Urođeno i adaptivno imunološko pamćenje: evolucijski kontinuum u odgovoru domaćina na patogene (2. dio)

Za više informacija kontaktirajtedavid.wan@wecistanche.com

Centralna naspram tkivne urođene imunološke memorije

Da bismo razumjeli mehanizme odgovorne za indukciju trenirane imunosti, moramo definirati dvije razine na kojima djeluje trenirana imunost. Prvu razinu predstavljaju stanične populacije koje su podvrgnute reprogramiranju (npr.progenitori hematopoetskih matičnih stanica;vidi dolje), a druga razina su unutarstanični procesi odgovorni za reprogramiranje svake stanice (npr. epigenetsko i metaboličko reprogramiranje stanice; vidi Epigenetski mehanizmi posreduju u indukciji urođene imunološke memorije).

Budući da je velika većina mijeloidnih stanica, kao što su monociti, granulociti i dendritične stanice, kratkog vijeka, postavlja se pitanje kako urođene imunološke stanice održavaju i šire opaženi fenotip urođene imunološke memorije nakon svog životnog vijeka tijekom razdoblja od do 3 mjeseca i duže. Nekoliko značajnih studija rasvijetlilo je neke od mehanizama koji pridonose tim procesima. Konkretno, pokazalo se da sustavna primjena komponente gljivične stanične stijenke -glukana dovodi do modulacije transkriptomskih, metabolomskih i funkcionalnih svojstava kaskade hematopoetskih progenitora u koštanoj srži, zauzvrat stvarajući više mijeloidnih stanica s bržom kinetikom trošak limfoidne loze (Mitroulis et al, 2018). Mehanički gledano, ovi su učinci pripisani signalnim događajima IL1 i GM-CSF, s indukcijom metabolizma kolesterola i pojačanom glikolizom koja dovodi do snažnije proizvodnje mijeloidnih efektorskih stanica nakonLPS ponovni izazov. Slične studije na miševima kojima je ubrizgan BCG pokazale su učinak cijepljenja na remodeliranje mijelopoeze, što zauzvrat posreduje u poboljšanoj urođenoj obrani domaćina protiv mikobakterija (Kaufmann et al., 2018). Štoviše, u modelu treninga urođenog imuniteta izazvanog prehranom s visokim udjelom masti, slični učinci na mijelopoezu su prikazani, ističući potencijalno štetne učinke stila života na reaktivnost imunološkog sustava, čime se barem djelomično objašnjavaju uočeni fenotipovi otvorene imunološke aktivacije kod pretilih osoba (Christ i sur., 2018.).

Do sada su studije samo razjasnile učinke sustavno primijenjenih stimulansa treninga. Međutim, fiziološki, lokalni urođeni imunološki trening čini se vrlo vjerojatnim budući da su pluća, sluznice ili koža redovito izloženi širokom spektru mikrobnih sastojaka. Doista, urođeni imunološki trening može se inducirati u modelu zacjeljivanja kožnih rana korištenjem lokalne primjene TLR3 liganda Poly I: C, što dovodi do poboljšane sposobnosti regeneracije kože nakon ozljede. Ovaj proces pojačanog zarastanja rane ovisio je o trajnom signaliziranju AIM2 unutar rezervoara epitelnih matičnih stanica unutar zahvaćenog područja kože, jasno pokazujući da se urođeni imunološki trening može izazvati i lokalno, neovisno o imunološkim stanicama (Naik et al, 2017. ). Štoviše, ranije studije o plućima sugeriraju da su urođene imunološke stanice u plućima doista sposobne zapamtiti svoju povijest upale. Studije koje su istraživale učinak dviju nepovezanih naknadnih virusnih infekcija, LCMV i virusa influence A, jasno su pokazale da prva infekcija ima sposobnost mijenjanja sekundarnog urođenog imunološkog odgovora, što ukazuje na stupanj urođenog imunološkog treninga u ovim modelima virusnih infekcija (Mehta et. al, 2015). Osim obrane domaćina, posljedice lokalnog urođenog imunološkog treninga ili upalne memorije za razvoj autoimunih i autoupalnih poremećaja tek treba istražiti. Nedavno je studija istaknula važnost prethodne imunološke aktivacije za razvoj astme u okruženju latentne infekcije gamaherpesvirusom, što je zauzvrat zaštitilo pogođene miševe od razvoja alergijske astme (Machiels et al, 2017.). Zanimljivo je da je ovaj zaštitni fenotip bio popraćen zamjenom alveolarnog makrofaga podrijetlom iz embrija s alveolarnim makrofagima podrijetlom iz monocita koji pokazuju imuno-regulacijski fenotip, čime se postavlja pitanje koju ulogu igraju makrofagi koji žive u tkivu u indukciji i/ili održavanju urođeni imunološki trening specifičan za organ.

