De Nobelprijs Geneeskunde 1996 voor de ontdekking van 'MHC-restrictie'

Opinie
R.J.M. ten Berge
C.J.M. Melief
Citeer dit artikel als
Ned Tijdschr Geneeskd. 1996;140:2607-10
Download PDF

Het experimentele werk van Zinkernagel en Doherty, de winnaars van de Nobelprijs FysiologieGeneeskunde 1996, vormt een belangrijke schakel in jarenlang onderzoek, gericht op de vraag hoe het lichaam een lichaamsvreemd antigeen herkent. Deze herkenning verloopt onder andere via T-lymfocyten. Het was al bekend dat elke T-lymfocyt specifiek één bepaald antigeen herkent, bijvoorbeeld een virus. De herkenning vindt plaats op het moment dat een T-cel in contact komt met een geïnfecteerde cel die viruselementen op zijn oppervlak heeft. Het nieuwe en volstrekt onverwachte element in de bevindingen van Zinkernagel en Doherty was dat virusspecifieke T-lymfocyten een geïnfecteerde cel pas herkennen als er behalve de viruselementen ook zeer bepaalde lichaamseigen componenten op de cel voorkomen, die identiek bleken te zijn aan de al bekende zogenaamde transplantatieantigenen.

Transplantatieantigenen zijn celoppervlakte-eiwitten die werden ontdekt doordat ze betrokken zijn bij transplantaatafstoting. De betreffende transplantatieantigenen behoren tot het zogenaamde ‘major histocompatibility complex’ (MHC-complex), dat bij alle dieren voorkomt en dat bij de mens ‘HLA-systeem’ (van ‘human leucocyte antigen’) wordt genoemd.1 De antigenen van het MHC-complex worden in een aantal klassen verdeeld. MHC-klasse-I-moleculen komen tot expressie (dat wil zeggen: zijn aanwezig) op de membraan van alle kernhoudende cellen; klasse-II-moleculen komen voornamelijk tot expressie op de membraan van antigeenpresenterende cellen, zoals macrofagen. Terwijl een B-lymfocyt antigenen kan herkennen van allerlei aard en structuur (zoals eiwitten in tertiaire configuratie, nucleïnezuren, polysachariden en lipiden), ongeacht of deze antigenen membraangebonden zijn of in oplosbare vorm in lichaamsvloeistoffen voorkomen, kan een T-lymfocyt alleen een peptide herkennen als dat via een MHC-molecuul gebonden is op het celoppervlak en wel in de vorm van een lineaire structuur van 8 tot maximaal 18 aminozuren lang.

Nadat Medawar (Nobelprijswinnaar in 1960) reeds in de jaren veertig had ontdekt dat orgaantransplantatie tussen individuen van dezelfde soort werd belemmerd door genetische verschillen gelokaliseerd op de witte bloedcel,2 werd in 1980 de Nobelprijs Geneeskunde toegekend aan Benacerraf, Dausset en Snell voor de karakterisering van de elementen van het MHC-complex als de belangrijkste transplantatieantigenen. Zoals Snell zei: ‘The MHC complex was sticking out like a sore thumb.’ Ook de Nederlander Jon van Rood stond aan de wieg van het onderzoek aan het HLA-systeem en zijn naam is er onlosmakelijk mee verbonden. In 1958 ontdekte hij dat door zwangerschap antistoffen konden worden geïnduceerd bij de vrouw, welke waren gericht tegen witte bloedcellen van de foetus. Bij een eventuele bloedtransfusie van de vrouw konden deze antistoffen bij haar ernstige transfusiereacties veroorzaken. De door hem ontdekte weefselantigenen bleken later de HLA-antigenen te zijn.3

