Глава 12

ГЛАВНЫЙ КОМПЛЕКС ГИСТОСОВМЕСТИМОСТИ: СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ

Учение о главном комплексе гистосовместимости (ГКГ) является стержневым в фундаментальной и прикладной иммунологии. Выше уже неоднократно упоминалось о молекулах ГКГ, в частности, при описании особенностей презентации чужеродного материала для рас­познавания Т-лимфоцитам при развитии иммунного ответа. Роль мо­лекул ГКГ чрезвычайно важна. Набор этих молекул для каждого человека абсолютно специфичен, они делают нас индивидуальными во многих отношениях, вплоть до поведенческих реакций.

Первые работы, свидетельствующие о том, что у млекопитающих существуют гены, детерминирующие выраженность трансплантаци­онной реакции отторжения, появились более 40 лет тому назад, с на­чалом активной пересадки органов. Впоследствии эта группа генов получила название "главный комплекс гистосовместимости" (Major Histocompatibility Complex — МНС). Самим названием была подчер­кнута их определяющая роль в развитии трансплантационного им­мунитета. У человека этот комплекс генов получил название систе­мы HLA (Human Leukocyte Antigen). Таким образом, аббревиатуры ГКГ, МНС и HLA для человека являются синонимами обозначения главного комплекса гистосовместимости.

128

Действительно, до недавнего времени изучение проблем, связан­ных с антигенами системы HLA (трансплантационными, или ткане­выми, антигенами), диктовалось в основном их очевидным практи­ческим значением в пересадке органов, прежде всего — в пересадке почки. Первичная биологическая функция трансплантационных ан­тигенов была неизвестна. Однако достижения последних лет в иссле­довании генетической структуры и биологической роли ГКГ позво­лили определить, по крайней мере, две основные его функции, кото­рые имеют общебиологическое значение. К ним относятся: 1) роль трансплантационных антигенов в межклеточных взаимодействиях при реализации иммунного ответа; 2) функция HLA-региона, связан­ная с иммунологической реактивностью организма в целом. В первом случае речь идет о том, что молекулы ГКГ являются теми структура­ми, с помощью которых осуществляется презентация чужеродного ан­тигенного материала для последующего распознавания Т-клеточным антигенраспознающим рецептором. Во втором случае речь идет о су­ществовании в HLA-регионе специального гена иммунного ответа (Ir— immune response), наличие которого определяет способность данного организма развивать иммунный ответ на конкретный ан­тиген; эта же функция HLA-региона связана с предрасположеннос­тью к ряду заболеваний.

Началом изучения антигенов гистосовместимости человека мож­но считать работу G. Dausset (1957), в которой был описан первый ан­тиген гистосовместимости человека, названный Мае (сейчас это HLA-A2).

Некоторые исследователи называют антигены ГКГ "иммунным паспортом, группой белой крови", с помощью которых иммунная си­стема способна различать "свое" — self от "чужого" — non-self. Индиви­дуальный набор и свойства молекул ГКГ во многом определяют силу иммунного ответа конкретного человека на конкретный антиген.

Отметив, что клетки гомозиготных близнецов реагируют с на­бором тест-сывороток одинаково, а гетерозиготных — по разному, G. Dausset высказал подтвердившееся впоследствии предположение о генетической детерминированности антигенов гистосовместимос­ти: т. е. о том, что каждый из генов, входящих в HLA-комплекс, име­ет свое представительство в виде антигена гистосовместимости, экс-прессируемого на мембране клетки.

В настоящее время ГКГ (HLA) человека является одним из наибо­лее хорошо изученных и вместе с тем наиболее сложных генетических структур в геноме человека.

Обозначение HLA-специфичностей включает три компонента: 1) аббревиатуру всей системы; 2) локус, содержащий данную специ-

129

5-5188

фичность; 3) номер антигена (например HLA-B12). В том случае, когда генетическая позиция антигена еще недостаточно ясна или недоста­точно уточнена, перед его порядковым номером ставят символ "w" (workshop).

