Вклад генов главного комплекса гистосовместимости класса II в предрасположенность к аутоиммунным заболеваниям

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ Главный комплекс гистосовместимости (MHC), или лейкоцитарный антиген человека (HLA, human leukocyte antigen), представляет собой несколько групп генов, кодирующих поверхностные гетеродимерные белки, заякоренные в клеточной мембране и отвечающие за презентацию антигенов Т-клеткам с последующим развитием адаптивного иммунного ответа. Белки MHC делятся на класс I, класс II и класс III (система комплемента) [1]. MHC класса I присутствуют практически на всех типах клеток и отвечают за презентацию фрагментов собственных антигенов, которые экспонируются на поверхности клетки и могут вызывать развитие иммунного ответа, опосредованного CD8+ Т-лимфоцитами. MHC класса II обнаруживаются на поверхности профессиональных антигенпрезентирующих клеток (АПК) и презентируют, в основном, фрагменты чужеродных антигенов (бактериальных, вирусных и т.д.), захватываемых АПК. Комплекс «MHC II-пептид» далее взаимодействует с CD4+ Т-клетками (рис. 1). Белки MHC являются гетеродимерами, состоящими из двух цепей: длинной α-цепи с трансмембранным доменом и короткой универсальной β2-микроглобулиновой цепи (MHC I); или же из длинных α- и β-цепей, несущих внеклеточные, трансмембранные и короткие цитоплазматические домены (MHC II). Важный структурный элемент MHC - борозда, связывающая презентируемый пептид (peptide binding groove), так как именно ее структура определяет характер связывания пептида и дальнейший иммунный ответ на данный антиген. Молекулы HLA должны обладать высокой степенью полиморфизма, в связи с необходимостью презентации огромного множества пептидов. Гены молекул MHC локализованы на хромосоме 6 (за исключением гена легкой цепи MHC I - β2-микроглобулина, который расположен на хромосоме 15) и составляют обширные кластеры (рис. 2). К генам класса I относятся HLA-А, HLA-B и HLA-C, кодирующие α-цепи гетеродимера. Молекулы MHC класса II в основном кодируются генами локусов HLA-DR, HLA-DQ и HLA-DP, каждый из которых включает гены α- и β-цепей (например, в локусе HLA-DR - это ген α-цепи DRA1 и гены β-цепей DRB1, DRB3, DRB4 и DRB5). Такая номенклатура возникла вследствие исторической очередности открытия антигенов HLA - их называли римскими цифрами и буквами алфавита по мере открытия. Локус MHC является самым полиморфным в геноме человека [2], что приводит к существованию огромного разнообразия белковых форм MHC. Для классификации продуктов экспрессии этих генов молекулы MHC начали разделять на группы в соответствии с их серологической специфичностью (например, серогруппа HLA-DR1). Развитие молекулярно-генетических методов позволило уточнить номенклатуру и определять группы аллелей генов HLA, соответствующие серогруппам их белковых продуктов (DRA*01 + DRB1*01 соответственно), а впоследствии и конкретные аллели генов (DRA*01 + DRB1*0101, *0102 или *0103 соответственно) [3]. Ген HLA-B является самым полиморфным среди MHC класса I (описано 1077 аллелей), а ген HLA-DRB1, насчитывающий 669 аллелей, среди MHC класса II [4, 5]. В области расположения генов HLA также можно наблюдать протяженные участки (до 500 т.п.н.) так называемого «неравновесного сцепления генов» при передаче потомству (НС, linkage disequilibrium) [6]. Наличие таких протяженных наследуемых кластеров генов затрудняет идентификацию конкретных аллелей этих генов, ассоциированных с заболеваниями, так как часто их невозможно выделить из состава наследуемого гаплотипа. На сегодняшний день множество биомедицинских исследований сфокусированы на роли молекул MHC II в развитии аутоиммунных реакций, так как в патологических условиях они могут презентировать не только экзогенные, но и эндогенные пептиды для CD4+ T-клеток. Описано множество примеров ассоциации носительства определенных аллелей MHC II с риском возникновения аутоиммунных заболеваний (АЗ) (таблица). Этот факт