Ugrás a tartalomhoz

Immunológia

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

Medicina Könyvkiadó Zrt.

A klasszikus hisztokompatibilitási gének által kódolt fehérjék szerkezeti jellegzetességei és biológiai funkciói

A klasszikus hisztokompatibilitási gének által kódolt fehérjék szerkezeti jellegzetességei és biológiai funkciói

Az MHC-I- és az MHC-II-régióban elhelyezkedő klasszikus MHC-gének által kódolt membrán glikoproteineket a génkomplex alapján MHC-fehérjéknek nevezzük. Az MHC-I- és az MHC-II-gének által kódolt fehérjék szerkezete és funkciója sok vonatkozásban hasonló, de szöveti megoszlásuk, és az immunrendszer működésében betöltött szerepük jelentősen eltér egymástól. A humán MHC-I-fehérjék α-láncát a genetikailag polimorf HLA-A-, -B- és –C-gének kódolják, és ez a lánc a β-2-mikroglobulin (β2m) fehérjével társulva fejeződik ki a sejtek felszínén. Egérben az MHC-I-fehérjék α-lánca a H-2D, H-2K vagy H-2L gének terméke. A β2m-t kódoló gén emberben a 15., egérben pedig a 2. kromoszómán található. Négy exont tartalmaz, de a kódoló régió jelentős része a második exonban van.

A humán MHC-II-fehérjék α- és β-láncát a HLA-DR-, -DQ- és –DP-gének kódolják. A sejtfelszínen megjelenő fehérjék általában az ugyanabban a régióban kódolt α- és β-láncok által alkotott dimer formájában jelennek meg a sejtfelszínen, azaz a HLA-DR α-lánca elsődlegesen a HLA-DR β-lánchoz kapcsolódik. Ehhez hasonlóan, az egér MHC-II-fehérjék α- és β-lánca a H-2A- és H-2E-gének terméke is lehet. Az A- vagy E-régióban kódolt α- és β-láncok preferenciálisan egymással képeznek dimereket.

A klasszikus MHC-I- és MHC-II-molekulák – bár eltérő alegységekből állnak – jellegzetes felépítésű és hasonló térszerkezetű membránfehérjék, melyeknek a membrántól távol eső részén sajátos peptidkötőhely található (9.4. ábra). Ennek kialakításában a kötőhelyet képező polipeptidlánc(ok) szabályosan rendeződött antiparalel β-lemezei és jellegzetes α-helikális szakaszai vesznek részt (9.5. és 9.6. ábra). Az MHC-molekulák szerkezetének filogenetikai vizsgálata egyértelműen igazolta, hogy ezek az ősi és nagyon konzervatív felépítésű molekulák szerkezetük állandóságának megőrzése mellett a peptidkötő hely kialakításában rendkívüli változatosságot mutatnak. Ezt a poligenitás és a fajon belüli allelikus változatok nagy száma, a genetikai polimorfizmus biztosítja. Feltételezhető, hogy a törzsfejlődés során ennek kialakulásában fontos szerep jutott a környezeti hatásoknak és a különböző kórokozók által előidézett szelekciónak.

9.4. ábra. Az MHC-I- és MHC-II-membránfehérjék alegység- és doménszerkezete . Az MHC-I-molekula egy polimorf α- és egy közös β2-mikroglobulin (β2m) láncot, míg az MHC-II-molekula egy polimorf α- és egy polimorf β-láncot tartalmazó heterodimer. A polimorf láncok az extracelluláris doméneken mellett transzmembrán és citoplazmatikus szakaszokat is tartalmaznak. Az MHC-I-molekula α3, az MHC-II-molekula α2- és β2-doménjei, valamint a β2m az Ig-szupergénfamília tagjaira jellemző szerkezettel rendelkeznek. A peptidkötő helyet kialakító domének, így az MHC-I-molekulában az α1 és az α2, az MHC-II-molekulában pedig az α1 és a β1 szerkezete a hősokkfehérjékkel rokon. A polipeptidláncok lineáris szerkezetén feltüntettük a szénhidrátoldalláncok elhelyezkedését.

9.5. ábra. Az MHC-I-membránfehérje térszerkezete . Az ábrán az MHC-I-molekula röntgenkrisztallográfiás módszerrel meghatározott térszerkezete látható (a), kiemelve a peptidkötő zseb oldal- (a) és felülnézeti (b) szerkezetét. A c ábrán a peptidkötő helybe illeszkedő oligopeptid (sötét) elhelyezkedése látható, jól érzékeltetve, hogy az MHC-I-molekulával kialakított kapcsolat eredményeként a peptidoldalláncok nagy része mintegy belesüllyed a kötőhelybe, és csupán néhány oldallánc kerül a felszínre, és válik hozzáférhetővé a TCR számára. (C. A. Janeway és P. Travers: System in Health and Disease, Current Biology Ltd., 1996. felhasználásával).

9.6. ábra. Az MHC-II-membránfehérje térszerkezete . Az ábrán az MHC-II-molekula röntgenkrisztallográfiás módszerrel meghatározott térszerkezete látható (a), kiemelve a peptidkötő zseb oldal- (a) és felülnézeti (b) szerkezetét. A c ábrán a peptidkötő helybe illeszkedő oligopeptid (sötét) elhelyezkedése látható, jól érzékeltetve, hogy az MHC-II-molekulához kötődő peptid C- és N-terminális vége hosszabb, mint a kötőhely, és a peptid-oldalláncok nagyobb felülete kerül a felszínre és válik hozzáférhetővé a TCR számára, mint az MHC-I-molekula esetében (C. A. Janeway és P. Travers: System in Health and Disease, Current Biology Ltd., 1996. felhasználásával).