На рис. 10 представлена несколько упрощенная схема системы HLA человека. Установлено, что гены HLA-системы расположены на корот­ком плече хромосомы 6. Все они разделены на три группы: гены гисто-совместимости класса I, класса II и класса III; также сгруппированы и молекулы (антигены), которые контролируются этими генами.

В настоящее время гены системы HLA класса I включают локусы В, С, Е, A, G, F (по направлению к теломере). Часть из них — локусы В, С и А— относят к так называемым "классическим", кодирующим традиционные трансплантационные антигены. Что касается недав­но открытых локусов Е, G, F, то биологическая функция их самих и их продуктов в настоящее время уточняется. Возможно, некоторые из них принимают участие в презентации антигена для распознава­ния интраэпителиальными Т-лимфоцитами-киллерами, несущими гамма-, дельта-цепи в антиген-распознающем рецепторе; другие оп­ределяют взаимоотношения в системе "мать-плод" (например анти­гены локуса G).

В норме "классические" антигены системы HLA класса I присут­ствуют на всех ядерных клетках, отличаясь лишь степенью интенсив­ности их экспрессии. Доказано наиболее низкое содержание их на ми-окардиоцитах, скелетных мышцах, эндотелии роговицы; не уста­новлено их присутствие на нитях трофобласта. Степень выраженности

Теломера G F

Центромера

CYP21 С4В CYP21 С4А Bf C2 HSP70 ВАТ TNF

Ring CoHLA DP LMP TAP DO DQ DR

II класс

Рис. 10. Схематическое изображение генного комплекса HLA на С6 хромосоме.

130

а -Домен

си-Домен

сь-Домен

Участок связывания с молекулой CD8

Пептид, помещенный

в пептидсвязывающую

Антипараллельные В-складки

бороздку

СООН (внутриплазма-тический "хвост")

Рис. 11. Схематическое изображение молекулы (антигена) HLA класса I (объяснение в тексте).

антигенов системы HLA как I, так и II класса— непостоянна и зависит от воздействия, прежде всего, так называемых эндогенных факторов мо­дификации иммунного ответа, к которым относят интерлейкины, интер-фероны, опухольнекротизирующий фактор, простагландины и др.

Одной из важнейших характеристик генов системы HLA является их разнообразие и полиморфизм, т. е. существование в пределах каж­дого локуса большого количества различных специфичностей HLA-генов (или множественных аллельных вариантов), отличающихся меж­ду собой по аминокислотным последовательностям, входящим в вари­абельный участок ДНК, что определяет их полиморфизм. В настоящее время описано более 40 специфичностей в локусе А, более 60 специ­фичностей в локусе В и около 20— в локусе С (R. Lechler, 1994). Кроме того, показано, что некоторые специфичности (гены) имеют по несколь­ко аллельных вариантов. Так, например, HLA-A2 специфичность имеет 12 аллелей, В35 — 6, а В27 — 7 аллелей. Наличие аллельного полиморфизма HLA молекул лежит в основе строгой индивидуали-

131

зации набора трансплантационных антигенов у каждого конкрет­ного человека, делая его неповторимым в этом плане.

Очень важным этапом в развитии учения о системе HLA и в по­нимании функции молекул HLA класса I стали работы, в которых было описано их тонкое строение.

На рис. 11 представлено схематическое изображение структуры мо­лекулы (антигена) HLA класса I (I. Roitt, 1994). По современным пред­ставлениям, молекула HLA класса I является гетеродимером, состоя­щим из тяжелой альфа-полипептидной цепи и нековалентно связан­ной с ней легкой бета-полипептидной цепи.

Альфа-цепи молекул класса I содержат приблизительно 340 амино­кислотных остатков, которые формируют три внеклеточных домена (альфа!, альфа2, альфаЗ), одну трансмембранную часть и внутрицито-плазматический "хвост". Они кодируются генами локусов А, В и С ком­плекса HLA, расположенного на 6-й хромосоме, и как упоминалось, являются высокополиморфными. Бета-цепь молекулы класса I представ­ляет собой бета-2-микроглобулин, который состоит из внеклеточного домена, включающего 100 аминокислотных остатков, он кодируется геном, расположенным на 15-й хромосоме и является неполиморфным.