является одной из серьезных причин развития аутоиммунного процесса и объясняет свойство «аутоиммунитета» на молекулярном уровне. При развитии аутоиммунных болезней, таких, как рассеянный склероз (РС), системная красная волчанка (СКВ), сахарный диабет первого типа (Д1Т), ревматоидный артрит (РА), болезнь Грейвса (БГ) и других, синтезируются аутоиммунные антитела против собственных антигенов, а также часто происходит проникновение лимфоцитов в орган-мишень с его последующим воспалением и частичным разрушением. Эти болезни почти всегда хронические, и, хотя на сегодняшний день при некоторых из них удается поддерживать состояние больного на стабильном уровне, для разработки эффективных методов лечения по-прежнему остро необходимо детальное понимание механизмов заболевания. Презентация антигенов и дальнейшая активация Т-клеток считаются ключевым звеном аутоиммунного ответа при многих заболеваниях [7], на который может быть направлена терапия, поэтому крайне важным представляется изучение основ процесса презентации антигенов, в частности структуры белков семейства MHC I и II и их особенностей. Интересно, что аутоиммунные болезни, при которых вырабатываются аутоантитела, обычно ассоциированы с MHC II, тогда как заболевания, при которых аутоантитела не обнаруживаются, чаще ассоциированы с определенными аллелями MHC I [8]. При многих болезнях также наблюдается ассоциация с гаплотипами, включающими целые кластеры генов, что, по всей видимости, обусловлено НС этих генов при наследовании. Например, для АТ и Д1Т характерна ассоциация с гаплотипом MHC II DR3-DQ2, а также с аллелями MHC I HLA-B8 и HLA-A1, которые входят в состав длинного и консервативного гаплотипа [8]. ВОЗМОЖНЫЕ МЕХАНИЗМЫ АССОЦИАЦИИ АЛЛЕЛЕЙ MHC II С РИСКОМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ОПРЕДЕЛЕННЫХ БОЛЕЗНЕЙ Молекулы MHC II принимают участие в процессе презентации антигенов, в том числе аутоантигенов (рис. 1). Иммунный ответ развивается после того, как антигенный пептид длиной 13-18 аминокислотных остатков презентируется АПК с помощью определенной молекулы MHC II и узнается соответствующим Т-клеточным рецептором на поверхности CD4+ Т-клетки. В роли АПК могут выступать дендритные клетки, B-лимфоциты и макрофаги [9]. MHC II синтезируется в эндоплазматическом ретикулуме и покидает данный компартмент в комплексе с инвариантной цепью (ИЦ) [10]. ИЦ ускоряет процесс выведения MHC II из эндоплазматического ретикулума и препятствует его агрегации. В поздних эндосомах ИЦ подвергается протеолизу, и связанным с MHC II остается небольшой фрагмент ИЦ - CLIP. По всей видимости, CLIP затрудняет взаимодействие MHC II с неспецифическими пептидами, блокируя их доступ к карманам связывания [9]. В поздних эндосомах происходит обмен пептида CLIP на антигенный пептид [11]. Важную роль здесь играет HLA-DM - «неклассическая» молекула MHC класса II [12], не полиморфная и не способная взаимодействовать с антигенными пептидами, однако сходная по структуре с остальными молекулами MHC II. HLA-DM катализирует процесс связывания антигенного пептида с HLA-DR, значительно повышая скорость этой реакции [13, 14]. Таким образом, HLA-DM способствует специфическому связыванию MHC II c высокоаффинными пептидами. Далее комплексы «MHC II-пептид» транспортируются к плазматической мембране для презентации пептидов CD4+ T-клеткам, взаимодействие с которыми определяет, будет ли развиваться иммунный ответ. В случае инициации иммунного ответа CD4+ T-лимфоциты активируют наивные B-клетки для последующей продукции специфических антител / аутоантител (в случае презентации собственных антигенов), а также способствуют вовлечению макрофагов в процесс иммунного ответа. Найдены аутореактивные CD4+ T-клетки к целому ряду собственных антигенов при АТ, БГ и РС [15]. Существует несколько гипотез возникновения аутоиммунных процессов с участием определенных аллелей MHC II. Так, разнонаправленная (положительная и отрицательная) ассоциация АЗ с