„Erste-Klasse-Ticket“ für Antigene: Zelluläre Stationen

Überblick
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„Erste-Klasse-Ticket“ für Antigene:
Zelluläre Stationen der MHC Klasse I
vermittelten Antigenpräsentation
Ralf M. Leonhardt und Michael R. Knittler, Institut für Genetik, Universität zu Köln
Abb. 1: MHC I-Struktur. Links: ER-lokalisierter Teil des peptidbeladenen MHC I-Moleküls. Rechts: Aufsicht auf die
Bindungsfurche, die von der α1- und α2-Domäne der schweren Kette geformt wird. Den Boden bildet ein β-Faltblatt,
während zwei α−Helices die Seiten begrenzen.
Ein zentraler Vorgang der Immunantwort
gegenüber Viren ist die MHC Klasse I
(MHC I)-vermittelte Antigenpräsentation.
Zelleigene oder von Pathogenen
stammende Peptide werden von MHC I
gebunden und zur Zelloberfläche transportiert. Ein großer Teil der über MHC I
präsentierten Peptide wird in der Zelle
durch das Proteasom hergestellt. Peptide
werden über den Transporter TAP in das ER
überführt, wo die Beladung von MHC I
erfolgt. Die beladenen MHC I-Moleküle
verlassen das ER und präsentieren die
Peptide an der Zelloberfläche. Stammt das
Peptid von zelleigenen Proteinen einer
gesunden Zelle bleibt die präsentierende
Zelle unbeschadet. Die Präsentierung eines
viralen Peptids aktiviert das Immunsystem
und führt zur Eliminierung der infizierten
Zelle durch zytotoxische T-Zellen.
BIOspektrum · 1/03 · 9. Jahrgang
MHC I: Informationsträger der zellulären
Immunität
Das adaptive Immunsystem verfolgt zwei
Hauptstrategien zur Bekämpfung von
Krankheitserregern. Die Grundlage der humoralen Immunantwort bilden B-Zellen und
die von ihnen hergestellten Antikörper, welche extrazelluläre Pathogene und körperfremde Stoffe markieren und neutralisieren.
Infektionen durch intrazelluläre Krankheitserreger sind auf diese Weise nicht zu erkennen. Sie werden durch die zelluläre Immunantwort bekämpft, bei der T-Zellen und
ihre Antigenrezeptoren, die T-Zell-Rezeptoren, eine wichtige Rolle spielen. Die TZell-Rezeptoren erkennen auf der Oberfläche infizierter Zellen Antigene spezifisch
in Kombination mit körpereigenen Rezeptoren, den MHC-Molekülen. Man unterscheidet die strukturell verwandten MHC
Klasse I und II- Moleküle, die auf die Bindung von Peptiden spezialisiert sind. Der
Unterschied liegt in der Herkunft der Peptide. MHC Klasse II (MHC II)-Moleküle
binden Peptide, die beim lysosomalen Abbau aufgenommener Proteine entstehen und
präsentieren sie T-Helferzellen, die Zellen
des Immunsystems aktivieren. Peptide, die
von MHC Klasse I (MHC I)-Molekülen gebunden werden, entstehen durch den Abbau intrazellulärer Proteine. Eine gesunde
Zelle präsentiert Peptide zelleigener Proteine, die vom Immunsystem als „selbst“ toleriert werden. Zur Vermehrung sind Viren
auf die Herstellung von Proteinen angewiesen. Für einen Teil dieser Proteine bringen
sie die Anleitung in Form ihres Genoms
selbst mit. Infizierte Zellen zeichnen sich daher unter anderem durch Proteine aus, die
in gesunden Zellen nicht vorkommen. Somit ändert sich nach einer Infektion das
Peptidprofil, das durch MHC I präsentiert
wird. Die Präsentation körperfremder Peptide aktiviert zytotoxische T-Zellen, die die
infizierten Zellen abtöten. MHC I-Moleküle
fungieren also als Peptidrezeptoren, die dem
Immunsystem den aktuellen Bestand exprimierter Proteine einer Zelle signalisieren[1]. Auf diese Weise erhalten zytotoxische
T-Zellen Einblick über den Zustand von
Zellen und können entsprechend reagieren.
MHC I-Moleküle setzen sich aus einer
membranständigen schweren und einer löslichen leichten Kette (β2m) zusammen (Abb.
