Ugrás a tartalomhoz

Immunológia

Anna, Erdei, Gabriella, Sármay, József, Prechl (2012)

Medicina Könyvkiadó Zrt.

9. fejezet - 9. fejezet – A fő hisztokompatibilitási génkomplex

9. fejezet - 9. fejezet – A fő hisztokompatibilitási génkomplex

(MHC, Rajnavölgyi Éva)

A fő hisztokompatibilitási komplex (Major Histocompatibility Complex – MHC) olyan géneket foglal magában, melyeknek szerepük van a szövetösszeférhetőség (hisztokompatibilitás) meghatározásában. Az MHC-gének kb. 400 millió évvel ezelőtt a porcos halakban jelentek meg. Minden gerincesben megtalálhatók, de az MHC-gének elrendeződése és száma fajonként eltérő. Elnevezésük – szövetösszeférhetőségi komplex – jelzi, hogy felfedezésük azokhoz a korai vizsgálatokhoz kötődik, amelyekben azt tanulmányozták, hogy miért nem lehet egy adott faj egyik egyedének szöveteit (pl. a bőr egy darabját) egy másik egyedbe átültetni (lásd box). Mivel a szervátültetés során zajló folyamatok nem tekinthetők fiziológiásnak, a transzplantációs vizsgálatok nem adhattak választ arra a kérdésre, hogy mi az MHC-gének és az általuk kódolt fehérjék tényleges fiziológiás szerepe.

Az MHC-funkció megismerésének jelentős állomása volt az MHC-korlátozás jelenségének felismerése (10.8. ábra), majd sikerült az MHC-géntermékek térszerkezetét feltárni és tényleges biológiai funkciójukat azonosítani. Mai ismereteink szerint a klasszikus MHC-gének termékeinek alapvető szerepe van az immunológiai saját meghatározásában, a T-sejtkészlet kialakításában és a fehérjék T-sejtek általi felismerésében (lásd 10. fejezet). Ezek a molekulák az immunválasz során az antigének felismerésében fontos peptidreceptorokként működnek.

Történeti áttekintés

Terápiás célú bőrátültetést először az első világháborúban égési sérülést szenvedett pilótákon próbáltak ki. Az akkori sikertelenségek hátterében álló folyamat felfedezését a Japánban és Kínában évszázados hagyományokon alapuló, előkelő hobbiként űzött egértenyésztés XIX. századi angliai és amerikai elterjedése tette lehetővé. A szövetösszeférhetőségért felelős gének tudományos vizsgálatát 1930-ban Peter Goren angol patológus professzor kezdte el, akinek 1936-ben közölt egér tumortranszplantációs vizsgálatai azt igazolták, hogy a tumorfejlődéssel szembeni rezisztenciát a tumorsejtek felszíni antigénjei ellen képződő ellenanyagok biztosítják. George Snell professzorral végzett közös kutatásaik azt bizonyították, hogy ezeknek az antigéneknek a kódolásáért az egér 17-es kromoszómáján elhelyezkedő, előzetesen már azonosított hisztokompatibilitási (H) gének felelősek, így ezt a génszakaszt H-2 régiónak nevezték el. Peter Medawar, a Londoni Egyetem kutatója 1944-ben igazolta, hogy a bőr-transzplantátumok túlélését szintén a H-2 gének határozzák meg. Medawar további fontos megfigyelése volt, hogy ismételt bőrátültetést követően – az adaptív immunválaszhoz hasonlóan – gyorsabb és hatékonyabb a kilökődési reakció. Ez arra utalt, hogy a H-2 gének összefüggésbe hozhatók az immunfolyamatokkal. A későbbi transzplantációs vizsgálatok a H-2 régióban több (legalább 7) lókusz jelenlétét igazolták, ezért ezt a szakaszt hisztokompatibilitási génkomplexnek nevezték el. Ezt később a szervkilökődésben kisebb szerepet játszó, más kromoszómákon kódolt „minor” hisztokompatibilitási génektől való elkülönítés érdekében Major Histocompatibility Complex (MHC) elnevezésre módosították.

