Upload
pedja-knezevic
View
123
Download
13
Embed Size (px)
DESCRIPTION
bukvar1
Citation preview
Mirko Simić
1. Molekuli imunskog prepoznavanja
Imunološki bukvar
U molekule imunskog prepoznavanja spadaju tri garniture
proteinskih molekula sposobnih da vezuju antigen i da na taj način
obavljaju prepoznavanje u imunskom sistemu.
To su: površinski imunoglobulini (Ig) koji služe kao receptori za
antigen zvani BCR (od engl. B cell receptor) na B limfocitima;
receptori za antigen na T limfocitima zvani TCR (od engl. T Cell
Receptor); i MHC molekuli klase I i II (od engl. Major Histocompability
Complex encoded molecules).
Svi su ovi molekuli strukturno homologni i evolucijski srodni, pa se
zato svrstavaju u superfamiliju Ig gena. Veruje se da svi potiču od
jednog pragena koji se javlja tokom evolucije pojavom multicelularnih i
višeslojnih životinja i prvobitno kontroliše sintezu primitivnih proteinskih
molekula kojima se ćelije međusobno prepoznavaju i komuniciraju
tokom histogeneze.
Zajedničko svojstvo svih molekula imunskog prepoznavanja je da
sadrže jednu ili više homolognih jedinica - domena - karakteristične
trodimenzijske strukture koja počiva na konformaciji zvanoj
imunoglobulinska.
Za imunoglobulinski domen je karakteristično da sadrži
evolucijski sačuvane amino kiseline koje omogućuju da polipeptid
svijanjem u prostoru formira globularnu tercijarnu konformaciju u
vidu “sendviča” od dva sloja, od kojih jedan sadrži 3, a drugi 4 niti
peptidnog lanca. U svakom sloju peptidne niti teku antiparalelno i
tvore β-ploču. Slojevi su grubo paralelni i povezani u “sendvič”
jednom disulfidnom (S-S) vezom koju ostvaruju evolucijski
konzervisani cisteini u imunoglobulinskom domenu.
Shematski prikaz globularnog Ig domena
S
S
N-kraj peptida
C-kraj peptida
β-ploča
β-ploča
Imunoglobulinski domen
Receptorski polipeptidi
Svi polipeptidni lanci u sastavu BCR (Ig) i TCR molekula sadrže
segmente duge oko 110–120 amino kiselina, od kojih svaki
nezavisnim svijanjem u prostoru formira kompaktnu funkcionalnu
jedinicu u vidu domena karakteristične imunoglobulinske
konformacije. Lanci se međusobno razlikuju po broju domena koje
sadrže. Domena u BCR i TCR polipeptidnim lancima može biti 2, 4, ili
5.
Svi su BCR (Ig) i TCR lanci izvanredno raznoliki u pogledu svog
aminokiselinskog redosleda.
Ova molekulska raznolikost je od suštinskog značaja za
funkcionisanje imunskog sistema pošto obezbeđuje strukturnu osnovu
za zadivljujuće širok spektar različitih specifičnosti mesta za vezivanje
antigena na BCR i TCR molekulima. Naime, različiti aminokiselinski
redosledi proizvode različite fizičke, hemijske i konformacijske varijacije
u delu molekula kojim se vezuje antigen. Na taj način oni obezbeđuju
bezbroj različitih mogućnosti vezivanja antigena i time omogućuju
imunskom sistemu da specifično prepozna bilo koju od mnogo miliona
različitih molekulskih konformacija – epitopa.
Raznolikost aminokiselinskog redosleda, međutim, nije ravnomerno
raspoređena duž celog lanca, već je koncentrisana u krajnjem N-
terminalnom, tzv. varijabilnom (V) domenu polipeptidnih lanaca, dok su
preostali domeni više evolucijski konservisani i relativno su konstantni,
zbog čega se i nazivaju konstantnim (C) domenima.
Shematski prikaz strukture BCR i TCR peptidnihlanaca, njihovi nazivi, kao i nomenklatura koja se koristi za obeležavanje njihovih domena odnosno
regiona
N
C
S
S
IgLκ lanac
Vκ
Cκ
Cμ1
Cμ2
Cμ3
Cμ4
V H
C (KONSTANTNI)
V (VARIJABILNI)
TransmembranskiN
C
REGIONIBCR (Ig) LANCI
Ig LAKI (L) LANCI
Ig TEŠKI (H) LANCI Membranski oblik
TCR LANCI
N
C
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
IgHδ lanac
IgHγ lanac
IgHα lanac
IgHε lanac
C ε1
C ε2
C ε3
C ε4
C α1
C α2
C α3
Cδ1
Cδ2
Cδ3
C γ1
C γ2
Cγ3
VH VH VH
VH
N N
N
C C C C
N
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
SS
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
DOMENI
S
S
S
S
S
S
S
S
TCRβ lanac
TCRγ lanac
TCRδ lanac
Vβ Vγ Vδ
Cβ Cγ Cδ
N N N
C C C
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
IgHμ lanac
IgLλ lanac
V
C
N
C
S
S
S
S
Vλ
Cλ
TCRα lanac
Vα
Cα
S
S
Šta više, varijabilnost aminokiselinskog redosleda Ig i TCR
polipeptidnih lanaca nije ravnomerno raspoređena ni duž varijabilnog
V domena, već je pretežno koncentrisana u tri segmenta peptidnog
lanca, dugih desetak amino kiselina svaki, i uređenih u vidu petlji koje
strče iz lanca. Nazivaju se hipervarijabilnim regionima. Hipervarijabilni
regioni su međusobno razdvojeni relativno konstantnim regionima
potke lanca.
