Строение главного комплекса гистосовместимости

Анализ физиологической роли иммунного ответа, представленный в предыдущих главах, свидетельствует о том, что его регуляция является одной из основных функций организма. Эта функция принадлежит генам главного комплекса гистосовместимости — MHC (от Major Histocompatibility Complex). При этом следует принять во внимание, что само это название отражает скорее историю открытия данной генетической системы, чем её основную функцию. Дело в том, что история открытия первых продуктов генов главного комплекса гистосовместимости, называемых у человека АгHLA (от Human Leucocyte Antigens), связана именно с появлением и развитием трансплантационной иммунологии, когда возникла необходимость подбора тканесовместимых пар донора и реципиента [93]. Сегодня же известно, что роль системы MHC в отторжении трансплантата является лишь одной из частных физиологических функций этой системы.

По современных представлениям система HLA, обеспечивая регуляцию иммунного ответа, осуществляет такие важнейшие физиологические функции как взаимодействие всех иммунокомпетентных клеток организма, распознавание своих и чужеродных, в том числе, изменённых собственных клеток, запуск и реализацию иммунного ответа, обеспечение временной толерантности организма матери к тканенесовместимому плоду в период его вынашивания и, в целом, обеспечивает выживание человека, как вида, в условиях экзогенной и эндогенной агрессии [149].

Основные функции системы MHC перечислены в табл. 16. Все многообразие указанных функций обеспечивается строением главного комплекса гистосовместимости. Приведённые в таблице представления о физиологических функциях системы HLA свидетельствуют о том, что именно эта система осуществляет регуляцию функций иммунной системы человека. В 80-х годах даже дискутировался вопрос о переименовании системы HLA в главный комплекс генов иммунного ответа человека, но учитывая то, что старое историческое название давно укоренилось среди исследователей, решено было не менять его.

Система HLA, открытая более чем 40 лет назад, по-прежнему остаётся одной из самых сложных, наиболее хорошо изученных и, вместе с тем, загадочных генетических структур в геноме человека. Так, если ещё в 1987 году расстояние между его условными границами оценивалось в 2000 kb, то на сегодняшний день оно расширено более чем в 2 раза, причём протяженность отдельных его элементов — генных кластеров — колеблется в широких пределах в зависимости от HLA–гаплотипа [532].

Таблица 16. Основные физиологические функции системы HLA

Современная карта главного комплекса гистосовместимости человека представлена на рисунке 32. Следует отметить, что все гены HLA локализованы в коротком плече хромосомы б и разделяются на три группы, экспрессирующие охарактеризованные гены, псевдогены и гены с неустановленной функцией. На основании исследования главных комплексов гистосовместимости различных видов высших организмов был сделан вывод о том, что этот генный комплекс расширялся за счёт дупликации, что в свою очередь давало определённые преимущества организмам с более полиморфной системой HLA в процессе эволюции. Однако вопрос о том, какие причины привели к подавлению экспрессии ранее функционировавших генов в составе MHC, остаётся открытым [148, 328].

Представления о строении системы HLA развивались и развиваются в течение всего периода её изучения, однако, за последние годы произошел качественный скачок в развитии этой проблемы. Раньше, когда основным объектом исследования могли служить только белки — Аг HLA, представления о комплексе генов HLA могли формироваться в основном на анализе косвенных данных, включающих изучение HLA–Аг в популяциях, в семейном анализе, в реакциях, субстратом которых были HLA–Аг и т.д. Теперь, благодаря развитию молекулярной генетики и молекулярной иммунологии, появилась возможность не только проводить тонкий анализ Аг HLA, но и изучить сами гены HLA. Наибольшие успехи в этом направлении были достигнуты после открытия и внедрения в исследования системы HLA метода ПЦР, позволяющего анализировать необходимые для исследований участки ДНК, что, в свою очередь открыло широкие возможности для быстрого и точного анализа молекулярного полиморфизма системы HLA [401].

Прежде чем перейти к непосредственному описанию строения генов HLA, следует отметить, что внедрение в исследования системы HLA молекулярно–генетических методов не только позволило конкретизировать представления о системе HLA, но и значительно расширило представления о её полиморфизме, при этом были открыты многие новые аллели классов I, II и III, а общее количество только известных специфичностей HLA классов I и II увеличилось более чем в 10 раз.