A két molekula eltérő szöveti megoszlása funkcionális szempontból is fontos. Az MHC-I-gének a szervezet minden magvas sejtjének felszínén megjelenő MHC-I-fehérjék szintéziséért felelősek, de a fehérjék kifejeződésének mértéke jelentősen függ az adott szövet típusától. Így a szervezetben vannak ún. immunológiailag kiváltságos (privilegizált) helyek (lásd 19. és 20. fejezet), mint pl. a központi idegrendszer, az ízületek, a szem, az ivarszervek, ahol a szöveti sejteken az MHC-I-molekulák csak kis számban jelennek meg (9.2. táblázat). Az MHC-II-gének termékei az MHC-II-membránfehérjék, melyek kifejeződése – az MHC-I-fehérjékkel ellentétben – a sejttípustól függően korlátozott és szigorúan szabályozott. Az MHC-II-fehérjék elsősorban az immunrendszer működésében fontos szerepet játszó hivatásos antigénprezentáló sejteken (APC) jelennek meg, amelyek közé a B-limfociták, a makrofágok és a dendritikus sejtek sorolhatók (lásd 3. és 12. fejezet). Ezek a sejtek a felszínükön MHC-I- és MHC-II-fehérjéket egyaránt megjelenítenek, melyek mennyisége nagymértékben függ az APC aktiváltsági állapotától (lásd 12. fejezet). Gyulladási citokinek, így pl. az IFNγ hatására az MHC-II más sejttípusokon is – pl. endotélsejtek, asztrociták – megjelenhet. Ez a helyi vagy krónikus gyulladás következtében is kialakuló folyamat szerepet játszik az autoimmun kórképek kialakulásában (lásd 19. fejezet).

9.2. táblázat - 9.2. táblázat. Az MHC-I- és az MHC-II-glikoproteinek szöveti megoszlása

Sejtek, szövetek, szervek

MHC-I

MHC-II

Limfoid sejtek

T-limfocita

+++

-*

B-limfocita

+++

+++

Mieloid sejtek

Makrofág

+++

++

Dendritikus sejtek

+++

++++

Egyéb sejtek

Tímuszhámsejtek

+

+++

Neutrofil granulociták

+++

-

Vörösvérsejtek

-

-

Különböző szervek, szövetek**

Májsejtek

+

-

Vese

+

-

Agy

+

-***

Ízületek

+

-

Szem

+

-

Méhlepény

+

-

Szívizom

-

-

Gyomor

-

-

Vékonybél

++

++


* az emberi aktivált T-limfocitákon megjelennek az MHC-II-molekulák

** a többféle sejttípusból álló szerveken/szöveteken megjelenő MHC-II-molekuláknak a szervátültetések szempontjából van jelentősége

*** a makrofágokkal rokon mikrogliasejtek MHC-II-molekulákat hordoznak

Az MHC-I membránfehérjék szerkezete és funkciója

Az MHC-I-glikoproteinek két polipeptidláncból felépülő heterodimer molekulák (9.4. ábra). A nagy genetikai polimorfizmust mutató α-lánc (emberben 44 kD, egérben 47 kD) az MHC génkomplex I. régiójában található HLA-A, -B és C szerkezeti gének terméke (9.1., 9.2. ábra). A sejtmembránban az α-lánchoz nem kovalensen kötődő β2m-t (12 kD) egy másik kromoszómán (emberben a 15., egérben a 2.) elhelyezkedő gén kódolja, így ez a fehérje nem MHC-termék. A β2m viszonylag régóta ismert molekula; eredetileg vizeletből izolálták, és nevét elektroforetikus mobilitása (β2-frakció), mérete és globulinjellege alapján kapta. A fehérje szerkezete az Ig-konstans doménnel homológ, így a β2-mikroglobulint kódoló gén az Ig-szupergéncsaládba tartozik. Szerkezetileg rokon az α-lánc Ig-szerű, membránhoz közeli α3-doménjével. A β2m emberben nem polimorf; egérben az α-láncnál lényegesen kevesebb, mindössze 7 allélt hordoz. Az 5 doménből felépülő α-lánc jellegzetes transzmembránfehérje, amelynek extracelluláris részéhez emberben egy, egérben két oligoszacharidegység kapcsolódik. A β2m az α3-doménnel alakít ki nem kovalens kapcsolatot (9.1., 9.2. ábra). Az 5 bázikus aminosavat tartalmazó, összesen 25 aminosavból felépülő transzmembránszakaszt egy 30-40 aminosav hosszúságú citoplazmatikus rész követi.

Az 1980-as évek egyik legjelentősebb immunológiai eredménye a sejtfelszínről papainos hasítással nyert emberi MHC-I-fehérje (HLA-A2) extracelluláris fragmentumának röntgenkrisztallográfiás szerkezetvizsgálata volt (9.5. ábra). Ez nem csupán egy fehérje szerkezetének tisztázását eredményezte, hanem fényt derített az antigénbemutatás molekuláris hátterére és az MHC-molekulák tényleges biológiai szerepére is. Az MHC-I térbeli elrendeződése a molekulában két doménpár kapcsolatát igazolta. A hasonló harmadlagos szerkezetű α1- és α2-domének alkotják a membrántól távolabb eső egységet, míg a membránhoz közelebb eső α3 és β2m a másikat (9.5. ábra). Ez utóbbiak szerkezetére – hasonlóan az Ig-konstans doménekéhez – egy 3 és egy 4 redőből álló antiparalel β-lemez jellemző. Bár az α1- és α2-domének nem mutatnak rokonságot az Ig-doménekkel, az MHC-I-molekulák egészében az Ig-szupergéncsaládba sorolhatók. Az α1- és α2-domének kölcsönhatásának eredményeképpen egy 8-szálú β-redőzött lemez és egy α-hélixbe csavarodott szakasz alakul ki, amely a molekula külső felszínén egy kb. 2,5 x 1,0 x 1,1 nm méretű bemélyedést eredményez. A „zseb” széleit az α-helikális szakasz, míg az alját a β-redőzött lemezek képezik (9.5. ábra). A szerkezetvizsgálatok azt is igazolták, hogy a kötőhelyben peptidligandumok helyezkednek el. Bár ezek azonosítását az első szerkezetvizsgálat még nem tette lehetővé, az eredmények azt igazolták, hogy az MHC-I-fehérjék peptidkötő receptorként működnek.