различными аллелями HLA может определяться особенностями строения антигенсвязывающей борозды молекулы MHC, кодируемой конкретным аллелем гена и ответственной за связывание пептида, а именно, локализацией конкретных аминокислот в определенных позициях в структуре этой борозды: например, в положениях 11, 71 и 74 в β-цепи MHC [8, 16]. Такие MHC c точечными заменами могут с различной степенью эффективности связывать и презентировать собственные пептиды [17, 18]. Структурные элементы MHC, косвенно связанные с запуском аутоиммунного ответа, могут располагаться не только в пептидсвязывающей борозде, но и рядом, в области непосредственного контакта с Т-клеточным рецептором. Полиморфизм MHC в этой области может приводить к потенциальному связыванию аутореактивных эффекторных Т-клеток либо к слабому отбору регуляторных Т-клеток [6]. Запуск аутоиммунного ответа также возможен из-за молекулярной мимикрии экзогенных вирусных или бактериальных пептидов с собственными эндогенными пептидами. Определенные аллели MHC (например, аллель риска DRB1.15 при РС) могут презентировать как определенные экзогенные пептиды, так и структурно очень похожие на них эндогенные пептиды с последующей инициацией аутоиммунного ответа [19]. Описаны примеры, когда в пептидсвязывающей борозде определенного аллеля MHC могут эффективно связываться лекарственные препараты, например абакавир, при терапии ВИЧ [8, 20] или даже низкомолекулярные соединения, например Be2+ [21], тем самым изменяя специфичность презентации пептидов и давая шанс презентации собственных пептидов. Известны случаи, например, при целиакии [22] или РА [23], когда презентируемые пептиды подвергаются посттрансляционной модификации и получают преимущество при презентации на аллелях риска. Данные о положительной и отрицательной ассоциации определенных аллелей MHC c риском развития АЗ исключительно важны для успешной таргетной иммуно-терапии с помощью препаратов, направленных на стадию презентации антигенов на MHC II. МНОГООБРАЗИЕ АЛЛЕЛЕЙ MHC II, АССОЦИИРОВАННЫХ C РИСКОМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННЫХ АУТОИММУННЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ Рассеянный склероз Рассеянный склероз - хроническое воспалительное нейродегенеративное заболевание центральной нервной системы (ЦНС), которое диагностируется у 0.1% европейской и североамериканской популяций [24]. Развитию РС способствуют генетическая предрасположенность с полигенным типом наследования и ряд внешних факторов, таких, как некоторые инфекционные заболевания, особенности питания, различные социальные и климатические факторы [25]. Показана четкая связь данного заболевания с носительством различных генетических вариантов MHC II. У европеоидов выявлена наиболее значимая ассоциация с РС протяженного гаплотипа DR15-DQ6 (HLA-DRB1*1501/HLA-DRB5*0101/HLA-DQA1*0102/HLA-DQB1*0602) [26]. Поскольку все эти аллели обладают существенным НС, долгое время оставалось неясным, какой именно из аллелей в наибольшей степени отвечает за предрасположенность к РС. Продвинуться в разрешении этой задачи позволило исследование связи генов MHC II с РС в популяции американцев африканского происхождения. У них в меньшей степени проявляется неравновесие по сцеплению и преимущественная ассоциация аллеля HLA-DRB1*1501 с РС, что говорит о его главенствующей роли среди трех входящих в гаплотип аллелей [27]. К настоящему моменту аллель HLA-DRB1*1501 признан основным аллелем риска РС у европеоидов, его связь с заболеванием показана в большинстве изученных популяций [28]. Рассеянный склероз традиционно считается скорее «женским» заболеванием, так как соотношение женщин и мужчин, больных основной ремиттирующей (или вторично-прогрессирующей) формой заболевания, составляет 2.5 : 1. Интересно, что согласно данным [29], носителями HLA-DRB1*15 также чаще являются женщины. Кроме DRB1*1501 - универсального аллеля риска РС, описаны и другие варианты гена HLA-DRB1, положительно ассоциированные