Brock Mikroorganizmaların Biyolojisi (Unit 4)

MİKROBİYAL ÜREMENİN KONTROLÜ

I

20.1 20.2 20.3

II 20.4 20.5

III

20.6 20.7 20.8

Mikrobiyal üremeyi kontrol etmek amacıyla çeşitli fiziksel, kimyasal ve biyolojik yöntemler kullanılır. Şekilde, filtre üzerinde tutulan bir mikroorganizma popülasyonu görülmekte olup, filtreler genelde sıvı ortamdan mikroorganizmaları ayırmak veya sıvıları sterilize etmek amacıyla kullanılır.

20.9

IV

FİZİKSEL ANTIMIKROBIYAL KONTROL Isıyla Sterilizasyon Radyasyonla Sterilizasyon Filtre ile Sterilizasyon KİMYASAL ANTİMİKROBİYAL KONTROL Üremenin Kimyasal Kontrolü Harici Olarak Kullanılan Kimyasal Antimikrobiyal Maddeler İN VIVO OLARAK KULLANILAN ANTİMİKROBİYAL ETKENLER Sentetik Antimikrobiyal İlaçlar Doğal Antimikrobiyal İlaçlar: Antibiyotikler /3-Laktam Antibiyotikleri: Penisillinler ve Sefalosporinler Prokaryotlardan Elde Edilen Antibiyotikler VİRÜSLER VE ÖKARYOTİK PATOJENLERİN KONTROLÜ

20.10 Antiviral İlaçlar 20.11 Antifungal ilaçlar V

ANTİMİKROBİYAL İLAÇ DİRENCİ VE İLAÇ KEŞFİ

20.12 Antimikrobiyal ilaç Direnci 20.13 Yeni Antimikrobiyal ilaçların

Araştırılması

671 671 673 675

677 677 679

681 681 685 686 687

688 688 691

692 692 697

669

670 • Bölüm 20 • Mikrobiyal Üremenin Kontrolü

BOLÜMLE İLGİLİ SOZLUK Aminoglikozit streptomisin gibi, birbirine glikosidik bağlarla bağlanmış amino şekerleri içeren antibiyotik Antibiyotik bir mikroorganizma tarafından üretilen veya diğer mikroorganizmayı öldüren veya gelişmesini engelleyen kimyasal madde Antımikrobiyal ilaç direnci bir mikroorganizmanın genelde duyarlı olduğu bir antimikrobiyal ilaç mevcudiyetinde kazanılmış gelişme yeteneği Antimikrobiyal madde mikroorganizmaları öldüren veya gelişimlerini engelleyen kimyasal bileşik Antiseptik (germisit) mikroorganizmaları öldüren veya gelişmelerini engelleyen ve canlı dokular üzerinde uygulanabilecek seviyede nontoksik olan kimyasal etken /3-laktam antibiyotiği penisilini de dahil olmak üzere dört-üyeli heterosiklik /3-laktam halkası içeren antibiyotik Bakteriyosidal etken bakterileri öldüren etken Bakteriyostatik etken bakteriyal gelişime engel olan etken Dekontaminasyon objeleri ve cansız yüzeyleri kullanıma güvenli hale getiren işlem Dezenfeksiyon cansız objelerden veya yüzeylerden mikroorganizmaların elimine edilmesi Dezenfektan sadece cansız objeler üzerinde kullanılan antimikrobiyal etken Fungisidal etken funguslan öldüren etken Fungistatik etken fungal gelişime engel olan etken

Füzyon inhibitörü viral ve hedef hücre zarlarının füzyonunu bloke eden peptit Geniş-spektrumlu antibiyotik hem gram-pozitif hem de gram-negatif bakteriler üzerine etki eden antibiyotik Germisit (antiseptik) mikroorganizmaları öldüren veya gelişmelerini engelleyen ve canlı dokulara uygulanabilecek düzeyde nontoksik kimyasal etken HEPA filtre laboratuvarlarda ve endüstride mikroplar da dahil olmak üzere hava akışının giriş veya çıkışından partikülleri uzaklaştırmak için kullanılan yüksek etkinlikte partikül hava fütesi (Mgh efficiency particulate «ir filter) tnhıbisyon mevcut organizmaların sayısındaki azalma veya mikrobiyal çevredeki değişikliklerden dolayı mikrobiyal _ gelişimde azalma tnterferon virüs ile enfekte olmuş hücreler tarafından üretilen sitokin proteinleridir. Yakın hücrelerde sinyal transdüksiyonuna neden olarak antiviral genlerin transkripsiyonu ve antiviral proteinlerin ifadesini sağlar. Kemoterapötik madde dahili olarak kullanılabilen antimikrobiyal etken Liziz sitoplazmik bileşenlerin serbest kalmasıyla hücresel bütünlüğün yok olması MIC minimum inhibitör konsantrasyonumikrobiyal gelişmenin engellenmesi için gerekli minimum madde konsantrasyonu NNRTI non-nükleozit ters transkriptaz inhibitörü NRTI nükleozit ters transkriptaz inhibitörü

u bölümle, mikroorganizmalar ve insanlar arasındaki ilişkiye ilk adımı atıyoruz ve mikrobiyal üremeyi kontrol etmek için kullanılan madde ve yöntemler ile başlıyoruz. Bazı durumlarda, besi yerindeki tüm canlı organizmaların öldürülmesi veya ortadan kaldırılması olarak tanımlanan sterilizasyon işlemi ile mikrobiyal üremeyi tamamen ortadan kaldırabiliriz. Örneğin bakterileri öldüren veya yok eden maddeler bakteriyosidal olarak isimlendirilir. Bununla beraber, sterilizasyon çoğu zaman uygulanamaz, ancak inhibisyon adı verilen bir işlem ile üremelerini engelleyerek yine de etkili bir şekilde mikroorganizmaları kontrol edebiliriz. Bakteriyal üremeyi inhibe eden maddelere bakteriyostatik maddeler denir. Mikrobiyal gelişimi hızlı bir şekilde inhibe eden metotlar arasında dekontaminasyon ve dezenfeksiyon yer almaktadır. Dekontaminasyon, yüzeyin veya objelerin kullanımlarını güvenli olması için yapılan uygulamadır. Örneğin, yemekten sonra masanın basitçe silinmesi kontaminasyona sebep olan mikroorganizmaları ve bunların potansiyel besinlerini ortadan kaldırır. Bunun aksine, dezenfeksiyon, her ne kadar tüm mikroorganizmaları ortadan kaldırmasa da direkt olarak patojenleri hedef alır. Dezenfektan olarak isimlendirilen özel

B

Otoklav basınç altında sıcaklık ve buharla mikroorganizmaları yok eden bir sterilizatör Pastörizasyon hastalığa neden olan mikroorganizmaları öldürmek ve bozulmalara neden olan mikroorganizmaların sayısını azaltmak amacıyla ısıya duyarlı sıvılardaki mikrobiyal yükün azaltılması Penisillin /6-laktam halkası ile karakterize edilen ve bakteriyal hücre duvar sentezini engelleyen bir antibiyotik sınıfı PI proteaz inhibitörü Quinolon DNA giraz enzimi üzerinden bakteriyal DNA'nm süpersarmal oluşturmasına engel olan sentetik bir antibakteriyal madde Sanitizer mikrobiyal sayıyı güvenli kabul edilen bir seviyeye kadar indiren ancak tamamen yok etmeyen etken Sterilant (sterilizer)(sporicide) tüm mikrobiyal yaşam formlarını yok eden kimyasal etken Sterilizasyon üreme ortamından tüm canlı organizmaları ve virüslerim uzaklaştırma veya öldürme Tetrasiklin dört-halkalı naftasen yapı ile ..karakterize edilen bir antibiyotik Üreme faktörü analoğu üreme faktörü ile ilgili olan ve üreme faktörünün alımını bloke eden kimyasal etken Virisidal etken viral replikasyonu ve aktivitesini durduran etken Viristatik etken viral replikasyonu engelleyen etken Yan-sentetik penisillin kimyasal olarak değiştirilmiş doğal penisillin

bir takım kimyasal veya fiziksel maddeler mikroorganizmaları öldürebilir veya mikrobiyal üremeyi engeleyebilirler. Örneğin, seyreltilmiş beyazlatıcı (sodyum hipoklorit) solüsyonları gıdaların hazırlandığı alanları temizlemek için rutin bir şekilde kullanılmaktadır. Zaman zaman, tüm mikroorganizmaların ortadan kaldırılması gerekebilir. Her ne kadar başarı zor da olsa, sterilizasyon, kontaminasyona ve mikroorganizmaların üremesine tamamen engel olur. Örneğin mikrobiyolojik besiyerlerini hazırlarken veya ameliyat ekipmanlarını hazırlarken bu tür tedbirler gereklidir. Tüm dekontaminasyon ve sterilizasyon işlemlerinin amacı mikrobiyal yükü veya canlı mikroorganizmaların sayısını azaltmak veya tamamen ortadan kaldırmaktır. in vivo sistemde mikrobiyal kontrol çok daha zordur. Klinik olarak faydalı olan bakteriyosidal veya bakteriyostatik maddeler konukçu hücreye zarar vermeden mikrobiyal üremeyi azaltmak veya engellemek durumundadır. Çeşitli seçici doğal ve sentetik kemoterapötik maddelerle bu hedefe ulaşılabilir. Bu bölümde, ilk olarak in vitro sistemlerde kullanılan mikrobiyal kontrol yöntemlerini inceleyeceğiz. Daha sonra insanlarda in vivo kullanılan antimikrobiyal ilaçlardan sözedeceğiz.

20 1 • Isıyla Sterilizasyon • 671

I

FİZİKSEL ANTIMIKROBIYAL KONTROL

Fiziksel metotlar çoğu kez mikrobiyal dekontaminasyon, dezenfeksiyon ve sterilizasyonu sağlamak için kullanılır. Isı, radyasyon ve filtrasyon istenmeyen mikroorganizmaları ortadan kaldırabilir veya öldürebilir. Bu yöntemler mikrobiyal üremeye engel olur veya mikropları bulunduran maddeleri veya alanları dekontamine eder. Burada, bu yöntemlerin nasıl çalıştığını ve bazı pratik örnekleri tartışacağız.

