La inmunómica es el estudio de la regulación del sistema inmunológico y la respuesta a los patógenos mediante enfoques que abarcan todo el genoma . Con el auge de las tecnologías genómicas y proteómicas , los científicos han podido visualizar redes biológicase inferir interrelaciones entre genes y / o proteínas; Recientemente, estas tecnologías se han utilizado para ayudar a comprender mejor cómo funciona el sistema inmunológico y cómo se regula. Dos tercios del genoma están activos en uno o más tipos de células inmunes y menos del 1% de los genes se expresan de forma única en un tipo de célula determinado. Por lo tanto, es fundamental que los patrones de expresión de estos tipos de células inmunitarias se descifren en el contexto de una red, y no como un individuo, para que sus funciones se caractericen correctamente y se relacionen entre sí. [1] Defectos del sistema inmunológico, como enfermedades autoinmunes , inmunodeficiencia y neoplasias malignas.puede beneficiarse de los conocimientos genómicos sobre procesos patológicos. Por ejemplo, el análisis de la variación sistemática de la expresión génica puede relacionar estos patrones con enfermedades específicas y redes de genes importantes para las funciones inmunitarias. [2]
Tradicionalmente, los científicos que estudian el sistema inmunológico han tenido que buscar antígenos de forma individual e identificar la secuencia de proteínas de estos antígenos (" epítopos ") que estimularían una respuesta inmunitaria. Este procedimiento requirió que los antígenos se aislaran de las células completas, se digirieran en fragmentos más pequeños y se probaran contra las células T y B para observar las respuestas de las células T y B. Estos enfoques clásicos solo podían visualizar este sistema como una condición estática y requerían una gran cantidad de tiempo y trabajo.
Immunomics ha facilitado este enfoque gracias a su capacidad para observar el sistema inmunológico en su conjunto y caracterizarlo como un modelo dinámico. Ha revelado que algunas de las características más distintivas del sistema inmunológico son la movilidad continua, el recambio y la plasticidad de sus células constituyentes. Además, las tecnologías genómicas actuales, como los microarrays , pueden capturar la expresión de genes del sistema inmunológico a lo largo del tiempo y pueden rastrear interacciones de microorganismos con células del sistema inmunológico innato . Los nuevos enfoques proteómicos, incluido el mapeo de epítopos de células T y células B , también pueden acelerar el ritmo al que los científicos descubren las relaciones anticuerpo-antígeno.
Definición
El sistema inmunológico de un huésped responde a la invasión de patógenos mediante un conjunto de respuestas específicas de patógenos en las que participan muchos "jugadores"; estos incluyen anticuerpos , células T auxiliares , células T citotóxicas y muchas otras. Las células presentadoras de antígeno (APC) son capaces de internalizar patógenos y mostrar un fragmento del antígeno, el epítopo , con complejos principales de histocompatibilidad (MHC) en la superficie celular. La respuesta de las células T se inicia cuando las células T reconocen estos epítopos mostrados. Sólo se necesitan secuencias de péptidos específicas de algunos antígenos específicos de patógenos para estimular las respuestas de las células T y B; es decir, la secuencia completa del péptido patógeno no es necesaria para iniciar una respuesta inmune. El " inmunoma " de un patógeno se describe por su conjunto de epítopos y se puede definir comparando secuencias del genoma y aplicando herramientas inmunoinformáticas. [3]
Historia
Ash Alizadeh y col. fueron algunos de los primeros en reconocer el potencial de los microarrays de ADNc para definir la expresión génica de las células inmunes. Su análisis sondeó la expresión génica de linfocitos B y T humanos durante la activación celular y / o estimulación con citocinas , un tipo de molécula reguladora de señalización. Se sabía que muchos de los genes activados en los linfocitos T estimulados estaban involucrados en la transición del ciclo celular G0 / G1 o que codificaban quimiocinas , moléculas de señalización involucradas en la respuesta inflamatoria. Este equipo también fue capaz de visualizar los patrones temporales de expresión génica de las células T durante la mitogénesis . En los párrafos finales de su artículo histórico, estos científicos afirman que “prácticamente todos los rincones de la investigación inmunológica se beneficiarán del análisis de microarrays de ADNc de la expresión génica” y, por lo tanto, anunciaron el auge de la inmunómica.