с РС в различных популяциях (таблица). Ассоциацию DRB1*03 с РС наблюдали во многих европейских популяциях, причем у носителей гомозиготного генотипа риск развития заболевания существенно повышался [30]. У больных из Сардинии и Японии, кроме HLA-DRB1*03, с РС положительно ассоциирована группа аллелей HLA-DRB1*04 [31, 32]. Аллель HLA-DRB1*13, также выявляемый у больных РС из Сардинии в составе гаплотипа HLA-DRB1*1303/HLA-DQB1*0301, признан ассоциированным с заболеванием и у населения Израиля [33]. В ряде работ выявлена высокая положительная связь носительства варианта HLA-DRB1*08 с риском развития РС у европеоидов с генотипом HLA-DRB1*15/08 [34, 30]. Основным протективным аллелем (т.е. аллелем, имеющим отрицательную ассоциацию с заболеванием и снижающим риск его возникновения по сравнению со средним по популяции) в северноевропейской популяции признан вариант HLA-DRB1*14 [34]. К протективным, в меньшей степени у европеоидов, также относят группы аллелей HLA-DRB1*01, *07 и *11 [30, 35, 36]. Вариант HLA-DRB1*11 обладает выраженным протективным эффектом также в популяции афроамериканцев [37] и на Сардинии [32]. Аллель DRB1*0901 можно считать протективным при РС в японской популяции, причем его частота встречаемости в норме в азиатских странах выше, чем в других [31]. Исследования последних лет показали, что эффект протективных и предрасполагающих аллелей при гетерозиготном носительстве может компенсироваться. Так, снижение эффекта аллелей риска HLA-DRB1*15 и *03 наблюдали в присутствии протективных вариантов HLA-DRB1*14 или *11 [30, 34]. Следует отметить, что носительство определенных аллелей HLA ассоциировано с возрастом начала заболевания при РС. Так, носительство главного аллеля риска РС HLA-DRB1*1501 ассоциировано с более ранним началом заболевания у европеоидов [38], а в японской популяции заболевание начиналось в более раннем возрасте у носителей аллеля DRB1*0405 [31]. Известно, что при РС происходит аутоиммунная атака на компоненты миелиновой оболочки олигодендроцитов [39], описан ряд аутоантигенов при РС: основный белок миелина (MBP, myelin binding protein), протеолипидный белок (PLP, proteolypid protein), миелин-олигодендроцитарный гликопротеин (MOG, myelin oligodendrocyte glycoprotein) и миелин-ассоциированный гликопротеин (MAG, myelin-associated glycoprotein). На сегодняшний день MBP рассматривается как важнейший из них. MBP-специфичные CD4+ Т-лимфоциты обнаружены в тканях мозга больных РС [40], а непосредственно в очагах демиелинизации выявлены АПК, которые презентируют основной энцефалитогенный пептид MBP (фрагмент, содержащий аминокислотные остатки 85-99) [41, 42]. В презентации этого пептида на поверхности АПК существенную роль играют молекулы MHC II, кодируемые универсальным аллелем риска РС HLA-DRB1*1501, который связывается с фрагментом MBP85-99, описан аутоиммунный ответ на данный комплекс у гуманизированных мышей [43], что можно рассматривать как один из механизмов, объясняющих наблюдаемую ассоциацию. Сахарный диабет типа 1 Сахарный диабет первого типа (Д1Т), обнаруживаемый у 0.06-0.15% популяции, возникает в результате аутоиммунного воспаления тканей поджелудочной железы и, как следствие, нарушения синтеза инсулина [41, 44]. Показано, что именно презентация фрагментов инсулина на молекулах MHC II при Д1Т и приводит к возникновению аутореактивных Т-клеток. Ранее всего была описана ассоциация Д1Т с группами аллелей DRB1*03 и DRB1*04 [6, 45]. Позже обнаружили ассоциацию с вариантами гена DQB1, причем его аллели (например, HLA-DQB1*0302 (DQ8) или HLA-DQB1*0201 (DQ2)) ассоциированы с высоким риском Д1Т лишь в том случае, когда они кодируют нейтральную аминокислоту в положении 57, например аланин. Если же в этом положении находится отрицательно заряженная аспарагиновая кислота, как у аллелей DQB1*0602 (DQ6.2) и DQB1*0303 (DQ9) [46], то соответствующий аллель обладает протективной активностью [6, 47]. Показано, что аминокислотный остаток 57 