1). Die Größe der Peptidbindungsfurche, die
von schweren Ketten gebildet wird (Abb. 1),
limitiert die Länge der gebundenen Pepti-
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Wie können diese
Proteine von solchen unterschieden
werden, die noch
nicht abgebaut werden sollen? Dies erfolgt durch die
Kennzeichnung mittels einer Polypeptidkette, deren Untereinheit das konservierte Ubiquitin
ist. Ein Protein mit
einer solchen Markierung wird vom
19S Komplex erkannt und vom 26S
Proteasom abgebaut.
Ein
wichtiger
Schritt nach der ErAbb. 2: Das Proteasom. Das 20S Proteasom setzt sich aus vier Ringen
kennung einer Inzusammen. Die beiden äußeren Ringe bestehen aus 7 α- und die beiden
fektion ist die Alarinneren aus 7 β-Untereinheiten. Das 26S-Proteasom entsteht durch Anfügen
von 19S-Komplexen an das 20S Proteasom. Nach Stimulation mit
mierung des ImInterferon-γ nehmen LMP2, LMP7 und MECL-1 den Platz der konstitutiv
munsystems. Hierzu
exprimierten β-Untereinheiten X, Y und Z ein und es bildet sich das
beginnen Zellen des
Immunoproteasom. Eine weitere induzierbare Komponente ist der PA28Immunsystems mit
Komplex.
der Ausschüttung
von Interferon-γ. In
Zellen, die dieses
de auf 8–11 Aminosäuren. Innerhalb der Bin- Signal empfangen, wird die Herstellung von
dungsfurche von MHC I befinden sich hy- Proteinen induziert, die wichtige Funktiodrophobe Taschen, die von den variablen nen bei der Immunabwehr ausüben. Zu dieAnteilen des Proteins gebildet werden. Die sen zählen die Proteasomuntereinheiten
Bindungsfurche kann über diese Taschen LMP2, LMP7 und MECL-1. Sie ersetzen
mit passenden Aminosäuren eines Peptids die konstitutiv exprimierten aktiven β-Uninteragieren. Damit ein Peptid gebunden tereinheiten X, Y und Z[2] (Abb. 2). Das so
wird, muss es Verankerungsreste aufweisen. veränderte Proteasom, das ImmunoproteaBesonders wichtig sind die C-terminalen som, spaltet Polypeptide bevorzugt hinter
Aminosäuren, die meist einen hydrophoben
oder basischen Charakter besitzen, während
die restlichen Aminosäuren variabel sind.
hydrophoben und basischen Aminosäuren.
Möglicherweise sind die erzeugten Peptide
besser für die MHC-Beladung geeignet als
Peptide, die durch das eigentliche Proteasom gebildet werden. Eine weitere proteasomale Komponente, die induziert wird, ist
der PA28 Komplex[2] (Abb. 2). Er bindet an
die Seiten des Grundkomplexes und bewirkt
vermutlich die Ausführung von Doppelschnitten durch das Proteasom. Wahrscheinlich wird so die Entstehung von Peptiden mit geeigneter Länge für die MHCBeladung begünstigt. Das Anzeigen einer
Infektion erfolgt nicht nur über den Abbau
gealterter Fremdproteine. Durch „Fehler“
während der Translation entstehen defekte
Proteinprodukte (Abb. 3), die proteasomal
abgebaut werden und einen schnellen Nachschub für MHC I liefern[3]. Da die Fehlerrate bis zu 30% erreicht, könnte dieser Weg
eine direkte Abkürzung zwischen Proteinsynthese und Antigenpräsentation darstellen.
TAP: Ein ABC-Transporter im Dienste der
Antigenpräsentation
Die ER-Membran bildet eine Barriere, die
den unkontrollierten Eintritt zytosolischer
Substanzen ins ER verhindert. Somit können Peptide nicht ohne weiteres zu den
MHC I-Molekülen gelangen und müssen
eingeschleust werden. Diese Aufgabe übernimmt TAP (Transporter assoziiert mit Antigenprozessierung)[4]. TAP gehört zur
Familie der ATP-Bindungs-KassettenTransporter (ABC-Transporter), die die größte Gruppe verwandter Proteine darstellt.
ABC-Transporter arbeiten unter ATP-
Herstellung von Peptidantigenen:
Proteinabbau mit „Wiederverwertung“
Eine entscheidende Rolle beim zellulären
Proteinabbau spielt das Proteasom (Abb. 2).