Kako u Ig, tako i u TCR molekulu hipervarijabilne petlje V domena
dva polipeptidna lanca se konformacijom lanaca dovode prostorno u
blizinu, i udružuju se formirajući mesto u molekulu kojim se vezuje
antigen, i stoga se naziva mestom vezivanja antigena.
Shematski prikaz hipervarijabilnih regiona u okviru V regiona BCR i TCR polipeptidnih
lanaca
VVarijabilni
region
NCDR3 CDR2 CDR1
CIgL lanci
NCDR3 CDR2 CDR1
CTCR lanci
Ckonstantni
region
TMTransmembranskii
region
CDR3 CDR2 CDR1NIgH lanci
(membranski oblik)C
S obzirom na to da hipervarijabilni regioni učestvuju u
formiranju dela molekula koji vezuje antigen zato što je prostorno
komplementaran molekulskoj konformaciji vezanog antigena, oni se
takođe nazivaju i regionima koji određuju komplementarnost - CDR
regionima (engl. complementarity-determining regions).
Biološki značaj i prednost hipervarijabilnih regiona je u tome što
omogućuju da se ogromna raznolikost mesta vezivanja antigena, kako
u TCR tako i u BCR (Ig) molekulima, može stvarati menjanjem dužine
hipervarijabilnih petlji i aminokiselinskog redosleda u njima, a bez
remećenja ukupne trodimenzijske strukture peptidnih lanaca.
BCR
Imunoglobulini (Ig) su glikoproteini koje proizvode isključivo B
limfociti. Molekuli Ig mogu biti iskazani na ćelijskoj membrani B limfocita
kao receptori za antigen zvani BCR, ili ih B limfociti kada diferentuju u
plazma ćelije mogu lučiti kao antitela.
Membranski BCR molekuli strukturno se razlikuju od izlučenih
molekula antitela samo utoliko što prvi sadrže membranski tip teških
IgH lanaca, a za razliku od antitela u kojima se nalazi izlučivani tip
inače istovetnih teških IgH lanaca.
Razlika između ova dva tipa teških lanaca sastoji se samo u tome
što membranski tip IgH lanca na svom C-terminalnom kraju sadrži
dodatni niz od oko 20 hidrofobnih amino kiselina, tzv. transmembranski
domen, koji ga vezuje za ćelijsku membranu protežući se kroz
hidrofobski region lipidnog dvosloja ćelijske membrane B limfocita.
Molekul BCR (Ig) je simetričan i sastoji se od dva identična teška
polipeptidna lanca, teška zato što su veće molekulske mase, i dva
identična laka lanca, laka zato što su manje molekulske mase. Prvi su
nazvani IgH (H od engl. Heavy), a drugi IgL (L od engl. Light) lanci.
Lanci su u molekulu međusobno vezani disulfidnim vezama, i to
S-S vezom između dva teška lanca, kao i S-S vezama između lakih i
teških lanaca.
IgH lanci u molekulu Ig mogu biti pet različitih klasa označenih
grčkim slovima μ, δ, γ, α ili ε, dok IgL lanci mogu biti dva tipa zvana κ
ili λ.
Shematski prikaz strukture BCR
MEMBRANA B LIMFOCITA
Mestovezivanjaantigena
SS
SS
SS
SS
S
S
S
S
S
S
SS
SS
SS
S
S
S
S
S
S
SS
S-S S-S
S-S
2 IgHμ lanca
2 IgLκ ili λ lanca
Mestovezivanjaantigena
Varijabilni domenS
S
S
S Konstantni domen
Transmembranskidomen
Klasa teškog lanca koji se nalazi u molekulu Ig određuje kojoj
od pet klasa molekul pripada. Shodno tome, ako su u molekulu μ
teški lanci, onda je molekul klase IgM, ako su to δ teški lanci onda je
molekul klase IgD, ako su to γ lanci onda je klase IgG, ako su to α
lanci onda je klase IgA, i konačno, ako su to ε lanci onda molekul
pripada klasi IgE. Od klase kojoj pripada teški lanac, zavise
odgovarajuće biološke funkcije molekula Ig antitela, kao čto su
aktivacija sistema komplementa, opsonizacija, oslobađanje
medijatora rane preosetljivosti, citotoksičnost, itd.
U Ig molekulu bilo koje od 5 klasa laki IgL lanci mogu biti ili κ ili
λ.
IgH teški lanci u molekulu Ig određuju klasu antitela
Klasa IgH TEŠKOG LANCASekretovani oblik
5IgE
S-S veza
2 Serumski IgA
1
μ
5
ε
2
α
3
γ
4
δ
2IgA u sekretima
1 IgM
J lanac
J lanac
Sekretornakomponenta
3 IgG
4IgD
Mesto vezivanja antigena u Ig molekulu formira se interakcijom
V domena jednog teškog lanca i V domena za njega disulfidnom
vezom vezanog lakog lanca. U formiranju površine koja vezuje
antigen sadejstvuju po tri CDR regiona teškog i lakog lanca.
Osnovni molekul Ig po pravilu sadrži dva mesta vezivanja
antigena i stoga se za njega kaže da je bivalentan. Bivalentnost
površinskog BCR molekula je za imunsko prepoznavanje važna
stoga sto omogućuje unakrsno vezivanje receptora u kompleks
neophodan za endocitozu antigena od strane B limfocita.
