INFECTIOUS DISEASE

IMMUNOLOGIE – CHAPITRE DIX
COMPLEXE MAJEUR D’HISTOCOMPATIBILITE (MHC ou CMH) ET T-CELL RECEPTORS (TCR) - ROLE DANS LES REPONSES IMMUNES
 

Gene Mayer, Ph.D.
Emertius Professor of Pathology, Microbiology and Immunology
University of South Carolina

Jennifer Nyland, Ph.D.
Assistant Professor of Pathology, Microbiology and Immunology
University of South Carolina

Denis Hudrisier, Ph.D.
Centre national de la recherche scientifique (CNRS) · Institute of Pharmacology and Structural Biology
Université de Toulouse

OBJECTIFS DU COURS
Donner une vision générale du rôle du complexe majeur d’histocompatibilité dans les réponses immunes.
Décrire la structure et la fonction des molécules du CMH de classe I et de classe II
Discuter la nature du polymorphisme des molécules du CMH de classe I et de classe II
Décrire la structure du récepteur à l’antigène des lymphocytes T (TCR)
Décrire la base génétique de la génération de la diversité des TCR
Discuter les rôle du complexe CD3 et des molécules de co-stimulation
Décrire la nature de la synapse immunologique
Discuter les paramètres de l’activation des cellules T

 

SURVOL HISTORIQUE

Les interactions cellule-cellule dans la réponse immunitaire adaptative sont d'une importance capitale pour la protection contre les agents pathogènes. Ces interactions sont orchestrées au niveau de la synapse immunologique dont les principaux composants sont le récepteur à l’antigène des lymphocytes T (TCR) et le complexe majeur d'histocompatibilité (CMH). La fonction principale du TCR est de reconnaître l'antigène dans le cadre du CMH pour transmettre un signal d'activation à l'intérieur de la cellule. Comme la liaison du peptide au CMH n'est pas covalente, il y a plusieurs facteurs facilitant la stabilisation de la synapse immunologique.

Les produits des gènes codés dans le CMH ont d'abord été identifiés comme étant important dans le rejet de tissus transplantés. Par ailleurs, les gènes du CMH se sont avérés très polymorphes (c'est à dire que, dans la population, il y avait de nombreuses formes alléliques des gènes). Des études menées avec des souches pures de souris ont montré que les gènes du CMH ont également été impliqués dans le contrôle de la réponse immunitaire à la fois humorale et à médiation cellulaire. Par exemple, certaines souches de souris pouvaient répondre à un antigène particulier, mais d'autres souches ne le pouvaient pas alors que ces souches ne diffèrent que par un ou plusieurs des gènes codés dans le CMH. Des études ultérieures ont montré qu'il y avait deux sortes de molécules codées par les gène du CMH : CMH de classe I et CMH de classe II qui sont reconnues par les différentes classes de cellules T. Les molécules de classe I ont été retrouvés sur toutes les cellules nucléées (sauf les globules rouges), tandis que les molécules de classe II ont été trouvés seulement sur les cellules présentatrices d'antigène, (APC) qui comprenaient les cellules dendritiques, les macrophages, les lymphocytes B et quelques autres types cellulaires (Figure 1).

Il a fallu attendre la découverte de la façon dont le TCR reconnaît l'antigène pour que le rôle des gènes du CMH dans la réponse immunitaire soit compris. Il a été montré que le TCR montré reconnaissait des peptides antigéniques en association avec des molécules du CMH. Les lymphocytes T reconnaissent des portions de protéines antigéniques qui sont liées de manière non covalente à des produits de gènes du CMH. Les lymphocytes T cytotoxiques (Tc) reconnaîssent des peptides liés à la molécule de classe I du CMH alors que les lymphocytes T auxiliaires (Th) reconnaissent des peptides liés à la molécule de classe II du CMH. Les structures tridimensionnelles des molécules du CMH et le TCR ont été déterminées par cristallographie aux rayons X pour obtenir une image claire de la façon dont les TCR, les produits des gènes du CMH et l’antigène pouvaient interagir ensemble.
 

