Struktura a funkce

imunitního systému

Igor Hochel

část II

Hlavní histokompatibilní komplex

imunologicky významná oblast genomu obratlovců

funkce: presentace antigenu specifickému receptoru T lymfocytů – TCR rozpoznává antigeny vázané v komplexu s polymorfními MHC glykoproteiny, nebo nepolymorfními molekulami CD1

MHC gp I

výskyt: na povrchu všech jaderných buněk

funkce: presentace endogenního antigenu produkované buňkou (virové antigeny)

isotypy klasických MHC gp Ia: HLA-A, HLA-B, HLA-C

isotypy neklasických MHC gp Ib: HLA-E, HLA-F, HLA-G

CD1 (presentace lipidových molekul)

MHC gp II

výskyt: na povrchu APC (dendritické buňky, monocyty/makrofágy, B lymfocyty)

funkce: presentace pohlceného antigenu

isotypy: DR, DQ, DP

Struktura MHC gp I

Struktura MHC gp I a MHC gp II

S

S

S

S

S

S

S

S

S

S

S

S

S

S

S

S

MHC gp I MHC gp II

α2

α1

α3

β2 mikroglobulin

α1

α2 β2

β1

α β

Vazba peptidů na vazebná místa MHC gp I a II

Hořejší V., Bartůňková J. (2009): Základy imunologie, 4. vydání, Triton Praha, 75.

Biosynthesa komplexů MHC gp I

Hořejší V., Bartůňková J. (2009): Základy imunologie, 4. vydání, Triton Praha, 77.

Biosynthesa komplexů MHC gp II

Hořejší V., Bartůňková J. (2009): Základy imunologie, 4. vydání, Triton Praha, 78.

Lidský genový komplex MHC

B

C

(X)

E

A

N

G

F

NO

TC

H3

CY

P21B

C4B

C4A

CY

P21A

BF

C2

HS

P70

LT

B

LT

A

TN

F

DP

B2

DP

A2

DP

B1

DP

A1

DN

A

DM

A

DM

B

L8M

2

TA

P1

Rin

g9

LM

P7

TA

P2

DO

B

DQ

B2

DQ

A2

DQ

B1

DQ

A1

DR

B1

DR

B2

DR

B3

DR

A1

DP DN DM DO DQ DR

telomera

centromera

lidský chromosom 6

Struktura BCR

S

S

S

S

DC79αβ

S

S

S

S

S

S

S

S

S

S

S

S

S

S

S

S

S S

S S S S

Struktura TCR

S

S

S

S

S

S

S

S

TCR

α β

S

S

S

S

γ ε

S

S

S

S

δ ε ζ ζ

CD3

S S

Struktura imunoglobulinu

CH4

CH3

CH2

Isotypy imunoglobulinů

IgG1 IgG2 IgG3 IgD, IgE

dimer IgA

IgG4

pentamer IgM

Fyzikálně-chemické vlastnosti lidských

imunoglobulinů

vlastnost typy a subtypy imunoglobulinů

IgG1 IgG2 IgG3 IgG4 IgM IgA1 IgA2 sIgA IgD IgE

těžký řetězec γ1 γ2 γ3 γ4 μ α1 α2 α1/α2 δ ε

konc. v seru (mg·ml-1) 9 3 1 0,5 1,5 3,0 0,5 0,05 0,03 5·10-5

sedimentační konstanta 7s 7s 7s 7s 19s 7s 7s 11s 7s 8s

mol. hmotnost (·103) 146 146 170 146 970 160 160 385 184 188

biol. poločas (dny) 21 20 7 21 10 6 6 7 3 2

karbohydráty (%) 45 45 45 45 80 42 42 ? 75 50

fixace komplementu ++ + +++ - +++ - - - - -

průchod placentou + + + + - - - - - -

vazba na protein A +++ +++ - +++ - - - - - -

vazba na protein G +++ +++ +++ +++ - - - - - -

sIgA - dimerní forma IgA

Povaha interakcí antigenu s protilátkou

nekovalentní krátkodosažné vazebné síly:

vodíkové vazby

elektrostatické interakce

van der Waalsovy síly

hydrofobní interakce

komplementarita epitopu a vazebného místa protilátky

asociační konstanta Kas = k1/k2= [Ab][Ag]/[Ab-Ag] (106-1010 lmol-1)

afinita

avidita

Organisace lidských genů kódujících Ig řetězce

V1 V2 V3 Vn-1 Vn Vn-2 D1 D2… Dn J1 J2…. J9 Cμ Cδ Cγ1 Cγ3 ψε Cα1 ψγ Cγ2 Cγ4 Cα2 Cε