Isıyla Sterilizasyon Mikrobiyal üremeyi kontrol etmek için kullanılan belki de en yaygın yöntem ısı uygulamasıdır ve bu kısımda ısı ile sterilizasyon işlemim inceleyeceğiz. Isı ile Sterilizasyonun Ölçümü

Tüm mikroorganizmalar için, daha üstünde canlılığın azaldığı bir maksimum üreme sıcaklığı bulunmaktadır. Oldukça yüksek sıcaklıklarda, neredeyse tüm makromoleküller denatürasyon olarak bilinen bir işlemle yapılarını ve işlevsel yeteneklerini kaybederler. Şekil 20.1 «'de gösterildiği gibi, ısıdan kaynaklanan ölüm logaritmik (birinci-sıra) bir fonksiyondur ve sıcaklık arttıkça daha hızlı bir şekilde meydana gelmektedir. Bu da her hangi bir zaman dilimindeki ölüm hızının, organizmaların o zaman dilimindeki konsantrasyonuna orantılı olduğu yani canlı hücrelerin belirli bir bölümünü (örneğin, % 90) öldürmek için gerekli olan zamanın, başlangıç hücre konsantrasyonuna bağımlı olmadığı anlamına gelmektedir. Dolayısıyla, eğer mikrobiyal popülasyonu sterilize etmek istiyorsak, yüksek sıcaklık İle kıyaslandığında bu işlemin düşük sıcaklıklarda gerçekleşmesi uzun zaman alacaktır. Spesifik her bir koşulda sterilizasyonu başarmak için zamanı ve sıcaklığı ayarlamak gerekmektedir.

m

S 100

Onda bire düşme zamanı (D)

100 ^

10

-

0.1

1 \ a O

Isının niteliği de oldukça önemlidir: Kuru ısı ile kıyaslandığında, nemli ısı daha iyi nüfuz edebilen bir güce sahiptir ve uygulanan sıcaklıkta yaşayan organizmaların sayısında hızlı bir şekilde azalmaya sebep olur. Uygulanan sıcaklıkta popülasyon yoğunluğunda 10-kat azalma için gerekli olan zaman onda bire düşme zamanı veya D olarak isimlendirilir ve ısı ile sterilizasyonu karakterize etmenin en kesin yoludur. Gıda hazırlanmasında {yani pişirme ve konserveleme) genelde kullanılan sıcaklık aralığının üzerinde, D ve sıcaklık arasındaki ilişki esas olarak logaritmiktir. Bu nedenle, D'nin logaritması sıcaklığa karşı çizildiğinde, düz bir çizgi elde edilir (Şekil 20.2*). Çizginin eğimi uygulanan koşullar altında organizmanın ısıya karşı hassasiyetini gösterir ve grafik, örneğin konserveleme operasyonlarında olduğu gibi sterilizasyonu başarmak için gerekli olan işlem zamanını hesaplamak için kullanılır («»öKısım 29.2). Onda bire düşme zamanının belirlenmesi çok fazla sayıda canlı hücre sayım ölçümlerini gerektirmektedir (öOoKısım 6.5). Organizmanın ısıya hassasiyetini karakterize etmenin en kolay yolu belirli sıcaklıkta hücrelerin tamamını öldürmek için gerekli olan zaman olarak tanımlanan termal ölüm zamanını ölçmektir. Termal ölüm zamanını belirlemek için hücre süspansiyon numuneleri farklı zamanlarda ısıtılır, kültür besiyeri ile karıştırılır ve inkübe edilir. Eğer hücrelerin tamamı ölmüş ise, inkübe edilmiş numunelerde üreme gözlemlenmez. Termal ölüm zamanı popülasyonun büyüklüğüne bağlıdır, çünkü küçük popülasyonlara kıyasla büyük olanlarda hücrelerin tamamını öldürmek için daha uzun zaman gereklidir. Hücrelerin sayısı standardize edildiğinde organizmaların belirli sıcaklıktaki termal ölüm zamanlarını karşılaştırmak suretiyle farklı organizmaların ısıya hassasiyetlerini kıyaslamak mümkündür.

0.1 10

20

\ 30

105 40

50

Zaman (dak)

• Şekil 20.1 Mezofilik bir bakterinin canlılığı üzerinde sıcaklığın etkisi. Onda bire düşme zamanı, D, üç farklı sıcaklıkta aynı mezofilik organizmadan elde edilir. D, orijinal organizma popülasyonunun sadece %10'unun verilen sıcaklıkta canlılığını koruduğu zamandır. 70°C için, D=3 dak; 60°C için, D=12 dak; 50°C için, D=42 dak.

110 115 120

125 130

Sıcaklık (°C)

• Şekil 20.2 İki farklı organizma için onda bire düşme ile gösterilen sıcaklık ve ölüm hızı arasındaki ilişki. Onda bire düşme zamanlan, D, için veriler Şekil 20.1 de olduğu gibi çeşitli farklı sıcaklıklarda elde edilmiştir. Tipik bir mezofil olan (a) organizmasını 110°C de 20 saniyeden daha az tutmak onda bire düşüşe sebep olurken termofil olan (b) organizmasında onda bire düşüşe ulaşmak için 10 dak gerekmektedir.

672 • Bölüm 20 • Mikrobiyal Üremenin Kontrolü

Endosporlar ve Isı ile Sterilizasyon Aynı organizmanın vejetatif hücrelerinin ve bakteriyal endosporlarınm ısıya direnci oldukça değişmektedir. Örneğin, otoklavda (aşağıya bakınız) normal olarak 121 °C sıcaklığa ulaşılabilir. Bu koşullar altında, endosporlar onda bire düşüş için 4-5 dakikaya ihtiyaç duyarlarken vejetatif hücreler 65°C de sadece 0.1-0.5 dakikaya ihtiyaç duyarlar. Bu varyasyondan dolayı, endosporları ortadan kaldırmak için etkili ısı sterilizasyon işlemlerinin tasarlanması gerekmektedir. Bakteriyal endosporlar, aynı türün vejetatif hücrelerini hızlı bir şekilde öldüren ısıda yaşayabilirler. Isıya dirençte en büyük faktör endospor içerisindeki suyun miktarı ve durumudur. Endospor oluşumu esnasında, Ca2+-dipikolinik asit kompleksi ve küçük, asitte çözünen spor proteinlerinin (SASP) birikmesinin sonucu olarak protoplazma minimum hacme kadar iner (öocsKısım 4.13). Bu karışım sitoplazmada bir jel oluşturur ve protoplast özün etrafında daha sonra kaim korteks tabakası meydana gelir. Korteksin büzülmesi vejetatif hücrenin sadece %10-30'u kadar su içeriğine sahip olan dehidre protoplastın oluşumuna sebep olur. Protoplastın su içeriği ile birlikte SASP'lerin konsantrasyonu endosporun ısıya direncini belirler. Eğer endospor düşük SASP konsantrasyonuna ve yüksek su içeriğine sahipse, düşük ısı direncine sahiptir. Eğer protoplast yüksek SASP konsantrasyonuna ve düşük su içeriğine sahipse yüksek ısı direncine sahip olacaktır. Su endosporun içine ve dışına serbestçe hareket edebilir, dolayısıyla suyu dışarıda tutan endospor kılıfının su geçirmezliği değil, endospor protoplastı içerisindeki jel-benzeri materyaldir. Isıtılan besiyerinin niteliği de aynı zamanda hem vejetatif hücrelerin hem de endosporların ölümüne etki eder. Mikrobiyal ölüm asidik pH'da daha hızlıdır ve domates, meyve ve turşu gibi asidik gıdaları sterilize etmek mısır ve fasulye gibi bazik gıdaları sterilize etmekten daha kolaydır. Yüksek şeker, protein ve yağ konsantrasyonları ısının nüfuz etmesini azaltarak genelde organizmanın ısıya direncini arttırırken yüksek tuz konsantrasyonları organizmaya bağlı olarak ısıya direnci arttırabilir veya azaltabilir. Kuru hücreler (ve endosporlar) nemli olanlara göre ısıya daha dirençlidir; bu nedenle nemli objelerin sterilizasyonuna kıyasla kuru objelerin ısı ile sterilizasyonu her zaman yüksek sıcaklık ve daha uzun zamanı gerektirir. Otoklav Otoklav, basınç altında buhar girişine izin veren kapalı bir ısıtma cihazıdır (Şekil 20.3»). Isıyadirençli endosporları öldürmek için basınç altında buhar kullanımı ile kaynama noktasının üstündeki sıcaklıklarda ısıtma gereklidir (Şekil 20.3a). Rutin işlem, 121 °C sıcaklığı sağlayan 1.1 kilogram / santimetre kare (kg/cm2) [15 pound/ inç kare (lb/in2)] buhar basıncında ısıtmaktır. 121°Ç'de sterilizasyonu gerçekleştirmek için gerekli olan zaman genelde 10-15 dakikadır (Şekil 20.3b).

Eğer büyük hacimli objeler sterilize ediliyorsa, objenin iç bölgesine ısı transferi gecikecek ve objenin tamamının 121°C delO-15 dakika muamelesini sağlamak için toplam ısıtma süresi uzun tutulmalıdır. Zamanın uzatılması aynı zamanda büyük hacimdeki sıvıların otoklavlanması söz konusu olduğunda gereklidir, çünkü büyük hacimlerin sterilizasyon sıcaklığına ulaşması zaman alır. Bu işlemde, mikroorganizmaları öldürenin otoklav içerisindeki basınç yerine basınçlı buhar uygulandığında ulaşılan yüksek sıcaklık olduğuna dikkat ediniz. Pastörizasyon Pastörizasyon, süt ve ısıya-hassas diğer sıvılardaki mikrobiyal popülasyonu {mikrobiyal yük) azaltmak için kesin bir şekilde kontrol altında tutulan ısıyı kullanır. İşlem, şaraptaki bozulmayı kontrol etmek için ısıyı ilk kullanan Louis Pasteur'ün ismi ile anılmaktadır. Pastörizasyon tüm organizmaları öldürmez ve dolayısıyla da sterilizasyon ile sinonim değildir. Başlangıçta, sütün pastörizasyonu patojenik bakterileri, özellikle tübeküloz, bruselloz, Q humması ve tifo hummasına sebep olan organizmaları öldürmek için kullanıldı. Bu patojenler gelişmiş ülkelerdeki gıdalarda artık yaygın olmasa da; pastörizasyon, süt ürünleri ve meyve suları gibi yaygın kaynaklardan Listeria monocytogenes, Campylobacter türleri, Salmonella türleri ve Escherichia coli O157:H7 gibi («aoaKısım 29.7-29.10) patojenlerin yayılmasına engel olmaktadır. Buna ilaveten pastörizasyon, bozulmaya sebep olan organizmaların gelişimlerini geciktirir ve dayanıksız, kolay bozulabilir sıvıların raf ömrünü önemli ölçüde uzatır (Kısım 29.1 ve 29.2). Sütün pastörizasyonu genelde sütün ısıtıcıdan geçirilmesi ile sağlanır. Süt, ısı kaynağı ile temas halinde olan boruların içinden pompalanır. Süt akış hızı ile ısı kaynağı büyüklüğünün ve sıcaklığının dikkatli bir şekilde kontrolü, sütün sıcaklığını 15 saniyede 71 °C ye yükseltir. Süt daha sonra hızlı bir şekilde soğutulur. İşlemin tamamı flaş pastörizasyon olarak isimlendirilir. Süt aynı zamanda büyük teknelerde 30 dakika 63-66°C ye kadar ısıtılabilir. Bununla beraber, bulk pastörizasyon olarak adlandırılan bu işlem pek yeterli değildir, çünkü süt yavaş bir şekilde ısıtılıp soğutulmakta ve yüksek sıcaklıklarda uzun süre tutulmak durumundadır. Bazen oldukça yüksek sıcaklıklarda ve kısa zaman dilimlerinde yapılan flaş pastörizasyon işlemi, lezzette çok az değişikliğe sebep olmakta, ısıya-dirençli organizmaları daha etkili bir biçimde öldürmekte ve sürekli-akış temelinde gerçekleşerek büyük modern süt ve süt ürünleri uygulamalarında kolaylıkla uygulanabilen bir sistemdir. 20.1 Kavramların Gözden Geçirilmesi Sterilizasyon, virüsler de dahil olmak üzere tüm organizmaların öldürülmesidir. Isı, sterilizasyonda en yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Sıcaklık, başta bakteriyal endosporlar olmak üzere ısıya-dirençli organizmaların çoğunu genelde ortadan kaldırır. Otoklav, suyun kaynama noktasının üzerindeki sıcaklıkta basınç altında buharlı ısı uygulamalarına izin verir, endosporlan öldürür. Pastörizasyon sıvıları sterilize etmez, ancak patojenlerin çoğunu öldürerek ve bozulmaya sebep olan mikroorganizmaların üremesini engelleyerek mikrobiyal yükü azaltır.