Figure 2
La molécule du CMH de classe I possède trois domaines globulaires alpha 1 (jaune), alpha 2 (vert) and alpha 3 (bleu). Le domaine alpha 3 est étroitement associé à la beta 2 microglobuline (rose), non codée par le système du CMH. La beta 2 microglobuline est stabilisée par un pont disulfure (rouge) et est structurée comme un domaine de type immunoglobuline. Le site allo-antigénique qui porte les déterminants spécifiques à chaque individu sont portés par les domaines alpha 1 et 2. Le domaine alpha 2 possède aussi une chaîne de carbohydrates (bleu, CHO). Il y a un groupement phosphate dans la partie cytoplasmique. La papaïne clive la molécule au niveau de la surface externe de la membrane plasmique.
 

STRUCTURE DES MOLECULES DU CMH DE CLASSE I

La molécule

Les molécules du CMH de classe I sont composées de deux chaînes polypeptidiques, une chaîne α longue et une chaîne β courte appelée β2-microglobuline (Figure 2). La chaîne α possède quatre régions.

• Une région cytoplasmique, contenant de sites de phosphorylation et de liaison à des éléments du cytosquelette.

• Une région transmembranaire contenant des acides aminés hydrophobes permettant à la molécule d’être ancrée à la membrane cellulaire.

• Un domaine de type immunoglobuline hautement conservé α3 qui se lie à la molécule CD8.

• Un domaine hautement polymorphe formé par les domaines α1 et α2 et qui forment le site de liaison du peptide. La β2-microglobuline s’associe avec la chaîne α et permet à la molécule de maintenir sa structure tridimensionnelle.

Le site de liaison de l’antigène

Une analyse de la partie de la molécule du CMH de classe I la plus variable démontre que la variabilité est plus prononcée dans les domaines α1 et α2, qui forment la région de liaison peptidique (Figure 3). La structure de la poche de liaison peptidique, révélée par cristallographie aux rayons X, montre l’existence d’une rainure composée de deux hélices α formant une paroi de chaque côté et huit feuillets plissés β formant un plancher. Le peptide est lié à la poche et les résidus de la poche sont en contact avec le peptide (Figure 4). Ce sont les résidus qui sont les plus polymorphes. La poche permet de loger des peptides d'environ 8-10 acides aminés de long. La liaison d’un peptide donné au site de liaison dépend des acides aminés qui tapissent la poche à peptide. Etant donné que les molécules de classe I sont polymorphes, des molécules de CMH I différentes se lient à des peptides différents. Chaque molécule de classe I ne lie que certains peptides et disposera d'un ensemble de critères qu'un peptide doit avoir afin de se lier à la poche. Ainsi, la Figure 5 montre qu’une molécule de CMH classe I donnée se lie à des peptides qui ont une leucine (L) comme acide aminé carboxy-terminal et une tyrosine (Y) ou une phénylalanine (F) comme acide aminé présent en quatrième position à partir de l’extrémité carboxy-terminale. Lorsque ces deux conditions sont réunies, un peptide peut se lier à ce CMH, les autres acides aminés pouvant être très divers. Une autre molécule de CMH de classe I pourra se lier à tout peptide possédant une tyrosine (Y) comme second acide aminé depuis l'extrémité amino-terminale et possédant une valine (V), isoleucine (I) ou leucine (L) à l'extrémité carboxy-terminale (figure 5). Ainsi, pour chaque molécule de classe I, il y a certains acides aminés qui doivent être à un endroit particulier dans le peptide pour que celui-ci puisse se lier à la molécule du CMH en question. Ces sites dans le peptide sont appelés les «motifs d'ancrage». Les extrémités du peptide sont enfouis à l'intérieur des extrémités fermées de la poche de liaison peptidique tandis que le centre est bombé pour être accessible au TCR.

