Основи імунології - Курс лекцій М. В. Скок - Київ 2002

Розділ IІ. Механізми імунної відповіді

Лекція 6. Головний комплекс гістосумісності. Процесинг і представлення антигену

Нобелівську премію 1980 року по фізіології та медицині одержали Баруй Бенацерраф, Жан Доссе і Джонатан Снелл »за відкриття, пов’язані з генетично детермінованими структурами на клітинній поверхні, що регулюють імунні реакції».

У 60-х роках Б.Бенацерраф помітив, що при імунізації одним і тим самим антигеном тварини навіть в межах однієї популяції відповідають по-різному: одні реагують синтезом антитіл, а інші - ні. Було знайдено генетичну основу цього явища і гени, які визначали, чи буде розвиватися імунна відповідь, отримали назву IR (immune response) генів. У 1965 році Хью Макдевіт визначив гени головного комплексу гістосумісності і їх продукти, які вперше було описано Дж. Снеллом як трансплантаційні антигени. І, нарешті, Жан Доссе знайшов такий самий комплекс генів у людини.

Далі було з’ясовано, що гени головного комплексу гістосумісності (main histocompatibility complex, MHC) діляться на два класи: МНС І - це гени трансплантаційних антигенів, а МНС ІІ - це гени імунної відповіді. Їх стали називати ще Ia (immune associated) генами. Виявилося, що продукти цих генів необхідні для представлення антигенів в процесі імунного розпізнання і визначають так званий феномен генетичної рестрикції імунної відповіді. Він полягає в тому, що клітини, які розпізнають антиген (Т лімфоцити) і клітини, що його представляють (макрофаги, дендритні клітини, клітини-мішені у випадку цитотоксичної відповіді) повинні бути генетично однаковими, тобто походити із одного організму або із тварин однієї генетичної лінії. Інакше кажучи, Т лімфоцити розпізнають антиген тільки у комплексі з продуктами сингенних МНС.

У 80-х роках було проведено рентген-структурний аналіз білків МНС І і ІІ, з’ясовано механізми їх біосинтезу та функціонування.

Будова генів МНС та їх продуктів.

Найбільш вивченими є гени МНС миші і людини.

У миші комплекс генів МНС називається Н-2 і в нього входять локуси К, D, L (МНС І) і А і Е (МНС ІІ). У людини цей комплекс називається HLA і до нього входять, відповідно, локуси A, B, C (MHCI) і DP, DQ, DR (MHC II). Серед генів МНС ІІ знаходяться також гени DM-A, DM-B, LMP і TAP, які кодують продукти, важливі для процесингу та представлення антигенів. Гени, що кодують С2, С4 і фактор В системи комплементу, теж розташовані у комплексі МНС і позначаються як МНС ІІІ.

Гени МНС характеризуються полігенністю та поліморфністю. Полігенність полягає в тому, що для кожного класу (І і ІІ) існує декілька локусів (А, В, С або DP, DQ, DR), що сприяє ефективному представленню різних по структурі антигенів у кожного індивідуума. Поліморфність генів МНС у тому, що існує багато їх варіантів (алелей), продукти яких відрізняються до 35% амінокислотного складу, що підвищує вірогідність виживання при зустрічі із певним патогеном на рівні популяції. Поліморфність досягається за рахунок точкових мутацій, рекомбінацій, гомологічного кросинговера та конверсії генів. На відміну від генів імуноглобулінів, гени МНС не підлягають алельному виключенню, тобто у кожного гетерозіготного організму експресуються всі можливі алелі МНС.

Кожний із локусів генів МНС І кодує один поліпептидний ланцюг - α-ланцюг. Кожний із локусів генів МНС ІІ кодує два поліпептидні ланцюги: α і β. Їх позначають як DP_α, DP_β; DQ_α, DQ_β; DR_a, DR_β у людини і, відповідно, як A_α, А_β; Е_α, Е_β у миші. У гетерозиготи кожний ланцюг представлений двома алелями, тобто можливі чотири варіанти білків МНС ІІ кожного локусу (для DR - вісім варіантів, оскільки існують два гени β-ланцюга) і кожна клітина, таким чином, несе на своїй поверхні 16 варіантів білків МНС ІІ. Е_α, DP_α, і DR_α є менш поліморфними, ніж гени інших локусів.