Centraal experiment

Terwijl MHC-antigenen lange tijd alleen bekend waren als antigenen die een barrière vormen bij transplantatie, toonden McDevitt en Chinitz in 1969 voor het eerst een fysiologische functie van deze antigenen aan: zij demonstreerden bij muizen dat MHC-genen de sterkte van de T-celrespons op een bepaald antigeen kunnen reguleren.4 In 1974 deden Zinkernagel en Doherty experimenten die leidden tot een verdere opheldering van de fysiologische functie van het MHC.5 De essentie van de experimenten staat in figuur 1. Muizen van een bepaalde stam werden geïnfecteerd met het lymfocytaire-choriomeningitisvirus (LCMV). Vervolgens werden uit de milten van deze muizen cytotoxische T-lymfocyten (CTL's) geïsoleerd, die in vitro werden getest op hun vermogen om verschillende soorten doelwitcellen te lyseren. Als doelwitcellen werden macrofagen van dezelfde muizenstam of van een genetisch andere stam gebruikt; deze macrofagen waren vooraf geïnfecteerd met hetzelfde virus (LCMV). Macrofagen van de oorspronkelijke muizenstam die waren geïnfecteerd met een ander virus werden gebruikt als controledoelwitcellen, evenals niet-geïnfecteerde macrofagen. Alle doelwitcellen waren gelabeld met 51Cr. Wanneer de cellen worden gelyseerd, komt het radioactieve Cr vrij in het medium, en daaraan is de lysis te herkennen. Nu bleek dat de CTL's wel de met LCMV geïnfecteerde doelwitcellen die afkomstig waren van dezelfde stam konden lyseren, doch niet de doelwitcellen afkomstig van een andere stam. De lysis was antigeenspecifiek, want cellen geïnfecteerd met een ander virus werden niet gelyseerd en de niet-geïnfecteerde doelwitcellen evenmin. Blijkbaar herkennen de CTL's het virus niet op zich, maar alleen in de context van een ‘muizenstamspecifiek antigeen’.

De betrokken lichaamseigen antigenen zijn MHC-componenten

Proeven met verschillende door inteelt verkregen muizenstammen toonden vervolgens aan dat dit stamspecifieke antigeen werd gecodeerd door MHC-klasse-I-genen. Het definitieve bewijs dat het MHC zelf hierbij betrokken was, kwam van onderzoek naar de T-celresponsen in gemuteerde muizenstammen die alleen verschilden ten aanzien van enkele aminozuren in een MHC-klasse-I-gen.6 De T-celrespons vertoonde zogenaamde MHC-restrictie, hetgeen wil zeggen dat de MHC-elementen op het oppervlak van de doelwitcellen bepaalden of de T-cellen respondeerden of niet. Eerder was al door andere onderzoekers aangetoond dat deze MHC-restrictie niet alleen geldt voor CTL, maar dat ook de interactie tussen T-helpercellen en antigeenpresenterende cellen MHC-restrictie vertoont (in dit laatste geval geldt de restrictie niet MHC-klasse I maar -klasse II).7

Hoe wordt het antigeen herkend?

Op basis van het werk van Zinkernagel en Doherty werden twee hypothesen gegenereerd met betrekking tot de vraag hoe een T-cel zijn antigeen herkent. Volgens de ene hypothese wordt antigeen door de T-cel herkend door middel van twee onafhankelijke receptoren: één voor binding aan antigeen en één voor gelijktijdige binding aan het stameigen MHC (‘dual recognition’-hypothese) (figuur 2). Volgens de alternatieve hypothese, die – zoals wij inmiddels weten – de juiste is, herkent één receptor op T-cellen het antigeen in combinatie met het lichaamseigen antigeen (het MHC-molecuul). Deze T-celreceptor is inderdaad na enig zoeken gevonden door Davis en Bjorkman,8 en recentelijk is ook de driedimensionale structuur van die receptor beschreven.9 Het werk van Zinkernagel en Doherty heeft ook geleid tot het inzicht dat MHC-moleculen fragmenten (peptiden) van eiwitantigenen presenteren aan immunologisch actieve cellen.1011 In 1987 werd de kristalstructuur van MHC-klasseI-moleculen opgehelderd,12 en in 1993 die van MHC-klasse-II-moleculen,13 waarmee de herkenning van een virus in de context van een MHC-molecuul, zoals gevonden door Zinkernagel en Doherty, volledig werd verklaard. MHC-moleculen bevatten namelijk een antigeenpresenterende groeve waarin antigeenpeptiden, bijvoorbeeld afkomstig van virussen, kunnen worden gepresenteerd aan cellen van het afweersysteem. De T-celreceptor toont specificiteit voor het peptide alsook voor polymorfe determinanten op het lichaamseigen MHC-molecuul. Exogene, lichaamsvreemde eiwitten worden door antigeenpresenterende cellen geïnternaliseerd en bewerkt tot peptiden die na binding aan MHC-klasse-II-moleculen immunogene complexen op de celmembraan vormen, die vervolgens worden herkend door CD4-T-cellen (dat zijn voornamelijk helper-T-cellen). Peptiden van endogeen gesynthetiseerde eiwitten, zoals virale eiwitten, gaan een verbinding aan met MHC-klasse-I-moleculen en kunnen worden herkend door CD8-T-cellen (dat zijn voornamelijk cytotoxische T-cellen). Het vermogen van een T-cel om op klasse I of klasse II van het MHC te responderen wordt bepaald door de expressie van respectievelijk CD8 of CD4 op de membraan van de T-cel.