Jean Dausset francia kutató 1965-ben az emberi MHC-ben 10 hisztokompatibilitási gént azonosított. A további vizsgálatok a humán MHC-n belül számos alrégiót, és a szerkezeti gének nagy számát igazolták. Az emberi MHC-régió általánosan használt elnevezése, a Human Leukocyte Antigen (HLA) szintén a gének felfedezésének körülményeire utal. Az antigén elnevezés annyiban félrevezető, hogy a MHC-gének által kódolt fehérjék csak a nem kompatibilis szövet- vagy szervátültetés mesterségesen létrehozott szituációjában viselkednek antigénként, fiziológiás körülmények között speciális biológiai funkciókkal rendelkező membránfehérjék. Ezért a korábban alkalmazott hisztokompatibilitási antigén kifejezés csak a transzplantációs immunológiában jogos. Az 1950-es évekre a B-limfociták antigénfelismerő receptorának és az oldott ellenanyagok antigénkötő képességének kutatása jelentős új eredményekhez vezetett. Az is ismertté vált, hogy a T-limfociták résztvesznek az idegen szövetek kilökődésében, a vírusellenes citotoxikus reakcióban és a fehérjeantigénekkel szemben kialakuló ellenanyagválaszban, de a felismerés molekuláris mechanizmusa még sokáig megoldatlan problémát jelentett az immunológusok számára. Bár az MHC felfedezését követően nyilvánvalóvá vált, hogy az MHC-gének termékeinek nem lehet a beültetett szövet kilökődése az elsődleges biológiai funkciója – hiszen erre természetes körülmények között nem kerül sor –, az MHC valódi funkciója hosszú időn át rejtély maradt. Amikor beltenyésztett rágcsálókban egyszerű szintetikus polipeptid-antigénekre egyáltalán nem, ill.jól válaszoló állatokat különítettek el, azt is igazolták, hogy a válaszadás képessége dominánsan, autoszomálisan öröklődik. Az így azonosított géneket az immunválasz kialakulását szabályozó ún. Ir (Immune response) génekként azonosították, és az MHC-régióban lokalizálták. Később igazolták, hogy ezek a gének a Th-sejtek funkcióját szabályozzák. Mai tudásunk szerint az Ir-gének megegyeznek az MHC-II-régió génjeivel.

A humán MHC felépítése és jellegzetességei

Az emberi MHC (gyakran használt elnevezése: Human Leukocyte Antigen – HLA-komplex) a humán genom egyik legfontosabb régiója, amely fontos szerepet játszik a fertőző betegségek leküzdésében, az autoimmun betegségek kialakulásában, a szerv- és szövetátületésben és a veleszületett immunitás szabályozásában. A humán MHC első teljes géntérképét 1993-ban közölték, amit 1999-ben a Human Genom Project keretében meghatározott első, szekvenciaalapú géntérkép követett. Mivel ebben a vizsgálatban a DNS több egyedből származott, a nyert szekvencia egy virtuális (mozaik) haplotípusnak felel meg.

A 6. kromoszóma rövid karján található génkomplex Mb méretű, ami az emberi genom mintegy ezredrészét jelenti, és méretében megfelel az E. coli teljes genomjának. 2005-ben megjelent a humán genom négy populációból származó, 269 DNS-minta felhasználásával meghatározott haplotípus térképe, aminek alapján tíz, legalább 500 kb méretű, általánosan előforduló genetikai variációkat tartalmazó régiót lehetett azonosítani. Ez az analízis rekombinációs forró pontok jelenlétét,a kapcsoltsági eltolódás (LD, Linkage Disequilibrium) blokkszerű eloszlását, valamint az azonosított és a szomszédos, egyetlen nukleotidot érintő változások (SNP – Single Nucleotide Polymorphism) korrelációját igazolta.

A humán MHC az általánosan előforduló genetikai variációk elsőként azonosított nagyméretű régiója volt, amire a LD jelenségét és számos betegség asszociációját is alapozzák.

Az MHC-vel kapcsolatos genetikai alapfogalmak

A lókusz egy adott gén valamelyik allélját tartalmazza. Az allélok termékei az allotípusok. A lókuszt nagybetűkkel jelöljük (pl. a humán MHC-I lókuszok elnevezése: HLA-A, HLA-B és HLA-C (9.1. ábra). A beltenyésztett egerek MHC-alléljait felső indexként írott nyomtatott kisbetűkkel jelölik. Pl. egy adott beltenyésztett törzs „b”-nek nevezett allélja a K lókuszon H – 2Kb, a D lókuszon H – 2Db. A humán allélok elnevezési rendszerét néhány éve egységesítették. Ennek alapján az allélokat a kódoló szerkezeti génnek megfelelő nagybetű, az azt követő, felső indexbe írt csillag (*), valamint négy arab szám jelöli (pl. HLA-A*0201, HLA-B*2705, HLA-DRB*0101). Ez a régi nómenklatúrában megfelel a HLA-A2 allél 1 szuballéljának, a HLA-B27 allél 5 szuballéljának, illetve a HLA-DR1 allélnak. A régi elnevezésben a nem véglegesített karakterizálást a szám előtti „w” (a workshopra utaló betű) mutatja (pl. HLA-DRw11). Egy adott egyénben az egyik kromoszómán kifejeződő allélok készletét haplotípusnak nevezzük, az allélok összessége eredményezi a fenotípust. A genotípus a fenotípus-sajátságok szülői ág szerinti csoportosítása. A HLA-régióban több, legalább 500 SNP-t tartalmazó, 1cM-nál hosszabb és 1%-nál gyakrabban fellelhető haplotípus fordul elő, ami a kiegyensúlyozó szelekciós hatások szerepét igazolja. Az MHC-allélek kapcsoltan, haplotípusokban öröklődnek, és a haplotípusok megjelenése a populációban kapcsoltsági eltolódást (LD) mutat.

