Galvenais audu saderības komplekss Major Histocompatibility Complex (MHC)

Lekcijas plāns Galvenais audu saderības komplekss (MHC) MHC kompleksa atklāšana un tā loma imūnatbildē MHC organizācija genomā MHC molekulu struktūra Peptīdu saistīšanās pie MHC molekulām MHC molekulu producēšana Antigēna apstrāde un prezentēšana T limfocītiem To antigēnu īpašības, kurus atpazīst T limfocīti Antigēnprezentējošās šūnas Antigēna apstrāde Lipīdu antigēnu prezentēšana Ilona Mandrika ilona@biomed.lu.lv

Nobela prēmija Fizioloģijā vai Medicīnā 1980. gadā “par viņu atklājumiem attiecībā uz ģenētiski noteiktām struktūrām uz šūnu virsmas, kas regulē imunoloģiskās reakcijas" George D. Snell Jean Dausset Baruj Benacerraf ASV Francija ASV

Kā tika atklāts Galvenais audu saderības komplekss? Transplanta atpazīšana par savu vai svešu ir iedzimta īpašība.

Peļu audu saderības lokuss tika sasaistīts ar gēnu 17.hromosomā, kas kodē asins grupas antigēnu (antigēnu II). Šo gēnu rajonu nosauca par Histocompatibility- 2 vai vienkārši H-2. Ģenētisko reģiona daļu, kas kontrolēja audu atgrūšanu un sastāvēja no vairākiem saistītiem gēniem nosauca par Galveno audu saderības kompleksu - Major Histocompatibility Complex (MHC).

Turpmākos 20 gados vienīgā zināmā loma MHC kompleksam bija audu atgrūšana. Transplantācija nav gluži dabīgs fenomens. Kāpēc tad MHC gēni tiek saglabāti evolūcijas gaitā? 1960 un 1970 gados tika atklāts, ka MHC gēniem ir fundamentāla loma visās imūnajās atbildēs pret proteīnu antigēniem.

Pirmie trīs gēni tika nosaukti Cilvēka MHC molekulas = Cilvēka Leikocītu Antigēni Human Leukocyte Antigens HLA = H-2 pelēs Jean Dausset pirmais parādīja, ka indivīdiem, kuri atgrūda nieri, parādījās cirkulējošās antivielas, reaģējošas ar limfocītu antigēniem. Šie antigēni (alloantigēni) ir polimorfo gēnu produkti, kuri spēj atšķirt savu no sveša. Pirmie trīs gēni tika nosaukti HLA-A, HLA-B, HLA-C.

MHC organizācija genomā Cilvēkam MHC atrodas 6.hromosomas īsajā plecā un aptver 3 500 kb. Class II Class III Class I - 20 gēni - 30 gēni - 15 gēni Antigēna (peptīda) prezentācija Komplementa sistēmas proteīni Antigēna (peptīda) prezentācija b2-mikroglobulīnu kodē gēns, kas atrodas 15.hromosomā

HLA-A HLA-C HLA-B TAP 1 un TAP 2 – transporta proteīnu gēni (nozīmīgi antigēnu pārstrādē) TAP - transporter associated with antigen processing

satur vairākus dažādus MHC I un II klases gēnus 439 96 218 MHC ir poligēns, t.i. satur vairākus dažādus MHC I un II klases gēnus MHC ir polimorfs, t.i. populācijā gēnam ir vairāki varianti. MHC gēni ir vieni no vispolimorfiskākajiem gēniem visā genomā. MHC gēni ir kodominanti ekspresēti katrā indivīdā. Katrā indivīdā vienādā pakāpē tiek ekspresētas mātes un tēva alēles. Tas ļauj palielināt MHC molekulu skaitu nepieciešamo peptīdu piesaistei un T-šūnu prezentācijai.

Katrs indivīds ekspresē sešu veidu MHC I klases molekulas uz katras šūnas un tikai nedaudz vairāk MHC II klases molekulas.

