Systém HLA a prezentace antigenu Ústav imunologie UK 2.LF a FN Motol

Nobelova cena za fyziologii a medicínu 20137.října 2013

 2010 Nature Education Membrane transport into and out of the cell

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

4.5 3.5 procaryota, bakterie 1.5 eukaryota 0.5 mnohobuněčné org.

miliardy let

Evoluce imunity ve vývoji druhů

procaryota 

restrikční endonukleázy zničí cizí DNAvlastní DNA je chráněna metylací enzymů

obratlovci lymfatické tkánědisperzní - ryby a obojživelnícilymfatické orgány - savcihistokompatibilní komplex

imunoglobuliny a buňky imunitního systému

bezobratlí

mechanismy rozpoznání vlastních strukturhojení ran, adhes, agregace buněk, fagocytózaantimikrobiální látky, lektiny, lysozym

HLA - MHC• HLA molekuly jsou zodpovědné za histokompatibilitu -

slučitelnost tkání• kombinace HLA molekul je unikátní u každého jedince• jediný příklad shody HLA molekul představují jednova-

ječná 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 1, 2 a 3. 1, 2 domény jsou polymorfní částí HLA molekuly I. třídy tyto domény mají uspořádání, které umožňuje vazbu antigenního peptidu těžký řetězec je nekovalentně spojen s 2mikroglobulinem, nepolymorfním

řetezcem HLA molekuly I. třídy třetí součástí HLA molekuly je peptid, vázající se do vazebného místa

tvořeného 1a 2 doménou

struktura HLA molekul I. třídy

• HLA molekuly I. třídy se skládají z těžkého a řetezce -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, 2 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 a 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

• mezi HLA III.třídy patří složky komplementu, TNF, HSP a další• HLA DR je polymorfní pouze beta řetězec

HLA oblast

D HLA III.třídy B C E A G F

DP DQ DR

chromozom 6

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

A

B

B

C

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 nomenklatura

HLA AllelesAssigned July 2012There are currently 8159 HLA alleles described by the HLA nomenclature and included in the IMGT/HLA Database.

HLA nomenklatura

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.

Imunitní systém

BTCD4

plasm.b.

TCD8

obecné obranné mechanismy

vrozená imunita získaná imunita

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

• Povaha imunitní odpovědi je určována druhem prezentovaného antigenu.

– prezentace exogenního antigenu

HLA II.třídyantigenTCR

CD4

T lymfocyt

APClysozom

ER, Golgi

Antigen prezentující buňky a T lymfocyty

• K iniciaci imunitní odpovědi je nutné rozpoznání antigenu T lymfocyty

• Povaha imunitní odpovědi je určována druhem prezentovaného antigenu.

– prezentace endogenního antigenu

HLA I.třídyantigenTCR

CD8

T lymfocyt

APCER, Golgi

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

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– 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

– antigen je vložen do vazebného místa HLA molekuly II. třídy

– komplex HLA a antigenu putuje na povrch buňky

– komplex HLA-antigen je v této souvislosti rozpoznán CD4 pozitivním lymfocytem

CD4+

APC

ER

Golgi

endozom

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, 2 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 řetězce 2mikroglobulinu

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. – 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

• .

proteazom

TAP

Cesty zpracování antigenu

exogenní antigeny, HLA II.třídyendogenní antigeny, HLA I.třídy

Cross-presentation

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.

CD4

T lymfocyt

B 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

CD4

T lymfocyt

B lymfocyt

plasmatická buňka

cytokiny

CD3

iontové kanály

signální cesty

fosforylace proteinů

proteinkinázy

APC

T lymfocyt

Signální cesty, aktivace buněk

Souhrn-cesty prezentace antigenu

CD4

T lymfocyt

B lymfocytHLA I.třídyantigenTCR

CD8

T lymfocyt

APCER, Golgi

HLA II.třídyantigenTCR

CD4

T lymfocyt

APClysozom

ER, Golgi

HLA II.třídyantigen

TCR

endogenní exogenní B lymfocytydestrukce buňky rozvoj imunitní odpovědi sekrece protilátek

Antigenní prezentace a T lymfocyty

Polarizace T lymfocytů

Polarizace T lymfocytů

Prezentace antigenu a transplantace

Prezentace antigenu a infekce

Prezentace antigenu a autoimunita

Prezentace antigenu a nádory

Prezentace antigenu a vakcíny

Prezentace antigenu - souhrn

Prezentace antigenu - souhrn

defective ribosomal products (DRiPs) mature proteins (retirees) ER aminopeptidases (ERAP) Peptides that fail to bind to MHC class I molecules are removed by the translocon SEC61 and enter the cytoplasm

Making sense of mass destruction: quantitating MHC class I antigen presentationJonathan W. Yewdell, Eric Reits & Jacques NeefjesNature Reviews Immunology 3, 952-961 (December 2003)

Prezentace antigenu - souhrn

Prezentace antigenu v obraně organismu

Antigen prezentující buňka a lymfocyt

Antigen prezentující buňka a lymfocyt