расположен в положении p9 пептидсвязывающей борозды и отвечает за образование гетеродимера DQA1-DQB1 [47]. По всей видимости, если в данном положении происходит замена аспарагиновой кислоты на нейтральную аминокислоту, то молекула MHC меняет свою специфичность и приобретает способность презентировать фрагменты инсулина. Интересно, что аллели HLA-DRB1*0301, HLA-DRB1*0405 и HLA-DRB1*0401 положительно ассоциированы с Д1Т, тогда как очень близкий аллель HLA-DRB1*0403 ассоциирован отрицательно [46, 48]. Вероятно, для данного заболевания характерно структурное сходство антигенсвязывающих борозд положительно и отрицательно ассоциированных молекул MHC II, имеющих лишь точечные отличия, которые влияют на специфичность связывании пептида. Кроме того, высокие протективные показатели показывают аллели HLA-DRB1*0701, HLA-DRB1*1401 и HLA-DRB1*1501 [46]. Ревматоидный артрит Ревматоидный артрит является хроническим воспалительным заболеванием, влияющим на суставы. Практически все больные РА являются носителями аллелей HLA-DRB1*0401, HLA-DRB1*0404, HLA-DRB1*0405 или HLA-DRB1*0101 [49-51]. Интересно, что β-цепи MHC II, являющиеся продуктами данных вариантов, имеют общий аминокислотный мотив внутри пептидсвязывающей борозды в позициях 67-74, который формирует так называемый «вырожденный эпитоп» [41, 18]. Показано, что точечные замены внутри вырожденного эпитопа меняют заряд и влияют на ассоциацию с РА и часто являются единственными отличиями между аллелями риска и протективными аллелями DRB1*0103, DRB1*0402, DRB1*0701, DRB1*1102 и DRB1*1301 [6, 7, 49, 52]. Для РА показана также положительная ассоциация с вариантами гена DQB1 [53], хотя, по всей видимости, это является следствием неравновесного сцепления с аллелями DRB1 [54]. Болезнь Грейвса Болезнь Грейвса (БГ), или диффузный токсический зоб, или Базедова болезнь, - это аутоиммунное заболевание, обусловленное избыточной секрецией тиреоидных гормонов диффузной тканью щитовидной железы, которое приводит к отравлению этими гормонами - тиреотоксикозу. У женщин заболевание встречается в 8 раз чаще, чем у мужчин. Чаще всего оно развивается в среднем возрасте (обычно между 30 и 50 годами). Наблюдается значительная семейная предрасположенность к БГ, что указывает на важный вклад генетической компоненты в развитие данного заболевания. На сегодняшний день показано, что предрасположенность к БГ, как и к РА, связана с вырожденным мотивом в продукте гена DRB1, а конкретно, с аминокислотой в положении 74 β-цепи комплекса MHC II. Так, молекула MHC, кодируемая ассоциированным с БГ вариантом DRB1*03, и продукт протективного варианта DRB1*07 несут в положении 74 аргинин и глутамин соответственно [55, 56]. Интересно отметить, что различие между протективными аллелями MHC II и аллелями риска по положению 74 характерно также для Д1Т и РА [6]. Вероятно, положение 74 β-цепи MHC исключительно важно, так как этот аминокислотный остаток лежит в области кармана для остатка р4 в пептиде, где перекрывается пептидсвязывающий мотив MHC c областью докинга Т-клеточного рецептора [57]. Нарколепсия Нарколепсия - это хроническое нейродегенеративное заболевание, характеризующееся повышенной сонливостью днем и нарушением ночного сна [41, 58]. Это комплексное заболевание с не до конца понятной этиологией, предположительную аутоиммунную природу которого ранее объясняли четкой ассоциацией с аллелем MHC II DQB1*0602, носителями которого являются почти 100% пациентов с данным диагнозом [59]. На сегодняшний день получены также данные по аутоиммунному Т-клеточному ответу при этом заболевании [60]. Так как структурно очень близкий аллель HLA-DQB1*06011 (отличается от HLA-DQB1*0602 всего 9 кодонами в гене β-цепи) является протективным при этом заболевании [61], по-видимому, в данном случае механизм ассоциации/протекции также связан с варьированием силы связывания презентируемого пептида и докинга Т-клеточного рецептора. Антиген, фрагменты которого может презентировать продукт