Magyar Tudomány, 2005/6 683. o.

Immungenomika: a genomalapú immunológia

Buzás Edit

az orvostudomány kandidátusa, Semmelweis Egyetem Genetikai, Sejt- és Immunbiológiai Intézete - buzedi @ dgci.sote.hu

Szénhidrát-specifikus immunitás


Számos példát ismerünk a tudomány történetéből arra, hogy egy-egy kiemelkedő jelentőségű felfedezés miként határozza meg évekre-évtizedekre a kutatás irányát. Arra is van sok példa, hogy korai, alapvető felismerések hogyan merülhetnek a feledés homályába hosszú időre, ha a tudományos közvélemény figyelme éppen másfelé irányul egy adott időszakban.

A szénhidrátokkal szembeni immunitás vizsgálata a fehérje antigénekkel kapcsolatos vizsgálatok sikere miatt szorult háttérbe az elmúlt évtizedekben. A modern immunológia születése a XX. század második felére tehető, mely során tisztázódott az immunrendszer sejtjeinek, a limfocitáknak a szerepe, az immunrendszer működésének elve, a klónszelekción alapuló immunitás. Ismertté vált, hogy szemben az eredeti konformációban antigéneket felismerni képes B limfocitákkal, a T-sejtek a komplex fehérje antigének úgynevezett antigénbemutató sejteken belül történő, peptidekké való lebontása után képesek csak antigénfelismerésre. Nyilvánvalóvá vált, hogy ennek a pepidfelismerésnek alapvető sajátossága az MHC restrikció, azaz csak saját MHC-molekulákkal való együttes antigénbemutatás vezethet a T-sejtek aktivációjához. A hibridóma technika kifejlesztése révén lehetőség nyílt arra, hogy monoklonális antitesteket hozzunk létre, melyek egyedi specifitása elvezetett az immunrendszeri sejtek működésének molekuláris jellemzéséhez. Megismerhettük a sejtek aktiválásának feltételeként az antigénfelismerő receptor ligandkötése mellett az úgynevezett ko-stimulációs szignálok jelentőségét, számos ismeret birtokába jutottunk az immunrendszeri sejtek aktivációjához vagy éppen funkciójuk gátlásához vezető jelátviteli utakat illetően. Fény derült a T-sejt alpopulációk egyensúlyának jelentőségére (Th1/Th2), a dendritikus sejtek megkülönböztetett szerepére az immunválasz kimenetelének meghatározásában. Legutóbb többek között a regulátoros T-sejtek felfedezése és a pathogénekre jellemző molekuláris mintazatot (PAMP) felismerő fehérjek közé tartozó, eredetileg ecetmuslicában leírt, az embrió dorsoventrális tengelyének kialakításában szerepet játszó Toll fehérjéhez szerkezetileg hasonló receptorcsalád (Toll-like receptor - TLR) tagjainak a természetes immunitás sejtjein való kifejeződése, és azok szerepe került az immunológia fókuszába. Eközben az esetek túlnyomó többségében az antigénspecifikus immunválasz vizsgálata a fehérje antigénekkel szembeni immuntás vizsgálatára szorítkozott.

Az immunológia tankönyvek is szűkszavúan emlékeznek meg a többnyire T-sejt independens antigénként vagy hapténként emlegetett szénhidrát struktúrákról, melyekkel szemben elsősorban IgM típusú antitestek termelődnek szervezetünkben.

Pedig Karl Landsteiner AB0 vércsoport-rendszerrel szembeni alapvető megfigyelései közel százévesek. Az 1930-ban Nobel-díjban részesült tudós a szénhidrát-immunológia alapjait fektette le a vörösvértestek felszínén jelen lévő antigénrendszer leírásával. Az A vércsoporthoz tartozó személyek vörösvértest felszíni antigénjeit mindössze egyetlen N-acetil galaktózamin különbözteti meg a B vércsoportú egyénekétől, akik antigénjében ugyanazon oligoszaccharida-lánchoz terminálisan az N-acetil galaktózamin helyett galaktóz kapcsolódik, míg a 0-s vércsoport esetében a fent említett terminális monoszaccharidák egyike sincs jelen.