Limitado por los microarrays disponibles y un genoma humano no completo en este momento, este mismo grupo de investigadores estaba motivado para crear un microarreglo especializado que se enfocaba en genes expresados preferentemente en un tipo de célula dado, o que se sabe que son funcionalmente importantes en un determinado tipo de célula. proceso biológico. Como resultado, Alizadeh y sus colegas diseñaron el microarray de ADNc “Lymphochip”, que contenía 13.000 genes y estaba enriquecido con genes de importancia para el sistema inmunológico. [4]
El artículo de 1999 de Iyer et al. Fue otro que reveló la importancia de aplicar tecnologías genómicas a la investigación inmunológica. Aunque no pretendían abordar ningún aspecto de la inmunidad al comienzo de su experimento, estos investigadores observaron que los perfiles de expresión de los fibroblastos estimulados por suero eran mucho más ricos de lo anticipado y sugirieron un papel fisiológico importante de los fibroblastos en la curación de heridas. Los genes inducidos por el suero se han asociado con procesos relevantes para la cicatrización de heridas, incluidos genes directamente involucrados en la remodelación del coágulo y la matriz extracelular, así como genes que codifican proteínas señal para la inflamación, el desarrollo de nuevos vasos sanguíneos y el recrecimiento del tejido epitelial. Además, uno de los resultados más significativos de este análisis de expresión fue el descubrimiento de más de 200 genes previamente desconocidos cuya expresión estaba regulada temporalmente durante la respuesta de los fibroblastos al suero. Estos resultados revelaron la importancia de ver la respuesta inmune como un programa fisiológico colaborativo y pidieron un mayor estudio del sistema inmune como una red, y no solo como piezas individuales. [5]
En 2006, Moutaftsi et al. demostraron que las herramientas de mapeo de epítopos podían identificar con precisión los epítopos responsables del 95% de la respuesta de las células T murinas al virus vaccinia . A través de su trabajo, estos científicos introdujeron el ámbito interdisciplinario de la informática y la inmunología mientras empleaban datos genómicos, proteómicos e inmunológicos. El sorprendente éxito y la facilidad de este método animaron a los investigadores tanto a definir el inmunoma de otros patógenos como a medir la amplitud y superposición de los inmunomas de patógenos que dan lugar a la inmunidad. Además, sugirió otras aplicaciones en las que podrían usarse herramientas de mapeo de epítopos, incluida la autoinmunidad, el trasplante y la inmunogenicidad . [6]
Tecnologías utilizadas
Microarrays inmunómicos
Se han creado varios tipos de micromatrices para observar específicamente la respuesta y las interacciones del sistema inmunológico. Los microarrays de anticuerpos utilizan anticuerpos como sondas y antígenos como dianas. Se pueden utilizar para medir directamente las concentraciones de antígeno para las que las sondas de anticuerpos son específicas. Los microarrays de péptidos utilizan péptidos antigénicos como sondas y anticuerpos séricos como dianas. Estos pueden usarse para aplicaciones inmunómicas funcionales para la comprensión de enfermedades autoinmunes y alergias, definición de epítopos de células B, estudios de vacunas, ensayos de detección y análisis de especificidad de anticuerpos. Las micromatrices de MHC son el desarrollo más reciente en matrices inmunómicas y utilizan complejos péptido-MHC y sus moléculas coestimuladoras como sondas y poblaciones de células T como dianas. Las células T unidas se activan y secretan citocinas, que son capturadas por anticuerpos de detección específicos. Esta micromatriz puede mapear epítopos de células T restringidos por MHC. [7]
Lymphochip
El Lymphochip es un microarray de ADNc humano especializado enriquecido con genes relacionados con la función inmunológica y creado por Ash Alizadeh en la Universidad de Stanford . Se tomaron 17.853 clones de ADNc de tres fuentes. El primer conjunto de clones se seleccionó si las etiquetas de secuencia expresada (EST) identificadas eran únicas o estaban enriquecidas específicamente en bibliotecas de ADNc linfoide; estos representan ~ 80% de los clones de Lymphochip. El segundo conjunto de clones se identificó durante el análisis de microarrays de primera generación de respuestas inmunes. Por último, se utilizaron en el Lymphochip 3.183 genes que se sabe o se sospecha que tienen funciones en la función inmunitaria, la oncogénesis , la apoptosis , la proliferación celular o los marcos de lectura abiertos de virus humanos patógenos. Con frecuencia se agregan nuevos genes.