MHC molekulu funkcijas ▶ Svarīgas molekulas antigēna atpazīšanā un apstrādē. Inducē un stimulē imūnatbildi. I klases MHC molekulas ▶ Piesaista citoplazmā degradētos antigēnus (vīrusu proteīnus) ▶ Prezentē peptīdus CD8+ citotoksiskajiem T- limfocītiem II klases MHC molekulas ▶ Piesaista endocītiskajos pūslīšos degradētus peptīdus ▶ Prezentē peptīdus CD4+ T limfocītiem palīgiem (T helper)

MHC I un II klases molekulu struktūra

Kopīgas īpašības visām I un II klases MHC molekulām Transmembrānas glikoproteīni Ekspresētas uz šūnu virsmas Ļoti polimorfas Iesaistītas imunoregulācijā Katram proteīnam izšķir 4 rajonus - Variablais peptīda-saistīšanas rajons - Konstantais rajons - Transmembrānas rajons - Citoplazmiskais rajons

MHC I molekulas struktūra 2 polipeptīdu ķēdes: ▪ Garā a-ķēde (45kDa) ▪ Īsā ķēde (12kDa) – b2-mikroglobulīns Nekovalenti saistītais b2-mikroglobulīns palīdz stabilizēt MHC molekulas konformāciju. ► Citoplazmiskais rajons sastāv no 30 bāziskām aminoskābēm un satur fosforilēšanas saitus.

MHC I molekulas struktūra ► Transmembrānas rajons – 25 hidrofobās aminoskābes. ► Ļoti konservatīvs a3 domēns pie kura saistās T-šūnu CD8 molekula ► Ļoti polimorfs peptīda saistīšanas rajons, kuru veido abi a1 un a2 domēni

MHC II molekulas struktūra Divas aptuveni vienāda garuma polipetīdu ķēdes a un b. -ķēde ir 32-34 kD b- ķēde ir 29-32 kD ► Īss citoplazmiskais rajons, kas satur fosforilēšanas saitus. ►Transmembrānas rajons – 25 hidrofobās aminoskābes katrā a un b ķēdē.

MHC II molekulas struktūra ► Ļoti konservatīvs b2 domēns pie kura saistās T-šūnu CD4 molekula ► Ļoti polimorfs peptīda saistīšanas rajons, kuru veido abi a1 un b1 domēni

Pilnībā nokomplektētas MHC molekulas ir heterotrimēri MHC I MHC II a- ķēde a- ķēde b- ķēde b2-mikroglobulīns piesaistīts antigēna peptīds piesaistīts antigēna peptīds MHC molekulas bez peptīda ir nestabilas Peptīda antigēna piesaiste stabilizē a-ķēdes un b2-mikroglobulīna mijiedarbību a-ķēdes un b2-mikroglobulīna mijiedarbība pastiprina peptīda antigēna piesaisti

Peptīda piesaiste pie MHC molekulas ir fundamentāli atšķirīga no antigēna piesaistes pie B un T limfocītu antigēnu receptoriem MHC molekulas uzrāda plašu specifiskumu peptīdu piesaistē. Katra MHC molekula var piesaistīt daudz dažādus peptīdus. MHC molekulas peptīda saistīšanas vietā vienlaicīgi var piesaistīt tikai VIENU peptīdu. Peptīdiem, kurus saista MHC molekulas ir kopīgas strukturālās īpašības, kuras veicina šo piesaisti

☞ MHC I saista 8-11 aminoskābju garus peptīdus ☞ MHC II saista 10-30 aminoskābju garus peptīdus (optimāli 12-16) ☞ Peptīdi saistās izstieptā konformācijā

Peptīdi saistās pie MHC molekulām caur strukturāli līdzīgām enkura aminoskābēm Katrs peptīds satur 1 vai 2 enkura aminoskābes. Enkura aminoskābes (zaļas) nav identiskas, bet ir līdzīgas: F un Y ir aromātiskas aminoskābes V, L un I ir lielas hidrofobas aminoskābes Ir attēloti peptīdi eluēti no divām dažādām I klases MHC molekulām.

T-šūnu antigēna receptors atpazīst aminoskābes abos Antigēna peptīdā MHC molekulā Antigēna atpazīšanas specifiskums MHC restrikcija

Peptīdu piesaiste pie MHC molekulām Pie MHC molekulas piesaistītais antigēna peptīds disociē no MHC molekulas ļoti lēni. Kinētikas disociācijas konstantes variē no stundām līdz pat vairākām dienām. Cilvēka MHC molekulas neatšķir svešus peptīdus no saviem peptīdiem. Kāpēc tad mēs parasti neattīstam imūnatbildi pret paša proteīniem?

