Структурная организация генов и молекул HLA

Классические гены HLA I класса имеют следующую экзонную организацию: экзон, кодирующий сигнальный пептид1, экзоны, кодирующие 3 внешних и трансмембранные домены, и 3 экзона, кодирующие небольшой цитоплазматический домен.

Молекулы MHC I класса представляют собой димер, образованный би в-цепями.

Pис.1 Строение молекул MHC I и II классов. Греческими буквами обозначены домены, черными кружками — локализация углеводных групп (из учебника А. А. Ярилина «Основы иммунологии»).

Цепь a кодируют гены HLA-A, B или C. Эта цепь состоит из трех внеклеточных доменов б-1, б-2 и б-3, содержащих по 90 аминокислотных остатков. Кроме того, в состав молекулы HLA I класса входят трансмембранная и цитоплазматическая части (25 и 30 остатков соответственно). Полиморфными являются домены б-1 и б-2. Самая высокая степень полиморфизма выявлена на участке 68 — 80, а также около позиций 110 и 135.

С доменом a-3 нековалентно связана в-цепь, представляющая собой в2-микроглобулин и являющаяся продуктом гена, не связанного с MHC (15 хромосома). Домен б-3 и в2-микроглобулин гомологичны доменам иммуноглобулинов и имеют сходную пространственную организацию: два антипараллельные в-слоя, образованные 3 и 4 отрезками полипептидной цепи и скрепленные дисульфидной связью. Над ними расположены домены б-1 и б-2, не относящиеся к суперсемейству иммуноглобулинов. N-концевая часть этих доменов формирует в-слой — дно антигенсвязывающей бороздки (щели Бъоркмана). Стенки щели образованы внутренними поверхностями a-спиральных участков, сформированных С-концевыми участками доменов разной длины. Со стенками антигенсвязывающей бороздки связаны практически все гипервариабельные участки молекул HLA.

Рис. 3 Антигенсвязывающая щель молекул MHC I и II классов. b-слой образует дно щели, б-спирали формируют стенки (из учебника А. А. Ярилина «Основы иммунологии»).

Было установлено, что молекула HLA-B272 может образовывать гомодимерную тяжелую цепь in vitro путем дисульфидного связывания через цистеин в положении 67 (мутация в этом участке подавляет образование гомодимеров). Подобные гомодимеры могут играть патогенную роль в развитии аутоимунных реакций. «Неклассическая» молекула HLA-F также ассоциирована с b2-микроглобулином, но антигенных фрагментов в ее составе выявлено не было. Судя по составу углеводного компонента, эта молекула локализуется не на поверхности, а внутри клеток (В-лимфоцитов и В-клеточных линий). Как и другие внутриклеточные продукты MHC класса I, HLA-F ассоциирован с молекулами TAP и кальциневрином. Возможно, что молекула HLA-F предназначена для экспрессии очень ограниченного числа пептидов.

Мономерные молекулы MIC схожи по строению с молекулами HLA I класса (три экстрацеллюлярных домена — б-1, -2, -3, трансмембранный участок и цитоплазматический «хвост», однако полиморфные области a-цепи находятся в пределах доменов б-2 и б-3. Кроме того, полиморфным является также трансмембранный участок молекулы MICA. Полиморфизм этого участка заключается в разном количестве аланиновых остатков, что является результатом различного количества микросателлитных повторов3 в 5 экзоне гена MICA (ген состоит из 6 экзонов). Так, установлены 5 аллелей с 4, 5, 6 и 9 GCT-повторами и аллель с 5 повторами, но со вставкой дополнительного нуклеотида (GGCT). Вставка G приводит к сдвигу рамки считывания и формированию стоп-кодона, в результате чего у молекулы MICA A5.1 терминируется цитоплазматический «хвост». Такие молекулы содержат длинный гидрофобный богатый лейцином трансмембранный регион, а во 2 позиции цитоплазматического домена происходит терминация. Динуклеотидные повторы гена MICB (13 аллелей) расположены в 1 интроне.

Строение молекул HLA класса II принципиально сходно с таковым молекул I класса, несмотря на различие в составе образующих их субъединиц.

ТМ — трансмембранный домен, ЦИТ — цитоплазматический домен, ВК — внеклеточный домен (данные для отдельных доменов разделены дефисами).

