Sytokiinien ilmentyminen mikrobi-infektioissa
Valomikroskooppikuva: Valkosoluihin kuuluvat makrofagit ja luonnolliset tappajasolut eli NK- solut toimivat yhteistyössä elimistön puolustautuessa influenssavirusta vastaan / Jaana Pirhonen 2009.
Yksi sytokiinitutkimuksemme keskeisistä aiheista on elimistön sytokiinivaste mikrobi-infektioiden aikana. Me Virusinfektioyksikössä tutkimme virusten ja bakteerien laukaisemaa sytokiinituotantoa ja sen säätelyä ihmisen valkosoluissa.
Virusinfektioissa tärkeinpiä elimistön tuottamia sytokiinejä ova virustartunnan saaneiden solujen erittämät tyypin I interferonit eli alfa – ja betainteferonit (IFN-a/b). Lähes kaikki solut voivat tuottaa tyypin I interferoneja mutta kaikkein tehokkaimmin niitä erittävät valkosoluihin lukeutuvat plasmasytoidiset dendriittisolut. Nämä dendriittisolut päivystävät verenkierrossa virushyökkäyksen varalta ja viruksen tunnistettuaan ne kykenevät tuottamaan nopeasti suuria määriä tyypin I interferoneita.
Olemme tutkineet tyypin I interferonien tuotannon säätelyä erityisesti influenssavirusinfektioissa. Havaintojemme mukaan influenssavirus laukaisee valkosolujen suuren interferonituotannon positiivisen säätelymekanismin välityksellä. Viruksen infektoimien solujen tuottama interferoni tehostaa itse itsensä tuottoa. Interferonivasteen alkuvaiheessa tuotettu interferoni lisää sellaisten signaalivälitysmolekyylien ilmentymistä, jotka tarvitaan alkuvaihetta suurempaa interferonituottoa varten. Yksi tärkeimmistä tehokkaaseen inteferonituotantoon vaikuttava, interferonin aktivoima signaalivälitysmolekyyli on transkriptiotekijä IRF-7.
Tyypin I interferonit säätelevät muidenkin sytokiinien kuin itsensä tuotantoa virusinfektioiden aikana. Tutkimuksemme osoittavat, että tyypin I interferonit lisäävät RIG-I:n kaltaisten helikaasien ja Tollin kaltaisten reseptorien signaalivälitysreittien molekyylien ilmentymistä makrofageissa ja dendriittisoluissa. Seurauksena on solujen tehostunut kyky tuottaa mm. tyypin III interferoneja.
Tyypin III interferonit (IFN-lambda1,- 2 ja -3) ovat v. 2003 kuvattu uusi molekyyliperhe, joilla on samankaltaisia virusten kasvua estäviä vaikutuksia kuin tyypin I interferoneilla (alfa- ja betainterferonit). Toiminnallisista yhtäläisyyksistään huolimatta nämä kaksi interferoniperhettä eroavat geeni- ja molekyylirakenteeltaan merkittävästi toisistaan. Tutkiessamme tyypin III interferonigeenejä havaitsimme, että ne ilmentyvät samalla lailla kaksivaiheisesti kuin tyypin I interferonigeenit. IFN-lambda1-geenin säätelyalueella on sitoutumiskohdat IRF-transkriptiotekijöille ja betainterferonigeenin tapaan IFN-lambda1-geenin luenta käynnistyy useiden eri IRF-proteiinien vaikutuksesta. Myös IFN-lambda2- ja IFN-lambda3-geeneissä on useita NF-kB- sekä IRF- sitoutumiskohtia mutta samoin kuin alfainterferonigeenin, IFN-lambda2- ja IFN-lambda3-geenien ilmentymisen käynnistää IRF-7:n sitoutuminen. IRF-7-transkriptiotekijä aktivoituu IFN-a/b:n vaikutuksesta ja IFN-lambda2:n ja IFN-lambda3:n ilmentymistä edeltääkin virusinfektion laukaisema alfa-ja betainterferonien tuotanto.
