific bacterial molecules such as peptidoglycan. In response to this recognition, signal transduction is triggered by an active protein cascade of transcription factors such as NF - kB which transduce genes involved in inflammatory responses and apoptosis. . The best known are NOD (Nucleotide-binding Domain) receptors such as NOD1, NOD2, NOD3 and NALP (NACHT-LRR and pyrin domain containing Proteins) receptors such as NALP1, NALP2 and NALP3.

CARD RECEIVERS

CARD receptors are cytoplasmic receptors that contain the CARD domain that recognize viral RNA. They activate the signal transduction leading to the activation of NF - kB transgenic faction and therefore the production of cytokines such as interferons. The most popular receptors are represented by RIG-1 and MDA5.

Da:

http://www.lescienze.it/news/2017/08/12/news/nobel_intervista_jules_hoffmann_immunita_-3615394/

http://www.chimicare.org/curiosita/la-chimica-e-la-salute/prr-i-recettori-chimici-dellimmunita-innata/