Tokom svog razvića u kostnoj srži, nezreli prethodnici B limfocita
zvani pre-B ćelije, u početku sintetišu IgH μ lance koji se spajaju sa
peptidnim lancima koji u stvari nisu pravi već surogatni laki lanci, pa
su molekuli iskazani na ćelijskoj membrani nefunkcionalni.
Kad u ćelijama otpočne sinteza IgL lanaca, oni se spajaju sa IgH μ
lancima istiskujući surogatne lake lance. B limfociti u tom stadijumu
svog razvića iskazuju na membrani funkcionalne receptore klase IgM
sposobne da prepoznaju antigene, i nazivaju se zrelim devičanskim B
limfocitima, devičanskim zato što se još nisu susreli sa antigenom.
Mnogi devičanski B limfociti ubrzo počinju da sintetišu i IgH δ
lance sa V domenom koji je identičan V domenu IgH μ lanaca, tako
da većina zrelih devičanskih B limfocita na svojoj membrani iskazuju
dve klase površinskih BCR molekula, IgM i IgD. Pošto oni sadrže IgH
μ i δ lance sa identičnim V domenom, obe molekulske vrste
receptora iste su specifičnosti za antigen.
Svaki zreli B limfocit na svojoj membrani iskazuje oko 100 000
površinskih BCR molekula. Memorijski B limfociti za razliku od
devičanskih, iskazuju površinske BCR molekule u čijem sastavu se
mogu naći membranski oblici IgH γ, α ili ε lanaca.
TCR
TCR su glikoproteini koje jedino proizvode T limfociti i isključivo ih
iskazuju na svojoj ćelijskoj membrani kao receptor za antigen, a ne
mogu da ih luče u spoljnu sredinu.
TCR molekuli većine T limfocita su heterodimeri sačinjeni od TCR
lanaca zvanih α i β koji su vezani disulfidnom vezom. Manjina T
limfocita iskazuje na svojoj ćelijskoj membrani heterodimere koji se
sastoje od TCR lanaca zvanih γ i δ.
Slično membranskom tipu IgH lanaca, TCR lanci takođe na C-
terminalnom kraju imaju transmembranski region koji se sastoji od
20-24 pretežno hidrofobske amino kiseline. Tipičan T limfocit iskazuje
oko 20 000 TCR molekula na svojoj ćelijskoj membrani.
Shematski prikaz strukture TCR
ĆELIJSKA MEMBRANA T LIMFOCTA
S-S
Mesto vezivanja kompleksaMHC-peptid
S
S
S
S
S-S
S
S
S
S
TCR γ
lanac
TCR δ
lanac
Mesto vezivanja kompleksaMHC-peptid
Varijabilni domenS
S
S
S Konstantni domen
Transmembranskidomen
S
S
S
S
TCR α
lanac
S
S
TCR β
lanac
S
S
S
S
TCR predstavlja jedan jedinstveni receptor sa posebnim regionima
kojima se specifično prepoznaju kako determinante na peptidnom
fragmentu, tako i polimorfne determinante na MHC molekulu. Što se
peptidnog fragmenta vezanog u MHC molekulu tiče, posebnim
aminokiselinskim ostacima ostvaruje se njegov kontakt sa TCR, s jedne
strane, i kontakt sa MHC molekulom s druge strane.
Mesto vezivanja antigena u TCR molekulu takođe se formira
interakcijom varijabilnih V domena oba peptidna lanca. Slično kao i
kod Ig, u formiranju specifične konformacije kontaktne površine sa
antigenom neposredno učestvuju CDR regioni oba peptidna lanca.
Molekul TCR poseduje jedno mesto vezivanja antigena.
Shematski prikaz načela prepoznavanjaproteina od strane T ćelija
Prepoznaje polimorfne determinante MHC
Prepoznaje determinantepeptida
TCR α
TCR βMHC β lanac
MHC α lanac
Mesto kontakta sa TCR
Peptid
Mesto kontakta sa MHC
Prepoznaje polimorfne determinante MHC
BCR i TCR
kompleksi
Molekuli BCR i TCR osposobljavaju B odnosno T limfocite da
specifično prepoznaju antigene. Međutim, ovi molekuli nisu u stanju da
stvaraju, niti da sprovode u ćeliju signale koji je podstiču da proliferiše i
diferentuje u efektorsku ćeliju. Stoga aktivacija ćelije zavisi od signala
koje stvaraju i sprovode drugi molekuli fizički povezani u
multipolipeptidne komplekse sa BCR i sa TCR.
BCR kompleks sastoji se od 2 teška (H) i 2 laka (L) lanca spojenih sa
najmanje jednim, a obično sa dva dimera koji su sastavljeni od jednog
Ig-α i jednog Ig-β lanca povezanih disulfidnom vezom. Svojim
ekstracelularnim domenima oba lanca pripadaju Ig supefamiliji.
Shematski prikaz BCR kompleksa
Ig-α
S
S
Ig-β
S
S
SS
SS
SS
SS
S
S
S
S
S
S
SS
SS
SS
S
S
S
S
S
S
SS
S-S S-S
S-S
BCR Ig-α Ig-β
P
S
S
S
SS-SS-S
MEMBRANA B LIMFOCITA
Molekuli povezani sa TCR čine kompleks zvan CD3. Kompleks se
sastoji od pet posebnih polipeptidnih lanaca: γ lanca, δ lanca, ε lanca ,
ζ lanca i η lanca. U CD3 kompleksu prisutan je po jedan γ, δ i dva ε
lanca. 90% TCR molekula imaju homodimer od dva disulfidnom vezom
spojena ζ lanca, dok 10% imaju heterodimer sastavljen od jednog ζ
lanca povezanog disulfidnom vezom sa jednim η lancem. Svojim
ekstracelularnim domenima γ,δ i ε lanci pripadaju Ig supefamiliji.
