Antigenpresentation och MHC

Antigenpresentation gör cellers proteininnehåll och upptagna material åtkomligt för T-cellsövervakning genom att peptider binds till MHC-molekyler, hos människa benämnda HLA. MHC klass I och II använder skilda men överlappande processningsvägar som kopplar antigenets ursprung till aktivering av CD8- respektive CD4-positiva T-celler.

Grundprinciper: från protein till T-cellsigenkänning

Antigenprocessning innebär att proteiner bryts ned till peptider som kan bindas av MHC-molekyler. Antigenpresentation är exponeringen av dessa peptid–MHC-komplex på cellytan. T-cellsreceptorn, TCR, känner alltså inte igen fritt eller lösligt proteinantigen, utan en sammansatt yta bildad av både peptiden och den presenterande MHC-molekylen.

Denna princip kallas MHC-restriktion: en T-cell reagerar på en viss peptid endast när den presenteras av en kompatibel MHC-allel. Huvudvägarna är:

Indelningen är funktionell men inte absolut. Exogena antigen kan korspresenteras via MHC I, medan intracellulärt material kan nå MHC II-systemet genom bland annat autofagi.

MHC-molekylernas struktur, uttryck och HLA-genetik

MHC klass I består av en polymorf tung α-kedja, icke-kovalent associerad med β2-mikroglobulin. Den peptidbindande fåran bildas av α1- och α2-domänerna och är sluten i ändarna, vilket begränsar peptidlängden. Peptidens terminaler förankras i fåran, medan sidokedjor på definierade positioner binder allelspecifika fickor.

MHC klass II är en polymorf αβ-heterodimer. Fåran bildas av α1- och β1-domänerna och är öppen i båda ändar. Därför kan längre peptider binda, med aminosyror som skjuter ut utanför fåran.

Hos människa kodas de klassiska molekylerna av:

• MHC I: HLA-A, HLA-B och HLA-C.
• MHC II: HLA-DP, HLA-DQ och HLA-DR.

HLA-generna uttrycks kodominant, så både maternella och paternella alleler bidrar till individens presentationsrepertoar. Den extrema polymorfismen är koncentrerad till peptidbindande delar av molekylerna och avgör vilka peptidmotiv som kan bindas.

MHC I finns på nästan alla kärnförande celler; erytrocyter saknar uttryck. MHC II uttrycks framför allt av dendritceller, makrofager och B-lymfocyter. IFN-γ kan öka MHC-uttrycket och inducera MHC II på vissa epitel-, endotel- och andra vävnadsceller, men dessa saknar ofta tillräcklig kostimulering för effektiv priming av naiva T-celler.

MHC klass I-vägen: övervakning av cytosoliska proteiner

MHC I-systemet avspeglar den löpande omsättningen av intracellulära proteiner, inklusive normala självproteiner, defekta translationsprodukter, virusproteiner och tumörassocierade eller muterade proteiner.

Processen omfattar följande steg:

1. Proteiner märks ofta med ubiquitin och bryts ned i proteasomen.
2. Peptider, vanligen 8–10 aminosyror långa efter slutlig trimning, transporteras från cytosolen till endoplasmatiskt retikel via TAP, transporter associated with antigen processing.
3. MHC I:s tunga kedja associeras med β2-mikroglobulin och ett peptidladdningskomplex.
4. Tapasin kopplar MHC I till TAP och främjar selektion av stabilt bindande peptider. Kalretikulin och ERp57 bidrar till veckning och kvalitetskontroll.
5. Stabilt laddade peptid–MHC I-komplex lämnar ER, passerar Golgiapparaten och transporteras till plasmamembranet.

IFN-γ ökar uttrycket av bland annat MHC I och TAP och inducerar immunoproteasomen, vars proteolytiska specificitet gynnar bildning av vissa MHC I-ligander. Detta förstärker presentationen under infektion och inflammation.

Många virus hämmar vägen genom att blockera TAP, kvarhålla MHC I i ER, dirigera molekylen till nedbrytning eller öka dess internalisering från cellytan. Följden blir sämre igenkänning av cytotoxiska T-celler, men kraftig förlust av MHC I kan samtidigt utlösa NK-cellsangrepp genom principen missing self.

MHC klass II-vägen: presentation av upptagna antigen

Professionella antigenpresenterande celler tar upp material genom:

• fagocytos,
• makropinocytos,
• receptormedierad endocytos.

