MHC-Proteine
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MHC-Proteine Struktur und Funktion 01. April 2009 Elfriede Nößner HelmholtzZentrum München-Institut für Molekulare Immunologie München-Großhadern E-Mail: [email protected] Tel. 089/7099 303 Zur Erinnerung MHC-I und MHC-II Moleküle MHC-I Antigenpräsentationsmoleküle MHC-II Membrannahe Ig-ähnliche Domänen, membranferne Domänen bilden die Peptidbindungsrinne viele verschiedene MHC-Moleküle im Menschen, binden unterschiedliche Peptide TCR ist spezifische für MHC-Peptid-Kombination Zur Erinnerung MHC-I und MHC-II Moleküle Garboczi et al. Nature (1996) MHC-I Antigenpräsentationsmoleküle T-ZellRezeptor (TCR) MHC-II Peptid MHC – Klasse I Membrannahe Ig-ähnliche Domänen, membranferne Domänen bilden die Peptidbindungsrinne viele verschiedene MHC-Moleküle im Menschen, binden unterschiedliche Peptide TCR ist spezifische für MHC-Peptid-Kombination Zur Erinnerung Struktur von Antigenrezeptoren der Lymphozyten B-Zellen BCR ist löslich und membrangebunden Immunglobulin (Antikörper; BCR) T-Zellen TCR ist membranständig Warum muss der TCR membranständig sein? Helfer TH Zytotoxische T-Zelle B-Zelle Zytokine TCR MHC-I TNFα IFNγ TCR MHC-II MHC-II BCR Viren Mutationen infizierte Zelle Plasmazelle Bakterien, Toxine Makrophage B-Zellfunktion ist gegen freie Antigene gerichtet, daher muss BCR löslich sein T-Zellfunktion ist gegen Zell-assoziierte Antigene gerichtet, daher muss TCR von Zell-gebundenen Antigene stimuliert werden Zur Erinnerung Antigenerkennung durch B- und T-Zellrezeptoren Antikörper/ erkennen verschiedene Epitope von Antigenen direkt Epitope, die von T-Zellrezeptoren erkannt werden, müssen von MHC (major histocompatibility complex) Komplexen auf der Oberfläche von antigenpräsentierenden Zellen präsentiert werden. Dazu werden die Antigene vorher von der Zelle in kleinere Peptide zerlegt. MHC Major Histokompatibilitätskomplex Maus: Mensch: H-2 Histokompatibilitätsantigen-2 HLA Humane Leukozytenantigene • Struktur ÅÆFunktion • Antigenpräsentation an T-Zellen • Unterscheidung „Selbst“ (Toleranz) von „Nicht-Selbst“ (Immunaktivierung) (Histokompatibilität) • Regulatorische Funktionen (NK, γδ-T-Zellen) Zwei Klassen von T-Zellen CD4-positiv CD8-positiv TCR CD8 MHC-I TCR CD4 MHC-II β α MHC-Klasse I MHC-Klasse II Zwei Klassen von Antigenpräsentationsmolekülen Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen MHC-Klasse I- und MHCKlasse II-Molekülen Warum nötig ? Ist es sinnvoll ? MHC-Klasse I MHC-Klasse II PeptidbindeDomäne α1 α2 β1 α1 (~90 aa) (~90 aa) COH-Kette ImmunglobulinDomäne β2- Disulfidbrücke α3 Mikroglobulin TransmembranDomäne ~25 Aminosäuren Zytoplasmatische Domäne ~30 Aminosäuren unsymmetrischer Aufbau: • MHC I-schwere Kette (45kD), im MHC kodiert • β2-m (12kD), nicht im MHC β2 α2 (~90 aa) ~25 Aminosäuren (~90 aa) ~25 Aminosäuren variable Länge symmetrischer Aufbau: • α-Kette (35kD), MHC-kodiert • β-Kette (35kD), MHC-kodiert MHC I Ko-RezeptorBindung MHC II Ko-RezeptorBindung MHC-Klasse I MHC-Klasse II