1. Immunbiológia
Immunbiológia – I 0. BEVEZETÉS DIA 1 Az élőlények szervezete folyamatosan ki van téve a kórokozók támadásainak. Az immunrendszer fő funkciója e kórokozók elleni védekezés. Ezt a feladatot úgy kell elvégeznie, hogy közben a saját makromolekuláit ne ismerje fel ellenségként. Ehhez szükséges a saját és idegen antigének elkülönítésének képessége. Az immunrendszer másik nagyon fontos feladata a rákosan elfajult sejtek felismerése és eltávolítása. A patogének replikálódhatnak intracellulárisan (vírusok és néhány baktérium) vagy extracellulárisan (a legtöbb patogén baktérium, gombák és egyéb paraziták). Az immunrendszer különböző komponensei veszik fel a különféle típusú patogénekkel szemben a harcot. Fontos megjegyezni, hogy egy fertőzés nem szükségszerűen jelent betegséget, mivel a legtöbb esetben az immunrendszer még azelőtt eltávolítja a behatolót, mielőtt az betegséget okozhatna. Másrészt, sok mikroba képes elbújni az immunrendszer elől, s ilyenkor nem okoz betegséget, legalábbis amíg az immunrendszer ép. Betegség akkor alakul ki, amikor a kórokozó virulens, nagy számban támad, vagy az immunrendszer nem működik megfelelően. Az immunrendszer okozhat problémákat is, melyek közül a legfontosabb az, amikor a saját szervezet ellen támad (autoimmun betegségek, pl. rheuamatoid arthritis és 1. típusú diabetes). DIA 2-4 Az immunrendszer két típusa DIA 2 Az immunrendszer két típusát különíthetjük el: (1) az öröklött (természetes, nem-specifikus) immunrendszer és (2) az adaptív (szerzett, specifikus) immunrendszer. Az öröklött immunrendszer a védekezés első vonala, míg az adaptív immunrendszer képezi a második védvonalat a patogénekkel szemben. Mindkét típus tartalmaz sejtes és humorális komponenseket egyaránt. Az öröklött immunrendszer anatómiai gátat is képez a fertőzésekkel szemben. DIA 3 Bár, az immunrendszer két típusa eltérő funkciójú, egymással kölcsönhatásban állnak, befolyásolják egymás működését. A patogének közvetlenül aktiválják az öröklött immunrendszert, s minden többsejtű szervezet rendelkezik ezzel a védekezési móddal. A gerinceseknél a patogénekkel szembeni új védekezési forma alakult ki, ez az adaptív immunrendszer, melyet maguk a patogének és az öröklött immunrendszer komponensei aktiválnak. DIA 4 Az öröklött és az adaptív immunrendszer hatásukban és mechanizmusukban is különböznek egymástól. Az adaptív immunrendszer válasza antigén-függő és antigén-specifikus, az öröklött immunrendszeré, nem. Az utóbbi azonnal reagál a fertőzésre, az előbbinek idő kell az adaptív válasz kialakítására. Továbbá, az adaptív immunrendszer működése során immunológiai memória alakul ki, a természetes immunitás során, nem. DIA 5 Az immunrendszer sejtjei Az immunrendszer összes sejtje a csontvelőben képződik. Típusai: (1) mieloid sejtek (és (2) limfoid sejtek, melyek különböző útvonalak mentén differenciálódnak. A mieloid progenitor sejtek a csontvelőben eritrocitákká, vérlemezkékké, neutrofil-, bazofil- és eozinofil granulocitákká, monocitákká/makrofágokká és dendritikus sejtekké, míg a limfoid progenitor sejtek természetes ölő (natural killer; NK) sejtekké, valamint T és B limfocitákká differenciálódnak. Megjegyzések: (1) Érdekes módon, dendritikus sejtek nem csupán a mieloid, hanem a limfoid útvonalon is keletkezhetnek. (2) A vörösvértestek, a hízósejtek és a vérlemezkéket képző megakariociák a mieloid útvonalon keletkeznek.
ALAPKÖVETELMÉNY
18. Előadás
Boldogkői Zsolt ©
1
1. Immunbiológia I.
ÖRÖKLÖTT IMMUNRENDSZER (nem-specifikus immunitás)
DIA 6 Az öröklött immunrendszer a következő elemeket foglalja magában: anatómiai gátak, szekretoros molekulák (humorális komponensek) és sejtes komponensek. A. Anatómiai gátak 1. Mechanikai faktorok Az epitél felszínek által képzett fizikai barrierek erős védelmet jelentenek a fertőző ágensekkel szemben. A bőr képezi az első védvonalat. A bőr hámlása segít az epitél felszínhez kötődő baktériumok eltávolítását (az UV hatására potenciálisan keletkező rákos sejteket is hámlással távolítja el a szervezet). A légző rendszer csillóinak oszcillációs mozgása szintén protektív hatású. A bélrendszer perisztaltikája a levegőmozgást segíti, ami szintén antibakteriális hatású. A könny és a nyál folyása eltávolítja a patogéneket a szemből és a szájból. Továbbá, a légző- és a gasztro-intesztinális rendszerben képződő nyák csapdát képez a fertőző ágensekkel szemben. 2. Kémiai faktorok Az izzadtságban lévő zsírsavak gátolják a baktériumok szaporodását. Az izzadtság és a gyomorsav alacsony pH-ja szintén gátló hatást gyakorol a baktériumok szaporodására. 3. Biológiai faktorok A bőr és a bélrendszer normál baktérium flórája azáltal gátolja a patogén baktériumok kolonizációját, hogy toxinokat termelnek és vetélkednek velük a tápanyagokért és a felszínhez való kapcsolódásért. B. Humorális gátak Az anatómiai gátak nagyon hatékonyak a fertőzések megakadályozásában, egészen addig, amíg meg nem sérülnek. Amint a fertőző ágensek bejutottak a szervezetbe más öröklött védekezési mechanizmusok lépnek működésbe, melyek legfontosabbika az akut gyulladás (imflammáció). A humorális faktorok fontos szerepet játszanak a gyulladásos folyamatok kialakításában, melynek jellemzői az ödéma és a fagocita sejtek gyülekezése. Ezek a humorális faktorok a szérumban találhatóak, de a fertőzés helyén is képződnek. 