Dans le locus chromosomique codant pour le CMH, il y a 6 gènes qui codent pour des molécules de classe I HLA-A, HLA-B, HLA-C, HLA-E, HLA-F et HLA-G. Parmi ceux-ci HLA-A, HLA-B et HLA-C sont les plus importants et les plus polymorphes. Le tableau 1 montre le degré de polymorphisme de chacun de ces loci.
 

Figure 5
Résidus d’ancrage des peptides qui se lient au CMH de classe I (adapté de Janeway et al. Immunobiology 6ème Edition)
 

STRUCTURE DES MOLECULES DU CMH DE CLASSE II

La molécule

Les molécules du CMH de classe II sont composées de deux chaînes polypeptidiques α et β de taille sensiblement égale (Figure 6). Les deux chaînes sont constituées de 4 régions:

• Une région cytoplasmique, contenant de sites de phosphorylation et de liaison à des éléments du cytosquelette
• Une région transmembranaire contenant des acides aminés hydrophobes permettant à la molécule d’être ancrée à la membrane cellulaire
• Un domaine α2 hautement conservé et un domaine β2 hautement conservé auquel se lie la molécule CD4
• Un site de liaison au peptide hautement polymorphe formé par les domaines α1 et β1.

Le site de liaison de l’antigène

Comme pour les molécules du CMH de classe I, l’analyse de la partie de la molécule de CMH de classe II présentant la plus forte variabilité a démontré que celle-ci était plus prononcée dans les domaines α1 et β1 qui forment la poche à peptide (Figure 7). La structure de la poche de liaison peptidique, révélée par cristallographie aux rayons X, montre que, comme pour le CMH de classe I, une rainure est formée par deux hélices α formant une paroi de chaque côté et huit feuillets plissés β formant un plancher. Les domaines α1 et β1 contribuent à la formation de la poche à peptide. Le peptide est lié dans la poche et les résidus qui bordent le site de liaison forment des contacts avec le peptide. Ce sont ces résidus qui sont les plus polymorphes. La poche à peptide des molécules du CMH de classe II est ouverte aux extrémités permettant à des peptides plus longs (environ 13-15 acides aminés) de se fixer dans la poche, certains acides aminés du peptide étant situés hors du site de liaison. Le fait qu’un peptide puisse se lier ou non dans la poche dépendra des acides aminés qui bordent le site de liaison. Etant donné que les molécules du CMH de classe II sont polymorphes, différentes molécules de classe II se lieront à différents types de peptides. Comme pour le CMH de classe I, chaque molécule de CMH de classe II liera certains peptides et possédera des critères que les peptides devront respecter pour se lier dans le site de liaison (c’est à dire un « motif d’ancrage »).

Dans la région chromosomique du CMH, il y a 5 loci qui codent pour les molécules du CMH de classe II, chacun contenant un gène codant pour une chaîne α et au moins un gène codant pour une chaîne β. Les loci sont appelés HLA-DP, HLA –DQ, HLA-DR, HLA-DM, et HLA-DO. Parmi ceux-ci, HLA-DP, HLA –DQ et HLA-DR sont les plus importants et les plus polymorphes. La Table 2 montre le degré de polymorphisme de chacun de ces loci.

 

ASPECTS IMPORTANTS DU CMH

• Bien qu’il y ait un fort degré de polymorphisme du CMH pour une espèce, un individu possèdera un maximum de 6 molécules de CMH de classe I et à peine plus de molécules de CMH de classe II (en ne considérant que les loci majeurs).

• Chaque molécule du CMH ne possède qu’un seul site de liaison de peptide. Les différents peptides qui peuvent se lier à une molécule de CMH donnée peuvent tous se lier au site de liaison mais seulement un seul à la fois.

• Comme chaque molécule du CMH est susceptible de fixer des peptides différents, on dit que la liaison est dégénérée.