Як бачимо, полігенність МНС деякою мірою подібна до полігенності імуноглобулінів, але різноманіття імуноглобулінів і білків МНС досягається різними шляхами: у імуноглобулінів - за рахунок комбінацій генів мультигенної системи, а у МНС - за рахунок наявності різних алельних варіантів у кожному локусі. Різноманіття імуноглобулінів вище за поліморфізм білків МНС. Незважаючи на це, кожний індивідуум має свій набір генів МНС. Продукти генів МНС І є трансплантаційними антигенами і визначають неможливість пересадки органів чи тканин всередині виду. Захворювання деякими хворобами пов’язане із певними варіантами МНС ІІ (діабет І типу, множинний склероз, міастенія гравіс).

Гени МНС по-різному експресовано в клітинах організму. МНС І експресуються майже в усіх клітинах і тканинах (за винятком деяких, де рівень експресії дуже низький, наприклад, у роговці ока; саме тому цю тканину досить легко трансплантувати). МНС ІІ експресовано лише в деяких клітинах, тих, що можуть представляти антиген в імунній відповіді. Це перш за все макрофаги, дендритні клітини і В лімфоцити. Експресію МНС ІІ знаходять також в активованих Т лімфоцитах людини і в деяких клітинах, що можуть представляти антиген в спеціалізованих тканинах: на астроцитах глії мозку, епітеліальних клітинах і нейтрофілах.

Продукт генів МНС І - це гетеродимер, що складається із важкого (43 КДа) α-ланцюга і β₂-мікроглобуліна (11 КДа), ген якого не входить в комплекс генів МНС. Важкий ланцюг складається із трьох доменів: α₁, α₂, α₃, - трансмембранної ділянки і цитоплазматичного С-кінця (Рис. 7А). α₃ домен і β₂-мікроглобулін гомологічні доменам імуноглобулінів, а N-кінцеві α₁ і α₂ домени є поліморфними (тобто саме тут локалізовано амінокислотні заміни, що відрізняють алельні форми білків МНС І).

Продукт генів МНС ІІ - теж гетеродимер, який складається із α і β ланцюгів (34 і 28 КДа, відповідно). Кожен ланцюг має два надклітинні домени з N-кінця, трансмембранну і цитоплазматичну ділянки, і загальна структура нагадує таку для білку МНС І (Рис. 7Б). Поліморфними є α₁ і β₁ домени, а α₂ і β₂ - імуноглобуліноподібні.

Рентген-структурний аналіз білку МНС І було зроблено в 1987 році. Надклітинну частину HLA-A2 було відщеплено папаїном і закристалізовано. За результатами аналізу виявилося, що примембранні домени, α₃ і β₂-мікроглобулін, дуже нагадують імуноглобулінові, а зовнішні - α₁ і α₂ - схожі один до одного і утворюють порожнину на верхівці молекули. Шляхом амінокислотних замін (мутацій) у різних частинах молекули було з’ясовано, що залишки, які взаємодіють із рецептором Т лімфоцитів, розташовані на поверхні молекули МНС І, а ті, що приймають участь у зв’язуванні антигенного пептиду, - знаходяться у порожнині. Порожнина у вигляді замкненої кишені виявилася заповненою антигенним пептидом, який представляє дана молекула МНС (Рис. 8А). Було розраховано, що оптимальна довжина пептиду, який вміщується у кишені, складає 8-9 амінокислотних залишків. У різних алельних форм МНС І форма кишені різна і поліморфні залишки зв’язують відповідно, пептиди різної структури.

Рентген-структурний аналіз білку МНС ІІ було зроблено лише через шість років, у 1993 році. Структура виявилася дуже схожою на МНС І, але було знайдено дві важливі різниці:

1) замість замкненої кишені, де зв’язується антигенний пептид, було виявлено щілину, у якій пептид довжиною 15-16 амінокислотних залишків розміщувався у витягнутому вигляді (Рис. 8Б);

2) на відміну від МНС І, МНС ІІ кристалізувався у вигляді димеру (димер гетеродимеру). Вважають, що димеризація сприяє більшій авідності в утворенні комплексу антигенний пептид - МНС ІІ - Т-клітинний рецептор.

Процесинг і представлення антигену. Дихотомія клітинної і гуморальної відповіді.