20.2 • Radyasyonla Sterilizasyon • 673

Kabin basınç ölçeri

T^r*- Buhar çıkışı

Buhar çıkış vanası

Kapı

Ceket kabini

Termometre ve vana

Hava borudan çıkar

Buhar destek vanası

fa; Otoklav süresi I

130

Buhar durur

I

120

a o

110

Basınç

başlar Buhar

100

akışı

J

/

/ f

\j X

/

S

f

ı

Sterilizayon süresi

— Sterilize edilen objenin sıcaklığı 10

20

Otoklav - ^ sıcaklığı 30

40

^^^^V». ^^^""•»•»^ 50

60

Toplam döngü zamanı (dak) (b)

• Şekil 20.3 Sterilizasyon için otoklavın kullanılışı, (a) Otoklav içinden buhar akışı, (b) Tipik bir otoklav döngüsü. Oldukça büyük hacimli bir nesnenin sterilizasyonu gösterilmektedir. Nesnenin sıcaklığı otoklavın sıcaklığına göre daha yavaş yükselmektedir, (c) Modern araştırma otoklavı. Kilitli-basınç kapağı ve otomatik devir kontrollerinin sağ taraftaki panelde bulunduğuna dikkat ediniz. Buhar giriş ve çıkış ayarlan otoklavın sağ tarafında.

• •

Isı, niçin etkili bir sterilizasyon ajanıdır? Bakteriyal endosporlar ile kontamine ihtimali olan materyallerin sterilitesini sağlamak için hangi basamaklar gereklidir? • Mikrobiyolojik besiyerlerini sterilize etme ve elma suyunu pastörize etme gereksinimi arasındaki farkları belirti-

Radyasyonla Sterilizasyon Isı, sterilize eden veya mikrobiyal yükü azaltan elektromanyetik radyasyondan sadece bir tanesidir. Mikrodalga, ultraviyole (UV) radyasyon, X-ışınları, gama ışınları (-y) ve elektronlar elektromanyetik radyasyonun tüm formlarıdır (

DPA Gen kompleksi

II

Bölge Boyut (Mbp)

III Sınıf II

11 Sınıf III

Sınıf I

* Şekil 23.2 İnsanın başlıca doku uygunluk kompleksi (MHC) gen haritası. İnsan MHC'si HLA (İnsan lökosit antijeni) olarak adlandırılır. HLA kompleksi 6. kromozom üzerinde bulunur ve uzunluk olarak 4 milyon bazdan daha fazladır. Sınıf II genleri DPA ve DPB, sımf II proteinleri DPa ve DPb'yı kodlar; DQA ve DQB DQa DOb'yı ve DRA ve DRB ise DRa ve DRb'yı kodlar. Sınıf III genleri, diğer ilişkisiz proteinlerde oduğu gibi, immün tanıma fonksiyonlarıyla bağıntılı çeşitli protenileri kodlar. C4 ve C2 kompleman proteinleri olan C4 ve C2 proteinlerini kodlar (OO^Kısım 22.11). TNF geni, tümör nekrozis faktörü olan, bir sitokini kodlar (bakınız Kısım 23.10). Sımf I MHC proteinleri olan HLA-B, HLA-C ve HLA-A B, C ve A genlerince kodlanır. Çoğu antijen tanıma, işleme ve sunmayla ilgili olan 200'den fazla gen HLA kompleksinde yer almaktadır.

Sınıf I MHC Proteinleri

Sınıf I MHC proteinleri iki polipeptitten oluşur. (Şekil 23.1 ve 23.3») Membrana entegre olan alfa (a) zinciri 6. kromozomda bulanan MHC gen bölgesinde kodlanır. Diğer sınıf I polipeptidi kovanet olarak bağlanan beta-2 mikroglobulin (/32m) dir. MHC sınıf I proteininin üç boyutlu yapısı, bu proteinin antijen peptit ve TCR ile aynı anda nasıl etkileştiğini gösteren farklı bir şekli olduğunu ortaya çıkarmıştır (Şekil 23.3). Sınıf I a zinciri al ve al domainleri arasında büyük bir oyuk oluşturmak için katlanır ve bu oyuktan, MHC moleküllerinin peptit antijenleri bağlarlar. Oyuğun her iki ucunun açık olması, bağlanacak peptitlerin boyutunu 8-10 amino asitlik olacak şekilde kısıtlamaktadır. Katlanan MHC I proteini, bir /3-katmanı üzerine oturan iki a-heliksten oluşur. Daha sonra tartışılacağı gibi, bu yapı peptidi bağlar ve TCR ile etkileşecek olan

r

bir peptit MHC kompleksi oluşturur (bakınız Kısım 23.7) Sınıf II MHC Proteinleri

Sınıf II MHC proteinleri, ave/3 denilen, kovalent olmayan şekilde bağlı, membrana entegre iki polipeptitden oluşur (Şekil 23.1 ve 23.3). Sınıf II proteinleri çoğu kez çift olarak düzenlenip, TCR'lere bağlanma yeteneklerini arttırmaktadır. Sınıf II proteinin a\ ve /32 domainleri, sınıf I peptit bağlama bölgesine benzer şekilde, bir peptit bağlama bölgesi oluşturacak şekilde etkileşir. Buna karşın, oyuğun uçlarının açık olması, belirgin olarak 10 amino asitten daha büyük olabilen peptitleri bağlamasına ve göstermesine olanak sağlar (Şekil 23.3). Sınıf II tarafından bağlanmış peptitler genellikle APC'lerde işlenmiş ekzojenik patojen proteinlerinden türevle-

Peptit-bağlayıcı bölge

«1

• Şekil 23.3 MHC proteinlerinin üç-boyutlu yapısı, (a) Sımf I proteini (b) Sınıf II proteini dimerik formunda görülmektedir. San oklar peptiti ve bağlanma bölgesindeki pozisyonunu gösterir. [Nature 364:33 (1993), ©Macmillan magazines'in izniyle basılmıştır.] (c) Yukandan görüldüğü şekliyle, bir sımf I proteiniyle bağlı bir peptitin uzamsal modeli. 9 amino asitlik bir peptit, fare sımf I proteinine gömülü olarak, yapışık bir yapı olarak gösterilmiştir. Sınıf I proteinlerinin açık uçlan vardır ve yaklaşık 8-10 amino asit uzunluğunda peptitleri bağlar. Açık-sonlanan sımf II proteinleri yaklaşık 20 amino asit uzunluğa kadar olan peptitleri bağlayabilir.

23,5 • Antikor Proteinleri ve Antijen Bağlama • 767

nen fragmentlerdir ve uzunluk olarak 10-20 amino asitlik veya daha fazladır (öooKısım 22.6). 23.3 Kavramların Çözden Geçirilmesi MHC I proteinleri tüm hücrelerde ifade edilir ve sitosoltürevli antijenik peptitleri Tc hücreler üzerindeki TCR'lere sunma işlevi görür. Sınıf II MHC proteinleri sadece APC'lerde ifade edilir. Bunlar, ekzojenik orijinli peptit antijenleri, TH hücrelerdeki TCR'lere sunma işlevi görürler. • Sınıf I ve sınıf II MHC protein yapılarını karşılaştırınız. Farklılıkları nelerdir? Benzerlikleri nelerdir? • Sınıf I ve Sınıf II MHC proteinlerinin peptit bağlama bölgelerini karşılaştırınız. Bunların farklılığı nedir? Benzerliği nedir?

MHC Genleri ve Polimorfîzm En azından üç farklı MHC sınıf I geni vardır: HLA-A, B ve C ve tümü yüksek derecede polimorfizm gösterir. Polimorfizm, son zamanlardaki tesadüfi mutasyonlarmın oluşumuyla açıklanamayacak sıklıkta, bir lokusta (kromozom üzerindeki gen bölgesi) multipli allellerin ortaya çıkmasıdır. Örneğin, HLA-A, HLA-B ve HLA-C lokuslarında, belirtilen sırayla, 95,207 ve 50 farklı allel vardır. Bu yüzden, insan türünde, her lokusta çoklu polimorfizmler vardır. Buna karşın, her birey her lokusta bu allellerden sadece ikisine sahiptir (bir allel baba orijinli ve biri de anne orijinli). İki allellik değişik protein eş baskın olarak {aynı derecede) ifade edilir.