• Le polymorphisme du CMH est déterminé seulement au niveau germinal. Il n’y a pas de mécanismes de recombinaison impliqués dans la génération de la diversité des molécules.

• Les molécules du CMH sont membranaires; la reconnaissance par les cellules T nécessite un contact cellule-cellule.

• Les allèles codant pour les molécules du CMH sont co-dominants. Chaque produit de gène du CMH est exprimé à la surface de chaque cellule nucléée.

• Un peptide doit s’associer à une molécule donnée du CMH exprimée par cet individu pour qu’une réponse immunitaire ait lieu. C’est un premier niveau de contrôle.

• Les cellules T matures doivent avoir un TCR capable de reconnaître un peptide associé au CMH. Il s’agit du second niveau de contrôle.

• Les cytokines comme l’interféron-γ augmentent le niveau d’expression du CMH.

• Les peptides provenant du cytosol s’associent aux molécules du CMH de classe I et sont reconnus par les cellules T cytotoxiques. Les peptides provenant de vésicules s’associent aux molécules du CMH de classe II et sont reconnus par les cellules T auxiliaires.

• Le polymorphisme du CMH est important pour la survie des espèces.
   

Les peptides provenant du cytosol s’associent aux molécules du CMH de classe I et sont reconnus par les cellules T cytotoxiques. Les peptides pénètrent dans le reticulum endoplasmique (RE) et se fixent dans le site de liaison vide des molécules du CMH de classe I. Ce complexe est alors exporté vers la surface cellulaire en transitant par l’appareil de Golgi. Les molécules du CMH de classe II sont exprimées en association avec la chaîne invariante (Ii) tant qu’elles sont dans le RE et l’appareil de Golgi. La chaîne Ii est clivée et séparée du complexe lorsque celui-ci est dans une vésicule. Les peptides provenant de vésicules s’associent alors aux molécules du CMH de classe II et les complexes sont exportés vers la surface cellulaire où ils sont reconnus par les cellules T auxiliaires.

ROLE DU TCR DANS LA REPONSE IMMUNE

Le TCR est une molécule de surface trouvée sur les lymphocytes T et qui reconnaît l’antigène peptidique présenté dans le contexte d’une molécule du CMH. Le TCR est organisé comme une immunoglobuline et est membre de la superfamille des immunoglobulines. Il existe deux types de TCR, le type prédominant αβ porté par des cellules T que l’on retrouve surtout dans les organes lymphoides et le γδ retrouvé sur des cellules T présentes surtout au niveau des muqueuses.
 

Structure du TCR A6 lié à la molécule du CMH de classe I complexée à un variant du peptide Y8a de la protéine Tax du virus HTLV-I. Le peptide viral est en gris. La molécule du CMH de classe I est représentée en bleu foncé, la beta 2 microglobuline en bleu clair. Le TCR est représenté en vert et jaune. Y. H.Ding, B. M.Baker, D. N.Garboczi, W. E.Biddison & D. C.Wiley MMDB Id: 11766 PDB Id: 1QSF Image réalisée avec RasMol

Figure 9
Réarrangement des gènes codant pour la chaîne beta du TCR.
 

Structure cristallographique du complexe formé entre un TCR humain, le peptide antigénique de la protéine HA du virus de la grippe et la molécule du CMH de classe II. Les chaînes alpha et beta des molécules du CMH de classe II sont représentées en bleu sombre et clair. Le TCR est représenté en jaune et vert. Le peptide la grippe est en gris. Hennecke, J., Carfi, A., Wiley, D. C. MMDB Id: 14648 PDB Id: 1FYT. Image préparée avec RasMol

STRUCTURE DU T CELL RECEPTOR (TCR)

Le TCR est un hétérodimère composé d’une chaîne α et d’une chaîne β de taille semblable (Figure 8). Chaque chaîne possède un domaine cytoplasmique trop court pour pouvoir transduire un signal d’activation pour la cellule. Chaque chaîne dispose d’une région transmembranaire porteuse de résidus hydrophobes permettant l’insertion dans la membrane cellulaire. Chaque chaîne possède un domaine constant et un domaine variable similaires à ceux retrouvés dans les immunoglobulines. Le domaine variable de chacune des chaînes contient des parties hypervariables qui déterminent la spécificité pour l’antigène. Chaque cellule T porte des TCR d’une seule spécificité (du fait d’une exclusion allélique).