Közismert, hogy az A vércsoportú személyek B vércsoport-antigénnel szembeni keringő antitestekkel rendelkeznek, míg azokban, akik a B vércsoporthoz tartoznak, anti-A keringő antitestek vannak jelen (a jelenség hátterében feltehetőleg mikrobiális, például bélbaktérium eredetű szénhidrát antigénekkel való szenzibilizáció áll). A 0-s vércsoportú személyekben mind anti-A, mind anti-B antitestek jelen vannak, míg az AB vércsoportú személyek nem rendelkeznek keringő antitesttel az A vagy B antigének ellen.

A fentiek alapján három alapvető következtetést is levonhatunk:

1. Létezik szénhidrát-specifikus immunitás emberben;

2. Szénhidrát-specifikus immuntolerancia is kell hogy létezzék, hiszen adott vércsoporthoz tartozó személyek esetében nem mutathatók ki a saját vércsoport antigénekkel szembeni, keringő antitestek;

3. Ennek a szénhidrát antigénekkel szemben kialakuló antitestválasznak genetikai meghatározottsága kell hogy legyen, hiszen az AB0 vércsoportrendszer közismert módon öröklődik.

Napjainkra már ismert az AB0 lókusz (9q34.1- 34.2), ahol gikozil transzferáz enzim gén található. Az is ismertté vált, hogy a 0 allél lényegében megegyezik az A alléllel, a különbség mindössze egyetlen bázis deléciója (258-G), amely révén eltolódik a genetikai kód leolvasási kerete (frame shift), így erről a kódról nem keletkezik funkcióképes glikozil transzferáz enzim.

A B allél esetében is csak néhány bázis különbség figyelhető meg, és a fehérje termék is mindössze négy aminosavban tér el az A allél által kódolt enzimfehérjétől.

Eddig 88 allélvariánst írtak le 52 polimorf helyen az AB0 kódoló régión belül.

Fenti példából kiderül, hogy a korai, szénhidrát-specifikus immunreaktivitásra vonatkozó megfigyelések értelmezéséhez a modern genomika nyújthat értékes segítséget.

Az a meglepő felismerés, hogy a humán genom génjeinek száma mindössze 20-30 ezer közötti, egyértelműen felhívta a figyelmet a poszt-transzlációs módosulások jelentőségére.

Miközben az elmúlt évtizedekben az immunológiában a figyelem a fehérje antigének immunfelismerésére összpontosult, addig a szénhidrát antigének szerkezeti sokfélesége messze felülmúlja a fehérjéket.

Ha a hat elemből felépülő szerkezeteket tekintjük, a különbség magáért beszél (Laine, 1997):

Hexamer struktúrák


Hexanukleotidok		4096 variáns

Hexapeptidek		6,4 x 106 variáns

Hexaszaccharidok	1,44 x 1015 variáns

Figyelembe véve, hogy az immunrendszer számára a B-sejt receptorok esetében hozzávetőlegesen 1013 féle, a T-sejt receptorok esetében 1018 féle receptorspecifitás áll rendelkezésre, felvetődik a kérdés, hogyan birkózik meg immunrendszerünk a szénhidrátstruktúrák hatalmas diverzitásával. Elképzelhetetlennek tűnik, hogy az immunrendszer minden egyes szénhidrátstruktúra specifikus felismerésére külön antigénreceptor-fehérjét hozzon létre.

Feltételezhetjük tehát, hogy léteznek az immunrendszer esetében olyan, a rendkívül sokféle szénhidrátszerkezetet kevesebb közös nevezőre hozó, "receptorgén-takarékos" stratégiák, melyek segítségével az immunrendszer elemei képesek a saját-idegen, ártalmas-ártalmatlan szénhidrát antigének megkülönböztetésére.