1. A komplement rendszer képezi a fő humorális öröklött védekezési mechanizmust. A komplement rendszer a következő funkciókkal rendelkezik: (1) vaszkuláris permeabilitás növelése, (2) a fagocita sejtek toborzása, (3) a baktériumok lízisének és opszonizációjának előidézése (opszoinizáció: az antigének hatékonyabb felismerésének elősegítése). A komplement rendszer neve onnan származik, hogy komplementálja (kiegészíti) az antitestek és a fagociták működését. Bár, a komplement rendszer az öröklött immunrendszer része, az adaptív immunrendszer is aktiválhatja azt. A komplement rendszert több mint 25 kisméretű fehérje és fehérje fragmens alkotja, melyek a májban képződnek, s a vérben inaktív prekurzorokként (előanyagként) keringenek. Stimulus hatására proteázok aktiválódnak, amelyek először specifikus fehérjék elbontása révén citokineket hoznak létre, majd a kaszkád-szerű, egymást való aktiválási folyamatok révén, enzimek keletkeznek. Az aktivációs kaszkád végeredménye a sejt pusztulását membrán-támadó komplex (membrane attack complex) létrejötte. DIA 7 A különféle vírusok (pl. herpesz-, pox-, és retrovírusok) változatos mechanizmusokat dolgoztak ki a gazda komplement faktorainak gátlására: utánozzák azokat, vagy kölcsönhatásba lépnek a komplement fehérjékkel, s ezáltal gátolják a vírus részecskék semlegesítését (a dián lévő részleteket nem kell tudni). 2. A koagulációs rendszer alapfeladata a véralvadás biztosítása sérülés esetén. A rendszer néhány eleme azonban részt vehet az öröklött immunvédekezésben azáltal, hogy képesek a vaszkuláris permeabilitást szabályozni, s hogy a fagociták számára kemo-attraktánsként funkcionálnak (odavonzzák őket). Továbbá, a koagulációs rendszer néhány tagja közvetlenül anti-mikrobiális hatású, pl. a ALAPKÖVETELMÉNY
18. Előadás
Boldogkői Zsolt ©
2
1. Immunbiológia vérlemezkék által termelt béta-lizin több Gram pozitív baktériumot képes lizálni azáltal, hogy kation detergensként funkcionál. 3. A laktoferrin és a transzferrin megkötik a vasat a szervezetben, s mivel ez az elem alapvetően fontos a baktériumok számára, ezért gátolják azok szaporodását. 4. Az interferonok a vírusok replikációját gátolják (a módokat illetően, ld. később). 5. A lizozim és a foszfolipáz enzimek a könnyben, a nyálban, és az orrváladékban elbontják a baktériumok sejtfalát és destabilizálják a sejtmembránjukat. 6. A tüdőben, a gyomorban és a bélrendszerben található defenzinek (kis fehérje molekulák) szintén anti-mikrobiális hatásúak. A tüdő felszínén található opszinok a fagocitózist segítik. 7. Az interleukin-1 a lázat és az akut-fázisú fehérjék képződését indukálja, ill. néhányuk opszonizálja a baktériumokat. C. Sejtes gátak 1. Neutrofil granulociták a fertőzés helyén fagocitálják a behatoló szervezeteket, majd intracellulárisan degradálják azokat. 2. Makrofágok E sejteket a szöveti makrofágok és az újonnan verbuvált monociták (melyek makrofágokká differenciálódnak) alkotják. A makrofágok nem csupán intracellulárisan (bekebelezés), hanem sejten kívül is képesek elpusztítani a fertőzött vagy a megváltozott (tumor) sejteket. Továbbá, a makrofágok hozzájárulnak a szöveti regenerációhoz, és antigén-prezentáló sejtekként funkcionálva, hozzájárulnak a specifikus immunválasz indukciójához. 3. A természetes ölő (NK) és a limfokin-aktiválta ölő (lymphokine activated killer; LAK) sejtek nemspecifikus módon pusztítják el a vírus-fertőzött és a tumor sejteket. 4. Eozinofil granulociták egyes paraziták ellen termelnek különféle fehérjéket. Az öröklött immunrendszert a továbbiakban, mint az adaptív immunrendszerrel együttműködő partnert tárgyaljuk. Más kurzusok (pl. élettan) részletesen ismertetik ezt a témakört. Az adaptív immunrendszert taglaljuk mélyebben, melynek oka az a sajátos genetikai mechanizmus, ami az antitestek, ill. T sejt receptorok előállításában játszik szerepet. DIA X Gyulladás Szöveget illetően, ld. DIÁK
ALAPKÖVETELMÉNY
18. Előadás
Boldogkői Zsolt ©
3
1. Immunbiológia II.
ADAPTÍV IMMUNRENDSZER (szerzett/specifikus immunitás)
BEVEZETÉS DIA 8 A gerinctelen állatok egyszerű védekezési stratégiákat alkalmaznak, melyek védelmi gátakon, toxikus molekulákon és fagocita sejteken alapulnak. A gerincesek szintén rendelkeznek ilyen öröklött mechanizmusokkal, ami első védelmi vonalként szolgál, de ezek az állatok (és ember) egy jóval bonyolultabb és hatékonyabb védekezési módokat fejlesztettek ki, ez az adaptív immunválasz. Az öröklött immunválasz aktiválja az adaptívat, és a két rendszer együtt próbálja semlegesíteni a kórokozók támadását. Míg, az öröklött immunválasz egy általános védekezési reakció, addig az adaptív válasz specifikus az adott kórokozóra. Azokat az anyagokat, amelyek adaptív immunválaszra képesek antigéneknek (antibody generator; antitest generáló) nevezzük. Az adaptív immunrendszer a makromolekulák finom molekuláris részleteit képes felismerni, pl. két, csupán egyetlen aminosavban különböző, fehérjét is képes megkülönböztetni egymástól. Az adaptív immunválaszt a fehérvérsejtek egy csoportja, a limfociták végzik, melyek két különböző immunválaszt képesek létrehozni: humorális immunválasz (antitest válasz, B sejt által közvetített válasz) és celluláris immunválasz (T sejt által közvetített immunválasz). (1) Az antitest válasz esetén a B sejtek antitesteket (immunglobulin; Ig) választanak ki. Az antitest-kötődés inaktiválja a vírusokat és bakteriális toxinokat (pl. tetanusz- vagy diftéria toxin) azáltal, hogy blokkolja ezek receptorhoz való kapcsolódását. Továbbá, az antitest-kötődés megjelöli a beható mikrobákat a fagociták számára. (2) A T sejt által közvetített immunválasz esetén az aktivált T sejtek azokkal az antigénekkel reagálnak, melyeket a gazdasejt mutat be a felszínén (antigén-prezentáló sejt). Tehát, míg a B sejtek által termelt antitestek inkább extracelluláris patogéneket neutralizálnak (bár, a vírusokat is felismeri, de a sejten kívül), addig a T sejtek képesek a mikrobákat a sejt belsejében is detektálni (intracelluláris paraziták, ezek tipikusan vírusok), melyeket rendszerint elpusztítanak. Más esetekben, a T sejt jelmolekulákat produkál, amelyek aktiválják a makrofágokat, más T sejteket, vagy a B sejteket antitest termelését.
