Главный комплекс гистосовместимости

Первое описание MHC было сделано в середине XX века. В частности, Георгом Снеллом была обнаружена на 17-й хромосоме мышей большая группа генов, кодирующих белки, определяющие совместимость тканей и органов при их пересадке, что позволило объяснить отторжение пересаженной кожи если донор и реципиент имеют разные варианты (аллели) MHC. Вскоре такие же гены были найдены Жаном Доссе у людей, он же вскоре описал первый лейкоцитарный антиген человека, молекулу белка, которую мы сейчас называем HLA-A2^[2]. Позднее Барух Бенасерраф продемонстрировал на морских свинках, что гены MHC не только определяют индивидуальность организма, но модулируют иммунный ответ. За эти исследования в 1980 году этим трём учёным была присуждена Нобелевская премия по Медицине и Физиологии «за открытие генетически определённых структур на поверхности клеток, определяющих иммунную реакцию».

В 1974 году Рольф Зинкернагель и Дохерти, Питер продемонстрировали, что цитолитический Т-лимфоцит распознает комбинацию вируса и MHC класса I молекулы хозяина, а тот же самый лимфоцит не распознает клетку, заражённую тем же вирусом, если она имеет другой аллель полиморфной MHC-I^[3]. За эту работу Нобелевский комитет присудил Зинкернагелю и Дохерти Нобелевскую премию по Физиологии и Медицине в 1996 году. Через 10 лет после публикации Зинкернагеля и Дохерти стало ясно, что Т-клеткам нужен не весь вирус, даже не весь вирусный белок, антигеном является маленький пептид, получаемый при протеазном расщеплении вирусного белка^[4]. И через два года после этого постдок Дона Уайли^[англ.] Памела Бьоркман определила первую трехмерную структуру молекулы HLA-A2^[5].

Главный комплекс гистосовместимости является регионом с одной из самых высоких плотностей локализации генов. У человека 1 ген приходится на 18000 пар нуклеотидов^[6]. Но еще плотнее расположены MHC у птиц. У курицы средний размер интронов в MHC-локусе составляет 200 оснований, а расстояние между генами, включая промоторы, может быть всего 30 оснований, что приводит к среднему размеру гена кур в три раза меньше, чем размер аналогичных генов млекопитающих^[7].

У человека область MHC исторически называется человеческий лейкоцитарный антиген (англ. HLA, Human Leucocyte Antigen), поскольку открыта она была при изучении различий клеток белой крови у разных людей, у свиней она носит название SLA (Swine Leucocyte Antigen), у собак DLA, у коров BoLA, у мышей — область H-2, у крыс — RT1, у кур — B, и т. д. У разных организмов они находятся на разных хромосомах, имеют разную длину и включают разное число генов, но общее устройство у всех похоже. Самая изученная MHC-область — человеческая HLA, находится на коротком плече хромосомы 6 между генетическими маркерами MOG и COL11A2 и составляет около 4 млн пар нуклеотидов (6р21.1-21.3). HLA содержит более 200 генов, многие из которых чрезвычайно полиморфны. Не все эти гены связаны с иммунитетом, у человека лишь 40 % генов HLA кодируют белки, вовлеченные в иммунный ответ^[6]. И наоборот, есть много белков иммунной системы, чьи гены расположены на других хромосомах, например, гены Т-клеточного рецептора находятся на хромосоме 14, гены интерферонов на хромосомах 9 и 12 и т. д.

В HLA выделяют три подобласти; если считать от теломеры, то сначала идет область, называемая класс I, затем класс III и класс II. У других организмов последовательность классов может быть другой. У рыб класс II вообще находится на другой хромосоме^[8].