Mint korábban említettük, polimer szénhidrátstruktúrák TI-2 (thymus independent 2) típusú antigénként a B-sejt receptor többszörös keresztkötése révén aktiválnak B-sejteket. Számos TI-2 antigén esetében a CD5+ B1 B-sejtek szerepét írták le. A B1 B-sejtek polireaktív, kevéssé specifikus IgM antitesteket termelnek. A polireaktív szénhidrát-specifikus IgM antitestek önmagukban is egyfajta "egyszerűsítő" stratégiát képviselhetnek a szénhidrát antigénekkel szembeni immunválasz során.

A közelmúlt vizsgálatai még közelebb vihetnek bennünket a szénhidrát antigénekkel szembeni "gazdaságos" immunfelismerés megértéséhez.

1. A konvergens epitóp (antigén determináns) felismerés stratégiája

A közelmúltban leírt megfigyelés szerint két, egymástól függetlenül létrehozott, Lewis Y tetraszacchariddal (Fuc (alfa1->2) Gal(béta1R4) [Fuc(alfa1->3)] GlcNac) reagáló monoklonális antitest szinte tökéletesen megegyező stratégiát (lényegében azonos antigénkötést kialakító aminosavakat) alkalmazott, mely jelentős hasonlóságot mutatott egyszersmind egy lektin (a Lectin IV of Griffonia simplicifolia) ugyanazon tetraszaccharidot kötő szerkezetével (Ramsland et al., 2004).

A fenti jelenséget, a különböző immunrendszeri receptorok konvergens, konzervált szénhidrát antigén-kötő stratégiáját számos különböző munkacsoport eredményei megerősítik.

2. Az indukált illeszkedés (induced fit) stratégiája

Bakteriális lipopoliszaccharid (LPS) ellen hoztak létre olyan szénhidrát-specifikus monoklonális ellenanyagot, mely egyaránt reagál a terminális monoszaccharid egységben megegyező tri-, di- és monoszaccharida epitópokkal (Nguyen et al, 2003). A fenti monoklonális ellenanyag szabad és ligandkötött formáinak kristályszerkezeti vizsgálata szerint a szabad és bármely szénhidrát ligandot kötő forma térszerkezete között lényeges különbség mutatkozott: az immunglobulin nehézlánc 3-as antigén-kötő hurok részletének (CDR H3) konformációja bármely ligandkötött formában azonos volt, de jelentősen eltért a szabad fomáétól.

Feltehetőleg a fenti mechanizmus, tehát a konzervált terminális monoszaccharidát kötő zseb mellett meglévő jelentős flexibilitás lehetővé teszi, hogy szénhidrátkötő antitestek több, különböző hosszúságú szénhidrátstruktúrával kapcsolódni tudjanak.

3. Az antitest domén-kicserélődés stratégiája (Calarese et al., 2003)

Az AIDS okozója, a HIV vírus gp120 glikoproteinje ellen létrehozott, Man9GlcNac2 epitópot felismerő monoklonális antitest esetében figyeltek fel a jelenségre. Már a negatívan festett elektronmikroszkópos felvételeken feltűnt, hogy a fenti antitest esetében a jellegzetes Y alakú antitestmolekula képe módosul: az Y két felső karja szokatlanul közel helyezkedik el egymáshoz, szinte párhuzamosak mind a szabad, mind a ligandkötött forma esetében. A kristályszerkezeti vizsgálatok hasonlóképpen azt igazolták, hogy a két nehézlánc variábilis régiói (VH) egymással mintegy összefekve egy új közös antigén-kötő domént hoznak létre a két, hagyományos nehéz és könnyű láncok által alkotott VH -VL domén mellett: a VH-VH domént. E stratégia révén lehetővé válik, hogy egy adott antitest egymáshoz közel elhelyezkedő epitópok clusterével létesítsen kapcsolatot.

