Molekulska mimikrija je definirana kao teorijska mogućnost da homologija sekvence između stranih i vlastitih peptida budu dovoljne da dovedu do unakrsne aktivacije autoreaktivnih T- ili B-ćelija putem patogenih peptida. Unatoč prevalenci nekoliko peptidnih sekvenci koje mogu biti i strane i vlastite prirode, jedno antitijelo ili TCR (T-ćelijski receptor) može se aktivirati sa samo nekoliko ključnih ostataka koji naglašavaju važnost strukturnih homologija u teoriji molekulske mimikrije. Nakon aktivacije B– ili T-ćelija, veruje se da one specifično „imitirajući peptide“ mogu unakrsno reagovati s autoepitopima, što dovodi do patoloških promjena tkiva (autoimunost). Molekulska mimikrija je fenomen koji je tek nedavno otkriven kao jedan od nekoliko načina na koje se može izazvati autoimunost. Događaj molekulskog oponašanja je, međutim, više od epifenomena uprkos svojoj niskoj statističkoj vjerovatnoći da će se pojaviti, ovi događaji imaju ozbiljne implikacije u nastanku mnogih ljudskih autoimunih poremećaja.
U protekloj deceniji proučavanje autoimunosti, neuspeha da se prepoznaju sopstveni antigeni kao "ja", izuzetno je poraslo. Mnogi istraživači smatraju da je autoimunost posljedica gubitka imunske tolerancije, sposobnosti pojedinca da pravi razliku između sebe i ne-sebe, iako drugi počinju misliti da su mnoge autoimunske bolesti posljedica mutacija koje upravljaju programiranom ćelijsklom smrtnošću ili na proizvode iz okoline koji oštećuju ciljna tkiva, uzrokujući na taj način oslobađanje imunostimulirajućih alarmnih signala. Porast znanja u oblasti autoimunosti rezultirao je sve češćom dijagnostikom autoimunskih bolesti. Shodno tome, nedavni podaci pokazuju da u općoj populaciji autoimunske bolesti pogađaju otprilike 1 od 31 osobe. To je također dovelo do veće karakterizacije autoimunosti i načina na koji se može proučavati i liječiti. Uz povećanu količinu istraživanja, došlo je do ogromnog rasta u proučavanju nekoliko različitih načina na koje se može pojaviti autoimunost, od kojih je jedan molekulska mimikrija. Mehanizam kojim su patogeni evoluirali ili slučajno dobili slične sekvence aminokiselina ili homolognu trodimenzijsku kristalnu strukturu imunodominantnih epitopa ostaje misterija.
Imunska tolerancija
Tolerancija je osnovno svojstvo imunskg sistema. Tolerancija uključuje nesamostalnu diskriminaciju, što je sposobnost normalnog imunskog sistema da prepozna strane antigene i odgovori na njih, ali ne i vlastite antigene. Autoimunost se izaziva kada se ta tolerancija na vlastiti antigen naruši. Tolerancija unutar pojedinca se normalno izaziva u fetusnoj fazi. Ovo je poznato kao tolerancija majke i fetusa gdje B-ćelije koje eksprimiraju receptore specifične za određeni antigen ulaze u cirkulaciju fetusa u razvoju preko posteljice.
Nakon što pre-B-ćelije napuste koštanu srž gdje se sintetiziraju, premještaju se u diokoštane srži gdje dolazi do sazrijevanja B-ćelija. Tu nastaje prvi talas tolerancije B-ćelija. Unutar koštane srži, pre-B ćelije će naići na različite sopstvene i strane antigene prisutne u timusu koji ulaze u timus sa perifernih mjesta, preko cirkulacijskog sistema. Unutar timusa, pre-T ćelije prolaze kroz proces selekcije, gdje moraju biti pozitivno odabrane i izbjegavati negativnu selekciju. B-ćelije koje se sa niskom avidnošću vezuju za auto-MHC receptore su pozitivno odabrane za sazrevanje, a one koje ne umiru apoptozom. Ćelije koje prežive pozitivnu selekciju, ali se snažno vezuju za auto-antigene su negativno odabrane također aktivnom indukcijom apoptoze. Ova negativna selekcija je poznata kao klonska delecija, jedan od mehanizama za toleranciju B-ćelija. Otprilike 99 posto pre-B ćelija unutar timusa je negativno odabrano. Samo oko 1% je pozitivno odabrano za dospijeće.