MHC molekulu ekspresija MHC izplatība ir saistīta ar CD4+ un CD8+ T-šūnu funkcijām. ▶ CD8+ T-limfocīti nogalina šūnas, kuras ir inficētas ar intracelulāriem mikrobiem vai vīrusiem. Vīrusi var inficēt jebkuru kodolsaturošu šūnu. ▶ CD4+ T-šūnas palīdz makrofāgiem iznīcināt ekstracelulāros mikrobus un aktivēt B limfocītus antivielu producēšanai.

MHC molekulu ekspresija MHC I klases molekulas: Ekspresētas uz visām kodolsaturošām šūnām MHC II klases molekulas: Ekspresētas uz antigēnprezentējošo šūnu virsmas Tiek regulētas ar IFN-g

Secinājumi: MHC molekulu struktūra ▶ MHC I un II klases molekulām ir ▪ dažāda struktūra, ▪ dažāda izplatība šūnu veidos ▪ dažādas funkcijas ▶ Peptīdi, kurus saista MHC I un II klases molekulas ir atvasināti no dažādiem šūnu nodalījumiem un ir dažāda garuma ▶ Interferons-g regulē MHC molekulu ekspresiju

prezentēšana T limfocītiem Antigēna apstrāde un prezentēšana T limfocītiem

Antigēnprezentējošās šūnas

Antigēnprezentējošās šūnas (APŠ) Pārvērš proteīnu antigēnus par peptīdiem = antigēnu apstrāde. Eksponē peptīda-MHC kompleksu T-šūnu atpazīšanai. Ekspresē ko-stimulātorus, kuru ir svarīgi T šūnu aktivēšanai. Apoptoze

Dažādu šūnu tipi darbojās kā APŠ lai aktivētu naivās un iepriekš diferencētās T-šūnas Naivās CD4+ Naivās CD8+ Diferenciētas CD4+ T-šūnas T-limfocītus (helper)

Profesionālās APŠ Vienīgās šūnas, kuru galvenās funkcijas ir antigēnu saistīšana un prezentēšana. Vienīgās APŠ, kuras ir spējīgas ierosināt T-šūnu atbildi.

Dendrītiskās šūnas ierosina T-šūnu atbildi < 1% no šūnu populācijas 25% no epidermas (virsādas) virsmas

APŠ antigēn-prezentējošās funkcijas tiek pastiprinātas mikrobu produktu ietekmē MHC un ko-stimulātoru ekspresija Uzlabojās antigēna prezentācijas efektivitāte Citokīnu produkcija APŠ Stimulē T šūnu atbildi Hemokīna receptora CCR7 ekspresija Stimulē APŠ migrāciju uz infekcijas vietām

Naivās T šūnas ekspresē CCR7 un migrē hemokīni

Dendrītiskās un T šūnas in vitro

Kāpēc dendrītiskās šūnas ir visefektīvākās T-limfocīta primārās atbildes ierosināšanā? DŠ stratēģiski izvietotas vietās, kur parasti mikrobi iekļūst mūsu organismā. DŠ ekspresē receptorus, kuri spēj piesaistīt mikrobus (mannozes un Toll-like receptori). DŠ pārsvarā migrē uz T-šūnu zonām limfmezglos, caur kurām cirkulē naivās T šūnas. Nobriedūšās DŠ ekspresē kostimulātorus, kuri ir nepieciešami naivo T-šūnu aktivēšanai.

APŠ funkcijas Antigēna apstrāde Antigēna prezentēšana T-šūnām

fizikoķīmiskās īpašības Antigēna īpašības, kuras atpazīst T-šūnas Antigēns fizikoķīmiskās īpašības T šūnas B šūnas un antivielas

Antigēna īpašības, kuras atpazīst T-šūnas B šūnas Pārsvarā tikai peptīdus Peptīdus, proteīnus, nukleīnskābes, lipīdus, polisaharīdus, nelielas ķīmiskās molekulas Specifiski atpazīst peptīda aminoskābes sekvences Atpazīst lineāras aminoskābju sekvences un konformacionālos epitopus Atpazīst tikai tos antigēnus, kuri atrodas uz APŠ virsmas Piesaista kā šķīstošos tā arī uz šūnu virsmas eksponētos antigēnus

Self MHC restriction Katra indivīda T-šūnas atpazīst svešus antigēnus TIKAI TAD, ja šie peptīdi ir piesaistīti un izstādīti uz paša indivīda MHC molekulām. ▶CD4+ T-šūnas atpazīst peptīda- MHC II klases molekulu kompleksus Peptīdi atvasināti no ekstracelulāriem proteīniem, kas APŠ tiek internalizēti pūslīšos.