II/A. LIMFOCITÁK ÉS AZ ADAPTÍV IMMUNITÁS SEJTES ALAPJA DIA 9 Az emberi nyirokszervek A limfociták nagy számban fordulnak elő a vérben, a nyirokban és a nyirokszervekben, mint pl. a tímusz, a nyirokcsomók, a lép és a féregnyúlvány. Hozzávetőlegesen 2x1012 limfocita található az emberi testben, ami az agy és máj tömegének felel meg. DIA 10, 11 Az öröklött és adaptív immunrendszer együttműködik A limfociták rendszerint akkor reagálnak az idegen antigénekre, ha először az öröklött immunrendszer aktiválódik. A fertőzésre való gyors öröklött immunválasz nagymértékben függ az ún. mintázat felismerő receptoroktól. Ezek a receptorok patogénekkel-asszociált molekuláris mintázatokat (pathogen-associated molecular patterns; PAMPs) ismernek fel. A mintázat felismerő receptorok típusai a következők: (1) Néhányuk a professzionális fagocitáló sejtek (röviden fagociták; pl. makrofágok és neutrofil granulociták) felszínén helyezkednek el, ahol a patogének felvételét (endocitózis) szabályozzák (melyek a felvételt követően a lizoszómákban degradálódnak). (2) Más receptorok kiválasztódnak, majd a patogének felszínéhez kapcsolódnak, s ezáltal pusztulásra jelölik ki azokat a fagociták vagy a komplement rendszer számára. (3) Megint mások, pl. az ún. Toll-like receptorok (TLR), intracelluláris jelutakat aktiválnak, melynek eredményeként extracelluláris jelmolekulák választódnak ki. A TLR-ek elsősorban az ún. dendritikus sejtek felszínén helyezkednek el. A dendritikus sejtek, az öröklött immunrendszer részeként, a TLR és egyéb mintázat-felismerő receptoraik révén felismerik az antigéneket, s az azokkal való kötődés hatására, egyrészt, gyulladást idéznek elő, másrészt, aktiválják az adaptív immunválaszt. Ez utóbbi funkciójukat azáltal látják el, hogy a T sejtek számára bemutatják a mikrobiális antigéneket a perifériás nyirokszervekben. A dendritikus sejtek a legtöbb esetben a fertőzés helyszínén fagocitálják a patogéneket, azok termékeit, vagy degradált darabjait, valamint, a fertőzött sejtek darabjait. Ezt követően, a dendritikus sejtek elvándorolnak a közeli nyirokcsomóba. Más esetekben, a dendritikus ALAPKÖVETELMÉNY
18. Előadás
Boldogkői Zsolt ©
4
1. Immunbiológia sejtek közvetlenül a nyirokszervekben (pl. lép) veszik fel a mikrobákat vagy azok részeit. Mindkét esetben, a dendritikus sejtek aktiválják a T sejteket, amelyek ezt követően a fertőzés helyére vándorolnak, s ott segítik a mikrobák destrukcióját. Más aktivált T sejtek a nyirokszervben maradnak, s ott segítenek a dendritikus sejtek aktív állapotban tartásában, egyéb T sejtek aktiválásában, ill. a B sejtek antitest képzésének aktiválásában. Összefoglalva: az öröklött immunrendszer általában a fertőzés helyén, míg az adaptív immunrendszer a perifériás nyirokszervekben (pl. lép vagy nyirokcsomók) aktiválódik. DIA Y Humorális és celluláris immunrendszer - Bevezetés Szöveg: ld. diasorozat DIA 12 A T és B sejtek differenciálódása A T és B sejtek arról a szervről kapták a nevüket, amiben kialakulnak. A T sejtek a tímuszban (csecsemőmirigy), a B sejtek pedig a csontvelőben (bone marrow) fejlődnek ki (pontosabban, a B sejt elnevezés eredetileg a bursa fabricius-ból származik, ami a madaraknál a B sejtek képződési helye). Mindkét sejttípus elő-sejtjei (közös limfoid progenitor sejtek) a csontvelőben képződnek. Maguk a közös limfoid progenitor sejtek pedig a multipotens hematopoetikus őssejtekből származnak, melyek felnőtt egyedben a csontvelőben, magzatban pedig a májban találhatóak. A közös limfoid progenitor sejtek további sorsát az dönti el, hogy helyben maradnak-e (ekkor B sejtek keletkeznek), vagy a vér útján a tímuszba vándorolnak (ekkor T sejtekké differenciálódnak). A csontvelő és a tímusz alkotja a központi nyirokszerveket (= centrális vagy elsődleges nyirokszervek). A legtöbb limfocita elpusztul a központi nyirokszervekben, mielőtt egyáltalán elkezdte volna a funkcióját, a túlélők viszont a vér vagy a nyirokkeringés útján eljutnak a perifériás nyirokszervekbe (másodlagos nyirokszervek) – melyek a nyirokcsomók, lép, valamint a gasztro-intesztinális traktus, a légutak és a bőr epitélium-asszociált limfoid szövetei. Az idegen antigének a perifériás szervekben aktiválják a limfocitákat. A T és B sejtek csak az antigénekkel való aktivizálásukat követően válnak morfológiailag elkülöníthetőekké. Az aktiválás után mindkét sejttípus effektor sejtekké (végrehajtó sejtek) alakul. Az Effektor B sejtek antitesteket termelnek, s plazmasejteknek nevezzük őket. A plazmasejtek, az intenzív antitestképződés miatt, sűrű durva-felszínű ER hálózatot tartalmaznak (itt képződnek az antitest fehérjék). Ezzel szemben, a memória T sejtek viszonylag kevés ER-t tartalmaznak, mivel nem termelnek antitesteket. A T sejtek 3 fő osztályát különíthetjük el: a citotoxikus T sejtek, a helper (segítő) T sejtek, és a szabályozó (szuppresszor) T sejtek. (1) A citotoxikus T sejtek közvetlenül pusztítják el a fertőzött sejteket. (2) A helper T sejtek lokálisan ható jelfehérjéket (citokineket) termelnek, melyek aktiválják a makrofágokat, a dendritikus sejteket, a B sejteket és a citotoxikus T sejteket. A helper T sejtek egy sor ko-stimuláns fehérjét fejeznek ki a felszínükön. (3) A szabályozó T sejtek hasonló stratégiát alkalmaznak, csak nem aktiválják, hanem gátolják a helper T sejteket, a citotoxikus T sejteket, és a dendritikus sejteket. Tehát, míg a B sejtek az antitestek révén nagy távolságokban képesek hatni, a T sejtek ugyan vándorolnak a vérárammal, de amint megérkeztek a rendeltetési helyükre, lokálisan hatnak a szomszédos sejtekre. DIA 13 A vérsejtek kialakulása (hematopoezis) A csontvelőben található hematopoetikus őssejtek képesek bármilyen vérsejtté alakulni. Ezek az őssejtek képesek megújulni is, tehát, az osztódásuk során legalább az egyik utódsejt őssejt marad (ezek ún. pluripotens felnőtt őssejtek). A másik utódsejt rendszering a differenciálódás útjára lép, s a transzkripciós faktorok hatásától függően, mieloid vagy limfoid progenitor sejtté alakul. A progenitor sejtek, még mindig multipotensek (bár szűkebb a potenciájuk), s már nem képesek a megújulásra, elkerülhetetlenül tovább differenciálódnak az osztódásuk során. A vérsejtek 3 fő leszármazási vonalat alkotnak. (1) Az eritrociták (vörösvértestek) oxigénszállító sejtek, melyeknek érett állapotban nincs sejtmagjuk. (2) A mielociták, melyek a granulocitákat, a megakariocitákat és a makrofágokat foglalják magukba, hasonlóan a vörösvértestekhez, - a közös mieloid progenitor sejtekből alakultak ki. Ezek a sejtek az öröklött és adaptív immunitásban és a véralvadásban vesznek részt. A hízósejtek is a közös mieloid progenitor sejtekből jönnek létre.
ALAPKÖVETELMÉNY
18. Előadás
Boldogkői Zsolt ©
5
1. Immunbiológia (3) A limfociták az adaptív immunrendszer sarokkövei, s a közös limfoid progenitor sejtekből alakultak ki. Egyes elképzelések szerint, a természetes ölő (NK) sejtek a T sejtekkel közös elő-sejtekből alakultak ki. A dendritikus sejtek, érdekes módon, mindkét fő útvonalon képződhetnek.
Sejt meghatározottság DIA 14 Elméletek Az őssejtek és más nem-differenciálódott sejtek csontvelőbeli fejlődését az ún. (1) determinizmus elmélet (meghatározottság elmélet) magyarázza. Az elmélet szerint különféle növekedési és transzkripciós faktorok határozzák meg a differenciálódás útvonalát. Ez a sejtdifferenciálódást magyarázó klasszikus elmélet, mely hosszú ideig kizárólagosan magyarázta a hematopoezis mechanizmusát. Egy újabb elmélet, az ún. (2) sztochasztikus elmélet szerint az őssejtek differenciálódási útvonalát a véletlen határozza meg. A mikrokörnyezet szabja meg, hogy egy adott sejttípus túlél-e vagy pedig apoptózis útján elpusztul. Magyarul, nem a szelektív differenciálódási út maga, hanem a véletlenül differenciálódott sejtek szelektív túlélése hozza létre az adott differenciált sejtpopulációt. Megjegyzések: a véletlen differenciálódás természetesen csak bizonyos határok között igaz, a limfoid sejttípusokon belül értendő, s a véletlen döntéseket, természetesen, különféle faktorok realizálják.
DIA 15 Hematopoetikus növekedési faktorok A vér sejtjeinek szaporodása és megújulása az őssejt faktortól (stem cell factor; SCF) függ. A glükoprotein növekedési faktorok szabályozzák a szaporodását és az érését azoknak a sejteknek, amelyek a csontvelőből a vérbe kerülnek. Három további faktor (kolónia-stimuláló faktorok; CSF) stimulálja az elkötelezett sejtek képződését, melyek a következők: granulocita-makrofág CSF (GM-CSF), granulocita CSF (G-CSF) és makrofág CSF (M-CSF). Az eritropoetin a mieloid progenitor sejtek számára szükséges, ahhoz, hogy vörösvértest legyen belőle. A thrombopoietin pedig a mieloid progenitor sejtek megakariocitává való differenciálódásához szükséges.