Međutim, postoji samo ograničen repertoar antigena koji T-ćelije mogu naići u timusu. Tolerancija T-ćelija se tada mora pojaviti unutar periferije, nakon indukcije tolerancije T-ćelija unutar timusa jer se u perifernim tkivima može naići na raznovrsniju grupu antigena. Ovaj isti mehanizam pozitivne i negativne selekcije, ali u perifernim tkivima, poznat je kao klonaka anergija. Mehanizam klonske anergije važan je za održavanje tolerancije na mnoge autologne antigene. Aktivna supresija je drugi poznati mehanizam tolerancije T-ćelija. Aktivna supresija uključuje ubrizgavanje velike količine stranog antigena u odsustvu adjuvansa što dovodi do stanja nereagiranja. Ovo stanje nereagovanja se zatim prenosi na nevinog primaoca od injektiranog donora, kako bi se izazvalo stanje tolerancije kod primtelja.
Tolerancija se također proizvodi u B-ćelijama. Postoje i različiti procesi koji dovode do tolerancije B-ćelija. Baš kao u T-ćelijama, klonska delecija i klonska anergija mogu fizički eliminirati autoreaktivne klonove B-ćelija. Uređivanje receptora je još jedan mehanizam za toleranciju B-ćelija. Ovo uključuje reaktivaciju ili održavanje V(D)J rekombinacija u ćeliji što dovodi do ekspresije nove specifičnosti receptora, preuređenjem gena V regije koje će stvoriti varijacije u teškom i lhkom lancu imunoglobulina (Ig ) .
Autoimunost
Autoimunost se stoga može definirati jednostavno kao izuzeci od "pravila" tolerancije. Radeći to, stvara se imunski odgovor na vlastito tkivo i ćelije. Mnogi znaju da su ovi mehanizmi unutrašnji. Međutim, postoje patogeni mehanizmi za stvaranje autoimunskih bolesti. Patogeni mogu izazvati autoimunost poliklonskom aktivacijom B- ili T-ćelija ili povećanom ekspresijom molekula glavnog kompleksa histokompatibilnosti (MHC) klase I ili II. Postoji nekoliko načina na koje patogen može izazvati autoimunski odgovor. Patogen može sadržavati protein koji djeluje kao mitogen, kako bi podstaknuo ćelijsku diobu, uzrokujući tako stvaranje većeg broja klonova B- ili T-ćelija. Slično, patogeni protein može djelovati kao superantigen koji uzrokuje brzu poliklonsku aktivaciju B- ili T-ćelija. Patogeni također mogu uzrokovati oslobađanje citokina, što rezultira aktivacijom B- ili T-ćelija, ili mogu promijeniti funkciju makrofaga. Konačno, patogeni također mogu izložiti B- ili T-ćelije kriptičnim determinantama, koje su autoantigenske determinante koje nisu obrađene i predstavljene u dovoljnoj mjeri da tolerišu T-ćelije u timusu u razvoju i koje se nalaze na periferiji, gdje dolazi do infekcije.
Molekulska mimikrija je okarakterisana tek 1970-ih kao još jedan mehanizam pomoću kojeg patogen može stvoriti autoimunost. Definirana JE kao slične strukture koje dijele molekuli iz različitih gena ili njihovi proteinski proizvodi. Ili linearna aminokiselinska sekvenca ili konformacijsko uklapanje imunodominantnog epitopa mogu biti zajednički između patogena i domaćina. Ovo je također poznato kao "unakrsna reaktivnost" između vlastitog antigena domaćina i imunodominantnih epitopa patogena. Tada se stvara autoimunski odgovor protiv epitopa. Zbog slične homologije sekvence u epitopu između patogena i domaćina, ćelije i tkiva domaćina povezana sa proteinom su uništeni kao rezultat autoimunskog odgovora.
Vjerovatnoća događaja mimikrije
Preduvjet za pojavu molekulske mimikrije je stoga dijeljenje imunodominantnog epitopa između patogena i imunodominantne samosekvence koju generira ćelija ili tkivo. Međutim, zbog varijacije aminokiselina između različitih proteina, molekulska mimikrija se ne bi trebala dogoditi sa stanovišta vjerovatnoće. Pod pretpostavkom da se pet do šest aminokiselinskih ostataka koristi za izazivanje odgovora monoklonskih antitijela, vjerovatnoća da će se 20 aminokiselina pojaviti u šest identičnih ostataka između dva proteina je 1/206 ili 1/64.000.000. Međutim, postoje dokazi prikazani i dokumentovani o mnogim događajima molekulske mimikrije.
