Spis treści:

1. Informacje wstępne
2. MHC klasy I
   2.1. Budowa
3. MHC klasy II
   3.1. Budowa
4. Główny układ zgodności tkankowej u ludzi
5. Znaczenie medyczne układu HLA i metody oznaczania antygenów HLA

 

1. Informacje wstępne

Główny układ zgodności tkankowej (ang. major histocompatibility complex; MHC) obejmuje zespół białek, które zaangażowane są w inicjację odpowiedzi odpornościowej. Cząsteczki MHC występują na powierzchni prawie wszystkich komórek organizmu, a ich główną rolą jest prezentacja antygenów limfocytom T. Antygenami nazywa się wszystkie cząsteczki, które rozpoznawane są przez układ immunologiczny (np. związki chemiczne, patogeny, tkanki obcego organizmu, zmienione tkanki własne). Charakteryzują się one zdolnością do wywoływania swoistej odpowiedzi immunologicznej oraz do swoistego łączenia się z przeciwciałami i receptorami występującymi na powierzchni limfocytów T. Dzięki cząsteczkom MHC komórki układu odpornościowego są w stanie odróżnić komórki własne, prawidłowo funkcjonujące, od komórek nieprawidłowych (np. zakażonych patogenami czy ulegających transformacji nowotworowej) oraz odpowiedzieć na obce antygeny występujące poza komórkami gospodarza (np. krążące w naczyniach krwionośnych). Cząsteczki MHC zostały odkryte w trakcie badań nad genetycznymi uwarunkowaniami odrzucania przeszczepów u myszy i dlatego też są często nazywane antygenami transplantacyjnymi (niedopasowanie MHC dawcy i biorcy skutkuje odrzuceniem przeszczepionego narządu).

W 1980 roku George Snell wraz z Barujem Benacerrafem oraz Jeanem Daussetem zostali wyróżnieni nagrodą Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny za odkrycie genów kodujących białka głównego układu zgodności tkankowej. Cząsteczki MHC ze względu na budowę i pełnione funkcje dzieli się na MHC klasy I i MHC klasy II.

 

2. MHC klasy I

Cząsteczki MHC klasy I występują na powierzchni wszystkich komórek jądrzastych organizmu. Niektóre źródła podają, że niewielkie ich ilości występują również na powierzchni erytrocytów. MHC klasy I są odpowiedzialne za prezentację antygenów limfocytom T cytotoksycznym (Tc). Limfocyty Tc posiadają na swojej powierzchni antygen CD8 – błonową glikoproteinę, która wiąże się z cząsteczkami MHC klasy I. Interakcje pomiędzy CD8 i MHC klasy I stabilizują kontakt między limfocytami Tc a komórkami docelowymi oraz wzmacniają aktywację limfocytów.

Cząsteczki MHC klasy I prezentują antygeny endogenne, tj. występujące w komórkach gospodarza. Takimi antygenami są najczęściej fragmenty nieprawidłowych białek wewnątrzkomórkowych, tj. białek powstających na matrycy materiału genetycznego patogenów czy zmutowanego DNA komórki gospodarza. Konsekwencją rozpoznania obcych antygenów przez limfocyty Tc jest aktywacja odpowiedzi immunologicznej i zniszczenie komórki prezentującej taki antygen (a tym samym ograniczenie zakażenia lub rozwoju nowotworu). Cytotoksyczne działanie limfocytów Tc opiera się na wydzielaniu ziarnistości cytolitycznych zawierających białka (perforyny, granzymy, enzymy lizosomalne), które powodują m.in. uszkodzenie błony komórkowej, lizę białek cytoplazmatycznych i degradację DNA. Warto nadmienić, że w komórkach nowotworowych często dochodzi do mutacji genów kodujących cząsteczki MHC klasy I. Komórki takie nie posiadają na swojej powierzchni cząsteczek MHC klasy I, nie prezentują one antygenów limfocytom Tc, a w konsekwencji stają się „niewidoczne” dla układu odpornościowego.

 

2.1. Budowa

Cząsteczki MHC klasy I to glikoproteiny zbudowane z dwóch łańcuchów polipeptydowych: lekkiego i ciężkiego. Połączone są ze sobą wiązaniem niekowalencyjnym. Łańcuch lekki (β2-mikroglobulina), o masie cząsteczkowej 12 kDa, zbudowany jest ze 100 aminokwasów i nie wykazuje zmienności międzyosobniczej. Łańcuch ciężki (α), o masie cząsteczkowej od 40 do 45 kDa, składa się z:

  • hydrofilowego fragmentu zewnątrzkomórkowego (stanowiącego około 80% długości łańcucha)
  • hydrofobowego fragmentu transbłonowego (zbudowanego z około 20 aminokwasów)
  • hydrofilowego fragmentu cytoplazmatycznego (zbudowanego z 25-35 aminokwasów)

Zewnątrzkomórkowy fragment łańcucha ciężkiego tworzą trzy globularne domeny α (α1, α2, α3), każda zbudowana z około 90 aminokwasów. Warto zaznaczyć, że geny kodujące domeny α1 i α2 charakteryzują się wysokim polimorfizmem, który jest podstawą występowania ogromnej różnorodności sekwencji aminokwasowych tych domen, a co za tym idzie zmienności międzyosobniczej.

