Ugrás a tartalomhoz

Immunológia

Anna, Erdei, Gabriella, Sármay, József, Prechl (2012)

Medicina Könyvkiadó Zrt.

4. fejezet - 4. fejezet – A sejtmembrán és a receptorok általános szerkezete, az immunsejtek sejtfelszíni molekulái

4. fejezet - 4. fejezet – A sejtmembrán és a receptorok általános szerkezete, az immunsejtek sejtfelszíni molekulái

László Glória, Matkó János, Prechl József, Sármay Gabriella

Az immunrendszer sejtes alkotóelemei szervezetünk talán legintenzívebben kommunikáló sejtjei. Fejlődésük és funkciójuk ellátása során kiemelt jelentősége van a sejteket a környezettől elhatároló, ill. az azzal kapcsolatot létesítő sejthártyának, a plazmamembránnak. Az immunsejtek plazmamembránja néhány fontos sajátossággal rendelkezik a többi sejttípushoz képest; így pl. nagy számban találhatók meg benne a saját és idegen struktúrák, ill. kórokozók felszíni mintázatainak felismerésére alkalmas receptorok, amelyek dinamikusan változnak a sejtmembránstruktúrák internalizációja és recirkulációja révén. Mindemellett lipid-, valamint fehérje-összetételük jelentősen változik a sejtek érése és differenciálódása során. A következőkben az immunsejtek plazmamembránjának általános, illetve funkcionális szempontból legfontosabb tulajdonságait mutatjuk be.

A sejtmembrán molekuláris szerveződése

Az immunsejtek plazmamembránjának felépítése

Az immunrendszer sejtjeinek plazmamembránját – hasonlóan egyéb sejtekhez –lipid kettősrétegbe beépülő fehérjék építik fel, melyek esetenként szénhidrát molekulákkal is kombinálódnak. A 6-8 nm vastagságú, vízben oldódó molekulák és ionok számára átjárhatatlan sejthártya főbb lipid alkotóelemei közé tartoznak a glicerofoszfolipidek és a szfingolipidek. Ezek a glicerin-foszfát-, illetve szfingozinvázra épülő, konzervált kémiai struktúrák poláros fejcsoportjaik (pl. kolin, szerin, etanolamin) valamint az ezekhez kapcsolódó zsírsavláncok hossza és telítettségi indexe révén igen változatosak. Felvetődik a kérdés, vajon miért van szükség ennyiféle lipidmolekulára, ha a membrán elsődleges funkciója a sejtek belsejének elhatárolása a környezettől, és a sejtmembránhoz kapcsolt funkciókat (pl. enzimatikus folyamatok, anyag- és iontranszport, ligandumfelismerés) elsősorban fehérjék látják el. Bár még teljes magyarázat nincs mindenre, azt már tudjuk, hogy a lipidek közvetve vagy közvetlenül (pl. másodlagos hírvivőként vagy membránfehérjéket csoportosító molekulaként) fontos szerepet játszanak a sejtmembránon keresztül megvalósuló információcserében és a jelátviteli folyamatokban. Ilyen lipidek pl. a foszfatidil-inozitol-biszfoszfát (PIP2) és bomlásterméke, az inozitoltrifoszfát (IP3) vagy a szfingomielin bomlástermékei, a különféle ceramidok, a foszfatidilszerin, valamint az evolúció során konzervált szteroid molekulák (pl. lanoszterin, ergoszterin, koleszterin), melyek különböző membrán mikrodomének stabilizálására is képesek (lásd később). Az immunsejtek plazmamembránja, hasonlóan a többi sejtéhez, úgy épül fel, hogy a fehérjék, illetve a lipidek bioszintézisük után (fehérjék esetében a poszt-transzlációs módosítást követően), a transz-Golgi-sejtmembrán kölcsönhatásai révén (szortírozás, fúzió után) épülnek be a plazmamembránba. A membránban a fehérjék szerkezetüktől függően különböző lipid mikrokörnyezetbe kerülnek, ami csak akkor módosul, ha a fehérjék konformációja jelentősen megváltozik – pl. a receptorhoz ligandum kötődik. Az immunsejtek plazmamembránjában megközelítően 50-50% (száraz súlyra vonatkoztatva) a fehérjék és lipidek aránya. Emellett kisebb mennyiségben (5-8% súly) szénhidrát-molekulák is megtalálhatók, fehérjéhez, ill. lipidhez kötött formában. A lipidek közül, különösen az intracelluláris membránokhoz viszonyítva, ki kell emelni a szfingomielin, egyes glikolipidek (pl. gangliozidok) és a koleszterin magas százalékos arányát a plazmamembránban. A membránfehérjék és a lipidmolekulák aránya a plazmamembránban kb. 1:50. Az ép immunsejtek membránja gyakorlatilag átjárhatatlan poláros, hidrofil molekulák számára, azonban a sejtek elhalásakor megnő az áteresztőképessége (permeabilitása).

