ED-14-Evolução do Sistema Imune

1
ESTUDO DIRIGIDO 13 – EVOLUÇÃO DO SISTEMA IMUNE INATO
Adaptado do Capítulo 16 do Livro Imunobiologia de Janeway - 7ª Edição.
Mariana Monezi Borzi (Estagiária de docência da Disciplina de Imunologia – C. Biol. – 2016)
Prof. Helio José Montassier
Devemos distinguir a imunidade inata e a adaptativa pela maneira que o organismo
codifica as moléculas que reconhecem patógenos. A resposta imune inata usa receptores
codificados diretamente no genoma, e nas espécies que consideramos tão distantes entre si –
humanos e camundongos – o número destes receptores é limitado. O receptor semelhante ao Toll e
as proteínas NOD são exemplos desse limitado repertório de receptores de reconhecimento de
patógenos. A imunidade adaptativa vence essa limitação pela geração de um repertório muito maior
de receptores clonais – na forma de anticorpos e receptores de células T – produzidos por meio de
rearranjos somáticos, repertório grande o suficiente para antecipar o encontro com aparentemente
uma infinita quantidade de antígenos.
Quando estudamos a evolução de qualquer sistema biológico, como o sistema imune, fazse a suposição básica de que se um gene é encontrado na mesma forma (ou similar) em duas
espécies diferentes, então esse gene também deve estar presente no ancestral comum àquelas
espécies. Quanto mais uma espécie diverge, mais distante é o ancestral comum. Uma “árvore”
evolutiva mostrando os organismos discutidos neste capítulo e a ordem na qual as diferentes
linhagens divergiram é apresentada na Figura 1.
Assim, a divergência de plantas, a partir do seu ancestral comum com os animais, ocorreu
antes da divergência da linhagem de insetos e daquela que conduz para os deuterostomos
(equinodermos e cordados). Os avanços no sequenciamento de DNA têm levado ao conhecimento
de toda a sequência genética de uma série de organismos. Esta informação tem mostrado uma
enorme similaridade nas estratégias da imunidade inata em todos os filos, revelando uma inesperada
diversidade de resposta.
Usando esta informação, somos capazes de traçar a evolução dos mecanismos de defesa
do hospedeiro desde os nossos ancestrais mais remotos, como aqueles mecanismos que temos em
comum com os insetos, por meio do nosso ancestral comum com os equinodermos e, finalmente,
com nossos ancestrais comuns aos ascídios urocordados (tunicados ou ascídeas), um grupo irmão da
linhagem que conduz aos vertebrados. Dentro dos vertebrados, podemos traçar o desenvolvimento
das funções imunes dos agnatos (peixes não-mandibulados, como as lampreias e os peixes-bruxa),
passando pelos peixes cartilaginosos (tubarões e arraias) até os peixes ósseos, então para os
anfíbios, répteis e aves e, por fim, para os mamíferos.
2
Figura 1: A história evolutiva dos
organismos mencionados neste texto. A
ramificação da “árvore” evolutiva
esquemática mostrada aqui representa a
ordem de divergência das diferentes
linhagens, de modo que a linhagem dos
vegetais divergiu do seu último ancestral
comum com os animais antes da
separação da linhagem de insetos, e assim
por diante. Note que a árvore não mostra
os momentos relativos envolvidos. Os
cordados (o filo que inclui os vertebrados)
compreende os invertebrados urocordados
(p. ex., tunicados) e os cefalocordados (p.
ex., anfioxius) e os vertebrados agnatos
(peixes não-mandibulados), os peixes
cartilaginosos (Condricties), os peixes
ósseos (Osteíctes), os anfíbios, os répteis,
os pássaros e os mamíferos.