Herramientas de mapeo de epítopos de células T y B
El mapeo de epítopos identifica los sitios de anticuerpos a los que se unen sus antígenos diana. En el pasado, los científicos tenían que aislar antígenos, digerirlos en fragmentos más pequeños y determinar cuál de estos fragmentos estimulaba las respuestas de las células T y B para definir el epítopo de un anticuerpo. Immunomics aprovecha el poder de la bioinformática y ofrece algoritmos de mapeo que aceleran el descubrimiento de secuencias de epítopos. Estos algoritmos son relevantes para el diseño de vacunas y para caracterizar y modificar respuestas inmunes en el contexto de autoinmunidad , endocrinología , alergia , trasplante, diagnóstico e ingeniería de proteínas terapéuticas.
Los algoritmos de mapeo de epítopos de células T y células B pueden predecir epítopos computacionalmente basados en la secuencia genómica de patógenos, sin conocimiento previo de la estructura o función de una proteína. Se utilizan una serie de pasos para identificar epítopos:
- La comparación entre organismos virulentos y avirulentos identifica genes candidatos que codifican epítopos que solicitan respuestas de células T al buscar secuencias que son exclusivas de las cepas virulentas. Además, las tecnologías de microarrays diferenciales pueden descubrir genes específicos de patógenos que se regulan positivamente durante la interacción del huésped y pueden ser relevantes para el análisis porque son fundamentales para la función del patógeno.
- Las herramientas inmunoinformáticas predicen regiones de estos genes candidatos que interactúan con las células T mediante el escaneo de secuencias de proteínas derivadas del genoma de un patógeno.
- Estos péptidos predichos se sintetizan y utilizan en el cribado in vitro contra células T. El reconocimiento de una respuesta inmune positiva puede sugerir que este péptido contiene un epítopo que estimula la respuesta inmune en el curso de una infección o enfermedad natural. [8]
Herramientas de mapeo disponibles
- EpiMatrix
- TEPITOPE
- Multiplicado
- Hilo MHC
- MHCPred
- NetMHC
- LpPep
- BIMAS
Tinción con tetramero por citometría de flujo
El principio rector de la citometría de flujo es que las células o partículas subcelulares que se marcan con sondas fluorescentes se pasan a través de un rayo láser y se clasifican según la intensidad de la fluorescencia emitida por las células contenidas en las gotitas. MHC [[tinción con tetrámero]] mediante citometría de flujo identifica y aísla células T específicas basándose en la especificidad de unión de sus receptores de superficie celular con complejos MHC-péptido marcados con fluorescencia. [9]
ELISPOT
ELISPOT es una versión modificada del inmunoensayo ELISA y es un método común para monitorear las respuestas inmunes.
Contribuciones a la comprensión del sistema inmunológico
La inmunómica ha tenido un impacto considerable en la comprensión del sistema inmunológico al descubrir diferencias en los perfiles de expresión génica de los tipos de células, caracterizar la respuesta inmunitaria, iluminar los linajes y relaciones de las células inmunitarias y establecer redes reguladoras de genes. Si bien la siguiente lista de contribuciones no está completa, está destinada a demostrar la amplia aplicación de la investigación inmunológica y las poderosas consecuencias sobre la inmunología.