Benzer şekilde, yüksek sayıda polimorfik lokus sınıf II proteinleri olan HLA-DR, -DP ve -DQ'yu kodlar. Yine ayni şekilde, sınıf II gen ürünleri eşbaskm olarak ifade edilir. Bu yüzden, bir birey genellikle altı genetik olarak ve yapısal olarak farklı sınıf I proteini ve altı farklı sınıf II proteini gösterir. MHC proteinlerindeki bu polimorfik değişiklikler, başarılı doku aktarımları için başlıca engeldir. Çünkü verici doku (greft) üzerindeki MHC proteinleri, alıcının immün sistemi tarafından yabancı antijen olarak tanınır. Greftin MHC proteinlerine karşı yönelen bir immün yanıt, hücre ölümü ve greftin reddine neden olabilir. Her MHC geni tek bir protein kodlar. Buna karşın, insan popülasyonu içinde, MHC genlerin po-

limorfik yapısı sayesinde, antijen sunulması için mevcut çok sayıda MHC proteini bulunmakta ve her MHC alleli farklı bir amino asit sekansıyla kodlanmaktadır. MHC proteinlerindeki amino asit sekans varyasyonları, peptit-bağlayıcı oyukta odaklanmasına karşın (Şekil 23.3), MHC proteininin her polimorfik varyasyonu, peptit antijenlerinin farklı bir setini bağlar. Tek bir MHC proteiniyle bağlanan peptitler, ortak yapısal bir paterni veya motifi paylaşır ve her farklı MHC proteini farklı bir motifi bağlar. Örneğin, belirli bir sınıf proteiniyle bağlanan tüm 8 amino asitlik peptitler, 5 pozisyonunda bir fenilalanine ve 8 pozisyonunda bir lösine sa-

hiptir. Bu yüzden, X-X-X-X- fenilalenin -X-X- lösin sekanslı tüm peptitler (buradaki X herhangi bir amino asittir), MHC proteiniyle bağlanır ve sunulur. Polimorfik bir allel tarafından kodlanan başka bir MHC sınıf I proteini tercihen 4 pozisyonundaki bir valin ve 8 pozisyonundaki bir prolin ile (X-X-X- valin -x-x-x-prolin) bağlanır. Her motifteki değişmez amino asitler sabit kökler olarak bilinir çünkü bunlar her bireyin MHC peptit-bağlayıcı oyuğu içinde doğrudan ve spesifik olarak bağlanır. Bu yüzden, her MHC proteini, uygun sabit kökleri içeren peptitler kadar çok sayıda farklı peptitleri bağlar ve sunar. Her MHC I proteini farklı bir motifi ve bu yüzden de farklı sabit kökleri bağlar. Bu açıdan, bir bireyde altı olası MHC I proteini, çok sayıdaki farklı peptit antijenlerini bağlar ve sunar. Analog bir durum MHC II proteinleri ve antijen sunmada oluşur. Buna karşın özellikle Ig'ler ve TCR'ler olmak üzere, diğer antijen-bağlayıcı proteinler, hemen hemen sınırsız sayıda antijenle oldukça spesifik olarak etkileşir ve bu yüzden daha fazla reseptör farklılığı üretmek için farklı bir genetik mekanizma kullanır (bakınız Kısım 23.5 ve 23.7). 23.4 Kavramların Gözden Geçirilmesi MHC, antijen işleme ve sunmayla ilgili proteinleri kodlayan bir grup gendir. Sınıf I ve sınıf II MHC genleri, bilinen en polimorfik genlerdir. MHC sınıf I ve sınıf II allelleri; korunmuş yapısal motifli peptitleri bağlayan ve sunan proteinleri kodlar. • MHC genlerindeki polimorfiztni belirtiniz ve açıklayınız. • Polimorfik MHC proteinleri, çok sayıdaki peptitin T-hücre reseptörlerine sunulmasını nasıl kolaylaştırmaktadır?

ANTİKORLAR Antikorlar veya immünoglobulinler (Ig), B hücreleri üzerinde hücre-yüzey antijen reseptör proteinleri olarak veya serum ve diğer vücut sıvılarında çözünür proteinler olarak bulunup, buralarda Ig yabancı antijenleri nötralize etme ve opsonize etme işlevi görür (öOsKısım 22.11 ve 24.6). Bu kısımda, sınırsız değişkenlik gösteren Ig'lerin yapısı, antijen bağlama işlevi ve genetik organizasyonu üzerinde durulacaktır.

Antikor Proteinleri ve Antijen Bağlama 22. Bölümde ve yukarıda tartışıldığı gibi (bakınız Kısım 23.1), fonksiyonel Ig'ler ikisi ağır zincir ve ikisi hafif zincir olmak üzere, dört polipeptitten oluşmaktadır. Fonksiyonal antijen-bağlama birimi bir ağır-zincir heterodimerinden oluşur. Ağır ve hafif zincirler ayrıca C (sabit) ve V (değişken) bölgelere ayrılmış olup, bunlardan C bölgeleri kompleman

768 • Bölüm 23 • Moleküler İmmünoloji

bağlama gibi genel fonksiyonlardan sorumludur, buna karşılık H ve L zincirlerin V bölgeleri antijenbağlama bölgesini oluşturmak için etkileşir (Şekil 23.4*). Burada V bölgelerinin ve antijen-bağlama bölgesinin yapısal özellikleri incelenecektir. Değişken Domainler

Amino asit sekansmdaki farklılıklar, değişik Ig'lerin değişken domainlerinde (V domainleri) oluşur (Şekil 23.4). Amino asit değişkenliği özellikle aşırı değişken veya komplementerliği belirleyici bölgeler (CDR) olarak adlandırılan bölgelerde VH(CDR1)

Değişken domain, ağır zincir Antijen

Antijen-Bağlama

Değişken domain, hafif zinir

Bir Ig'nün üç-boyutlu yapısı Şekil 22.16'da gösterilmiştir. Tüm antikor reaksiyonlarının prensibi, antijenler üzerindeki determinantların değişken bölge ile spesifik birleşmesine dayanmaktadır. Bir antikor molekülünün antijen-bağlama bölgesi, hafif ve ağır zincirlerin birlikteliğiyle oluşturulur ve yaklaşık 2 X 3 nm olarak ölçülür. Bu bölge, yaklaşık 10-15 amino asitlik bir peptit olan bir epitopu bağlayabilir. Antijen bağlama, sonuçta ağır ve hafif zincir polipeptit zincirlerinin Ig katlanma modelinin bir fonksiyonudur. Ig'nin V bölgesi, tüm altı CDR'sini (CDR1, 2 ve 3'ü hem ağır hem de hafif zincirde) Ig proteininin son kısmında biraraya getirecek şekilde katlanır. Sonuç, özgün ve spesifik antijen-bağlama bölgesidir (oooŞekil 22.16 ve Şekil 23.4b). Bundan sonraki kısımda, Ig proteinlerinde görülen müthiş farklılığı oluşturan genetik mekanizmalar incelenecektir.

V H (CDR3 Çeşitlilik bölgesiBağlayıcı bölgeleı

belirgindir. CDR'ler antijenle moleküler temasın çoğunu sağlar. Ağır ve hafif zincirlerdeki her V domaininin üç CDR'si vardır. CDR1 ve CDR2 domainleri farklı imnunoglobulinler arasında bir ölçüde farklıdır, fakat CDR 3'ler birinden diğerine çok çarpıcı şekilde değişir. Ağır zincirin CDR3'ünün özellikle kompleks bir yapısı vardır. Protein sekans karşılaştırmaları CDR3'ün V domaininin karboksi terminal kısmı, bunu izleyen 3 amino asitlik kısa bir "farklılık" (D) kısmı ve yaklaşık 13-15 amino asit uzunluğunda daha uzun bir "birleştirici" kısmından oluştuğunu gösterir. Hafif zincirin kendi CDR3'ü için benzer bir düzenlemesi vardır, fakat D bölgesi yoktur. Tüm CDR'ler antijen-bağlamayla ilgilidir.

VL(CDR1) V L (CDR2) V L (CDR3)

(a)

Antijen

•m23.5

Kavramların Gönden Geçirilmesi

Bir Ig'nin antijen -bağlama bölgesi, bir ağır zincir ve bir hafif zincirin V değişken bölgelerinden oluşur. Her ağır ve hafif zincir üç komplementerliği belirleyen bölge veya CDR içerip, bunlar antijen-bağlama bölgesini oluşturmak için birlikte katlanırlar. •

• Şekil 23.4 Hafif ve ağır immünoglobulin zincirlerinin değişken bölgeleri, (a) Tipik bir Ig'in yansı şematik olarak gösterilmiştir. CH ve CL, ağır ve hafif zincirinin sabit domainleridir. (b) (a)'daki hem ağır ve hafif zincirin komplementerliği-belirleyici bölgeleri (CDR'ler) antikor üzerinde tek bir antijen-bağlama bölgesi veya cep oluşturmak için uygunluk sağlarlar. Bölge yukarıdan görülmektedir. Kırmızı bağlanma bölgeleri ağır zincirden, mavi-bağlanma bölgeleri hafif zincirdendir. Bağlanma bölgeleri CDR ve ziitÜir-İag6sİe1:rA'ek için numaralanmıştır. Örneğin, Ll hafif zincirdeki CDRl'dir. Hem hafif ve hem de ağır zincirlerdeki oldukça değişken CDR3'ler, bölgenin merkezinde bir araya gelmektedir. Antijen gri renkte gösterilmiş olup, bölgeyi kaplamakta ve tüm CDR4'ler ile temas kurmaktadır. Bölgenin gerçek şekli, seçilen antikor-antijen çiftine bağlı olarak, sığ bir oyuk ve derin bir cep olabilir.

Ağır zincirde V, D ve J bölgelerinin ve hafif zincirde V ve J bölgelerinin CDR'lere olan katkısını belirtiniz. • Tam bir Ig molekülü çiziniz ve antijen bağlama bölgelerini gösteriniz.

Antikor Genleri ve Çeşitlilik Proteinlerin çoğu için, bir gen bir proteini kodlar. Bu yüzden, eğer bir B lenfositi bir Ig üretiyorsa, bir gen hafif zinciri ve bir gen de ağır zinciri kodlaması mümkün görülebilir. Buna karşın, durum böyle değildir. Antikorların sınırsız sayıda moleküler yapı çeşitini spesifik olarak tanıması ve bağlaması

23 6 • Antikor Genleri ve Çeşitlilik • 769

gerekliliğinden dolayı, immün sistem sınırlı sayıda geni kullanarak hemen hemen sınırsız antikor çeşitliliği oluşturacak şekilde gelişmiştir. Somatik rekombinasyon, tesadüfi olarak ağır ve hafif zincir yeniçeşitlenmesi ve hipermutasyon, nispeten az, sınırlı

sayıdaki Ig geniyle üretilen neredeyse sınırsız çeşitliliğe katkı sağlayan mekanizmalardır. Parçalı Immünoglobulin Genleri Tek bir hafif veya ağır zincir, çeşitli gen segmentlerince kodlanır, bunlarda B hücreleri geliştikçe bir dizi somatik yeni-düzenlemelere (rekombinasyonu aradaki sekansların çıkması izler) uğrarlar. Ig genleri için, somatik yeni düzenlemeler, yaklaşık 400 farklı gen parçası arasındaki rekombinasyonlarla çok sayıda antikorun üretimine olanak sağlamaktadır. Moleküler çalışmalar, V, D, J ve C bölgelerinin genomda birbirlerinden ayrı olduklarını, fakat her gelişen B hücresinde tek olgun bir Ig geni oluşturmak için Değişken-bölge genleri

