T-cell receptor

Il recettore dei linfociti T (o TCR, da T cell receptor) è un recettore transmembrana che si trova sulla superficie dei linfociti T, responsabile del riconoscimento degli antigeni presentati dal complesso maggiore di istocompatibilità (MHC). Il legame tra TCR e il complesso MHC-antigene, associata ad altri segnali detti co-stimolatori, portano all'attivazione del linfocita T attraverso una caratteristica trasduzione del segnale di cui però il TCR non fa propriamente parte. Cloni di linfociti T che possiedono una diversa specificità esprimono TCR diversi. Il complesso del TCR è costituito dal TCR stesso e da proteine deputate alla trasduzione del segnale (principalmente CD3 e ς) che gli sono legate tramite legami non-covalenti.

Struttura del TCR

Il TCR è un eterodimero composto nel 95% dei linfociti T da una catena alfa (α) e una beta (β), mentre nel restante 5% dei linfociti T si tratta di una catena gamma (γ) e una delta (δ). Questo permette la distinzione tra linfociti T αβ e linfociti T γδ.

Ciascuna catena del TCR possiede due domini Ig-like e per questo appartiene alla superfamiglia delle immunoglobuline. La sequenza aminoacidica di ogni catena è composta da una sequenza leader (L), che guida il trasferimento della catena nel reticolo endoplasmatico ed è qui rimossa, una regione variabile, corrispondente al primo dei due domini Ig, composto da una regione V (Variable), una D (Diversity, presente solo nelle catene β e δ), una J (Junction), una regione costante (C), corrispondente al secondo dominio Ig, una regione cerniera (H, da Hinge), una regione transmembrana e infine un dominio C-terminale citoplasmatico.

All'interno del dominio Ig variabile (V) sono presenti tre regioni ipervariabili, dette anche Complementary Determining Regions (CDRs), poiché direttamente responsabili del legame con il complesso MHC-peptide. In particolare le regioni CDR1 e CDR2 riconoscono principalmente l'MHC (in realtà si è visto che la regione CDR1 della catena α interagisce anche con l'N-terminale del peptide, mentre quella della catena β interagisce con l'estremità C-terminale). Al contrario il CDR3 è il principale responsabile del riconoscimento dell'antigene. Nella catena α le regioni ipervariabili sono compsote da sequenze codificate dai V e J, mentre nella catena β da V, D e J. Le CDR3 possono anche contenere regioni codificate mediante l'aggiunta casuale di nucleotidi, dette regioni N. Sulla catena β è inoltre presente una quarta regione ipervariabile, CDR4, che non è implicata nel legame del MHC-peptide, ma è stato dimostrato il suo coinvolgimento nelle intrazioni con i superantigeni. Il sito di legame per il complesso MHC-antigene è quindi formato da sei CDR (CDR1, CDR2 e CDR3), tre per ciascuna catena del TCR, una struttura simile a quella delle regioni V delle catene pesanti e leggere negli anticorpi. L'affinità del TCR per l'antigene è di 10^-5-10^-7 M, mediamente mille volte inferiore rispetto a quella di un anticorpo per il suo antigene, il che spiega il perché il TCR necessiti di altre molecole accessorie che lo stabilizzino.

Il dominio costante (C) del TCR è invece importante per le interazioni tra le due catene, tenute insieme da ponti disolfuro tra cisteine presenti sulle due catene presso una regione detta "cerniera".

La regione transmembrana dei TCR vede la insolita presenza di amminoacidi carichi positivamente come lisina nella catena α e lisina e arginina nella catena β che interagiscono con residui di acido aspartico presenti sulle regioni transmembrana delle proteine CD3 e ς.

La porzione citoplasmatica di un TCR è costituita da una breve catena di 5-12 amminoacidi e non può trasdurre segnali, compito deputato invece a CD3, ς e proteine chinasi ad esse legate.

Il TCR γδ è strutturalmente molto simile all'αβ, ma non utilizza CD4 e CD8 come co-recettori, per cui i linfociti T γδ sono CD4^- e CD8^-. Questa sottoclasse di linfociti, negli animali, è preponderante a livello epiteliale, nell'uomo però anche nella mucosa intestinale, che ne è particolarmente ricca, assommano a non più del 10% del totale, mentre sono il 5% dei linfociti T totali. I TCR γδ si legano a proteine MHC di classe I non convenzionali e non sono ristretti a soli peptidi proteici, potendo riconoscere anche lipidi e molecole microbiche. Tuttavia i loro ligandi, a differenza dei linfociti T αβ sono poco variabili.

Un terzo tipo di TCR sono espressi dalle cellule NK-T. Questi TCR riconoscono CD1 al posto di MHC (le due proteine sono però strutturalmente simili) e i loro ligandi sono lipidi microbici. Alcuni linfociti T oltre al TCR αβ esprimono anche CD1.