9.1. ábra. Az emberi fő hisztokompatibilitási génkomplex (HLA) vázlatos térképe . Az I. osztályba tartozó fehérjék polimorf α-láncát kódoló szerkezeti géneket (A, B és C) zöld színnel, az azok közelében elhelyezkedő, nem polimorf MHC-szerű géneket (E, G és F) rózsaszínnnel jelöltük. A II. osztályba tartozó fehérjék polimorf α- és β-láncát kódoló, a DP-, DR- és DQ-régiókban található gének elhelyezkedését az alsó sorban részletezve tüntettük fel. A III. osztályba sorolható gének (kék színnel jelölve) az előzőektől eltérő szerkezetű és funkciójú fehérjéket kódolnak.

Ezzel egy időben megerősítést nyert az MHC-régióra jellemző konzervált felépítés, és kiderült, hogy a korábban figyelembe vett szakaszokon túl is vannak az MHC-hez tartozó gének. Ez a megfigyelés vezetett a 6. kromoszóma 7,6 Mb méretű, a kiterjesztett MHC (xMHC) régiónak megfelelő szakasz szekvenciájának feltérképezéséhez, ami az 5 azonosított alrégióban a konzervált és a nem konzervált szakaszok mozaikszerű elrendeződését tárta fel.

A kiterjesztett MHC (xMHC) felépítése

Az xMHC-lókuszban elhelyezkedő 421 gén közül csupán 252 fejeződik ki, 133 pedigpszeudogénnek bizonyult. Az itt található gének jellegzetessége, hogy duplikációval képződtek, és az általuk kódolt fehérjék több mint 5%-a az immunrendszer működésében vesz részt. A génduplikációval keletkezett, és az immunrendszerhez tartozó génklaszterek jelenléte biztosítja a rokon szerkezetű vagy a közös funkció szolgálatában álló gének azonos mennyiségű és/vagy koordinált expresszióját, míg a cisz irányú génduplikációk a szekvenciacserék lehetőségét teremtik meg. Az xMHC-ben 6 szuper génklaszter és 6 génklaszter található (9.1. táblázat). A két legnagyobb, részben átfedő génklasztert a hiszton és a transzfer RNS (tRNS) gének alkotják, melyek a sejtosztódás során transzkripciós forró pontokként működnek, és nagy mennyiségben állnak rendelkezésre.

Az MHC-I- és MHC-II-génekre jellemző a poligenitás, a nagyfokú genetikai polimorfizmus és a gyors evolúció. Bár ezek a gének az antigénprezentáció révén az adaptív immunválasz működését segítik elő, szoros kapcsolatban állnak a természetes immunitással is (lásd később).

9.1. táblázat - 9.1. táblázat. Az xMHC-ben található génszuperklaszterek és génklaszterek

Klasztertípus

Lókuszok

Gének

Génszuperklaszterek

Hiszton

66

55

HLA-I

HLA-A, B, C

HLA-E, F, G, HFE, MIC-A, B

26

9

tRNA

157

151

BTN (Butyrophilin) IgSF

8

8

Szagló receptorok (polimorf)

34

14

Cinkujjfehérjék

36

26

Génklaszterek

SLC (Solute Carrier) 17A

4

4

Vomeronasal/Feromon receptor

5

0

Tumor nekrózis faktor

TNFA, LTA, LTB

3

3

Limfocita-antigén-6 (GPI)

5

5

Hősokkfehérjék

3

3

HLA-II

HLA-DP, DQ, DR

HLA-DM, DO

24

15


Horton R., Wilming L., Rand V., Lovering R.C., Bruford W.A., Khodiyar V. K., Lush M.J., Povey S., Talbot C. C. Jr., Wright M. W., Wain H.M., Trowsdale J., Ziegler A., Beck S.: Gene Map of the extended human MHC. Nat. Rev. Immunol. 5:889-899, 2004. nyomán

A génduplikáció paralóg kópiák létrejöttét is eredményezheti, amelyek más kromoszómákon találhatók, és vagy elveszítik funkciójukat, vagy módosulnak. Legújabb eredmények szerint a 12. kromoszómán található, C-típusú lektinreceptorokat kódoló géneket magában foglaló NKC (Natural Killer gene Complex) régió az ősi emlősökben az MHC közelében elhelyezkedő immunszuperkomplex része volt.