Uzete zajedno, ove studije pružaju dokaze da je urođeno imunološko pamćenje inducirano in vivo u dva glavna odjeljka: središnje u koštanoj srži utječući na funkcionalni program imunoloških stanica preteča, i periferno u tkivima. Osobito tkiva izložena vanjskom svijetu posjeduju sposobnost podizanja urođene imunološke reakcije. Ovo postavlja pitanje kako je ovaj proces uravnotežen da osigura poboljšanu obranu domaćina i suprotstavi se razvoju autoupalnih poremećaja.

Kliknite ovdje da saznate više o Cistancheu

Epigenetski mehanizmi posreduju u indukciji urođene imunološke memorije

Središnja značajka uvježbanih urođenih imunoloških stanica je sposobnost postavljanja kvalitativno i kvantitativno drugačijeg transkripcijskog odgovora kada su izazvane mikrobima ili signalima opasnosti. Dokazi podupiru konvergenciju višestrukih regulatornih slojeva za posredovanje urođenog imunološkog pamćenja, uključujući promjene u organizaciji kromatina, metilaciju DNK i vjerojatno nekodirajuće RNA kao što sumikroRNA(miRNA) i/ili duga nekodirajuća RNA (ncRNA). U mijeloidnim stanicama, mnogi lokusi koji kodiraju upalne gene su u potisnutoj konfiguraciji tijekom homeostaze (Ramirez-Carrozzi i sur., 2006, 2009; Saccani i sur., 2001). Nakon primarne stimulacije, dolazi do snažnog povećanja dostupnosti kromatina, povećane acetilacije i regrutiranja RNA polimeraze II. Te su promjene potaknute regrutiranjem transkripcijskih faktora koji reagiraju na stimulaciju (npr. NF-kB, AP-1 i članovi obitelji STAT) u pojačivače i promotore gena, koji su obično unaprijed obilježeni transkripcijskim faktorima koji određuju lozu kao što je PU.1 (Barozzi i sur., 2014; Ghisletti i sur., 2010; Heinz i sur., 2010; Smale i Natoli, 2014). S druge strane, faktori transkripcije kontroliraju regrutiranje koaktivatora (uključujući histon acetiltransferaze i remodelere kromatina) (Ramirez-Carrozziet al., 2009; Ramirez-Carrozziet al., 2006) koji lokalno modificiraju kromatin kako bi ga učinili pristupačnijim transkripcijskim strojevima. Održavanje takve poboljšane dostupnosti je temelj učinkovitije indukcije gena nakon restimulacije (Foster et al., 2007). Jednu zanimljivu paradigmu pružaju latentni ili de novo pojačivači (Kaikkonen i sur., 2013.; Ostuni i sur., 2013.); to su genomski regulatorni elementi koji nisu obilježeni u nestimuliranim stanicama, ali dobivaju histonske modifikacije karakteristične za pojačivače (kao što je monometilacija histona H3 na K4, H3K4me1) samo kao odgovor na specifične podražaje. In vitro, nakon uklanjanja podražaja, dio latentnih pojačivača zadržava svoje modificirane histone i može se podvrgnuti jačoj aktivaciji kao odgovor na ponovnu stimulaciju (Ostuni et al., 2013).

Nedavne studije su istraživale promjene uepigenomski programiu urođenim imunološkim stanicama tijekom indukcije istrenirane imunosti. Jedna rana studija predložila je da su promjene u epigenetskom statusu u osnovi potiskivanja upalnih gena tijekom tolerancije na LPS (Foster et al, 2007.). Nasuprot tome, tijekom tolerancije na LPS, geni uključeni u antimikrobne odgovore ili nisu bili pogođeni ili je njihova ekspresija bila (Fos-ter et al., 2007). S druge strane, izloženost monocita/makrofaga C. albicansu ili -glukanu modulirala je njihov kasniji odgovor na stimulaciju nepovezanim patogenima ili PAMP-ovima, a promijenjeni funkcionalni krajolik uvježbanih monocita bio je popraćen epigenetskim reprogramiranjem (Quintin i sur., 2012.; Saeed i sur., 2014.). Također se pokazalo da BCG cijepljenje rezultira povećanjem upalnih medijatora u monocitima zdravih dobrovoljaca, što je u korelaciji s paralelnim promjenama u modifikacijama histona povezanim s aktivacijom gena (Arts et al.,2018; Kleinnijenhuis et al.,2012), kao i s promjenama u obrascu metilacije DNA (Verma et al.,2017).