Transzkripciós faktorok A növekedési faktorok szignál transzdukciós útvonalakat inicializálnak, s ezáltal meghatározzák azt, hogy milyen transzkripciós faktorok kapcsolódnak be, amelyek végső soron meghatározzák a differenciálódás menetét. Valószínűleg mindkét fenti elmélet igaz, s a differenciálódás függ a véletlentől és a progenitor sejtekre ható külső szignáloktól is. Több transzkripciós faktort is izoláltak, amelyek a differenciálódást szabályozzák. Például, a PU.1 az őssejtek mieloid irányba való elkötelezettségét határozza meg, míg a GATA-1 alapvető szereppel rendelkezik abban, hogy a differenciálódás a vörösvértest vagy a megakariocita felé vezető úton folyik-e. Az Ikaros, az Aiolos és a Helios transzkripciós faktorok a limfoid differenciálódásban játszanak szerepet.
DIA 16 Klonális szelekció elmélet Az adaptív immunrendszer legfigyelemreméltóbb sajátossága az, hogy képes korlátlan számú idegen antigén megkülönböztetésére. A kérdés az, hogy hogyan? A klónszelekciós elmélet szerint (1957-ben javasolta McFarlene Burnet), egy szervezet első lépésben véletlenszerűen állít elő különféle specifitással rendelkező limfocitákat, majd ezt követően azok a sejtek szaporodnak el, amelyek reagálnak az adott antigénre. A limfociták az antigénnel a perifériás nyirokszervekben találkoznak, viszont az adott antigénre nézve már a központi nyirokszervekben elköteleződtek. Ez nyilvánvalóan azt jelenti, hogy a limfociták specifitása az antigénre még az azzal való találkozás előtt alakul ki, véletlenszerűen (megjegyzés: a specifitás az antigénnel való találkozás után tovább finomul). Az antigénnel való találkozás előtt minden klónt csak egy vagy néhány sejt reprezentál. A B sejtek az antitestek képződését megelőzően, a termelt antitesttel megegyező specifitású fehérje molekulákat (receptorokat) tesznek ki a felszínükre. Ha a receptor az antigént képes felismerni, akkor, az adott sejt effektor B sejtekké (plazmasejtek) differenciálódik, melyek elkezdenek nagy ütemben szaporodni és antitesteket gyártani. A T sejtek hasonló mechanizmusokkal szaporodnak el. Az ábrán csupán 3 féle B limfocitát mutatunk be a sok millió féléből. Itt a B sejt receptora ismeri fel az antigént, s kezd el szaporodni. Megjegyzés: a képződő antitestek ugyanazt az antigént ismerik fel, mint a receptorok. DIA 17 Epitópok (antigén determinánsok) Az epitóp egy antigénnek az a része, amely egy antitest vagy egy limfocita receptor (B vagy T sejten) antigén-kötő helyéhez kapcsolódik. A legtöbb antigén több olyan helyet (epitópot) is tartalmazhat, amely képes specifikus antitest- és/vagy T sejt válasz stimulálására. Néhány epitóp erőteljesebb választ produkál, mint mások, főként ezek ellen termelődnek antitestek. Az ilyen epitópokat immundominánsoknak nevezzük. Egy adott epitóp több különböző limfocita klónt is aktivál, mindegyik bizonyos affinitással rendelkezik az epitóphoz.
ALAPKÖVETELMÉNY
18. Előadás
Boldogkői Zsolt ©
6
1. Immunbiológia DIA 18 Immunológiai memória Az adaptív immunrendszer emlékszik az előző tapasztalatokra. Ez az oka annak, hogy az első fertőzést követően miért alakul ki élethosszig tartó immunitás a kórokozókra, és hogy miért olyan hatékony a vakcinálás. Az elsődleges immunválasz jellemzője az, hogy az első fertőzést követően, az immunválasz (antitest és T sejt által közvetített) megjelenéséhez néhány nap szükséges, majd, ezt követően, exponenciális gyorsasággal növekszik, aztán fokozatosan csökken. A másodlagos immunválasz (ugyanannak a kórokozónak az ismételt támadása váltja ki) esetében a lappangási periódus jóval rövidebb, a válasz pedig erősebb és hatékonyabb. A másodlagos válasz antigén-specifikus immunológiai memória létezését jelzi. Egy adott kórokozó első támadása esetén a naiv (progenitor) sejtek kétféle sejtté alakulnak át; zömében effektor sejtekké (B sejtek plazmasejtekké, a T sejtek effektor T sejtekké), kis számban pedig memóriasejtekké. Egy későbbi fertőzés során, a memóriasejtek a saját antigénjeikkel való találkozást követően elkezdenek osztódni, s effektor sejtekké differenciálódnak, valamint újabb memóriasejteket képeznek. A memóriasejtek sokkal gyorsabban reagálnak az antitestekre, mint a naiv sejtek, mivel ezeknél a szelekció már lezajlott. A memória sejtek jóval hosszabb életűek, mint az effektor sejtek. Ez utóbbiak hamar elpusztulnak, ha már nincs rájuk szükség, bár némelyikük akár hónapokig is elél. DIA 19 Az immunológiai tolerancia biztosítja, hogy az antitestek nem támadják meg a saját antigéneket. Az öröklött immunrendszer sejtjei mintázat-felismerő receptorokat használnak a patogének és a gazdaszervezet molekuláinak a megkülönböztetésére. Az adaptív immunrendszernek egy jóval nehezebb feladatot kell megoldania, mivel egyszerre kell képesnek lennie a potenciálisan korlátlan számú idegen antigén felismerésére, ugyanakkor tartózkodnia kell a szervezet saját molekuláinak antigénként való felismerésétől. Az immunrendszer genetikailag képes felismerni a saját molekulákat, de megtanulja, hogy hogyan ne tegye ezt, melynek mechanizmusai a következők. 1. Receptor szerkesztés esetén azok a fejlődő limfociták, amelyek saját molekulát ismernek fel (önreaktív limfociták), egy újabb genetikai átrendeződésen esnek át (ld. később), s így megváltoztatják az antigén receptoraikat, ezért a továbbiakban nem ismerik fel a saját antigéneket. Tehát, míg az idegen antigén felismerés során egy limfocita antitestjei vagy T sejt receptorai az antigénnel való találkozás előtt alakulnak ki, s a továbbiakban nem történik átrendeződés (de hipermutáció igen!), addig az önreaktív limfociták esetében a saját antigénnel való találkozás egy újabb genetikai átrendeződést indukál, ami azt eredményezi, hogy megváltozik az antitest vagy a T sejt receptor specifitása. 2. Klonális deléció esetén az ön-reaktív limfociták apoptózis révén elpusztulnak, ha saját antigénhez kapcsolódnak. Az apoptózis bekövetkezhet mind a központi, mind a perifériás nyirokszervekben. 3. Klonális inaktiváció esetén, az ön-reaktív limfociták funkcionálisan inaktiválódnak a saját antigénnel való találkozást követően. 4. Klonális szupresszió esetében a szabályozó T sejtek gátolják az ön-reaktív limfociták aktivitását. A receptor szerkesztés a központi nyirokszervekben történik (központi tolerancia), a klonális deléció és inaktiváció mind a központi, mind a perifériás szervekben, míg a klonális szupresszió a perifériás nyirok szervekben megy végbe (perifériás tolerancia). DIA 20 Autoimmun betegségek A tolerancia mechanizmusok néha összeomlanak, ami autoimmun betegségek kialakulását eredményezi. Két példát mutatunk be erre. (1) A Myasthenia gravis nevű rendellenesség esetén az érintett egyének antitesteket termelnek a saját acetilkolin receptoraik ellen, melyek nagyszámban fordulnak elő pl. a vázizom sejtjeinek felületén. Ezek az antitestek zavarják a receptorokat, s így az izom normális működését, ezért az ebben a betegségben szenvedő páciensek gyengék, s végül légzéselégtelenségben halnak meg. (2) Hasonlóképpen, a gyermekkori (1-es típusú) diabetes esetén immunreakció lép fel a hasnyálmirigy inzulintermelő sejtjei ellen, ez a sejtek pusztulását okozza, ami súlyos inzulin deficienciához vezet. A legtöbb esetben, nem ismertek azok a mechanizmusok, amelyek a saját antigének iránti tolerancia összeomlásához vezetnek. Az azonban ALAPKÖVETELMÉNY
18. Előadás
Boldogkői Zsolt ©
7
1. Immunbiológia szinte bizonyos, hogy az öröklött immunrendszer fertőzés általi aktivációja kiváltó okként szerepelhet a rendellenesség kialakulásában.
