5. Główny układ zgodności tkankowej

- główny układ zgodności tkankowej (MHC) odkryto przy okazji badań dotyczących odrzucania przeszczepów skóry u myszy

- antygeny odpowiedzialne za odrzucanie przeszczepu allogenicznego nazwano antygenami transplantacyjnymi lub antygenami zgodności tkankowej

- zespół kodujących je genów określono jako główny układ zgodności tkankowej w odróżnieniu od genów kodujących słabe antygeny zgodności tkankowej

- wkrótce okazało się, że główna rola tych antygenów polega na prezentacji obcych antygenów własnym LimT i często używa się wobec nich terminu cząsteczki MHC

- MHC obejmuje wiele genów odznaczających się największym polimorfizmem spośród wszystkich dotychczas poznanych i że mają one podstawowe znaczenie zarówno w inicjacji, jak i w fazie efektorowej odpowiedzi immunologicznej

- cz.MHC są glikoproteinami

- istnieją cz.MHC klasy I i II, różniące się zarówno pod względem budowy, jak i funkcji, a także cz.MHC klasy III

- cz.MHC klasy I występują na powierzchni wszystkich komórek jądrzastych, w niewielkich ilościach również na erytrocytach

- cz.MHC klasy II występują głównie na LimB, makrofagach, komórkach dendrytycznych, w tym na komórkach Langerhansa, a także na komórkach nabłonkowych grasicy

- w wyniku aktywacji lub działania niektórych cytokin mogą się jednak pojawić na wielu innych komórkach np. pobudzonych LimT, komórkach śródbłonka, komórkach nabłonka tarczycy, komórkach nabłonka jelitowego, fibroblastach, keratynocytach

- u człowieka cz.MHC II występują konstytutywnie na komórkach śródbłonka naczyń, przynajmniej w niektórych narządach (sercu, nerce)

Budowa cz.MHC klasy I

- cząsteczki MHC I są zbudowane z dwóch łańcuchów: lekkiego i ciężkiego połączonych ze sobą niekowalencyjnie

- łańcuch lekki - β2-mikroglobulina (β2m) zawiera 100 aminokwasów i jest u człowieka identyczny we wszystkich cz.MHC I

- kodujący ją gen leży poza kompleksem genów MHC, u człowieka w chromosomie 15

- łańcuch ciężki α składa się z:

• N-końcowego fragmentu zewnątrzkomórkowego (80% długości łańcucha)

• krótkiego fragmentu hydrofobowego (około 20 aminokwasów) przechodzącego przez błonę komórkową

• krótkiego fragmentu hydrofilowego (20-40 aminokwasów) położonego wewnątrz komórki

- fragment zewnątrzkomórkowy składa się z 3 domen tworzących pętle (α2, α2, α3) po około 90 aminokwasów każda

- dwie zewnętrzne domeny (α1 i α2)zawierają łańcuchy cukrowe i odznaczają się polimorfizmem, który jest podstawą różnic między cz.MHC I pochodzącymi od różnych osobników i kodowanymi przez różne allele

- domena trzecia (α3) również tworzy pętlę, leży ona najbliżej błony komórkowej i podobnie jak β2m z którą się łączy, przypomina budową części stałe łańcuchów ciężkich przeciwciał, nie wykazuje ona polimorfizmu

- zarówno domena α1 jak i domena α2 są zbudowane z jednej helisy α i czterech pasem β, wspólnie tworzą one rowek, którego dno stanowi struktura pofałdowanej kartki zbudowanej z ośmiu przeciwbieżnie ułożonych pasem β, a jego brzegi utworzone są przez obydwie helisy α

- rowek ten jest osadzony na β2m i domenie α3, które znajdują się między nim a błoną komórkową

- te właśnie rowek jest miejscem lokowania się peptydów (antygenów) prezentowanych LimT

- w rowku utworzonym przez domeny α1 i α2 znajduje się sześć zagłębień (A do F) zwanych kieszonkami, w kieszonki te wchodzą łańcuchy boczne aminokwasów prezentowanego przez cz.MHC antygenu

- aminokwasy, których łańcuchy boczne wchodzą w te kieszonki, nazywa się kotwiczącymi

- określona cz.MHC potrzebuje związać w kieszonkach swego rowka co najmniej 2 do 3 aminokwasów kotwiczących danego antygenu aby móc go efektywnie prezentować LimT

Budowa cz.MHC klasy II

- cz.MHC II są zbudowane z dwóch łańcuchów α i β połączonych ze sobą niekowalencyjnie

- łańcuchy te mają podobną budowę

- część zewnątrzkomórkowa jest zbudowana w obydwu łańcuchach z dwóch domen

- krótki odcinek śródbłonowy ma 23 a odcinek wewnątrzkomórkowy 8-15 aminokwasów

- domeny zewnętrzne α1 i β1 obydwu łańcuchów tworzą rowek podobny do tego, który tworzą domeny α1 i α2 łańcucha ciężkiego cz.MHC I