Çeşitlilik genleri

bir araya getirildiğini ortaya koyan "parçalardaki genler" hipotezini kanıtlamıştır (Şekil 23.5»). Ağır zincir için, V geni CDR1 ve CDR2'yi kodlar. Buna karşın CDR3 V geninin 3' ucunun bir mozaiki ile kodlanıp, tüm D ve J genleri bunları izler. Son olarak, Ig molekülünün sınıfını belirleyen sabit bölge, C geni tarafından kodlanır. Bu yüzden, fonksiyonal bir ağır zincir geni oluşturmak için, dört farklı gen V, D, J ve C rekombine olmaktadır. Benzer şekilde, hafif zincirlerde, hafif zincir genleri V, J ve C genlerinin rekombinasyonuyla kodlanır. Tüm Ig'ler için gerekli olan genler, her gelişen B lenfositinde bulunmaktadır. Şekil 23.5 de gösterildiği gibi, her B hücresi ardarda dizilmiş yaklaşık 150 hafif zincir V geni ve 5 farklı J geni içerir. Ağır zincirler içinde ardarda dizilmiş yaklaşık 200 V geni, 50 D geni ve 4 J geni vardır. Ayrıca, ağır zincir sabit bölge (CH) genleri ve hafif zincir sabit bölge genleri (CL) de bulunur. V, D, J ve C genleri, ökaryotlardaki gen düzenlemeleri için tipik olan Bağlayıcı genler —-|

•)

Sabit-bölge genleri Germ-line DNA

Lenfosit gelişimi esnasında ^ aktif gen oluşumu V 3 D-, J 2 (somatik rekombinasyon)

/

n

j Transkripsiyon / I RNA

DNA (aktif gen)

M Primer RNA transkrip

)f3 D-, J 2 H mRNA i Translasyon

(a) IgM ağır zinciri Değişken-bölge genleri

Sabit-bölge geni

Bağlayıcı genler

şJ,.

/

I

Germ-line DNA

V

DNA (aktif gen)

K

Primer RNA transkripti

I Transkripsiyon j

.

Ii RNA •f splaysı V z J-, K mRNA I Translasyon (b) Kappa hafif zincir

(c) A ve B'nin özeti

\

• Şekil 23.5 İnsan B hücrelerinde immünoglobulin geninin yeniden düzenlenmesi. Ig genleri üç farklı kromozomda ard arda dizilmiştir, (a) 14. Kromozomda ağır zincir (H) gen kompleksi. İşaretlenmiş kutular Ig kodlayıcı genleri gösterir. Kesik çizgiler araya giren sekansları gösterir ve ölçeği gösterilmez, (b) 2. kromozomdaki kappa (K) hafif-zincir kompleksi. Lambda (A) hafif zincir genleri 22. kromozomdaki benzer bir komplekstedir, (c) Bir antikor molekülünün yansının bir araya gelişi.

770 • Bölüm 23 • Moleküler İmmünoloji

kodlayıcı olmayan sekanslar (intronlar) ile ayrılır (csoöKısım 7.1 ve 14.8) B lenfositlerinin olgunlaşması esnasında, her B hücresinde genetik rekombinasyon oluşur. Tesadüfi olarak seçilen V, D ve J segmentleri birleştirilip, aktif bir ağır zincir geni ve aktif bir hafif zincir geni oluşturulur. Aktif gen (VDJ gen segmentleri ve C gen segmenti arasında ara sekansları içeren) transkiripte edilir ve sonuçta oluşan primer RNA transkiripti sonuçta haberci mRNA'yı oluşturmak için kaynaştırılır. mRNA daha sonra Ig molekülünün ağır ve hafif zincirlerini yapmak için translasyona uğrar. Yeni-Çeşitlenme ve VDJ (VJ) Bağlanması

Bu noktaya kadar, tüm Ig farklılığı mevcut genlerin rekombinasyonuyla üretilmiştir. Belirli bir B hücresi tarafından ifade edilen son hafif zincir ve ağır zincir, yeniden düzenlenmiş bu ağır zincirler ve hafif zincir ve ağır zincirlerin tesadüfi bir araya gelmesiyle oluşur. Örneğin, kappa (K) hafif-zincir lokusundaki genlerin sayısına dayanarak, 150V X 5J olası yeni-düzenleme veya 750 olası hafif zincir mevcuttur (««sKısım 22.10 ve Şekli 22.20). Ağırzincir (H zinciri) lokusunda yaklaşık olarak 200V X 50 D X 4J veya 40 000 olası ağır zincir mevcuttur. Her ağır zincir ve hafif zincirin, her hücrede ifade edilmesinde eşit şansa sahip olduğu varsayılarak, 750 X 40 000 veya 3 000 000 olası antikor ifade edilebilir (Şekil 23.5). Farklılık yaratan diğer bir mekanizma da, DNAbirleşme mekanizmasında yatmaktadır. V-D-J veya V-J genlerinin DNA birleşmesi belirsizdir ve VDJ füzyonlarınm yeri çoğu kez bir kaç nükleotitle değişmektedir. Bu genetik belirsizlik, bir veya iki amino asitlik bir değişiklik için yeterlidir ve antikor çeşitliliğine daha büyük bir boyut kazandırır. Her B hücresinde, ağır ve hafif zincir genlerinde, protein-üreten sadece tek bir yeni-düzenleme oluşur. Allelik dışlama adı verilen bu mekanizma, her B hücresinin

sadece bir Ig üretmesini

sağlar.

Hipermutasyon

ilave antikor çeşitliliği, B hücrelerinde somatik hipermutasyon ile oluşturulup, Ig genlerinde diğer genlerde izlenenden daha yüksek oranlarda mutasyona uğramasıdır. Ig genlerinin somatik hipermutasyonu, immünize edici antijene ikinci kez maruz kaldıktan sonra genellikle daha belirgindir. Görüldüğü gibi, antijene ikinci bir maruz kalma, üretilen baskın antikor sınıfında Ig M'den Ig G üretimine bir dönüşümle, bir değişikliğe neden olur (öooıKısım 22.10). Ayrıca sınıf değişimi antijenbağlama kuvveti (afinite) ile bağlantılıdır. Bu afinite yetkinliği, immünitede oldukça güçlü ikincil yanıttan sorumlu faktörlerden birisidir. («ao^Kısım 22.10 ve Şekil 22.21). Afinite yetkinliği, Ig çeşitliliği oluşumuna gerçekten sınırsız olasılıklar katmakta ve en azından 1012 olası Ig üretmektedir.

23.6 Kavramların Gözden Geçirilmesi Rekombinasyon, son Ig genlerinin çeşitli parçalarmmın karılmasına olanak sağlar. Ağır ve hafif zincir genlerinin tesadüfi yeni-çeşitlenmesi genetik olarak kodlanmış farklılığı maksimuma ulaştırır. Hipermutasyon ve afinite yetkinliği gibi VDJ ve VJ'nin belirsiz birleşmesi de sınırsız immünoglobulin çeşitliliğine gerçekten katkı sağlar. • Olgun bir ağır-zincir geni üreten rekombinasyon olaylarını belirtiniz. • Antikor farklılığını daha da fazla arttıran somatik mutasyonu anlatınız. • Kaç tane olası Ig-bağlanma bölgesi üretilebilir?

T-HUCRE RESEPTÖRLERİ TCR'ler lenfositler üzerindeki hücre-yüzey antijen reseptörleri olup, MHC proteinlerine gömülü peptit antijenleri tanırlar (oo&Kısım 22.6). Bu kısımda, TCR'lerin yapısı, antijen-bağlama işlevi ve genetik organizasyonu gözden geçirilecektir.

TCR Proteinleri ve Antijen Bağlama TCR, sadece T hücrelerinin yüzeyinde bulunan membrana-entegre bir proteindir. TCR iki polipeptitten oluşur: (a) alfa ve beta (/3).a:/3 TCR hedef hücrelerinin veya APC'lerin yüzeyindeki MHC moleküllerinde gömülü olan yabancı peptitleri spesifik olarak bağlar (<s«oKısım 22.6). Bu yüzden TCR hem kendinden olan bir MHC proteinini ve hem de yabancı bir

peptiti bağlar. TCR'ler bu ikili bağlama işlevini, a zinciri ve /3 zincirin V bölgelerinden oluşan bir bağlanma bölgesi sayesinde başarmaktadır. Ig'lerde olduğu gibi, TCR'lerin a-zinciri ve /3-zinciri V bölgelerinden oluşan bir bağlanma bölgesi sayesinde başarmaktadır. Ig'lerde olduğu gibi, TCR'lerin /3-zinciri V bölgeleri a-zinciri ve antijeni bağlayan CDR1, CDR2 ve CDR3 segmentlerini içerir. TCR-peptiti-MHC protein kompleksinin üç boyutlu yapısı, Şekli 23.6 «'da gösterilmiştir. Hem TCR ve hem de MHC proteinleri peptit antijene doğrudan bağlanır. MHC proteini peptitin bir yüzünü agretop bağlar, oysa TCR diğer peptit yüzü epitop ile etkileşir. CDR bölgeleri MHC-peptit kompleksinin bağlanmasıyla doğrudan ilişkilidir ve her CDR'nin spesifik bir bağlanma işlevi vardır. TCR a ve /3 zincirinin CDR3 bölgeleri, peptit epitopla temas sağlar. TCR a ve /3 zincirlerinin CDR1 ve CDR2 bölgeleri de MHC proteinlerinin peptitbağlayıcı a heliksleriyle teması sağlar. 23.7 Kavramların Gözden Geçirilmesi TCR, MHC proteinlerince sunulan peptit antijenleri bağlayan bir proteindir. Hem a zinciri ve hem de /3 zincirinin CDR3 bölgeleri, peptit epitopu bağlamaktadır, oysa CDR1 ve CDR2 bölgeleri MHC proteinine bağlanmaktadır.

23 8 • TCR Genleri ve Çeşitlilik • 771 T hücresi TCRCP

TCRV(3

- T-hücre reseptörü TCRVa

Peptit antijen Başlıca doku uygunluk kompleksi proteini

MHCal MHCa2

Zar

MHCa3

Antijen-sunucu hücre

(b)

• Şekil 23.6 TCR-peptit-MHC I protein kompleksi, (a) üç boyutlu yapı, TCR, peptit (kahverengi) ve MHC uyumunu göstermektedir. Bu yapı Protein Data Bank'ta saklanan bulgulardan türevlenmiştir. (b) MHCpeptit-TCR yapısının diagramatik bir gösterimi.

•

TCR CDR1, CDR2 ve CDR3 segmentlerinin işlevleri arasındaki farkları ayrımlaymız.

•

Agretop ve epitop arasındaki farklılık nedir?

