Senaste framstegen inom antigenbearbetning och presentation | naturimmunologi

Senaste framstegen inom antigenbearbetning och presentation | naturimmunologi

Anonim

Abstrakt

Heterogena intracellulära vägar och biokemiska mekanismer är ansvariga för att generera glykoproteinkomplexen av peptid och huvudhistokompatibilitetskomplex som visas på ytorna av antigenpresenterande celler för igenkänning av T-lymfocyter. Dessa vägar har ett djupt inflytande på specificiteten av adaptiv immunitet och tolerans, liksom sammanhanget och konsekvenserna av antigenigenkänning av T-celler i tymus och periferi. Fältet antigenbearbetning och presentation har fortsatt att utvecklas sedan publiceringen av en fokusfråga om ämnet i Nature Immunology i juli 2004. Framsteg har gjorts på många fronter, inklusive framsteg när det gäller att förstå hur proteaser, tillbehörsmolekyler och intracellulära vägar påverkar peptid lastning och antigenpresentation i olika celltyper.

Huvudsaklig

Två generellt distinkta vägar används av viktiga histokompatibilitetskomplex (MHC) klass I- och klass II-molekyler för presentation av peptidantigener till CD8 + respektive CD4 + T-celler, respektive 1, 2, 3, 4 . MHC-klass I-antigenpresentationsvägen är aktiv i nästan alla celltyper och tillhandahåller en mekanism för att på cellytan visa ett prov av peptider härrörande från proteiner som syntetiseras i cellen vid varje given tidpunkt. Således görs det inre proteomet tillgängligt för övervakning av cytolytiska CD8 + T-celler, som har förmågan att detektera och döda celler som uttrycker virusproteiner eller tumörantigener. MHC-klass II-vägen är konstitutivt aktiv endast i "professionella" antigenpresenterande celler (APC), inklusive dendritiska celler (DC), B-celler, makrofager och tymiska epitelceller. Genereringen av peptid-MHC-klass II-komplex och uttrycket av costimulatoriska molekyler och cytokiner i APC är mycket reglerade, vilket återspeglar den kritiska betydelsen av CD4 + T-celler för att reglera nästan alla komponenter av adaptiv immunitet. De peptider som presenteras av MHC klass II-molekyler härrör från proteiner som får tillgång till endosomala fack, vilket ger ett sätt för CD4 + T-celler att reagera på exogena antigen som är internaliserade av APC genom fagocytos, makropinocytos, receptormedierad endocytos och andra mekanismer.

MHC-klass I och klass II-proteiner använder mycket liknande peptidbindande domänstrukturer för att bilda komplex med peptidantigen 5 (fig. 1). För båda klasserna begravs peptider mestadels i det peptidbindande spåret, och peptiden är en integrerad del av det korrekt vikta proteinet. Peptider hålls på plats av två uppsättningar av icke-kovalenta interaktioner som inkluderar sekvensberoende interaktioner mellan sidokedjor i peptiden (ankare) och underdelar eller fickor i det peptidbindande spåret och ett konserverat vätebindningsnätverk bildat av icke-polymorfa aminosyror i MHC proteiner och huvudkedjeatomer hos bundna peptider. Förankringsfick-interaktioner bestämmer peptidbindande specificitet, medan vätebindningsnätverk begränsar peptidkonformation och tillhandahåller en basal mängd stabilitet till komplexen. Fördelningen av fickor och konserverade vätebindningar skiljer sig åt för MHC-klass I och klass II-molekyler. I MHC-klass I-proteiner finns konserverade vätebindningar i varje ände av det peptidbindande spåret, vilket begränsar längden på bundna peptider till i allmänhet åtta till tio rester, men tillåter utbuktning i mitten. Däremot är ändarna av MHC-klass II-peptidbindande spår öppna, vilket gör det möjligt för peptider med obegränsad längd att binda. Vätebindningsnätet fixerar konformationen av peptidryggraden genom dess längd i det peptidbindande spåret. För både MHC klass I och klass II molekyler har peptiden en väsentlig effekt i att förändra och stabilisera konformationen av det peptidbindande domänet 6, 7 .

Bundna peptider är i rött; disulfidbindningar är i gult. Streckade linjer indikerar konserverade vätebindningar mellan MHC-aminosyrasidokedjor och bundna peptider. Motsvarande regioner i MHC-klass I a2-domänen och MHC-klass II-p1-domänen (beskrivs) kan representera mål för reglering av peptidutbyte medierad av PDI (MHC-klass I) eller HLA-DM (MHC-klass II).