Два набора генов, класса I и II, кодирующие так называемые MHC класс I и MHC класс II молекулы, являются центральными игроками клеточного иммунитета. Основная функция MHC-I и MHC-II молекул — связывание пептидных фрагментов, полученных при внутриклеточном расщеплении белковых молекул, и презентация этих пептидов на поверхности клеток для распознавания Т- и NK- клеточными рецепторами. В большинстве своем это пептиды собственных белков, если же в организм попал патоген, то на поверхности клеток будут присутствовать и пептиды из чужих белков. Несмотря на то, что доля чужих пептидов на клеточной поверхности очень мала (одна молекула на десятки и сотни тысяч своих пептидов), такие зараженные клетки быстро распознаются Т-лимфоцитами и разрушаются иммунной системой. Презентация собственных белков на поверхности клеток чрезвычайно важна, иммунная система постоянно отслеживает и уничтожает не только инфицированные, но и поврежденные или измененные клетки^[9][10].

Два свойства белков MHC являются очень важными при использования их в приобретённом иммунитете. Во-первых, полигенность: каждый организм имеет несколько генов MHC. Так, например, у каждого человека есть три гена комплекса MHC-I, HLA-A, HLA-B и HLA-C. Во-вторых, полиморфность — в популяции существует множество вариантов каждого гена, так для HLA-A на 2020 год известно 5907 аллелей, кодирующих 3702 разных белковых молекул. Просмотреть все описанные варианты молекул HLA можно в базе данных IMGT (www.imgt.org).

Наряду с классическими молекулами MHC-I, HLA-A, HLA-B и HLA-C в области класс I есть гены так называемых неклассических комплексов HLA: MICA^[англ.], MICB^[англ.], HLA-E^[англ.], HLA-F^[англ.] и HLA-G^[англ.], отличающихся от классических меньшей полиморфностью и меньшим уровнем экспрессии. MICA (MHC class I polypeptide-related sequence A) кодирует мембранно-связанный гликопротеин, чья экспрессия вызывается стрессом — температурой, вирусной или бактериальной инфекцией, онкогенной трансформацией и пр.^[11] MICA является самым полиморфным из неклассических HLA, у человека описано более 150 вариантов (IMGT). MICA является лигандом рецептора CD94/NKG2D, который экспрессируется на NK-клетках и некоторых Т-лимфоцитах. При связывании с MICA CD94/NKG2D активирует цитолитическую активность этих клеток. Таким образом, MICA является сигналом иммунной системе на раннюю реакцию в ответ на инфекцию или спонтанное возникновение модифицированных раковых клеток. HLA-E связывает обычно сигнальные пептиды классических HLA-A, B и C и служит лигандом NK-клеточных рецепторов CD94/NKG2A или CD94/NKG2B, ингибируя их цитотоксическую активность^[12]. HLA-G экспрессируется только на зародышевых клетках плаценты, играя важную роль в иммунотолерантности при беременности^[13].

В отличие от комплексов MHC-I, белки MHC-II экспрессируются исключительно в так называемых профессиональных антиген-презентирующих клетках (англ. APC). К ним относятся дендритные клетки, В-клетки и макрофаги. MHC-II — гетеродимеры, гены обеих цепей принадлежат MHC-локусу. Шесть генов человеческих MHC-II носят названия HLA-DRA (B), HLA-DQA (B) и HLA-DPA (B).

Кроме MHC-I и MHC-II в этом же локусе расположены гены других белков, участвующих в презентации антигена. Два гена каталитической β-субъединицы протеосомы, PSMB8 и PSMB9 начинают экспрессироваться только в том случае, если клетка получила сигнал о наличии в среде гамма-интерферона. Замена каталитических субъединиц превращает протеосому в иммунопротеосому с изменённой протеолитической специфичностью. Иммунопротеосома выпускает пептиды с гидрофобной или основной аминокислотой на С-конце, имеющие большее сродство к MHC-I^[14].

Рядом с PSMB8 и PSMB9 находятся гены TAP1 и TAP2, кодирующие два субъединицы транспортера пептидов через мембрану эндоплазматического о. TAP1 и TAP2 не только переносят пептиды в ЭР, но и помогают им связаться с MHC-I. В этом им помогает тапазин, чей ген TAPBP тоже находится в области класс II геномного локуса HLA.

Пептиды комплекса MHC-II получаются из лизосомального, а не протеосомного расщепления. Ген HLA-DM кодирует белок DM, который катализирует связывание пептидов с MHC-II. Рядом находится HLA-DO, ген отрицательного регулятора HLA-DM.