Az MHC-I-fehérjék fajon belüli polimorfizmusának alapja az, hogy az α-láncok aminosavsorrendje a populációban – az allélok kifejeződésétől függően – egyedenként eltérő. Az emberi HLA-A2 molekula α-láncában – más allélokkal összehasonlítva – 17 aminosav-eltérést tapasztaltak, melyek közül 15 a peptidkötő mélyedés oldalában vagy alján helyezkedik el (9.7. ábra). Az allotípusokként változó aminosavak adott szekvenciaszakaszokban csoportosulnak: az α1-domén 62–83, az α2-domén 105–116 és 174–194 szakaszokon találhatók, ez utóbbi az α2- és α3-doméneket köti össze. Az allotípusok aminosavkülönbségei elsősorban a peptidek kötésére képes „zseb” szerkezetét módosítják anélkül, hogy a teljes molekula térszerkezetét alapvetően megváltoztatnák. Így az α-lánc polimorfizmusa lehetőséget ad arra, hogy az MHC-I fehérjék különböző allotípusai többféle és különböző peptideket is képesek legyenek megkötni (9.7. ábra). Ellentétben az α1- és az α2-doménekkel, az α3 domén konzervatív szerkezetéből adódóan minden allotípusban azonos, és a β2m-mel kapcsolódva stabilizálja a molekulaszerkezetet, valamint a T-limfociták CD8 kostimuláló molekulájához kötődik (lásd 4., 12. és 13. fejezet).

9.7. ábra. Az MHC-membránfehérjék mint peptidkötő receptorok . Az ábrán a HLA-B27 emberi MHC-I allotípus (a) és az HLA-DR1 MHC-II allotípus (b) peptidkötő helyének felülnézeti szerkezeti modellje látható. A felső sorban a peptidkötő helyet határoló α-helixek azon oldalláncait tüntettük fel, amelyek kapcsolatot teremtenek az illeszkedő peptid aminosav oldalláncaival. Az ábra jól érzékelteti az MHC-I-molekula „zárt” és az MHC-II-molekula „nyitott” peptidkötő helyének szerkezetét. Az alsó sorban narancsárga pontokkal jelölve tüntettük fel az allélek közötti aminosav-eltérések elhelyezkedését. (Behring Institute Mitteilungen No. 94. 1994. nyomán).

Egy heterozigóta egyed minden szöveti sejtjén maximálisan 6 különböző MHC-I-allél termékei jelenhetnek meg, melyek közül 3 anyai és 3 apai eredetű. Egy dimerpárt a HLA-B, egyet a HLA-B és egyet a HLA-C allotípusok képviselnek (9.8. ábra).

9.8. ábra Az emberi MHC-I (HLA-B, -C és -A) és az MHC-II (HLA-DQ A1B1, A2B2) lókuszok alléljei által kódolt fehérjetermékek sejtfelszíni megjelenése heterozigóta egyedben. A szervezet csaknem minden magvas sejtjén megjelenő MHC-I-molekulák 6 alléljának kifejeződése meghatározza az egyed MHC-genotípusát. A korlátozott szöveti megjelenésű, MHC-II-gének által kódolt α- és β-fehérjeláncok bizonyos allotípusai cisz- és transzkombinációban is párosodhatnak egymással, és ez által a sejtfelszínen megjelenő fehérjék sokfélesége tovább bővül.

Az MHC-allotípusok azonosításának lehetőségei

Az MHC-génekre jellemző nagyfokú genetikai polimorfizmusnak az a következménye, hogy az emberi populáció (hasonlóan más fajokhoz) eltérő MHC-mintázattal jellemezhető egyedekből áll. Ezért az MHC-tipizálás (vagy HLA-azonosítás) számos terület, így a bűnügyi orvostan, a családvizsgálatok, a populációgenetikai, epidemiológia és a transzplantációs immunológia fontos területévé vált. Az MHC-tipizálás első, hagyományos eljárásai szerológiai módszereken alapultak, amelyekben természetes poliklonális és tervezetten előállított monoklonális ellenanyagokat alkalmaztak. Szerológiai módszerekkel kb. 24 HLA-A, 52 HLA-B és 11 HLA-C génterméket lehet elkülöníteni. Az utóbbi években a szerológiai MHC-tipizálást folyamatosan kiszorítják a molekuláris biológiai és korszerű sejtszintű vizsgálómódszerek. Ezek nemcsak az MHC-tipizálás időigényét csökkentették jelentősen, de az egyetlen nukleotid cseréjén alapuló SNP (Single Nucleotid Polimorphism) meghatározással kombinálva új MHC-allotípusok azonosítását is lehetővé tették. Így a szerológiai módszerekkel meghatározott variánsok számánál lényegesen több humán MHC-I- és MHC-II-allotípus különíthető el. Jelenleg a HLA-I szerkezeti géneknek összesen 657, a HLA-II szerkezeti géneknek 492 allélja ismeretes.

Az MHC-II-membránfehérjék szerkezete és funkciója

Az MHC-II-molekula két, egymással nem kovalens módon kapcsolódó α- és β-polipeptidláncból épül fel (9.4. és 9.6. ábra). Az MHC-I osztályba tartozó fehérjékhez hasonlóan, az MHC-II-molekulák is transzmembrán glikoproteinek. A 32 – 34 kD molekulatömegű α-lánc és a 29-32 kD molekulatömegű β-lánc egyaránt két extracelluláris domént (α1 és α2 ; β1 és β2), egy 20-25 aminosavból álló transzmembrán régiót, továbbá egy viszonylag rövid citoplazmatikus szakaszt tartalmaz. Ez utóbbi az α-láncban 3-15, a β-láncban 8-21 aminosav hosszúságú. A szénhidrátkomponensek az α1 és α2, valamint a β1-doménhez kapcsolódnak. Az α- és a β-láncok eltérő molekulatömege különböző mértékű glikoziláltságukat tükrözi. Az α1 – β1-doménpár a membrántól távolabb, míg az Ig-doménhez hasonló szerkezetű, egy-egy láncon belüli diszulfidhidat is tartalmazó α2 – β2 doménpár a membrán közvetlen közelében helyezkedik el. Az α1-doménben nincs láncon belüli diszulfidhíd, míg a β1-doménben van.