Гены, кодирующие различные полипептидные цепи молекул II класса, имеют сходную экзон-интронную организацию. Первый экзон кодирует 5,-нетранслируемую и лидерную последовательности. Второй и третий экзоны — первые (б-1 или b-1) и вторые (б-2 или в-2) внешние домены соответственно. Четвертый экзон кодирует трансмембранную часть, пятый — цитоплазматический «хвост» .

Молекулы HLA II класса — это мембранные гликопротеины, состоящие из двух цепей (б и в), каждая из которых содержит по два домена. Цепи молекул II класса очень сходны между собой. N-концевые домены (б-1 и вb-1) в значительной степени полиморфны, в то время как вторые домены (б-2 и в-2) более консервативны и структурно гомологичны константным участкам иммуноглобулинов. Размер доменов около 90 остатков. В доменах в-1, б-2 и в-2 имеются дисульфидные связи. Между аминокислотной последовательностью домена в-2 антигенов II класса и a-1 антигенов I класса D. Larhammer et al. выявили гомологию, а последовательность аминокислотных остатков с 92 по 192 b-цепей молекул II класса также схожа с b2-микроглобулинами и иммуноглобулиноподобными доменами тяжелых цепей антигенов I класса.

Возможно, что наличие общих участков в структуре антигенов I и II классов является отражением их общей эволюции. Каждая из цепей молекул II класса имеет трансмембранный участок длиной около 25 гидрофобных аминокислотных остатков и короткую С-концевую цитоплазматическую область длиной примерно в 10 — 20 аминокислотных остатков. На аминокислотном уровне наиболее полиморфными являются внешние альфа-1 и бета-1 домены, которые образуют пептид-связывающую бороздку и отвечают за презентацию антигенов.

Трехмерная структура молекулы II класса была установлена в 1993 году Brown et.al. на основе рентгеноструктурного анализа. Антигенсвязывающую бороздку молекул II класса образуют наиболее экспонированные внешние домены, б-1 и в-1. Дно бороздки сформировано b-складчатой структурой, состоящей из восьми антипараллельных участков, а стенки образованы a-спиралями. Отличие антигенсвязывающей бороздки молекул II класса от таковой молекул I класса заключается в том, что в молекулах II класса она образована двумя разными цепями. Домены, образующие бороздку, и в особенности первый домен b-цепи, чрезвычайно полиморфны. Области полиморфизма собраны в несколько дискретных гипервариабельных участков (например, в b-цепи HLA-DQ они соответствуют аминокислотным остаткам в положениях 52 — 58, 70 — 77, 84 — 90).

Предполагали, что одни из этих участков расположены в пределах бороздки в положении, оптимальном для связывания антигена, а другие образуют детерминанты, вовлекаемые во взаимодействие с Т-клеточными рецепторами. В частности, было показано, что некоторые аминокислотные замены в полиморфных участках молекул HLA могут влиять на структурные изменения, значимые для образования «карманов», в которых связываются определенные презентируемые пептиды. Эти изменения могут даже полностью нарушать правильное связывание конкретного пептида, препятствуя его успешной презентации, а также влиять на корректное физиологическое распознавание комплекса «пептид-молекула HLA» Т-клетками. Исследуя мутантные I-A (d) молекулы (молекулы I-A — молекулы главного комплекса гистосовместимости у мышей), Bryant et al. пришли к выводу, что корректное связывание пептидов в бороздке обеспечивается консервативным участком b-цепи (положения 80 — 82). Было также установлено, что исчезновение единственной водородной связи в положении 81 или двух водородных связей в положении 82 достаточно для того, чтобы молекула класса II I-A (d) стала неспособна к стабильному взаимодействию с пептидами, хотя процесс сборки молекулы в присутствии интактной инвариантной цепи при этом не нарушается. На основании полученных данных Bryant et al. предположили, что стабильное взаимодействие молекул MHC (major histocompability complex) II класса с пептидами зависит также и от плотности сети водородных связей между аминокислотными остатками альфа-спиралей молекулы MHC и связываемым пептидом. С другой стороны, Gaubin et al установили, что с CD4-рецепторами могут взаимодействовать и неполиморфные участки вторых доменов молекулы HLA (в данном случае HLA-DR). Таким образом, структура генов и молекул HLA обусловлена их биологическим предназначением.