Vesiklarna mognar och surgörs till endosomala och lysosomala MHC II-kompartment, MIIC. Där bryter bland annat katepsiner ned proteiner till peptider, vanligen 13–25 aminosyror långa.

MHC II:s α- och β-kedjor syntetiseras i ER och associeras med invariant kedja, Ii eller CD74. Den invarianta kedjan blockerar fåran så att peptider i ER inte binder för tidigt och innehåller samtidigt sorteringssignaler som leder komplexet till endosomsystemet.

I MIIC bryts CD74 successivt ned tills endast CLIP, class II-associated invariant chain peptide, återstår i fåran. HLA-DM frigör CLIP och katalyserar peptidutbyte. Funktionen kan beskrivas som peptidredigering: instabila ligander ersätts av peptider som bildar mer långlivade MHC II-komplex. HLA-DO, särskilt relevant i B-celler, modulerar HLA-DM:s aktivitet och påverkar därmed den presenterade repertoaren.

Laddade peptid–MHC II-komplex transporteras därefter till cellytan, där de kan avläsas av CD4-positiva T-celler.

Korspresentation och andra avvikelser från huvudvägarna

Vid korspresentation överför framför allt dendritceller exogent antigen till MHC I-systemet. Upptagna proteiner kan nå cytosolen och proteasom–TAP-vägen eller processas i specialiserade fagosomala system.

Den funktionella konsekvensen är korspriming av naiva CD8-positiva T-celler. Mekanismen är central när dendritcellen inte själv är infekterad eller malign men har tagit upp material från virusinfekterade celler eller tumörceller. Den kan då initiera cytotoxiska T-celler mot mål som producerar samma antigen.

Omvänt kan autofagi föra cytoplasmiska eller organellbundna själv- och mikrobproteiner till lysosomala MHC II-kompartment. MHC-baserad peptidpresentation ska skiljas från CD1-molekylernas lipidpresentation till bland annat NKT-celler och andra lipidreaktiva T-celler.

Antigenpresenterande celler och deras specialisering

Dendritceller är effektivast på att prima naiva T-celler. När mönsterigenkänningsreceptorer registrerar mikrobiella eller skadeassocierade strukturer mognar cellen: antigenupptaget omprogrammeras, MHC II samt CD80/CD86 och CD40 uppregleras och polariserande cytokiner produceras. Ökat uttryck av CCR7 styr migration längs kemokingradienter till dränerande lymfkörtel.

Makrofager presenterar främst fagocyterat material för lokala effektor-T-celler. IFN-γ från T-celler kan i sin tur aktivera makrofagen och förstärka dess mikrobicida funktion.

B-celler binder intakt antigen med sin B-cellsreceptor, internaliserar komplexet och presenterar peptider via MHC II. Detta koncentrerar även låg mängd specifikt antigen och möjliggör CD40- och cytokinförmedlad T-cellshjälp till antikroppssvar.

T-cellsigenkänning och aktiveringens tre signaler

Fullständig aktivering av en naiv T-cell kräver vanligen tre funktionella signaler:

1. Signal 1: TCR binder peptid–MHC. CD8 binder MHC I och CD4 binder MHC II, vilket stabiliserar kontakten och rekryterar intracellulära signalmolekyler.
2. Signal 2: framför allt CD28 på T-cellen binder CD80 eller CD86 på den antigenpresenterande cellen.
3. Signal 3: cytokiner styr expansion och differentiering, exempelvis mot olika hjälpar-, regulatoriska eller cytotoxiska program.

Receptorer, adhesionsmolekyler och signalproteiner organiseras i en immunologisk synaps. Efter aktivering följer klonal expansion. CD8-positiva effektorceller kan avdöda antigenbärande mål, medan CD4-positiva T-celler differentierar till funktionella undergrupper som aktiverar makrofager, reglerar inflammation eller understöder andra leukocyter. T-follikulära hjälparceller ger B-celler signaler för germinalcentrumsvar, affinitetsmognad och klassbyte.

TCR-stimulering utan adekvat kostimulering kan i stället orsaka anergi, funktionell utmattning eller deletion. Antigenets inflammatoriska sammanhang är därför avgörande för om presentation leder till immunitet eller tolerans.