Iskazivanje TCR i CD3 molekula na membrani T ćelije i njihove funkcije
su međusobno zavisne.
Shematski prikaz TCR kompleksa
CD3 KOMPLEKS
TCR
S
S
S
S
S-S
S
S
S
S
ζ ζ (η)
S-S
ε
S
S
γ
S
S
δ
S
S
ε
S
S
S
S
S
S
S-S
S
S
S
S
TCR
MEMBRANA T ĆELIJE
DNApreuređenje
Bitna je karakteristika svih BCR (Ig) i TCR polipeptidnih lanaca to
da njihovih funkcionalnih gena nema u DNA zametne loze koja se
nasleđuje, kao sto je to slučaj sa drugim proteinima. Funkcionalni
geni za BCR i TCR polipeptidne lance sklapaju se tek naknadno,
tokom razvića limfocita, i to nezavisno u svakom pojedinačnom B
odnosno T limfocitu procesom somatskog DNA preuređenja i
nasumičnom rekombinacijom nasleđenih genskih segmenata.
Stoga svaki pojedinačni diferentovani B odnosno T limfocit, i
njegovo potomstvo koje čini jedan ćelijski klon, poseduje samo
sebi svojstvene funkcionalne gene za BCR(Ig) odnosno TCR
polipeptidne lance. Ovi su geni nastali nasumično, kao na ruletu,
putem jedne od sijaset mogućih rekombinacija genskih
segmenata.
Proces somatskog DNA preuređenja u B i T limfocitima je veoma
važan za imunski sistem s obzirom na to da on na krajnje ekonomičan
način i korišćenjem minimuma informacija zametne loze, nasumičnim
rekombinacijama nefunkcionalnih parčića gena obezbeđuje stvaranje
ogromnog broja funkcionalnih gena neophodnih za stvaranje
najraznolikijih imunskih receptora.
Somatsko DNA preuređenje jedinstveno je za imunski sistem,
odnosno za B i T limfocite u kojima do njega jedino dolazi, i u kojima
jedino preuređeni i rekombinovani funkcionalni geni za BCR(Ig)
odnosno TCR peptidne lance vrše svoj posao. U ostalim ćelijama,
međutim, BCR(Ig) i TCR genski lokusi ostaju u nefunkcionalnoj
konfiguraciji zametne loze.
Dve vrste receptora u imunskom sistemu
RECEPTORI RECEPTORI ČČIJI SE GENI NASLEĐUJUIJI SE GENI NASLEĐUJU((iskazaniiskazani nana makrofagimamakrofagima i NKi NK ććelijamaelijama))
RECEPTORI RECEPTORI ČČIJI GENI NASTAJU SOMATSKIM PREUREĐENJEM DNAIJI GENI NASTAJU SOMATSKIM PREUREĐENJEM DNA((iskazaniiskazani nana B i T B i T ććelijamaelijama))
Mogući funkcionalnigeni
Funkcionalni gen za receptor
nastaje nasumičnom
rekombinacijomgenskih
segmenata
Funkcionalnigen za receptor koji se nasleđuje
InformacijskaRNA
Transkripcija
Polipeptidreceptora
Translacija
Mogući polipeptidireceptora
Translacija
InformacijskaRNA
Transkripcija
Nasleđuju se grupe
nefunkcionalnhgenskih
segmenata
1 2 3
Geni koji kodiraju BCR(Ig) i TCR polipeptidne lance raspoređeni su
u sedam posebnih lokusa : IgH za teške lance, IgLκ i IgLλ za lake
lance, i TCR α,β,γ,δ za TCR lance.
Genomska organizacija svih ovih genskih lokusa u konfiguraciji koja
se nasleđuje je veoma slična. Svaki lokus sadrži više grupa genskih
segmenata koji tek kada se spoje u kontinualni niz stvaraju
funkcionalan gen sposoban da započne i upravlja sintezom polipeptida.
Počev od 5’ kraja DNA lanca, svi lokusi sadrže brojne
varijabilne V genske segmente, zatim grupu spojnih J genskih
segmenata, kao i nekoliko konstantnih C genskih segmenata
prema 3’ kraju. Uz svaki V segment prema 5’ kraju nalazi se L
ekson koji kodira liderski peptid neophodan za vodjenje
nascentnog peptida. Sem toga, IgH lokus i TCRβ lokus sadrže
pored navedenih, i grupe genskih segmenata raznolikosti - D
genskih segmenata.
Genomska organizacija mišijih lokusa TCRβ i IgHμlanaca u konfiguraciji kakva se nasleđuje
3’
3
LOKUS TCR β LANCA
DH (1 - 12) JH (1 - 4)
Cγ2b Cγ2a Cε Cα
L1 VH1 L1000VH1000
5’
GENSKI SEGMENTI
L LiderskiV VarijabilniD RaznolikostiJ Spojni
Dβ1
C Konstantni
Jβ1 (1 - 7)Cβ1
pseudogenski segment*
L1 Vβ1 L50
5’
Vβ50
’
Dβ2 Cβ2
*
Jβ2 (1 - 7)
LOKUS IgH μ LANCA
Cμ Cδ Cγ3 Cγ1
Somatsko preuređenje DNA kojim se tokom razvića limfocita
sklapa funkcionalni gen za BCR ili TCR polipeptidne lance,
odigrava se posredstvom posebne, za određeno mesto na DNA
specifične, rekombinacije nefunkcionalnih V,D,J genskih
segmenata. Rekombinacija se obavlja aktivnošću zajedničkog
tkivno specifičnog enzimskog sistema poznatog pod kolektivnim
nazivom VDJ rekombinaze.
