Kinetický segregačný model aktivácie T buniek

Kinetický segregačný model aktivácie T-buniek vysvetľuje na základe priestorových vlastností zúčastnených molekúl mechanizmus, ktorým vedie rozpoznanie ligandu pomocou TCR komplexu k aktivácii T-bunky. Tento model sformulovali Simon J. Davis a professor Anton van de Merwe z Oxfordskej univerzity v roku 1996 ako jeden z možných TCR signalizačných modelov. Pôvodne bol navrhnutý s cieľom objasniť ako sa po väzbe peptidového ligandu prezentovaného prostredníctvom MHC antigén prezentujúcej bunky na TCR T-bunky prenesie signál cez jej membránu, čo má za následok aktiváciu takejto T-bunky. Koncept kinetického segregačného modelu by však podľa autorov mohol fungovať aj pri aktivácii T-bunky viažúcej superagonistické protilátky (protilátky s mitogénnym účinkom) svojou povrchovou molekulou CD28.
Aplikácie navrhovaného mechanizmu.
TCR viažúci peptidový ligand prezentovaný MHC.
Funkciu rozpoznania ligandu a prenosu informácie o tejto udalosti dovnútra bunky plní u T-buniek komplex TCR. Tento komplex sa skladá z vlastného povrchového receptoru TCR (rozpoznanie ligandu) a asociovaného komplexu podjednotky CD3. Asociácia TCR komplexu s prezentovaným ligandom spúšťa signalizačnú dráhu, na začiatku ktorej je fosforylácia špecifických tyrozínových zvyškov (ITAM) podjednotky CD3 pomocou Lck (tyrozín kináza asociovaná s membránou). Fosforylačný účinok Lck rušia tyrozín fosfatázy (napríklad CD45, CD148). Tie spôsobujú defosforyláciu ITAM, čím sa bunka vracia späť do pokojového stavu. V pokojovej T-bunke nerozpoznávajúcej ligand sa všetky zúčastnené molekuly (TCR komplex, kinázy aj fosfatázy) navzájom voľne stretávajú, účinok kináz je rušený fosfatázami, čo udržuje celkovú fosforyláciu na nízkej úrovni, ktorá nie je dostatočná pre aktiváciu T-bunky.
Keď však TCR komplex rozpozná a naviaže svoj ligand, vytvorí sa medzi T-bunkou a APC úzky priestor vymedzený povrchmi týchto buniek. Kľúčovým argumentom kinetického segregačného modelu aktivácie T buniek je práve myšlienka, že tento priestor je príliš úzky na to, aby sa do neho dostali molekuly fosfatázy CD45 alebo CD148, ktorých extracelulárne domény sú na to príliš veľké. Takto sú účinky kináz a fosfatáz od seba segregované, teda oddelené.
Takéto vylúčenie fosfatáz z oblasti kontaktu TCR komplexu s peptidom prezentovaným MHC na APC vedie k predĺženiu poločasu trvania fosforylácie TCR komplexu viažuceho ligand. Predĺženie času fosforylácie ITAM pomocou Lck umožní nahromadenie molekúl ZAP-70, ich aktiváciu prostredníctvom fosforylácie a aktiváciu adaptorových proteínov LAT a SLP-76. Úplná aktivácia T-bunky je potom výsledkom pôsobenia viacerých takýchto spúšťacích stimulov. Po oddialení membrán T-bunky a APC prestanú pôsobiť priestorové obmedzenia a fosfatázy s relatívne veľkými extracelulárnymi doménami majú opäť prístup na vykonanie defosforylácie príslušných molekúl, čím sa obnoví pokojový stav T-bunky.
TCR komplexy, ktorým sa nepodarilo rozpoznať svoj ligand nie sú držané v oblasti bez prístupu fosfatáz. Naopak, rýchlo difundujú mimo nej a dostávajú sa do blízkosti tyrozín fosfatáz udržujúcich bunku v pokojovom stave.