Серия работ, выполненная P. Bjorkman и др. (1987), впервые по­зволила понять природу пространственного взаимодействия HLA-молекул и антигенных пептидов.

Оказалось, что взаимное расположение альфа!- и альфа2-доме­нов в молекуле HLA класса I создают некий "желоб", "карман", в фор­мировании которого принимают участие две альфа-спирали — "сте­ны" и антипараллельные бета-складки — "дно"; эта структура по­лучила название "пептидсвязывающая бороздка". Определенная аминокислотная последовательность этой бороздки служит своеоб­разным "якорем" удержания в нем пептида. Именно таким образом HLA-молекула класса I презентирует (представляет) специфический пептид для его дальнейшего распознавания альфа- и бета-цепями Т-клеточного антигенраспознающего рецептора.

Как упоминалось выше, пептид представляет собой процессиро-ванный антиген (чужеродный или собственный), состоящий из не­большого числа аминокислотных остатков. Так называемый линей­ный пептид, который находится в пептидсвязывающей бороздке мо­лекулы HLA класса I, состоит всего из 4—9 аминокислотных остатков. Несколько больше (до 20) их содержат пептиды, которые находятся в "бороздках" молекул класса II. По сути дела пептид пред­ставляет собой антигенную детерминанту — эпитоп. Сложный ан­тиген может содержать сотни пептидов.

Как же образуется пептид, как он попадает в пептидсвязывающую

132

бороздку молекулы гистосовместимости класса I и как она появляется на поверхности клетки? Это стало понятным после обнаружения двух новых локусов— LMP и ТАР, отнесенных к классу II (см. рис. 10).

Гены локуса LMP кодируют большой пептидазный комплекс, на­званный протеасолюй. Протеасома является внутриклеточным ком­плексом, вовлеченным в протеолиз цитозольных белков, что обеспе­чивает продукцию эндогенных пептидов (рис. 12).

В свою очередь, эти пептиды с помощью трансмембранных бел­ков, которые контролируются генами локуса ТАР, доставляются в эндоплазматическую сеть и там "загружаются" в пептидсвязываю-щую бороздку антигенов системы HLA класса I, затем транспорти­руются на поверхность клетки и далее представляются для распозна­вания предшественникам Т-лимфоцитов-киллеров/супрессоров (CD8+ клетки). Важно помнить, что к антигенам, подвергающимся воздей­ствию протеасом, относятся не только собственные цитозольные бел­ки, но и продукты многих вирусных, бактериальных или протозой-

Молекула HLA класса I вместе с пептидом на поверхности клетки

Комплекс Гольджи

Загрузка пептида и транспорт через комплекс Гольджи на /мембрану клетки

Транспортные белки (ТАР-1, ТАР-2)

Эндоплазматическая сеть

(ШШП)

Формирование (сборка) молекулы HLA класса I

Синтез молекулы HLA класса I

Протеосомаль-ные ферменты/ /

"Образование эндогенных пептидов с помощью про-теосомальных ферментов

Рис. 12. Схема механизма презентации антигена с помощью

молекулы HLA класса I (объяснение в тексте).

* В цитозоле, кроме эндогенных пептидов, образуются также некоторые экзогенные пеп­тиды, в частности вирусные

133

ных патогенов, которые индуцируют развитие клеточного ответа и созревание Т-лимфоцитов-киллеров (CD8+ клеток).