Rekombinacija V,D,J segmenata podrazumeva pre svega
prepoznavanje signalnih evolucijski veoma konzervisanih RS sekvencija
na DNA molekulima koji se spajaju. One se nalaze bočno prema 3’
kraju svakog V segmenta, prema 5’ kraju svakog J segmenta i s obe
strane svakog D genskog segmenta.
RS sekvencije služe kao mesta prepoznavanja za rekombinacijski
sistem, čime se obezbeđuje da se samo odgovarajući genski segmenti
rekombinišu. V segment se prevashodno spaja samo sa J ili sa D
segmentom, ali se gotovo nikad ne spaja sa nekim drugim V
segmentom.
Za V,D,J rekombinaciju od ključnog su značaja evolucijski izrazito
konzervisani aktivacijski geni rekombinaza, RAG-1 i RAG-2 geni (RAG
od engl. recombinase activation gene), koji pod uslovom da su
istovremeno iskazani obezbeđuju generisanje aktivnosti V,D,J
rekombinaza. Eksperimentalno razaranje bilo kog od ova dva gena
dovodi do toga da u genskim lokusima BCR(Ig) ili TCR polipeptidnih
lanaca ne može doći do preuređenja DNA, što je popraćeno zastojem u
razviću limfocita u vrlo ranoj fazi diferencijacije.
Miševi kod kojih je jedan od ova dva gena nefunkcionalan, nemaju
funkcionalnih B i T limfocita i ispoljavaju sindrom teške kombinovane
imunodeficijencije - SCID (engl. severe combined immunodeficiency
syndrom).
Rekombinacija genskih segmenata odigrava se određenim
preciznim redosledom. Na primer, u slucaju IgH lokusa prilikom
sazrevanja B limfocita, prvo se neki od više D genskih segmenata
(recimo treći po redu u grupi D segmenata, segment D3) pomera da
precizno prilegne i da se spoji sa nekim od više J genskih segmenata
(recimo sa drugim po redu u grupi J segmenata, sa segmentom J2).
Sledstveno D3J2 spajanju, neki od velikog broja V genskih segmenata
(recimo prvi u grupi V segmenata, segment V1) spaja se sa D3J2
kompleksom čime nastaje rekombinovani funkcionalni V1D3J2 gen
koji kodira V domen IgH lanca.
Shematski prikaz rekombinacije genskih segmenata u funkcionalni gen
3’
C2J2 (1 -6)
D2C1J1 (1 -6)
D1VnLnV1L1
5’
Prvo preuređenje DNA (spajanje D3 - J2)
Drugo preuređenje DNA (spajanje V1 - D3J2 )
J2 (1 -6)J1
3’5’
4 5 6
L1 V1 Ln Vn D1 C1 D2 C2
5’ 3’
J (1- 4 )D (1 - 12)VnLnV1L1 C αCμ
STVARANJE PRIMARNOGTRANSKRIPTA RNA
Funkcionalni gen koji se transkribuje Funkcionalni gen koji se transkribuje
Informacijska RNA za IgHμ lanac
STVARANJEINFORMACIJSKE RNA
OBRADOM
3’5’
4 5 6
L1 V1 D1J1
C1 D2J2 (1 -6)
C2
5’ 3’L1 V1 D1 J1 C1 D2 J2 (1 -6) C2
4 5 6
AAACμJ2D3V1L1
D - J SPAJANJEPrvo preuređenje DNA (spajanje D1 - J14 )
V - D J SPAJANJEDrugo preuređenje DNA
(spajanje V1 - D1J14)
Obrada RNA
5’ 3’
J2 J3 J4D3V1L1 C αCμ
5’ 3 ’J2 J3 J4D3V1L1 C αCμ
5’ 3’
J2 J3 J4D1VnLnV1L1 C αCμD2 D3
Nasleđena DNA (nefunkcionalni genski segmenti)
Informacijska RNA za TCRβ lanac
AAAC1J14D1V1L1
Nasleđena DNA (nefunkcionalni genski segmenti
Obrada RNA
Pošto se preuređenje DNA obavi, započinje transkripcija.
Prvonastali primarni RNA transkript za IgH μ lanac sadrži prepis kako
spojenih V1D3J2 genskih segmenata, tako i prepis suvišnih J3 i J4
segmenta, kao i verovatno prepis svih C genskih segmenata.
Međutim, sledstvenom obradom RNA stvara se informacijska mRNA u
kojoj su samo prepisi genskih segmenata V1, D3, J2 i Cμ sačuvani i
nalaze se u kontinuitetu, dok su preostali prepisi uklonjeni.
Sinteza TCRβ i IgHμ polipeptidnih lanaca
IgHμ LANAC
CJDVLNH2 COOH
COOH
V D J CNH2
V REGIONC REGIONCDR1 CDR 2 CDR 3
CμJ2D3V1L1AAA
INFORMACIJSKA RNA
TRANSLACIJA RNA U NASCENTNI POLIPEPTID
PROCESOVANJE I GLIKOZILACIJA U ZRELI POLIPEPTID
TCR β LANAC
CJDVLNH2 COOH
C1J14D1V1L1AAA
V D J CNH2 COOH
V REGIONC REGIONCDR1 CDR 2 CDR 3
Translacijom obrađene mRNA konačno se stvara IgH μ polipetidni
lanac. Na sličan način se odigrava i preuređenje DNA u TCR β lokusu u T
limfocitima, koje dovodi do nastanka rekombinovanog VDJ gena koji
kodira Vβ region TCR β lanca.