▶ CD8+ T-šūnas atpazīst peptīda- MHC I klases molekulas Peptīdi ir atvasināti no citozolā esošajiem, parasti endogēni sintezētiem proteīniem ▶Īpaša T-šūnu populācija atpazīst lipīdus ne MHC saistītā ceļā.

Antigēna apstrāde

Citozolā esošo antigēnu apstrāde MHC I klases saistītai prezentācijai

Citozolā esošo antigēnu avots Vīrusu un intracelulāro mikrobu produkti Kļūmīgi sintezēti vai aplami salocīti proteīni (brāķi) Vēžu šūnas var producēt proteīnu antigēnus no mutētiem vai pārekspresētiem gēniem Peptīdi, kuri nāk no fagosomās internalizētiem mikrobiem Producē listeriolizīnu, poras veidojošo toksīna proteīnu, kurš ļauj baktērijai izsprukt no pūslīša uz citozolu. Listeria monocytogenesis

Citozolā esošo proteīnu proteolītiskā degradācija cytosolic proteins Proteolīze proteosomās Proteīnu degradācija sākās tikai pēc tam, kad pie proteīna ar kovalentām saitēm tiek pievienotas vairākas kopijas neliela polipeptīda- ubikvitīna. Poli-ubikvitīns kalpo kā specifisks signāls proteosomas atkarīgai degradācijai Proteasomas

Proteasoma 20S 700 kD (11S cap) Notver un novirza proteīnus uz kameru Proteīna degradācija IFN-g inducē jaunas proteasomas b-subvienības: LMP2, LMP7 un MECL-1, kuras aizvieto atbilstošas katalītiskās subvienības b1, b2 un b5. LMP- Low Molecular Wheight Protease complex

izmainīta katalītiskā aktivitāte substrāta specifiskums Producētie peptīdi ir no 6 līdz 30 aminoskābēm gari un parasti satur bāziskās vai hidrofobās aminoskābes C- terminālajā galā.

Peptīdu transportēšana no citozola uz endoplazmatisko tīklojumu TAP – Transporter Associated with antigen Processing Peptīdu transports no citozola uz ET ir ATP atkarīgs. Optimāli tiek transportēti no 6 līdz 30 aminoskābēm gari peptīdi ar bāzisko vai hidrofobo C-galu.

2 tapazīna un 2 MHC I klases molekulas saistās ar katru Skats no ER lūmena N-terminālie palīgdomēni TAP1 un TAP2 transmembranālie domēni veido poru caur kuru tiek virzīts peptīds 2 tapazīna un 2 MHC I klases molekulas saistās ar katru N-terminālo palīgdomēnu Tapazīns ir transmembranālais glikoproteīns. Tapazīns piesaistās pie TAP un b2-mikroglobulīna. Kalpo kā tilts starp MHC I molekulu un TAP1/2 kompleksu.

Peptīda- MHC I klases kompleksa savākšanās ER ER AminoPeptidase kalneksīns kalretikulīns

Peptīda piesaiste pie MHC molekulām notiek PIRMS ekspresijas uz šūnas virsmas un ir būtisks komponents MHC molekulas biosintēzē un savākšanās. Peptīda piesaiste ir nepieciešama abām I un II klases MHC molekulām lai notiktu kompleksa stabila savākšanās un ekspresija uz šūnu virsmas.

saistītā antigēna apstrāde MHC II klases saistītā antigēna apstrāde un prezentācija

Prezentē proteīnus, kuri ir ielauzušies šūnā no ārienes. APŠ piesaista ekstracelulāros proteīna antigēnus un tos internalizē. C-tipa lektīnus Makrofāgi ekspresē receptorus antivielu Fc daļai un receptorus C3b komplementa proteīnam B šūnas ekspresē virsmas imunoglobulīnu APŠ atpazīst struktūras, kuras ir raksturīgas mikrobu patogēniem (lipīdi un ogļhidrāti) un nav atrodamas zīdītāju šūnās.