Slično monocitima i makrofagima, indukcija memorije NK stanica izazvana CMV-om popraćena je dinamičkim promjenama strukture kromatina (Lau et al., 2018.) i barem se djelomično oslanja na epigenetsko reprogramiranje, koje je povezano sa smanjenom ekspresijom transkripcijskog faktora promijelocita leukemija cinkov prst (PLZF) (Schlums et al, 2015) i tirozin kinaza SYK (Lee et al, 2015). Zanimljivo je da je nedavna usporedna studija strukture kromatina na razini genoma u mCMV-induciranim memorijskim NK i CD8T stanicama otkrila da epigenetski potpisi NK i CD8 T stanica, iako su vrlo različiti u naivnim stanicama, postaju slični u efektorskim i memorijskim stanicama. Nekoliko gena koji dijele epigenetske i transkripcijske programe u memorijskim NK i CD8 T stanicama (na primjer Bach2, Tcf7 i Zeb2) poznato je da pokreću diferencijaciju CD8 T stanica na memorijski fenotip, što ukazuje na uobičajene epigenetske mehanizme koji leže u osnovi formiranja memorije u adaptivnom i urođene imunološke stanice (Lau et al., 2018). Ljudski CMV također pokreće epigenetičko utiskivanje IFNG lokusa u NK stanicama, što dovodi do konzistentne proizvodnje IFNy u NKG2C(hi) NK stanicama, pružajući molekularnu osnovu za adaptivnu značajku ovih stanica (Luetke-Eversloh et al., 2014.).

Stoga se može zaključiti da je epigenetsko ponovno ožičenje molekularni supstrat koji se nalazi u osnovi pojačanog odgovora urođenih imunoloških stanica na sekundarnu stimulaciju (Slika 3).

Klasično adaptivno imunološko pamćenje

Promjene u strukturi kromatina prate ne samo formiranje urođenog imunološkog pamćenja, već također i adaptivno imunološko pamćenje. Prilagodljivi imunološki sustav sastoji se od B i T limfocita, koji imaju visoku ekspresijuantigen specifičnih receptora, naime B-stanični receptor (BCR) i T-stanični receptor (TCR) koji se pojavljuju tijekom somatske rekombinacije gena (Slika 4), značajka jedinstvena za ove stanice. Postoje izvrsne recenzije o ulozi T i B stanica tijekom imunološkog odgovora (De Silva i Klein, 2015; Kurosakiet al., 2015) i razvoju pamćenja T i B stanica nakon što se imunološka reakcija riješi. U novije vrijeme, memorijske T i B stanice dodatno su podijeljene prema njihovoj lokaciji i različitim funkcijama (Jameson i Masopust, 2018; Kumar et al., 2018).

Iako niti naivne niti memorijske T i B stanice ne izražavaju efektorske molekule i posjeduju uglavnom slične transkripcijske programe, njihov odgovor na sekundarnu TCR ili BCR stimulaciju razlikuje se kvalitativno i kvantitativno (Akondy et al, 2017; Klein et al., 2003). Stoga se postavlja pitanje koji su mehanizmi odgovorni za učinkovitiji, ali specifični odgovor limfocita tijekom infekcije istim uzročnikom? Ova dva svojstva adaptivnog imunološkog odgovora posredovana su dvjema fundamentalno različitim vrstama mehanizama: prvo, veća veličina i brzina odgovora posredovani su epigenetskim programiranjem, dok je, drugo, specifičnost odgovora osigurana rekombinacijom gena TCR i BCR i klonska ekspanzija specifičnih staničnih subpopulacija nakon prepoznavanja antigena.

Epigenetsko programiranje u memorijskim limfocitima

Za postizanje brže i izraženije reaktivnostiT i B limfocitinakon ponovne infekcije istim patogenom, epigenetska regulacija idealan je regulatorni sustav koji omogućuje različitu funkcionalnost stanice bez gubitka njezina identiteta. Na molekularnoj razini, epigenetski mehanizmi ključni su za regulaciju ekspresije gena (Jaenisch i Bird, 2003). DNA metiltransferaze, remodeliranje kromatina i enzimi koji modificiraju histon mijenjaju strukturu kromatina u stražnjem rasponu na regulacijskim elementima gena i reguliraju dostupnost DNA za transkripcijski strojevi. miRNA utišavaju ekspresiju gena na razini transkripcije ili translacije, a IncRNA mogu poticati ili inhibirati interakcije kromatina. (Houri-Zeevi i Rechavi, 2017.). Naime, jednom inducirane, epigenetske promjene traju tijekom vremena i čuvaju se diobama stanica, odražavajući prošlost stanice i dopuštajući im da prenesu ta "sjećanja" na stanicu kćer. Stoga, epigenetska regulacija ne može biti samo obilježje procesa razvoja i diferencijacije, već molekularno objašnjava stanično obilježje memorije T i B stanica, naime povećanu veličinu i brži početak odgovora. Važno je da transkripcijska i epigenetska regulacija također kontrolira staničnu proliferaciju i klonsku ekspanziju, ključni proces memorije T i B stanica.