Um sistema imune inato é bem desenvolvido na mosca das frutas, Drosophila
melanogaster, um organismo-modelo favorito para muitos aspectos da pesquisa biológica, e em
vários outros invertebrados. O que a Drosophila compartilha com vertebrados são os receptores
invariáveis da superfície da célula – os assim chamados receptores de padrões de reconhecimento –,
que reconhecem padrões moleculares comuns de patógenos, e as vias de sinalização intracelular,
3
que vão desde esses receptores até a ativação do fator de transcrição NFkB. Várias espécies animais
multicelulares têm um cassete de genes que codificam para as proteínas dessa via. Isso nos faz
acreditar que a ativação do NFkB é a via de sinalização original e central de ativação na imunidade
inata, levando, por sua vez, à ativação de uma série de genes que dependem do NFkB para sua
transcrição. Essa é uma via quase universal, que leva à ativação de vários sistemas diferentes de
defesa do hospedeiro.
Peptídeos antimicrobianos
Uma forma de defesa do hospedeiro, encontrada tanto em plantas quanto em animais e,
dessa forma, demarcando a separação das linhagens vegetal e animal, é a produção de peptídeos
antimicrobianos. Existem vários peptídeos antimicrobianos diferentes com uma grande variedade de
características físicas e químicas e efeitos sobre patógenos microbianos diferentes. Uma classe
amplamente distribuída de peptídeos antimicrobianos são os pequenos peptídeos conhecidos como
defensinas. Embora as defensinas sejam diferentes em mamíferos e em insetos e plantas, está claro
que todas elas estão relacionadas estruturalmente e derivam do mesmo sistema ancestral de defesa
do hospedeiro.
A maioria dos organismos multicelulares produz diferentes defensinas – a planta
Arabidopsis thaliana produz 13, Drosophila, no mínimo 15, e, nos humanos, uma única célula do
intestino pode produzir 21 defensinas diferentes. As várias defensinas possuem atividades distintas,
algumas sendo ativas contra bactérias Gram-positivas e algumas contra bactérias Gram-negativas,
ao passo que outras são específicas para patógenos de fungos. Organismos multicelulares também
produzem outros tipos de peptídeos antimicrobianos.
A produção de peptídeos antimicrobianos por plantas e animais sugere que esse meio de
defesa deva ter evoluído antes que essas duas linhagens divergissem. O precursor comum dos
vegetais e animais provavelmente foi um organismo unicelular. Várias das outras linhagens que
divergiram por volta daquele tempo são organismos eucarióticos unicelulares conhecidos como
protistas (alguns dos quais, como protozoários parasitas, atualmente causam doenças em humanos).
Não se sabe se peptídeos antimicrobianos estão presentes nos protistas existentes, assim como não
está claro se peptídeos como estes teriam necessariamente uma função protetora nesses organismos.
Vários protistas de vida livre consideram bactérias mais como uma fonte de alimento do que
propriamente como uma ameaça ao seu bem-estar.
Entretanto, quando consideramos o comportamento das células fagocíticas em organismos
multicelulares, como os macrófagos nos invertebrados, não é irracional especular que no mínimo
alguns aspectos da imunidade inata evoluíram a partir dos mecanismos de alimentação fagocítica
4
dos eucariotos unicelulares. Todos os vertebrados e vários invertebrados têm células fagocíticas que
patrulham seus vasos sanguíneos e tecidos e que têm muito em comum com protistas, como as
amebas. É possível que células fagocíticas em animais possam ter derivado de uma população de
células que conservaram uma morfologia e um comportamento unicelular ancestral.
Receptores semelhantes ao Toll
Se peptídeos antimicrobianos são considerados uma forma de defesa mais primitiva contra
infecção, então receptores que reconhecem patógenos e induzem a produção de peptídeos
antimicrobianos são bons candidatos para estar entre os primeiros receptores dedicados à defesa do
hospedeiro. Esses receptores foram descobertos e também parecem ser conservados por um longo
período evolucionário. O receptor Toll, primeiramente descoberto na Drosophila, induz a expressão
de vários mecanismos de defesa do hospedeiro, incluindo peptídeos antimicrobianos (drosomicina,
em Drosophila), atuando principalmente contra os patógenos de bactérias Gram-positivas e fungos
patogênicos. Genes homólogos ao Toll foram encontrados em outras espécies, de plantas a
mamíferos, nos quais estão associados à resistência a infecções por vírus, bactérias e fungos. Nas
plantas, assim como nos insetos, as proteínas semelhantes ao Toll estão envolvidas na produção de
peptídeos antimicrobianos, indicando a sua antiga associação a esses meios de defesa do
hospedeiro.
