Systém HLA a prezentace antigenu Ústav imunologie UK 2.LF a FN Motol
Struktura a funkce HLA • • • • • •
historie struktura HLA genů a molekul funkce HLA molekul nomenklatura HLA systému HLA asociace s nemocemi prezentace antigenu
HLA - vývoj imunity • HLA jsou membránové glykoproteiny, které představují vrchol organizace fungování imunitního systému
• ve vývoji imunitního systému se objevují až u obratlovců
Evoluce imunity
mechanismy rozpoznání vlastních komponent a určité možnosti obrany organismu nacházíme i u velmi jednoduchých organismů miliardy let 4.5 3.5 procaryota, bakterie
1.5 eukaryota
0.5 mnohobuněčné org.
Evoluce imunity ve vývoji druhů
procaryota restrikční endonukleázy zničí cizí DNA vlastní DNA je chráněna metylací enzymů
obratlovci bezobratlí lymfatické tkáně mechanismy rozpoznání vlastních struktur disperzní - ryby a obojživelníci hojení ran, adhes, agregace buněk, lymfatické orgány - savci fagocytóza histokompatibilní komplex antimikrobiální látky, lektiny, imunoglobuliny a buňky imunitního lysozym systému
HLA - MHC • HLA molekuly jsou zodpovědné za histokompatibilitu slučitelnost tkání • kombinace HLA molekul je unikátní u každého jedince • jediný příklad shody HLA molekul představují jednovaječná dvojčata • HLA molekuly jsou zodpovědné za odvržení transplantátu • histokompatibilní molekuly v této situaci fungují jako antigeny, které vyvolají imunitní odpověď zaměřenou na odvržení štěpu • v této souvislosti se tyto molekuly nazývají transplantační či histokompatibilní antigeny .
struktura HLA molekul • HLA molekuly se dělí na 2 hlavní třídy, a to HLA molekuly I. a II. třídy • HLA molekuly obou tříd jsou glykoproteiny, heterodimery, složené ze dvou řetezců, z nichž alespoň jeden je polymorfní • struktura HLA molekul obou tříd umožňuje vazbu antigenu a kontakt s receptory T lymfocytů
HLA molekuly I. třídy • HLA molekuly I. třídy se skládají ze 3 částí • transmembránový glykoprotein, nazývaný těžký řetězec, který má transmembránovou část a 3 domény extracelulární, nazývané α1, α2 a α3. • α1, α2 domény jsou polymorfní částí HLA molekuly I. třídy • tyto domény mají uspořádání, které umožňuje vazbu antigenního peptidu • těžký řetězec je nekovalentně spojen s β2mikroglobulinem, nepolymorfním řetezcem HLA molekuly I. třídy • třetí součástí HLA molekuly je peptid, vázající se do vazebného místa tvořeného α1a α2 doménou
struktura HLA molekul I. třídy • HLA molekuly I. třídy se skládají z • těžkého a řetezce • β-2 microglobulinu • peptidu
HLA A,B,C • Lidé mají na povrchu svých buněk 3 druhy klasických HLA molekul I. třídy, nazývané HLA-A, HLA-B, a HLA-C. • Tyto typy se liší pouze složením svého těžkého řetězce, β2 mikroglobulin je stejný. • HLA molekuly I. třídy jsou exprimovány na všech jaderných buňkách těla. • HLA I.třídy nejsou exprimovány na erytrocytech, téměř nebo v nepatrné míře jsou exprimovány na buňkách CNS. • Geny kódující těžké řetězce HLA molekul I. třídy se nacházejí na 6. chromozomu v oblasti MHC.
HLA molekuly II. třídy • HLA molekuly II. třídy se skládají z dvou transmembránových gylkoproteinů, nazývaných α a β řetězec. Oba dva řetězce jsou polymorfní. • HLA molekuly II. třídy se nacházejí ve 3 typech, pojmenovaných HLA DR, DP a DQ. • Tyto molekuly jsou kódovány geny na 6 chromozomu, v oblasti HLA D. • Molekuly HLA II. třídy jsou exprimovány velmi omezeně na buňkách prezentujících antigen. Exprese HLA II. třídy je indukovatelná, při zánětu je mohutně stimulována.