Activación y diferenciación de células inmunes
Anergia de linfocitos B
Los microarrays han descubierto patrones de expresión génica que se correlacionan con la activación o anergia inducida por antígenos en los linfocitos B. Las vías de anergía de los linfocitos implican la inducción de algunas, pero no todas, las vías de señalización utilizadas durante la activación de los linfocitos. Por ejemplo, las rutas de las quinasas NFAT y MAPK / ERK se expresan en líneas celulares anérgicas (o "tolerantes), mientras que las rutas de las quinasas N-terminales NF-kB y c-Jun no lo son. De los 300 genes que se alteraron en la expresión después de células B vírgenes estimuladas con antígeno, solo 8 de estos genes estaban regulados en células B tolerantes. La comprensión de estas vías de "tolerancia" tiene implicaciones importantes para el diseño de fármacos inmunosupresores. Estas firmas de expresión génica de las células B tolerantes podrían usarse durante la selección de fármacos para sondear compuestos que imiten los efectos funcionales de la tolerancia natural. [10]
Diferenciación de linfocitos
Los perfiles de expresión génica durante la diferenciación de linfocitos humanos han seguido a las células B maduras, vírgenes , desde su estado de reposo a través de reacciones del centro germinal y hasta la diferenciación terminal. Estos estudios han demostrado que las células B del centro germinal representan una etapa distinta en la diferenciación porque el perfil de expresión génica es diferente al de las células B periféricas activadas. Aunque ningún sistema de cultivo in vitro ha sido capaz de inducir a las células B periféricas en reposo a adoptar un fenotipo de centro germinal completo, estos perfiles de expresión génica pueden usarse para medir el éxito de los cultivos in vitro en la imitación del estado del centro germinal a medida que se desarrollan. [11]
Neoplasias linfoides
Aproximadamente 9 de cada 10 cánceres linfoides humanos se derivan de las células B. Los distintos patrones de expresión en todo el inmunoma en una gran cantidad de linfomas difusos de células grandes (DLCL), la forma más común de linfoma no Hodgkin, han identificado al menos dos subtipos diferentes en lo que anteriormente se pensaba que era una sola enfermedad. Un subconjunto de estas DLCL muestra un patrón de expresión génica similar al de las células B normales del centro germinal e implica que la célula tumoral se originó a partir de una célula B del centro germinal. Otros estudios de neoplasias de células B muestran que los linfomas foliculares comparten características de expresión con las células B del centro germinal, mientras que las células de leucemia linfocítica crónica se asemejan a los linfocitos de sangre periférica en reposo. Además, la heterogeneidad en cada una de estas líneas celulares también sugiere que existen diferentes subtipos dentro de cada tipo de linfoma, tal como se ha demostrado en DLCL. Este conocimiento se puede utilizar para dirigir a los pacientes a la terapia más adecuada. [12]
Respuesta inmune
Respuestas de los macrófagos a las bacterias
Los microarrays han analizado las respuestas globales de los macrófagos a diferentes microorganismos y han confirmado que estas respuestas mantienen y controlan los procesos inflamatorios y también matan a los microorganismos. Estos estudios independientes han podido describir mejor cómo los macrófagos montan ataques contra diferentes microorganismos. Se observó que una "respuesta transcripcional central" induce 132 genes y reprime 59 genes. Los genes inducidos incluyen quimiocinas y citocinas proinflamatorias, y sus respectivos receptores. También se observó una "respuesta específica de patógenos". [13]
Respuesta dendrítica al patógeno
Las células dendríticas (CD) ayudan a los macrófagos a mantener los procesos inflamatorios y participar en la respuesta del sistema inmunológico innato , pero también pueden estimular la inmunidad adaptativa . Los análisis de expresión genética han demostrado que los países en desarrollo pueden "realizar múltiples tareas" al segregar temporalmente sus diferentes funciones. Poco después de reconocer un agente infeccioso, las CD inmaduras pasan a un estado de activación temprana a través de una respuesta central caracterizada por una rápida regulación a la baja de los genes involucrados en el reconocimiento de patógenos y la fagocitosis , regulación por aumento de los genes de citocinas y quimiocinas para reclutar otras células inmunes al lado de las inflamaciones; y expresión de genes que controlan la capacidad migratoria. Las CD activadas tempranamente pueden migrar desde tejidos no linfoides a los ganglios linfáticos, donde pueden cebar las respuestas de las células T. Estas respuestas tempranas de las CD están relacionadas con la inmunidad innata y consisten en la "respuesta transcripcional central" de las CD. Las respuestas específicas de patógenos tienen una influencia más fuerte en la capacidad de las CD para regular la inmunidad adaptativa.