Analiza krystalograficzna budowy MHC klasy I wykazała, że domeny α1 i α2 tworzą strukturę przypominającą swoim kształtem tzw. rowek. Podstawę rowka stanowi domena α3 oraz β2-mikroglobulina. To właśnie rowek jest miejscem wiązania antygenów (dokładnie łańcuchów bocznych aminokwasów, nazywanych także aminokwasami kotwiczącymi), które prezentowane są limfocytom Tc. Zakończenia rowka tworzą reszty tyrozyny, które ograniczają jego długość. Cząsteczki MHC klasy I wiążą krótkie peptydy zbudowane z 8-10 aminokwasów. Domena α3 nie wykazuje zmienności aminokwasowej i jest rozpoznawana przez antygen CD8 limfocytów Tc. Łańcuch lekki nie jest zakotwiczony w błonie komórkowej (nie posiada fragmentu transbłonowego) i jest związany z domeną α1 łańcucha ciężkiego.

 

3. MHC klasy II

Cząsteczki MHC klasy II występują tylko na powierzchni komórek zdolnych do wychwytywania antygenów zewnątrzkomórkowych, tj. na powierzchni limfocytów B, makrofagów oraz komórek dendrytycznych. Pod wpływem oddziaływania niektórych cytokin prozapalnych cząsteczki MHC klasy II mogą pojawiać się również na powierzchni innych komórek, np. astrocytów, fibroblastów, keratynocytów, komórek nabłonka tarczycy czy jelit. Komórki wykazujące ekspresję cząsteczek MHC klasy II definiuje się jako komórki prezentujące antygen (ang. antigen-presenting cells; APC). Cząsteczki MHC klasy II prezentują antygen limfocytom T pomocniczym (Th). Limfocyty Th posiadają na swojej powierzchni antygen CD4 – błonową glikoproteinę, która wiąże się z cząsteczkami MHC klasy II. Interakcje pomiędzy CD4 i MHC klasy II stabilizują kontakt między limfocytami Th a komórkami docelowymi oraz ułatwiają aktywację limfocytów.

Cząsteczki MHC klasy II prezentują antygeny egzogenne, tj. występujące poza komórką gospodarza (np. krążące w naczyniach krwionośnych czy limfatycznych). Antygeny zewnątrzkomórkowe są wchłaniane do wnętrza komórek prezentujących antygen na drodze endocytozy lub pinocytozy, a następnie ulegają degradacji pod wpływem cytoplazmatycznych kompleksów enzymatycznych. Pocięte na fragmenty drobiny białek lub innych wielkocząsteczkowych substancji łączą się z cząsteczkami MHC klasy II i są prezentowane limfocytom Th. W wyniku rozpoznania obcych antygenów limfocyty Th zaczynają wytwarzać i uwalniać cytokiny prozapalne (np. interleukinę 1, interleukinę 6 czy czynnik martwicy nowotworów). Cytokiny modulują odpowiedź układu odpornościowego, m.in. wpływając na proces aktywacji makrofagów czy stymulując produkcję przeciwciał. W efekcie aktywacji odpowiedzi układu odpornościowego dochodzi do eliminacji nieprawidłowych komórek czy drobnoustrojów krążących w organizmie.

 

3.1. Budowa

Cząsteczki MHC klasy II to glikoproteiny zbudowane z dwóch łańcuchów polipeptydowych: α (o masie cząsteczkowej około 33 kDa) i β (o masie cząsteczkowej około 29 kDa), które połączone są ze sobą wiązaniem niekowalencyjnym. Zarówno łańcuch α, jak i β zbudowane są z:

  • hydrofilowego fragmentu zewnątrzkomórkowego
  • hydrofobowego fragmentu transbłonowego (zbudowanego z 23 aminokwasów)
  • hydrofilowego fragmentu cytoplazmatycznego (zbudowanego z 8-15 aminokwasów)

Zewnątrzkomórkowy fragment łańcucha α i β tworzą dwie domeny globularne, odpowiednio α1 i α2 oraz β1 i β2, każda zbudowana z około 90 aminokwasów. Różnorodność sekwencji aminokwasowych budujących cząsteczki MHC klasy II wynika głównie z polimorfizmu genów kodujących domeny α1 i β1. Domeny α1 i β1 tworzą rowek (przypominający ten, który tworzą domeny α1 i α2 w cząsteczkach MHC klasy I), który jest miejscem wiązania antygenów prezentowanych limfocytom Th. W przeciwieństwie do cząsteczek MHC klasy I, w cząsteczkach MHC klasy II zakończenia rowka nie są ograniczone przez reszty tyrozyny, dlatego cząsteczki MHC klasy II mogą wiązać peptydy zbudowane nawet z ponad 20 aminokwasów.