Az MHC-II-molekula peptidkötő helyét, amely térszerkezetét tekintve az MHC-I-molekuláéhoz hasonló felépítésű, az α1 – β1 doménpár alakítja ki, és egy 8-szálú β-redőzött lemez, továbbá két α-hélixbe rendeződött szakasz alkotja (9.6. ábra). Az MHC-II-molekulák mindkét polipeptidláncát jelentős genetikai polimorfizmus jellemzi, de a β-láncok polimorfizmusa nagyobb az α-láncokénál. Mivel egy adott sejtben az α-lánc a β-láncok több allotípusával is képes párt képezni, az egy adott sejten megjelenő MHC-II-molekulák maximális száma két eltérő allél esetében 4 is lehet, aminek következtében ugyanannyi gén esetében a sejtfelszínen megjelenő dimerek sokfélesége nő (9.8. ábra). A „transzpárosodás” lehetősége a különböző α- és β-láncok szintézisének mértékétől és az allotípustól is függ, így az ennek következtében képződő új MHC-termékek megjelenése nem minden egyedben valósul meg.

Az MHC-gének nagy számának valamint polimorfizmusának kialakulása és funkcionális következményei

A humán genom legnagyobb polimorfizmust mutató génjei az MHC-I-molekulákat kódolják (pl. a humán HLA-B-nek 300-nál is több allélje ismert). A variációk leggyakoribb típusa a kódoló SNP (egy nukleotid megváltozása következtében kialakuló változat), ezen kívül gyakoriak a delécióval vagy inzercióval kialakult polimorfizmusok.

Egy adott egyénben elvileg valamennyi MHC-lókusz bármely allélja társulhat a genotípusban, és termékeik is megjelenhetnek a sejtfelszínen (9.3. ábra). Így a négy legfontosabb lókusz (HLA-A, B, DQ, DR) variációit számba véve (9.8. ábra) a fenotípus-kombinációk lehetősége nagyobb, mint a T-limfocita készlet becsült mérete. Az MHC-allotípusok megvalósuló kombinációinak száma azonban a gének kapcsolt öröklődése miatt ennél valamivel kevesebb. Ennek ellenére az emberi populáció az MHC-gének genetikai polimorfizmusát illetően rendkívüli sokféleséggel rendelkezik (9.9. ábra).

9.9. ábra. Az MHC-allotípusok kombinálódásának elve az egyedben és a populációban . A genotípust az MHC-molekulákat felépítő polimorf láncokat kódoló szerkezeti gének alléljai határozzák meg. A polimorf láncokat kódoló gének kapcsolt öröklődésének következtében az egyedre jellemző haplotípust az apai és az anyai kromoszómán kódolt gének kombinációja alakítja ki (kék háttérrel kiemelt allélok). Az ábrán feltüntetett 1. és 2. egyed az apai kromoszómán az A-, B- és DRB1-lókuszokban eltérő, míg a DQB1-lókuszban azonos genotípussal rendelkezik. Az anyai kromoszómán található gének a két egyedben az A- és B-lókuszban megegyeznek, míg a többiben eltérnek egymástól. Ennek értelmében az 1. és 2. egyed haplotípusa eltérő (J. Klein nyomán).

Az MHC-molekulák változatosságával kapcsolatos első megfigyelések Zinkernagel és Doherty munkájához kapcsolódnak (lásd 10. fejezet). Az MHC-korlátozás felfedezése mellett először ők vetették fel a heterozigotizmus előnyének szerepét az MHC-polimorfizmusának kialakulásában. A szerkezetvizsgálatok igazolták, hogy az MHC-molekulák peptidkötő zsebében az aminosav-változást okozó nukleotidcserék száma nagyobb, mint a csendes mutációt okozóké. A szubsztitúciók ilyen – más fehérjéket kódoló génektől eltérő – jellegzetessége bizonyítékul szolgál arra, hogy a polimorfizmust szelekciós hatások tartják fenn, és hogy a heterozigotizmust előnyben részesítő szelekció specifikusan a peptidkötő helyet érinti.

Az MHC-molekulák biológiai funkciójának ismeretében ma már tudjuk, hogy a heterozigotizmus és a polimorfizmus fenntartása növeli a felismerhető peptidek körét és kedvez a T-limfociták általi felismerés hatékonyságának. Az egyed szintjén a poligenitás, a populáció szintjén pedig a genetikai polimorfizmus biztosítja az emlősfajoknál sokkal gyorsabban fejlődő, állandóan változó kórokozókkal szemben ellenállóbb egyedek szelektálódását, a populáció fenntartását.

Az MHC-molekulák peptidkötő funkciójának szerkezeti alapjai

Az MHC-I- és az MHC-II-molekulák térszerkezeti rokonságát – a domének eltérő elrendeződése ellenére – már az aminosavsorrend alapján is jósolni lehetett. Az MHC-I-molekula térszerkezetére vonatkozó adatokat azonban csak 1993-ban követte az MHC-II-molekulák, valamint az ismert szekvenciájú peptidet tartalmazó MHC-II-peptid komplexek szerkezetének részletes elemzése. Mindez az alábbi fontos információkat szolgáltatta:

– az MHC-membránfehérjék peptidkötő receptorként működnek, amit a jellegzetes térszerkezettel rendelkező molekula felszínén kialakuló peptidkötő mélyedés (zseb) biztosít;

– az MHC gének polimorfizmusából adódó aminosav-sorrendbeli eltérések az I. és II. típusú MHC-fehérjében a peptidkötő helyben halmozdónak fel;

– a peptidkötő hely finomszerkezete az MHC-I és MHC-II-molekulák esetében eltérő;

– egy adott allotípusú, egyedi aminosavszekvenciával jellemezhető MHC-fehérje egyetlen kötőzsebébe többféle peptid is illeszkedhet, de egyidejűleg csak egy kötődhet;

– egy meghatározott sejt felszínén egy adott MHC-allotípus többféle peptidet is bemutathat;

– az MHC-molekula a szervezet saját és nem-saját fehérjéiből származó peptidek megkötésére is alkalmas, így nem rendelkezik antigénspecificitással.

