Miễn dịch bẩm sinh

Chương 5. Miễn dịch bẩm sinh Miễn dịch bẩm sinh của động vật Miễn dịch bẩm sinh thực vật Tương tác R – PAMP/MAMP/Avr Dẫn truyền tín hiệu Tính kháng tập nhiễm hệ thống (SAR) I Miễn dịch bẩm sinh động vật Miễn dịch động vật Không đặc hiệu Độc lập với kháng thể Không kéo dài Các tế bào bạch cầu (leukocyte), thực bào (phagocyte) phụ thuộc vào các receptor (Vd Toll-like receptor). Miễn dịch bẩm sinh (innate immunity) Miễn dịch thích nghi (adaptive immunity) đặc hiệu Tạo kháng thể kéo dài II Miễn dịch bẩm sinh thực vật Tính kháng bẩm sinh thực vật Thực vật thiếu một cơ chế miễn dịch thích nghi và di động như ở động vật. Tính kháng bẩm sinh thực vật Điểm giống nhau cơ bản giữa miễn dịch bẩm sinh của động vật và thực vật là sự nhận biết giữa các receptor của tế bào và các MAMP/PAMP của tác nhân gây bệnh => Bài 1 Sự giống nhau giữa MDĐ V và MDTV Để có thể kích hoạt các phản ứng kháng hay miễn dịch, tế bào động vật cũng như thực vật phải có khả năng nhận biết được các tác nhân vi sinh vật ngoại lai. Sự giống nhau giữa MDĐ V và MDTV Các tác nhân vi sinh vật hình thành các phân tử gọi là các mô hình phân tử ký hiệu là MAMP hay PAMP MAMP (Microbe-Associated Molecular Pattern): mô hình phân tử có nguồn gốc từ vi sinh vật nói chung. PAMP (Pathogen-Associated Molecular Pattern): mô hình phân tử có nguồn gốc từ tác nhân gây bệnh. Một số ví dụ về các MAMP/PAMP: Lipopolysacharide (LPS) của vi khuẩn Gram (-) Peptidoglycan của vi khuẩn Gram (+) Flagellin của lông roi vi khuẩn Glucan, chitin của vách tế bào nấm Các Avr protein của tác nhân gây bệnh cây (Avr=Avirulence)? So sánh MAMP/PAMP và AvrProtein Giống: đều được nhận biết bởi PRR (pattern recognition receptor) => Sự phân chia đang ngày càng kém rõ ràng nhưng hiện tại vẫn hữu ích MAMP/PAMP Luôn cần (tính gây bệnh = chất lượng) Ổn định Avr Qui định tính không độc khi có mặt R => thiếu R => tính độc = số lượng (nhiều ngoại lệ) Có thể thiếu Miễn dịch bẩm sinh thực vật “hệ thống giám sát nhằm phát hiện sự có mặt và bản chất của sự xâm nhiễm và tạo ra phòng tuyến phòng thủ của ký chủ” Tính kháng bẩm sinh thực vật Tính kháng cơ bản Tính kháng không đặc hiệu Tính kháng đặc hiệu Gen-đối-gen Tất cả các thành viên (dòng/giống) của một loài cây kháng được tất cả các thành viên (chủng/nòi) của một loài tác nhân gây bệnh Quan hệ tương hợp Quan hệ không tương hợp Tính kháng cao Tính kháng thấp Tính kháng cơ bản = tính kháng được khởi động bởi MAMP/PAMP Tính kháng không đặc hiệu Hai ví dụ MAMP/PAMP Flagellin Harpin Zipfel & Felix 2005 Curr. Opin. Plant Biol. Vd MAMP/PAMP 1: Flagellin N M C Flagella : nhiều ngàn đơn vị flagellin Flagellin flg22 Là protein cấu tạo nên lông roi (flagella) vi khuẩn gram (-). Mỗi lông roi gồm hàng ngàn flagellin. Flagellin chứa một motif nhân biết gồm 22 aa (đoạn fgl22). Cảm ứng tạo callose, PR protein Vd MAMP/PAMP 2: Harpin Harpin là các protein được mã hóa bởi gen hrp (hypersensitive response and pathogenicity) của vi khuẩn gram (-). Nằm trên màng tế bào vi khuẩn, tham gia cấu tạo nên hệ thống tiết loại III. Hệ thống