Struktura HLA molekul II. třídy • HLA molekuly II. třídy se skládají ze 2 polymofrních, transmembránových řetězců a navázaného peptidu.
Struktura HLA molekul I. a II.třídy HLA I. třídy
HLA II.třídy
HLA a peptidy • antigenní peptidy ve vazebných místech HLA molekul • I.třídy
• II.třídy
HLA geny chromozom 6
HLA oblast
D DP
HLA III.třídy DQ
B C
E A GF
DR
• mezi HLA III.třídy patří složky komplementu, TNF, HSP a další • HLA DR je polymorfní pouze beta řetězec
HLA haplotypy • Haplotyp je kombinace alel každého HLA locusu na jednotlivém chromozomu. • U HLA molekul I. třídy dědíme každý ze 3 typů těžkých řetězců od každého rodiče. • Každý, pokud není homozygotní pro některou z alel, tedy exprimuje na svých buňkách 6 různých typů HLA molekul I. třídy. A
B
C
A
B
C
A
B
C
A
B
C
A
B
C
A
B
C
HLA polymorfismus • Geny HLA jsou nejvíce polymorfní ze všech známých systémů. V současné době jsou známy desítky alelických variant každého typu. Z těchto variant každý dědí v každém typu 2 alely, což dohromady tvoří tisíce možných kombinací. • Diverzita je patrná na příkladu studie HLA typizace 1000 dárců krve, provedené v USA. Typizace byla provedena pouze pro HLA A a B. – u více než poloviny byl nalezen unikátní HLA haplotyp – 111 dárců mělo takový haplotyp u HLA A a B, že jej sdíleli pouze s 1 osobou v celé skupině – nejčastější haplotyp (HLA-A1, HLA-A3, HLA-B7, and HLA-B8) byl v celé skupině nalezen u 11 dárců
HLA typizace Sekvence lidského MHC systému je nyní kompletně známa. Konsortium laboratoří oznámilo v říjnovém čísle Nature v roce 1999 dokončení sekvence 3,673,800 nukleotidů na chromozomu 6, ze kterých se skládá MHC systém a kde jsou zahrnuty i další geny s důležitou funkcí v reakcích imunitního systému.
HLA a prezentace antigenu • Histokompatibilní antigeny byly objeveny díky své úloze v transplantačních reakcích. • Základní funkcí HLA molekul však je prezentace antigenu, který je v této souvislosti rozpoznáván T lymfocyty.
HLA a antigeny • antigeny, které jsou předkládány imunitnímu systému v kontextu s HLA molekulami, pocházejí jednak z extracelulárního prostředí, tak zvané vnější antigeny, jednak jsou lokalizovány uvnitř buňky, tak zvané vnitřní antigeny. • povaha vnitřních a vnějších antigenů se výrazně liší, každý indukuje zcela jiný typ imunitní reakce • vnitřní antigeny jsou prezentovány v souvislosti s HLA I. třídy • vnější antigeny jsou prezentovány v souvislosti s HLA II. třídy
Prezentace antigenu • Antigeny jsou molekuly, které vyvolají imunitní odpověď. • Antigeny jsou většinou proteiny či glykoproteiny, nebo polysacharidy. • Antigeny pocházející z vnějšího prostředí se do organismu dostanou přes gastrointestinální trakt, respirační trakt, kůži nebo arteficiálně např. injekčně. • Antigeny vnitřní se nacházejí přímo v buňkách, může se jednat např. o proteiny kódované virovými geny nebo proteiny kódované mutovanými geny v nádorově změněných buňkách.
Antigen prezentující buňky a T lymfocyty • K iniciaci imunitní odpovědi je nutné rozpoznání antigenu T lymfocyty
lysozom
APC
ER, Golgi
• Povaha imunitní odpovědi je určována druhem prezentovaného antigenu. – prezentace exogenního antigenu
HLA II.třídy antigen TCR
CD4
T lymfocyt
Antigen prezentující buňky a T lymfocyty • K iniciaci imunitní odpovědi je nutné rozpoznání antigenu T lymfocyty
APC
ER, Golgi
• Povaha imunitní odpovědi je určována druhem prezentovaného antigenu. – prezentace endogenního antigenu
HLA I.třídy antigen TCR
CD8
T lymfocyt
Exogenní antigeny • Exogenní antigeny jsou zpracovány profesionálními antigen prezentujícími buňkami. • Mezi tyto buňky patří – fagocytující buňky - makrofágy, dendritické buňky – B lymfocyty • Všechny tyto buňky exprimují HLA II. třídy.