PeptidbindeDomäne PeptidBindungsgrube (Aufsicht) α1 α2 α1 β1 α3 25 Å lang 11 Å breit 10 Å tief zwei α-Helices bilden die Ränder der Peptidbindungsgrube acht β-Faltblattstrukturen bilden den Boden Das Peptid ist integraler Bestandteil des MHC-Moleküls Ohne Peptid ist das MHC-Molekül nicht stabil MHC-Klasse I-Peptid Konformation: Länge: MHC-Klasse II-Peptid linear, gestreckt 8-10 Aminosäuren Verankerung: in den Enden der Grube 11-23 Aminosäuren hängen über die Grube hinaus Verankerung der Peptide endständig in der Grube über den ganzen Bereich der Grube • Wasserstoffbrückenbindungen • Wechselwirkung mit der Peptid• Wechselwirkung mit spezifischen Aminosäureseitenketten MHC-Klasse I-Peptid bindung MHC-Klasse II-Peptid Verankerung der Peptide endständig in der Grube über den ganzen Bereich der Grube überlanges (>10 aa) MHC-Klasse I-Peptid endständige Verankerung bleibt • Peptid biegt sich in der Mitte nach außen MHC-Klasse I-Peptid MHC-Klasse II-Peptid Struktur MHC-Klasse I Funktion MHC-Klasse II Funktion der MHC-Moleküle: Bindung von Antigen + Präsentation an T-Zellen Diversität Verschiedene V,D,J-Familien TCR Vx(Dy)Jz-Kombinatorik TCRα:TCRß-Kombinatorik Joining-Diversität (CDR3) Antigen (Peptid) 1018 verschiedene T-Zellen MHC V(D)J/α,β-Kombinatorik und JoiningDiversität generieren TCR-Vielfalt Aufbau aus Modulen, Kombinatorik; Zufälligkeit beim Joining Vα1 Vα2 Vα3 Vα x70-80 Cα Jα x61 TCRα CDR3αRegionen CDR3β- TCRβ Vβ x52 Dβ1 Jβ1 x6 Cβ1 Dβ2 Jβ2 x7 Cβ2 Funktion der MHC-Moleküle: Bindung von Antigen + Präsentation an T-Zellen Diversität Verschiedene V,D,J-Familien TCR Vx(Dy)Jz-Kombinatorik TCRα:TCRß-Kombinatorik Joining-Diversität (CDR3) Antigen (Peptid) 1018 verschiedene T-Zellen MHC Viele verschiedene MHCProteine Wie entsteht die MHC-Vielfalt ? mehrere Genloci: Polygenie verschiedene Ausprägungen desselben Genlocus (Allele) : Polymorphismus MHC = Polygenie + Polymorphismus • verschiedene Genloci (Polygenie) HLA- A, -B, -C (Klasse I), HLA-DR, -DP, -DQ (Klasse II). • viele Allele pro Genlocus (Polymorphismus) HLA-A2, HLA-A3 etc. Der Major Histokompatibilitätslocus (MHC) (Chromosom 6; 4 cM, ~4 x 10e6 Bp) DP 6p21.31 Human: HLA DQ DR A BC βα β β α ββ α ~900 kb ~700 kb Polygenie ~1900 kb Polymorphismus 89 19 1691 Maus: H-2 K 45 20 323 2 817 93 263 (ß2-m nicht polymorph) 900 646 Kombinatorische Erweiterung der Vielfalt nur bei MHC-II (Chromosom 11) IA IE DL Allele Proteinvarianten Ko-dominante Expression der Allele erhöht die Vielfalt Genloci HLA-A2 -B7 -Cw7 A B C Allele Ko-dominante Expression HLA-A3 -B27 -Cw1 Jede Person hat eine individuelle HLA-Kombination (HLA-Typ) Die meisten Menschen sind heterozygot Ko-Dominanz (beide Allele werden exprimiert) 6 x MHC-Klasse Ia 6 x MHC-Klasse II Jede Person hat max. 12 verschiedene MHC-Allotypen Chromosom 6 Antigen (Peptid) Polymorphismus Antigenpräsentation verschiedene MHC-Allotypen präsentieren unterschiedliche Peptidgruppen Lokalisation der allelischen Unterschiede MHCKlasse I P2 P9 Allelspezifische Anker Die allelspezifischen (polymorphen) Aminosäuren liegen in der Peptidbindegrube und bestimmen deren physio-chemischen Eigenschaften Æ Jeder Allotyp bindet bestimmte Peptide, andere nicht. Æ Allelspezifische Ankermotife Allel-spezifische Bindungsmotife Jedes MHC-Allelprodukt bindet eine Gruppe von Peptiden, die ein gemeinsames Anker-Motif haben. P2 P5 P9 P9 Allelspezifische Anker Allel 1 P2 P9 Allel 2 Peptidbindegrube - Seitenansicht HLA-A*0201 (MHC-Klasse I Allotyp) P2 TCR P9 Allelspezifische Anker P4 P5 P1 NH3+ Bindungstaschen für PeptidAminosäurereste Ankerpositionen sind die Aminosäuren, die tief in die Peptidbindungsgrube eingebettet sind. P2 A B P3 P6 P7 D C E MHCKlasse I schwere Kette Peptid P8 ß2Mikroglobulin COO- P9 F Lokalisation der allelischen Unterschiede MHCKlasse II Peptidbindegrube - Seitenansicht MHC-Klasse-II TCR Peptid P8 P5 NH3+ P1 Bindungstaschen A Ankerpositionen wenig ausgeprägt Peptid entlang der ganzen Grube verankert P2 P3 P4 P6 B C MHCKlasse II P7 P9 D E COO- Allel-spezifische Bindungsmotife MHC-Klasse II Allel 1 Allel 2 Allel-spezifische Motife und Anker-Aminosäuren sind weniger deutlich. Es gibt aber Allel-spezifische „Core“-Motife. Peptide hängen N- und C-terminal über die Grube hinaus (ragged ends). MHC-Polymorphismus & Antigenerkennung Jede Person hat seine eigene individuelle HLA-Kombination. Die verschiedenen HLA-Proteine binden unterschiedliche Peptide. Wieso kann jede Person (in der Regel) auf jedes Antigen reagieren? Influenza Nucleoprotein Kk Kd A68A1 B37 Db B8 B27 HIV Polymerase B8 A33 B35 A2 B62 A11 A11 B60 .. weil jedes Antigen Sequenzmotife für verschiedene HLA-Allotypen hat. Aber: Bestimmte Allelvarianten binden bestimmte Pathogen-spezifische Epitope besser als andere Allelvarianten (Æbessere Immunantwort) Folie 33 PJN2 Windows XP; 03.12.2006 MHC-Polymorphismus & Antigenerkennung A3 A2 B7 HLA-B53 bindet ein Epitop des Malaria-Erregers besser. B53 Cw7 B7 B27 Plasmodium falciparum B27 B53 In Regionen Afrikas mit hoher Malaria-Durchseuchung findet man eine erhöhte B53-Allelfrequenz. B7 B53 B53 B53 Cw7 B53 A3 MHC-Polymorphismus & Antigenerkennung Pathogene beeinflussen die Häufigkeit bestimmter HLA-Allele in einer Population. Die HLA-Allel-Kombination eines Individuums bestimmt, welches Antigen erkannt wird und wie gut es erkannt wird. Æ individuelle Anfälligkeit für bestimmte Krankheiten. HLA-B57 präsentiert ein bestimmtes frühes HIV-Antigen besonders gut. Personen mit HLA-B57 haben einen langsameren Krankheitsverlauf. Der Polymorphismus muss ausreichend hoch sein, damit in einer Population mindestens ein Allotyp zur Präsentation eines Pathogenspezifischen Epitops vorhanden ist, so dass das Überleben einer Population gesichert ist. „Selbst-MHC“-Restriktion der T-Zellen Erkennung Keine Erkennung Keine Erkennung Antigen wird nur in Kombination mit einem Selbst-MHC-Molekül erkannt. Zinkernagel und Doherty, 1974 Nobelpreis1996 LCM-Virus H-2 (lymphocytic choriomeningitis) k T-Zellen aus der H-2k Maus H-2b 51Cr H-2k Zielzellen ohne LCMV keine Lyse kein 