tiết loại III sẽ vận chuyển Avr protein và cả harpin vào trong tế bào cây. Cảm ứng tạo phản ứng siêu nhạy/apoptosis Các hệ thống tiết của vi khuẩn Hệ thống tiết loại III III Nhận biết và tương tác giữa receptor/R của ký chủ và MAMP/PAMP/Avr của ký sinh Tương tác giữa receptor/R của ký chủ và MAMP/PAMP/Avr của ký sinh Hai mô hình tương tác Tương tác trực tiếp (mô hình elicitor – receptor) Tương tác gián tiếp Mô hình “bảo vệ” Hai mô hình tương tác R – Avr proteins Mô hình Elicitor – Receptor (trực tiếp) guardee R protein Avr protein Kháng Kháng Mô hình “bảo vệ” (gián tiếp) R protein Avr protein Ví dụ tương tác trực tiếp và gián tiếp Trực tiếp Protein AvrPi-ta (nấm đạo ôn) và protein Pi-ta (lúa) => tạo tính kháng đặc hiệu Flagellin của vi khuẩn và receptor FLS2 của cây => tính kháng cơ bản AvrRpm1 (hoặc AvrB) của vi khuẩn P. syringae và protein kháng RPM1 của cây Arabidopsis với guardee là protein RIN4 => tính kháng đặc hiệu Gián tiếp Lúa  Nấm Pyricularia oryzae Pi-ta  AVR-Pita Jia et al. EMBO 19:4004-4014, 2000 Tương tác trực tiếp: (1) Pita - AvrPita Vách tế bào Màng tế bào cytoplasm LRR CC NBS Pi-ta AvrPita Tương tác trực tiếp: (1) Pita - AvrPita HR Màng tế bào cytoplasm LRR kinase FLS2 Fgl22 Inactive AtMEKK1 WRKY P Active AtMEKK1 P Inactive AtMKK4/5 Active AtMKK4/5 P Inactive AtMPK3/6 Active AtMPK3/6 P Phản ứng phòng thủ MAPKKK MAPKK MAPK Tương tác trực tiếp: (2) FLS2 – Fgl22 Arabidopsis  Pseudomonas syringae RPM1 / RIN4  AVR-Rpm1 Guardee Gen kháng Tương tác gián tiếp: RPM1 – AvrRpm1 Tương tác gián tiếp: RPM1 – AvrRpm1 AvrRpm1 or AvrB HR Vi khuẩn sinh trưởng kém AvrRpm1 effector phosphoryl hóa RIN4 Tăng cường tính gây bệnh Ký chủ mẫn cảm Ký chủ kháng. có RPM1 Jones and Dangl (2006) Nature RIN4 P P P Thiếu RPM1 Pseudomonas syringae LRR CC NBS RPM1 RIN4 P P P Quan hệ tính kháng không đặc hiệu – tính kháng đặc hiệu – vai trò effector Tính kháng không đặc hiệu = tính kháng cơ bản = tính kháng khởi động bởi PAMP/MAMP Tính kháng đặc hiệu = tính kháng gen-đối-gen = tính kháng khởi động bởi effector (Avr) Quan hệ tương hợp Quan hệ không tương hợp Tính kháng cao Tính kháng thấp Effector (Avr) R Quan hệ tính kháng không đặc hiệu – tính kháng đặc hiệu – vai trò effector Chisholm et al. Cell 124, 803–814, 2006 IV Dẫn truyền tín hiệu Dẫn truyền tín hiệu Đường hướng SA Đường hướng JA/ET Dòng thác ion/oxy hóa Đường hướng MAPK Đường hướng SA (salicyclic acid) SA là một phytohocmon thưc vật SA cũng là một phân tử tín hiệu nội sinh tham gia cảm ứng tính kháng tạo được của thực vât Đường hướng SA do tác nhân nhóm biotroph cảm ứng Salicyclic acid (SA) Đường hướng SA (salicyclic acid) Vai trò của SA đã được chứng minh: Xử lý SA trên cây thuốc lá => giảm triệu chứng do TMV và tích lũy nhiều PR protein Lây nhiễm TMV trên thuốc lá => hàm lượng SA tăng cục bộ (tại vị trí lây nhiễm) và hệ thống (toàn cây). Cây Arabidopsis chuyển gen NahG (naphthalene hydroxylase G) của vi khuẩn Pseudomonas putida (là gen mã hóa salicylate hydroxylase, một enzyme chuyển SA thành dạng bất hoạt là catechol) đã biểu hiện tính mẫn cảm