Локус HLA содержит также гены трёх цитокинов семейства фактора некроза опухоли, TNF, гены белков системы комплемента (C2, C4а, C4b, CFB) и много других генов, чьи продукты не связаны напрямую с иммунной системой, например, CYP21P — один из цитохромов Р450, POU5F1 и TCF19 — факторы транскрипции, AGER — регулятор многих клеточных процессов, Hsp70 и т. д.

Описание MHC человека с полным секвенированием и аннотацией генов было опубликовано в 1999 году в журнале Nature центрами секвенирования Великобритании, США и Японии^[6]. Представленная последовательность называлась виртуальной MHC, поскольку это была мозаика, составленная из кусков генома людей с разными гаплотипами.

В том же номере журнала Nature было опубликовано описание куриной MHC, которая в 20 раз короче человеческой и включает только 19 генов^[7]. B-локус кур имеет все признаки MHC: там расположены гены классических MHC-I и MHC-II молекул, он определяет тканевую специфичность и иммунный ответ. MHC-локус кур гораздо компактнее человеческого, центральная его область от гена класс II до гена класс I молекул имеет всего 44 000 оснований, хотя содержит 11 генов. Порядок генов другой, класс I и класс II области не разделены длинной класс III областью. Почти все гены B-локуса кур имеют ортологов у млекопитающих, но много генов, имеющихся в MHC-областях млекопитающих, отсутствуют у кур. В B-области кур есть всего два гена молекул MHC-I и MHC-II, отсутствуют DN и DOB, нет генов каталитических субъединиц протеасом, ген неполиморфной субъединицы MHC-II, class IIa находится вне B-локуса. Зато присутствуют гены лектина и NK-рецептора, которые у млекопитающих находятся на другой хромосоме.

Секвенирование MHC-локуса перепелов^[8] показало похожую, но более сложную организацию, из-за нескольких дупликаций. Так у перепелов есть семь генов молекул MHC класс I, семь генов b-цепи MHC класс II и 8 BG-подобных генов.

Секвенированы MHC-локусы нескольких рыб^[8]. У всех у них класс II и класс I области не связаны между собой и находятся на разных хромосомах. В отличие от птиц, рыбы, как и млекопитающие, имеют в MHC-области гены каталитических субъединиц протеасом, но они расположены в области класс I, вместе с генами транспортера TAP, TAPBP. Количество генов классических MHC у разных рыб разное, например, у фугу девять генов молекул MHC класс I, а у данио их только три.

База данных IMGT (International Immunogenetics information system) содержит информацию о нуклеотидных последовательностях MHC-локусов 77 разных видов (по состоянию на 2019-12-19).