- dno tego rowka również tworzy osiem przeciwbieżnie ułożonych pasem β, a jego brzegi utworzone są przez helisy α, w rowku tym również można wyróżnić sześć kieszonek, w których lokują się łańcuchy boczne aminokwasów prezentowanych przez cz.MHC II antygenów

- polimorfizm cząsteczek MHC II dotyczy głównie domen α1 i β1

- domeny α2 i β2 są podobne do domen części stałych immunoglobulinowych łańcuchów ciężkich

- o ile antygeny prezentowane przez cz.MHC I najczęściej składają się z 8-10 aminokwasów i obydwoma końcami tkwią w rowku tworzonym przez cz.MHC o tyle antygeny prezentowane przez cz.MHC II obejmują od kilkunastu do ponad dwudziestu aminokwasów i mogą wystawać po obydwu stronach rowka

- cz.MHC II mają skłonność do łączenia się ze sobą w pary, w skład powstałego superdimeru wchodzą dwa łańcuchy α i dwa łańcuchy β

Struktura genów i synteza cząsteczek MHC

- promotor i inne sekwencje regulujące transkrypcję cz.MHC I obejmują:

• TATA box (-25 do -30 par zasad od miejsca rozpoczęcia transkrypcji)

• CCAAT box (-51)

• wzmacniacz B (-61 do -120)

• odcinek odpowiadający na interferon (-137 do -165)

• wzmacniacz A (-159 do -193)

- w genach dla cz.MHC II opisano wzmacniacze nie tylko na końcu 5' ale także w obrębie samych genów w granicach intronów

- cięcie i składanie pierwotnego transkryptu może się odbywać drogą alternatywną, usuwając np. odcinek transbłonowy, co prowadzi do powstania cz.MHC wydzielanej do środowiska

- w jednym z ciężkich niedoborów odporności - w odmianie ta zwanego zespołu nagich limfocytów, brak ekspresji cz.MHC II jest wywołany dziedzicznym defektem syntezy czynników wiążących elementy promotora genów MHC

- inną przyczyną tego zespołu może być defekt dotyczący genu CIITA, którego produkt jest ważnym, lecz nie łączącym się z DNA regulatorem ekspresji cz.MHC II (koaktywator transkrypcji), ekspresję CIITA wzmaga interferon γ

- zespoły nagich limfocytów można podzielić na: typ I - brak ekspresji cz.MHC I i typ II - brk ekspresji cz.MHC II

- interferon γ wzmaga ekspresję cz.MHC I i II, a interferony α i β ekspresję cz.MHC I

- czynnik martwicy nowotworu, sam lub synergistycznie z INF-γ, także wzmaga ekspresję cz.MHC klas I i II

- na niektórych komórkach, np. na LimB, ekspresję cz.MHC II wzmagają również interleukiny 4 i 13

- ekspresję cz.MHC II hamują między innymi transformujący czynnik wzrostu β (TGF-β), INF-β, interleukina 10, prostaglandyna E2 i glikokortykosteroidy

- cz.MHC I (niezależnie łańcuch ciężki i β2m) już w trakcie translacji penetrują dzięki sekwencji sygnałowej błonę siateczki śródplazmatycznej

- sekwencja sygnałowa jest następnie odcinana po wewnętrznej stronie siateczki

- w świetle tej siateczki dochodzi do związania przez tworzące się cząsteczki MHC I fragmentów syntetyzowanych w komórce białek, np. wirusowych lub białek własnych komórki, które następnie będą prezentowane na jej powierzchni

- w siateczce śródplazmatycznej łańcuch ciężki jest przytrzymywany przez białka opiekuńcze (kalneksynę i kalretikulinę) aż do momentu gdy połączy się z β2-mikroglobuliną i peptydem

- peptydy te do siateczki śródplazmatycznej są dostarczane z cytoplazmy przez specjalne, zależne od ATP białka transportujące TAP

- po związaniu odpowiednich peptydów cz.MHC I wędrują poprzez aparat Golgiego do błony komórkowej

- w trakcie formowania się cz.MHC II w siateczce śródplazmatycznej dochodzi do łączenia się łańcucha α i β

- przyłącza się również łańcuch niezmienny In (nie wykazuje one polimorfizmu), zachodzi to z udziałem kalneksyny

- powstały kompleks przechodzi przez aparat Golgiego do tak zwanych wczesnych endosomów

- w trakcie tej wędrówki łańcuch In - tkwiący w rowku cz.MHC II jest przycinany przez odpowiednie proteazy, aż powstaje z niego tylko peptyd CLIP