Zpracování exogenních antigenů • antigen se do buňky dostává endocytózou • je zpracován v endocytárním kompartementu buňky • zde je degradován na fragmenty • ve stejném kompartmentu je navázán na HLA molekulu II. třídy • jako komplex je vystaven na povrchu buňky • komplex HLA II. třídy a antigenu je rozpozán CD4+ lymfocyty
CD4+
Cesta zpracování exogenních antigenů s HLA molekulami II. třídy Komplex HLA molekuly II. třídy a antigenu se tvoří v endosomálním kompartmentu buňky v několika krocích
APC
– HLA molekula II. třídy je tvořena v endoplasmatickém retikulu z 2 řetězců – v ER je stabilizována invariatním řetězcem – tento komplex putuje do Golgi aparátu a do endosomů – zde je invariatní řetězec aktivně odstraněn působením HLA DM
endozom
– antigen je vložen do vazebného místa HLA molekuly II. třídy – komplex HLA a antigenu putuje na povrch buňky
Golgi
– komplex HLA-antigen je v této souvislosti rozpoznán CD4 pozitivním lymfocytem ER
Endogenní antigeny • Antigeny jsou proteiny vznikající uvnitř buněk. • Antigeny jsou degradovány na peptidy v cytoplasmě za pomoci proteazomu • vybrané peptidy jsou aktivně transportovány do endoplasmatického retikula činností struktury zvané TAP (transport associated protein) • v endoplasmatickém retikulu se formuje komplex HLA a řetězce, β2 mikroglobulinu a antigenu • tento komplex HLA I.třídy a antigenu putuje buňkou přes Golgiho aparát na povrch • zde je připraven na kontakt s CD8+ lymfocytem • buňka je CD8+ lymfocytem zničena
Endogenní cesta prezentace antigenu • HLA antigeny I. třídy jsou exprimovány na všech jaderných buňkách • komplex HLA I. třídy a antigenu se skládá z α řetězce β2mikroglobulinu endogenního antigenu • na povrchu buňky se setkává s CD8+lymfocytem
TAP • Transport associated protein - TAP je struktura zodpovědná za přenos antigenních peptidů z cytoplasmy do endoplasmatického retikula.
proteazom
– proteiny jsou v cytoplasmě degradovány proteazomem na peptidy – peptidy jsou zachyceny TAP a transportovány do ER – v ER jsou tyto peptidy spojeny s HLA I. třídy a transportovány přes Golgiho aparát na povrch buňky •
.
TAP
Cesty zpracování antigenu
endogenní antigeny, HLA I.třídy
exogenní antigeny, HLA II.třídy
B lymfocyty • B lymfocyty zpracovávají antigen exogenní cestou ve spojení s HLA molekulami II. třídy. • Proces zpracování antigenu se však v některých zásadních bodech liší od cesty využívané fagocytujícími buňkami.
B lymfocyt
CD4
T lymfocyt
BCR • B buňky zachycují antigeny procesem receptorem mediovanou endocytózou • B buňky mohou touto cestou zachytit exogenní antigeny s vysokou afinitou • další kroky jsou shodné s exogenní cestou prezentace antigenu • zúčastněná CD4+ buňka sekretuje cytokiny • tím je B lymfocyt aktivován a produkuje odpovídající protilátky
B lymfocyt
Protilátky produkce protilátek
B lymfocyt
CD4
cytokiny plasmatická buňka
T lymfocyt
Signální cesty, aktivace buněk APC
CD3 iontové kanály
signální cesty fosforylace proteinů proteinkinázy
T lymfocyt
Souhrncesty prezentace antigenu lysozom
APC
APC
ER, Golgi
ER, Golgi
CD8
HLA I.třídy antigen TCR
T lymfocyt
endogenní destrukce buňky
CD4
HLA II.třídy antigen TCR
T lymfocyt
exogenní rozvoj imunitní odpovědi
B lymfocyt CD4
HLA II.třídy antigen TCR
T lymfocyt
B lymfocyty sekrece protilátek
Polarizace T buněčné odpovědi