Az MHC-ben elhelyezkedő gének szerveződése és típusai

Az MHC-gének típusait és szerveződését két faj, az ember és az egér MHC-példáján mutatjuk be. A humán MHC HLA-A, HLA-B és HLA-C lókuszain elhelyezkedő szerkezeti gének az I. osztályba tartozó klasszikus MHC-fehérjék (MHC-I) α-láncát kódolják. A HLA-C-lókusz az A és B között helyezkedik el. A II. osztályba tartozó MHC-molekulák (MHC-II) kódolásáért a HLA-DP, HLA-DQ és HLA-DR régiók felelősek, amelyeken belül az A- és a B-gének az α- és β-láncokat kódolják. A HLA-E, HLA-F és HLA-G gének a nem klasszikus MHC-Ib, a HLA-DM- és a HLA-DO-régió számos génje pedig az MHC-IIb-fehérjéket kódolja. (Megjegyezzük, hogy ennek a nómenklatúrának megfelelően az MHC-Ia és MHC-IIa a klasszikus MHC-gének jelölésére nem terjedt el.) A III. osztályba sorolható gének között komplement- és hősokkfehérjék, valamint a TNFα és a limfotoxinok kódolásáért felelős citokingének találhatók (9.1. ábra).

Egérben az MHC a 17. kromoszómán mintegy 3000 kb szakaszt foglal magában, amelyen belül 9 régió azonosítható (9.2. ábra). Minden régióban nagyszámú gén található, melyek közül több még azonosításra vár. A K- és D-, továbbá bizonyos beltenyésztett egértörzsekben az L-régióban is az MHC-I szerkezeti gének találhatók, amelyek az I. osztályba tartozó klasszikus MHC-molekulák (MHC-I) α-láncát kódolják. Az MHC-I-gének egymástól távol, az MHC-II- és az MHC-III-régiót határolva helyezkednek el. Az A- és E-régiókban kódolt szerkezeti gének a II. osztályba tartozó klasszikus MHC-molekulák (MHC-II) α- és β-láncait kódolják. Az S-régióban a III. osztályba tartozó egyes komplementfehérjék, hősokkfehérjék valamint a TNFα és a limfotoxin kódolásáért felelős gének találhatók. A H2-régió nagy részét az ún. nem klasszikus vagy MHC-Ib-, illetve MHC-IIb-osztályba tartozó géneket kódoló régió foglalja el

9.2. ábra. Az egér fő hisztokompatibilitási génkomplexének (H-2) vázlatos térképe . Az I. osztályba tartozó fehérjék polimorf α-láncát kódoló szerkezeti géneket (K, D és L) zöld színnel, az azok közelében elhelyezkedő nem polimorf MHC-szerű géneket (Q, T és M) rózsaszínnel jelöltük. A II. osztályba tartozó fehérjék polimorf α- és β-láncát kódoló, az I-A és I-E régióban található gének elhelyezkedését az alsó sorban részletezve tüntettük fel. A III. osztályba sorolható gének (kék színnel jelölve) az előzőektől eltérő szerkezetű és funkciójú fehérjéket kódolnak.

A hasonló felépítésű fehérjéket kódoló humán és egér MHC-I-gének 4-5 kb méretűek, és egyaránt 8 exont tartalmaznak. Az első exon az 5’, nem átíródó szakaszt és a rövid szignálpeptidet kódoló felvezető (leader) szekvenciát tartalmazza, amit az α1-, α2- és α3-doméneket kódoló 2., 3. és 4. exonok követnek. Az 5. exon a transzmembrán szakaszt foglalja magában, míg egy vagy két exon a citoplazmatikus részt és a transzlációra nem kerülő 3'-szakaszt kódolja.