Для того, чтобы лучше представить соотношение белковых молекул системы HLA и кодирующих их генов, нам представлялось целесообразным привести схему, предложенную R. Wassmuth, удачно сочетающую взаимоотношения указанных параметров [587]. Как следует из этой схемы (рис. 33), молекулы HLA класса I состоят из полиморфной a–цепи с молекулярной массой приблизительно 45 кД и неполиморфной — b₂–микроглобулина (b₂-m) с молекулярной массой 11.5 кД, кодируемой геном, локализованным в 15-й хромосоме. Гликозилированная a–цепь состоит из трёх экстрацеллюлярных доменов (a₁, a₂, и a₃), трансмембранного домена и интрацеллюлярного якоря (рис. 33 — верхняя половина). Экзон-интронная структура генов класса I в общем отражает деление на функциональные домены (рис. 33 — нижняя половина). Как правило, гены HLA класса I состоят из 8 экзонов, общей протяженностью 3, 5 kb. Основной полиморфизм локализован в доменах a₁и a₂, кодируемых экзонами 2 и 3. Пространственная структура Аг HLA класса I была определена на примере Аг HLA–A2 исследователями из группы P.Bjorkman [137, 138]. Для этих целей использовали растворимый Аг HLA–A2, полученный отщеплением с помощью папаина надмембранного участка молекулы. Проведённый рентгеноструктурный анализ позволил построить пространственную модель Аг с точностью 0, 26 нм. Было установлено, что Аг HLA–A2 состоит из 2-х наборов структурно гомологичных доменов: один набор образуется за счёт a₃ и b₂-m–доменов, расположенных по соседству с мембраной; другой набор формируется a₁- и a₂–доменами, расположенными в отдалении от поверхности клетки. Общий вид молекулы представлен на рисунке 34 а и б.

Рис. 32. Система HLA (схема). Пояснения в тексте.

Рис. 33. Взаимосвязь белковой и генной организации молекул HLA классов I и II. Показаны зкзон/интронная организация α –цепи Аг HLA класса Ι, α - и β –цепей Аг HLA класса II и полипептидные домены молекул HLA, которые они кодируют: L — лидерный пептид; Тm — трансмембранный регион; Cyt — внутриклеточный регион; 3'UT — З'-нетранслируемый регион.

Рис. 34. Пространственное строение антигена HLA–A2 класса I по данным рентгеноструктурного анализа. α — вид сбоку; б — вид сверху. Стрелками изображены участки антипараллельнойβ ‑ структуры, спиралями — α –спиральные фрагменты.

Как видно из рисунка, a₃- и b₂-m–домены имеют структуру b-складчатого листа и, таким образом, напоминают константный участок иммуноглобулина. Молекула образуется за счёт двух антипараллельных р-складок, соединенных внутренним дисульфидным мостиком. Одна складка состоит из 4-х, а вторая — из 3-х b-последовательностей. Общая укладка a₁- и a₂–доменов не имеет ничего общего с константными и вариабельными участками иммуноглобулинов, хотя a₂–домен и содержит дисульфидную связь, напоминающую связь подобного рода в иммуноглобулиновых доменах. Между b₂-m, a₁- и a₂–доменами наблюдают более плотный контакт, чем между a₁- и a₂- и наиболее близким к поверхности клетки a₃–доменом. Таким образом, b₂-m как бы поддерживает пространственно ориентированные a₁- и a₂–домены. Кроме того, b₂-m–домен является стержневым для укладки a₃–домена. Наибольший интерес представляет, безусловно, организация a₁- и a₂–доменов, поскольку именно эта часть молекулы ответственна за HLA–peстриктированное распознавание Аг T–клеточными Рц [247, 376]. Несмотря на то, что гомология между такими доменами менее выражена, они имеют общую структурную организацию и происхождение, поскольку появились вследствие дупликации генов.

Каждый из доменов состоит из антипараллельных b-тяжей, сформированных 4 фрагментами молекулы, дающими в итоге N–концевую часть каждого из доменов. Далее у каждого из доменов имеется C–концевой a–спиральный район. При объединении доменов формируется «платформа» из b-тяжей двух доменов. a-Спирали располагаются по бокам этой сформированной «платформы» под углом 40° к её оси, то есть a₁- и a₂–домены образуют желоб или «корзину», дно которой образовано b-структурой, а боковые части — a-спиралями. Данный регион по размеру приблизительно составляет 0, 25´ 0, 1´ 0, 11 нм и может связывать пептиды длиной 9–11 АК. Спиральные участки a₁-и a₂–доменов состоят из 2-х a-спиралей. Первая спираль a₁–домена является более короткой (1, 5 оборота, АК–остатков 50–55), за которой следует более длинная вторая a–спираль (7, 5–8 оборотов, АК–остатков 57–85); угол между ними 110°. Спиральный район a₂–домена также начинается с короткой a–спиральной последовательности (около 3-х оборотов, или 138–148АК–остатков), затем следует длинная спираль (АК–остатков 150–175); угол между ними 130°. Глубокий «желоб» между a-спиралями a₁– и a₂–доменов является антигенсвязывающим участком. На дне его имеются углубления — «карманы», принимающие непосредственное участие в связывании пептидов. Размер всей молекулы составляет 0, 7 нм в длину, а её экстрацеллюлярная часть — от 0, 4 до 0, 5 нм в поперечнике [532].