~100 VH ~50 D

V1 V2 V3 Vn-1 Vn Vn-2 J1 J2…. J5 Cκ

~70 Vκ

V1 V2 V3 Vn-1 Vn Vn-2 J1 Cλ1 J2 Cλ2 J3 Cλ3

~30 Vλ 9 párů J-Vλ (4 funkční)

IgH (lidský chromosom 14)

Igκ (lidský chromosom 2)

Igλ (lidský chromosom 22)

Přeskupování genů pro těžké Ig řetězce

V2D3J3 J9 Cμ Cδ

V2D3J3Cμ V2D3J3Cδ

V1 V2 V3 Vn-1 Vn-2 Vn J9

Cμ Cδ D1 D3 D2 J3

V1 V2 V3 Vn-1 Vn-2 Vn D1 D2 D3 D4…Dn J1 J2 J9 J3 J4 Cμ Cδ

zárodečná konfigurace

po DJ-přeskupení

po VDJ-přeskupení

V2D3J3 J9 Cμ Cδ

primární transkript RNA

dvě možné RNA

po alternativním sestřihu

Struktura pre-BCR

Hořejší V., Bartůňková J. (2009): Základy imunologie, 4. vydání, Triton Praha, 129.

Isotypový přesmyk

V2D3J1 J5 Cμ Cδ Cα2 Cε

Cα2 Cε V2D3J1 J5

Cμ

Cδ

Cγ3

V2D3J1 J5 Cα2 Cε

V2D3J1Cε

Cytokiny regulující isotypový přesmyk

Isotyp protilátky cytokin

IgA IL-5, TGF-β

IgG1 IL-4

IgG2a INF-γ

IgG3 INF-γ

IgG4 IL-13

IgE IL-4

Diferenciace B lymfocytů

M B

B

B

B

B

kmenová buňka

progenitorová

B buňka

prekursorová

B buňka pre BCR

IgM nezralý B lymfocyt

negativní

selekce

somatická hypermutace

bez antigenu

apoptosa

antigen

sekundární

lymfatický

orgán

kostní

dřeň

paměťová

B buňka

plasmatická

buňka

Organisace lidských genů kódujících řetězce TCR

Vα1 Vα2 Vαn Vδ1 Vδ2 Vδn D1 D2 D3 Jδ1 Jδ2 Jδ3 Cδ Jα1 Jα2 Jαn Cα

Vβ1 Vβ2 Vβn Dβ1 Jβ1.1 Jβ1.7 Cβ1 Dβ2 Jβ2.1 Jβ2.7 Cβ2

Vγ1 Vγ2 Vγn Jγ1 Cγ1 Jγ2 Cγ2

TCR-δ komplex

10 – 20 Vδ ~59 Vα (16 rodin)

~70 Vβ (15 rodin)

12 Vγ

TCR-α/δ

(lidský chromosom 14)

TCR-β

(lidský chromosom 7)

TCR-γ

(lidský chromosom 7)

Diferenciace T lymfocytů v thymu

T

T

T

T T

pro-T

pre-T

CD4+ CD8+

CD4+ CD8+

apoptosa buněk

s neproduktivním

přeskupením

β řetězce

apoptosa buněk

s neproduktivním

přeskupením

α řetězce

positivní selekce

(vazba MHC)

negativní selekce

autoreaktivních

klonů

CD4+ CD8+

thymus

Klasifikace T lymfocytů

TCR αβ – většinová populace; vývoj probíhá v thymu; TCR rozeznává komplexy antigenu s MHC gp

cytotoxické T lymfocyty (Tc) – koreceptor CD8 pro MHC gp I; produkce cytokinů; regulační funkce

pomocné T lymfocyty (Th) – koreceptor CD4 pro MHC gp II

Th1 – produkce cytokinů IL-2, INF-γ

Th2 – produkce cytokinů IL-4, IL-5, IL-6 a IL-10

Th0 – produkce směsi obou typů cytokinů

Tr1 – produkce THF-β

Th17 – produkce prozánětlivého cytokinu IL-17

intraepiteální T lymfocyty – výskyt v kůži a sliznicích; regulace slizniční imunity