51Cr-Release H-2k Zielzellen infiziert mit LCMV H-2b Zielzellen infiziert mit LCMV Lyse 51Cr-Release keine Lyse kein 51Cr-Release 51Cr 51Cr Entdeckung des MHC durch Gewebetransplantation Transplantation A Abstoßung autolog nein syngen nein allogen ja H-2a A H-2a A H-2a A H-2a B H-2b Es gibt einen Mechanismus, der „Fremd“ von „Selbst“ unterscheiden kann. Die Abstoßungsreaktion hat eine genetische Grundlage. Der Locus wurde H-2 genannt. Erkennung von „Nicht-Selbst“-MHC, z.B. auf Transplantat = Allo-Erkennung MHC I MHC II AlloMHC Polymorphe Unterschiede der MHC-Allotypen werden vom TCR direkt erkannt. Peptide spielen eine untergeordnete Rolle. Sonderfälle der Antigenerkennung Erkennung von „Nicht-Selbst“-MHC, z.B. auf Transplantat = Allo-Erkennung Erkennung von Superantigen Normalfall: Selbst-MHC-Restriktion Superantigene aktivieren T-Zellen „direkt“ Der Major Histokompatibilitätslocus (MHC) (Chromosom 6; 4 cM, ~4 x 10e6 Bp) DP 6p21.31 Human: HLA DQ DR ~900 kb A BC βα β β α ββ α ~700 kb Polygenie ~1900 kb Polymorphismus 89 19 45 20 1691 900 323 2 646 817 93 (ß2-m nicht polymorph) 263 Allele Proteinvarianten Warum braucht man MHC-Klasse I und MHC-Klasse II ? Zwei T-Zellklassen mit unterschiedlicher Funktion CD4+ T-Helferzellen CD4 TCR CD8+ zytotoxische T-Zellen TCR CD8 Warum MHC-I und MHC-II ? Helfer TH Zytotoxische T-Zelle B-Zelle Zytokine TCR MHC-I TNFα IFNγ TCR MHC-II MHC-II BCR Viren Mutationen infizierte Zelle Präsentationsmolekül muss von allen Zellen exprimiert werden (MHC-I) Plasmazelle Bakterien, Toxine Makrophage Präsentationsmolekül darf nur von Zellen des Immunsystems exprimiert werden (MHC-II) Expressionsmuster: MHC-Klasse I und MHC-Klasse II Funktion (nur aktiviert, human) Antigenpräsentation Antigenpräsentation Antigenpräsentation Antigenpräsentation positive Selektion (Cortex negative Selektion (Medulla) Regulation der MHC-Klasse II-Expression Gewebespezifische Faktoren, Zytokine, Differenzierungsfaktoren -168A>G MHC2TA I, III, IV: induzieren unterschiedliche Isoformen I, IV: IFNγ Induktion III: B-Zellen, pDC, akt. T-Zellen MHC-II Transaktivator induziert konstitutiv MHC II, Ii, DM, DO Mutationen im Enhanceosome Æ kein MHC-II (BLS, bare lymphocyte syndrome) CIITA Polymorphismus Æ weniger MHC-II, geringere IFNγ-Induktion (Autoimmunität: RA, MS, Herzinfarkt) Funktion der MHC-Proteine • Antigenpräsentation: Erkennung und Abwehr von Pathogenen Weitere Funktionen: • Histokompatibilität Erkennung von „Selbst“ ist eine alte Funktion des MHC (gibt es schon bei den Tunicaten) • Regulation der NK-Zellaktivität: Inhibition von NK-Zellen (MHC-Klasse Ia, nicht-klassische MHC-Klasse Ib) Aktivierung von NK-Zellen (z.B. MICA/B) DQ DR DP ~900 kb 89 19 1691 45 ~700 kb 20 900 323 646 A BC βα β β α ββ α 6p21.31 Der Major Histokompatibilitätslocus (MHC) 2 MICA MICB 817 ~1900 kb E 93 Polygenie G F 263 (ß2-m nicht polymorph) Allele Proteinvarianten Klassische (MHC-Ia) und nicht-klassischen MHC-I (MHC-Ib) Gene MHC-I/MHC-II Klasse Ia hoch polymorph; Antigenpräsentation, NK-Inhibition