A molekulaszerkezeti vizsgálatok, valamint az MHC-molekulákhoz kötődő peptidek analíziséből következtetni lehetett a peptidkötőhely szerkezetére, a peptidligandumok eredetére, természetére, és jellegzetességeire, valamint az MHC – peptid kölcsönhatás molekuláris törvényszerűségeire. Mindezek alapján az MHC-molekulák olyan konzervatív szerkezetű peptidreceptoroknak tekinthetők, melyek a kötőhely felépítésében eltérnek egymástól és így különböző, de bizonyos szerkezeti követelményeknek megfelelő peptid-készlet megkötésére képesek. Noha az MHC-molekulák nem tesznek különbséget a szervezet számára sajátként elfogadható és a nem-saját vagy veszélyes antigénből származó peptidek között, képesek azok megkötésére és sejtfelszíni bemutatására. Így az MHC-molekulák szerepe az adaptív immunrendszer működésében kettős:

– a saját fehérjékből származó peptidek állandó sejtfelszíni megjelenítésével a T-limfociták számára folyamatosan bemutatják a tolerálható MHC-peptid kombinációkat;

– szerepük az antigénfelismerésben az, hogy a T-limfociták jelenlététől függetlenül megkötik, és a saját fehérjékből származó peptidekkel együtt bemutatják az idegen fehérjeantigénekből származó peptideket is.

Ezek a vizsgálatok arra is fényt derítettek, hogy az MHC-I membránfehérjék zsebébe illeszkedő peptidek elsősorban a sejtben szintetizálódó sejtmag-eredetű és citoplazmatikus fehérjék degradációs termékekből származnak. Ezzel ellentétben az MHC-II-molekulákhoz kötődő peptidek membránfehérjékből, nagy részük az MHC-molekulákból és kis hányaduk a külső szöveti térben található fehérjékből származik. Mindezek alapján feltételezhető, hogy az MHC molekulák közös szerkezetük és peptid bemutató funkcióik mellett egyedi sajátságokkal is rendelkeznek.

A peptidkötő hely részletes jellemzése

Az MHC-I- és MHC-II-molekulák peptidkötő funkciója – a kötőhely hasonló térbeli elrendeződése ellenére – eltér egymástól (9.4. és 9.5., 9.6. ábra). Az MHC-I típusú molekulák esetében a peptidkötőhely két végét az α1 és α2-domének adott pozícióiban elhelyezkedő konzervatív aminosavak képezik, amelyek a peptidek láncvégi NH2- és COOH-csoportjainak megkötésére alkalmasak(9.10. ábra).Így a molekula felszínén kétoldalt „zárt” kötőhely alakul ki, amely csak meghatározott méretű peptidek befogadására képes. Ezzel szemben az MHC-II fehérjék konzervatív aminosavai a peptidkötő hely egész hosszában, egyenletesen elosztva helyezkednek el, így a kötőhely a két végén “nyitott”, és a peptidek N- és C-terminális aminosavai szabadon „kilóghatnak” a kötőhelyből (9.9. ábra). Ezeknek a molekulaszerkezeti korlátozásoknak – ahogy erre a későbbiekben még visszatérünk – fontos funkcionális következményei is vannak.

9.10. ábra. Különböző méretű peptidek illeszkedése az MHC-I (HLA-B27) és MHC-II (HLA-DR1) fehérjék peptidkötő helyébe . a) Az MHC-I-molekula aminosav-oldalláncokat kötő zsebei a peptid N- (P2, P3 vagy P5) és C-terminális (P7, P9) aminosavai oldalláncaival alakítanak ki nem kovalens kölcsönhatásokat. A peptid láncvégi NH2- és COOH-csoportjai az α2- és α3-domének által kialakított kötőhelyet „bezáró”, konzervatív aminosavakkal hoznak létre H-hídkötéseket. Az illeszkedő peptidek optimális mérete 9 aminosav, az okta- és dekapeptidek illeszkedési lehetőségét szaggatott vonallal jeleztük. b) Az MHC-II-molekula nyitott kötőhelye hosszabb peptidek kötődését is megengedi. Az eltérő hosszúságú, átfedő peptidek megfelelő oldalláncai (P1) egy minden MHC-II-molekulára jellemző mély, hidrofób zsebbe illeszkednek. A többi horgonyzó aminosav oldalláncai ettől az első zsebtől megfelelő távolságban elhelyezkedő mélyedésekbe illeszkedhetnek, így a további kapcsolatot teremtő aminosavak a P4-, P6- és P9-pozíciókban találhatók. Az MHC-molekulák zsebeibe illeszkedő peptideket a teljes lánc hosszában az α2- és β2-domének konzervatív aminosavaival létrejövő H-hídkötések is stabilizálják.

Az MHC-molekulák egyedi sajátságait (allélikus változatait) meghatározó aminosavcserék a peptidkötő zsebben, vagy annak környékén helyezkednek el, így a kötőhely sokfélesége a peptidfelismerés széles skáláját szolgálja. Fontos kérdés azonban, hogy egy adott szerkezetű MHC-fehérje milyen természetű peptidek megkötésére képes, milyen fokú a specificitása, és mennyire alkalmas a természetben előforduló számtalan, eltérő aminosav-szekvenciával rendelkező antigén eredetű fehérjefragmentum szelektív megkötésére. Erre a kérdésre az MHC-fehérjékhez természetes úton és kísérleti körülmények között kötődő peptidek szerkezeti, proteomikai és funkcionális vizsgálata adott választ.