Posebno treba uočiti da se u slučaju oba polipeptidna lanca VDJ
spojevi nalaze u okviru CDR3, tj. trećeg hipervarijabilnog regiona za koji
se smatra da je izuzetno važan za specifično vezivanje i prepoznavanje
antigena.
Generisanjeraznolikosti
Tokom formiranja funkcionalnih gena za BCR ili TCR polipeptide,
nasumični proces somatskog preuređenja DNA na više načina
učestvuje u generisanju raznolikosti imunskih receptora.
Pre svega, znatan broj V,D,J genskih segmenata koje svaka jedinka
nasleđuje od oca i majke, već sam po sebi omogućuje priličnu
raznolikost imunskih receptora. Međutim, rekombinacijsko spajanje ovih
segmenata tokom somatskog razvića limfocita, znatno uvećava ovu
raznolikost s obzirom na to da je mogući broj različitih V,D,J
kombinacija koje određuju specifičnost receptora, u svakom genskom
lokusu jednak proizvodu broja V,D,J genskih segmenata u datom
lokusu.
Na primer, nasumično rekombinacijsko spajanje V,D,J genskih
segmenata u mišijem IgH lokusu može generisati 1 - 4 x 104 (tj. 250 -
1000 V x 12 D x 4 J) različitih VDJ kombinacija, odnosno toliki broj
različitih V domena IgH lanca.
Međutim, rekombinacija čak i istih V,D,J genskih
segmenata, može proizvesti različite redoslede amino kiselina u
mestu VJ, VD, i DJ spojeva. Do ove raznolikosti u spojevima
dolazi dejstvom dva mehanizma poznatih pod nazivima:
neprecizno DNA preuređenje i diversifikacija N regiona.
Iako je u većini slučajeva spajanje segmenata DNA precizno,
dešava se da dolazi do nepreciznog preuređenja DNA zbog toga sto
različiti broj nukleotida može nestati sa krajeva genskih segmenata
koji se spajaju.
Naziv diversifikacija N regiona se odnosi na proces dodavanja
nukleotida kojih inače nema u genomu, u mesta VJ, VD i DJ
spojeva. Dodavanje se obavlja posredstvom terminalne
deoksinukleotidil trasferaze (TdT) koja na taj način kvalitativno
modifikuje V,D,J spoj.
Raznolikost Ig i TCR molekula zato što su sastavljeni od dva
peptidna lanca, nastaje i usled kombinacijskog sparivanja različitih
parova peptidnih lanaca. Naime, mesto vezivanja antigena kako u
BCR(Ig), tako i u TCR molekulima, formira se kooperativnom
interakcijom V domena dva peptidna lanca. Stoga je razumljivo, na
primer, da se kombinacijskim sparivanjem 104 razlicitih V domena IgH
μ lanaca sa 103 različitih V domena IgLκ lanaca, teorijski može dobiti
107 tj. čak deset miliona različitih mesta vezivanja antigena na Ig
molekulima.
Mogući doprinos različitih diversifikacijskihmehanizama u generisanju raznolikosti BCR i
TCR molekula
TCRα lanac
TCRβ lanac
250 -1000 250
12 0
4 4
1-5 x 104 103
75 25
0 2
50 12
4 x 103 6 x 102
BCR MOLEKUL TCR MOLEKUL
Ig H μ lanac
Ig Lκ lanac
Broj V segmenata
Broj D segmenata
Broj J segmenata
Ukupni potencijaluključujući spojnu
raznolikost
Kombinacijskosparivanje V domena
Rekombinacijskospajanje segmenata
107 106
10 11 1016
Alelskaekskluzija
Heterozigotni organizmi nasleđuju po dve grupe – jednu od oca
a drugu od majke – BCR(Ig) i TCR genskih segmenata pa bi njihovim
somatskim preuređenjem u funkcionalne gene trebalo da pojedinačni B
i T limfociti iskazuju imunske receptore specifične za više različitih
antigena. Međutim, pojedinačni B ili T limfociti iskazuju monospecifićne
receptore za samo jedan antigen.
Genski mehanizmi kojima se ostvaruje ovo za normalno
funkcionisanje imunskog sistema veoma važno iskazivanje
monospecifičnih BCR i TCR receptora podrazumevaju alelsku ekskluziju
i ekskluziju Ig L izotipa.
Oba mehanizma su specifična za imunski sistem i događaju se
isključivo u slučaju gena koji kodiraju BCR(Ig) i TCR polipeptidne lance.
Alelska ekskluzija obezbeđuje da se u svakom pojedinačnom B
limfocitu prilikom razvića preuređuju genski segmenti samo u jednom
od dva nasleđena IgH, odnosno samo u jednom od dva nasleđena IgLκ
ili IgLλ genska lokusa. Uporedo, ekskluzija Ig L izotipa blokira
istovremeno preuređenje oba IgLκ i IgLλ lokusa, već dozvoljava samo
jedno. Slično tome, alelska ekskluzija obezbeđuje da se u svakom
pojedinačnom T limfocitu tokom razvića preuređuje i iskazuje samo
jedan od dva nasleđena TCR α, odnosno samo jedan od dva nasleđena
TCR β lokusa.