Bild i full storlek

MHC-klass I-molekyler erhåller peptid under initial montering i endoplasmatisk retikulum 1, 2, 8 (fig. 2). Korta peptider genereras från katabolismen av endogena proteiner i cytoplasma genom inverkan av proteasomer och andra enzymer, och dessa peptider transporteras aktivt i lumen i den endoplasmiska retikulum av den heterodimera transportören associerad med antigenbearbetning (TAP). MHC-klass I tung kedja samlas först med p2-mikroglobulin och sedan med peptid genom en serie orkestrerade händelser som involverar komponenter i MHC klass I peptidbelastningskomplex. Komponenter inkluderar transmembranprotein-tapasin, som fysiskt överbryggar dimer av tung kedja och p2-mikroglobulin till TAP. Andra komponenter i peptidbelastningskomplexet inkluderar chaperon calreticulin och tioloxidoreduktas ERp57. Efter framgångsrik peptidbelastning frisätts MHC klass I-molekyler från peptidbelastningskomplexet och transporteras genom Golgi cisternae till cellytan genom den konstitutiva sekretionsvägen.

MHC klass I tunga kedjor monteras initialt med p2-mikroglobulin (p2M), följt av rekrytering till peptidbelastningskomplexet i endoplasmatisk retikulum. Endogena peptider, genererade i cytoplasma genom inverkan av proteasomer och andra peptidaser, transporteras in i endoplasmatisk retikulum via TAP. ERAAP förmedlar slutlig aminoterminal trimning av peptider, före eller efter initial bindning till MHC-klass I-molekyler. Komponenter i peptidbelastningskomplexet främjar peptidbelastning och utbyte, vilket tillhandahåller en "kvalitetskontroll" -mekanism för "föredragen" export av kinetiskt stabila peptid-MHC klass I-komplex till cellytan.

Bild i full storlek

MHC klass II-a-heterodimerer förlitar sig på ett specialiserat typ II transmembran-chaperonprotein, den invarianta kedjan (Ii), för stabil montering i endoplasmatisk retikulum 3, 9, 10 (fig. 3). Ii innehåller ett ostrukturerat segment som passar in i MHC klass II-peptidbindande spår, och fungerar som en surrogatpeptid för att stabilisera proteinet. Den cytoplasmiska domänen för Ii innehåller en endosomal sorterings- och retentionssignal. Klass II-molekyler är relativt koncentrerade i multivikulära och multilamellära sena endosomala fack, kallade 'MHCII-avdelningarna'. Ii frisätts genom en serie proteolytiska klyvningshändelser, börjar vid karboxylterminalen, inklusive en nyckelklyvningshändelse, vanligtvis medierad av cathepsin S, som frisätter MHC klass II a-heterodimer från Ii cytoplasmatisk endosomal retentionssignal. Detta lämnar endast en kort peptid från Ii, den MHC klass II-associerade invariant-chain peptiden (CLIP), bunden till den peptidbindande spåren och därmed skyddad från verkan av proteaser. Varje MHC klass II-molekyl börjar med en enda självpeptid, CLIP, som måste ersättas av andra peptider i den endosomala vägen för att systemet ska fungera. För många MHC-klass II-molekyler är hastigheten för dissociation av CLIP för lång för att möjliggöra kvantitativ peptidbelastning före leverans till cellytan. Katalysator-chaperonproteinet HLA-DM har en nyckelfunktion genom att påskynda hastigheten för CLIP-frisättning och peptidutbyte i MHCII-fack. HLA-DM är en icke-polymorf MHC klass II heterodimer som innehåller sin egen endosomala målsignal. Det binder inte peptider utan interagerar istället direkt med peptid – MHC klass II-komplex för att underlätta peptidutbyte. HLA-DM tros redigera de peptider som presenteras för CD4 + T-celler genom att katalysera flera omgångar med peptidutbyte, möjligen gynna de mest stabila komplexen. Den tillgängliga poolen av peptidantigener härleds genom inverkan av endosomala proteaser på väsentligen alla exogena eller endogena proteiner som får tillgång till den endosomala vägen.

MHC klass II-molekyler samlas initialt i den endoplasmiska retikulum med Ii, som innehåller en endosomal målsignal. I endosomala fack frigörs Ii huvudsakligen genom en serie proteasspjälkningshändelser, vilket endast lämnar fragmentet CLIP som upptar det peptidbindande spåret. HLA-DM (DM) katalyserar frisättningen av CLIP, bindningen av antigenpeptider och peptidutbyte. HLA-DM redigerar repertoaren för peptid – MHC klass II-komplex som transporteras till cellytan för igenkänning av CD4 + T-celler. Exogena proteiner internaliseras i den endosomala vägen med en mängd olika mekanismer, och utbredning och fragmentering katalyseras av disulfidreduktas GILT och lysosomala proteaser. Peptider underkastas förmodligen ytterligare trimning efter initial bindning till MHC klass II-molekyler.