Slika 3. Amplituda imunološke memorije: Epigenetski mehanizmi

Epigenetsko ponovno ožičenje je u osnovi i adaptivnih karakteristika urođenih imunoloških stanica tijekom istrenirane imunosti i pojačanja odgovora u imunološkim stanicama adaptivnim na pamćenje. Utišavanje efektorskih gena u naivnim imunološkim stanicama održava se supresivnim histonskim oznakama, kao što je H3K27me3. Početna aktivacija transkripcije gena praćena je gubitkom i povećanjem specifičnih kromatinskih oznaka kao što su H3K27me3 odnosno H3K4me3, koje se samo djelomično održavaju nakon eliminacije podražaja. Poboljšani status urođenih imunoloških stanica, koji se ogleda u postojanosti histonskih oznaka kao što su H3K4me3-i H3K4me1-karakteriziraju "latentne pojačivače", rezultira nespecifičnim snažnijim odgovorom na sekundarne podražaje nakon ponovnog izazov.

Nedavno je Njemački program epigenoma (DEEP) generirao epigenetski skup podataka za čitav genom za ljudske periferne naivne, središnje i efektorske memorijske CD4 plus T stanice (Durek et al., 2016.). Ova je studija pokazala progresivni gubitak metilacije DNA, epigenetskog znaka koji je uglavnom povezan s utišavanjem gena, od naivnog do središnjeg do efektorskog pamćenjaCD4t T-stanice. Mnogi regulacijski elementi koji su pokazali smanjenje metilacije DNA tijekom prijelaza CD4 plus T stanica naivno u memoriju bili su povezani s genima za koje se zna da su uključeni u diferencijaciju CD4 plus T stanica, kao što su T-bet, podjedinice receptora IL2, RUNX3. Promjene metilacije DNA također prate diferencijacija naivnih CD8 plus T stanica u memorijske stanice. Zanimljivo, pokazalo se da je metilacija DNA obogaćena na lokusima koji kodiraju gene karakteristične za naivne T stanice, kao što su CD62L ili CCR7. Obrnuto, geni povezani s memorijskim CD8 plus T stanicama, uključujući T-bet i EOMES, pokazuju obogaćenu DNA-metilaciju u naivnim CD8 plus T stanicama, što ponovno sugerira da epigenetska regulacija dopušta različitu ekspresiju gena između naivnih i memorijskih T stanica (Abdelsamed et al., 2017.; Youngblood i sur., 2017.). Ako je gubitak metilacije DNA jedan od epigenetskih mehanizama koji omogućuje memorijskim T stanicama da reagiraju brže i s višom magnitudom, moglo bi se predložiti da genski lokusi za efektorske molekule T stanica trebaju biti demetilirani u memorijskim T stanicama, ali ne i u naivnim T stanicama . U stvari, lokusi gena odgovornih za CD8 plus T-stanicu efektorsku funkciju kao što su IFNg, Per-forin, granzyme B (GZMB) i GZMK su metilirani u naivnim CD8 plus T stanicama i postaju demetilirani u memorijskim CD8 plus T stanicama. Štoviše, profil metilacije ostaje uglavnom nepromijenjen tijekom homeostatske proliferacije memorijskih CD8 plus T stanica u odsutnosti antigena (Abdelsamed i sur., 2017; Youngblood i sur., 2017).

Preuređivanje DNA metiloma također je primijećeno tijekom diferencijacije naivnih B stanica u B stanice germinalnog centra (GC) i memorijske stanice, s dubljim promjenama između naivnih i GC B stanica nego između GC stanica i memorijskih i plazma stanica ( Kulis i sur.,2015; Lai i sur.,2013).U stvari. memorijske B i plazma stanice, iako relativno različite transkripcijske, posjeduju slične DNA-metilome, dok naivne i memorijske B stanice pokazuju više razlika u DNA-metilomima unatoč sličnim transkripcijskim programima. Štoviše, među različito metiliranim regijama bilo je pojačivača obogaćenih veznim mjestima faktora transkripcije (TF), posebno onih uključenih u diferencijaciju B stanica (Kulis et al, 2015; Lai et al, 2013). Ova opažanja sugeriraju da smanjene razine metilacije DNA na regulatornim elementima efektorskih molekula odražavaju povijest susreta s antigenom i olakšavaju bržu i izraženiju ekspresiju efektorskih gena nakon ponovnog susreta s antigenom.