II/B. B SEJTEK ÉS ANTITESTEK Minden B limfocita klón eltérő aminosav sorrendű antitestet (immunglobulin; Ig) termel, ezért a testünkben milliárdnyi antitestféleséget termelő B sejt található. Az antitestek a vér leggyakoribb fehérjéi, a plazma fehérjék 20%-át alkotják. Az emlősök az antitestek 5 osztályát állítják elő, mindegyik az antigén kötődésre egy jellemző választ ad. DIA 21 B sejtek kétféle antitestet termelnek: sejtfelszíni antigén receptorokat és kiválasztott fehérjéket Az újonnan kialakult B sejtek első antitestjei nem választódnak ki, hanem a sejtmembránba épülnek be, s az antigének receptoraiként funkcionálnak. Minden B sejt hozzávetőlegesen 105 receptort fejez ki a sejtmembránján. E receptorok mindegyike több olyan transzmembrán fehérjével kapcsolódik, amelyek, az antigén hatására önálló szignál transzdukciós útvonalat aktiválnak. Amikor egy antigén (a T sejtek segítségével) aktivál egy naiv sejtet, az aktivált sejt elkezd szaporodni, s közben antitestkiválasztó effektor (plazma) sejtté differenciálódik. Az effektor sejtek nagymennyiségű antitestet állítanak elő, melyek antigén-kötő helye megegyezik a korábban antigén receptorként működő antitestével. Tulajdonképpen a különbség a kétféle antitest között az, hogy a kiválasztott formájuk nem tartalmaz transzmembrán domént. DIA 22 Antitestek A legegyszerűbb antitestek Y-alakú molekulák, melyek két azonos antigén-kötő hellyel rendelkeznek (bivalensek). Egy antitest molekulát 4 polipetid lánc alkot: 2 azonos könnyű (L; light) lánc (egyenként 220 aminosavból állnak) és 2 azonos nehéz (H; heavy) lánc (egyenként 440, vagy 660 aminosavból állnak). Mind a könnyű és a nehéz láncok konstans (nem variábilis) és variábilis régiókból állnak. A négy láncot kovalens (diszulfid híd) és nem-kovalens (hidrogén, ionos, hidrofób és Van der Waals) kötések tartják össze. DIA 23 Antitest-antigén kölcsönhatások Ha egy antigén 3 vagy több epitóppal rendelkezik, a bivalens antitest molekulák több antigén molekulát kapcsolnak össze (cross-link), s az így keletezett hálószerű szerkezetet a makrofágok könnyűszerrel fagocitálják és degradálják. Az antigén kötés hatékonyságát nagymértékben növeli a rugalmas kapocs régió, amely némileg változtatni képes a két antigén-kötő hely közötti távolságot. Az antitestek farok régiója különböző típusú lehet, s mindegyik típus különböző funkcióval rendelkezik, pl. a komplement rendszer aktiválása, a fagocita sejtekhez való kapcsolódás, a méhlepényen keresztül (anyától a magzat felé) történő transzport, stb. Mindegyik típusú farok régió képes azonban kapcsolódni a fagociták megfelelő receptoraihoz (Fc receptorok). DIA 24 Az antitestek 5 osztálya Az emlősök 5 antitest osztállyal rendelkeznek, - IgA, IgD, IgE, IgG, and IgM -, melyek mindegyike a saját osztályára jellemző nehéz láncot tartalmaz: , δ, ε, , μ (a latin és görög betűk megfelelése alapján). Továbbá, az IgG és IgA immunglobulinok többfélék lehetnek: az emberi IgG osztály 4 alosztályra osztható (IgG1, IgG2, IgG3, and IgG4), mindegyike külön nehéz lánccal (1, 2, 3, 4) rendelkezik, míg az IgA osztály két alosztályt képez (IgA1 és IgA2 - 1 és 2 nehéz láncokkal). A különböző nehéz láncok eltérő térszerkezetet biztosítanak az antitestek számára, s így azokat eltérő jellemzőkkel ruházzák fel. A kiválasztott IgM antitestek pentamer szerkezetűek, az IgA antitestek pedig dimer formában fordulnak elő. DIA 25 A B sejt érésének főbb lépései A B sejtek érésének összes lépése az antigénnel való érintkezés nélkül zajlik le. Az első képződő sejtek az ún. pro-B sejtek, melyek kizárólag μ láncot képeznek. Ezek a molekulák egészen addig az ER-ban maradnak, amíg dajka könnyű láncok meg nem szintetizálódnak. Ekkor pre-B sejtekké alakulnak, melyekben a μ nehéz lánc és a dajka könnyű lánc által alkotott antitestek a sejtmembránban helyezkednek el. A pre-B sejtekben aktiválódott specifikus jelút által végleges L láncok alakulnak ki, melyek lecserélik a dajka láncokat. Ebben a stádiumban, a sejteket ALAPKÖVETELMÉNY
18. Előadás
Boldogkői Zsolt ©
8
1. Immunbiológia éretlen naiv B sejteknek nevezzük. A csontvelőt való elhagyást követően, a sejtek a perifériás nyirokszervekben, - az IgM mellett -, IgD molekulákat kezdenek el termelni, melyek szintén a sejtfelszínen helyezkednek el. A sejt neve ilyenkor érett naiv B sejt. Ez az a sejt, amely képes idegen antigénekkel reagálni. Az antigének és a helper T sejtek aktivizáló hatására az érett naiv sejtek folytatják az antitest-termelő plazma sejtekké vagy memória sejtekké való differenciációjukat. DIA 26 Az IgM az első antitest, amelyik megjelenik a differenciálódó B sejt felszínén, s szintén az első kiválasztott Ig az idegen antigénre adott elsődleges immunválasz során. Kiválasztott formában az IgM pentamer szerkezetű, azaz 5 alegységből áll (de monomer, mint antigén receptor). Mindegyik pentamer tartalmaz egy J (joining) láncot, amely kovalensen köt össze két szomszédos farok régiót. Az antigén kötődés hatására megváltozik a pentamer szerkezete, ami a komplement rendszer aktivizációját idézi elő. DIA 27 A vér legtipikusabb antiteste az IgG, amely egy 4 láncból álló monomer molekula (a 4 láncot együtt tekintjük egyetlen egységnek). Az IgG óriási mennyiségben termelődik a másodlagos antitest válasz során. Az IgG feladata a komplement rendszer aktiválása mellett a makrofágok és a neutrofil granulociták mozgósítása. A fagociták