Bild i full storlek

Peptidbelastning i MHC-klass II-vägen

Den fysiska mekanismen som ligger bakom HLA-DM-medierad peptidutbyte förblir ofullständigt förstått. Den mest accepterade modellen är att HLA-DM binder till en övergångstillståndliknande konformation av peptid-MHC klass II-komplex, där vissa av de icke-kovalenta interaktioner som håller peptid på plats försvagas, vilket påskyndar peptid-dissociation och utbyte. De involverade konformationella förändringarna kan vara mycket subtila och lokaliserade 11 . Det finns kontroverser om de alternativa möjligheterna för hur HLA-DM agerar; dessa involverar huruvida HLA-DM främst riktar sig till interaktioner med fackförankringar eller konserverade vätebindningar, även om båda modellerna har något experimentellt stöd 9, 12, 13, 14, 15 . Detta är en avgörande fråga, eftersom det bestämmer effekten av HLA-DM-redigering på repertoaren för peptider som är tillgängliga för CD4 + T-celligenkänning. I det första fallet kan HLA-DM förväntas skeva repertoaren baserad på peptidsekvenser och identiteten hos specifika ankarrester. Den andra mekanismen skulle resultera i en allmän förspänning mot presentation av mer stabila peptidkomplex, oavsett identiteten för specifika ankarrester. Ett elegant tillvägagångssätt användes nyligen för att bestämma effekten av peptid-MHC klass II-komplex stabilitet på specificiteten av CD4 + T-cellrespons in vivo 16 . Möss immuniserades med skyttelproteiner med ett gemensamt strukturellt ramverk innehållande peptidvarianter utformade för att skilja sig i deras stabilitet av MHC-bindning. Ett direkt samband observerades mellan immunogenicitet och peptidkomplexstabilitet. Detta resultat är hittills det starkaste beviset på att den kinetiska stabiliteten för peptid-MHC-bindning är en nyckelvariabel för att bestämma immunodominans. En uppföljning in vitro- studie gav tvingande bevis på att den relativa känsligheten för HLA-DM-redigering direkt bestäms av stabiliteten i peptid-MHC klass II-komplexet, så att komplex med låg stabilitet är lätt mottagliga för borttagning genom HLA-DM-redigering medan stabila komplex är resistenta 17 . Dessa fynd stödjer idén att HLA-DM redigerar komplex med låg stabilitet, vilket resulterar i en allmän förspänning mot presentation av mer stabila komplex.

Vätebindningar bildade av de konserverade MHC-klass II-kedja-aminosyrorna Asp82 och His81 har nyligen rapporterats ha en oproportionerlig funktion vid stabilisering av peptid-MHC-klass II-komplex 18 (fig. 1). Nya fynd har visat att en substitution vid His81 inte bara minskar stabiliteten hos peptidkomplex utan också gör komplexet immun mot ytterligare destabilisering med HLA-DM 19 . Således kan den konserverade vätebindningen som bildas av His81 vara ett huvudmål för störning i HLA-DM-katalytiska mekanismen. Andra studier har visat att förutom att vara en peptidredigerare kan HLA-DM också redigera konformationen av specifika peptid-MHC klass II-komplex, ta bort konformationella isomerer som kan särskiljas med T-celler 20, 21 . I inflammatoriska tillstånd kan den redigerade konformern presenteras för T-celler in vivo , förmodligen genom en HLA-DM-oberoende mekanism 21 . Det är möjligt att HLA-DM-oberoende presentation av normalt redigerade självpeptider och peptid-MHC-konformatorer kan vara viktiga i patogenesen av autoimmun sjukdom. Den potentiella relevansen av HLA-DM-oberoende peptid-dissociation eller utbyte betonas också av en ny rapport som utvalda ädelmetallkomplex kan inducera peptid-dissociation genom en allosterisk mekanism 22 . Denna upptäckt tillhandahåller en potentiell mekanism för den terapeutiska effekten av guldföreningar vid reumatoid artrit, vilket antyder möjliga nya strategier för behandling av autoimmun sjukdom baserat på manipulation av antigenpresentation.

I motsats till HLA-DM förblir ett andra icke-polymorft tillbehörsprotein i MHC-klass II-vägen väldigt mycket en gåta. HLA-DO är en intracellulär MHC klass II a-heterodimer som uttrycks i B-celler. HLA-DO bildar komplex med en väsentlig fraktion av HLA-DM-molekyler i dessa celler, och det hämmar delvis eller fullständigt funktionen av det bundna HLA-DM-proteinet. De flesta teorier om HLA-DO-funktion har koncentrerat sig på idén att HLA-DM – HLA-DO-komplex behåller en viss katalytisk funktion i den surare miljön som finns i sena endosomala fack av B-celler. Antigener är "företrädesvis" riktade mot dessa fack efter internalisering genom B-cellens antigenreceptor (BCR). Således kan HLA-DO tjäna till att ytterligare förbättra förmågan hos B-celler att selektivt presentera antigen som är internaliserade genom BCR till CD4 + T-celler. HLA-DO uttrycks inte i DC genererade in vitro , så det har föreslagits att ha en specialiserad funktion inom B-cellbiologi. Nya studier har emellertid visat att HLA-DO uttrycks i primära DC-populationer in vivo , både hos människor och möss 23, 24, 25 . Således har HLA-DO en mer generell effekt på antigenpresentation än tidigare uppskattat, och teorier om dess funktion måste ses över. HLA-DO-uttryck nedregleras under DC-aktivering 23, 24 och i germinala B-celler 25, 26, 27 . HLA-DO uttrycks också i tymiska medullära epitelceller, i överensstämmelse med möjligheten att HLA-DO selektivt påverkar antigenpresentation genom tolerans-inducerande APC i tymus såväl som periferi och är involverad i immunologisk tolerans.