Az allélspecifikus motívumok azonosítása és predikciója

Az allélspecifikus motívumok meghatározásában döntő fontosságú volt az ún. természetes peptid-ligandumok azonosítása. Az eljárás során ismert MHC-allotípusokat hordozó, általában homozigóta egyedekből származó sejtvonalak felhasználásával a peptideket kémiai módszerrel (savas vagy detergens elúcióval) leoldják a sejtfelszínről, majd nagy érzékenységű tömegspektrometriás eljárással azonosítják. A módszer alkalmas a természetes környezetben kötődő saját peptidek, valamint a fehérje antigénekkel való feltöltést követően leoldható peptidek azonosítására is. Így megfelelő sejttípusok alkalmazásával pl. kezeletlen és a vírussal fertőzött sejtek felszínén a bemutatott víruseredetű ligandumok, vagy a primer szöveti és az adott szövet tumorsejtjeinek összehasonlításával a tumorasszociált, MHC-I és/vagy MHC-II-fehérjékhez kötődő peptidek is azonosíthatók.

Az MHC-II-molekulákhoz kötődő, allélspecifikus szekvenciamotívumok azonosítását jelentősen megkönnyítette a szekvencia alapján tervezett peptidkönyvtárak alkalmazása. Ezekben a vizsgálatokban, a kémiai úton előállított vagy bakteriális fágokon megjelenített peptidkeverékek segítségével az in vivo szituációnak megfelelő nagyszámú peptid egyidejű kötődése tanulmányozható. Az MHC-peptid kölcsönhatás biokémiai jellemzésében a sejtekből izolált MHC-fehérjék tanulmányozása mellett nagy előretörést jelentett az ún. „üres”, azaz peptidet nem hordozó MHC-molekulák géntechnológiai eszközökkel való in vitro előállítása. Ezek a molekulák – ellentétben az emlőssejtekből izolált MHC-molekulákkal – a peptidkötőhelyben nem, vagy csak kis számú peptidet tartalmaznak, így a kötési vizsgálatokban a természetes peptidek általi kompetíció zavaró körülményét ki lehetett küszöbölni.

A természetes fehérjékből és különböző fehérjeantigénekből és patogénekből származó, ismert MHC-I és MHC-II allotípusokhoz kötődő peptidek azonosítása, valamint az egyes MHC-allotípusok peptidkötő helyének ismert szekvenciája és molekula-modellje olyan adatbázisok létrehozását tette lehetővé, amelyek alkalmasak elvileg bármely MHC-fehérje peptidkötő helyébe illeszkedő szekvenciák in silico keresésére és tervezésére. Ez a stratégiailag új genomikai és proteomikai megközelítés lehetőséget kínál az egyedre szabott vakcináció és immunterápia tervezésére. Napjainkban az MHC-peptid kölcsönhatások predikciójára alkalmas adatbázisok és bioinformatikai programok révén elérhetők.

E törvényszerűségek alapján egy adott szerkezetű MHC-molekulához kötődő peptidek ún. allélspecifikus konszenzus szekvenciákkal (motívum) jellemezhetők, amelyeken belül a horgonyzó aminosavak az adott MHC-allotípus által kialakított peptidkötő helyre jellemző, nem konzervatív aminosavak által képzett zsebekkel alakítanak ki kapcsolatot (9.10. ábra).

A méret- és szekvenciabeli korlátozások figyelembevételével egy adott MHC-molekulához kötődni képes peptidek száma elméletileg rendkívül nagy, így az MHC-molekuláknak sok lehetséges ligandumuk van. Ezért ezek a peptidkötő fehérjék semmiképp sem tekinthetők nagy fajlagosságú, egyetlen ligandumra specializálódott sejtfelszíni receptoroknak. Az MHC-II-molekulák peptidkötő képessége kevésbé korlátozott, mint az MHC-I-molekuláké. Ez összhangban áll az MHC-molekulák peptidkötő zsebének szerkezeti tulajdonságaival, miszerint az MHC-I fehérjék „zárt” kötőhelye csak 8-10 aminosavat tartalmazó peptidek kötődését teszi lehetővé, míg az MHC-II-molekulák ennél nagyobb méretű, átfedő peptidek és fehérjefragmentumok megkötését is biztosítja (9.10 ábra és 9.3. táblázat).

9.3. táblázat - 9.3. táblázat. Az MHC-I- és MHC-II-molekulákhoz kötődő peptidek sajátságai

A peptid jellemzői

MHC-I

MHC-II

Az aminosavak száma

8-10

13-23

A természetes peptidek eredete

Citoszolikus fehérjék, magfehérjék

Membránfehérjék;

70% MHC eredetű

A felismert peptid

Adott méretű epitóp

Eltérő méretű, átfedő peptidek közös „illeszkedő” szekvenciával

A peptidkötés helye

ER

Endoszóma


Az MHC-molekulákhoz kötődő peptidek sajátságai

A sejtmembránon megjelenő MHC-molekulák kötőhelye mindig tartalmaz peptideket. Fiziológiás körülmények között ezek az adott sejt által szintetizált endogén, valamint a szöveti környezetből felvett exogén saját fehérjék lebontásából származnak. Egy adott allotípusú MHC-molekula egyetlen és egyedileg jellemző peptidkötő helyét mintegy 3-500 különböző szekvenciájú, de hasonló motívumokat tartalmazó peptid foglalhatja el. A különböző fehérjeantigénekben azonosított allotípus-specifikus T-sejt-epitópok, valamint a sejtmembránon megjelenő MHC-molekulákról leoldható peptidek szekvencia-analízise alapján az MHC-I és MHC-II membránfehérjékhez kötődő peptidek eredetére és sajátságaira vonatkozóan általános törvényszerűségek vonhatók le.

Ennek értelmében az MHC-I-molekulákhoz kötődő peptidek mérete szigorúan meghatározott, amennyiben 8-10 aminosavnál nem hosszabbak. Másik jellegzetességük, hogy a különböző MHC-allotípusokhoz kötődni képes peptidek bizonyos pozíciókban, tulajdonságaikban hasonló ún. horgonyzó aminosavakat tartalmaznak, míg a szekvencia többi része igen eltérő lehet (9.10. ábra). Az MHC-I fehérjék peptidkötő helyének aminosav oldalláncokat horgonyzó pontjai a 2., 3. vagy 5. és a C-terminális pozicióknak megfelelő helyen találhatók. Az MHC-I-peptidkomplexek molekulaszerkezeti vizsgálata azt is igazolta, hogy a peptidek úgy illeszkednek a kötőhelybe, hogy az okta-, nona- vagy dekapeptid két végén elhelyezkedő aminosav oldalláncok mélyen rejtve maradnak. A kölcsönhatásokért felelős kapcsolatokat a peptidváz és az MHC-I-molekula konzervatív aminosavai alakítják ki, míg a horgonyzó aminosavak oldalláncai az allélokra jellemző kötőhelyekbe illeszkednek (9.10. ábra). Így az MHC-I kötőhelyéből – a peptid hosszától és szekvenciájától függően – csak a peptid középső aminosav-oldalláncai türemkednek ki.