A plazmamembránban az egyes fehérjék tehát vagy lipid-lipid, vagy lipid-fehérje kölcsönhatás révén kapcsolódnak a lipid kettősréteghez. Az első csoportba tartoznak például a glikozilfoszfatidil-inozitol horgonyzott fehérjék, melyek az extracelluláris membránfelszínen jelennek meg, továbbá a zsírsavmódosított – pl. mirisztoilált vagy palmitoilált – fehérjék, melyek az intracelluláris membránfelszínen találhatók meg. A második csoportba tartozó transzmembrán-proteinek a lipid kettősrétegbe ágyazódnak.

A sejtmembránban a lipid- és a fehérjemolekulák állandóan intenzív mozgásban vannak. A modern mikroszkópia egyedi molekulák nyomon követésére alkalmas módszereit alkalmazva kimutatták, hogy egy lipidmolekula egy átlagos limfocita átmérőjének (kb. 8 mikrométer) megfelelő távolságot néhány szekundum alatt képes megtenni a membránban – természetesen zegzugos pályát befutva. A fehérjék mozgása (laterális diffúzió) ennél 1-3 nagyságrenddel lassabb, sőt egyes esetekben, pl. jelátviteli folyamatok során, bizonyos fehérjék átmenetileg immobilizálódhatnak is. Az intenzív molekulamozgások biztosítják a membránok fiziológiás körülmények között képlékeny, “fluid” állapotát. Ez emlősöknél az életkor előrehaladtával csökken, ami a jelátviteli funkciók, és ennek következtében az immunválaszadási képesség csökkent mértékével is együtt jár.

Az utóbbi években az immunrendszer sejtjeinek plazmamembránjában számos olyan fehérjét azonosítottak, melyek jelenléte korábban csak az ideg- és izomsejteken volt ismert. Ilyenek pl. az egyes ionok szelektív transzportjáért felelős specifikus ioncsatorna- és egyéb transzport-, valamint szabályozó fehérjék (lásd később). Mindez arra utal, hogy az emlős szervezetek két fontos szervrendszere, az immun- és az idegrendszer számos közös vonással rendelkezik, ami molekuláris szinten és a sejtek közötti kommunikációban egyaránt megnyilvánul.

A fluid és dinamikus – leginkább a sűrű mézhez hasonlítható – plazmamembrán korántsem homogén. Benne a változatos lipid-lipid és lipid-fehérje kölcsönhatások következtében kialakuló, ún. membránmikrodomének találhatók. Ezeket a molekulacsoportokat találóan “lipid tutajoknak” (raft) nevezték el, mivel együtt “úsznak”, mozognak a fluid lipid kettősrétegben. Az elmúlt tíz évben ezen mikrodomének funkcionális jelentőségét elsősorban az immunrendszer sejtjein sikerült feltárni, de az idegrendszeri szinapszisokban és más sejttípusokon is kimutatták szabályozó szerepüket jelátviteli folyamatokban. A következőkben a lipidraftok néhány jellemző tulajdonságát mutatjuk be.

A membrán mikrodomének: lipidtutajok (raftok) és kaveolák

A raftok és kaveolák olyan lipidcsoportosulások, melyek a gliko- és szfingolipidek, valamint a koleszterol egymás iránti erős affinitása, illetve a többi glicerofoszfolipiddel való lényegesen gyengébb kölcsönhatása következtében alakulnak ki a sejtmembránban.