Mycket återstår att lära sig om de mekanismer som ligger bakom antigenutveckling och peptidgenerering i MHC-klass II-vägen. Det lysosomala tiolreduktaset GILT är viktigt vid utbredningen av disulfidinnehållande antigen, även om andra faktorer troligen är involverade 28 . Miljön i lysosomer är rik på proteaser, men ingen har visat sig ha en väsentlig icke-redundant funktion vid peptidgenerering i MHC-klass II-vägen. Ett vanligt tema för banorna MHC klass II och MHC klass I är att det finns en balans mellan peptidgenerering och förstörelse. Nyligen genomförda studier har visat att den relativt begränsade lysosomala proteasaktiviteten hos DC och B-celler gynnar antigenpresentation 29 och att immunogeniciteten hos proteinantigener förbättras genom att minska känsligheten för lysosomal proteolys 30 . En gammal idé som förblir livskraftig är att MHC-klass II-molekyler initialt binder till delvis utfoldade polypeptider och att kärnpeptiden skyddas i det peptidbindande spåret under en trimningsprocess som genererar den slutliga peptiden 31 . Ett väl dokumenterat exempel på "MHC-styrd behandling" har nyligen publicerats 32 . I B-celler kan antigen eller utvalda antigena determinanter skyddas från proteolys genom bindning till BCR 33, 34 . Dessa två idéer har sammanförts i en nyligen genomförd studie som visar att proteas-nicking kan vara tillräckligt för att låta stora fragment av ett modellproteinantigen binda MHC-klass II och att BCR-bundet nickat antigen kan överföras till MHC-klass II-molekyler lokaliserade tillsammans i samma membran genom en process katalyserad av HLA-DM 35 . Detta fynd väcker intressanta frågor om den fysiska basen för HLA-DM-förbättrad antigenöverföring mellan BCR- och MHC-proteinerna.

MHC-klass II-vägen i DC

Intensivt fokus kvarstår på mekanismerna som reglerar antigenpresentation av DC: er. Dessa celler är viktiga för att svara på miljösignaler för att initiera olika kaskader av T-cellimmunitet eller tolerans. Omogna DC är mycket endocytiska men relativt ineffektiva vid antigenbearbetning och presentation. Efter stimulering med Toll-liknande receptor (TLR) ligander eller inflammatoriska cytokiner genomgår DC: er en mognadsprocess som resulterar i migration till lymfoida organ, ombyggnad av endosomala fack, reducerad endocytos (slutligen), omfördelning av MHC klass II-molekyler från MHCII-avdelningar till cellytan och uppreglering av costimuleringsmolekyler. De flesta av händelserna i MHC-klass II-vägen regleras av pH och är optimala vid surt pH. Nyaste nyckelfynd inkluderar observation av förbättrad lysosomal försurning under DC-mognad 36 . Dessutom ökas antigenupptagningen tillfälligt som svar på TLR-signalering 37 . Det är meningsfullt att antigenupptag bör förbättras snarare än hämmas under den initiala tidsperioden efter kontakt med mikrobiella patogener. Den oväntade observationen att endogena kaspaser har en reglerande funktion för att förhindra endosomal ombyggnad och kontroll av proteinsortering i omogna DC har rapporterats 38 . Det har också nyligen upptäckts att ytuttryck och omsättningshastigheter för MHC klass II regleras av cytoplasmatisk domän ubiquitination i DC 39, 40, 41 och B celler 41, 42 . Denna observation hjälper till att förklara varför ytuttryck av MHC klass II-molekyler är låg på omogna DC och tillhandahåller en mekanism för den avsevärda ökningen av halveringstiden för ytan MHC klass II molekyler som inträffar efter DC-mognad, vilket ger ett medel för långvarig antigenpresentation efter migration till sekundära lymfoida organ. Mycket återstår att lära sig om molekylvägarna som reglerar DC endosomal försurning, aktinombyggnad, kaspasaktivitet och MHC klass II ubikvitering som svar på TLR-signalering. Förutom komplexiteten förbättras effektiviteten i presentationen av antigen som är internaliserad genom fagocytos genom lokaliseringen av TLR-ligander tillsammans med antigen i fagosomen, och genereringen av peptid – MHC klass II-komplex kontrolleras av TLR på ett fagosom-autonomt sätt 43 . Således kan lokal TLR-signalering reglera fagosommognad 44 och effektiviteten för antigenbearbetning i enskilda membranbundna fack. Ingen tvekan fortsätter att göras på detta viktiga område.