Emberben az egyes MHC-II-lókuszoknak megfelelően kettő vagy több funkcionális B- (β-láncot kódoló) és egy vagy két funkcionális A (α-láncot kódoló) gén van. A DR-gének között csak egyetlen α-gén (DRA) található, amelynek terméke a funkcionális B-lókuszok (DRB1, DRB3, DRB4 és DRB5) termékeivel is kapcsolódhat. A DRB1- és a DRB9-lókuszok minden egyedben jelen vannak, míg a többi B-gén csak bizonyos egyedekben, és különböző kombinációkban fordul elő. Szerológiai módszerekkel legalább 18 HLA-DR típus különböztethető meg, de az allélok tényleges száma ennél lényegesen nagyobb. A DQ- és DP-szubrégiókban 2-2 α-, ill. β-láncot kódoló gén van, így egy heterozigóta egyed DQ-régiója által kódolt HLA-DQ-fehérjék száma a „transzkombinálódás” következtében 4 helyett akár 8 is lehet.

MHC-fenotípus-mintázatok emberi populációkban

A klasszikus, nagyfokú genetikai polimorfizmussal rendelkező MHC-gének génduplikációval jöttek létre, és az evolúció során szorosan kapcsoltak maradtak. Az emberi populáció egyes, földrajzilag elkülöníthető csoportjaiban bizonyos MHC-allélkombinációk gyakrabban fordulnak elő, mint más populációkban, és ezért az MHC-fenotípus jellegzetes mintázatokat mutat. Így pl. az europid rasszban a HLA-A1, -B8, és -DR3 kombinációja igen gyakori, míg a HLA-A1, -B8 haplotípus a negrid populációból teljesen hiányzik. Ennek a kapcsoltsági eltolódásnak (LD) a hátterében vagy az áll, hogy az adott MHC-allél viszonylag nemrég került a populációba, és még nem volt elegendő idő az allélok egyenletes eloszlására (egyensúlyozó szelekció), vagy pedig bizonyos allélkombinációk a külső környezet pozitív szelekciós nyomásának hatására kedvezményezettek, és ezért gyakrabban fordulnak elő. Ez a két populáció eltérő földrajzi eloszlásával és környezeti tényezőkkel jól magyarázható. Másik lehetőségként merül fel, hogy az MHC-gének polimorfizmusa csupán annak a következménye, hogy az MHC-molekulák biológiai funkciója a konzervatív szerkezet megtartásának köszönhetően rendkívül toleráns a genetikai változásokkal szemben.

Az MHC-ben lokalizálódó polimorf, szaglóreceptorokat kódoló gének azonosítása felveti azt a lehetőséget is, hogy a párválasztást befolyásoló egyéb gének hatása eredményezi az MHC-heterozigotizmus erőteljes kedvezményezettségét.

A klasszikus MHC-gének sajátságai és öröklődése

A klasszikus MHC-gének elrendeződése és a két fő régióban elhelyezkedő gének száma fajonként eltérő (lásd az ember és az egér esetét: 9.1. és 9.2. ábra ). A klasszikus MHC-gének közös, minden gerinces fajra jellemző sajátsága a poligenitás, vagyis az, hogy ellentétben a fehérjék zömét kódoló génekkel, mindkét kódoló régióban több, feltételezhetően duplikációval keletkezett gén helyezkedik el. A klasszikus MHC-gének másik fontos sajátsága a nagyfokú genetikai polimorfizmus, aminek alapján a gerincesek legtöbb változattal rendelkező génjei közé sorolhatók. A genetikai polimorfizmus hátterében az MHC-I-molekulák α- és az MHC-II-molekulák α- és β-láncait kódoló szerkezeti gének számos allélikus változata áll, amelyek az adott fajban a mendeli öröklésmenet szerint kodominánsan öröklődnek, azaz a szülőktől öröklött összes allél terméke kifejeződik (9.3. ábra).Így a szülőktől öröklött, genetikailag meghatározott MHC-mintázat jellemző az egyedre, és az élet során nem változik. Egy adott fajon belül azonban az egyedek között nagymértékű az MHC-gének sokfélesége, így a faj egyedeiben az allélek számától függően csak meghatározott gyakorisággal találunk minden lókuszon azonos géneket. Az egypetéjű ikrek azonos MHC-fehérjemintázattal rendelkeznek, de az adott faj teljes populációjára a nagyfokú genetikai sokféleség jellemző.

9.3. ábra. Az emberi HLA-A lókuszon elhelyezkedő allélek kodomináns mendeli öröklődésének menete . Heterozigóta egyedben a szülőktől öröklött mindkét allél kifejeződik. Amennyiben az apai és az anyai kromoszómán az α-láncot kódoló allélek mindegyike eltérő, az utódok genotípusa a variációs lehetőségekből adódóan négyféle lehet.