DNA-metilacija nije jedina epigenetska modifikacija koja se mijenja tijekom naivne aktivacije T- i B-stanica i ostaje u memorijskim stanicama. Osim toga, obrasci modifikacije histona na regulatornim elementima omogućuju predviđanje naknadnog statusa ekspresije gena. Nekoliko studija bavilo se ovim promjenama tijekom diferencijacije T-stanica. Analiza modifikacija histona na cijelom genomu (H3K4me1, H3K4me3 i H3K27ac) u ljudskoj naivnoj, središnjoj memoriji i efektorskoj memoriji CD4 plus T stanica otkrila je da lokusi kodiraju za različite citokine uključujućiIFNY, IL4, IL13, IL17 i IL22su obogaćene aktiviranjem histonskih oznaka u usporedbi s naivnim stanicama. Osim toga, oni se brže induciraju u pamćenju nego u naivnim T stanicama nakon stimulacije (Barski i sur., 2017.; Durek i sur., 2016.). Slični obrasci primijećeni su na lokusima gena koji kodiraju T-bet i RORC faktore transkripcije za koje se zna da su važni regulatori za efektorske molekule inducirane u memorijskim CD4*T stanicama nakon stimulacije koje, na primjer, pokreću ekspresiju IFN-a i IL17. Nadalje, postoji pozitivna korelacija između povećanja H3K4me3 u memorijskim CD4 plus T stanicama na genskim lokusima koji su inducibilniji u memorijskim stanicama od naivnih T stanica, što sugerira njihov uravnotežen status u memorijskim stanicama (Barski et al., 2017).

Osim toga, provedene su epigenetske studije na populacijama CD8*T stanica (Henning i sur., 2018.). Gubitak aktivirajućih histonskih oznaka H3K4me3 i H3K9ac i dobitak supresivnog H3K27me3 primijećen je na genima s niskom regulacijom u efektorskim CD8 plus T stanicama (kao što su FOXO1, KLF2, LEF i TCF7), dok su gubitak H3K27me3 i/ili dobitak H3K4me3 pronađeni na genima koji kodiraju efektorske molekule (kao što su Eomes, TNFa, IFNg, GZMB, CD27, BLIMP1, CCR7 ili SELL) u memorijskim stanicama (Araki et al., 2008; Russ et al., 2014). Zanimljivo je da je aktiviranje modifikacije H3K9ac povećano u memorijskim stanicama na lokusima gena koji su dio signalnih putova nizvodno od TCR-a. Ovo sugerira da se ne samo efektorske molekule, već i rana transdukcija signala mogu brzo potaknuti iskustvom sekundarnog antigena u memorijskim T stanicama (Rodriguez et al, 2017). Da li je ovaj učinak također odgovoran za veću veličinu uočenu u memorijskim T stanicama, potrebno je dodatno istražiti.

Nadalje, pokazalo se da su aktivirajuće modifikacije histona H3K4me1 i H3K27ac obogaćene efektorskim i memorijskim CD8 plus T stanicama na genskim lokusima induciranim nakon aktivacije naivnih stanica, IL7r i Id2 na primjer (Yu et al., 2017) (Crompton et al, 2016 ). Slično CD4 plus T stanicama, geni visoko inducibilni nakon stimulacije u memorijskim CD8 plus T stanicama karakteriziraju obogaćene H3K4me3 i osiromašene H3K27me3 modifikacije na njihovim odgovarajućim genskim lokusima u usporedbi s naivnim stanicama (Araki et al., 2009; Russ et al., 2014). Štoviše, distribucija oznaka H3K4me3 i H3K27me3 u memorijskim stanicama diljem genoma bila je sličnija efektorskim nego naivnim CD8 plus T stanicama (Cromp-ton i sur., 2016.; Russ i sur., 2014.).

Slika 4. Specifičnost imunološke memorije; Antigensko prepoznavanje i klonska ekspanzija

Klasično adaptivno imunološko pamćenje inducira se prezentacijom antigena specijaliziranim limfocitima u limfnim čvorovima. Nakon proliferacije, eliminacije patogena i kontrakcije, mali broj memorijskih limfocita ostaje kako bi se osiguralo dugotrajno specifično pamćenje ciljnog patogena.