Den endogena MHC-klassvägen

Tidig vikning och oxidation av MHC klass I tung kedja och montering med p2-mikroglobulin medieras av chaperon-calnexin (fig. 2). Dessa händelser följs av frisättning från calnexin och montering med MHC klass I peptidbelastningskomplex, som innefattar många komponenter, inklusive det lösliga chaperon calreticulin, ERp57, tapasin och TAP. En huvudfunktion för komplexet är att orkestrera slutmonteringen med peptider, levererad till den endoplasmiska retikulum av TAP och att tillhandahålla "kvalitetskontroll" för exporterade peptid-MHC-komplex 45 . I analogi med MHC-klass II-vägen finns det starka bevis för att initial peptidbindning till MHC-klass I-molekyler följs av peptidutbyte och redigering i endoplasmatisk retikulum 45, 46, 47 . Tapasin har antagits att ha en nyckelfunktion i redigering av peptider, även om det verkar som att många komponenter i peptidbelastningskomplexet deltar i mekanismen "kvalitetskontroll". En studie har visat att hierarkin för presentation av en serie specifika peptider, som representerar ett brett spektrum av affiniteter, motsvarade peptidens halveringstid 48 . Denna hierarki stördes i celler som saknade tapasin, men calreticulin eller ERp57 hade ingen uppenbar effekt. Denna upptäckt förstärker idén att tapasin är avgörande i valet av stabila peptidkomplex. En ny studie har visat bevis för involvering av tapasin i återvinning av instabila peptid – MHC-klass I-komplex från post-endoplasmatiska retikelfack 49 . Således kan tapasin bidra till "kvalitetskontroll" inte bara genom dess deltagande i peptidbelastningskomplexet och genom bibehållande av instabila MHC-klass I-molekyler i endoplasmatisk retikulum utan också genom återvinning av komplex som undviker det endoplasmiska retikulumet efter att ha laddats med suboptimala peptider.

ERp57 är ett tioloxidoreduktas som bildar en disulfidbindning med tapasin 50 . Med tanke på dess enzymatiska aktivitet är det möjligt att ERp57 kan bibehålla korrekt disulfidstruktur i MHC-molekyler under peptidbelastning eller kan reglera belastning genom disulfidutbyte 50 . Faktum är att en bevarad disulfidbindning i a2-domänen (fig. 1) är avgörande för att stabilisera konformationen av den peptidbindande domänen. Men det senaste arbetet tyder på att detta inte är dess huvudfunktion. Tapasin visades vara ett "föredraget" substrat för ERp57, vilket bildade en mycket stabil disulfidlänkad heterodimer, vilket således förhindrade ERp57 från att verka på andra substrat 51 . I en nyckelstudie genererades möss för att vara bristfälliga i ERp57 i B-celler 52 . ERp57-brist hade ingen effekt på det oxidativa tillståndet av disulfidbindningarna i MHC-tungkedjemolekyler. ERp57 befanns emellertid vara viktigt för att rekrytera och bibehålla MHC-molekyler i peptidbelastningskomplexet och för optimal cellytuttryck av stabila MHC-peptidkomplex 52 . Således påverkar ERp57 "kvalitetskontroll" på ett sätt som liknar tapasin. Nyligen konstaterade fynd har visat att tapasin fungerar som ett funktionellt viktigt "sink" för sekwestrering av ERp57. I frånvaro av tapasin reduceras MHC a2-domänens disulfidbindning snabbt genom den katalytiska aktiviteten hos fri ERp57 (ref. 53). Integriteten hos denna disulfid är avgörande för peptidbelastning.

Tapasin interagerar direkt med MHC, men förmågan hos det isolerade proteinet att direkt katalysera peptidbelastning och utbyte, analogt med HLA-DM i MHC klass II-vägen, har varit svårt att visa. En ny studie har visat peptidredigeringsfunktion med en löslig form av tapasin konstruerad för att ha större affinitet för MHC genom användning av leucin-dragkedjor 54 . Det verkar som om fysiologiska förhållanden ERp57 tillhandahåller ett viktigt strukturellt element för att främja tapasinfunktion. I ett cellfritt system underlättade rekombinanta tapasin-ERp57-komplex rekryteringen av MHC till peptidbelastningskomplexet, peptidbindning och peptidredigering, vilket gynnade bildandet av mer stabila peptidkomplex 55 . Tapasin monteras spontant med ERp57 utan krav på andra komponenter i peptidbelastningskomplexet 51 . ERp57 kan påverka konformationen av tapasin i heterodimeren, såväl som att tillhandahålla ett andra bindningsställe med peptidbelastningskomplexet genom den direkta interaktionen av ERp57 med calreticulin 50, 52, 55 . Således verkar det som att ingen enskild komponent i peptidbelastningskomplexet är tillräckligt för att främja peptidbelastning och redigering i MHC-klass I-vägen; istället fungerar tapasin, ERp57 och calreticulin på konsert.