MHC-II-fehérjékhez kötődő peptidek mérete az előzőekkel ellentétben kevésbé korlátozott, de a különböző méretű, sokszor átfedő peptidek szintén jellemezhetők bizonyos szekvenciális szabályszerűségekkel. Mivel az MHC-II-molekulák által kötött peptidek optimális mérete 13-25 aminosav között van, az ezekre jellemző szekvencia-motívumok azonosítása nehezebb. Az MHC-II-molekulákhoz kötődő peptidek legjellegzetesebb sajátsága, hogy a kötődésért felelős peptidszakasz 1. poziciójában általában nagyméretű, hidrofób aromás vagy alifás aminosav található. Ezen kívül még legalább kettő vagy három, adott távolságban elhelyezkedő horgonyzó oldallánc biztosítja a kapcsolódást. Mivel az illeszkedő peptidek ténylegesen kapcsolódó szakasza az MHC-II fehérjék esetében is átlagosan 9 aminosav, a hosszabb peptidek N- és C-terminális, közvetlenül nem kötődő részei „kilógnak” a kötőhelyből (9.10. ábra). Az emberi MHC-II-molekulák peptidkötő helyének kristályszerkezetét először 1993-ban közölték, azóta számos további részletes térszerkezet, köztük humán izo- és allotípusok és a két egér molekuláé (H2-IA és H2-IE) vált ismertté. Ezek az eredmények azt igazolták, hogy a különböző molekulák szerkezete nagyon hasonló, és az illeszkedő peptidek konformációja is rendkívül konzervatív. Ez a hasonlóság azt eredményezi, hogy az illeszkedő peptid adott poziciójú aminosavai – legtöbb esetben a P1, P4, P6 és P9 helyzetűek – a különböző MHC-II-molekulák esetében eltérő térfogatú, hidrofób tulajdonságú és töltésviszonyokkal jellemezhető kötőzsebekbe illeszkednek. Az MHC-II fehérjék peptidkötő mélyedésében – az MHC-I-molekulához hasonlóan – fontos szerep jut a szabályszerűen elhelyezkedő horgonyzó aminosavaknak, valamint az egész peptidváz és az MHC-molekula konzervatív aminosavai között kialakuló nem-kovalens kölcsönhatásoknak, elsősorban a H-hídkötéseknek (9.7. ábra).

Az MHC-peptid kölcsönhatás jellegzetességei

Mivel az MHC-molekulák nem képesek különbséget tenni a saját fehérjékből és az idegen antigénekből származó peptidek között, és a kötődés lehetőségét a peptid koncentrációja, mérete és szekvenciális sajátságai határozzák meg, az antigénbemutatás mindig kompetitív körülmények között megy végbe. Az MHC-molekulák és a peptidek kölcsönhatása a sejten belül, az MHC-I- és MHC-II-molekulák esetében eltérő intracelluláris kompartmentben történik, ahol a hozzáférhető MHC-kötőhelyekért való versengésé a meghatározó szerep. Ennek kimenetele az MHC-molekulák és a peptidek találkozási helyén rendelkezésre álló peptidek aminosav-szekvenciájától és egymáshoz viszonyított koncentrációjától, valamint a kötés erősségétől függ. Azt is igazolták, hogy a „győztes” peptidek már nagyon nehezen távolíthatók el az MHC-molekulák kötőhelyéről. Ez a megfigyelés hívta fel a figyelmet arra a lehetőségre, hogy a peptidek elsődleges kapcsolódása olyan térszerkezeti változást idéz elő az MHC-molekulákban, amelynek következtében a receptor mintegy „csapdába ejti” a kötődő peptidet. Ez a folyamat mindkét MHC-molekula esetében molekuláris chaperonok segítségével, különböző sejten belüli környezetben megy végbe (lásd 12. fejezet).

Az MHC-II-molekulák és a szuperantigének kölcsönhatása

A szuperantigének olyan bakteriális vagy virális eredetű fehérjék, amelyek oligoklonális T-sejt aktivációt képesek kiváltani, ami a T-limfociták nagy hányadát, akár 5-25%-át is érintheti. Ennek molekuláris hátterében az áll, hogy a szuperantigén egyszerre képes kapcsolódni az MHC-II fehérje β-láncának a peptidkötő helyen kívül eső szélső molekuláris felszínéhez, valamint a TCR β-lánc variábilis doménjének (Vβ) egy viszonylag konzervatív szakaszához. Így a TCR peptidspecificitásától függetlenül sok rokon szerkezetű antigénkötőreceptorral rendelkező T-sejt és egy adott típusú MHC-II-molekula nagy affinitású összekapcsolása révén számos T-sejt aktiválódik attól függetlenül, hogy az MHC-II zsebébe milyen peptidek kötődnek. A szuperantigének hatására nagyságrendekkel több T-limfocitaklón aktiválódik, mint az antigénspecifikus T-sejt stimuláció során, ami a szervezetet súlyosan károsító mértékű celluláris immunválaszhoz és gyulladásos „citokinvihar” kialakulásához vezethet. Ez tapasztalható a szeptikus sokkot kiváltó Staphylococcus enterotoxin (SE) és a TSST-1 (Toxic Shock Syndrom Toxin-1) szuperantigének esetében.