strukturell ähnlich zu MHC-Ia, assoziiert mit ß2-m; wenig polymorph, z.T. Gewebe-spezifische Expression HLA-E HLA-G HLA-F MICA/B Klasse Ib Regulation der NK-Aktivität Inhibition der NK, Expression in Plazenta ? polymorph, Expression unter „Stressbedingungen Regulation der NK-Zellaktivität normale Zelle MHC, kein Antigen - - Toleranz KIR ÅÆ MHC-Ia/Ib KIR + T-Zelle Inhibition Lyse TCR Antigen + MHC Viren Ignoranz - KAR (z.B. NKG2D) MHC-I Decoy (UL18) + kein MHC (Antigen) NK-Zelle Aktivierung Stressproteine (MICA/B), virale Proteine keine Inhibition durch MHC MICA/B: ein nicht-klassisches MHC-I Molekül MHC-I MICA MHC class I chain related (MIC) Ableitung der Funktion aus der Struktur Weitere MHC-ähnliche Proteine mit Funktion bei der Antigenpräsention CD1: Cluster of differentiation-1 differentiation Strukturell dem MHC-Klasse I ähnlich, assoziiert mit ß2-m nicht im MHC kodiert nicht polymorph CD1a, CD1b, CD1c und CD1d, (CD1e) an unterschiedlichen Genloci kodiert Maus hat nur Gruppe II-CD1 (CD1d) Präsentation von Lipid-Antigenen CD1-Epitope Lipidantigene (z.B. von Mycobakterien, Sphingomonas, Borellia) – Glycosphingolipide (CD1a,b,c,d) – Phospholipide (CD1c,d) – Sulfoglycolipide (CD1b,c) – Mycolsäuren (CD1b) – Lipopeptide (CD1a) – Galactosyl/Glucosylceramide (CD1d) α-Gal-Cer Mycolsäure Diacylglycerol Lipopeptide Dideoxymycobactin Phosphatidyl -inositol CD1-Struktur Strukturell ähnlich dem MHC-Klasse I, assoziiert mit ß2-m MHC-Klasse I CD1a Peptidbindungsgrube - 2-4 Taschen - Taschen enger und tiefer als bei MHC Antigenbindegrube der CD1-Proteine MHC-Klasse I HLA-A2/HIV-Peptid Peptidbindungsgrube 25 Å lang 11 Å breit 10 Å tief 6 Taschen CD1a -Lipopeptid A‘-Tasche ist hydrophob, tief, eng F‘-Tasche ist hydrophil Peptidteil des Lipopeptids ragt nach außen Æ TCR-Kontakt CD1-TCR-Interaktion MHC-Klasse I - Peptid CD1a - Lipopeptid TCR kontaktiert den Peptidanteil des Lipopeptids (wie bei konventionaler Peptidpräsentation über MHC) CD1d (Gruppe II) Stimulation einer spezialisierten T-Zellpopulation NKT-Zellen: 1% in Peripherie, 20% in Leber CD3, CD4 und NK-Marker (CD161) TCRVα24-Jα18 / TCRVß11 (Mensch) TCRVα14-Jα18 / TCRVß8.2, ß7, ß2 (Maus) IFN-γ, TNF-α + IL-4, GM-CSF aktivierendes Antigen: • α-Galactosylceramid (α-galcer): Modellantigen aus einem marinen Schwamm (natürliche Glycosphingolipide haben nicht die α-Konfiguration der Zucker-CeramidVerknüpfung) Æ Bekämpfung von Lebermetastasen. • Natürlicher Ligand iGb3 (isoglobotrihexosylceramid) • Natürliche Fremdliganden: Sphingomonas-Ceramide, Borellia-DiacylglyerolGlycopeptid (Lyme disease) Antigenpräsentationsmoleküle MHC-Klasse Ia und MHC-Klasse II Æ Peptidantigene CD1 (a-d) (MHC-I verwandt) Æ Lipidantigene MHC-I MHC-II CD1 MICA/B MICA/B (MHC-I ähnlich) Æ keine Antigenpräsentation, direkte Interaktion mit NK-Zellen und γδ-T-Zellen (aktivierend) MHC - Diversität • Polygenie (mehrere Loci: HLA-A, -B, -C für MHC-Klasse I HLA-DR, -DP, -DQ für MHC-Klasse II; CD1a-d • Polymorphismus (Varianten an einem Genort = Allele