az antitestek farok régióját (Fc régió) ismerik fel az Fc receptoraik által. Az antitestek közül csupán néhány IgG alosztály tagjai képesek a méhlepényen keresztül történő transzportra. DIA 28 Az IgA antitestek főként a nyálban, a könnyben, a tejben, valamint a légző- és emésztőrendszerben választódnak ki. Az IgA molekulák a vérben monomer formában fordulnak elő, a rendeltetési helyükre érkezve azonban dimerizálódnak. A szekretoros (kiválasztó) epitél sejteken keresztül transzportálódnak az extracelluláris térből a kiválasztott folyadékba. A transzportot az epitél sejteken lévő Fc receptorok segítik. DIA 29 Az IgE molekulák farki része nagy affinitással kötődik egy másik Fc receptor osztály tagjaihoz, melyek a hízósejtek és a bazofil granulociták membránján helyezkednek el. Az antigén-kötődés egy sor citokin és biológiai amin (főként hisztamin) kiválasztását indukálja ezekben a sejtekben. A hisztamin hatására a véredények kitágulnak, s növekszik az átjárhatóságuk, ami elősegíti a fehér vérsejtek, az antitestek és komplement rendszer komponenseinek a fertőzés helyszínén való gyülekezését. Ez a gyulladás első lépése. Abnormális esetben a gyulladás allergiás tüneteket okozhat (szénanátha, asztma, csalánkiütés). Továbbá, a hízósejtek olyan faktorokat bocsátanak ki, amelyek az eozinofil granulocitákat vonzzák és aktiválják. Ez utóbbi a sejtek az Fc receptoraikkal megkötik, az IgE antitesteket, melyek pl. a parazita férgeket ismerik fel. Az IgD molekulák főként, mint a B sejteken lévő antigén receptorok funkcionálnak. A bazofil granulocitákat és a hízósejteket aktiválják. DIA 30 Antigén kötődése az antitesthez Az ábrán egy antigén determináns kapcsolódik két különböző antitest antigén-kötő helyéhez: az egyik antitesthez magas, a másikhoz alacsony affinitással. Az antigén determinánst különféle gyenge nem-kovalens kötés tartja a kötőhelyen. Az a hely, amelyik jobban passzol térbelileg az antigénhez, magasabb affinitást mutat azzal. DIA 31 Molekulák többszörös antigén determinánssal (A) Multivalens antigének A fehérjék rendszerint több, különböző antigén determinánssal rendelkeznek, melyek elsősorban a molekula felszínén helyezkednek el. (B) Polivalens antigének A polimer szerkezettel rendelkező molekulák több, azonos antigén determinánssal rendelkeznek. DIA 32 Könnyű és nehéz láncok Az 5 nehéz osztályú lánc mellett, az antitest molekulák 2 féle könnyű lánccal rendelkeznek (kappa: vagy lambda: ) a magasabbrendű gerinces fajoknál. A két lánc ALAPKÖVETELMÉNY
18. Előadás
Boldogkői Zsolt ©
9
1. Immunbiológia funkcionálisan megkülönböztethetetlen egymástól. Mindkét könnyű lánc kapcsolódhat bármelyik nehéz lánc típussal. Egy adott antitest molekula két nehéz, és két könnyű lánca azonban mindig azonos típushoz tartoznak (homodimerek), ezért az antitestek szimmetrikus felépítésűek. Az antitestek összes formája létezhet membránhoz kötött és oldható (kiválasztott) formában, a két forma a nehéz lánc Cterminusában különbözik egymástól. Nevezetesen, a membrán-kötött formák egy hidrofób transzmembrán domént is tartalmaznak, míg a kiválasztott formák egy hidrofil C-terminálissal rendelkeznek. DIA 33 Az Ig láncok konstans és változó részei Mind a könnyű és nehéz láncok változékony szekvenciákat tartalmaznak az N-terminális végeiken, míg konstans szekvenciákkal rendelkeznek a Cterminális végeiken. A könnyű láncok konstans és változó régiói egyaránt kb. 110 aminosav szekvenciát tartalmaznak. A nehéz láncok variábilis régiója ugyancsak 110 aminosavból áll, míg a konstans régiójuk, antitest típustól függően, 3x vagy 4x hosszabb (330 vagy 440 aminosav). DIA 34 Az antitestek hiper-variábilis régiói A könnyű és nehéz láncok N-terminális régiója alkotja az antigén-kötő helyet. Az aminosav variabilitása ebben a régióban felel az antigén-kötő helyek szerkezeti sokféleségéért. A legnagyobb mértékű sokféleség mindkét lánc esetében 3 rövid hipervariábilis szakaszon található. A variábilis régió maradéka az ún. váz régió (framework region) viszonylag konstans szerkezetű. Minden hiper-variábilis régió mindössze 5–10 aminosavból álló szakasza képezi a tényleges antigén-kötő helyet. Ez arra utal, hogy az antitestek epitópjainak viszonylag kisméretűeknek kell lenniük, pl. egy globuláris fehérje felszínén lévő epitóp rendszerint 10 aminosavnál rövidebb. DIA 35 Immunglobulin domének Mind a könnyű és a nehéz láncok ismétlődő szekvenciákból épülnek fel, melyek mérete kb. 110 aminosav, és mindegyikük egyetlen, - láncon belüli, - diszulfid híd kötést tartalmaz. Mindegyik ismétlődő szegmens, egymástól függetlenül hajtogatódik össze, s egy kompakt funkcionális egységet képez, melyet Ig doménnek nevezünk. A könnyű láncok 1 variábilis (VL) és egy konstans (CL) domént tartalmaznak, míg a nehéz láncokat egy variábilis (VH) és 3 vagy 4 konstans (CH1, CH2, CH3, CH4) domén alkotja (az IgM és az IgE antitesteknek van 4 CH doménjük). DIA 36 A konstans régiót kódoló DNS szekvencia szerveződése Az antitest láncok doménjeinek hasonlósága azt sugallja, hogy ezek többszörös gén duplikáció útján jöttek létre az evolúció során. Kezdetben egy 110 aminosavból álló domén létezhetett, melynek funkciója ma még nem világos. A konstans régió doménjeit külön exonok kódolják, ami megerősíti ezt a hipotézis. Minden domént és a kapocs régiót kódoló exont intronok vesznek körül, melyek splicing révén eltávolítódnak a végleges molekulából.