Як зазначено вище, Т лімфоцити впізнають антиген тільки у комплексі з білками МНС. В процесі клітинної імунної відповіді (наприклад, для знищення власних клітин, інфікованих вірусом, або трансплантованих алогенних клітин) розпізнається антиген у комплексі з МНС І, а для гуморальної імунної відповіді (антитіла до бактерій і розчинних токсинів) антиген має бути представленим з МНС ІІ. Для того, щоб зв’язатися з білками МНС, білковий антиген розщеплюється до коротких пептидів, (8-9 амінокислотних залишків для МНС І і 12-15 залишків для МНС ІІ). Цей процес називається процесингом антигену.

Як імунна система приймає рішення про представлення антигену з МНС І чи ІІ і, відповідно, про розвиток гуморальної чи клітинної форми відповіді, довго залишалося нез’ясованим. Вважали, що має значення доза антигену, його форма і місце введення в організм. Вирішальний експеримент було поставлено у 1986 році Моррісоном і Брейсіелом. Ними було отримано лінії Т лімфоцитів до вірусу грипу, які впізнавали свій антиген у комплексі з МНС І (ЦТЛ І) або з МНС ІІ (ЦТЛ ІІ). Було знайдено, що ЦТЛ І знищували тільки клітини, заражені живим вірусом, тобто коли вірусні антигени синтезувалися всередині клітини, а ЦТЛ ІІ - і тоді, коли вірус був інактивований, тобто пасивно поглинався клітиною. Було зроблено висновку, що ендогенні (внутрішні) антигенипрезентуються із МНС І, а екзогенні (зовнішні) - з МНС ІІ.

Ці дані було підтверджено у багатьох наступних роботах. Виникало питання, де відбувається зв’язування антигену із білками МНС. Логічним було запропонувати, що ендогенні антигени зв’язуються із МНС І всередині клітини, а екзогенні з МНС ІІ - назовні. Була навіть ідея, що білки МНС ІІ є первинними акцепторами антигену при імунній відповіді. Однак наприкінці 80-х років з’ясувалося, що вільні білки МНС є вкрай нестабільними і швидко руйнуються, тобто не можуть існувати на поверхні клітини у вільному стані. Всі події по зв’язуванню антигенного пептиду, як для МНС І, так і для МНС ІІ, відбуваються всередині клітини на шляху від біосинтезу білків МНС до їх експресії на мембрані. Існує спеціальна система білків-шаперонів, яка утримує ланцюги МНС І і ІІ всередині клітини до тих пір, поки вони не зв’язали антигенний пептид, і спеціальна система, яка слідкує за тим, щоб вільні молекули МНС не з’ явилися на поверхні. Ця система температуро-залежна: якщо знизити температуру

культивування клітин до 26 - 28^оС (це можливо, наприклад, якщо молекули МНС штучно експресувати у клітинах дрозофіли), то на поверхні з’являються вільні димери МНС.

Біосинтез білків МНС І (Рис.9).

Альфа-ланцюг МНС І і β₂-микроглобулін синтезуються окремо і поступають в ендоплазматичний ретикулюм (ЕПР). Альфа-ланцюг зв’язаний із шапероном калнексіном. Після зв’язування із β₂-мікроглобуліном комплекс передається на інший шаперон - калретикулін і залишається зв’язаним з ним до приєднання антигенного пептиду. Пептид потрапляє в ЕПР із цитозолу, де він утворюється шляхом процесингу ендогенних антигенів. Це можуть бути продукти деградації власних білків, або вірусні чи бактеріальні антигени, що синтезуються всередині клітини. Деградація відбувається за допомогою так званої протеасоми. Протеасома - це великий мультиферментний комплекс (20S, 700КДа), що складається із 15 субодиниць двох типів, α і β, кожна по 21-31 КДа. Субодиниці організовані у вигляді бочки. Пептид (білок) проходить крізь "бочку" і розщеплюється β субодиницями протеасоми. Транспорт антигенних пептидів із цитоплазми в ЕПР виконують спеціальні трансмембранні білки ТАР (transporter of antigenic peptides). Білки протеасоми кодуються генами LMP2 і LMP7, які знаходяться у комплексі генів МНС разом із геном ТАР, причому гени LMP2 і ТАР мають спільний промотор. Пептиди, транспортовані ТАРом, приєднуються до комплексу α-ланцюг/β₂-мікроглобулін за допомогою білка тапасіну. Слід зазначити, що додатковий протеоліз пептиду може відбуватися і після зв’язування з МНС І. Після цього комплекс МНС І-пептид звільняється з шаперонів і у вигляді везикули мігрує на плазматичну мембрану. По дорозі він проходить комплекс Гольджі, де глікозилюється. Перші гіпотези щодо зв’язування антигенного пептиду визначали місцем зв’язування як раз комплекс Гольджі. Використання спеціального антибіотика брефелдіну А, який блокує вихід білків із ЕПР в Гольджі, показали, що пептид сполучається із МНС І до виходу із ЕПР.