Таким образом, пептиды, презентируемые молекулами HLA класса I, несут информацию о всех цитозольных эндогенных белках, как нор­мальных, так и измененных либо в результате мутации, либо вслед­ствие модификации вирусами, а также иными внутриклеточными па­разитами. Поскольку "классические" антигены ГКГ класса I пред­ставлены, как уже упоминалось, на всех клетках организма, становится понятным насколько важен подобный цензорный меха­низм за измененными клетками организма, индуцирующий актива­цию цитотоксических Т-лимфоцитов-киллеров (CD8+ клетки)

Гены системы HLA класса II (см рис. 10) расположены непосред­ственно вблизи центромеры и включают несколько локусов, часть из которых — DR, DP, DQ — можно отнести к "классическим", трансплан­тационным или непосредственно принимающим участие в презента­ции чужеродного антигена при его распознавании; другие же несут хоть и чрезвычайно важную, но все же вспомогательную функцию.

Антигены, кодируемые генами системы HLA класса II локусов DR, DP и DQ, экспрессируются, в противоположность молекулам HLA класса I, не столь широко. Они обнаружены в норме лишь на В-лимфоцитах, макрофагах и дендритных клетках (т е на клетках, спо­собных презентировать антиген). При воздействии таких цитокинов, как гамма-интерферон, молекулы HLA класса II могут экспрессиро-ваться и на других клетках, например Т-лимфоцитах, эндотелиаль-ных и эпителиальных клетках.

Молекулы HLA класса II (рис. 13) несколько отличаются по струк­туре от молекул HLA класса I. Являясь гетеродимерами, альфа- и бета-цепи состоят приблизительно из 230 аминокислотных остатков, каждая из которых формирует два внеклеточных домена (альфа! и альфа2, бета! и бета2), трансмембранную часть и внутриплазмати-ческий "хвост"; бета-цепь является высокополиморфной. Молекулы HLA класса II также имеют пептидсвязывающую бороздку, в фор­мировании которой принимают участие поровну альфа! и бета! до­мены альфа- и бета-полипептидных цепей их альфа-спирали ("сте­ны" бороздки) и антипараллельные бета-складки ("дно" бороздки).

В пептидсвязывающих бороздках антигенов системы HLA клас­са II также имеются пептиды, но в основе их образования (продук­ции) лежит принципиально иной внутриклеточный механизм. В этом случае пептиды происходят из экзогенных антигенов, поглощенных антигенпредставляющими клетками с помощью, например, эндоци-тоза (рис. 14)

134

соон

а Домен

Домен

Участок связывания с молекулой Cd4

П ептид, помещенный в пептидсвязывающую бороздку

jlCOOH (внутриплазма | тическии хвост )

Рис 13. Схематическое изображение молекулы (антигена) HLA класса II (объяснение в тексте)

Потеря ИЦ и загрузка пептида в освободившуюся пеп­тидсвязывающую бороздку молекулы HLA класса II

Транспорт молекулы HLA класса II с ИЦ в эндо-сомально-лизосомальный компартмент клетки

Эндоплазматическая сеть

Фагоцитоз

экзогенного

антигена

Т ранспорт молекулы HLA класса II вместе с пептидом на поверхность АПК для последующей презентации

Процессинг антигена лизосомальными ферментами (образование экзогенных пептидов)

Формирование Синтез мо-

молекулы HLA лекулы HLA

класса II с инвариант- класса II ной цепью (ИЦ)

Рис 14 Схема механизма презентации антигена с помощью молекулы HLA класса II (объяснение в тексте).