Spustenie signalizácie po naviazaní protilátky na CD28.
CD28 je dôležitá povrchová molekula T-buniek, prostredníctvom ktorej T-bunka získava kostimulačný signál pre svoju aktiváciu. Opäť ide o molekulu, ktorej signalizačná dráha využíva fosforyláciu. V pokojovej T-bunke rušia účinok kináz molekuly tyrozín fosfatáz. Na základe vysvetlenia kineticko segregačným modelom je to spôsobené voľnou difúziou molekúl v membráne, ako už bolo vysvetlené vyššie v prípade TCR komplexu.
Väzba konvenčných alebo “superagonistických” (mitogénnych) protilátok z roztoku nepredstavuje priestorové zábrany pre pôsobenie fosfatáz. Ak sú však takéto protilátky imobilizované väzbou na nejaký povrch (plast, alebo prostredníctvom Fc-receptorov na inú bunku), stérické zábrany sa už prejavia. Zaujímavé je, do akej miery je limitujúcim faktorom naviazanie imobilizovaných konvenčných protilátok (stérické zábrany nie sú úplné, signál sprostredkovaný fosforyláciou je tak slabší) v porovnaní s naviazaním imobilizovaných „superagonistických“ protilátok (kompletne vylúčia pôsobenie CD45 na defosforyláciu CD28).
Ďalšie aplikácie modelu.
Tyrozín kináza Lck vykonáva svoju funkciu buď samostatne, alebo v spojení s molekulou koreceptoru (CD4 alebo CD8). Kinetický segregačný model je možné aplikovať na vysvetlenie predĺženia poločasu trvania fosforylácie pomocou voľnej Lck (signalizácia cez TCR nezávislá od koreceptoru) a taktiež pomocou Lck viazanej s koreceptorom (signalizácia cez TCR závislá od koreceptoru).
Ďalšie možné mechanizmy spúšťajúce signalizáciu cez TCR.
Na základe toho, akým zmenám má podliehať TCR komplex a aký je opisovaný mechanizmus prenosu signálu cez membránu, možno modely vysvetľujúce spustenie signalizácie cez TCR, ktorá vedie k aktivácii T-bunky rozdeliť na agregačné modely, modely argumentujúce konformačnou zmenou a segregačné modely. Tieto modely sa navzájom prísne nevylučujú a je možné, že signalizácia je spúšťaná kombináciou rôznych mechanizmov.
Agregačné modely.
Tieto modely vysvetľujú fosforyláciu ITAM vedúcu k začatiu signalizačnej dráhy ako dôsledok toho, že po naviazaní ligandu na komplex TCR agregujú tyrozín kinázy do oblasti výskytu špecifických tyrozínových zvyškov.
Modely argumentujúce konformačnou zmenou.
Vo všeobecnosti je obsahom týchto modelov myšlienka, že naviazanie peptidu prezentovaného pomocou MHC predstavuje mechanickú ťažnú silu pôsobiacu na TCR komplex. Ako dôsledok pôsobenia takejto sily sa objavujú konformačné zmeny cytoplazmatického zakončenia molekúl CD3, čím sa signál o naviazaní ligandu prenesie dovnútra bunky.
Segregačné modely.
Kinetický segregačný model, ktorý ako mechanizmus spúšťajúci signalizáciu vedúcu k aktivácii T-bunky navrhuje segregáciu inhibičných fosfatáz z miesta iniciácie signálu na základe priestorových vlastností ich extracelulárnych domén, nie je jediným segregačným modelom z tejto kategórie. Model asociácie s lipidovými raftami navrhuje, že vyčlenenie TCR komplexov do oblastí lipidových raftov bohatých na Lck tyrozín kinázy aj ďalšie signalizačné molekuly a s nižším výskytom CD45 tyrozín fosfatáz môže predstavovať prostredie priaznivé pre iniciáciu signalizácie cez TCR.