Wat is het belang van MHC-restrictie?

MHC-restrictie speelt een voorname rol bij het ontstaan van het T-celrepertoire in de thymus.14 Differentiërende T-cellen ondergaan in de thymus een proces van ‘positieve selectie’, waarbij die T-cellen worden geselecteerd die in staat zijn peptiden te herkennen in de context van MHC-moleculen die in de thymus tot expressie komen (dat zijn lichaamseigen MHC-moleculen). Vervolgens treedt er een proces van ‘negatieve selectie’ op, waarbij klonale deletie optreedt van T-lymfocyten die met hoge affiniteit lichaamseigen peptiden in de context van MHC-determinanten herkennen. De T-cellen die uiteindelijk de thymus verlaten en in de periferie komen (circa 5 van het oorspronkelijke aantal onrijpe thymocyten), zijn geselecteerd op het bezit van een T-celreceptor die specifiek reageert op lichaamsvreemde peptiden welke worden gepresenteerd op lichaamseigen MHC-moleculen. Daarentegen zijn ze immunologisch niet-reactief (dat wil zeggen tolerant) ten aanzien van lichaamseigen peptiden (gepresenteerd op lichaamseigen MHC-moleculen).

Gevoeligheid voor infectie- en auto-immuunziekten

Genetisch onderzoek leerde verder dat sommige combinaties van peptiden en MHC in een bepaald individu geen immuunrespons opwekken. Voor die combinaties is het betreffende individu dus een non-responder. Een andere persoon of een proefdier met een andere combinatie van MHC-allelen kan voor het betreffende antigeen wel een responder zijn. Het vermogen om wel of niet te responderen op een bepaald antigeen blijkt voor een deel genetisch bepaald te zijn en te berusten op MHC-verschillen.15 Dit fenomeen kan nu worden verklaard doordat verschillende MHC-allelen de capaciteit hebben om verschillende sets van peptiden te binden. De door de cel gegenereerde peptiden zijn in staat om zich aan slechts enkele van de polymorfe MHC-moleculen te binden. Een andere mogelijkheid is dat non-responders weliswaar het peptide aan hun MHC-moleculen kunnen binden, maar dat zij geen beschikbare T-celreceptoren hebben in hun T-celpopulatie die dat bijzondere peptide-MHC-molecuulcomplex kunnen herkennen. De waargenomen samenhang van MHC met gevoeligheid voor bijvoorbeeld infectieziekten en auto-immuunziekten kan dus ten dele worden teruggevoerd op verschillen in presentatie van microbiële of lichaamseigen peptiden door MHC-moleculen.

Waarom het MHC-systeem polymorf is

Door het werk van Zinkernagel en Doherty werd duidelijk waarom het MHC-systeem bij zoogdieren – inclusief de mens – wordt gekenmerkt door een sterk polymorfisme (vele verschillende MHC-moleculen bij verschillende individuen). Dit maakt het namelijk moeilijker voor bijvoorbeeld virussen om te muteren en aan herkenning door T-cellen te ontsnappen. Door het MHC-polymorfisme worden in verschillende individuen in een met eer| virus besmette populatie steeds andere viruspeptiden gepresenteerd, waardoor ontsnapping van het virus aan de T-celrespons sterk wordt bemoeilijkt. Het MHC-polymorfisme moet dus niet worden gezien als een hindernis bij transplantatie, maar als een eigenschap die helpt infectiedruk te overleven en zo van wezenlijk belang is voor het voortbestaan van de soort.