135

Т-лимфоцит

киллер/супрессор

CDS+клетка

Т-лимфоцит хелпер С04+кпетка

АГ-РР

Пептид

HU

Ряс 15 Феномен HLA-рестрикции АГ-РР — антигенраспознающий рецептор

После эндоцитоза чужеродный антиген подвергается деградации (протеолизу) в ранних и поздних эндосомах (лизосомах), в результате чего образуются пептиды. Однако "загрузка" этих пептидов в пеп-тидсвязывающую бороздку молекул HLA класса II происходит не в эндоплазматической сети. Дело в том, что хотя сборка молекул HLA класса II и происходит в эндоплазматической сети, но в этом компарт-менте клетки указанные молекулы имеют дополнительную цепь, на­званную инвариантной цепью (ИЦ), которая как бы "прикрывает" со­бой пептидсвязывающую бороздку. Такой комплекс — молекулы HLA класса II + инвариантная цепь — транспортируется через комплекс Гольджи в эндосомальный компартмент клетки, где находится пептид, образовавшийся из чужеродного антигена. Здесь под влиянием катеп-синов В и D происходит разрушение инвариантной цепи и "загрузка" пептидов в открывшуюся пептидсвязывающую бороздку. На следую­щем этапе образовавшийся комплекс — молекула HLA класса II + пеп­тид— транспортируется на поверхность клетки и представляется для распознавания Т-лимфоцитам-хелперам (CD4+ клеткам). Активиро­ванные таким образом Т-лимфоциты-хелперы в свою очередь участву­ют в реализации иммунного ответа.

Говоря об основной роли молекул HLA класса I и II в реализации иммунного ответа, следует подчеркнуть их необходимость для антиген­ной активации Т-клеток. В отличие от В-клеток, которые непосредст-

136

венно распознают антиген за счет своих иммуноглобулиновых рецепто­ров, Т-клетки могут распознавать его только в том случае, если анти­ген в виде пептида экспрессирован на клеточной мембране в комплексе с собственной HLA-молекулой — феномен HLA-рестрикции (ограниче­ние распознавания антигенных пептидов молекулами HLA; рис. 15).

Установлено, что субпопуляция Т-лимфоцитов-хелперов (CD4+ клетки) распознают чужеродный пептид, который презентируется мо­лекулами HLA класса II, а субпопуляция Т-лимфоцитов-киллеров/ супрессоров (CD8+ клетки) распознает пептид, который презенти­руется молекулами HLA класса I (поэтому говорят, что функция Т-хелперов ограничена (рестриктирована) молекулами HLA класса II, а функция Т-киллеров/супрессоров — молекулами HLA класса I). Доказано, что структуры CD4 и CD8, имеющиеся на Т-хелперах и Т-киллерах/супрессорах соответственно, представляют собой допол­нительные, адгезивные, молекулы, которые стабилизируют присое­динение Т-клеток хелперов и киллеров к антигенпредставляющим клеткам с помощью специфического взаимодействия с неполиморф­ными частями соответственно молекул HLA класса II (бета2-домен) и класса I (альфаЗ-домен). Они специфически распознают аутоло-гичные молекулы ГКГ и как бы "удерживают" вместе антигенпред-ставляющую клетку и Т-лимфоцит, обеспечивая тем самым достаточ­ный контакт клеток в процессе распознавания. Кроме того, CD4 и CD8 молекулы относятся к так называемым костимуляционным мо­лекулам, способствуя трансдукции сигнала внутрь Т-лимфоцита. Еще одним важным костимуляционным сигналом для активации Т-лимфоцита является взаимодействие его рецептора CD28 с белками на поверхности антигенпредставляющей клетки, которые относятся к семейству молекул CD80. В процессе этого взаимодействия усили­вается передача сигнала внутрь Т-лимфоцита, в результате чего про­исходит его активация. Без костимуляционных сигналов активация Т-лимфоцитов не наступит; возможна его гибель по механизмам апоптоза.

В табл. 5 приведена краткая сравнительная характеристика ан­тигенов (молекул) системы HLA классов I и Л.

Важным является также возможность изменения степени экспрес­сии молекул HLA. Установлено, что молекулы класса II, имеющиеся в норме только на антигенпредставляющих клетках, могут индуци­роваться на многих (если не на всех) клетках под влиянием инкуба­ции с гамма-интерфероном, который включает транскрипцию генов II класса в этих клетках. Кроме того, обработка гамма-интерферо­ном клеток, на которых обычно обнаруживаются молекулы HLA класса И, будет усиливать их экспрессию, тогда как простагландин Е будет снижать этот эффект. Отсюда следует, что количественная и

137

Таблица 5 Краткая характеристика классических антигенов системы HLA