Zanimljiva skupina stanica koje bi mogle premostiti razvoj od naivnih do efektorskih T-stanica nedavno je opisana kao memorija nalik matičnim stanicamaCD8 plusT(SCM) stanice. Tsim posjeduje djelomično naivni fenotip (CD44low CD62L) i karakteristike pamćenja∶ visoke ekspresije IL2Rßt i CXCR3 plus, povećani potencijal proliferacije i otpuštanje citokina kao odgovor na ponovnu stimulaciju antigenom (Gattinoni et al., 2011; Gattinoni et al., 2009; Zhang et al, 2005), i ovisnost o IL-15 i IL-7 za homeostatski promet (Cieri et al, 2013). Razvoj Tsim stanica također je popraćen epigenetskim promjenama (Abdel-samed i sur., 2017; Akondy i sur., 2017). Analiza transkriptoma i histonske modifikacije in vitro generiranih ljudskih Tscm sugerira da se ova stanična populacija sastoji od razvojnog kontinuuma od naivnih preko Tsim do efektorskih i memorijskih T stanica. Crompton i sur. pokazali su progresivnu regulaciju naviše i naniže regulaciju gena potpisa od naivnih T stanica, Tsim i efektorskih T stanica do T memorijskih stanica, popraćeno progresivnim stjecanjem H3K4me3 i gubitkom histonskih oznaka H3K27me3 (Cromp-ton et al, 2016. ). Promjene strukture kromatina dodatno su proširene na analizu DNK metiloma koja je pokazala progresivni gubitak DNK metilacije tijekom razvoja Tsim stanica iz naivnih T stanica (Abdelsamed et al., 2017), što ukazuje da Tsim potječe iz naivnih T stanica. Međutim, ova je hipoteza osporena promatranjem dugoživućih CD8 plus T stanica stvorenih kod pojedinaca cijepljenih protiv žute groznice, ovi autori su predložili da Tsim nastaje iz efektorskih T stanica (Akondy et al., 2017.). Iako je podrijetlo Tsima potrebno bolje istražiti, jasno je da se struktura kromatina sastoji od osnove pojačanog odgovora citokina i proliferativnog potencijala Tsima.

Ovi podaci sugeriraju da je povećani potencijal ekspresije gena u memorijskim T-stanicama kodiran u njegovoj strukturi kromatina i molekularno nalikuje funkcionalnim obilježjima većeg intenziteta i bržeg početka odgovora. Prvenstveno se dobiva nakon antigen-specifične stanične aktivacije naivnih T stanica, zatim se čuva u memorijskim T stanicama tijekom in vivo homeostaze.

Manje se zna o modifikacijama histona u naivnim i memorijskim B stanicama, ali o procjeni H3K4me1, H3K4me3 i H3K36me3. H3K27me3 i H3ac pokazali su da subpopulacije ljudskih B stanica imaju vrlo jasne i specifične epigenetske profile. Utvrđeno je da je prijelaz iz naivnih u GC B stanice povezan s povećanjem aktivacije histonskih oznaka H3K4me1, H3K4me3 i H3ac na genima induciranim tijekom stvaranja GC i gubitkom tih oznaka na genima koji postaju utišani (Zhang et al, 2014b) . Unatoč tome što je dostupno malo znanja o promjenama u krajolicima modifikacije histona tijekom predanosti B stanica memorijskim podskupovima, nekoliko studija pokazuje važnost enzima koji modificiraju histon u formiranju memorijskih B stanica.

Nova istraživanja također su rasvijetlila enzime i mehanizme odgovorne za epigenetsko programiranje pamćenja u limfocitima. Histon acetiltransferaza monocitna leukemija protein cinkovog prsta (MOZ) modifikator je histona za koji je utvrđeno da je važan za pravilan GC i formiranje memorijskih B stanica (Good-Jacob-son et al, 2014). MOZ je potreban tijekom aktivacije B-stanica i predloženo je da MOZ-inducirana modifikacija histona tijekom primarnog odgovora može promijeniti dinamiku sekundarnih odgovora utječući na repertoar memorijskih B stanica. Budući da metilacija DNA igra ulogu u formiranju memorijskih B stanica, mutacija DNA, metiltransferaza 3 beta (Dnmt3b) povezana je s nedostatkom plazme i memorijskih B stanica u ICF sindromu (imunodeficijencija, nestabilnost centromera i sindrom anomalija lica) (Blanco-Betancourt i sur., 2004.; Hansen i sur., 1999.; Xu i sur., 1999.). Delecija Dnmt3 rano tijekom diferencijacije CD8* T efektorskih stanica rezultirala je smanjenom razinom metilacije DNA i ponovnom ekspresijom gena povezanih s stanjem naivne stanice, stoga slabljenjem formiranje memorijskih stanica (Youngblood et al, 2017). U CD4 plus T stanicama, nekoliko enzima koji modificiraju histon, uključujući H3K9 metiltransferazu SUV39H1 i Jumonji domenu koja sadrži 3 (Jmjd3)H3K27 demetilaza, kontroliraju predanost naivnih T-stanica efektorskim stanicama reguliranjem efektorskih citokina i ekspresije faktora transkripcije. U nedostatku SUV39H1 ili Jmjd3, jednom predane Th1, Th2 ili Th17 stanice počinju ponovno izražavati citokine druge loze, što sugerira da su enzimi koji modificiraju histon potrebni u CD4 plus T stanicama kako bi "zapamtili" svoje izvorne transkripcijske programe (Allan et al. , 2012; Let al., 2014).