Normal variation, peptidselektion och immunologisk tolerans

Varje HLA-allel binder peptider med vissa ankarmotiv. Individens HLA-uppsättning bestämmer därför vilka delar av immunopeptidomet som kan visas för T-celler. Detta skapar variation i infektionsförsvar, vaccinrespons, autoimmunitetsrisk och tumörimmunitet. Av många möjliga epitoper ger endast vissa starka svar, ett fenomen som benämns immunodominans.

I tymus presenterar epitelceller och dendritceller självpeptider för omogna T-celler. Måttlig igenkänning av själv-MHC krävs för positiv selektion, medan stark självreaktivitet leder till negativ selektion eller, för vissa CD4-celler, regulatorisk differentiering. Transkriptionsfaktorn AIRE möjliggör uttryck av ett brett urval vävnadsspecifika antigen i medullära tymusepitelceller.

Perifer tolerans kompletterar denna kontroll genom:

• presentation med låg kostimulering,
• deletion eller anergi av självreaktiva kloner,
• suppression av regulatoriska T-celler,
• inhibitoriska axlar som CTLA-4–CD80/CD86 och PD-1–PD-L1/PD-L2.

Kliniska konsekvenser av störd eller förändrad presentation

Vid transplantation känner mottagarens T-celler igen främmande HLA direkt på donatorceller eller indirekt som processade donatorpeptider. Den starka alloreaktiviteten motiverar HLA-typning och matchning, särskilt vid allogen hematopoetisk stamcellstransplantation men även vid organtransplantation.

HLA-varianter är associerade med autoimmunitet och läkemedelsöverkänslighet, exempelvis HLA-B27 med spondylartrit, HLA-DQ2/DQ8 med celiaki och HLA-B*57:01 med abakaviröverkänslighet. Associationerna speglar peptidrepertoar och T-cellsselektion men är sällan ensamt sjukdomsorsakande.

Patogener och tumörer kan undkomma T-celler genom förlust av antigen, mutationer i processningsmaskineriet, TAP-hämning eller nedreglering av MHC I. Tumörer kan också hämma dendritcellsmognad och öka inhibitoriska ligander.

Två principiellt viktiga immunbrister är:

• TAP-relaterad MHC I-brist: minskad peptidladdning och lågt MHC I-uttryck, med nedsatt CD8-T-cellsfunktion.
• Bare lymphocyte syndrome typ II: defekt transkriptionsreglering av MHC II, med kraftigt störd CD4-T-cellsutveckling och svår kombinerad immunbristbild.

Minskad MHC I-presentation försämrar T-cellsövervakningen men kan samtidigt öka känsligheten för NK-celler.

Diagnostik, vacciner och immunterapi

HLA-typning används vid transplantationsutredning, sjukdomsassociationer och inför vissa läkemedel. Immunopeptidomik, vanligen baserad på isolering av HLA-komplex följd av masspektrometri, kartlägger vilka peptider som faktiskt presenteras på celler eller tumörer.

Peptid–MHC-tetramerer består av fyra identiska peptid–MHC-komplex kopplade till en detekterbar markör. Den ökade aviditeten möjliggör identifiering, kvantifiering och fenotypning av T-celler med specificitet för ett definierat pMHC.

Vaccinadjuvans verkar delvis genom att aktivera medfödda receptorer, främja dendritcellsmognad och tillföra kostimulering. Antigenets leveransform avgör samtidigt om det huvudsakligen når MHC II eller även korspresenteras via MHC I.

Cancerimmunterapi kan rikta in sig på dendritceller, tumörneoantigen eller inhibitoriska kontrollpunkter. Checkpointblockad mot exempelvis CTLA-4 eller PD-1 kan återställa T-cellsfunktion, men förutsätter att relevanta antigen fortfarande processas och presenteras. Förlust av HLA, β2-mikroglobulin eller andra komponenter i MHC I-vägen kan därför orsaka primär eller förvärvad resistens mot T-cellsriktad behandling.

Källor

• Antigen-presenting cell
• Antigenpresenterande cell
• Antigen-presenting cell
• Bild: File:Antigen presentation.svg — user:Sjef, CC BY-SA 3.0
• Bild: File:APC Cross-Presentation.png — סתו כסלו, CC BY-SA 4.0
• Bild: File:An MHC tetramer binding to T-cell receptors (left), and an MHC molecule on the surface of an antigen presenting cell binding to T-cell receptors (right).png — Bethmkthomas, CC BY-SA 4.0