Complesso del TCR

La regione citoplasmatica del TCR, troppo corta per trasmettere il segnale all'interno, è composta in prevalenza da amminoacidi carichi positivamente, cosa che gli permette di associarsi tramite legami non covalenti ad altre proteine transmembrana come il CD3 (composto dalle catene γ δ ε) e le catene ζ che contengono residui di acido aspartico. La proteina ζ è identica in tutti i TCR mentre di CD3 esistono due isoforme. Insieme ad altre proteine queste formano il complesso del TCR che di trasmettere all'interno della cellula il segnale generato dall'interazione tra il TCR e il complesso MHC-peptide. Il complesso del TCR per funzionare deve essere formato da tutti i suoi componenti che vengono assemblati nel reticolo endoplasmatico rugoso dalle chaperonine e poi trasportati sulla membrana plasmatica del linfocita T.

• La proteina CD3 è un eterodimero composto dalle catene γε o δε. Tutti e tre i tipi di catene contengono vicino all'N-terminale un dominio Ig-like (sono quindi immunoglobuline), mentre nella regione transmembrana contengono residuo di acido aspartico che controbilanciano le cariche positive dei residui di lisina e arginina sulle regioni transmembrana delle catene α e β del TCR. Il dominio citoplasmatico, lungo da una quarantina ad un'ottantina di amminoacidi contiene una sequenza ITAM (Immunoreceptor Tyrosine-based Activation Motif). Il dominio ITAM è formato da due sequenze Tyr-X-X-Leu (X = amminoacido qualsiasi) a cui è interposta una sequenza di 6-8 amminoacidi. Le sequenze ITAM sono importanti per la trasduzione del segnale nel complesso TCR, ma sono presenti anche in molecole che non ne fanno parte.

• La proteina ζ è un omodimero costituito da una piccola regione extracellulare di una decina di amminoacidi che contiene sempre almeno una cisteina tramite la quale i due monomeri si legano mediante un ponte disolfuro. La regione transmembrana, come CD3, contiene almeno un residuo di acido aspartico. Infine possiede una lunga regione citoplasmatica di oltre centodieci amminoacidi provvista di tre sequenze ITAM.

Quando un linfocita T tramite il suo recettore TCR riconosce il complesso MHC-antigene alcune proteine chinasi come Lck, associata a CD4 e CD8, e Fyn, associata a CD3, fosforila i due residui di tirosina all'interno delle loro sequenze ITAM. Le tirosine fosforilate di ζ fungono da siti d'attracco per la proteina ZAP-70, contenente domini SH2, che poi attiva la cascata di trasduzione del segnale a valle.

Co-recettori e co-stimolatori

Il segnale trasmesso dal TCR, affinché il linfocita si attivi, deve essere associato all'amplificazione derivante da specifici co-recettori, noti come CD4 e CD8 che si legano a regioni di MHC, CD4 si lega a MHC di classe II e CD8 a MHC di classe I. Un linfocita T può esprimere o CD4 o CD8 ma mai entrambe, oppure nessuna delle due. In base all'espressione di queste due molecole i linfociti possono essere suddivisi in CD4⁺ (helper), CD8⁺ (citotossici). Queste due molecole aiutano a stabilizzare il complesso TCR grazie al loro legame con MHC. La trasduzione del segnale avviene ad opera della chinasi Lck che è associata alle code citoplasmatiche di CD4 e CD8 che viene attivata dal legame di TCR con il complesso MHC-antigene. A questo punto Lck fosforila i residui di tirosina delle sequenze ITAM di CD3 e di ς, che a loro volta reclutano ZAP-70. Altre molecole, dette co-stimolatori, partecipano all'attivazione della segnalazione cellulare del linfocita T ma diversamente dai co-recettori non prendono contatto con MHC ma con altre proteine espresse sulla APC. Ne sono esempi la famiglia di CD28, CD2 e i co-stimolatori SLAM.

• CD4 è una glicoproteina monomerica transmembrana facente parte della superfamiglia delle immunoglobuline costituita da quattro domini Ig che si estendono nello spazio extracellulare. A partire dall'N-terminale si alternano Ig variabili (V) ad Ig hinge (H). Di questi i due più vicini all'N-terminale legano il dominio β2 dell'MHC di classe II. Oltre i domini Ig contiene una regione transmembrana idrofobica ed una piccola regione citoplasmatica presso il C-terminale di 38 amminoacidi. CD4 è espressa sui linfociti T helper, sui timociti, su alcuni fagociti e cellule dendritiche.