Seres humanos e camundongos têm em torno de 10 receptores semelhantes ao Toll, que
reconhecem componentes de patógenos como bactérias, leveduras e a parede celular de fungos,
flagelo bacteriano, RNA viral e DNA bacteriano. O primeiro receptor semelhante ao Toll
identificado, agora conhecido como receptor 4 semelhante ao Toll (TLR-4), é necessário para
produzir a resposta imune inata ao lipopolissacarídeo bacteriano (LPS), um componente da
superfície celular das bactérias Gram-negativas.
A sequência do genoma do ouriço-do-mar S.purpuratus revela uma complexidade sem
precedentes de reconhecimento da imunidade inata. Ao todo, o genoma do ouriço-do-mar contém
222 genes TLR diferentes; as especificidades das proteínas codificadas continuam a ser
determinadas. Alguém poderia perguntar se esta enorme diversificação de reconhecimento de TLR
implica uma forma primitiva de imunidade adaptativa no ouriço-do-mar. Não sabemos ainda como
todos esses genes TLR são expressos em um tipo de célula imune, ou se são expressos em uma
forma clonal restrita. No sistema imune adaptativo de mamíferos, receptores de antígenos de
diferentes especificidades são expressos em clones individuais de linfócitos. Essa expressão clonal
permite a característica da resposta imune mude, ao longo de toda a vida do organismo por seleção
clonal de linfócitos, com particular especificidade. Nós não podemos dizer como a diversificação de
5
receptores semelhantes ao Toll no ouriço-do-mar simplesmente tem levado a um aumento da
capacidade de reconhecimento do patógeno, ou se existem seleção e expansão clonal de células
expressando receptores especiais semelhantes ao Toll, o que seria o começo de uma verdadeira
imunidade adaptativa.
Sistema Complemento ancestral
Um outro meio antigo da defesa do hospedeiro é representado pelo Sistema
Complemento. A função mais primitiva do complemento foi provavelmente a opsonização, que
significa um aumento da eficiência de captação de patógenos pelos fagócitos que verificam os
espaços do corpo animal. Antes mesmo dos componentes do Complemento terem sido descobertos
nos invertebrados, foi sugerido que um Sistema Complemento primitivo poderia conter um mínimo
de três componentes: o componente central C3, que seria ativado espontaneamente, já que ele está
na via alternativa da ativação de complemento nos mamíferos atualmente. C3 ativado seria ligado
ao fator B equivalente, formando uma C3 convertase, que amplificaria o sinal original pela
clivagem e ativação de muitas outras moléculas de C3. O terceiro componente desse sistema seria
um receptor C3 expresso por fagócitos e capaz de ativar a fagocitose dos patógenos revestidos por
C3.
Essa previsão tornou-se real com a descoberta dos componentes do complemento nos
invertebrados, como mostrado na Figura 2. Um homólogo de C3 foi encontrado em equinodermos:
ele é produzido por celomócitos de amebas, células fagocíticas no líquido celomático de
equinodermos, sendo que sua expressão aumenta na presença de bactérias. Um homólogo do fator B
também foi identificado em equinodermos.
Nos mamíferos, o fator B é ativado por uma outra protease – fator D –, e, embora nenhum
equivalente ao fator D tenha sido ainda identificado em equinodermos, o sítio no qual o fator D
cliva é conservado no fator B de equinodermos. Assim, os equinodermos parecem possuir os
componentes da alça de amplificação da via alternativa de ativação do complemento, na qual o C3
ativado espontaneamente se liga ao fator B, que é, então, clivado pelo fator D para criar uma C3
convertase ativa, que cliva mais C3. No que diz respeito à função do C3 clivado, apesar de nenhum
receptor C3 de equinodermo ter sido identificado até agora, sabe-se que as células recobertas com
C3 são captadas mais eficientemente do que as não-recobertas pelos fagócitos dos equinodermos, e,
por isso, parece que existe nesses invertebrados um sistema do complemento opsonizante funcional
equivalente ao sistema ancestral predito que não existe nos vertebrados.