HLA-DQ6.2 (DQA1*0102/DQB1*0602), на сегодняшний день точно не определен, однако предполагается, что это может быть нейромедиатор орексин (гипокретин), регулирующий сон и синтезирующийся в гипоталамусе [51]. Определена кристаллическая структура молекулы HLA-DQ6.2 с пептидом - производным гипокретина [62]. Интересно, что накопление данных о связи MHC II с аутоиммунной патологией позволило обнаружить ассоциацию одних и тех же вариантов с несколькими заболеваниями. Часто эти варианты входят в состав протяженных гаплотипов, включающих гены DRB1, DQA1 и DQB1, наследуемых совместно, благодаря сильному НС. Аллели, входящие в так называемые удлиненные гаплотипы DR3-DQ2 (DRB1*03/DQA1*0501/DQB1*0201) и DR4-DQ8 (DRB1*04/DQA1*0301/DQB1*0302), ассоциированы с Д1Т [41, 63]. При этом DR3 ассоциирован еще и с РС, БГ, СКВ и АТ, поэтому он получил название «аутоиммунный гаплотип» [6]. DR4 также ассоциирован с рядом заболеваний, включая РА и АТ. С другой стороны, можно отметить, что аллель HLA-DRB1*0701 обладает протективным действием при многих заболеваниях, как например, при РС, Д1Т, РА, БГ и АТ (таблица). Недавние исследования показали, что степень ассоциации определенного аллеля MHC с АЗ зависит также и от регулируемого уровня экспрессии этого аллеля. Выявлено также, что увеличение уровня экспрессии конкретного MHC II может изменять репертуар Т-клеточных рецепторов в процессе созревания Т-клеток в тимусе и влиять на выживание и экспансию зрелых Т-клеточных клонов. Показано, что регуляция уровня экспрессии MHC может происходить как на транскрипционном, так и на посттранскрипционном уровне [64]. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Развитие множества аутоиммунных болезней обусловлено воздействием целого ряда факторов, включая генетические, социальные, климатические, зависит от возраста и пола пациента, от курения, инфекций в анамнезе и т.д., однако, при наличии генетической предрасположенности, очень часто определяющейся носительством определенных генов MHC, вероятность заболевания статистически значимо увеличивается. На сегодняшний день охарактеризованы варианты MHC II, носительство которых у конкретного индивида может с высокой вероятностью привести к развитию определенного аутоиммунного заболевания. Описан ряд аллелей генов MHC II, обладающих протективным свойством по отношению к конкретным болезням. Набор генов MHC II с положительной и отрицательной ассоциацией с болезнями может варьировать в зависимости от принадлежности человека к определенной этнической группе. С каждым годом расширяется спектр структурных данных об особенностях презентации фрагментов аутоантигенов молекулами MHC II, получена информация о структурах нескольких тримолекулярных комплексов «MHC II-пептид-Т-клеточный рецептор». Для дальнейшего полного понимания механизмов индукции АЗ и разработок новейших терапевтических методов необходим комплексный подход с всесторонним исследованием механизмов презентации аутоантигенов на молекулах MHC II профессиональными АПК, механизмов протективности разных аллелей MHC II, кинетических характеристик процесса загрузки аутоантигенов на молекулы MHC II и возникновения последующего аутоиммунного ответа с участием CD4+ активированных Т-лимфоцитов.

Об авторах

М. Ю. Захарова

Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН; Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова МЗ РФ

Автор, ответственный за переписку.
Email: marusya3@mail.ru
Россия

Т. А. Белянина

Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН

Email: marusya3@mail.ru
Россия

А. В. Соколов

Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова

Email: marusya3@mail.ru
Россия

И. С. Киселев

Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова МЗ РФ

Email: marusya3@mail.ru
Острова Святой Елены, Вознесения и Тристан-да-Кунья

А. Э. Мамедов

Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН

Email: marusya3@mail.ru
Россия

Список литературы

Дополнительные файлы