Біосинтез білків МНС ІІ (Рис.10).

В ЕПР синтезуються α і β ланцюги, а також спеціальний і-ланцюг (invariant). І-ланцюг синтезується двома альтернативними формами, 31 і 41 КДа, що є результатом альтернативного сплайсингу РНК. І-ланцюг є аналогом антигенного пептиду. Його функції:

1) закриває порожнину МНС ІІ і не дає змоги зв’ язатися там ендогенному пептиду;

2) сприяє звільненню МНС ІІ із шаперонів ЕПР;

3) направляє весь комплекс в ендосому.

Таким чином, МНС ІІ у складі α-, β- і і-ланцюгів виходить із ЕПР, проходить комплекс Гольджі, де глікозилюється, і направляється в ендосомальний компартмент, де і відбувається його зустріч з антигеном.

Екзогенний антиген потрапляє в ендосому шляхом ендоцитозу. Різні типи клітин, що презентують екзогенний антиген, здатні до різних типів ендоцитозу. Макрофаги виконують фагоцитоз, дендритні клітини - макро-піноцитоз, а В-лімфоцити - ендоцитоз, опосередкований специфічними рецепторами, що є найбільш ефективним і специфічним. В усіх випадках антиген потрапляє спочатку у вигинання зовнішньої мембрани, а потім у везикули, вкриті ззовні спеціальним білком клатрином. Везикули рухаються всередину клітини, де зливаються із існуючими компартментами і проходять цілий ряд перетворень: в них включаються протонні насоси і знижується рН; починають працювати протеолітичні ферменти з оптимумом рН у кислому діапазоні - катепсини. Остаточним пунктом перетворення ендосоми є лізосома, де білки розщеплюються до амінокислот. На шляху перетворення утворюється спеціальний компартмент, де антигенний пептид зустрічається із білком МНС ІІ, що мандрує із ЕПР. Цей компартмент так і називають МHС. Екзогенний антиген в МІІС вже знаходиться у вигляді суміші пептидів. Спочатку вважалося, що і-ланцюг просто дисоціює з α/β димеру під дією кислих рН і його місце займає антигенний пептид. Потім з’ясувалося, що і-ланцюг спочатку сам розщеплюється протеазами, в результаті чого в порожнині МНС ІІ залишається лише невеликий пептид - CLIP (class II-associated immunogenic peptide, фрагмент 81-105). Фактично він і є аналогом антигенного пептиду і своєю ділянкою 92-105 інгибує зв’язування інших пептидів у порожнині МНС ІІ. Процес заміщення CLIP на антигенний пептид відбувається за допомогою спеціального білку - димеру DM-А і DM-В (їх гени теж знаходяться у комплексі МНС). Цей білок стабілізує проміжні структури МНС ІІ, що утворюються після відщеплення CLIP і дає змогу зв’язатися пептиду екзогенного антигену, який присутній у тій самій везикулі. Якщо зв’язування антигенного пептиду не відбувається, то α/β димер агрегує і перетравлюється власними протеазами. Треба зазначити, що альтернативні форми і-ланцюга (31 і 41 КД) відрізняються за своєю стійкістю до протеолізу: більш важка форма містить інгібітор катепсину L. Таким чином, різні ділянки і-ланцюга несуть різні сигнали: для тримерізації (163-183), направлення в ендосоми (цитоплазматичний хвіст), зв’язування в порожнині МНС ІІ (92-105), інгібування катепсіну L.

Із наведеного вище стає зрозумілим, що дихотомія представлення ендогенних і екзогенних антигенів, яка лежить в основі розділення на гуморальну та клітинну відповідь, базується на різних шляхах синтезу і метаболізму МНС І і ІІ.