MHC
Molekuli MHC su u početku otkriveni i opisani kao veoma
polimorfni molekuli ćelijskih membrana koji su odgovorni za imunsko
odbacivanje transplantiranih organa i tkiva kod jedinki iste životinjske
vrste. Stoga su nazvani alotransplantacijski antigeni.
Docnije, međutim, utvrđeno je da im glavna uloga nije u ometanju
uspešnog rada transplantacijskih hirurga, već da su MHC molekuli
neophodni za prepoznavanje proteinskih antigena od strane T limfocita.
Bez njihove pomoći T limfociti jednostavno ne mogu da “vide”
proteinske molekule i stoga je imunski odgovor na većinu proteina
uslovljen i kontrolisan MHC molekulima.
Glavna funkcija MHC molekula je da usmere T limfocite na one
ćelije u organizmu koje prikazuju proteinske antigene na svojoj
ćelijskoj membrani u vidu peptidnih fragmenata vezanih za njih kao
kompleks MHC-peptid.
Ovo jedinstveno svojstvo T limfocita biološki je veoma važno zato
što omogućuje precizno usmeravanje aktivisanih T limfocita na mesto
gde se prepoznavanje odigralo. Kao što je, na primer, usmeravanje
citotoksičkog TC limfocita direktno na ćeliju inficiranu virusom koju
selektivno treba da ubije ostavljajući ostale neinficirane ćelije na miru.
Iskazivanje MHC molekula na ćelijskoj membrani je različito za
MHC molekule klase I ili klase II.
Kod ljudi praktično sve ćelije sa jedrom, uključujući i trombocite,
normalno iskazuju na svojoj membrani MHC molekule klase I. To je i
biološki potpuno razumljivo s obzirom na to da mnoge vrste ćelija
mogu biti inficirane virusima što treba signalisati citotoksičkim TC
limfocitima zaduženim da inficirane ćelije eliminišu.
Za razliku od MHC molekula klase I, MHC molekule klase II
normalno iskazuju samo ćelije koje imaju posebnu ulogu u imunskom
sistemu da prikazuju proteinske antigene pomoćničkim TH limfocitima,
a to su APC (od engl. Antigen Presenting Cells) tj. ćelije koje prikazuju
antigen.
Količina iskazanih MHC molekula bitno utiče na odgovor T
limfocita. Tako na primer, virusom inficirane ćelije u kojima ju virus
poremetio sintezu i/ili membransko iskazivanje MHC molekula klase I,
postaju teško prepoznatljive za specifične antivirusne citotoksičke TC
limfocite, i ovi ih stoga ne mogu pronaći niti uništiti. Faktori koji
indukuju ili stimulišu sintezu i membransko iskazivanje MHC molekula
igraju važnu ulogu u kontroli i regulaciji imunskog odgovora. Među
njima najvažniji je citokin gama-interferon (IFNγ). IFNγ povećava
iskazivanje MHC molekula klase I u gotovo svim ćelijama.
MHC geni takođe određuju potencionalnu sposobnost imunskog
sistema da prepozna i odgovori na neki određeni protein. Oni to čine
preko uloge koju MHC molekuli igraju u oblikovanju receptorskog
repertoara T limfocita procesom pozitivne selekcije prilikom sazrevanja
T limfocita u timusu. Na taj način MHC geni kontrolišu imunsku
reaktivnost neke jedinke na proteinske antigene, i u tom smislu oni
funkcionišu kao geni imunskog odgovora.
Geni koji kodiraju MHC molekule klase I i klase II smešteni su u
sklopu glavnog kompleksa gena histokompatibilnosti zvanog MHC
(od engl. Major Histocompatibility Complex), koji se kod čoveka
naziva HLA (od engl. Human Leukocyte Antigen) kompleksom. Bitna
im je karakteristika da su izuzetno polimorfni što podrazumeva da u
populaciji neke životinjske vrste postoji izuzetno velik broj, čak
stotinu i više, alela, odnosno alternativnih oblika istog gena, kao i da
je učestalost svakog alela u nekoj populaciji relativno velika.
Jedinka može imati isti alel na MHC genskim lokusima oba
hromozoma, kada se za nju kaže da je homozigotna, ili može imati
različite alele na svakom od hromozoma kada je heterozigotna.
Većina ljudi, naravno, su heterozigoti, a samo su jednojajni blizanci
homozigoti.
Izuzetna polimorfnost MHC molekula klase I i klase II nađena je u
svim životinjskim vrstama koje su u tom cilju ispitivane. Smatra se da
je polimorfnost nastala evolucijom, i da se održava u svakoj vrsti
prirodnom selekcijom s ciljem da jedinke date vrste kao celina mogu na
svojim ćelijama iskazivati veliki broj različitih MHC molekula sposobnih
da vežu mnoge različite peptidne fragmente. Na taj se način bitno
smanjuje opasnost da mutacijama mikroba nastanu mikrobski peptidi
koji se neće moći vezati za MHC molekule prisutne u genomu neke
životinjske vrste.
MHC molekul klase I sastoji se od dva posebna nekovalentno
spojena polipeptidna lanca. Jedan od njih je transmembranski α lanac
klase I kodiran polimorfnim MHC genima klase I, dok je drugi mali
ekstracelularni protein zvan β2-mikroglobulin koji kodira nepolimorfni
gen koji nije u MHC kompleksu.
U HLA kompleksu čoveka, postoje tri genska lokusa zvana HLA-A,
HLA-B i HLA-C. U njima su smešteni MHC geni klase I koji kodiraju tri
tipa α lanaca klase I.