cao đối với nhiều loại tác nhân gây bệnh khác nhau như nấm, vi khuẩn và virus. Cây chứa các đột biến mất khả năng tích lũy SA như eds4, eds5 (enhanced disease susceptibility), sid1, sid2 (SA induction-deficient), pad4 (phytoalexin-deficient) biểu hiện tính mẫn cảm cao với tác nhân gây bệnh. Đường hướng JA/ET (jasmonic acid/ethylene) Jasmonic acid (JA) và ethylen (ET) cũng là các phytohormon Đường hướng JA/ET thường do các tác nhân gây bệnh nhóm necrotroph và cả tổn thương do côn trùng Jasmonic acid Ethylene Đường hướng JA/ET (jasmonic acid/ethylene) Vai trò của JA/ET đã được chứng minh: Cây Arabidopsis mang các đột biến như: mất khả năng hình thành JA như fad3/fad7/fad8 mất khả năng tiếp nhận JA như coi1 kháng JA như jar1 trơ với ET như ein2 => mẫn cảm với nhiều tác nhân nhóm necrotroph (nấm Alternaria brassicicola, Botrytis cinerea, Pythium, vi khuẩn Erwinia carotovora. Xử lý JA hoặc ET => cây sẽ biểu hiên gen PDF1-2 (mã hóa protein phòng thủ là defensin) và Thi2-1 (mã hóa protein phòng thủ là thionin), hel (hevein-like protein) và chib (chitinaseB). Các gen này được xem là dấu hiệu phổ biến của đường hướng dẫn truyền JA/ET. Đường hướng JA/ET (cảm ứng = P. fluorescent, necrotroph) Đường hướng SA (cảm ứng = P. syringae, biotroph) Đường hướng SA (cảm ứng = INA) Đường hướng JA/ET (cảm ứng = methyl jasmonic acid) Đối chứng MPMI. 2002, 15, 1: 27-34. Sự khác nhau giữa 2 đường hướng SA và JA/ET Biotroph  SA Necrotroph  JA/ET Cây: Arabidopsis Lây nhiễm với nấm Alternaria basicicola (necrotroph) Gây cảm ứng SAR 3 ngày trước lây nhiễm Quan sát 7 ngày sau lây nhiễm Quan hệ giữa đường hướng SA và JA/ET 2 đường hướng SA và JA/ET không hoàn toàn độc lập với nhau mà có tương tác với nhau 2 đường hướng đều có ảnh hưởng thuận và nghịch nhưng nhìn chung, mối quan hệ nghịch (đối kháng) là phổ biến. Ví dụ cây Arabidopsis mang gen kháng eds1 và pad4 (giảm tích lũy SA) đã làm tăng khả năng biểu hiện của đường hướng JA/ET. Quan hệ đối kháng này cần được xem xét khi ứng dụng thực tế vì khi tạo SAR để chống bệnh theo đường hướng SA thì SAR theo đường hướng JA/ET có thể bị ức chế dẫn tới cây dễ bị nhiễm côn trùng gây hại. Màng tế bào cytoplasm LRR FLS2 Fgl22 Yếu tố phiên mã trong tế bào chất Phản ứng phòng thủ HR/Apoptosis PR protein SAR … Dòng thác ion /oxy hóa Ca2+ tăng K+/H+ thay đổi Các protein màng: Kinase Phosphatase Phospholipase G-protein 2NADP 2NADPH ROS (H2O2, HO2, O2-… O2 Lignin hóa crosslingking Nhân Các gen phòng thủ kênh ion NADPH oxidase Dòng thác ion /oxy hóa Đường hướng MAPK Đường hướng MAPK là đường hướng dẫn truyền chủ chốt đối với tính kháng bệnh. Là một đường hướng chung đối với sinh vật nhân thật và là một cách dẫn truyền các tín hiệu ngoại bào thông qua các receptor bề mặt. Đường hướng MAPK dựa vào sự nhận biết thông qua PAMP/MAMP Đường hướng MAPK MAPK (mitogen activated protein kinase) là một protein kinase đặc hiệu serin/threonin có nghĩa nó sẽ phosphorin hóa nhóm OH của serin hoặc threonin. Một dòng thác MAPK nhìn chung là chuỗi MAPKKK=>MAPKK=>MAPK (Vd Arabidopsis mã hóa ít nhất 20 MAPKs) Hậu