Glikolipid antigének T-sejtek általi felismerése

A glikolipid antigéneket az immunrendszer nem az igen polimorf MHC/HLA molekulákkal mutatja be, hanem a nem polimorf CD1 molekulák révén.

A CD1b-restrikcióval glikolipid antigént felismerő T-sejtek számára a megfigyelések szerint viszonylag közömbösnek bizonyulnak a lipid farkak változásai. A CD1 molekula hidrofób gödre meglehetősen aspecifikus módon köti az acil csoportokat, így a hidrofil szénhidrátrészletek szabadon hozzáférhetőek a specifikus T-sejt receptorok számára (Moody et al., 1997).

A CD1d restrikcióval glikolipideket felismerő NKT-sejtek a közelmúltban az immunológia fókuszába került, immunregulációban részt vevő sejtek, melyek igen korlátozott T-sejt receptorrepertoárral rendelkeznek. Ez a korlátozott receptor repertoár szintén példázza az igen sokféle szénhidrát struktúra leegyszerűsített, konvergens és gazdaságos immunfelismerését.

MHC-I restrikciójú glikopeptid bemutatás T-sejtek számára

Érdekes helyzetet írtak le a közelmúltban egy MUC1 glikopeptid MHC-I molekulához kötött formája esetén (Apostolopoulos et al., 2003). Kiderült, hogy a glikopeptid N acetil galaktózamin része a mélybe, a peptidkötő gödör feneke felé tekintve MHC-horgonykényt funkcionál, jelentősen megnövelve a peptid MHC-hez való kötődésének erősségét. Így nemcsak, hogy külön glikopeptid-specifikus receptorszerkezetre nincs szükség, hanem a glikoziláció ilyen formában segítheti a lehorgonyzott peptid epitóp T-sejtek általi felismerését.

Ismerünk azonban példát arra is, hogy miközben a peptid hagyományos módon rögzül az MHC-I molekula peptidkötő gödrében, a hozzá kapcsolódó szénhidrát struktúrák előemelkednek a gödör szintjéből, és a T-sejt receptor felé tekintenek. A glikoziláció helye kulcsfontosságúnak tűnik a peptiden belül. A centrális aminosavakhoz kapcsolódó mono- vagy diszaccharid szerkezetek esetén, mind az a/b, mind a g/d T-sejtek receptora képes specifikus kapcsolatot létesíteni a glikopeptiddel és a peptidkötő gödröt határoló két a hélix egyes részeivel. Azonban úgy tűnik, a gödör és a határoló a hélixek szintjéből való jelentősebb előemelkedés (például a peptidhez kacsolódó triszaccharid esetén, már nem kedvez az alfa/béta T-sejtek általi felismerésnek, ilyen glikopeptideket a gamma/delta T-sejtek receptora képes felismerni (Speir et al., 1999).

MHC-II restrikciójú glikopeptid bemutatás T-sejteknek

Egyes bakteriális poliszaccharidák ikerionos karakterűek (zwitterionic polysaccharide - ZPS), az ismétlődő diszaccharida egységek alternálva hordoznak COO- és NH3+ csoportokat. Ilyen ikerionos poliszaccharidák esetében leírták a szénhidrát antigének antigénbemutató sejteken belüli, MHC-II molekula segítségével történő bemutatását alfa/béta T-sejtek számára. Az extracelluláris eredetű ZPS antigének sejten belüli lebontásáért nem lizoszomális enzimek felelősek, hanem az oxidative burst során a NOS enzim hatására keletkező nitrogénmonoxid (Cobb et al., 2004).

Napjainkra számos technikai problémát sikerült megoldani az oligoszaccharid-szintézist és szekvenálást illetően, hozzáférhetőkké váltak az első microarray alapú szénhidrát chipek, melyek felhasználásával egyidejűleg igen nagyszámú szénhidrát vizsgálható.