Distinguir los tipos de células inmunes
La comparación de las distinciones entre el programa transcripcional general de las células inmunitarias puede generar gráficos que posicionen cada tipo de célula para reflejar mejor su perfil de expresión en relación con todas las demás células y puede revelar relaciones interesantes entre los tipos de células. Por ejemplo, los perfiles transcripcionales de las células inmunitarias del epitelio medular del timo se mapearon más cerca de los linfocitos que de otros epitelios. Esto puede sugerir que existe una interacción funcional entre estos dos tipos de células y requiere el intercambio de transcripciones y proteínas particulares. Al comparar los perfiles de expresión génica de las células del sistema sanguíneo, los subconjuntos de células T y células B se agrupan estrechamente con sus respectivos tipos de células.
Al observar el perfil transcripcional de diferentes células T, los científicos han demostrado que las células T asesinas naturales son una variante cercana de las células T CD4 + convencionales , en lugar de un tipo de célula intermediaria entre las células T y las células asesinas naturales . Además, las CD, las células asesinas naturales y las células B están estrechamente agrupadas en función de sus perfiles de expresión global. Se podía haber esperado que los linfocitos B y los linfocitos T se agruparan por separado entre sí, o que las células asesinas naturales estuvieran más estrechamente relacionadas con las células T porque comparten precursores comunes, actividad citolítica y marcadores de activación similares. Por tanto, la inmunómica ha establecido una relación entre los linajes celulares que se apartan de los puntos de vista clásicos. Además, puede explicar mejor la plasticidad observada en la diferenciación de células linfoides y mieloides debido a la considerable superposición entre los perfiles de expresión global de estos diferentes linajes. [14]
Redes reguladoras de células inmunes
Las redes representan el nivel más amplio de interacciones genéticas y tienen como objetivo vincular todos los genes y transcripciones en el genoma inmunológico. Los fenotipos celulares y los estados de diferenciación se establecen en última instancia mediante la actividad de estas redes de genes co-regulados. Una de las redes más completas en inmunología ha descifrado las conexiones reguladoras entre las células B humanas normales y transformadas. Este análisis sugiere una red jerárquica en la que un pequeño número de genes altamente conectados (llamados "centros") regulan la mayoría de las interacciones. Proto- oncogen MYC surgió como un importante centro y el regulador de gran influencia para las células B. En particular, se descubrió que MYC controla directamente BYSL , un gen muy conservado pero mal caracterizado, y es el centro más grande de toda la red de células B. Esto sugiere que BYSL codifica una molécula celular importante y un efector crítico de la función MYC, y motiva estudios adicionales para dilucidar su función. Por lo tanto, el uso de datos de expresión génica para crear redes puede revelar genes muy influyentes en la diferenciación de células inmunes que las tecnologías pregenómicas aún no habían identificado. [14]
Aplicaciones prácticas
Desarrollo de vacunas
Según lo citado por Stefania Bambini y Rino Rappuoli, "Las nuevas y potentes tecnologías genómicas han aumentado el número de enfermedades que pueden abordarse mediante la vacunación y han reducido el tiempo para descubrir la investigación y el desarrollo de vacunas ". La disponibilidad de secuencias genómicas completas de patógenos en combinación con tecnologías genómicas de alto rendimiento ha ayudado a acelerar el desarrollo de vacunas. La vacunación inversa utiliza secuencias genómicas de patógenos virales, bacterianos o parasitarios para identificar genes que potencialmente codifican genes que promueven la patogénesis . [15] La primera aplicación de vacunación inversa identificó candidatos a vacunas contra el serogrupo B de Neisseria meningitidis . Las herramientas computacionales identificaron 600 proteínas supuestas expuestas a la superficie o secretadas de la secuencia completa del genoma de una cepa patógena MenB, sobre la base de las características de la secuencia. Estas supuestas proteínas se expresaron en E. coli, se purificaron y se usaron para inmunizar ratones. Las pruebas que utilizaron sueros inmunes de ratones estimaron la capacidad de los anticuerpos para proteger contra estas proteínas. Se comprobó la conservación de la secuencia de las proteínas capaces de solicitar una respuesta inmune robusta en un panel de cepas de meningitis y se permitió una mayor selección de antígeno capaz de provocar una respuesta inmune contra la mayoría de las cepas en el panel. Sobre la base de estas secuencias de antígenos, los científicos han podido desarrollar una vacuna “cóctel” universal contra Neisseria meninitidis que utiliza cinco antígenos para promover la inmunidad. [16] Se han utilizado enfoques similares para una variedad de otros patógenos humanos, como Streptococcus pneumoniae , Chlamydia pneumoniae , Bacillus anthracis , Porphyromonas gingivalis , Mycobacterium tuberculosis , Helicobacter pylori , entre otros. Además, se han iniciado estudios para el desarrollo de vacunas contra virus.