Az MHC-molekulák biológiai funkciói

A nagyfokú genetikai polimorfizmussal rendelkező, de konzervatív szerkezeti felépítésű sejtfelszíni MHC-fehérjék az immunrendszer fejlődése és működése során a természetes és az adaptív immunválasz folyamataiban is kulcsfontosságúak, és meghatározó szerepet töltenek be mind az egyed, mind a teljes populáció túlélési lehetőségeinek irányításában. A klasszikus MHC-fehérjék:

– intracelluláris peptidkötő receptorként és sejtfelszíni antigénprezentáló molekulaként működnek (l. 12. fejezet),

– a tímuszban a fejlődő T-limfociták számára bemutatják az „immunológiai saját” környezetet és elősegítik a T-sejtek fejlődését és az adott egyedre szabott szelekcióját (lásd 11. fejezet),

– a perifériás szövetekben az érett T-limfociták számára folyamatosan bemutatják a tolerálható saját és az idegen vagy veszélyes fehérjékből származó degradációs termékeket,

– az NK- és T-sejtek egyes gátló receptoraihoz kötődve szabályozzák azok működését,

– a hivatásos APC-k felszínén elindítják az antigén-specifikus immunválaszt (lásd 12. fejezet),

– allogén vagy xenogén szövetátültetés során fő szövetösszeférhetőségi (hisztokompatibilitási) antigénként viselkednek, és intenzív T-sejtválaszt provokálnak (lásd 20. fejezet).

Mai ismereteink szerint az MHC-molekulák legfontosabb biológiai funkciója a szervezetben termelődő vagy oda bekerülő fehérjék részleges lebontása során keletkező peptidek megkötése és folyamatos bemutatása a T-limfociták számára. Bár az MHC-molekulák nem képesek különbséget tenni az immunológiai értelemben vett saját és nem-saját fehérjékből származó peptidek között, az antigénből származó peptidek megkötésével alapvető szerepet töltenek be a T-limfociták antigénfelismerő működésében. Ezért a TCR, a BCR és az ellenanyagok mellett az MHC-termékek is az adaptív immunrendszer antigén-felismerő funkciójában közreműködő molekulái közé sorolhatók. Fontos azonban hangsúlyozni, hogy az MHC-fehérjék szerepe eltér a fajlagos antigénfelismerő molekulákétól. Ahogyan ezt az antigénprezentáció mechanizmusának tárgyalásakor részletezzük (lásd 12. fejezet), az MHC-molekulák sejten belüli lokalizációja és mozgása a peptidkötő képesség függvénye. A peptidkötő funkció tehát stabilizálja az MHC-molekulákat, megvédi azokat a további degradációtól és biztosítja sejtfelszíni megjelenésüket is, ami a T-sejtek felismerő működésének előfeltétele. Ez arra az érdekes sejtbiológiai összefüggésre is felhívja a figyelmet, hogy a fehérjék természetes lebomlása – amin az antigénprezentáció folyamatai alapulnak – fontos szerepet játszik a saját és nem saját fehérjék közötti különbségtétel mechanizmusában.

Az MHC-molekulák tényleges biológiai szerepének tisztázásával a szövetkilökődési reakció, azaz a más allotípusú MHC-fehérjék ellen irányuló T-sejtválasz értelmezése is új megvilágításba került. Ma már megmagyarázható az a régi megfigyelés, hogy a legnagyobb intenzitású sejtes immunválaszt és a T-sejtkészlet legnagyobb hányadát érintő aktivációt, az eltérő MHC-allélokat hordozó, más egyedből származó sejtek váltják ki. Ennek hátterében a konzervatív szerkezetű MHC-molekulák által bemutatott számos saját és idegen, köztük az MHC-fehérjékből származó peptidek bemutatása áll. Ennek értelmében az allogén válasz az MHC-molekulák legfontosabb biológiai funkciójára specializálódott szerkezeti és funkcionális sajátságoknak a következménye, és nem egy esetleges transzplantációra való „felkészülés” eredménye (lásd 20. fejezet).

Az MHC-gének és -fehérjék kapcsolata a veleszületett immunitással

Az MHC-I-molekulák az NK-sejt receptorok ligandumaiként is működnek és így szabályozzák e sejtek funkcióit. A MIC-A és MIC-B stresszfehérjék (9.3.2.) pedig a KLRK1 gén által kódolt NKG2D receptort kifejező, a veleszületett immunitáshoz tartozó sejtekkel lépnek kapcsolatba. Az NK-sejtek kétféle receptorcsaládba tartozó membránfehérjét fejeznek ki. Az NK receptor komplex (NKC) génjei szénhidrát felismerő lektin típusú receptorokat, míg a leukocita receptor komplex (LRC) génjei immunoglobulin-szerű receptorokat kódolnak (l. 4. fejezet). A humán NK-sejtek nagyszámú (9-14) Ig-szerű gátló receptorait (Killer Inhibitory Receptor, KIR) genetikailag polimorf gének kódolják, amelyek klasszikus MHC-I-molekulákat és nem klasszikus MHC-I-szerű fehérjéket (HLA-E, HLA-G) ismernek fel. A KIR receptorok elsődleges liganduma a peptidet hordozó HLA-C fehérje, de bizonyos receptorok a HLA-B és HLA-A gének termékeit is felismerik. Az NK-sejtreceptorok – a TCR-hez hasonlóan – a kötött peptiddel együtt kialakított molekulafelszínt ismerik fel az MHC-I-fehérjén. Amíg az MHC-I-peptiddel alkotott komplexének kölcsönhatása a TCR-rel konformációs változást idéz elő, a KIR-receptorokhoz való kötődés egyedi aminosavakkal kialakított, merev kapcsolatot eredményez. A KIR-ek az MHC általi felismerés során együttműködnek a nem polimorf, gátló funkciójú CD94-NKG2A és az aktiváló CD94-NKG2C lektinreceptor-komplexekkel. Az MHC-I- és a KIR-molekulák egymástól függetlenül kialakuló, nagyfokú genetikai polimorfizmusa az NK-sejtek eltérő mértékű gátlásához és/vagy aktivációjához vezethet, így számos immunológiai folyamatra lehet hatással (lásd még 13. fejezet).