BASES GÉNÉTIQUES DE LA GÉNÉRATION DES RECEPTEURS

Les bases génétiques de la génération d’un large répertoire de récepteurs à l’antigène pour les lymphocytes B a été précédemment discuté (voir le chapitre consacré à la génétique des immunoglobulines). La génération du répertoire de TCR met en jeu des mécanismes similaires. Dans leur configuration germinale, les gènes codant pour la chaîne β du TCR sont composés de segments de gènes V, D et J qui se réarrangent lors de la différenciation des lymphocytes T pour produire différentes chaînes β possibles (Figure 9). Dans leur configuration germinale, les gènes codant pour la chaîne  du TCR sont composés de segments de gènes V et J qui se réarrangent lors de la différenciation des lymphocytes T pour produire différentes chaînes  possibles. La spécificité du TCR est déterminée par la combinaison des chaînes α et β.
Il existe une population de lymphocytes T qui exprime un TCR composé de chaînes γ et δ au lieu de α et β. Ces cellules T gamma/delta prédominent dans les épithéliums des muqueuses et possèdent un répertoire reconnaissant certains antigènes viraux ou bactériens. Les gènes codant pour la chaîne δ ont des segments V, D et J alors que ceux codant pour la chaîne γ ont seulement des segments V et J. Le répertoire TCR de ces cellules est considérablement plus restreint que celui des cellules T alpha/beta. A l’inverse des cellules T alpha/beta, les cellules T gamma/delta reconnaissent l’antigène de façon CMH-indépendante.

ASPECTS IMPORTANTS DU TCR

• Chaque cellule T porte des TCR d’une seule spécificité (du fait d’une exclusion allélique).

• Le TCR αβ reconnaît l’antigène peptidique seulement dans le contexte d’une interaction cellule-cellule et sous une forme présentée par une CMH donné.

• Le TCR γδ reconnaît l’antigène de façon indépendante du CMH en réponse à certains antigènes viraux ou bactériens.
   

TCR ET COMPLEXE CD3
Le TCR est étroitement associé à un groupe de 5 protéines collectivement appelées « complexe CD3 » (Figure 10). Le complexe CD3 est composé d’une chaîne γ, d’une chaîne δ, deux chaînes ε et deux chaînes ξ. Toutes les protéines du complexe CD3 sont invariables et ne contribuent donc à la spécificité de reconnaissance de l’antigène d’aucune façon. Le complexe CD3 est nécessaire pour l’expression en surface du TCR lors du développement des cellules T. De plus, le complexe CD3 transduit le signal d’activation à la cellule faisant suite à l’interaction de l’antigène avec le TCR.
 

B. Ligands impliqués dans l’interaction entre les lymphocytes T cytotoxiques et leurs cibles.

Figure 12a
L’activation des cellules T ne se produit que lorsque le TCR et des molécules de co-stimulation interagissent avec leurs ligands respectifs.
 

Figure 12b
Une régulation négative se met en place lorsque CTLA-4 interagit avec B7:
CTLA-4 génère des signaux négatifs d’activation
 

Figure 12c
L’engagement du TCR par le complexe antigène-CMH en absence de co-stimulation peut conduire à l’anergie des cellules T.
 