TCR Genleri ve Çeşitlilik TCR a ve /3 zincirlerinin, sabit ve değişken domainleri farklı gen segmentlerince kodlanır. Ig genlerine oldukça benzer şekilde, TCR V bölgesi genleri ardışık düzenlenmiş belirli sayıdaki genler olarak düzenlenmektedir, a zincirde yaklaşık 80 değişken (V) geni ve 61 birleştirici (J) segment vardır, oysa j3 zincirin 50 değişken (V) geni, 2 çeşitlilik (D) geni ve 13 birleştirici (J) segmenti vardır (Şekil 23.7»). /3 zincir V, D ve J genler ve a zincir V ve J genleri, fonksiyonal V-bölgesi genlerini oluşturmak için rekombinasyona uğrar. N-bölgesi çeşitliliği denilen ilave farklılık 1-6 nükleotitin V ve D gen segmentleri arasına ve D ve J gen segmentleri arasına tesadüfi ilavesiyle oluşturulur. Son olarak, /3 zincirin D bölgesi üç okuma çerçevesi şeklinde tümüyle transkripte edilerek, her D-bölgesinden üç ayrı transkript oluşumuna yol açmakta ve D gen segmentlerinin tek başına beklenenden daha fazla çeşitlilik yaratmaktadır. Ig H ve L zincirlerinin yeni kombinasyonunda tartışıldığı gibi, her a ve (3 zinciri, tam bir a:f3 heteodimeri oluşturmak için her T hücresinde tesadüfi olarak üretilir ve birleştirilir. Somatik hipermutasyon mekanizmaları TCR farklılığı oluşturmayla ilişkilidir. Buna karşın, potansiyel farklılık halen anormaldir ve teorik olarak 1015 düzeyinde TCR üretilebilir.

23.8 Kavramların Çözden Geçirilmesi TCR'nin fi zincirinin V domaini, V, D ve J gen segmentlerince kodlanır. TCR'nin a zincirinin V domaini, V ve J gen segmentlerince kodlanır. Rekombinasyon, gen ürünlerinin yeni çeşitlenmesi, D bölgelerinin üç okuma çerçevesi şeklinde transkiripsiyonu ve tesadüfi N nükleotit ilavesiyle üretilen çeşitlilik, pratikte sınırsız antijen-bağlayıcı TCR üretimini sağlamaktadır. •

D bölgesinin üç okuma çerçevesi şeklinde ifade edilmesinin, çeşitliliğe katkısı nedir, açıklayınız. • N bölge ilavelerinin TCR farklılığına katkılarını açıklayınız.

IMMUNITEDE MOLEKÜLER SİNYALLER Ig'ler ve TCR'ler sayesinde antijen tanıma ilk sinyaldir ve antijene-spesifik T ve B lenfositlerini aktive etmede en önemli moleküler etkileşimdir. Buna karşın, diğer moleküler sinyallerin, antijenlere yanıt vermeden önce lenfositlere aktarılmış olması gerekmektedir. Burada, immün yanıtı aktive etmek için gerekli diğer moleküler sinyallerden bazıları incelenecektir. İlk olarak, yabancı antijenlere reaksiyon gösterecek ve kendi proteinlerine duyarsız kalacak immün hücreleri seçen mekanizmaları göreceğiz. Daha sonra da, immün T hücrelerinin aktivasyonundan sorumlu olan moleküler ikinci sinyalleri inceleyeceğiz. Son olarak, immün yanıttaki diğer hücreleri aktive edebilen çözünür proteinler olan sitokinler ve kemokinler ile tanışacağız.

772 • Bölüm 23 • Molehüler İmmünoloji a-zincir genleri V,,1

Va2

• Şekil 23.7 insan TCRa -ve fi- zincir genlerinin organizasyonu, a -zincir genleri 14. kromozomda ve /3- zincir genleri 6. kromozomda bulunmaktadır. Boş alanlar a-olmayan zinciri veya -/} olmayan zinciri kodlayan büyük bir segmenti göstermekte olup, şekilde görülmemektedir.

V.,80

[S-zincir genleri Vp50

Jp1(1-6)

lannnnnı ••••••i

Jp2(1-7)

HHHHHHMı

mustaki MHC proteinlerine bağlanmak için yeni geliştirdikleri TCR'lerini kullanarak timik epitelyumla Etkin bir immün yanıt için, T hücrelerinin kendinden- etkileşmektedir. MHC proteinleriyle bağlanmayan olmayan tehlikeli antijenler ile vücut dokumuzu oluş- T hücreleri apoptoziz denilen, bir işlemle ölmeye programlanır; timik MHC proteinlerini bağlayan T turan tehlikesiz kendi antijenleri arasından ayrım hücreleri çoğalmaya devam eder. Bu yüzden, pozitif yapması gerekir. Bu yüzden, T hücrelerin kendi seçim kendi-MHC proteinlerini tanıyan T hücreleriantijenlerine karşı tolerans veya spesifik yanıtsızlık ni korumakta ve kendi-MHC proteinlerini tanımakazanmış olması gerekir. Tolerans kazandıktan sonyan T hücrelerini ise dışlamaktadır. ra sadece tehlikeli kendinden olmayan antijenlerle T-hücre olgunlaşmasının ikinci evresi negatif etkileşen immün hücreleri seçebiliriz. seçim olup, pozitif olarak seçilen T-hücrelerinin, antijenlerle kompleks oluşturmuş timik MHC proKlonal Seçim teinlerle etkileşmek için etkileşimlerini sürdürmesidir. Timustaki antijenler çoğunlukla kendine aitKlonal seçim, her antijene reaksiyon gösteren B tir. Timik kendi antijenleriyle etkileşen T hücreleri veya T hücresinin, tek bir antijen için bir hücre yüpotansiyel olarak tehlikelidir. Çünkü bunlar kendi zey reseptörü olduğunu belirten bir hipotezdir. Bu doku antijenleriyle reaksiyona girebilir (Otoimmüantijenle etkileşerek uyarıldığında, her hücre çoğanite). Bu yüzden, bu kendine reaksiyona gösteren T labilir ve antijenle-uyarılan B ve T hücreleri çoğalır hücreleri elemine edilmelidir. Kendine-reaktif olan ve farklılaşır. Sonuç olarak, antijenle-uyarılan hücT hücreleri timusa sıkıca bağlanır ve sonuçta ölür. reler bölünür ve ayni antijene-spesifik reseptörleri Buna karşılık, kendinden olmayan antijenler ile ifade eden bir hücre havuzu oluşturur. Antijeneetkileşmek amacının güden T hücreleri, olasılıkla reaksiyona gösteren orjinal hücrenin bu kopyaları kendinden-olmayan antijenler timusta bulunmadıklonlar olarak bilinir (Şekil 23.8«). Antijenle etkileşğı için, sıkı bir şekilde bağlanmaz. Bu T hücreleri meyen hücreler çoğalmaz. ölmez, fakat timusu terketip, B lenfositleri ve diğer Görünürdeki sınırsız antijen çeşitliliğine yanıt APC'lerle sunulan yabancı antijenlerle temas kuravermek için, vücutta çok sayıda antijene reaksibilecekleri dalak ve lenf nodüllerine göç ederler. yon gösterecek hücre gerekmektedir. Buna karşın Tolerans indüklemekle birlikte antijene reakantijene-reaksiyon gösteren hücreler, konukçuda tif T-hücrelerinin seçimindeki bu iki-evreli mekakendi antijenlerine karşı immün rekasiyonları uyannizmaya klonal delesyon denilmektedir. T-hücre dırmamalıdır. Bu özel gereksinimleri karşılamak klonlarının öncülleri ya yararsızdır ya da zararlı, için, immün sistem kendinden-olmayan antijenlere ölümcüldür ve timusa giren tüm T hücrelerinin % karşı yararlı olabilen klonları seçip, kendine reaksi99'dan fazlası seçim işlemlerinde canlılığını sürdüyon gösteren klonları elemine eder ya da baskılar. remez. Pozitif ve negatif seçimde canlı kalabilen T hücreleri, daha sonra timusu terk ederek, yabancı T-hücre Seçimi ve Tolerans antijenlere immün yanıtta yer alabilecekleri sekonT hücreleri, antijene-reaksiyon gösteren T hücreler der lenfoit organlara giderler. için ve kendi antijenlerine reaksiyon gösteren klonlara karşı seçimden geçirilir. Kendine-reaksiyon gösB-Hiicre Toleransı teren klonlara karşı seçim, kendi antijenlere karşı tolerans gelişimi veya spesifik immün yanıtsızlık- B hücrelerinde immün toleransın edinilmesi, la sonuçlanır. Öncelikle, toleransın yetersizliği ve kendine-reaktif B hücreleri tarafından üretilen antibuna bağlı olarak otoimmünite gelişimi tartışılakorların (otoantikorlar) konukçu dokuya hasar vecaktır (öOcsKısım 22.15). rebilmesi nedeniyle de gereklidir (Kısım 22.15). T hücresi haline gelecek lenfositler, kemik iliğini B hücreleri de klonal delesyona uğrar. Bazı kendineterkederek, lenf kanalları yoluyla, primer bir lenfoit reaktif B hücreleri, insanlardaki B-hücre gelişiminorgan olan timusa girerler (Şekil 23.9, «^»Şekil 22.2). den sorumlu primer lenfoit organ olan, kemik iliğiTimustaki ilk T-hücre olgunlaşma evresine pozitif nin gelişimi esnasında elenir (««sKısım 22.1). seçim adı verilip, olgunlaşmamış T hücrelerinin ti-

Klonal Seçim ve Tolerans

23.10 • ikincil Sinyaller • 773

Kemik iliği kök hücresi

sağlayacak antijene-reaktif hiçbir T hücre yoksa, B hücreleri anerji durumunda kalır. 23.9 Kavramların Gözden Geçirilmesi Timus, antijene-reaksiyon gösteren T hücrelerin olgunlaşması için bir ortam yaratan primer bir lenfoit organdır. MHC proteiniyle etkileşmeyen (pozitif seçim) veya kendi antijenleriyle güçlü bir reaksiyona giren (negatif seçim) T hücreleri, timusta klonal delesyon ile elenir. Pozitif ve negatif seçimde canlılığını sürdüren T hücreleri timusu terkeder ve etkin bir immün yanıta katılabilir. Kendi antijenlerine B hücre reaktivitesi, klonal seçim, delesyon ve anerji sayesinde kontrol edilir. •

T hücreleriyle etkileşim

Bir klon oluşturmak için bir tip hücre seçimi

Kendinize ait bir protein olup toleranslı kalabileceğiniz ve başkasına ait bir protein olup toleranslı olamayacağınız bir örnek gösteriniz. • Pozitif ve negatif T-hücre seçimi arasındaki farklılığı belirtiniz. • B hücreler için, klonal delesyon ile klonal anerji arasındaki farklılık nedir?

İkincil Sinyaller Çoğalma ve plazma ve hafıza hücrelerine farklılaşma

• Şekil 23.8 Klonal seçim. Tek bir antijene özgü olan her B hücresi, spesifik antijeniyle etkileştikten sonra, çoğalır ve bir klon oluşturmak üzere genişler. Antijen, seçici ajan olarak iş görüp, antijene-özgü her B hücresinin seçilmesi ve çoğalmasını yönlendirmektedir. Antijen-reaktif hücrelerin klonal kopyalarının tümü, antijene-özgü ayni yüzey antikoruna sahiptir. Antijene sürekli maruz kalma, klonun sürekli büyümesine yol açar. Benzer bir durum T hücreleri için mevcuttur.