• CD8 è una glicoproteina dimerica transmembranam anch'essa facente parte della superfamiglia delle immunoglobuline. È costituita da un eterodimero formato da una catena α e una catena β strutturalmente simili legate tra loro da ponti disolfuro. A partire dall'N-terminale si distinguono su ciascuna catena un dominio Ig, seguito da una regione cerniera provvista di due ponti disolfuro che la legano alla catena opposta (questa regione è più lunga nella catena α rispetto alla β), una regione transmembrana idrofobica ed una regione citoplasmatica più breve in α che in β, lunga circa 25 amminoacidi. Il dominio Ig di CD8 si lega al dominio α3 dell'MHC di classe I. Alcuni linfociti CD8⁺ esprimono un CD8 costituito da un omodimero αα che però non sembra essere funzionalmente attivo.

• CD28 è il principale recettore co-stimolatore dei linfociti T. I ligandi delle proteine della famiglia di CD28 sono altre proteine espresse da linfociti B, cellule dendritiche e macrofagi ovvero CD80 e CD86, tra loro strettamente correlate. CD28 è una proteina transmembrana costituita da un omodimero che possiede a partire dall'N-terminale un dominio Ig, una regione transmembrana idrofobica e una coda citoplasmatica contenente sequenze ricche di tirosina. I due monomeri sono legati da ponti disolfuro. CD80 è una proteina transmembrana omodimerica costituita a partire dall'N-terminale da due domini Ig, una regione trasmembrana idrofobica e una coda citoplasmatica. Il legame di CD80 a CD28 induce la sintesi di proteine anti-apoptotiche, citochine e fattori di crescita, favorendo quindi la crescita e la proliferazione dei linfociti T. Recettori simili a CD28, CD152 e PD-1, si legano a CD80 e CD86 ma hanno sul linfocita effetti opposti rispetto a CD28, essi infatti ne inibiscono l'attivazione e sono quindi alcuni dei responsabili della risoluzione della risposta immunitaria. Non è noto il motivo per cui CD28 e CD152 abbiano tra loro effetti opposti.

• CD2 e le proteine co-stimolatorie ad esso correlate sono altre molecole che concorrono all'attivazione e alla differenziazione dei linfociti T. CD2 è espresso dalla maggior parte dei linfociti T maturi, da buona parte dei timociti e dalle cellule NK. È formata da due domini Ig extracellulari, seguiti da una regione transmembrana idrofobica e da una coda citoplasmatica con sequenze ricche di tirosina lunga 116 amminoacidi. Il suo ligando è LFA-3 (Leukocyte Function-associated Antigen 3), nota anche come CD58, un'integrina legata alla membrana delle cellule ematopoietiche da un fosfatidilinositolo.

• Le proteine SLAM (Signaling Lymphocytic Activation Molecule) fanno parte della famiglia di CD2 e come questa contengono due domini Ig extracellulari, una regione idrofobica transmembrana e una lunga coda citoplasmatica provvista di motivi contenenti tirosina (ITSM, Immunoreceptor Tyrosin-based Switch Motif). Una proteina SLAM si lega mediante i domini Ig ad un'altra proteina SLAM espressa sulla superficie di una cellula, per esempio un APC. Dopo il legame SLAM recluta l'adattatore SAP (SLAM-associated protein) che contiene un dominio SH2 che si lega alle tirosine fosforilate dalla chinasi Fyn. Un'altra proteina della famiglia, 2B4, è espressa nei linfociti NK, dai linfociti CD8⁺ e dai linfociti T γδ, essa si lega a CD48 e contiene motivi ITSM nella coda citoplasmatica.

Generazione dei TCR

La generazione dei TCR è un complesso processo di ricombinazione casuale di diversi segmenti genici presenti nel genoma di ogni linfocita T, cui si aggiunge l'introduzione volontaria di errori.

Entrambe le catene α e β contengono una grande varietà di geni che codificano per le diverse regioni che le compongono, le quali vengono riarrangiate in maniera casuale a comporre le diverse catene attraverso un complesso processo che implica la delezione di intere parti di DNA scartate, grazie al contributo delle proteine RAG 1 e 2 e alla presenza di sequenze RSS (recombination signal sequences).

Durante questo di riarrangiamento sono inserite nella sequenza di DNA delle regioni palindromiche P e delle regioni N (nuove) generate casualmente dalla TdT (terminal desossiribonucleotide transferasi).

Ogni linfocita T alla fine del riarrangiamento inizierà a produrre uno specifico recettore, la cui affinità per i diversi peptidi dovrà essere selezionata nel processo noto come educazione timica.

La generazione casuale dei TCR, come avviene per la generazione del repertorio delle immunoglobuline, permette di coprire la gamma virtualmente infinita dei possibili antigeni self e non self che potrebbero essere presentati dagli MHC. In altre parole il sistema immunitario adattivo, prevede l'imprevedibile attraverso la casualità.