Figure 12d
L’engagement de molécules de co-stimulation en absence d’engagement du TCR ne conduit à aucune réponse
 

LA “SYNAPSE IMMUNOLOGIQUE”

L’interaction entre le TCR et les molécules de CMH n’est pas très forte. Des molécules accessoires sont nécessaires pour favoriser la stabilité de l’interaction (Figure 11a,b). Cela inclut:

• La liaison de CD4 au CMH de classe II, qui permet l’interaction des Thelper avec les APC.

• La liaison de CD8 au CMH de classe I, qui permet l’interaction des CTL avec les APC et leurs cellules cibles

• La liaison de CD2 à l’intégrine LFA-3

• La liaison de l’intégrine LFA-1 à ICAM-1

Les molécules accessoires sont invariables et elles ne contribuent donc pas à la spécificité de reconnaissance de l’antigène qui est assurée par le seul TCR. L’expression de molécules accessoires peut être augmentée en réponse à des cytokines, ce qui représente l’une des actions possibles des cytokines dans la modulation de la réponse immunitaire.
En plus des molécules accessoires qui contribuent à stabiliser l'interaction entre le TCR et l'antigène associé aux molécules du CMH, d'autres molécules sont également nécessaires pour l'activation des cellules T. Deux signaux sont en fait requis pour l'activation des lymphocytes T : l'un est l'engagement du TCR par le complexe Ag/CMH et l'autre, provient de l'engagement de molécules dites de co-stimulation par leurs ligands. L'une des molécules co-stimulatrices les plus importantes (mais pas la seule) est CD28 présente sur les cellules T qui doit interagir avec B7-1 (CD80) ou B7-2 (CD81) présentes sur les APC. Comme les molécules accessoires, les molécules de co-stimulation sont invariantes et ne contribuent pas à la spécificité de l'interaction. Les interactions multiples du TCR avec le complexe Ag/CMH, les molécules accessoires et de co-stimulation avec leurs ligands ont lieu au sein d’uns structure subcellulaire appelée "synapse immunologique".

Non seulement la co-stimulation est nécessaire à l'activation des cellules T, mais, de plus, un manque de co-stimulation peut entraîner une anergie (c’est à dire une incapacité de répondre à l'antigène) ou une régulation négative de la réponse. La figure 12 montre les conséquences possibles de l’activation d’une cellule T par l’un ou les deux signaux nécessaires à l'activation. L’engagement du TCR avec le complexe Ag/CMH sans co-stimulation conduit à de l’anergie. L’engagement de la seule molécule co-stimulatrice n'a aucun effet. L’engagement du TCR avec le complexe Ag/CMH et des molécules de co-stimulation avec leurs ligands conduit à l'activation. L’engagement du TCR avec le complexe Ag/CMH et l'engagement par le ligand B7 de la molécule CTLA-4, similaire à CD28, conduit à la régulation de la réponse. L’interaction CTLA-4/B7 envoie un signal d'inhibition à la cellule T et non un signal d'activation. C'est l'un des moyens que les réponses immunitaires sont régulées. CTLA-4 est exprimé sur les cellules T tardivement dans une réponse immunitaire, ce qui permet de désactiver la réponse.

ETAPES CLÉS DANS L’ACTIVATION DES LYMPHOCYTES T

• Les APC doivent apprêter et présenter des peptides aux cellules T

• Les cellules T doivent recevoir un signal de co-stimulation, habituellement médié par CD28/B7

• Les molécules accessoires sont nécessaires pour assister la liaison des cellules T aux APC. (Interactions CD4/CMH classe II, CD8/CMH classe I, LFA-1/ICAM-1 et CD2/LFA-3)

• Les signaux émanant de la surface cellulaire doivent être transmis au noyau via des messagers secondaires

• Les cytokines, notamment l’IL-2, sont nécessaires pour permettre la prolifération cellulaire.
  
  
   

Retourner à la section d'immunologie de Microbiologie et Immunologie On-line

This page last changed on Tuesday, July 30, 2013
Page maintained by Richard Hunt

Please report any problems to richard.hunt@uscmed.sc.edu