Diagnóstico de enfermedades
El inventario de receptores y vías de transducción de señales que usan las células inmunes para monitorear y defender el cuerpo da lugar a patrones característicos de expresión génica alterada en las células sanguíneas periféricas que reflejan el carácter de la infección o lesión. Por lo tanto, reconocer los perfiles de expresión característicos de las células sanguíneas periféricas puede ser una poderosa herramienta de diagnóstico al reclutar estas células como "espías" para detectar enfermedades o agentes ocultos que no pueden cultivarse fácilmente del huésped.
Por ejemplo, la infección por citomegalovirus (CMV) de fibroblastos y la infección por HTLV-I de linfocitos T revelaron distintos perfiles de expresión génica. La infección por CMV provocó una respuesta de interferón única, mientras que la infección por HTLV-1 indujo genes diana de NF-kB. También se ha vuelto a probar un tipo de glóbulos blancos con exposiciones bacterianas y la expresión del inmunoma varió según el tipo de cepa bacteriana utilizada.
El seguimiento del cambio en la expresión génica de la sangre periférica también puede ayudar a determinar el curso de la infección y ayudar a tratar a los pacientes con una terapia adaptada a la etapa de su enfermedad. Este enfoque ya se ha utilizado contra la sepsis, una enfermedad que progresa a través de una línea predecible de eventos. Los cambios en las firmas de expresión genética pueden preceder a la exacerbación clínica de los síntomas, como en la esclerosis múltiple , y permitir a los médicos cortar estos "brotes" de raíz. [1]
Proyecto de genoma inmunológico
El sistema inmunológico es una red de vías genéticas y de señalización conectadas por una red de células que interactúan. El Proyecto del Genoma Inmunológico busca generar un compendio completo de expresión génica codificante de proteínas para todas las poblaciones celulares del sistema inmunológico del ratón. Analiza tanto las condiciones de estado estacionario dentro de diferentes poblaciones celulares como en respuesta a las perturbaciones genéticas y / o ambientales creadas por el polimorfismo genético natural, la eliminación de genes, la eliminación de genes por ARNi o el tratamiento con medicamentos. Las herramientas computacionales para realizar ingeniería inversa o predecir redes reguladoras de células inmunes utilizan estos perfiles de expresión.
En 2008, el proyecto ImmGen incluía siete laboratorios de inmunología y tres laboratorios de biología computacional en los Estados Unidos y se habían identificado y descrito más de 200 poblaciones de células involucradas en el sistema inmunológico. Este consorcio ha creado un navegador de datos para explorar los patrones de expresión de genes particulares, redes de genes co-regulados y genes que pueden distinguir de manera confiable los tipos de células. También se puede acceder a los datos brutos desde el Gene Expression Omnibus del NCBI. [17] [18]
Bases de datos
- Respuesta inmune in silico (IRIS)
- Base de datos de referencia de células inmunes
- Proyecto del genoma inmunológico
- Recurso de análisis y base de datos de epítopos inmunitarios (IEDB)
- IMGT
- SYFPEiTHi
- AniJen
- MHCBN
- IPD
- Epítome
- Alergoma
Ver también
- Inmunoproteómica
Referencias
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