Svaki tip α lanca poseduje tri ekstracelularna domena nazvanih α1,
α2 i α3. Domeni α1 i α2 čine N-terminalni ekstracelularni region koji
formira udolinu za vezivanje peptidnog fragmenta. Domen α3
homologan je Ig domenu, slično kao i β2-mikroglobulin.
Shematski prikaz MHC molekula klase I
ĆELIJSKA MEMBRANA
α1 domen
Udolina zavezivanjepeptida
α lanac
α2 domen
Vezanipeptid
α3 domenβ2 mikroglobulinS
S
S
S
S
SIg domen
Transmembranski domen
MHC molekul klase II je heterodimer koji se sastoji od dva
nekovalentno spojena transmembranska polipeptidna lanca, od α i β
lanaca klase II. Lanci su kodirani polimorfnim MHC genima klase II.
U HLA kompleksu čoveka postoje nekoliko MHC lokusa klase II, od
kojih su najvažniji lokusi HLA-DP, HLA-DQ i HLA-DR. Svaki lokus sadrži
polimorfne gene koji kodiraju najmanje jedan α lanac i najmanje jedan
β lanac.
Lanci poseduju po dva ekstracelularna domena: Ig domenu
homologne domene zvane α2 i β2, kao i N-terminalne α1 i β1 domene
koji formiraju udolinu za vezivanje peptidnog fragmenta.
Shematski prikaz MHC molekula klase II
α1 domen β1 domen
β lanac
Vezani peptid
α2 domen β2 domenS
S
S
S
ĆELIJSKA MEMBRANA
S
SIg domen
Transmembranski domen
Udolina zavezivanjepeptida
α lanac
Interakcijom α1 i α2 domena α lanca klase I oblikuje se udolina za
vezivanje peptida na MHC molekulu klase I. Udolina ima dno i bočne
zidove. Dno formiraju osam antiparalelnih niti β-nabrane ploce, a bočne
zidove čine dve paralelne α-spirale. Četiri niti β-nabrane ploče i jedna od
α-spirala sastoje se od amino kiselina α1 domena, dok se preostale četiri
niti β-nabrane ploče i druga α-spirala sastoje od amino kiseline α2
domena. Udolina je zatvorena na oba svoja kraja što, kao i njena
veličina, uslovljava da se preferencijalno vezuju peptidi veličine od 8 - 12
amino kiselina.
Shematski prikaz udoline za vezivanjepeptida MHC molekula klase I
α2
C
α1Ν
N N-terminalni kraj lanca
β-ploča
C C-terminalni kraj lanca
α spiralaα spirala
peptid
Polimorfne amino kiseline u MHC molekulu klase I, tj. one
varijabilne amino kiseline na osnovu kojih se razlikuje jedan alelski oblik
α lanca od drugih, odgovorne su kako za razlike u sposobnosti različitih
alelskih oblika MHC molekula klase I da vezuju različite peptide, tako i
za specifičnost kojom se TCR T limfocita vezuje za MHC molekul.
Zbog toga se gotovo sve polimorfne amino kiseline α lanca nalaze u
udolini i prostorno su tako orijentisane da su im bočni lanci usmereni
kako prema unutrašnjosti udoline gde se peptid vezuje, tako i prema
vrhu α-spirala da budu dostupni TCR receptoru. Peptidni fragment koji
leži u udolini u molekulskom kontaktu sa dnom i bočnim zidovima ima
posebne amino kiseline za kontakt sa MHC molekulom, a takođe i
posebne amino kiseline koji strče iz udoline za specifično vezivanje za
TCR.
Isti MHC molekul klase I sposoban je da veže mnoštvo peptida
različitog aminokiselinskog redosleda. Međutim, različiti “specifični
džepovi” duž udoline obezbeđuju da svaka alelska forma MHC molekula
vezuje i prikazuje sebi svojstvenu grupu peptida. Na taj način, različiti
tipovi MHC molekula klase I u nekoj jedinki mogu vezivati i prikazivati
širok spektar stranih peptida T limfocitima, iako to oni verovatno čine
na različit način u svakoj pojedinačnoj jedinki.
Vezivanje peptidnog fragmenta za MHC molekul se značajno
stabilizuje interakcijom T limfocita specifičnog za peptid i kompleksa
MHC-peptidni fragment. Ova stabilizacija time što sprečava recikliranje
kompleksa je važna prilikom aktivacije T limfocita.
Udolinu za vezivanje peptidnog fragmenta u MHC molekulu klase II
oblikuju svojom interakcijom α1 i β1 domeni α i β lanaca klase II. Ona
je kako strukturno tako i funkcionalno veoma slična udolini MHC
molekula klase I. Ima dno sačinjeno od antiparalelnih niti β-nabrane
ploče i bočne zidove koje čine α-spirale. Četiri niti β-nabrane ploče i
jednu α-spiralu formira α1 domen, a preostale četiri niti β-nabrane
ploče i drugu α-spiralu formira β1 domen. Polimorfne amino kiseline α i
β lanaca klase II koncentrisani su u regionu koji vezuje peptid i
pretežno oblažu udolinu.
MHC molekuli ne prave razliku između peptidnih fragmenata
poreklom od stranih ili od sopstvenih proteina, već ih na podjednak način
vezuju. Sopstveni peptidni fragmenti vezani za sopstvene MHC molekule
su od ključnog značaja prilikom pozitivne i negativne selekcije u timusu u
toku sazrevanja T limfocita.