6
Figura 2: Os componentes de um Sistema Complemento simples estão presentes nos
equinodermos. O Sistema Complemento de equinodermos assemelha-se à via alternativa de
ativação do complemento de mamíferos. Os equinodermos possuem equivalentes dos componentes
do complemento C3 e do fator B, que são produzidos pelos celomócitos, e também se acredita que
possuam equivalentes do fator D e da proteína reguladora do complemento fator I. Nesse sistema,
C3 ativado espontaneamente seria ligado à superfície de patógenos, onde, por sua vez, seria ligado
ao fator B. A clivagem do fator B por uma protease no líquido celomático, um equivalente do fator
D ainda não identificado, criaria a convertase de C3, C3bBb, que pode clivar e ativar muitas outras
moléculas de C3. Como os celomócitos de equinodermos são fagócitos que prontamente captarão
células revestidas com C3, acredita-se que eles devam expressar um receptor de C3. Finalmente, a
convertase C3 é inativada por uma outra protease humoral não-identificada, que se acredita ser
equivalente ao fator I.
A ativação espontânea de C3 e a sua amplificação pelo fator B apresentam o mesmo
problema para equinodermos e mamíferos: como um sistema desses pode ser regulado para prevenir
dano tecidual? Como isso é alcançado em equinodermos não se sabe, embora exista uma evidência
indireta para a presença de um “fator I” que pode inativar C3, e é possível que os genes relevantes e
seus produtos reguladores do complemento estejam presentes, mas não tenham sido ainda
identificados. O sítio de clivagem do fator I é conservado no C3 de equinodermos, e fragmentos de
C3 consistentes com a clivagem naquele sítio podem ser encontrados no líquido celomático.
Entretanto, nos equinodermos, as proteínas C3 e o fator B são produzidos pelas próprias células
fagocíticas (Figura 2), e é possível que eles sejam secretados diretamente nas superfícies dos microorganismos, tanto quanto as células T de mamíferos secretam suas moléculas efetoras diretamente
na interface entre a célula T e o seu alvo. Nesse caso, a necessidade por proteínas reguladoras que
previnem que o complemento ataque as próprias células do organismo seria menor.
7
Com o aparecimento dos cordados, os principais componentes do Sistema Complemento
parecem estar bem estabelecidos. No urocordado Ciona, para o qual a sequência completa do
genoma foi determinada, foram identificados homólogos de C3 e fator B, assim como vários genes
homólogos à integrinas, que poderiam codificar para receptores do complemento. Em outro
urocordado, Halocynthia, sabe-se que um receptor semelhante a CR3 da família das integrinas tem
uma função na fagocitose mediada por C3. O marcador característico de várias proteínas
reguladoras do complemento de mamíferos é um pequeno domínio chamado de repetição consenso
curta (SCR) ou repetição da proteína-controle do complemento (CCP). Vários genes que codificam
para proteínas que contêm esses domínios SCR foram identificados no genoma de Ciona, e esperase que alguns tenham funções reguladoras do complemento.
Não se sabe o quão antigo é esse Sistema Complemento opsonizante. Homólogos de C3
têm sido encontrados em invertebrados mais distantemente relacionados aos vertebrados do que são
os equinodermos ou urocordados, notavelmente carangueijos-ferradura e Drosophila, mas suas
funções não foram definidas. C3, que é clivado e ativado por serina proteases, está claramente
relacionado evolutivamente e parece ter duplicado a partir do inibidor de serina proteases α 2macroglobulina. Em Drosophila, parecem existir, no mínimo, quatro homólogos a C3 contendo a
ligação tioéster característica dessa família de proteínas; essa ligação permite que a proteína ativada
se ligue covalentemente à superfície do patógeno. Essas moléculas são conhecidas como proteínas
que contêm tioéster (TEPs).