Вслед за кристаллографическим анализом Аг HLA–A2 был выполнен анализ Аг класса I, кодируемых аллельными вариантами HLA–A*0201, HLA–A*6801 и HLA–B*2705 [247, 376].

Сравнительный анализ пространственной структуры этих Аг выявил их принципиальную близость. В то же время оказалось, что АК–остатки a₁- и a₂–доменов варьируются между аллельными вариантами молекул HLA класса I. Так, при сравнении трёх молекул HLA–A*0201, HLA–A*6801 и HLA–B*2705 было установлено, что различие между ними касается 11 АК, находящихся в антигенсвязывающей бороздке. Эти различия при кристаллографическом анализе, в свою очередь, меняют очертания карманов Аг–связывающего сайта [247, 376]. Как указывалось, размер желоба таков, что в нем может разместиться пептид, состоящий из 9–11 АК–остатков. При этом концы желоба у Аг гистосовместимости класса I закрыты в результате взаимодействия боковых цепей АК–остатков a–спиральных участков и крайних a-тяжей. Подобная рельефная структура пептидсвязывающего участка Аг гистосовместимости, отличающая их от более плоского антигенсвязывающего центра АТ, не позволяет образовывать комплексы с нативными белками.

Исследование структуры пептидов, способных взаимодействовать с определённым аллельным вариантом Аг гистосовместимости, позволило установить, что они имеют общие структурные черты, а именно, наличие 2–3 консервативных АК–остатков, расположенных в определённых положениях пептида. Боковые цепи этих АК располагаются в карманах дна корзины, обеспечивая достаточно прочное связывание пептида. Как правило, пара карманов находится на участках, где располагаются N– и C–концевые фрагменты пептида, в то время как его центральная часть располагается свободно, что позволяет размещаться в щели пептидам разного размера и различной структуры. Профиль и характер (ионный, гидрофильный, гидрофобный) карманов варьируются от аллеля к аллелю, что обеспечивает разнообразие специфичностей Аг гистосовместимости [532].

По данным рентгеноструктурного анализа [169] пространственная структура пептидсвязывающего участка Аг HLA класса II (HLA–DR1) имеет те же главные черты, что и Аг HLA–A, -B. Молекулы HLA класса II (рис. 33 — верхняя половина) состоят из тяжёлой a- и лёгкой b–цепи с приблизительной молекулярной массой 33–35 и 29 кД, соответственно. Обе цепи имеют два внеклеточных домена (a₁, a₂ и b₁, b₂), трансмембранный регион и интрацеллюлярный якорь (рис. 33). N–концевые a₁- и a₁–домены вместе образуют антигенсвязывающую бороздку молекул класса П. Трехмерная структура молекул HLA класса II имеет выраженное сходство с молекулами класса I [138, 563]; это относится, в частности, и к антигенсвязывающей бороздке, которая также состоит из восьмиполосного b-складчатого листочка и двух a-спиралей.

В отличие от молекул HLA класса I, антигенсвязывающая бороздка молекул HLA класса II «открыта» с двух сторон, поэтому она может связывать более длинные фрагменты белков (15–30 АК). При этом они могут выступать за пределы антигенсвязывающей бороздки. Ген a–цепи класса II состоит из 5 экзонов. Ген b–цепи несет добавочный экзон, кодирующий последовательности цитоплазматического домена. Наибольшим полиморфизмом отличаются N–концевые a₁- и b₁–домены, кодируемые экзоном 2. При этом связывающие сайты ab-димеров имеют противоположную направленность.

Размер пептидов, элюированных с Аг MHC класса II, достигал 30 АК–остатков. Пептид располагается в желобе в вытянутом положении [532].

Модель комплекса, образуемого пептидами с Аг HLA, основана на представлении о том, что вариабельные АК–остатки Аг, расположенные внутри желоба, ответственны за связывание с пептидами, а АК–остатки, локализованные на находящихся внутри желоба участках a-спиралей или на их наружной поверхности, взаимодействуют с T–клеточным Рц.