z.B. HLA-A1, -A2, -A3) • Kombination einer α-Kette mit verschiedenen β-Ketten (bei MHC-Klasse II) • Ko-dominante Expression der allelischen Varianten MHC-Struktur ÅÆ Funktion • T-Zellen erkennen Antigen als Peptid/MHC-Komplex Æ die pMHC-Komplexe müssen auf der Oberfläche stabil sein (~24 h). • Das Peptid ist ein integraler Bestandteil des MHC-Proteins. Das MHC-Protein erhält durch Stabilität. • In normalen Zellen (nicht infiziert) binden MHC-Proteine Peptide von „Selbst“-Proteinen. ÆDie Selbst-Peptid/MHC-Komplexe führen nicht zur T-ZellAktivierung: Unterscheidung des „Selbst“ (Toleranz) von „Nicht-Selbst“ (Immunaktivierung) T-Zell-Selektion im Thymus auf Selbst-MHC (limitierender Faktor für Polymorphismus) Polymorphismus ÅÆ Antigenpräsentation • Die polymorphen Unterschiede konzentrieren sich in der Peptidbindungsgrube. Die daraus resultierenden physiochemischen Unterschiede bestimmen, welche Peptide von einem bestimmten Allel gebunden werden (Allel-spezifische Peptidmotife). • Alle Peptide, die von einem Allel gebunden werden, haben charakteristische Ankerpositionen. • Individuelle Allele binden bestimmte Pathogen-assoziierte Antigene unterschiedlich gut Æ bessere/schlechtere Immunantwort Æ Assoziation zwischen HLA und individuellem Krankheitsverlauf. DP DQ DR βα β β α ββ α α αβ β DN DM DO TAP/LMP TAP 6p21.31 Gene im MHC - Zusammenfassung A BC MICA MICB E G F Klassische MHC-Klasse Ia und II-Gene. Präsentation von Peptiden an CD8- und CD4-T-Zellen, Inhibition der NK-Aktivität nicht-klassische MHC-Klasse Ib Inhibition der NK-Aktivität (HLA-E/G) und Aktivierung von NK (MICA/B) Gene mit Funktion bei der Antigenpräsentation DN/O und DM (MHC-Klasse II-Präsentation) TAP/LMP (MHC-Klasse I-Präsentation) Klasse III-Region: Hitzeschockproteine, Komplementfaktoren, TNF etc. Testfragen Beschreiben Sie die Zusammensetzung des MHC-Klasse I-Moleküls Beschreiben Sie die Antigenbindungstaschen von MHC-Klasse I,MHC-Klasse II, CD1 und MICA. Welche Konsequenz ergibt sich für die Art des präsentierten Antigens? Wie wird ein Peptid von MHC-Klasse I gebunden? Welche Konsequenzen ergeben sich dadurch für das Peptid? In welcher Region des MHC-Klasse I- bzw. Klasse-II Proteins liegen die allelischen Unterschiede? Was ist die Konsequenz für die Antigenpräsentation? A) Wie viele Arten von MHC-ähnlichen Proteinen gibt es? B) Wie sind die Proteine aufgebaut? - Welche Antigene werden präsentiert? - Welche Proteinklassen sind nicht im MHC kodiert? - Welche Proteinklassen sind polymorph? C) Warum braucht man verschiedene Antigenpräsentationsmoleküle? Welche Komponenten braucht eine CD8-T-Zellen, damit sie eine Zelle erkennen kann (Zinkernagelexperiment)? Erklären Sie den Begriff der Selbst-MHC-Restriktion . Was ist Alloerkennung? Wie entsteht die Diversität des MHC? Was ist der biologische Sinn des Polymorphismus? Beschreiben Sie, warum der Polymorphismus die Antigenpräsentation beeinflusst. Nennen Sie ein Beispiel, woran man sehen kann, dass der MHC-Polymorphismus die Antigenpräsentation beeinflusst