- w strefie dojrzewania czyli tak zwanej strefie trans aparatu Golgiego rozchodzą się drogi cz.MHC I i II

- we wczesnych a następnie późnych endosomach peptyd CLIP dysocjuje z udziałem cząsteczki HLA-DM, a z rowkiem w cz.MHC II wiąże się teraz egzogenny antygen, który dostał się do komórki w drodze endocytozy (pinocytozy lub fagocytozy)

przeciwnym kierunku

- łańcuch In blokuje miejsce (rowek) wiążący peptyd w cz.MHC II uniemożliwiając zbyt wczesne (przed dotarciem do endosomów) związanie antygenów a także przybranie nieprawidłowej konformacji

- spełnia on względem cz.MHC II rolę białka opiekuńczego, łańcuch ten zawiera również sekwencję sygnałową umożliwiającą skierowanie cz.MHC II z aparatu Golgiego do endosomów

Główny układ zgodności tkankowej człowieka

- główny układ zgodności tkankowej człowieka - układ HLA (human leukocyte antigens) został tak nazwany, ponieważ antygeny tego układu wykryto po raz pierwszy na krwinkach białych

- jest on również układem wybitnie polimorficznym

- kompleks genów układu HLA znajduje się na 6 chromosomie, obejmuje on ponad cztery miliony par zasad i zawiera ponad sto genów, funkcji wielu z nich nadal nie znamy

- podobnie jak w przypadku układ H-2, produkty genów układu HLA można podzielić na cząsteczki klasy I: HLA-A, HLA-B, HLA-C, cząsteczki klasy II: HLA-DP, HLA-DQ, HLA-DR oraz cząsteczki klasy III

- poziom ekspresji cząsteczek HLA może się różnić, np. ekspresja cz.HLA-C jest około dziesięciokrotnie mniejsza niż cz.HLA-A i HLA-B

- cząsteczki MHC I i II uczestniczą jak wspomniano w prezentacji antygenów limfocytom T

- cz.MHC I człowieka można podzielić na klasyczne - należące do klasy Ia (HLA-A, -B, -C) oraz nieklasyczne należące do klasy Ib (HLA-E, -F i -G oraz MICA i MICB)

- ekspresja HLA-G i HLA-E w życiu zarodkowym ograniczona jest do tkanek pozazarodkowych co może sugerować ich rolę w regulacji zależności immunologicznych między matką a płodem

- HLA-G może chronić tkanki płodu przed komórkami NK i LimTc hamując aktywność tych komórek

- obecnie wiadomo, że do cząsteczek nieklasycznych należą również białka kodowane przez geny leżące poza regionem MHC, np. cz.CD1 i receptor FcRn

- poza klasycznymi cząsteczkami klasy II u człowieka (HLA-DP, HLA-DQ, HLA-DR) występują również nieklasyczne cz.MHC II: HLA-DM i HLA-DO, biorą one bardzo szczególny udział w prezentacji antygenów LimT

- region układu HLA obejmujący geny dla cz.MHC I zawiera geny dla łańcuchów ciężkich HLA-A, -B i -C (klasycznych) oraz HLA-E, -F, -G (nieklasycznych)

5'-MICB MICA / HLA-B /HLA-C /HLA -E /HLA -A /HLA -G /HLA -F / HFE-3'

- region zawierający geny dla cz.MHC II ma bardziej złożoną strukturę, w regionie tym znajdują się geny zarówno dla łańcuchów α jak i β cz.MHC II

5'-DPB2 DPA2 DPB1 DPA1/ D0A/DMA DMB/LMP2 TAP1 LMP1 TAP2 D0B/ DQB2 DQA2 DQB1 DQA1/ DRB1-9 A-3'

- niektóre allele genów HLA są wspólne dla człowieka, szympansa i goryla, wydaje się więc że powstały przed wyodrębnieniem się tych gatunków

- do tak zwanych cz.MHC III należy wiele różnych białek, między innymi:

• składniki dopełniacza C2, C4 i czynnik B

• produkt protoonkogenu Notch 4

• 21-hydroksylaza steroidowa CYP21B uczestnicząca w syntezie gliko- i mineralokortykosteroidów

• receptor dla produktów glikozylacji RAGE

• czynnik transkrypcyjny CREB-RP

• białko macierzy pozakomórkowej tenascyna

• jądrowa kinaza serynowo/treoninowa RPI

Powiązania między układem HLA i występowaniem określonych chorób

- występowanie określonych cz.HLA może wiązać się ze zwiększonym lub zmniejszonym ryzykiem rozwoju pewnych chorób

- występowanie cz.HLA-B8 i HLA-DR3 jest połączone ze zmniejszonym ryzykiem rozwoju raka jądra lub mięsaka Kaposiego