Acredita-se que as TEPs tenham alguma função imune na Drosophila, pois a expressão de
no mínimo três delas aumenta quando este inseto está infectado por bactérias. A Drosophila tem
células fagocíticas (hemócitos) na hemolinfa, mas até agora não existe evidência para sugerir que
exista qualquer atividade opsonizante na hemolinfa. Além disso, as TEPs são sintetizadas pelo
corpo gorduroso do inseto, o equivalente ao fígado nos mamíferos, mais propriamente pelas
próprias células fagocíticas, como é o caso para o homólogo de C3 de equinodermos. Assim,
embora as TEPs de Drosophila estejam claramente relacionadas evolutivamente a C3, elas podem
ter alguns papéis completamente diferentes. Uma representação mais clara é revelada em outro
inseto, o mosquito Anopheles gambiae, no qual uma proteína (TEP-1) é produzida pelos hemócitos
e é induzida em resposta à infecção. Em Anopheles também existe evidência direta da ligação da
TEP-1 à superfície da bactéria e do envolvimento das TEPs na fagocitose de bactérias Gramnegativas. A origem do Sistema Complemento pode, dessa forma, datar a separação remota dos
Bilateria (animais multicelulares diferentes de esponjas e celenterados) em protostomos, que
incluem os insetos, e em deuterostomos, que incluem os equinodermos e os cordados (e assim os
vetebrados).
8
Depois do seu aparecimento inicial, o Sistema Complemento parece ter evoluído pela
aquisição de novas vias de ativação, permitindo que as superfícies microbianas fossem marcadas
especificamente. O primeiro desses novos sistemas de ativação do complemento a aparecer foi a via
da ficolina, que está presente tanto nos vertebrados estreitamente relacionados quanto em alguns
invertebrados como os urocordados. As ficolinas estão relacionadas às colectinas, família à qual
pertence a lectina que se liga à manose (MBL). Como as colectinas, as ficolinas têm um domínio
semelhante ao colágeno e um domínio de ligação a carboidrato e formam uma estrutura multimérica
semelhante a um “buquê de tulipas”. Entretanto, o domínio de ligação a carboidrato das ficolinas
não está relacionado às lectinas do tipo C, como em MBL, mas é similar ao fibrinogênio. O domínio
de ligação a carboidrato das ficolinas é capaz de ligar a N-acetilglucosamina como as MBL, embora
esta última também seja capaz de ligar carboidratos contendo manose, os quais as ficolinas não
reconhecem. Evolutivamente, as ficolinas parecem antedatar as colectinas, que foram primeiro
vistas nos urocordados.
Tanto MBL quanto homólogos do componente C1q da via clássica do complemento, uma
outra colectina, foram identificados no genoma de Ciona. Isso sugere que, na evolução da via
clássica de ativação do complemento mediada por anticorpos, a molécula ancestral de
imunoglobulina, que não apareceu até muito mais tarde na evolução, tomou vantagem de uma
família de colectinas já diversificada, mais propriamente do que dirigiu a diversificação de C1q a
partir de um ancestral semelhante à MBL.
A ativação do complemento por ficolinas e colectinas é mediada por serina proteases
chamadas de MASPs (serina proteases associadas à MBL), que são capazes de clivar e ativar C2,
C4 e C3. Nos vertebrados, duas MASPs diferentes – MASP1 e MASP2 – estão associadas às
ficolinas e colectinas, o que também parece ser verdadeiro para as ficolinas de invertebrados. Dois
homólogos de invertebrados distintos das MASPs de mamíferos foram identificados nas mesmas
espécies ascídias a partir das quais as ficolinas foram identificadas. A especificidade das MASPs de
invertebrados não foi determinada, mas é provável que elas sejam capazes de clivar e ativar C3.
Esse Sistema Complemento da ficolina de invertebrados é funcionalmente idêntico às vias mediadas
por ficolina e MBL encontradas nos mamíferos. Assim, o Sistema Complemento mínimo dos
equinodermos foi suplementado nos urocordados pelo recrutamento de um sistema de ativação
específico, capaz de direcionar a deposição de C3 na superfície de micróbios. O sistema de ativação
do complemento evoluiu ainda mais pela diversificação de uma colectina semelhante a C1q e suas
MASPs associadas para se tornarem os componentes de iniciação (C1q, C1r e C1s) da via clássica
do complemento. Isso somente poderia ocorrer depois da evolução das moléculas específicas de
reconhecimento do antígeno do sistema imune adaptativo.