Den senaste kandidatkomponenten i peptidbelastningskomplexet som kommer att beskrivas är proteindisulfidisomeras (PDI), ett enzym som har en allmän funktion för att främja bildningen av nativa disulfidbindningar under initial vikning av proteiner i endoplasmatisk retikulum. PDI rapporterades fälla ut tillsammans med andra komponenter i peptidbelastningskomplexet och vara kritiska för att reglera redoxtillståndet för disulfidbindningen i MHC klass I a2-domän 56 . Bevis har presenterats som indikerar att denna disulfid, belägen i det peptidbindande spåret, befinner sig i dynamisk jämvikt mellan de oxiderade och reducerade tillstånden och att omvandlingen kan katalyseras av PDI genom en disulfidbytningsmekanism 56 (fig. 1). Noterbart visade sig att redoxtillståndet kontrollerades av tillgängligheten av MHC-bindande peptider med hög affinitet. Förutom katalytiska domäner har PDI en domän för bindning av små peptider och substitutioner i PDI-peptidbindande domän visade sig försämra MHC klass I peptidbelastning. Således kan peptidbelastning och "kvalitetskontroll" i MHC-klass I-vägen kontrolleras av en tiolbaserad redoxmekanism medierad av PDI som reglerar konformationen eller stabiliteten för MHC-klass I-peptidbindande domän. Dessutom kan PDI fungera som en peptidbärare med förmågan att tjäna som en givare eller acceptor för MHC-klass I-peptidutbytesreaktioner i den endoplasmiska retikulum 56 . Dessa fynd förblir kontroversiella, eftersom det har varit svårt för andra grupper att identifiera PDI som en komponent i peptidbelastningskomplexet 51, 53, 55 . Ändå är det fortfarande möjligt att katalytiska koncentrationer av PDI kan påverka peptidbelastningsmekanismen.

Även om mycket har lärt sig om MHC-klass I-peptidbelastningsmekanismen fortsätter berättelsen att skrivas. I själva verket uppvisade en nyligen beskriven mutantcellinje en defekt i den tidiga sammansättningen av MHC-klass I-molekyler, trots normal funktion av alla kända komponenter i MHC-klass I-monteringsvägen 57, vilket betonar tanken att kritiska komponenter i antigenbearbetningsvägarna kvarstår bli upptäckt.

De flesta av peptiderna som kommer in i MHC-klass I-presentationsvägen genereras genom proteasom-medierad klyvning av polypeptider i cytoplasma av celler. Starka bevis har publicerats för att stödja idén att translation och proteinvikning kan vara felaktig, att en betydande del av nyligen översatta polypeptider snabbt nedbryts av proteasomen och att nygenererade polypeptider, inklusive defekta ribosomala produkter, representerar den huvudsakliga källan för antigen som kommer in MHC klass I lastningsväg 58, 59, 60 . Denna modell har ifrågasatts av nyligen visade bevis som visar att nyligen syntetiserade polypeptider mestadels skyddas från proteasomal nedbrytning under och omedelbart efter translation och att förutgående befintliga proteiner representerar de viktigaste proteasome substraten 61 . Det är emellertid klart att translationella fel, inklusive ribosomal ramskiftning, kan ha biologisk relevans vid generering av CD8 + T-celldeterminanter 62 . Dessutom har T-cellepitoper identifierats som representerar skarvade peptider genererade av proteasomen, vilket expanderar de kända post-translationella mekanismerna genom vilka T- celldeterminanter genereras eller modifieras 63, 64, 65 .

Proteasomen genererar peptider med 2–25 aminosyror i längd, varvid de flesta snabbt bryts ned av cytoplasmiska peptidaser 1, 2, 66 . En liten fraktion transporteras in i endoplasmatisk retikulum med TAP. Proteasomer tros generera de slutliga karboxiterminala resterna av MHC-bindande peptider, men ytterligare trimning vid aminoterminalen krävs för de flesta peptidepitoper. Det har visat sig att det cytoplasmatiska peptidaset TPPII är involverat i trimning av proteasomala produkter över 15 aminosyror i längden 57, 67, även om dess kvantitativa bidrag till poolen av MHC-bindande peptider förblir oklar 57 . TPPII har också visat sig delta i en proteasomoberoende väg för epitopgenerering 68 . Proteasomen förstörde faktiskt influensanukleoprotein T-celldeterminanten som undersöktes i den studien. Det viktigaste enzymet som ansvarar för den slutliga aminoterminala trimningen av peptider i MHC-klass I-vägen är belägen i endoplasmatisk retikulum. Det allestädes uttryckta endoplasmatiska retikulumaminopeptidaset ERAAP (eller ERAP1) verkar vara idealiskt lämpat för att generera MHC-klass I-bindande peptider från längre aminoterminal utsträckta prekursorer levererade till endoplasmatisk retikulum med TAP 69, 70, 71 . Det har rapporterats fungera som en 'molekylär linjal' som känner igen peptidkarboxylterminalen och trimmar aminoterminalen för att generera peptider 8-10 rester i längd 72 . En annan ny rapport har emellertid visat att ERAAP har förmågan att ytterligare trimma små peptider och därmed förstöra T-celldeterminanter 73 . MHC klass I-molekyler rapporterades skydda peptider från förstörelse genom bindning till aminoterminal utsträckta prekursorer, en mekanism som är analog med den som beskrivits ovan för MHC klass II-molekyler 73 . Det kommer att vara användbart att ytterligare undersöka denna mekanism och den potentiella påverkan av PDI och andra peptidbindande endoplasmatiska retikulum-chaperonmolekyler på peptid-trimning. I både MHC-klass I- och klass II-vägar har tillbehörsproteiner förmågan att binda antigena prekursorer, påverka proteolytisk bearbetning och potentiellt "dela ut" peptidprekursorer till MHC-peptidbindande spår, vilket kan skydda kärnsekvensen under en slutlig trimning steg 31, 35, 56, 73, 74, 75, 76 .