A raftokat először kémiai tulajdonságaik alapján azonosították, mivel azok a sejtek lízise során ellenállnak a gyengébb, nem ionos detergensek szolubilizáló hatásának és sűrűség gradiensben végzett ultracentrifugálás során kis sűrűségű, “lebegő” frakcióként izolálhatók. A lipidraftok valamennyi emlős sejtben, így az immunsejtekben is, megtalálhatók. Jellemző tulajdonságuk – a membrán többi részével szemben – az igen magas gliko-, szfingolipid- és koleszterintartalom, továbbá a telített és az átlagosnál hosszabb zsírsavláncok túlsúlya.

A membránmikrodomének egy hasonló lipidösszetételű változata a “kaveola”, mely elektronmikroszkóppal látható, 50-70 nm átmérőjű membránbetüremkedés (4.1. ábra). Ez a struktúra jellemző a dendritikus sejtekre, a monocitára, makrofágra, endotélsejtekre, valamint a tímusz kortikális és medulláris epitélsejtjeire. A kaveolák kialakulásában a kaveolin- és flotillingének fehérjetermékeinek van szerepe. Ezt bizonyítja, hogy limfocitákban, ahol normál körülmények között kavoeolák nem mutathatók ki, a kaveolingén transzfekciója hatására megjelennek ezek a membránstruktúrák. A kaveolák stabilizálásában a kaveolin jellegzetes “hajtű” szerkezetének fontos szerepe van, mivel a fehérje koleszterinkötő N- és C- terminális vége egyaránt intracellulárisan helyezkedik el.

4.1. ábra. A sejtmembrán szerkezete, a raft (a) és kaveola (b) mikrodomének. A mikrodoméneken belül fontos szerepük van a fehérje–lipid kölcsönhatásoknak is. A raftokban és kaveolákban főként glikozil-foszfátidilinozitol (GPI) horgonyzott (pl. Thy.1, CD14, CD48, CD59 molekulák) és acilált (palmitoilált, mirisztoilált) fehérjék (pl. Src-kinázok, LAT-adaptor fehérjék, különböző GTP-kötő fehérjék) találhatók, míg transzmembránfehérjék csak kisebb mennyiségben vannak jelen. Jelen ismereteink szerint konstitutíven azok a fehérjék fejeződnek ki a raft mikrokörnyezetben, amelyek vagy GPI-, illetve zsírsavkonjugáltak, vagy olyan transzmembránfehérjék, melyek membránt átívelő helikális doménjének hossza jól illeszkedik a raftokra jellemző membránvastagsághoz. Azaz a túl rövid vagy túl hosszú transzmembrándoménnel rendelkező sejtmembránfehérjék mintegy ’kiszorulnak’ a raftokból.

A mikrodomének kompartmentalizáló hatása: a membránfehérjék raftasszociációja és funkcionális következményei

Számos, az immunválasz során kulcsszerepet játszó transzmembránfehérje (pl. T- és a B-sejtek antigénkötő receptorai, az IgE-t nagy affinitással kötő FcεRI, egyes koreceptorok) a nyugvó sejtek membránjában a raft mikrodoméneken kívül helyezkedik el. A receptorok keresztkötése hatására ezen fehérjék konformációja lényegesen megváltozik, és lipid mikrokörnyezetbe kerülnek. Ennek következtében a receptorfehérjék számos, a raftokban összegyűlő jelátvivő fehérjével (pl. kinázok, adaptor fehérjék) kerülnek kapcsolatba. Az így kialakuló, ún. szignaloszómák elősegítik a jelátviteli folyamatok hatékony lezajlását, a sejtek aktivációját (4.2. ábra, részletesen lásd később a T- és B-limfocitaaktiváció kapcsán).

4.2. ábra. A raftok szere pe a B-limfociták aktiválásában. Az antigénkötést követően (cross-linking, keresztkötés) raftban lokalizálódó B-sejtreceptor (BCR) citoplazmatikus része kapcsolatba kerül a Lyn-Src-kinázzal, mely és az Igα- és Igβ-láncok ITAM-jait foszforilálja. Ezzel további jelátvivő molekulák (Syk) toborzódnak a raftba. A gátló hatású CD45-foszfatázfehérje eközben kizáródik a jelátvivő raftokból.