Sve u svemu, velik broj dokaza pokazuje važnu ulogu epigenetskog programiranja u posredovanju promjena u veličini i kinetici limfocita T i B tijekom indukcije imunološke memorije (Slika 3).

Drugo važno svojstvo adaptivne imunološke memorije predstavlja specifičnost odgovora. Osigurava se ekspresijom visoko specifičnih receptora i imunoglobulina (g) od strane T i B stanica. Da bi bio učinkovit, visoko specifičan imunološki odgovor zahtijeva veliku raznolikost receptora i antitijela, što se postiže somatskim preuređivanjem segmenata gena koji kodiraju za TCR i LG. U klasičnom procesu V(D)J rekombinacije, stotine genskih segmenata, koji se nazivaju varijabla (V), raznolikost (D) i spajanje (J), sastavljeni su u jedan VDJ egzon. Ovaj proces "izreži i zalijepi" pokreću enzimi RAG (kodirani genima za rekombinaciju-aktivaciju) specifično izraženi i neophodni u sazrijevanju limfocita. V(D)J rekombinacija rezultira milijunima TCR-a i varijanti antitijela sposobnih prepoznati i neutralizirati milijune različitih antigena. Nakon uspješnog preuređivanja svog receptora, zrele B ili T stanice izražavaju funkcionalni BCR (sastavljen od transmembranskih lgs) odnosno TCR, spremne za susret s antigenom. Prisutnost RAG proteina usko je povezana s procesom preuređenja DNA, a pojava RAG gena tijekom evolucije desetljećima se smatra temeljnom za razvoj adaptivnog imuniteta. Do danas su homolozi RAG-a opisani kod mnogih kralježnjaka s čeljustima, ali ne i kod kralježnjaka bez čeljusti kao što su lampure ili slenke (Kumar et al., 2015.). Unatoč nedostatku gena za aktivaciju rekombinacije, imunološki odgovor kralježnjaka bez čeljusti pokazuje karakteristike adaptivnog imuniteta. To je posredovano putem limfocita koji nose antigen-specifične varijabilne limfocitne receptore (VLR) koji se pojavljuju tijekom somatskog preuređivanja DNA. Neki VLR mogu se lučiti izvanstanično i služiti kao protutijela (Herrin i Cooper, 2010.).

Limfocit koji nosi antigen-specifični receptor podvrgava se klonalnoj ekspanziji nakon aktivacije antigenom obogaćujući sastav imunoloških stanica kod onih koje su sposobne prepoznati pronađeni antigen. Klonalna ekspanzija antigenom aktiviranih B i T stanica ne samo da osigurava bolju obranu tijekom primarne infekcije, već također čini imunološki odgovor učinkovitijim nakon sekundarne infekcije istim uzročnikom. Povišen broj memorijskih stanica i plazma stanica koje proizvode antitijela, generiranih tijekom klonske ekspanzije, povećava šanse za susret s antigenom, čineći sekundarni imunološki odgovor puno bržim i učinkovitijim (Campos i Godson, 2003.). Međutim, unatoč promjenama u brojevima i premještanju memorijskih stanica na mjesta s povećanim izgledima za susret s antigenom (Aiba i sur., 2010.; Sathaliyawala i sur., 2013.), mogu postojati intrinzične promjene koje omogućuju memorijskim stanicama da reagiraju izraženije i brže do sekundarnih imunoloških izazova (Barski et al, 2017).

Slika 5. Predloženi model u dva koraka za evoluciju imunološke memorije

Prvi korak predstavljaju drevni evolucijski epigenetski procesi koji osiguravaju povećanu veličinu odgovora na drugu infekciju, a to karakterizira i urođeno i adaptivno pamćenje. Drugi korak se razvio kod kralježnjaka i osigurava da je pamćenje visoko specifično prema određenom patogenu, uključujući razvoj specifičnih memorijskih stanica odabranih iz velikog repertoara dobivenog rekombinacijom gena.