A vércsoport antigénekkel kapcsolatban említett példa is mutatja, hogy a genomika eszköztára segítségével feltárhatjuk a glikoziláció genetikailag meghatározott hátterét. A glikozil transzferáz és glikozidáz enzimek polimorfizmusainak, a glikozilációs helyeket érintő genetikai változatoknak, a szénhidrát epitópokat utánozni képes peptidek genetikai meghatározottságának a vizsgálata közelebb vihet bennünket a betegségekkel asszociált glikozilációs változások megértéséhez. A bioinformatika és a proteomika lehetőségeit egyesítve a kibontakozó új tudomány, a glikomika gazdagodó eszköztárával lehetőség nyílhat a szénhidrát-fehérje kapcsolódás teljesebb megértésére, a szénhidrát-specifikus immunrepertoár teljes feltérképezésére.

Mindezen eredmények birtokában a fertőző, autoimmun és malignus megbetegedésekkel szembeni vakcinák tervezése új korszakba léphet.


Kulcsszavak: szénhidrát, immunitás, antigén receptorok, glikoprotein, glikomika


Irodalom

Apostolopoulos, Vasso - Yuriev, E. - Ramsland, P. A. - Halton, J. - Osinski, C. - Li, W. - Plebanski, M. - Paulsen, H. - McKenzie, I. F. (2003): A Glycopeptide in Complex with MHC Class I Uses the GalNAc Residue as an Anchor. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 100, 15029-15034.

Calarese, Daniel A. - Scanlan, C. N. - Zwick, M. B. - Deechongkit, S. - Mimura, Y. - Kunert, R. - Zhu, P. - Wormald, M. R. - Stanfield, R. L. - Roux, K. H. - Kelly, J. W. - Rudd, P.M. - Dwek, R. A. - Katinger, H. - Burton, D. R. - Wilson, I. A. (2003): Antibody Domain Exchange is an Immunological Solution to Carbohydrate Cluster Recognition. Science. 300, 2065-2071.

Cobb, Brian A. - Wang, Q. - Tzianabos, A. O. - Kasper, D. L. (2004): Polysaccharide Processing and Presentation by the MHCII Pathway. Cell. 117, 677-687.

Laine, Roger A. (1997): The Information-storing Potential of the Sugar Code. In: Gabius, Hans-Joachim - Gabius, Sigrun (eds.): Glycosciences: Status and Perspectives. Chapmann & Hall, London, Weinheim, 1-14.

Moody, D. Branch - Reinhold, B. B. - Guy, M. R. - Beckman, E. M. - Frederique, D. E. - Furlong, S. T. - Ye, S. - Reinhold, V. N. - Sieling, P. A. - Modlin, R. L. - Besra, G. S. - Porcelli, S. A. (1997): Structural Requirements for Glycolipid Antigen Recognition by CD1b-restricted T Cells. Science. 278, 283-286.

Nguyen, Hoa P. - Seto, N. O. - MacKenzie, C. R. - Brade, L. - Kosma, P. - Brade, H. - Evans, S. V. (2003): Germline Antibody Recognition of Distinct Carbohydrate Epitopes. Natural Structural Biology. 10, 1019-25.

Ramsland, Paul A. - Farrugia, W. - Bradford, T. M. - Mark, Hogarth P. - Scott, A. M. (2004): Structural Convergence of Antibody Binding of Carbohydrate Determinants in Lewis Y Tumor Antigens. Journal of Molecular Biology. 340, 809-18.

Speir, Jeffrey A. - Abdel-Motal, U. M. - Jondal, M. - Wilson, I. A. (1999): Crystal Structure of an MHC Class I Presented Glycopeptide That Generates Carbohydrate-specific CTL. Immunity. 10, 51-61.


<-- Vissza a 2005/6 szám tartalomjegyzékére