Två endoplasmiska retikulumaminopeptidaser uttrycks i humana celler, ERAP1 (ERAAP) och ERAP2, och dessa rapporteras ha komplementär funktion 77 . Däremot är ERAAP det enda endoplasmatiska retikulum-peptidaset i musceller. Det är därför förvånande att ERAAP-brist har en relativt liten effekt på MHC-klass I-uttryck, CD8 + T-cellval och förmågan att montera T-cellrespons på virusinfektioner 78, 79, 80 . En nyligen genomförd studie har emellertid föreslagit att ERAAP har en global effekt på repertoaren för peptider presenterade av MHC klass I-molekyler. APC: er från möss med ERAAP-brist visade sig stimulera starka T-cellrespons i vildtypsmöss och vice versa, vilket indikerar att det finns uppsättningar av peptid – MHC-klass I-komplex som presenteras unikt på APC: er i närvaro kontra frånvaro av ERAAP och att peptidklippning i endoplasmatisk retikulum har en funktionellt väsentlig effekt på CD8 + T-cellrepertoarval 81 .

En ny studie har visat att kortikala tymiska epitelceller unikt uttrycker en tidigare okänd katalytisk underenhet av proteasomen, förändrar klyvningsspecificitet och förmodligen påverkar repertoaren av peptider som förmedlar positivt urval av att utveckla tymocyter 82 . Möss som är bristfälliga i denna katalytiska underenhet har en väsentlig defekt i utvecklingen av CD8 + T-celler trots att de har normalt uttryck av MHC-klass I på kortikala tymiska epitelceller. Dessa fynd, i kombination med en tidigare studie som visar viktiga skillnader i proteolytiska händelser i MHC klass II-vägen i kortikala tymiska epitelceller 83, tyder på att det kan vara kritiskt att ha distinkta peptidrepertoarer som medierar positivt kontra negativt urval av tymocyter.

Cross-presentation

Förutom provtagning av endogena peptider för presentation av MHC klass I-molekyler, har DC och makrofager förmågan att presentera exogena antigen som är internaliserade genom den endocytiska vägen till CD8 + T-celler 4, 84, 85, 86 . Mekanismerna som är ansvariga för sådan "cross-priming" eller "cross-presentation" är kritiska för att initiera CD8 + T-cell-svar på antigener som annars inte skulle få tillgång till MHC-klass I-presentationsvägen i DC: er. Det finns en "arbetsdelning" bland de viktigaste DC-delmängderna i musmjälte; subpopulationen CD8 + är specialiserad för korspresentation 87, 88, medan subpopulationen CD8 - DC nyligen har rapporterats vara mer effektiv när det gäller att inducera CD4 + T-cell-svar 89 . Cell- eller partikelassocierade antigener är i allmänhet mycket effektivare vid induktion av korsprimning än lösliga antigener. Det är uppenbart att det finns många vägar för korspresentation, inklusive TAP-beroende och TAP-oberoende mekanismer. Den TAP-oberoende eller vakuolära vägen kan involvera peptidutbyte vid återvinning av endosomer eller på cellytan, och en nyligen genomförd studie har visat att det lysosomala proteas-katepsinet S är viktigt för att generera peptider presenterade genom denna väg 90 . Den fysiska formen av antigen som överförs till DC för korspresentation har varit föremål för debatt. However, recent studies have indicated that cross-presentation generally results from the transfer of proteins that require further processing 91, 92, 93, not free peptides or peptides bound to heat-shock proteins 94 . TAP-dependent mechanisms seem to dominate, and they are thought to involve the transfer of precursor antigens from the endosome to the cytoplasm, where they enter the direct MHC class I presentation pathway as substrates for the proteasome (Fig. 4). As in the MHC class II and direct MHC class I processing pathways, there is a balance between peptide generation and destruction by proteolytic enzymes in cross-presentation. Mechanisms that reduce the activity of endosomal hydrolases in DCs have recently been shown to enhance the efficiency of cross-presentation 95, 96 .