Klonal delesyon olaylarına ilaveten, son seçimde klonal anerji (yanıtsızlık) de rol oynar. Kendine-reaksiyon gösteren olgunlaşmamış B hücreleri, kemik iliğinde kendi antijenlerine yüksek konsantrasyonlarda maruz kalsa bile, gelişmez. Kendi antijenleri bazı B-Hücre Ig reseptölerini kaplayabilmesine rağmen, ileride görüleceği gibi (bakınız Kısım 23.10), B hücresi ikinci bir aktivasyon sinyali için T hücrelerine bağımlıdır. T-hücre seçimi esnasındaki eleminasyon nedeniyle yardım

Daha önce görüldüğü gibi, timusta kendinden olmayan tehlikeli antijenlere karşı reaksiyon göstermek üzere seçilen T hücreleri, kendi antijenlerine tolerans ya da yanıtsızlık için de seçilir ve kendi antijenleriyle reaksiyon veren T hücreleri timusta yok edilir. Buna karşın kendine ait bazı antijenler timusta ifade edilmez. Timusa ait olmayan bu antijenlere yanıt veren T-hücre klonları klonal delesyondan kaçınmış olabilir, fakat klonal anerji geliştirerek, sekonder lenfoit organlardaki etkileşimler sayesinde kendi antijenlerine yanıtsız hale gelebilir. Yukarıda B hücreleri için tartışılan duruma benzer şekilde, T hücrelerinde klonal anerji indüklemenin anahtarı, T hücrelerini aktive etmek için iki-sinyalli mekanizmanın kullanılmasıdır. T-Hiicre Aktivasyonu ve İkinci Sinyal

Seçilmiş olgun T hücreleri timusu terkedince, yerleşip kalacakları ikincil lenfoit organlara (lenf nodülleri, dalak, mukozalarla-bağmtılı lenfoit doku veya MALT) gitmektedir. Bu T hücreleri henüz antijene maruz kalmamıştır ve bu yüzden saf ve genç T hücreleri olarak adlandırılır. Genç T hücreleri, etkin hücreler olarak tümüyle yetkin olmadan önce APC tarafından aktive edilmelidir (co^Kısım 22.6). Genç T hücrelerinin aktivasyonundaki ilk adım peptitin bağlanmasıdır: APC üzerindeki MHC protein kompleksinin TCR ile bağlanmasıdır(Şekil 23.10»). Bu sinyal 2'dir ve aktivasyon için kesinlikle gereklidir. Sinyal 1 olmaksızın, bir T hücresi aktive edilemez. T hücrelerinin aktivasyonundaki sonraki adım, biri APC üzerinde bulunan ve B7 denilen, ve biri

774 • Bölüm 23 • Moleküler İmmünoloji

Kemik-iliğinden ön-T hücreleri

TCR gelişimi: T-hücre reseptörleri (TCR'ler mavi renkli) timustaki T hücrelerinde gelişir

Pozitif seçim: Timusta MHC proteinleriyle (kırmızı) etkileşen T hücreleri bölünür ve çoğalır MHC proteinleriyle etkileşmeyen hücrelerin büyümesi durur ve sonuçta ölür Negatif seçim: Kendi antijeni (mor) ve MHC ile etkileşen T hücreleri ölür. Kendi antijeniyle etkileşmeyen hücreler çoğalmayı sürdürür.

Timus

© * Ş e k i l 2 3 . 9 T-hücre Seçimi ve klonal eksilme. T hücreleri timusta aşamalı bir seçim süreci geçirir 1 Ön-T hücreleri timusa girer ve T-Hücre reseptörlerim (TCR'ler) ifade eder. 2 T hücreleri timusta MHC proteinlerini bağlama yetenekleri bakımından seçilir. MHC'lere bağlanamayan hücreler sonunda ölür, bu olay pozitif seçim olarak bilinir. 3 Pozitif olarak seçilen T hücrelerinden bazıları daha sonra timusta kendi-antijenleri ile etkileşir. Kendi-antijenleriyle etkileşenT hücreleri, negatif seçim adı verilen bir işlemle, timusta eksiltilir. MHC'ye bağlanmayan hücreler sonuçta ölür, bu olay pozitif seleksiyon olarak bilinir. 4 Pozitif ve negatif seçimde canlı kalabilen T hücreleri timustan ayrılır. Seçilen hücreler üzerindeki TCR'ler, timus dışındaki yabancı antijenlerle etkileşebilme yeteneğindedir.

de T hücreleri üzerinde bulunan ve CD28 denilen, iki ilave proteinin etkilemesini içerir. B7'nin CD28 ile etkileşmesi ve bağlanması sinyal 2'dir ve T hücresini aktive eder. Sinyal 2'nin yokluğunda, T hücresi aktive edilemez (Şekil 23.11*). Aktive edilen T hücreleri daha sonra etkin bir hücre haline dönüşür. Aktive edilen bir Tc hücresi, antijeni taşıyan bir hedef hücreyi hatta CD28 taşımayan hedef hücreleri bile öldürecektir. Aktive edilen etkin hücreler, etkili aktiviteyi indüklemek için sadece Sinyal 1 (peptit-MHC)'e gereksinir (Şekil 23.10). ikinci bir sinyale olan bu gereklilik esas olarak klonal anerjiyi yerleştirme ve koruma gibi gizli anlamlar taşır. Örneğin, sunucu olmayan bir hücre üzerindeki kendi antijeniyle etkileşen bağımsız bir Tc hücresi, sadece sinyal l'i alır, çünkü sunucu olmayan hücreler sinyal 2 için gerekli B7 proteinini taşımazlar. Bu sinyalin yokluğunda, bu Tc yanıtsız

Periferik: Yabancı antijenlerle etkileşen antijenler timusu terkeder ve yeniden lenf dolaşımına döner.

i

Lenf nodlarına

kalır ve aktive edilemez (Şekil 23.10). Bu yüzden B7: CD28 ikinci sinyali, aktivasyon için kesinlikle gereklidir. Sinyal l'in varlığında sinyal 2 yoksa, kalıcı anerji indüklenir. Bağımsız TH1 ve TH2 lenfositleri ayni şekilde B7-CD28 koreseptör ikinci sinyalini kullanarak aktive edilir. Sonraki kısımda göreceğimiz gibi, farklı bir ikinci sinyal, B hücrelerini ve diğer immün yanıt etkileyicilerini aktive etmede kullanılır. 23.10 Kavramların Gözden Geçirilmesi Bazı kendine-reaktif T hücreleri, timustaki gelişim ve olgunlaşma esnasında yok edilir. Bağımsız T hücreleri ilk olarak kendi TCR'leriyle peptit: MHC bağlanmasıyla sekonder organlarda aktive edilir (Sinyal 1), bunu B7 APC proteininin CD28 T-hücre proteinine bağlanması izler (Sinyal 2). Bağımsız kendine reaktif T hücreleri eğer sinyal 2 yokluğunda sinyal 1 ile etkileşiyorsa, sekonder lenfoit organlarda yanıtsız hale gelirler.

23.11 • Sitokinler ve Kemokinler • 775

Etkin

Genç Tc hücresi»

Makrofaj

Tc hücnıp'

CD4

Aktivasyon CD28

TCR IL-1 reseptör T H hücre IL-2 < "

Sinyal 1 \

Sinyal 2 Klonal büyüme, hafıza •*»

MHC APC

Hedef hücre

IL-2 reseptör

Zar hasarı apoptoziz, ölüm

(b)

(a)

Farklılaşma

Sinyal 1

Etkileyici fonksiyon yok

Herhangi hücre (c)

Herhangi! hücre

A A

9999 antikor

%f üretimi

(d)

• Şekil 23.10 Genç T hücrelerini aktive etmek için gerekli Sinyal 1 ve Sinyal 2. (a) Genç bir Tc hücresi, APC üzerindeki peptit MHC kompleksi ile TCR aracılığıyla etkileşir. Bu, sinyal 1 'dir. Tc hücresi ayni şekilde, APC üzerindeki bir B7 proteini ile etkileşen bir CD28 proteinine de sahiptir. Bu, sinyal 2'dir.Tc hücresi ve APC'nin sinyal 1 ve sinyal 2 aracılığıyla aynı anda etkileşmesi, genç T hücresini aktive eder. (b) Sürekli aktive edilen bu Tc hücresi sonradan, sinyal 1 etkileşimleri olduğu sürece bir hedef hücreyi öldürme yeteneğindedir. (c) Genç bir Tc hücresi bir hücredeki peptit-MHC kompleksiyle TCR aracılığıyla etkileşir. Sinyal 1 için koşullar karşılansa bile, sinyal 2 üretilmeyebilir, çünkü sadece APC'ler B7 proteinini taşımaktadır (d) Sinyal 2 yokluğunda, Tc hücresi sürekli yanıtsız veya ergsiz hale gelir.

• Bağımsız bir T hücresi için sinyal 1 ve sinyal 2'yi açıklayınız. • Aktive edilen bir T hücresinde etkinlik fonksiyonunu indüklemek için gerekli sinyal (ler)i belirtiniz.

Sitokinler ve Kemokinler İmmün sistemin aktivasyonu için gerekli olan hücreler arası iletişim, sitokinler denilen çözünür bir protein ailesi sayesinde gerçekleştirilir. Sitokinler lökositler tarafından üretilip, immün sistemde çeşitli hücresel fonksiyonları düzenler. Bazı sitokinler, çeşitli hücre tiplerini aktive ettiği için, çok geniş etkilidir. Buna karşın, bu heterojen proteinlerin ortak özelliği, lökositler tarafından üretiliyor olmasıdır. Lenfositler tarafından üretilen sitokinlere çoğu

• Şekil 23.11 Sitokinler ve antikor üretimi. Antikor yanıtında IL-1, IL-2 ve IL-4 sitokinlerinin bazı ana etkileri ve etkileşimleri. Sitokinler makrofajlar, T hücreleri ve B hücreleri için sinyal sağlamaktadır. Sitokinler, T ve B lenfositlerin aktivasyonu, farklılaşması ve büyümesinde olduğu gibi, makrofajlann artan antijen alımını da uyarmaktadır.

kez lenfokinler denilmektedir. İnterlökinler (İL) denilen sitokinler lökositler arasındaki etkileşimlere aracılık eder. Genel olarak, sitokinler bir hücre tarafından salgılanır ve bir hedef hücre üzerindeki spesifik reseptörlere bağlanır. Bazı sitokinler kendisini üreten hücrenin üzerindeki reseptörlere bağlanır. Bu yüzden, bu sitokinlerin otokrin (kendini uyarıcı) yeteneği vardır. Sitokin reseptörlerinin bağlanması, protein sentezi ve hücre bölünmesi gibi aktiviteleri kontrol etmek için hücre membranı üzerindeki bilgiye dayanarak, genellikle bir sinyal iletim yolunu aktive eder (ötsaKısım 8.12). Bu sinyaller sonuçta hücre çoğalması, farklılaşma ve klonal çoğalmaya neden olabilir. Tablo 23.2, bazı önemli sitokinleri, bunları üreten başlıca hücreleri, bunların en genel hedef hücrelerini ve bunların biyolojik etkilerini göstermektedir. Toplam olarak, bilinen 40'a yakın sitokin bulunmakta olup, bunların çoğu ya T f[ hücreleri veya monositler ve makrofajlar tarafından üretilir. Şimdi, antijene-spesifik antikor-aracılı bir immün yanıtın indüklenmesiyle ilgili üç sitokin aktivitesi incelenecektir.