 

4. Główny układ zgodności tkankowej u ludzi

U ludzi główny układ zgodności tkankowej MHC nazywany jest HLA (ang. human leukocyte antigens). Antygeny układu HLA zostały po raz pierwszy odkryte w 1958 r. na powierzchni leukocytów, stąd też pochodzi anglojęzyczna nazwa układu. Kompleks kodujący HLA zbudowany jest z około czterech milionów par zasad i zawiera ponad 200 różnych genów kodujących antygeny zgodności tkankowej. Geny kodujące HLA charakteryzują się wybitnym polimorfizmem (w literaturze określanym często jako ekstremalny polimorfizm). Do tej pory nie poznano innych genów, które występowałyby w organizmie w tak wielu wariantach (allelach). Szacuje się, że w obrębie układu HLA występuje nawet ponad tysiąc alleli tego samego genu w każdym locus (tj. określonym obszarze chromosomu zajmowanym przez jeden gen). Występowanie wielu wariantów tego samego genu może prowadzić do powstania białek o różnej budowie i funkcjach.

Wyróżnia się dwie grupy antygenów HLA: HLA klasy I oraz HLA klasy II. Antygeny HLA klasy I dzieli się na cztery podklasy: Ia, Ib, Ic oraz Id. Podklasa Ia obejmuje antygeny HLA-A, -B i -C. Antygeny tej podklasy występują na powierzchni wszystkich jądrzastych komórek organizmu i charakteryzują się wysokim polimorfizmem. W skład podklasy Ib wchodzą antygeny HLA-E, -F i -G. Obecność antygenów HLA-E, -F i -G wykazano na powierzchni monocytów, limfocytów B, komórek grasicy, migdałków, śledziony, jak również w komórkach trofoblastu i łożyska. Podklasa Ic obejmuje antygeny MICA i MICB. Poziom ekspresji tych antygenów wzrasta m.in. w komórkach poddanych szokowi cieplnemu, zakażonych patogenami czy ulegających transformacji nowotworowej. Podklasę Id tworzą z kolei antygeny CD1 i MR1, których główną funkcją jest prezentacja lipidów i pochodnych witaminy B limfocytom T.

Wśród antygenów HLA klasy II wyróżnia się podklasę IIa i IIb. Podklasa IIa obejmuje antygeny HLA-DP, -DQ i -DR. Antygeny tej podklasy występują na powierzchni komórek prezentujących antygen i, podobnie jak antygeny HLA klasy I podklasy Ia, charakteryzują się wysokim polimorfizmem. W skład podklasy IIb wchodzą antygeny HLA-DM i -DO. Obecność antygenów HLA-DM i -DO wykazano na powierzchni komórek dendrytycznych, dojrzałych limfocytów B oraz komórek grasicy. Antygeny należące do tej podklasy nie wiążą białek (tym samym nie prezentują ich limfocytom T).

 

5. Znaczenie medyczne układu HLA i metody oznaczania antygenów HLA

Oznaczenia układu HLA wykonuje się przede wszystkim w transplantologii, w celu znalezienia odpowiedniego dawcy tkanek i narządów. Cząsteczki HLA charakteryzują się szczególnie wysoką immunogennością, tj. zdolnością do wywoływania swoistej odpowiedzi immunologicznej, dlatego też komórki, na których występują obce HLA, są natychmiast rozpoznawane przez limfocyty T i niszczone. W konsekwencji niezgodność antygenów HLA między dawcą a biorcą skutkuje odrzuceniem przeszczepu. Wymogiem koniecznym dla przeprowadzenia skutecznej i bezpiecznej transplantacji jest dobranie w pełni zgodnego (w zakresie antygenów tkankowych) dawcy. Obecnie, w praktyce klinicznej, standardem jest typowanie antygenów HLA-A, -B i -C (podklasa Ia) i HLA-DP, -DQ i -DR (podklasa IIa). Geny kodujące antygeny pozostałych podklas charakteryzują się ograniczonym polimorfizmem lub jego brakiem, dlatego najczęściej nie są uwzględniane w badaniach dotyczących genetycznej zgodności tkanek i narządów. Typowanie HLA wykorzystuje się również w celu ustalenia ojcostwa.