II/C. AZ ANTITEST DIVERZITÁS LÉTREHOZÁSA Az emberi test kb. 1012 különböző antitest molekulát állít elő antigén stimuláció hiányában is, ez az elsődleges antitest repertoár (= pre-immun antitest repertoár), amelyet elsősorban membrán-kötött IgM és IgD antitestek alkotnak. Ez a nagy szám biztosítja, hogy bármilyen lehetséges epitóp ellen létezik előre gyártott antitest-kötő hely, még ha az ebben a stádiumban nem is a legnagyobb specifitású. Az antigének (és a helper T sejtek) általi stimuláció hatására osztályváltás történik, ami annyit jelent, hogy az IgM és IgD immunglobulinok helyét más típusú antitestek veszik át (így képződik a másodlagos antitest repertoár). Ráadásul, ezen antitestek affinitása az antigénekhez progresszíven növekszik az idővel; e folyamat neve affinitás érés. Az antitest diverzitás dilemmáját az a genetikai probléma képezi, hogy hogyan tud egy szervezet többféle antitestet előállítani, mint ahány génnel rendelkezik a genomjában. Az antitestek sokfélesége két lépésben jön létre az emlősök esetében: ez az elsődleges és a másodlagos antitest repertoár kialakulása, melynek lépései a következők. (1a) Kombinatorikus összerakás [V(D)J rekombináció] Az antigén stimuláció előtt, a differenciálódó B sejtekben az egyes gén szegmensek különféle variációkban kapcsolódnak össze – a primer antitest ALAPKÖVETELMÉNY
18. Előadás
Boldogkői Zsolt ©
10
1. Immunbiológia repertoár (IgM és IgD) képződik így. (1b) A junkcionális diverzifikáció a kombinatorikus összerakás pontatlansága miatt jön létre (ld. lejjebb). (1c) Az allélkizárás során az dől el, hogy az apai vagy az anyai gének alkossák egy sejt antitest készletét. Az antigén stimulációt követően az összeállt antitestek két további genetikai változáson mennek keresztül. (2a) A hipermutációk (nagy gyakoriságú mutációk), növelik az antigén-kötő hely affinitását. (2b) Az osztályváltás során az IgM és IgD antitestekből DNS átrendeződés során nagy affinitású IgG, IgA, és IgE antitestek jönnek létre úgy, hogy az antitest gének C régiói kicserélődnek, de a specifitást biztosító variábilis régió, nem. Megjegyzés: a zárójelbe tett „D” betű arra utal, hogy, szemben a nehézláncokkal, a könnyű láncok nem rendelkeznek ezzel a szegmenssel. DIA Z Az emberi antitest gének Az emlősök a primer antitest repertoárjukat a különálló antitest gén szegmenseik összekapcsolásával képezik a B sejtek csontvelőben való differenciálódása során. Az embernél az antitestek nehéz láncát kódoló gén a 14-es kromoszómán, a könnyű lánc génje a 2-es, a λ könnyű lánc génje pedig a 22-es kromoszómán helyezkedik el. A két könnyű lánc lokusz mindegyike nagyszámú (λ: 73-74 db; : 40-76 db) V (variable) régiót, néhány (λ: 7-11db; : 5 db) J (joining) régiót, és egyetlen () vagy néhány (7-11 db: λ) C (constant) régiót (mind a és a λ lánc) kódoló szegmenst tartalmaz. A nehéz lánc génje annyiban különbözik a két könnyű láncétól, hogy a V (123-129 db) és a J régiók (9 db) mellett, egy 27 régióból álló D (diversity) szegmens is található az adott DNS szakaszon. Továbbá, a C szegmens 9 db funkcionális C régiót μ, δ, ε, 2db (1, 2) és 4 db ( 1, 2, 3, 4) tartalmazó kódoló szegmenst is tartalmaz. Találhatók még pszeudogének mind a C mind a J régiókban. DIA 37 A könnyű lánc gének képződése – 1a. kombinatorikus diverzifikáció A B sejtek csontvelőben (vagy magzati májban) való fejlődése során az antitest láncok teljes szekvenciája ún. helyspecifikus rekombináció útján áll össze. A fenti genetikai átrendeződések a transzkripciót is aktiválják azáltal, hogy megváltozik az enhanszerek és a silencerek helyzete is a promóterhez képest. Tehát, az antitest gének nem aktívak más sejtekben, ill. az átrendeződés előtt a B sejtekben sem. Az ábra a κ könnyű lánc képződését mutatja. Első lépésként az egymástól több ezer nukelotidnyi távolságban lévő V és J génszegmensek közel kerülnek egymáshoz azáltal, hogy az ún. RAG (recombination activating gene; rekombinációt aktiváló gén) fehérje kivágja a köztes DNS régiókat. Az egymás mellé kerülő V és J régiók teljesen véletlenül választódnak ki (az ábrán V3J3). Az így keletkezett gén leíródik. A maradék J4 és J5 szegmenst a C régiótól elválasztó RNS szakasz splicing révén kivágódik, s ezzel befejeződik a könnyű lánc képződése. Megjegyzés: az antitest (és T sejt receptor) gének képződése a DNS átrendeződése révén egyedülálló, más gének nem alkalmazzák ezt a módszert, s ez a folyamat is kizárólag a B (és T) sejtekben megy végbe. DIA 38 A nehéz lánc gének képződése (1a.) A nehéz láncok V régiója a fentiekhez hasonló módon képződik. Az egyetlen különbséget a D génszegmens jelenléte adja, ami a szegmenst variációk számát sokszorosára növeli. DIA 39 RAG és a rekombinációs szignál szekvenciák Az egyes génszegmenseket erősen konzervált bázissorrendű rekombinációs szignál szekvenciák fogják közre, melyeket egy enzim complex, a V(D)J rekombináz (másnéven RAG) ismer fel. Ez az enzim komplex a RAG1 és a RAG2 alegységekből áll. A RAG egy endonukleáz, amely a rekombinációs szignálok közelében megvágja a DNS-t, majd ezt követően a vágás helyéhez verbuválja a DNS javító enzimeket, amelyek összeligálják a szabad DNS végeket. 1b. Junkcionális diverzifikáció A génszegmensek összeillesztése azonban rendkívül pontatlan, változó számú nukleotid veszik el a gén szegmensek végein. Ez a véletlenszerű nukleotid vesztés a junkcionális diverzifikáció, amely tovább növeli a V régiók sokféleségét, specifikusan a 3. hipervariábilis régióban. E megnövekedett változékonyságnak azonban ára van. Sok esetben ugyanis, eltolja a leolvasási keretet, s így funkciótlan gént eredményez: 3-ból csupán egy gén normális (a genetikai kód triplet volta miatt). Ezek a B sejtek nem állítanak elő funkcionális antitesteket, ezért elpusztulnak a csontvelőben. Továbbá, ALAPKÖVETELMÉNY
18. Előadás
Boldogkői Zsolt ©
11
1. Immunbiológia azok a B sejtek, amelyek saját antigénhez mutatnak affinitást, fenntartják a RAG aktivitásukat, s egy második V(D)J rekombinációt indítanak be a könnyű lánc lokuszban (rendszerint a génben), s ezáltal megváltoztatják a sejtfelszíni receptoraik specifitását. E folyamat neve receptor szerkesztés. Egy további védekezési módszer az ön-reaktív B sejtek ellen, a sejtek elpusztítása (klonális deléció). Megjegyzések: (1) A két Rag gén bármelyikének mutációja funkcióképtelen B és T sejteket eredményez, ami egy súlyos betegséghez vezet, melynek neve (SCID; severe combined immunodeficiency). Ezt a betegséget más génekben történő mutációk is okozhatják, a szindróma lényege a működésképtelen B és/vagy T sejtek. (2) RAG-1 gén erős homológiát mutat egy (Transib szupercsaládba tartozó) DNS transzpozon transzpozáz enzimet kódoló génjével, s valószínűleg horizontális géntranszfer útján került egy primitív gerinces ősünk DNS-ébe. DIA 40 1c. Allél kizárás (az L és H láncok kombinatorikus összerakása) és a vs. λ könnyű-lánc választás A B sejtek monospecifikusak, ami azt jelenti, hogy egy B sejt csak egyféle antigén-kötőhellyel rendelkező antitesteket állít elő. Más szavakkal megfogalmazva, minden B sejt egyetlen típusú VL, s ugyancsak egyetlen típusú VH régiót termel. Mivel a B sejtek, hasonlóan más testi sejtekhez, diploidok, minden sejt 6 antitest kódoló lokusszal rendelkezik 3 pár kromoszómán: 2 nehéz-lánc lokusz (1-1 mindkét szülőtől) és 4 könnyű-lánc lokusz (1-1 és 1-1 mindkét szülőtől). Mivel, a DNS átrendeződés függetlenül