776 • Bölüm 23 • Moleküler İmmünoloji

IL-l,IL-2veIL-4 Daha önce görüldüğü gibi, makrofajlar antijen alımı, işlenmesi ve sunumundan sorumludur (öet> Kısım 22.16). Ayrıca, bunlar birçok farklı hücre tipini etkileyen, IL-1 olarak bilinen bir sitokin salgılar (Tablo 23.2 ve Şekil 23.11). IL-1, immün sisteminin anahtar bir unsurudur çünkü TH hücreleri IL-1 tarafından aktive edilir. Lenf nodüllerinde T u hücreleri ve makrofajlarm yakın olmaları nedeniyle, yakındaki TH2 hücreleri de olasılıkla aktive edilmektedir. TH2 hücresi üzerindeki IL-1 reseptörleri (IL-IR) tarafından IL-1 bağlanması, bir aktivasyon sinyali olarak iş görür. Aktive edilen TH2 hücresi, daha sonra IL-2 üreterek buna yanıt verir, IL-2 salgılanır ve TH2 hücrelerinin yüzeyindeki IL-2R ile bağlanır. Bu yüzden, IL-2 kendisini salgılayan ayni hücreyi aktive eder. IL-2'nin etkisiyle hücreler bölünür, klonal kopyalar yapar. Süreç içinde, TH2 hücresi diğer sitokinleri de oluşturur, bu durumda, sözü edilen IL-4 olup, daha sonra B hücreleri üzerindeki IL-4R'ne bağlanır. IL-4: IL-4R kompleksi B hücrelerini sonradan antikorları üretecek olan plazma hücrelerine farklılaşmak için uyarır (c«2.Kısım 22.10). Bu yüzden, IL-1, IL-2 ve IL-4 sitokinleri, antikor-aracılı immün yanıtı oluşturmak için etkileşen hücreler olan T lenfositleri, makrofajlar ve B hücreleri için çözünür aracılar ve aktivatörlerdir. Diğer Sitokinler

Tablo 23.2 de diğer birçok sitokinin aktivitesi görülmektedir. Bu proteinlerin bazıları spesifik immüniteyle ilişkilidir. Örneğin, IL-4 esas olarak B Tablo 23.2 Sitokin

hücrelerini etkiler. Bununla birlikte, birçok sitokin T veya B lenfositleri etkilemez, fakat diğer hücreler üzerinde faaliyet gösterir; sitokin ile aktive edilen hücreler buna karşılık doğal konukçu yanıtlarının önemli ayarlayıcıları olarak iş görür. Örneğin, interferonlar (IFN-a ve IFN-y) lökositlerce üretilir ve vücuttaki bir hücrede ortaya çıkan viral çoğalmayı engeller. Tümör nekrozis faktörler olan TNF-a ve TNF-/3 , TNF-üreten hücreler tümöre ulaştıkları takdirde, çeşitli tümörleri öldürebilirler. TNF-a, ayni zamanda yangının kritik bir aktivatörüdür (önçsKısım 22.3). İnterferonlar ve TNF'lerin hedef hücre spesifitesi olmadığı görülür, fakat fagositlerin yanısıra T hücrelerince de üretilir ve immün hücrelerin etkilerini arttırabilirler. Kemokinler

Kemokinler küçük proteinlerin bir grubu olup, fagositik hücreler ve T hücreler için kimyasal cezbediciler olarak işlev görür. Bunlar, konukçu hücrelerde hasara yol açan bakteriyal ürünler, virüsler ve diğer ajanlara yanıt vermek amacıyla lenfositler ve çeşitli diğer hücrelerce üretilir. Kemokinler, hasar olan bölgeye fagositleri ve T hücrelerini çekip, spesifik bir immün yanıt potansiyeli oluşturduğu gibi ,yangısal bir yanıtı da teşvik etmektedir. Yaklaşık 40 farklı kemokin bilinmektedir. Olasılıkla en iyi çalışılan kemokinler IL-8 ve makrofaj cezbedici protein-1 (MCP-1) (Tablo 23.2) dir. IL-8, doku hasarına yanıt vermek veya patojenlerle temas kurmak amacıyla, monositler, makrofajlar, fibroblastlar (konnektif doku hücreleri) ve kerati-

Bazı Önemli Sitokinler ve Kemokinlerin Özellikleri Üreticiler

Asıl Hedefler

Etkisi

Monositler Aktif T hücreleri

TH

IL-1» IL-2 IL-3 IL-4 IL-5 IL-10 IL-12 IEN-a b IFN-y 2 GM-CSP

TH1

TH1, NK hücreleri Normal hücreler Makrofajlar Miyeloit kök hücreleri

TGF-/3d TNF-a e TNF-/3

T H lveT H 2 TH1, makrofajlar NK hücreleri T l

Makrofajlar Makrofajlar Makrofajlar

Aktivasyon Gelişme, farklılaşma Gelişme faktörü Ig Gl ve Ig E sentezi Ig A sentezi TH1 inhibisyonu Farklılaşma, aktivasyon Anti-viral Aktivasyon Granülositlere, monositlere farklılaşma Aktivasyonu engelleme Aktivasyon Aktivasyon

Makrofajlar, fibroblastlar, keratinositler Makrofajlar, fibroblastlar, keratinositler

Nötrofiller, T hücreleri

Cezbedici ve aktivatör

Makrofajlar, T hücreleri

Cezbedici ve aktivatör

Kemokinler IL-8 MCP-1'

TH1 TH2 TH2 TH2

Makrofajlar, dentritik hücreler Lökositler

V

T hücreleri Hematopoetik kök hücreleri B hücreleri B hücreleri

"İL, interlökin;bIFN, interferon; CGM-CSF, granülosit, monosit koloni uyarıcı faktör; dTGF, T-hücresi büyüme faktörü; TNF, tümör nekroz faktörü; f MCF, makrofaj cezbedici protein

• Uygulama Soruları • 777

nositleri (deri hücreleri) içeren oldukça çeşitli hücre tipince üretilir. IL-8, etkilenen hücrelerce salgılanır ve çevre dokuya bağlanıp, burada T hücreleri ve nötrofiller için bir kimyasal cezbedicidir (Ö°ÖKIsım 22.1) Bu durum nötrofil-aracılı yangısal yanıta yol açıp, bunu olay yerine çekilen T hücrelerince oluşturulan spesifik bir immün yanıt izler. Sitokin reseptörlerinde olduğu gibi, hedef hücre üzerindeki ilgili kemokin reseptörleri, hedef fagositler veya T hücrelerin aktivasyonunu indüklemek için sinyal iletişim yolları boyunca iş görür (««sKısım 8.12). MCP-1, çeşitli hücre tiplerince de üretilir ve makrofajlar ile T hücrelerini cezbeder; yine yangısal aracıların üretimini teşvik edici ve antijenespesifik bir immün yanıtın olası düzenleyicisidir. Bu yüzden kemokinler, T hücrelerinin olaya katılmasına ve antijene-spesifik immün reaksiyonlara yol açan, spesifik olmayan yangısal reaksiyonların güçlü başlatıcılarıdır.

23.11 Kavramların Gözden Geçirilmesi Sitokinler lökositlerce üretilen aracılar olup, hücreler arası etkileşimleri düzenler. IL-1, IL-2 ve IL-4 gibi bazı sitokinler lökositlere etkir ve spesifik immün yanıtın oluşumunda kritik yapı taşlarmdandır. IFN ve TNF gibi diğer sitokinler çeşitli hücre tiplerine etkir. Kemokinler hasara yanıt vermek amacıyla çeşitli hücre tiplerince üretilir ve spesifik-olmayan yangı hücreleri ve T hücreleri için güçlü cezbedecilerdir. • IL-1, IL-4, IL-12, IL-y, IL-)3 için hedef hücreleri karşılaştırınız. • Sitokin ve kemokinler hücre kaynaklarına göre nasıl ayrılmaktadır? • Sitokin üretimini hangi olaylar uyarır? Kemokin üretimini hangi olaylar uyarır?

DEĞERLENDİRME SORULARI 1. Patern tanıma moleküllerini (PRM) tanımlayınız ve patojenle-bağıntılı moleküler paternleri (PAMP) ile etkileşimlerini belirtiniz (Kısım 22.2 ve 26.5) Antikorlar kan veya mukozal hücre yüzeylerindeki patojenleri tanımak için donatıldıklarından, enfekte konukçu hücreleri genellikle hücresel immünitenin hücreden hücreye etkileşimlerini içeren diğer yollarla tanınmalı ve tahrip edilmelidirler. TH hücre tiplerinden bir tanesi olan antijen-spesifik TH1 hücresi, makrofajlar ve nötrofiller gibi fagosit-

794 • Bölüm 24 • Tanısal Mikrobiyoloji ve İmmünoloji

leri çekerek ve aktive ederek, enflamatuvar reaksiyonlara neden olurlar ve enfeksiyonu sınırlarlar (ceoKısım 22.8). İlave olarak hücre içi patojenler, enfekte hücrelerin yüzeylerinde sunulan antijenler üretirler. Tsitotoksik hücreleri (Tc) antijeni tanırlar ve enfekte hücreyi lizise uğratan perferin denilen sitolitik proteinleri salgılayarak direkt olarak enfekte hücre üzerinde etki ederler (Şekil 24.10 ve CRÛKIsım 22.7). Antijene maruz kalmadan önce antijen-spesifik immünite mevcut değildir ama antijene ilk maruz kalmadan sonra antijen-reaktif immün T ve B hücreleri üretilir ve bunlar uzun yıllar dayanarak uzun-süreli spesifik immüniteyi oluştururlar. Daha da önemli olarak, bu antijen-reaktif hücrelerin ikinci bir antijen stimülasyonu birkaç gün içinde pik yapan çok güçlü ve hızlı bir immün yanıt oluşturur (