Da bi se utvrdilo koji epitopi dijele patogen i domaćina, koriste se velike baze podataka o proteinima. Najveća baza podataka o proteinima na svijetu, poznata kao UniProt baza podataka (ranije SwissProt), pokazala je izvještaje o molekulskoj mimikriji koja postaje sve češća s proširenjem baze podataka. Baza podataka sadrži 1,5 X 107 ostataka. Vjerovatnoća pronalaženja savršenog podudaranja sa motivom od 5 aminokiselina dužine je 1/3,7 X 10−7 (0,055). Stoga , unutar SwissProt baze podataka, očekivalo bi se da će se naći 1,5 X 107 X 3,7 X 10−7 = 5 podudaranja. Međutim, postoje motivi sekvence unutar baze podataka koji su previše zastupljeni i nalaze se više od pet puta. Naprimjer, QKRAA sekvenca je aminokiselinski motiv u trećem hipervarijabilnom regionu HLA-DRB1*0401. Ovaj motiv je također izražen na brojnim drugim proteinima, kao što je gp110 Epstein-Barrov virus i u E. coli. Ovaj motiv se u bazi podataka pojavljuje 37 puta. Ovo bi sugeriralo da linearna aminokiselinska sekvenca možda nije osnovni uzrok molekulske mimikrije jer se može naći mnogo puta u bazi podataka. Postoji mogućnost, dakle, za varijabilnost unutar sekvence aminokiselina, ali sličnost u trodimenzijskoj strukturi između dva peptida može se prepoznati klonovima T-ćelija. Ovo, dakle, otkriva nedostatak tako velikih baza podataka. Oni možda mogu dati nagovještaj odnosa između epitopa, ali važna trodimenzijska struktura se još ne može tražiti u takvoj bazi podataka.
Strukturalna mimikrija
Bez obzira na očiglednu sličnost sekvence aminokiselina od faktora patogena do faktora domaćina, strukturne studije su otkrile da se mimikrija još uvijek može pojaviti na nivou domaćina. U nekim slučajevima, patogeni mimici mogu posjedovati strukturnu arhitekturu koja se značajno razlikuje od one funkcionalnih homologa. Stoga, proteini različite sekvence mogu imati zajedničku strukturu koja izaziva autoimunski odgovor. Pretpostavlja se da ovi virulentni proteini pokazuju svoju mimikriju preko molekulskih površina koje oponašaju površine proteina domaćina (savijanje proteina ili trodimenzijska konformacija), koje su dobijene konvergentnom evolucijom. Također je teoretizirano da su ovi slični proteinski nabori dobiveni horizontalnim prijenosom gena, najvjerovatnije od eukariot skogdomaćina. Ovo dalje podržava teoriju da su mikrobni organizmi razvili mehanizam prikrivanja sličan onom viših organizama kao što su afrička bogomoljka ili kameleon koji se kamufliraju tako da mogu oponašati svoju pozadinu kako ne bi bili prepoznaju i drugi.
Uprkos različitoj homologiji sekvenci između sopstvenog i stranog peptida, slabe elektrostatske interakcije između stranog peptida i MHC takođe mogu da oponašaju sopstveni peptid da izazovu autoimunski odgovor unutar domaćina. Naprimjer, nabijeni ostaci mogu objasniti povećanu brzinu uključivanja i smanjenu brzinu isključivanja određenog antigena ili mogu doprinijeti većem afinitetu i aktivnosti za određeni antigen koji možda može oponašati antigen domaćina. Slično tome, istaknuti grebeni na dnu žljebova koji se vezuju za peptide mogu učiniti stvari kao što su stvaranje ispupčenja na C-terminalnom dijelu u određenim peptidima koji mogu uvelike povećati interakciju između stranog i vlastitog peptida na MHC-u. Slično tome, postojali su dokazi da su čak i grube karakteristike kao što su kisele/bazne i hidrofobne/hidrofilne interakcije omogućile stranim peptidima da stupe u interakciju s antitijelom ili MHC i TCR. Sada je očigledno da razmatranja sličnosti sekvenci nisu dovoljna kada se procjenjuju potencijalni mimički epitopi i osnovni mehanizmi molekulske mimikrije. Stoga se pokazalo da se ta mimikrija, iz ovih primjera, javlja u odsustvu bilo kakve prave homologije sekvence.