Interferonit säätelevät myös interleukiini-12-perheen sytokiinien ilmentymistä. Perheen sytokiinit IL-12, IL-23, IL-27 ja IL-35 ovat makrofagien ja dendriittisolujen tuottamia sytokiinejä, jotka edistävät soluvälitteisen immuniteetin kehittymistä mikrobeita vastaan. Ne tehostavat luonnollisten tappajasolujen eli NK-solujen ja T-lymfosyyteistä erityisesti Th1-auttasolujen ja ns. säätelevien T-lymfosyyttien, Treg-solujen ja Th17-solujen toimintaa. Olemme osoittaneet, että viruksilla infektoitujen makrofagien erittämät IL-12 ja IL-23 saavat NK- ja T-solut tuottamaan gammainterferonia. Gammainterferoni taas tehostaa IL-12- ja IL-23 –tuotantoa makrofageissa. Alfainterferoni puolestaan lisää mikrobien tunnistamisesta seuraavaa IL-27:n ilmentymistä makrofageissa. Alfainterferonin IL-27:n ilmentymistä lisäävä vaikutus perustuu sen kykyyn aktivoida IRF-1-transkriptiotekijä. Kuten muutkin saman perheen sytokiinit, IL-27-molekyyli koostuu kahdesta alayksiköstä. Havaitsimme, että alfainterferoni käynnistää IL-27p19-geenin luennan ja proteiinin tuotannon saamalla IRF-1:n sitoutumaan geenin säätelyalueella.
IRF-transkriptiotekijöiden lisäksi olemme osoittaneet, että myös STAT-, NF-kB-, AP-1- ja NFA-proteiiniit osallistuvat sytokiinien tuotantoon johtavaan siganaalivälitykseen. Tällä hetkellä tutkimme sitä, mitkä kaikki eri signaalivälitysreittien molekyyleistä osallistuvat mikrobi-infektioiden laukaiseman sytokiinien ilmentymisen säätelyyn. Tavoitteenamme on selvittää sytokiinien merkitys influenssa- ja hepatiitivirusinfektioiden sekä salmonella- ja streptokokkibakteeri-infektioiden aikaansaamassa immuunivasteessa. Tutkimuksistamme saatavaa tietoa hyödynnetään kehitettäessä uusia torjunta- ja hoitokeinoja näitä infektiotauteja vastaan, esimerkiksi suunniteltaessa signaalivälitystä spefisisesti estävien molekyylien käyttöä immuunivasteen muokkaamiseksi.
Tutkimuksesta julkaistut alkuperäisartikkelit ja opinnäytteet
Alkuperäisartikkeleita
Pietilä TE, Latvala S, Osterlund P, Julkunen I: Inhibition of dynamin-dependent endocytosis interferes with type III IFN expression in bacteria-infected human monocyte-derived DCs. J Leukoc Biol. 2010 Jul 9.
Österlund P, Pirhonen J, Ikonen N, Rönkkö E, Strengell M, Mäkelä SM, Broman M, Hamming OJ, Hartmann R,Ziegler T, Julkunen I. Pandemic H1N1 2009 influenza A virus induces weak cytokine response in human macrophages and dendritic cells and is highly sensitive to antiviral actions of interferons. J Virol. 2009. Nov. 25.
Kekkonen R.A., Kajasto E., Miettinen M., Veckman V., Korpela R. and Julkunen I. Probiotic Leuconostoc mesenteroides ssp. cremoris and Streptococcus thermophilus induce IL-12 and IFN-g production. World J. Gastroenterol. 2008. 28;14(8):1192-203.
Pirhonen J., Sirén J., Julkunen I. and Matikainen S. IFN-a regulates Toll-like receptor-mediated IL-27 gene expression in human macrophages. J. Leukoc. Biol. 82, 1185–1192, 2007.