Белковая молекула MHC-I — гетеродимер, состоящий из инвариантной малой субъединицы, называемой β2-микроглобулин, и тяжёлой полиморфной α-субъединицы, кодируемой одним из генов класса I локуса MHC (у человека — HLA-A, HLA-B или HLA-C). α-цепь MHC-I содержит 365 аминокислот. 284 N-концевых остатка образуют экстра-клеточную часть молекулы, следующая за ними трансмембранная спираль удерживают MHC-I на поверхности клетки, а последние 32 аминокислоты, расположенные в цитозоле, отвечают за внутриклеточный транспорт MHC-I из эндоплазматического ретикулума на поверхность^[15] . Кристаллографический анализ показал, что внеклeточная область α-цепи MHC-I делится на три домена α1, α2 и α3, каждый по 90 аминокислот. α1 и α2 домены образуют антиген-связывающую часть MHC-I^[5]. Антигеном для MHC-I являются пептиды длиной 8—10 аминокислот. α3 домен имеет иммуноглобулиновую укладку, такую же как соседний β2-микроглобулин, эти два иммуноглобулиновых домена отделяют пептид-связывающую область от клеточной мембраны. α1 и α2 домены имеют одинаковую третичную структуру из четырёх антипараллельных β-стрендов и длинной α-спирали, лежащей сверху. Вся α1 — α2 конструкция напоминает плоскодонку, дно которой образовано восемью β-стрендами, а борта α-спиралями. Внутри этой плоскодонки размещается пептид, напоминая команду гребцов из 8—10 участников. Пептид имеет протяжённую конформацию, так что в отличие от команды гребцов, боковые цепи соседних аминокислот будут направлены в разные стороны. Часть из них будет направлена вниз, связываясь в карманах дна пептидо-связывающего желоба MHC-I. Разные MHC-I имеют разные карманы, определяя пептидную специфичность каждого аллеля^[16]. Например, HLA-A2 имеет небольшие гидрофобные карманы для остатков 2 и 9, и положительно-заряженный карман для остатка 4, поэтому HLA-A2 связывает пептиды, имеющие Leu/Met в положении 2, Asp/Glu в положении 4 и Val/Leu в положении 9. А вот аллель HLA-B27 связывает пептиды с Arg на втором месте, Phe/Trp/Tyr на третьем и Leu/Phe на девятом. Посмотреть мотивы пептидов для разных аллелей можно на сервере MHCMotifViewer. Остатки пептида, смотрящие вверх, будут взаимодействовать с Т-клеточным рецептором, как и несколько остатков самой MHC, опреляя двойную специфичность этого рецептора, патогенного пептида и данного аллеля MHC хозяина.

Если карманы определяют специфичность пептида, то главную роль в его связывании с MHC-I играет основная цепь, включая N- и C-концы, которые у 99 % пептидов погружены в дно желоба и закрыты остатками спиралей от окружения. Поэтому длинные пептиды обычно имеют выпячивание в центре, так как их концы удерживаются в том же месте, что и у более коротких пептидов^[17].

MHC-II молекулы имеют точно такую же доменную организацию, как и MHC-I, но их четыре домена расположены на двух полиморфных субъединицах примерно одинакового размера. Как α-, так и β-субъединицы имеют α1 (или β1) домен, образующий половину антиген-связывающего участка и иммуноглобулиновый домен α2 (β2), расположенный ближе к клеточной мембране^[18]. Обе цепи имеют трансмембранную спираль и короткий цитоплазматический конец в 12—18 аминокислот. Трехмерная структура внеклеточных частей MHC обоих классов очень похожа, пептид также связывается в жёлобе между двумя спиралями. Основное отличие состоит в том, что спирали, образующие стенки антиген-связывающего желоба MHC-II, не подходят близко друг к другу, и жёлоб оказывается открыт с обоих концов. По этой причине, ни N-, ни C-концы пептида не принимают особого участия в связывании с MHC-II, более того, часто наблюдают, что они свешиваются наружу^[19], что хорошо коррелирует с тем фактом, что антигены MHC-II гораздо длиннее, чем у MHC-I.

Ряд независимых исследований 1970—1990-х гг. показали, что на выбор полового партнёра влияет главный комплекс гистосовместимости. Эксперименты, проведённые первоначально на мышах и рыбах^[20], затем на добровольных участниках-людях, показали, что женщины имели склонность выбирать партнёров с ГКГ, отличным от собственного, однако их выбор менялся на противоположный в случае использования гормональных оральных контрацептивов — в этом случае женщины скорее выбирали партнёра с подобным ГКГ^[21][22][23].

• Иммунная система
• Человеческий лейкоцитарный антиген
• Презентация антигенa
• MHC class I^[англ.]
• MHC class II^[англ.]
• ГКГС III класса
• Т-клеточный рецептор

• MHC (HLA): Главный комплекс гистосовместимости (русс.)

• Мейл, Д. Иммунология / Д. Мейл, Дж. Бростофф, Д. Б. Рот, А. Ройтт / Пер. с англ. — М.: Логосфера, 2007. — 568 с.
• Койко, Р. Иммунология / Р. Койко, Д. Саншайн, Э. Бенджамини; пер. с англ. А. В. Камаева, А. Ю. Кузнецовой под ред. Н. Б. Серебряной. -М: Издательский центр «Академия», 2008. — 368 с.