Es ist wichtig für den Proteinmetabolismus
und für die Herstellung von Peptidantigenen. Das 20S Proteasom besteht aus zwei
äußeren Ringen mit je sieben α-Untereinheiten und zwei inneren Ringen mit je sieben β-Untereinheiten. Es besitzt verschiedene proteolytische Aktivitäten, die Polypeptide hinter hydrophoben, basischen oder
sauren Aminosäuren spalten. Dieser Grundkomplex kann mit anderen regulatorischen
Proteinen assoziieren und das 26S Proteasom bilden (Abb. 2). Dieses entsteht durch
Anfügen von 19S Komplexen an beiden Enden des 20S Proteasoms. Die 19S Komplexe erkennen „ausgemusterte“ Proteine und
führen sie dem proteasomalen Abbau zu.
Abb. 3: Fehlerhafte Proteinsynthese liefert Peptidantigene. Defekte ribosomale Produkte (DRiPs)
werden mit Ubiquitin markiert und über das Proteasom direkt abgebaut. Nach dem Transport ins ER
gelangen die Peptide über MHC I zur Zelloberfläche.
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hängiger Weise die Bindung von Peptiden
kontrolliert, während vermutlich die ATPHydrolyse durch TAP1 die Peptidtranslokation begleitet. Nach Peptidtransport wird
TAP2 wieder in die Lage versetzt ATP zu
binden, was die Rückkehr des Transporters
in die Ausgangssituation veranlasst (Abb. 5).
Der Beladungskomplex: Knotenpunkt der
Antigenpräsentation
Abb. 4: Peptidtransporter TAP. Oben: TAP setzt sich aus TAP1 und TAP2 zusammen, die je eine
Transmembrandomäne (TMD) und eine Nukleotidbindedomäne (NBD) besitzen. Die NBDs besitzen
konservierte Sequenzabschnitte, bestehend aus Walker A- (A), Walker B-Motiv (B) und C-loop (C),
die als ATP-Bindungs-Kassette zusammengefasst werden und an der Umsetzung von ATP beteiligt
sind. Unten: Anordnungen gepaarter TAP-Domänen in antiparalleler Orientierung.
Hydrolyse und haben verschiedene Transportfunktionen. Alle ABC-Transporter besitzen die selbe modulare Struktur, aus zwei
Transmembran- (TMD) und zwei Nukleotidbindungsdomänen (NBD). Bei TAP
steuern die beiden Untereinheiten TAP1
und TAP2 je eine TMD und eine NBD bei
(Abb. 4). Die NBDs besitzen konservierte
Sequenzbereiche, die als ATP-BindungsKassette zusammengefasst werden und an
der Umsetzung von ATP beteiligt sind
(Abb. 4A). Die Peptidbinderegion wird von
den C-terminalen zytosolischen Schleifen
(Abb. 4) der TMDs beider Untereinheiten
gebildet[5]. Neue Untersuchungen deuten
auf eine antiparallele Orientierung der gepaarten Domänen hin[6] (Abb. 4). TAP besitzt
die höchste Spezifität für Peptide, die die
optimale Länge für eine MHC-Beladung
aufweisen. Zudem erkennen TAP und
MHC I sehr ähnliche Sequenzmerkmale der
Peptide. Es zeigte sich, dass (i) beide TAPNBDs benötigt werden und nicht unabhängig voneinander aktiv sind, dass (ii) die TAPUntereinheiten ein sehr unterschiedliches
ATP-Bindeverhalten zeigen und dass (iii)
die Anwesenheit ein und derselben Mutation in TAP1 oder TAP2 zu unterschiedlichen Transportaktivitäten führt[7, 8]. Hieraus
kann geschlossen werden, dass die beiden
TAP-Untereinheiten unterschiedliche Aufgaben während des Peptidtransports überBIOspektrum · 1/03 · 9. Jahrgang
nehmen. Darüber hinaus stimuliert die Aufnahme von Peptiden die ATP-Hydrolyse des
Transporters[9]. Es lässt sich ein Arbeitsmodell entwerfen bei dem TAP2 in ATP-ab-
Neusynthetisierte MHC I-schwere Ketten
interagieren im ER mit dem Chaperon Calnexin[10]. Diese Interaktion unterstützt die
Assoziation zwischen schweren Ketten und
β2m. MHC I-Moleküle bilden anschließend
einen Komplex mit Calreticulin[10], das
ebenfalls als Chaperon fungiert. MHC I-Moleküle binden letztlich an TAP. Dieser Komplex ist abhängig von Tapasin[10], das eine
„Brückenfunktion“ zwischen MHC I und
TAP übernimmt. Als bisher letzte Komponente des Beladungskomplexes (Abb. 6) wurde die Oxidoreduktase ERp57 beschrieben[11], die die Bildung von Disulfidbrücken
in MHC I unterstützt. Es ist sehr wichtig,
dass MHC I-Moleküle ihre Peptide stabil
binden, damit sie diese nicht auf dem Weg
zur Zelloberfläche verlieren. Neuere Arbeiten zeigen, dass der Beladungskomplex eine Art „Qualitätskontrolle“ ausübt und die
Beladung von MHC I mit stabil bindenden
Peptiden optimiert[12]. Wie der Beladungskomplex Einfluss auf die Peptidbindung von
MHC I nimmt ist unklar, jedoch weisen Untersuchungen darauf hin, dass die Peptid-
Abb. 5: Transportzyklus von TAP. Nach Peptidbindung durch TAP liegt TAP1 (Schwarz) vermutlich in der
ATP- und TAP2 (Rot) in der ADP-Form vor. ATP-Hydrolyse durch TAP1 begleitet die Translokation des
Peptids und erlaubt den Nukleotidaustausch in TAP2. Nach ATP-Hydrolyse durch TAP2 bindet der
Transporter erneut Peptid und es wird ein weiterer Transportzyklus initiiert.