történik mindkét nehéz lánc lokuszban és a 4 könnyű lokuszban, ezért, elvileg egy B sejtnek 8 különböző kombinációban (2x2x2) kellene az antitesteket előállítania. A helyzet azonban az, hogy minden B sejt csupán 2 lokuszt használ a 6-ból (1 nehéz és 1 könnyű). Tehát, egy B sejtnek két döntést is meg kell hoznia: (1) választani a és a λ könnyű láncok közül és (2) választani az apai és anyai lokuszok közül (mind a könnyű és nehéz láncok esetében). Ezt a második választást nevezzük allél kizárásnak. Ez a mechanizmus a T sejt receptorok és a szagló receptorok kifejeződésében is szerepet játszik. A fehérjék túlnyomó többségénél azonban, mind az apai, mint az anyai allélok egyenlő mértékben fejeződnek ki. Az allél kizárás és a vs. λ könnyű-lánc választás a V(D)J rekombinációs folyamattól függ. Az egyik antitest lokuszon való átrendeződés gátolja ezt a folyamatot a többi lokuszon. A további gén átrendeződések gátlása két folyamat révén történhet: (1) az antigén receptor összeszerelése révén vagy (2) a receptorra ható extracelluláris szignálok hatására. DIA 41 2a. Szomatikus hipermutációk Az antigén hatását követően, idővel egyre növekvő affinitású antitestek képződnek. E jelenség neve affinitás érés, okozója pedig pont mutációk felhalmozódása a V régiókban (mind a könnyű és nehéz láncok esetében). A B sejtek antigének (és helper T sejtek) általi aktivációját követően, néhány aktivált B sejt elkezd gyorsan szaporodni a nyirokcsomókban, s ezáltal ún. germinális központokat képez. Ezekben a központokban a B sejtek V-régiója óriási rátával kezd el mutálódni (egy mutáció osztódásonként – egymilliószor magasabb, mint a spontán mutációs ráta). A folyamatot szomatikus hipermutációnak nevezzük, mivel a B sejt testi sejt, a mutációs rátája magas. A folyamat darwini alapon megy végbe (véletlenszerűen produkálódnak a variánsok), ezért csak nagyon kevés antitest válik nagyobb affinitásúvá az adott antigénre. A magasabb affinitású sejtek nagyobb eséllyel élnek túl és szaporodnak, a többi sejt azonban apoptózis útján elpusztul. Tehát, az ismételt hipermutációs ciklusok és az azt követő antigén-irányította szelekció eredményeként, a létrejött klónok egyre hatékonyabb választ képesek produkálni a patogénekkel szemben. A hipermutációkat egy AID (activation-induced deaminase) nevű enzim viszi véghez. Az AID specifikusan az aktivált B sejtekben fejeződik ki, s itt az antitest gének V régiójában uracillá deaminálja a citozint, ami a hibás párosodás miatt különféle mutációkat okoz. Az egyik mutáció az U bázis T-ként való leolvasása miatt keletkezik az egyik DNS szálon a replikáció során. A másik mutáció típust az okozza, hogy az U-t, lévén nem DNS bázis, egy enzim (az uracil DNS glüziláz) eltávolítja, s az így keletkezett hézag egy tetszőleges bázissal helyettesül. A szomatikus hipermutáció funkciója az antitest specifitásának finomhangolása. ALAPKÖVETELMÉNY
18. Előadás
Boldogkői Zsolt ©
12
1. Immunbiológia DIA 42, 43 2b. Osztályváltó rekombináció Az összes B sejt membránba-épülő monomer IgM antigén receptor szintézissel kezdi az életét, s később az IgD is megjelenik. Antigén (és helper T sejt) stimuláció hatására ezek a sejtek pentamer IgM antitesteket kiválasztó effektor sejtekké alakulnak át (primer immunválasz). Később az antigének és a helper T sejtek által kiválasztok citokinek kombinált hatására a B sejtek elkezdenek IgA, IgG és IgE antitesteket előállítani (szekunder immunválasz). Ezt a folyamatot osztályváltásnak nevezzük, melynek során a nehéz lánc konstans régiói kicserélődnek (a konstans régió határozza meg az antitest osztályát). Az osztályváltást az ún. osztályváltó rekombináció teszi lehetővé. Ennek a mechanizmusnak a lényege az, hogy a VDJ szekvenciát követő DNS régiók kivágódnak, s a deléció nagyságától függ a létrejött új osztály. A deléció legalább akkora, hogy a C μ (IgM nehéz lánc génje) és a C (IgD nehéz lánc génje) kiessen. Kisebb deléció esetén IgG (4 féle), nagyobb deléció esetén IgE, még nagyobb deléció esetén pedig IgA (2 féle) keletkezik (ld. DIA). Az osztályváltó rekombináció több szempontból is különbözik a V(D)J rekombinációtól: (1) az antigén-stimulációt követően megy végbe (főként a germinális központokban); (2) eltérő rekombinációs szignál szekvenciát használ (váltó szekvencia; switch sequence); (3) a vágás és összeillesztés nem-kódoló szekvenciában történik; (4) a legfontosabb azonban a molekuláris mechanizmusban van. Nevezetesen, az osztályváltó rekombináció az AID enzimen alapul, nem pedig a RAG-on, ami jelzi, hogy itt a szomatikus hipermutáció játszik szerepet, nem pedig a V(D)J rekombináció. Az AID deaminálja a C-t U-vá a váltó szekvenciák közelében, ezt követi az U-k kivágása (uracil-DNS glükoziláz), ez duplaszálú törést okoz a DNS-en, ami a köztes DNS szakasz kiesésével jár.
II/D. T SEJTEK ÉS MHC PROTEINEK A T sejtek 3 fő funkcionálisan különböző osztályba sorolhatóak. (1) A citotoxikus T sejtek közvetlen módon ölik meg a fertőzött sejteket azáltal, hogy apoptózisra késztetik őket. (2) A helper T sejtek az alábbi sejtek aktiválásában vesznek részt: a B sejteket késztetik antitest termelésre; a citotoxikus T sejteket aktiválják, hogy azok elpusztítsák a cél sejtjeiket; a dendritikus sejteket stimulálják, ill. a makrofágokat aktivizálják a mikroorganizmusok elpusztítására. (3) A szabályozó T sejtek az effektor T sejtek és a dendritikus sejtek aktivitását gátolják, s fontosak még az öntolerancia kialakításában is. Az összes T sejt antitest-szerű receptorokat (TCR; T cell receptor) fejez ki a sejtmembránjában. A TCR-ek az antitestekhez hasonlóan képződnek. Ezek a molekulák is a gén szegmensek átrendeződésével keletkeznek a tímuszban a T sejtek érése folyamán. A TCR-ek idegen fehérjéket ismernek fel, melyeket a gazdasejtek mutatnak be az MHC proteinekkel kapcsoltan. A T sejtek perifériás nyirokszervekben aktiválódnak az antigén-prezentáló sejtek által, melyek peptid-MHC komplexeket fejeznek ki a felszínükön. A leghatékonyabb antigén-bemutató sejtek a dendritikus sejtek, melyek erre a feladatra specializálódtak. A naiv T sejtek aktivációja a dendritikus sejtektől függ. Az I. és II. osztályú MHC proteinek alapvető szerepet játszanak az idegen antigének bemutatásában: az MHC-I proteinek a citotoxikus T sejteknek mutatják be az antigéneket, míg az MHC-II a helper és a szabályozó T sejteknek. Míg az MHC-I proteinek minden sejtben kifejeződnek, az MHC-II proteinek csak azokban a sejtekben (dendritikus sejtek, makrofágok és B limfociták), amelyek a helper sejtekkel létesítenek kapcsolatot. A peptid–MHC komplexek a sejt felszínére transzportálódnak. Az idegen peptidet tartalmazó komplexet a TCR-ek ismerik fel. A T sejtek szintén kifejeznek CD4 vagy CD8 koreceptorokat, amelyek a TCR-el egyidejűleg felismerik az MHC proteinek nem-polimorf régióit az antigén-prezentáló sejteken vagy a cél-sejteken: a helper és a szabályozó T sejtek CD4-et fejeznek ki, amely az MHC-II proteineket ismeri fel, míg a citotoxikus T sejtek CD8-at fejeznek ki, mely az MHC-Iet ismeri fel. A T sejtek differenciálódása (hasonlóan a B sejtekéhez) pozitív és negatív szelekción és a véletlenen alapul. Ezek a folyamatok biztosítják, hogy csak az aktuális antigént felismerő receptort tartalmazó T sejtek maradnak életben, differenciálódnak, s szaporodnak el; a többiek pedig apoptózissal elpusztulnak.
ALAPKÖVETELMÉNY
18. Előadás
Boldogkői Zsolt ©
13