quả: kích hoạt yếu tố phiên mã WRKY trong nhân tế bào => kích hoạt quá trình phiên mã của nhiều gen phòng thủ. Màng tế bào cytoplasm LRR kinase FLS2 Ví dụ receptor ngoại bào: FLS2 FLS2 là một receptor kinase xuyên màng với đoạn lặp giàu leucin (LRR) nằm phía ngoài màng tế bào (chịu trách nhiệm nhận biết) và một vùng có hoạt tính kinase nằm trong tế bào chất Màng tế bào cytoplasm LRR kinase FLS2 Fgl22 Inactive AtMEKK1 WRKY P Active AtMEKK1 P Inactive AtMKK4/5 Active AtMKK4/5 P Inactive AtMPK3/6 Active AtMPK3/6 P Phản ứng phòng thủ MAPKKK MAPKK MAPK Vd đường hướng MAPK: FLS2 & Fgl22 V Miễn dịch tập nhiễm hệ thống (SAR) Tính kháng tập nhiễm hệ thống (SAR) Hiện tượng (960s, Ross) Lây nhiễm nhân tạo cây thuốc lá với virus TMV lần 1 => tạo vết chết hoại lớn Lây nhiễm tiếp TMV lần thứ 2 tại vị trí cách xa điểm lây nhiễm lần đầu => vết chết hoại hình thành nhỏ hơn. SAR = Systemic acquired resistance Cây đã hình thành tính kháng sau khi nhiễm bệnh Tính kháng biểu hiện hệ thống (xa điểm xâm nhiễm ban đầu) Tính kháng tập nhiễm hệ thống (SAR) Định nghĩa SAR là loại tính kháng tạo được có tính lưu dẫn (hệ thống), phổ rộng (chống lại nhiều tác nhân gây bệnh), thường dẫn tới biểu hiện PR protein và thông qua hệ đường hướng dẫn truyền tín hiệu SA, JA/ET Tính kháng tập nhiễm hệ thống (SAR) Đặc điểm Dấu hiệu phân tử đặc trưng của SAR là SA: nhanh trong vòng vài giờ (4-6 giờ) sau lây nhiễm và nhân lên nhanh chóng; Biểu hiện toàn cây sau khoảng 24 giờ di chuyển thường từ gốc lên trên ngọn. kéo dài rất lâu, có thể cả đời Cảm ứng SAR = chất kích kháng Tính kháng tập nhiễm hệ thống (SAR) Nhiều hợp chất có khả năng cảm ứng SAR => chất kích kháng Tiêu chuẩn: một hóa chất hoặc sản phẩm chuyển hóa của nó phải không có hoạt tính kháng sinh. Một số thuốc hóa học trừ bệnh ngoài hoạt tính kháng nấm còn có khả năng cảm ứng SAR như Fosetyl-Al (Aliet), metalaxyl, Cu(OH)2. Cảm ứng SAR = chất kích kháng Tính kháng tập nhiễm hệ thống (SAR) Một số chất kích kháng phổ biến SA INA (dichloroisonicotinic acid): cảm ứng SAR giống như SA BTH (Acibenzolar S methyl): cảm ứng SAR giống như SA. BTH là hợp chất được thương mại (của hãng Syngenta, bán tại VN dưới tên BION, tại Mỹ dưới tên Artigard Cảm ứng SAR = chất kích kháng Tính kháng tập nhiễm hệ thống (SAR) Tính kháng tập nhiễm hệ thống (SAR) Common Name: Acibenzolar-S-methyl Tên thương mại: Actigard, BION Không xử lý Actigard Có xử lý Actigard Tomato spotted wilt virus (TSWV) / thuốc lá Cảm ứng SAR = chất kích kháng chống virus Nấm Blumeria graminis f.sp. hordei /Bệnh phấn trắng lúa miến (giống mẫn cảm) Tính kháng tập nhiễm hệ thống (SAR) Cảm ứng SAR trên lúa miến (barley) Không xử lý INA Có xử lý INA Xử lý SA, BTH hoặc INA có thể ảnh hưởng tới xự xâm nhiễm của nấm Blumeria graminis f.sp. hordei /Bệnh phấn trắng lúa miến (giống mẫn cảm) Tính kháng tập nhiễm hệ thống (SAR) Cảm ứng SAR trên lúa miến (barley) Hình thành papillae Tạo HR MPMI-1998, 11, 7: 643-658. Tính kháng tập nhiễm hệ thống (SAR) Phân tích Nothern blot trên ngô được xử lý với BTH, SA và INA Cảm ứng SAR trên ngô