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Literatur
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Abb. 6: Der Beladungskomplex. MHC-schwere Ketten interagieren mit Calnexin (1). Nach Assoziation
der schweren Kette mit β2m wird Calnexin durch Calreticulin ersetzt (2) und der Komplex bindet über
Tapasin an TAP (3). Der Beladungskomplex bildet sich aus der Interaktion eines Präkomplexes (4) und
Calreticulin-gebundenen MHC I. Die Interaktion von MHC I mit TAP ist an den Transportzyklus
gekoppelt (5), so dass Peptidtransport und MHC-Beladung (6) miteinander koordiniert werden. Nach
der Beladung werden MHC I-Moleküle zur Zelloberfläche transportiert (7).
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beladung und die anschließende Ablösung
beladener MHC I-Moleküle an den Transportzyklus von TAP gekoppelt ist[7]. Möglicherweise werden MHC I-Moleküle
während des Transportzyklus in eine Konformation gebracht, die es erlaubt Peptide
auf ihre stabile Bindung hin zu überprüfen.
Diejenigen Peptide, die nicht die richtige
Länge für die MHC-Bindung besitzen,
können im ER durch Aminopeptidasen am
N-Terminus verkürzt werden[13]. Beim
„Zurechtschneiden“ der Peptide spielt die
Interferon-γ-induzierbare Aminopeptidase
ERAAP vermutlich eine entscheidende Rolle. Sie verkürzt Peptide auf eine Länge von
8–9 Aminosäuren und produziert so geeignete Antigene für die MHC I-Beladung[14].
Nach erfolgreicher Peptidbeladung verlassen die MHC I-Moleküle den Beladungskomplex und werden zur Zelloberfläche
transportiert.
ladungskomplex optimiert? Antworten hierauf könnten einmal gezielte therapeutische
Eingriffe in die zelluläre Immunität ermöglichen.
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[12] Tan, P., Kropshofer, H., Mandelboim, O., Bulbuc, N., Hämmerling, G. J. und Momburg, F.
Dr. Michael R.
Knittler
Biologiestudium und
Promotion an der Universität zu Köln. Seit
2000 Gruppenleiter im
Institut für Genetik der
Universität zu Köln.
(2002): Recruitment of MHC class I molecules by tapasin
into the transporter associated with antigen processingassociated complex is essential for optimal peptide loading. J Immunol. 168: 1950–1960.
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MHC class I molecules. Nat Immunol. 2: 644–651.
[14] Serwold, T., Gonzalez, F., Kim J., Jacob, R.
und Shastri, N. (2002): ERAAP customizes peptides for
Fazit
Durch umfassende Forschungsarbeiten
konnten die verschiedenen Stationen der
MHC I vermittelten Antigenpräsentation zu
einem Gesamtbild zusammen getragen
werden. Trotzdem gibt es noch offene Fragen: Wie finden Peptide ihren Weg zu TAP?
Wie funktioniert der Peptidtransportmechanismus von TAP? Welche strukturellen
Eigenschaften besitzt der Beladungskomplex? Wie wird die MHC I-Beladung im Be-
crosstalk with energetic nucleotides. Trends Biochem Sci.
27: 454.
MHC class I molecules in the endoplasmatic reticulum.
nature 419: 480–483.
Korrespondenzadresse:
Ralf M. Leonhardt
Studium an der Universität zu Köln. Seit 2002
Doktorand in der Gruppe von Dr. Knittler.
Dr. Michael R. Knittler
Institut für Genetik
Abteilung für Zellgenetik
Zülpicher Str. 47
D-50674 Köln
Tel.: 0221-470-5292
Fax: 0221-470-5015
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