Österlund P.I., Pietilä T.E., Veckman V., Kotenko S. and Julkunen I. Interferon regulatory factor (IRF) family members differentially regulate the expression of type III interferon (IFN-l) genes. J. Immunol. 179, 3434-3442, 2007.
Pietilä T., Veckman V., Lehtonen A., Lin R., Hiscott J. and Julkunen I. Multiple NF-kB and IFN regulatory factor (IRF) family transcription factors regulate CCL19 gene expression in human monocyte-derived dendritic cells. J. Immunol. 178, 253-261, 2007.
Sirén J., Imaizumi T., Pietilä T., Lin R., Hiscott J., Noah D.L., Krug R.M., Sarkar D., Fisher P.B., Julkunen I. and Matikainen S. RIG-I and mda-5 are involved in influenza A virus-induced expression of antiviral cytokines. Microbes Infect. 8, 2013-2020, 2006.
Berghäll H., Sirén J., Sarkar D., Julkunen I., Fisher P.B., Vainionpää R. and Matikainen S. The IFN-inducible RNA helicase, mda-5, is involved in measles virus-induced expression of antiviral cytokines. Microbes Infect. 8, 2138-2144, 2006.
Melchjorsen J., Sirén J., Julkunen I., Paludan S. R. and Matikainen S. Induction of cytokine expression by herpes simplex virus in human monocyte-derived macrophages and dendritic cells is dependent on virus replication and is counteracted by ICP27 targeting NF-kappaB and IRF-3. J. Gen. Virol. 87: 1099-1108, 2006.
Veckman V., Österlund P., Fagerlund R., Melén K., Matikainen S. and Julkunen I. TNF-a and IFN-a pretreatment enhances influenza A virus-induced chemokine gene expression in lung epithelial cells. Virology, 345, 96-104, 2006
Valikoima ennen v. 2006 julkaistuja alkuperäisartikkeleita
Opinnäytteet
Väitöskirjat
Pietilä, Taija: Microbe-induced innate immune responses in human dendritic cells. Publications of the National Institute for Health and Welfare, Research 27, 2009.
Veckman, Ville: Microbe-induced activation of inflammatory cytokine response in human cells. Publications of the National Public Health Institute A 2 / 2007.
Pirhonen, Jaana: Regulation of virus-induced cytokine expression in human macrophages. Publications of the National Public Health Institute A 16 / 2002.
Miettinen, Minja: Regulation of cytokine gene expression by Gram-positive bacteria. Publications of the National Public Health Institute A 14 / 2000.
Pro gradu -työt
Mäkelä, Sanna: Toll-like-reseptori -välitteinen sytokiinituotanto ihmisen makrofageissa ja dendriittisoluissa. Helsingin yliopisto, Bio- ja ympäristötieteiden laitos, Yleisen mikrobiologian osasto, 2007.
Latvala, Sinikka: Probioottisten bakteerien vaikutus ihmisen dendriittisolujen aktivaatioon ja sytokiinituotantoon. Helsingin yliopisto, Bio- ja ympäristötieteiden laitos, Yleisen mikrobiologian osasto, 2007.
Pietilä, Taija: Luonnollisen immuniteetin aktivaatio Salmonella typhimurium-stimuloiduissa ihmisen makrofageissa ja dendriittisoluissa. Helsingin yliopisto, Biotieteiden laitos, Yleisen mikrobiologian osasto, 2003.
Veckman, Ville: Gram-positiivisten bakteerien aikaansaama kemokiinituotanto makrofageissa. Helsingin yliopisto, Maat. metsät. tdk, Soveltavan kemian ja mikrobiologian osasto, 2002.
Mattinen, Laura: Immuunivasteen aktivoituminen ja Toll-like receptor-molekyylien ilmentyminen endoteelisoluissa tuhkarokkovirusinfektiossa. Helsingin yliopisto, Biotieteiden laitos, Biokemian osasto, 2002.