Evolucijski model koji uključuje dva koraka za razvoj imunološke memorije

U ovoj smo perspektivi ponovno procijenili različite mehanizme odgovorne za indukciju dva glavna oblika imunološkog pamćenja: klasičnog adaptivnog imunološkog pamćenja i urođenog imunološkog pamćenja. Oba oblika karakterizira poboljšani odgovor domaćina nakon ponovne infekcije i evoluirali su kako bi povećali šanse za preživljavanje domaćina u okruženju koje vrvi potencijalno smrtonosnim patogenim mikroorganizmima.

Na temelju gore navedenih podataka, željeli bismo predložiti sveobuhvatan koncept kao osnovni okvir za razumijevanje svojstava imunološke memorije u različitim skupinama višestaničnih organizama. U ovom modelu predlažemo da je imunološka memorija opća karakteristika obrane domaćina svih živih organizama. Evolucija imunološke memorije u različitim skupinama organizama je kontinuum koji je započeo razvojem epigenetskih mehanizama odgovornih za povećanje magnitude i brzine imunološkog odgovora nakon ponovne infekcije i nastavio se nakon toga s izgradnjom specifičnosti u kralježnjaka mehanizmima uključujući gen rekombinacija i klonska selekcija. Amplifikacija magnitude i kinetike epigenetskim ponovnim ožičenjem stoga karakterizira primitivniji oblik urođenog imunološkog pamćenja, dok i veća magnituda/kinetika i specifičnost karakteriziraju profinjeno adaptivno imunološko pamćenje u kralješnjaka (Slika 5).

Ovo se ne smije smatrati statičnim modelom, ali se može promijeniti s novim otkrićima u godinama koje dolaze. Možemo zamisliti, na primjer, da će novi oblici adaptivne imunološke memorije biti opisani kod složenih beskralježnjaka. Naime, u skladu s procjenama da su prednosti izgradnje adaptivne imunološke memorije posebno očite kod dugovječnih organizama, zamislivo je, a možda čak i vjerojatno, da će se oblici specifične adaptivne imunosti opisati i kod nekih skupina složenih beskralježnjaka. .

Iz molekularne perspektive, moramo bolje razumjeti kako se epigenetske promjene nakon početne imunološke aktivacije prevode u postizanje izraženijih sekundarnih odgovora s bržim početkom. Koji su epigenetski mehanizmi koji omogućuju takvu prilagodbu u ponašanju imunoloških stanica? Kada je ovo ponašanje evolucijsko korisno? Zašto samo neki podražaji dovode do takvog staničnog odgovora? I, kao posljedica toga, možemo li identificirati pravila koja bi nam omogućila predviđanje odgovora imunološke memorije na određeni kemijski entitet? Koje su situacije u modernom životu koje pokreću imunološku memoriju izvan našeg evolucijskog razumijevanja? Je li imunološko pamćenje u tim slučajevima uvijek štetno? Vrlo nedavni primjeri sugeriraju da neočekivana indukcija urođene imunološke memorije zapadnjačkom prehranom (Christ et al., 2018.) ili u kontekstu Alzheimerove bolesti (Wendeln et al., 2018.) pokazuje lošu stranu evolucijski očuvanog imunološkog mehanizma . Nadalje, koja je uloga lokalno induciranog urođenog imunološkog pamćenja i kako tkiva brišu ta sjećanja ako je potrebno?

Ostala pitanja odnose se na specifičnosti epigenetskih mehanizama i promjena induciranih tijekom indukcije imunološke memorije. Zašto su zahvaćeni samo neki genski lokusi i jesu li oni iz određenih klasa? Mehanički gledano, koje su sličnosti i razlike između epigenetskih promjena uočenih u adaptivnom i urođenom imunološkom pamćenju? Važno područje budućih istraživanja bit će identificirati i opisati karakteristike pamćenja neimunih stanica (npr. epitelnih stanica, stromalnih stanica, itd. Doista, vrlo nedavne studije pokazale su dugoročne promjene epitelnih prekursora posredovane epigenetikom. (Naik et al., 2017; Ordovas-Montanes et al., 2018), s važnom ulogom u obrani i regeneraciji tkiva. Korištenje novorazvijenih tehnologija, uključujući jednostanično sekvenciranje omike, predstavljat će važnu potporu za odgovor na mnoga od ovih pitanja u sljedećem desetljeću.

Konačno, uz bolje razumijevanje imunološke memorije na mehaničkoj i konceptualnoj razini, nadamo se da će opis adaptivne i imunološke memorije dovesti do učinkovitijeg dizajna cjepiva. Doista, može se zamisliti da bi cjepiva koja mogu potaknuti oba oblika imunološke memorije u isto vrijeme bila učinkovitija. Jasno razumijevanje procesa koji pokreću imunološku memoriju na svim razinama ključno je za postizanje ovog cilja.