Структурные исследования комплексов пептид–молекула HLA показывают, что один и тот же аллельный вариант Аг HLA может связывать целый ряд пептидов, обладающих общими структурными чертами (якорными АК–остатками). Благодаря этому Аг, кодируемые различными аллелями HLA класса I и II, могут связывать тысячи различных пептидов [286]. При этом ещё раз следует напомнить, что Аг HLA, серологически выявляемые как один Аг, но включающие в свой состав различные аллельные варианты, характеризуются различающимся профилем связи с этими пептидами. Понимание этого принципиально важно. Поскольку речь идёт о белковых молекулах HLA, осуществляющих презентацию тех или иных пептидов, то только на основании геномного анализа (HLA–генотипирования) можно прогнозировать какие пептиды и как они будут представлены соответствующими структурами комплекса HLA [457]. Таким образом, различия, выявляемые на аллельном уровне, реализуются в возможности связывания конкретных пептидов внутри пептидсвязывающей бороздки [503]. Следует также отметить, что имеется достаточно выраженный межаллельный полиморфизм в отношении связывания и презентации не только чужеродных, но и собственных пептидов — компонентов молекул HLA. Последняя функция, физиологическая роль которой, по-видимому, состоит в распознавании «своё-чужое», может также реализоваться и в патологическом процессе в случае нарушения количественного уровня представляемых аутопептидов, что имеет место, например, при развитии аутоиммунных заболеваний [224, 286, 343]. Говоря о разнообразии в связывании и представлении пептидов, которое обеспечивает аллельный полиморфизм системы HLA, следует также отметить, что не все молекулы HLA, различающиеся по кодирующему их аллельному варианту, имеют равные количества лигандов, принимающих участие в связывании тех или иных пептидов, а следовательно и равные возможности такого связывания. Так, например, одна лишь молекула HLA–A2, кодируемая аллельным вариантом HLA–A*0201, имеет 258 уже охарактеризованных лигандов, в то время как для 2/3 молекул HLA–A (учитывая все их аллельные варианты) эта цифра не превышает 10 [514].

Такого рода различия не могут не сказаться на определённых физиологических преимуществах или, напротив, «изъянах», как в обеспечении развития специфического противовирусного иммунитета, так и в выявлении злокачественно трансформированных клеток и, соответственно, в предотвращении развития онкологических заболеваний [254]. Таким образом, наличие в HLA–генотипе человека определённых аллельных вариантов тех или иных молекул HLA оказывает значительное влияние на реализацию иммунного ответа против факторов, существенным образом влияющих на выживание данного индивида. Не случаен поэтому тот факт, что HLA–A*0201 является одним из высокочастотных аллельных вариантов, во всяком случае, в большинстве европеоидных популяций. Этот факт является ещё одним проявлением физиологической роли системы HLA в обеспечении выживания человека как биологического вида.

В этом плане Аг HLA резко отличаются от иммуноглобулиновых молекул, обладающих специфичностью, близкой к уникальной. Тем не менее, отдельно взятая молекула Аг гистосовместимости способна связывать ограниченный круг пептидов. Поэтому, для того чтобы отдельные чужеродные белки не могли избежать иммунологического распознавания, необходимо присутствие на клеточной мембране целого набора Аг гистосовместимости, включающих в гетерозиготном состоянии по 2 Аг каждого из локусов системы HLA. Отсюда же ясно, что появление гомозигот по АгHLA является чрезвычайно невыгодным для организма с физиологической точки зрения.

Скорость связывания пептида с молекулами HLA для живых клеток достаточно высока. Так, равновесие в связывании достигается уже через 60 мин [179]. Как указывалось выше, некоторые пептиды могут представляться различными Аг гистосовместимости класса II, но в то же время в некоторых случаях T–клеточный Рц не способен распознать пептид, представляемый конкретными Аг класса II [494], результатом чего и является ассоциированная с конкретным HLA–аллелем «неотвечаемость» организма на какой-то конкретный агент.

Следует также отметить, что подобная ситуация известна для Аг HLA класса I, когда среди HLA–аллелей класса I (локусы А и В), представляющих пептиды вируса гриппа, были выявлены аллельные варианты, не индуцировавшие T–клеточного распознавания в HLA–рестриктированном ответе [183].

На сегодняшний день анализ HLA–генотипов на уровне установления аллельного полиморфизма в сопоставлении с данными об иммуногенных эпитопах тех или иных возбудителей заболеваний позволяет не только объяснить факты резистентности отдельных индивидов к тем или иным инфекциям [177, 277], но и предсказать, каким образом та или иная вакцина, и в первую очередь, построенная на пептидной основе, будет «работать» среди представителей той или иной этнической группы в зависимости от HLA–профиля последней [479, 527]. Естественно, что необходимым компонентом для реализации указанного достижения молекулярной генетики является необходимость знания HLA–профиля этнических групп, населяющих ту или иную страну или регион. Это особенно важно для такой многонациональной страны, как Россия, в которой HLA–профиль населяющих её этнических групп, как показано нашими данным, весьма различен.

Таким образом, следует ещё раз подчеркнуть, что, выполнению всего многообразия физиологических функций системы HLA способствует её крайне выраженный полиморфизм, который определяется как наличием различных классов Аг HLA, так и достаточно сложной их организацией. Этому же способствует кодоминантный тип наследования HLA–Аг, при котором каждый человек получает по половине своего HLA–генотипа от каждого из родителей, то есть из каждого локуса, кодирующего два Аг, один наследует от отца и один от матери.