Występowanie różnych wariantów genów HLA może wiązać się z odmienną reakcją organizmu na wybrane leki, jak również zwiększonym lub zmniejszonym ryzykiem występowania niektórych chorób. Wyniki badań przeprowadzonych z udziałem ludzi wykazały, że występowanie określonych typów HLA koreluje ze zwiększonym ryzykiem rozwoju m.in. choroby Hashimoto (HLA-DR11), cukrzycy typu I (HLA-DR3), reumatoidalnego zapalenia stawów (HLA-DR4) czy stwardnienia rozsianego (HLA-DR2). Szacuje się, że występowanie nawet 500 rodzajów różnych chorób może być związane z ekspresją określonych antygenów HLA. Ponadto występowanie różnych alleli genów kodujących HLA jest również związane z odmienną odpornością organizmu na wybrane patogeny. Wykazano, że występowanie antygenów HLA-B57 i HLA-B53 zmniejsza ryzyko zachorowania na AIDS, a wysoka ekspresja antygenu HLA-B53, występująca głównie u ludności afrykańskiej, redukuje ryzyko rozwoju malarii o 40%.

W celu identyfikacji antygenów HLA stosuje się oznaczenia serologiczne oraz metody genetyczne. Oznaczenia serologiczne oparte są na wykorzystaniu różnych rodzajów surowic, w których występują przeciwciała rozpoznające określone antygeny HLA występujące na powierzchni limfocytów. Metoda ta ma jednak duże ograniczenia spowodowane dostępnością jedynie wąskiego panelu surowic diagnostycznych. Nie ma możliwości otrzymania surowic, których przeciwciała reagowałyby ze wszystkimi rodzajami antygenów HLA występującymi w populacji. Ponadto błąd oznaczeń serologicznych może wynieść nawet 30%. Dlatego też powszechnie w celu identyfikacji wariantów HLA stosuje się metody genetyczne, wykorzystujące analizę polimorfizmu HLA na poziomie DNA. Sekwencjonowanie materiału genetycznego (tj. określenie kolejności nukleotydów w cząsteczce DNA) pozwala na identyfikację wszystkich alleli HLA i porównanie otrzymanych wyników pomiędzy dwiema próbami badanymi (np. materiałem genetycznym dawcy i biorcy).

Bibliografia:
Goldberg A.C., Rizzo L.V. MHC structure and function − antigen presentation. Part 2. Einstein (São Paulo), 2015
Goldberg A.C., Rizzo L.V. MHC structure and function – antigen presentation. Part 1 Einstein (São Paulo), 2015
Gołąb J. et al. Główny układ zgodności tkankowej. Immunologia, 2014
Knapp L.A. The ABCs of MHC. Evolutionary Anthropology, 2005
Kuśnierczyk P. Antygeny głównego kompleksu zgodności tkankowej. Budowa, genetyka i funkcja biologiczna. Kosmos, 1992
Li X.C., Raghavan M. Structure and function of major histocompatibility complex (MHC) class I antigens, 2010
Nowak J. Rola niezgodności HLA w transplantacjach komórek krwiotwórczych. Hematologia, 2010
Nowakowska B, Kacprzak-Bergman I. Związek antygenów zgodności tkankowej HLA z zakażeniem wirusem zapalenia wątroby typu C (HCV). Postępy Higieny i Medycyny Doświadczalnej, 2004
Radwan J. Ewolucja zmienności genów głównego kompleksu zgodności tkankowej. Nauka, 2012
Rock K.L, Reits E., Neefjes J. Present Yourself! By MHC Class I and MHC Class II Molecules. Trends in Immunology, 2016
Sharma P., Kumar P., Sharma R. The major histocompatibility complex: A review. Asian Journal of Pharmaceutical and Clinical Research, 2017
Wieczorek M. et al. Major Histocompatibility Complex (MHC) Class I and MHC Class II Proteins: Conformational Plasticity in Antigen Presentation. Frontiers in Immunology, 2017
Wiktorowicz K., Kaszkowiak K. Budowa i funkcja ludzkich antygenów zgodności tkankowej Część 1. Kodowanie i budowa. Forum Reumatologiczne, 2018
Wiktorowicz K., Kaszkowiak K. Budowa i funkcja ludzkich antygenów zgodności tkankowej. Część 2. Funkcja antygenów zgodności tkankowej. Forum Reumatologiczne, 2018
Wiktorowicz K., Kaszkowiak K., Samborski W. Budowa i funkcja ludzkich antygenów zgodności tkankowej. Część 3. Rola antygenów MHC w chorobach reumatycznych. Forum Reumatologiczne, 2019

Dodaj komentarz