MHC II klases saistītā antigēnu peptīdu prezentācija

MHC II molekulas biosintēze un transports uz endosomām MHC II klases a un b ķēdes sintezējās un saistās viena ar otru ET. Viņu foldings un savākšanās notiek ar ET šaperonu proteīnu (kalneksīns) palīdzību. a un b ķēdes komplekss ir nestabils un tāpēc tiek stabilizēts ar trešo proteīnu – invarianto (nemainīgo) ķēdi (Ii). Ii ir trimērs, kas sastāv no trim 30kD subvienībām.

Invariantās ķēdes proteīns ► Katra Ii subvienība saista vienu ab heterodimēru un nobloķē MHC II molekulas peptīda saistīšanas vietu. ► Ii veicina MHC II molekulas foldingu un savākšanos un virza jaunizveidoto MHC II molekulu uz vēlajām endosomām un lizosomām. Atstāj ET kā nanomērs

Makrofāgos un B šūnās daļu no vēlajām endosomām, kuras ir Early endosome with antigen HLA-DM Makrofāgos un B šūnās daļu no vēlajām endosomām, kuras ir bagātas ar MHC II klases molekulām sauc par MHC II klases molekulu nodalījumu vai MIIC (compartment) Enzīmi antigēna degradācijai Ii MIIC MHC II molekulas Cilvēka leikocītu antigēns DM (HLA-DM)

CLIP aizvākšana ir nepieciešama pirms peptīda antigēna saistīšanas. MIIC iekšienē Catepsin S 24 aa CLIP Class II-associated Invariant Peptide CLIP aizvākšana ir nepieciešama pirms peptīda antigēna saistīšanas. HLA-DM palīdz aizvākt CLIP.

HLA-DM Gēns ir kodēts MHC II lokusā Struktūra ir līdzīga MHC II molekulai Kolokalizēta ar MHC II molekulām endosomās Nav polimorfa Nesaistās ar Ii peptīdu Netiek ekspresēta uz šūnas virsmas

HLA-DM molekulas funkcijas ▶ Izraisa CLIP disociāciju no MHC II peptīda saistīšanas gropes ▶ Stabilizē un pasargā no degradācijas tukšas MHC II ▶ Veicina antigēna peptīda piesaisti pie MHC II

Peptīda piesaistīšana pie MHC II molekulas to stabilizē. Stabils peptīda-MHC II komplekss tiek nogādāts uz APŠ virsmas. Tiek izstādīts atpazīšanai CD4+ T-šūnām.

MHC - peptīda kompleksa veidošanās procesā NAV mehānisma, kas ļautu atšķirt savus proteīnus no svešiem proteīniem. Viena šūna parasti ir apkārusies ar 50000- 100000 MHC molekulām. Lielāka daļa no MHC molekulām ir MHC I klases molekulas, kas saistītas ar saviem proteīniem. Kā T-šūna spēj atpazīt un būt aktivēta ar jebkuru svešu antigēnu?

T-šūnas ir ārkārtīgi jūtīgas. Kāpēc parasti mēs neveidojām imūnatbildi pret saviem proteīniem? T-šūnas ir ārkārtīgi jūtīgas. < 0.1% no kopēja skaita II klases MHC molekulu spēj iniciēt specifisko T-šūnu atbildi. T šūnas specifiskas pret self peptīda-MHC kompleksiem tiek nogalinātas vai inaktivētas.

Lipīdu antigēnu prezentācija Lipīdu antigēni tiek prezentēti T-šūnām caur šūnu virsmas molekulām -CD1 (cluster of differentiation) CD1 tiek ekspresētas uz dažādām APŠ un epitēlijā. APŠ ekspresē uz savas virsmas dažādas formas CD1 molekulas. Katra CD1 molekula piesaista noteikta veida lipīda antigēnu (lipopeptīdu vai glikolipīdu). CD1 molekulas veido antigēna saistīšanas gropi līdzīgi kā MHC molekulas. Aminoskābes antigēna saistīšanas gropē ir hidrofobākas nekā tādas MHC molekulā. Līdzīgi kā proteīna antigēni, arī lipīdu antigēni tiek sadalīti un prezentēti kā fragmenti.

CD1 prezentētus lipīdu antigēnus atpazīst vairākas šūnas CD4+ T-šūnas CD8+ T-šūnas CD4-CD8- T- šūnas NK-T-šūnas (T-šūnas, kuras ekspresē NK šūnu marķierus)

APŠ antigēns T-limfocīts