Однак нема правил без виключень. Так, ендогенний антиген у деяких випадках може представлятися з МНС ІІ. Це відбувається, коли його синтезується клітиною дуже багато (суперекспресія). В такому випадку починає працювати шлях транспорту цитозольних білків до ендосоми. Є дані, що транспортними білками в такому разі виступають так звані білки теплового шоку (hsp, heatshock proteins) - білки, концентрація яких в клітині підвищується за стресових умов (підвищення температури або дефіцит поживних речовин). Гени білків теплового шоку і МНС тісно зціплені; їхні продукти теж споріднені за своєю будовою. Так, первинна структура α1 і β1 доменів МНС дуже нагадує таку у білків теплового шоку; обидва типи білків пристосовані для зв’язування і транспортування пептидів: білки hsp70 сприяють транспорту в лізосоми дефектних білків, що синтезувалися у клітині, але не пройшли одного з пунктів контролю і підлягають деградації. Hsp70 мають центри зв’язування з клатрином - білком, що вкриває зовні ендосоми і лізосоми. Таким самим шляхом власні або вірусні білки із цитоплазми можуть потрапляти до ендосом і поєднуватися там із МНС ІІ.

Екзогенний антиген у деяких випадках може бути представлений з МНС І. Такий процес називають перехресним представленням (cross-presentation), він відбувається в дендритних клітинах за участю тапасіну і має важливе значення для відповіді на вірусні інфекції. Це означає, що існує і зворотній шлях транспорту антигенних пептидів із ендосом у цитоплазму.

Ліпідні антигени, а також гідрофобні білки можуть представлятися для розпізнання Т лімфоцитами у комплексі з поверхневою молекулою CD1. Було з’ясовано, що при такому типі представлення антиген теж проходить ендоцитозним шляхом, але його процесинг не потребує участі БМ-А, БМ-В або ТАР. У порожнині СБ1 багато гідрофобних амінокислотних залишків.

Окрім представлення антигенних пептидів Т лімфоцитам, молекули МНС виконують і деякі інші функції. Незалежно від будови представленого пептиду, вони є лігандами для рецепторів Т лімфоцитів і природних кілерів, мітками індивідуальності, що впізнаються, наприклад, при відторгненні трансплантату. Вони приймають участь у формуванні репертуару Т лімфоцитів в процесііндивідуального розвитку (про це мова піде в окремій лекції). Молекули МНС виконують самостійні рецепторні функції, тобто при контакті з Т лімфоцитом клітина, що представляє антиген, теж отримує сигнал, який може призвести до її проліферації, диференціювання або, навпаки, загибелі. І, нарешті, саме молекули МНС визначають індивідуальний запах кожного члена популяції, розпізнання якого лежить в основі пошуку сексуальних партнерів і обмеження інбрідінгу.

Резюме

Імунне розпізнання антигенів починається із їх представлення імунним клітинам у комплексі з білками - продуктами генів головного комплексу гістосумісності. Розрізняють білки І і ІІ класу антигенів гістосумісності: МНС І і ІІ. Білок МНС І складається із трьохдоменного α-ланцюга і β₂-мікроглобуліну; білок МНС ІІ - із двох двохдоменних α- і β-ланцюгів, однак їх просторові структури дуже схожі. Порожнина зв’язування антигенних пептидів має форму замкненої кишені в МНС І і відкритої на кінцях щілини в МНС ІІ. Білки МНС І представляють ендогенні (внутрішні) антигени, а білки МНС ІІ - екзогенні (зовнішні). Шлях утворення антигенних пептидів із ендогенних і екзогенних антигенів називається процесингом антигену. Процесинг ендогенних антигенів відбувається в цитоплазмі за участю ферментів протеасоми, а процесинг екзогенних антигенів - в ендосомах за участю ендосомальних ферментів, зокрема катепсинів. Завантаження білків МНС І і ІІ антигенними пептидами відбувається на шляху їх біосинтезу: в ЕПР для МНС І і ендогенних пептидів, в ендосомі для МНС ІІ і екзогенних пептидів. Білки МНС І представлено на всіх клітинах організму, а білки МНС ІІ - тільки на спеціалізованих клітинах, що представляють екзогенні антигени. Ендогенні антигени, представлені з МНС І, стимулюють переважно клітинну відповідь, а екзогенні антигени, представлені з МНС ІІ, - гуморальну імунну відповідь.