Ismert, hogy a megfelelő sejtválasz, ill. az effektor funkciók kialakulásához több gén egyidejű aktivációja szükséges, ami rendszerint csak kellően hosszú ideig tartó és intenzív jelátvitel esetén valósul meg. A raftok azt biztosítják, hogy az egymással reagáló jelátvivő molekulák kellő számban és megfelelő ideig legyenek egymáshoz közel a sejtmembránban. Ezt nevezzük membránkompartmentalizációnak. Az előbbiekben említett raftszerkezeti elvek alapján ez jelentheti a raft mikrokörnyezetét nem kedvelő negatív szabályozó fehérjék (pl. CD45 tirozin-foszfatáz enzim) átmeneti kizárását is a jelátviteli komplexből az aktivációs folyamat kezdetén. Az aktiváció hatására beinduló citoszkeleton-átrendeződés és vezikuláris transzport révén végül a sejtaktivációt leállító molekuláknak (pl. CTLA-4 a T-limfociták esetében) az aktiváló receptorok közelébe való toborzása is megtörténik. A raftok tehát fontos szerepet játszanak a sejtaktiváció jelátviteli folyamatainak tér- és időbeli koordinálásában és a különféle jelpályák integrálásában, melyek nélkülözhetetlenek a hatékony génaktiváció és sejtválasz létrejöttéhez. Így szabályozzák a limfociták elsődleges nyirokszervekben lezajló érési és differenciálódási folyamatait is, esetenként akár a raftok mennyiségének változása, pl. de novo szfingolipid bioszintézis révén is (pl. naiv sejtek átalakulása effektor sejtekké, a T-limfociták esetében). A B- és a T-limfociták antigénkötő receptorai (BCR, TCR) által közvetített jelátvitel mellett jól ismert a raftok koordináló szerepe a hízósejtek IgE-receptorai (FcεRI), az interleukin-2 citokin receptorkomplexe (IL-2R) és egyes sejthalálreceptorok (pl. Fas/CD95) jelátvitelében is.

Membránmikrodomének mint patogének célpontjai

Az utóbbi évek kutatási eredményei szerint a lipidraft és kaveola mikrodomének céltáblái is lehetnek a szervezetbe kerülő patogén baktériumoknak, vírusoknak, illetve bakteriális termékeknek (toxinok, lipopoliszacharidok). A gangliozidokról már régóta ismert, hogy képesek egyes bakteriális toxinok megkötésére. Ismert az is, hogy bizonyos baktériumok és vírusok specifikus receptor-ligandum kölcsönhatások révén jutnak a gazdasejtbe. Így pl. az E. coli baktérium a FimH mannózkötő lektinje és a makrofágok GPI-horgonyzott CD48-molekulái közötti kölcsönhatás révén jut a makrofágokba. Számos más baktérium (pl. mycobaktériumok, Chlamydia trachomatis) valamint egyes vírusok (pl. HIV, kanyaró, influenza, SV40) esetében kimutatták, hogy a vírus gazdasejtbe történő bejutása függ a membránraftok integritásától.

Ez a HIV esetében pl. azt jelenti, hogy a betolakodó patogén felismérésében sok esetben a raftokban konstitutíven expresszált receptormolekulák (a segítő T-limfociták vagy monociták/makrofágok CD4- és kemokinreceptorai) vesznek részt, és a kötést követően internalizálják a patogént. A HIV internalizációját követő események (replikáció, bimbózás/budding) során számos jele van a szoros raft-vírus kölcsönhatásnak. Ezek közül a legszembetűnőbb az, hogy a gazdasejtből kijutó vírus fehérjeburkában nagy mennyiségben találhatók raftasszociált gazdasejtfehérjék. Ismert az is, hogy számos patogén a raftokkal kialakított kölcsönhatást arra “használja fel”, hogy elrejtőzzön, és így túléljen a gazdasejt belsejében. Ezt legtöbbször úgy éri el, hogy speciális burkolófehérjéket (coat-protein) toboroznak a fagoszómába/kaveoszómába, melyek megakadályozzák azok fúzióját a lizoszómákkal, és így a kórokozók lebontását is. A raft/kaveola membránmikrodomének tehát több szinten is befolyásolják a fertőzés folyamatát.