- HLA-B53 wyraźnie zmniejsza ryzyko rozwoju malarii, wydaje się że efektywniej prezentuje ono antygeny sporozoitów zarodźca malarii LimT

Funkcja głównego układu zgodności tkankowej

- wiązanie i prezentacja antygenów LimT

- indukowanie odrzucania przeszczepów

- zdolne są do tego prawie wszystkie komórki i odbywa się ona różnymi drogami w zależności od tego, czy dotyczy cz.MHC I czy II

- brak odpowiedzi na dany antygen może więc wynikać nie tylko z braku LimT zdolnych do jego rozpoznania, ale także braku odpowiednich cz.MHC mogących go prezentować

- ponieważ dana cz.MHC jest zdolna do prezentacji grupy peptydów nieco odmiennych od prezentowanych przez inną cz.MHC, heterozygota powinna dysponować lepszą możliwością odpowiedzi na antygeny mikroorganizmów niż homozygota a więc i większą szansą przeżycia (selekcja preferująca heterozygoty w stosunku do homozygot - podtrzymuje polimorfizm genów MHC)

- u heterozygot pod względem cz.MHC I rzadziej obserwuje się szybką progresję w kierunku AIDS po zakażeniu HIV (w populacji o dużym polimorfizmie MHC większa szansa że ktoś przeżyje inwazję mikroorganizmów)

- wybitny polimorfizm genów w obrębie MHC - wynik selekcji naturalnej dokonującej się pod presją mikroorganizmów i ich chorobotwórczości

- niektóre wirusy, np. adenowirusy i cytomegalowirusy opracowały natomiast różne strategie hamowania ekspresji cz.MHC I, między innymi przez blokowanie transkrypcji ich genów lub hamowanie transportu do błony komórkowej i indukowanie degradacji nowo powstałych cząsteczek

- różnice w zakresie MHC między matka a płodem sprzyjają jego rozwojowi i utrzymaniu ciąży (u małżonków zbliżonych w zakresie HLA częstsze poronienia u kobiet)

- zwierzę potrafi rozróżnić po zapachu osobniki różniące się wyłącznie MHC i preferuje najbardziej odległy genotyp

- rozpuszczalne cz.MHC występujące w niewielkich ilościach w osoczu krwi wydają się brać udział w immunomodulacji, głównym ich źródłem jest wątroba, od niej zależy między innymi zdolność do indukowania tolerancji transplantacyjnej po jej przeszczepieniu

- np. rozpuszczalne cz.MHC dawcy mogą blokować rozpoznające je przeciwciała i LimTc a nawet indukować ich apoptozę

- ponieważ cz.MHC wiążą antygeny podobnie jak immunoglobuliny, choć ze znacznie mniejszą swoistością i z różnym skutkiem, mniej dziwne wydaje się, że cząsteczki te są kodowane przez geny należące do nadrodziny genów immunoglobulinowych

Nadrodzina genów cząsteczek immunoglobulinopoobnych

- do nadrodziny tej należą między innymi geny kodujące:

• immunoglobuliny

• receptory LimT wiążące antygen

• niektóre receptory komórek NK

• cząsteczki MHC

• CD3γ, δ, ε

• CD4 i CD8

• CD2 (LFA-2)

• cząsteczki adhezyjne ICAM-1, ICAM-2 i N-CAM

• receptor dla polimerycznych immunoglobulin (pIgR)

• receptory dla fragmentu Fc IgG

• receptor dla interleukiny 1

• Thy-1 i inne

- cechą charakterystyczną tych związków jest wspólny element budowy zwany immunoglobulinową jednostką homologiczną lub domeną immunoglobulinową

- nadrodzina genów i cząsteczek immunoglobulinopodobnych wykracza funkcjonalnie poza układ odpornościowy i charakterystyczna dla nich jednostka budowy bierze udział w tworzeniu cząstek zarówno rozpoznających antygeny jak i struktur biorących udział w kontaktach międzykomórkowych

Słabe antygeny zgodności tkankowej (lub transplantacyjne)

- zdolne do indukowania LimTc i odpowiedzi transplantacyjnej prowadzącej do odrzucania przeszczepu allogenicznego nawet w przypadku całkowitej zgodności w obrębie MHC

- heterogenna grupa peptydów, określana jako antygeny zgodności tkankowej nie kodowane przez MHC

- najczęściej nie indukują powstawania przeciwciał i rozpoznawane są przez LimT w połączeniu z cz.MHC I i II (jak antygeny wirusowe)

- kodujące je geny rozrzucone w całym genomie

- wydaje się, że produkt białkowy praktycznie każdego genu polimorficznego może, połączony z cz.MHC, indukować odpowiedź transplantacyjną i spełniać rolę tak zwanego słabego antygenu zgodności tkankowej

---