( a ) In the phagosome-to-cytoplasm pathway, particle- or cell-associated proteins or peptides are transported from the phagosome to the cytoplasm, where they enter the direct MHC class I pathway as substrates for proteasomes. The export mechanism is unknown. ( b ) The endoplasmic reticulum (ER)–phagosome represents an essentially autonomous compartment for generating peptide–MHC class I complexes from exogenous antigens. Components of the endoplasmic reticulum are incorporated into phagosomes that contain internalized antigens. Proteins are exported to the cytoplasm by the endoplasmic reticulum–derived Sec61 translocation complex, where they become substrates for locally associated proteasomes. The resulting peptides are transported back into the endoplasmic reticulum–phagosome by TAP, followed by binding to MHC class I molecules and transport to the cell surface. ( c ) Soluble proteins can be targeted to different processing pathways after internalization through receptor-mediated endocytosis. Proteins internalized by pinocytosis or scavenger receptors are targeted to lysosomes and are excluded from cross-presentation by MHC class I molecules. Proteins internalized through mannose receptors are targeted to a stable population of early endosomes, from which they are transported to the cytoplasm, entering the direct MHC class I pathway as proteasome substrates. Additional mechanisms for cross-presentation have been demonstrated.

Bild i full storlek

Both soluble and phagocytosed particulate antigens have been reported to access the cytoplasm through a mechanism involving molecular components of the endoplasmic reticulum–associated degradation system, which transfers misfolded proteins from the endoplasmic reticulum to the cytoplasm for degradation 97, 98 . Soluble proteins might directly access the endoplasmic reticulum after endocytosis through a retrograde transport pathway that is active in DCs 99 . A recent study has suggested that the mechanism of internalization of soluble antigen controls access to a cross-presentation pathway in DC and macrophages 100 . Antigen internalized through mannose receptor–mediated endocytosis is targeted to a stable population of early endosomes, resulting in efficient cross-presentation to CD8 + T cells. Presentation is dependent on proteasome function, suggested that antigen is transferred from the early endosomes to the cytoplasm, where it enters the direct MHC class I processing pathway. In contrast, antigen internalized through scavenger receptors or pinocytosis is targeted to lyosomes and is efficiently presented to CD4 + T cells but not to CD8 + T cells 100 (Fig. 4). There was considerable excitement after the discovery of the incorporation of components of the endoplasmic reticulum membrane into phagosomes after uptake of particulate antigens 101, 102, 103, 104 . The findings support a model in which individual phagosomes can be self-sufficient for antigen processing and cross-presentation 102, 103 (Fig. 4). In this model, antigen is transferred to the cytoplasmic side of the phagosomal membrane through the endoplasmic reticulum–derived retrotranslocation machinery (the 'Sec61' translocation complex). Locally associated proteasomes generate peptides that are transferred back into the lumen via TAP. The functional contribution of the MHC class I peptide-loading complex and ERAAP remain to be demonstrated. Although this model is 'attractive', a recent study has provided strong evidence that the endoplasmic reticulum contributes very little to the phagosome membrane, which instead is derived from the plasma membrane, providing a considerable challenge to the endoplasmic reticulum–phagosome model 105 . Yet another pathway for cross-presentation has been demonstrated that involves direct gap junction–mediated transfer of peptides from virally infected cells to professional APCs 106 . The exciting recent developments in understanding cross-presentation raise many new questions for further investigation.

Slutsats

The MHC class I and class II processing pathways use distinct cellular compartments and accessory proteins, yet there are common principles and areas of overlap. In both pathways, peptide generation and destruction are balanced and subject to regulation. MHC proteins and accessory molecules can bind peptide intermediates and guide proteolytic processing or trimming. Accessory proteins mediate peptide exchange and editing in newly generated MHC class I and class II complexes, favoring the presentation of more-stable complexes. Exogenous antigens gain access to the MHC class I pathway through multiple cross-presentation mechanisms in professional APCs. Recent studies have demonstrated that the endosomal MHC class II loading pathway continuously receives input from endogenous cytoplasmic antigens through autophagy and other mechanisms 107, 108, 109 . Thus, endogenous and exogenous antigens are presented through both the MHC class I and class II pathways. There is also cross-utilization of the proteolytic machinery, as shown by the involvement of cathepsin S in cross-presentation 90 and the recent demonstration of a proteasome-dependent pathway for presentation of MHC class II–restricted viral epitopes 110 . There are many distinct and overlapping pathways for antigen presentation, which is not unexpected, given its central function in adaptive immunity. It is likely that unanticipated discoveries will continue to be made in this exciting area of inquiry. Future studies will improve understanding of the mechanisms of peptide loading and exchange and the effect of peptide editing on the specificity of immunity and tolerance. Much remains to be learned about distinct features of the antigen-processing pathways in different APC types, including thymic epithelial subpopulations, DCs and B cells. There is relatively little knowledge about the effect of MHC polymorphisms on interactions with the peptide-loading machinery and the implications for understanding the strong genetic associations between MHC haplotypes and disease. Indeed, it is likely that important participants in the antigen-processing pathways remain to be discovered and that advances will be made in manipulating these pathways for the therapeutic modulation of immunity and tolerance.