Een gedetailleerd inzicht in de driedimensionale structuur van het T-celreceptor-peptide-MHC-complex is in de toekomst onmisbaar bij het ontwerpen van middelen die deze interactie kunnen blokkeren dan wel stimuleren, waarmee antigeenspecifieke interventie in de immuunrespons mogelijk wordt. Tevens is deze kennis onmisbaar bij het ontwerpen van moderne moleculair gedefinieerde vaccins.1617

Literatuur
  1. Giphart MJ. Het Major Histocompatibility Complex van demens: een moleculaire benadering. NedTijdschr Geneeskd 1982;126:154-61.

  2. Medawar PB. The behavior and fate of skin autografts andskin homografts in rabbits. J Anat 1944;lxxviii:157-99.

  3. Rood JJ van, Eernisse JG, Leeuwen A van. Leucocyteantibodies in sera from pregnant women. Nature 1958;181:1735-6.

  4. McDevitt HO, Chinitz A. Genetic control of antibodyresponse: relationship between immune response and histocompatibility (H-2)type. Science 1969;163:1207-8.

  5. Zinkernagel RM, Doherty PC. Immunological surveillanceagainst altered self components by sensitised T lymphocytes in lymphocyticchoreomeningitis. Nature 1974;251:547-8.

  6. Waal LP de, Kast WM, Melvold RW, Melief CJM. Regulation ofthe cytotoxic T lymphocyte response against Sendai virus analyzed with H-2mutants. J Immunol 1983;130:1090-6.

  7. Shevach EM, Rosenthal AS. Function of macrophages inantigen recognition by guinea pig T lymphocytes. II. Role of the macrophagein the regulation of genetic control of the immune response. J Exp Med1973;138:1213-29.

  8. Davis MM, Bjorkman PJ. T-cell antigen receptor genes andT-cell recognition. Nature 1988;334:395-402.

  9. Garcia KC, Degano M, Stanfield RL, Brunmark A, Jackson MR,Peterson PA, et al. An (αβ T cell receptor structure at 2.5Å and its orientation in the TCR-MHC complex. Science1996;274:209-19.

  10. Townsend ARM, Gotch FM, Davey J. Cytotoxic T cellsrecognize fragments of the influenza nucleoprotein. Cell1985;42:457-67.

  11. Babbitt BP, Allen PM, Matsueda G, Haber E, Unanue ER.Binding of immunogenic peptides to Ia histocompatibility molecules. Nature1985;317:359-61.

  12. Bjorkman PJ, Saper MA, Samraoui B, Bennett WS, StromingerJL, Wiley DC. Structure of the human class I histocompatibility antigen,HLA-A2. Nature 1987;329:506-12.

  13. Brown JH, Jardetzky TS, Gorga JC, Stern LJ, Urban RG,Strominger JL, et al. Three-dimensional structure of the human class IIhistocompatibility antigen HLA-DR1. Nature 1993;364:33-9.

  14. Blackman M, Kappler J, Marrack P. The role of the T cellreceptor in positive and negative selection of developing T cells. Science1990; 248:1335-41.

  15. Levine BB, Benacerraf B. Genetic control in guinea pigsof immune response to conjugates of haptens and poly-L-lysine. Science 1965;147:517-8.

  16. Vandenbark AA. Chou YK, Whitham R, Mass M, Buenafe A,Liefeld D, et al. Treatment of multiple sclerosis with T-cell receptorpeptides: results of a double-blind pilot trial. Nature Medicine 1996;2:1109-15.

  17. Melief CJM, Offringa R, Toes REM, Kast WM. Peptide-basedcancer vaccines. Curr Opin Immunol 1996;8:651-7.

Auteursinformatie

Academisch Medisch Centrum, Universiteit van Amsterdam, afd. Inwendige Geneeskunde, Postbus 22.700, 1100 DE Amsterdam.

Mw.dr.R.J.M.ten Berge, internist.

Academisch Ziekenhuis, afd. Immunohematologie en Bloedbank, Leiden.

Prof.dr.C.J.M.Melief, immunoloog.

Contact mw.dr.R.J.M.ten Berge

Gerelateerde artikelen

Reacties