NK-T lymfocyty – disponují stimulačními a inhibičními receptory jako NK buňky; producenti cytokinů (IL-4, INF-γ); regulační funkce

TCR γδ – minoritní populace; vývoj probíhá mino thymus; TCR rozpoznává povrchové a rozpustné antigeny, které nejsou vázány v komplexu s MHC gp (aminy); funkce – ochrana proti specifickým druhům pathogenů (mykobakterie)

Diferenciace Th1 a aktivace makrofágů

Th1

Th1

Th1

Th1

prekurzor Th

infikovaný makrofág

aktivovaný makrofág

klon zralých Th1

CD4

TCR

LFA-1

IFN-R

MHC

ICAM

CD80

CD4

TCR

CD28

LFA-1

IL-12

sekrece

IFN-γ

intracelulární

parazit

ve vakuolách

eliminace

intracelulárních

parazitů

sekrece cytokinů

a antibakteriálních látek

Diferenciace Th2 a stimulace B lymfocytů

pohlcení

a zpracování

antigenu

MHC

CD4 TCR

Th2

B Th2

Th2

B

APC (dendritická buňka)

klon zralých Th2

B lymfocyt

M

plazmatické

a paměťové

B lymfocyty

CD4

TCR

LFA-1

CD40L

CD80

ICAM antigen

(bakterie)

antigen

(bakterie)

proliferace

a diferenciace

IL-4

IL-4, IL-5,..

IL-4, IL-5,..

LFA-1

prekurzor Th

Regulační mechanismus diferenciace Th1 a Th2

buněk

B

NK

B

INF-γ

IL-12

INF-γ

IL-4, IL-10

Th1 Th2

IL-4

IL-4

IL-4, IL-5,

IL-6

B lymfocyt

plasmatická

buňka

NK buňka

basofil

prekurzor Th

makrofág

T T

Imunologické reakce založené na Tc lymfocytech

cytotoxické T lymfocyty rozpoznávají buňky infikované viry nebo jinými intracelulárními parazity a ničí je mechanismy založené na těsném kontaktu atakované buňky a Tc lymfocytu, popř. na účinku sekretovaných produktů

aktivace APC – dendritické buňky, makrofágy (lymfatické uzliny)

cytotoxické mechanismy:

degranulace Tc – uvolnění granzymů, perforinu (podobný proteinu C9) a prekursory kaspas → spuštění kaskády reakcí, které vedou k apoptose cílové buňky

vazba ligandu FasL (na povrchu Tc) a Fas receptoru na cílové buňce → apoptosa

sekrece cytotoxického cytokinu lymfokinu (LT, TNF-β)

Cytotoxické mechanismy Tc lymfocytů

Hořejší V., Bartůňková J. (2009): Základy imunologie, 4. vydání, Triton Praha, 149.

Aktivace T lymfocytů superantigeny

Hořejší V., Bartůňková J. (2009): Základy imunologie, 4. vydání, Triton Praha, 151.

NK buňky

NK buňky (z angl. natural killer) jsou velké granulární lymfocyty, které postrádají antigenně specifické receptory

diferencují z lymfoidního prekursoru

bez předchozí aktivace zabíjejí nádorové a viry infikované buňky

výskyt:

periferní krev, slezina, játra, plíce, děloha

biologická funkce:

eliminace intracelulárních pathogenů (viry, metastázy)

regulace krvetvorby a růstu jater

NK buňky

receptory:

stimulační – rozpoznávají struktury na povrchu různých buněk

FcγRIII (CD16) → spouští kaskádu signálů, která vede k degranulaci a uvolnění obsahu granul (cytotoxická reakce závislá na protilátkách ADCC z angl. antibody-dependent cellular cytotoxicity)

inhibiční – rozpoznávají MHC gp I → spouští kaskádu signálů, které inhibují cytotoxickou reakci

jsou asociovány s fosfatasami

KIR – inhibiční receptory imunoglobulinové skupiny (pouze člověk)

receptory C-lektinové skupiny (CD94/NKG2A)

další receptory a povrchové proteiny:

IL-2R, CD2, CD7, (společné s T lymfocyty, chybí TCR a CD3), myeloidní markery (CR3)

aktivace: IL-2, IL-12, INF-α, INF-β

produkce:

INF-γ, M-CSF, IL-3

granzymy a perforin (granuly)

NK buňka

cílová buňka

Imunitní reakce založené na protilátkách

jsou založeny na rozpoznání antigenu specifickým receptorem B lymfocytů (BCR)

za vhodných podmínek (spolupráce s Th lymfocyty) stimulované B lymfocyty proliferují a diferencují se na plasmatické a paměťové buňky (tj. vznikají klony dceřiných buněk s identickou, nebo podobou specifitou)

T-dependentní antigeny – vyvolávají protilátkovou odpověď závislou na spolupráci Th buněk s B lymfocyty

T-independentní antigeny – vyvolávají diferenciaci B lymfocytů a produkci protgilátek i bez spolupráce Th buněk

Protilátková reakce vyvolaná T-independentními

antigeny

tvorba nízkoafinitních protilátek třídy IgM

nevznikají paměťové B lymfocyty

rozdělelní T- nezávislých antigenů podle způsobu aktivace B lymfocytů

TI-1 antigeny – LPS; ve vyšších koncentracích obsazuje receptor B lymfocytů pro LPS → stimulace velkého počtu B buněk a produkce protilátek nezávisle na jejich antigenní specifitě

TI-2 antigeny – polymery (polysacharidy, flagelin); reagují simultánně s velkým počtem BCR a intezivně je shlukují → vznik dostatečně velkých signálů a diferenciace B lymfocytů bez pomoci Th. Takto jsou aktivovány pouze zralé B lymfocyty, nezralé jsou působením T2 antigeny anergisovány (kojenci)

Protilátková reakce vyvolaná T-dependentními

antigeny

dvoufázové reakce – primární a sekundární odpověď

vznik paměťových buněk

vznik vysoce afinitních protilátek

Primární fáze protilátkové reakce

MHC

CD4 TCR

Th2

B Th2

Th2

B

APC (dendritická buňka)

klon zralých Th2

B lymfocyt

M

plazmatické

a paměťové

B lymfocyty

CD4

TCR

LFA-1

CD40L

CD80

ICAM antigen

(bakterie)

antigen

(bakterie)

proliferace

a diferenciace

IL-4

IL-4, IL-5,..

IL-4, IL-5,..

LFA-1

prekurzor Th

Primární fáze protilátkové reakce

protilátky produkované během 3 – 4 dnů od primární infekce první vlnou plasmatocytů jsou nízkoafinitní IgM

IgM blokují šíření infekce

imunokomplexy jsou zachycovány v sekundárních lymfatických orgánech folikulárními dendritickými buňkami (FDC)

dlouhodobě skladované antigeny na povrchu FDC jsou rozpoznávány B lymfocyty, které vznikly klonální expansí B buněk stimulovaných primárním kontaktem s antigenem

primární odpověď je málo intensivní a pomalá

Sekundární fáze protilátkové reakce

paměťové buňky přežívají převážně v lymfatických

uzlinách a vlivem antigenu presentovaného na povrchu

FDC dále vyzrávají

zvyšuje se afinita vazebného místa BCR – afinitní

maturace

rozšiřuje se repertoár isotypů protilátek – isotypový

přesmyk

sekundární odpověď je intensivní a rychlá

Efektorové mechanismy protilátek

neutralisace – blokování kritických epitopů nutných pro aktivitu toxinů, resp. nutných pro adhezi a pronikání virů a mikroorganismů do buněk

opsonisace – usnadnění fagocytosy, aktivace destrukčních mechanismů fagocytů, cytotoxická reakce závislá na protilátkách (NK buňky)

aktivace komplementu – opsonisace antigenu, chemotaxe, rozvoj zánětlivé reakce, destrukce citlivých buněk (komplement není aktivován IgG4 a IgA)

indukce apoptosy