Ugrás a tartalomhoz

Immunológia

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

Medicina Könyvkiadó Zrt.

A gerincesek immunrendszerének evolúciója

A gerincesek immunrendszerének evolúciója

Az adaptív (vagy szerzett) immunrendszer a törzsfejlődés folyamán ráépült a veleszületett (vagy natív) immunrendszerre, felhasználva annak humorális és celluláris elemeit.

A veleszületett immunrendszer

Mint ezt az 1. fejezetben részletesen bemutattuk, a magasabb rendű szervezetek immunhomeosztázisának fenntartása a veleszületett és az adaptív immunrendszer elemeinek összehangolt működésén alapszik. Ahhoz tehát, hogy a gerinces állatok hatékony immunválasszal reagáljanak a különböző kórokozók elleni támadásokra, szükség van a veleszületett immunrendszer sejtjeire és humorális faktoraira egyaránt. Ezek előfutárai – mint ezt korábban részleteztük – már jóval az adaptív immunrendszer kialakulása előtt megjelentek. Mivel az azonnali immunválaszra képes sejtekről ill. molekulákról a könyv számos helyén szó esik (lásd 1., 3., 7. és 10. fejezet), itt most csak röviden emlékeztetünk néhány jellemzőjükre.

Sejtek

Az ősi funkciójú fagociták minden gerinces fajban jelen vannak, és a kórokozók azonnali elpusztításának kulcsszereplői. E sejtek jellemzőinek és funkcióinak részletes bemutatása a 3. fejezetben található meg. A legtöbb alacsonyabb rendű gerinces állatban jelen vannak NK-szerű citotoxikus aktivitással rendelkező sejtek is, így a kétéltűekben, hüllőkben és a madarakban is. Az emlősök NK-sejtjeinek jellemzőit és funkcióját a 3. és a 13. fejezetben ismertetjük.

Humorális faktorok

A komplementrendszer evolúcióját az előzőekben bemutattuk.

A különböző citokinek jelenlétét és funkcióját az alacsonyabb rendű gerincesekben az utóbbi években kezdték vizsgálni intenzíven. T-sejtek növekedését stimuláló faktort halakban, kétéltűekben és csirkében azonosítottak. IL-1-szerű aktivitás mutattak ki csontos halak, kétéltűek és madarak makrofágjait vizsgálva, és egy interferonszerű molekula antivirális hatását bizonyították halakban.

A leukotriének és a különböző lipidmediátorok (közös néven eikozanoidok) részvétele a gyulladási folyamatokban az emlősök szervezetében régóta ismert. Újabban kimutatták ezen anyagok jelelétét és szerepét halakban és hüllőkben is.

Az antimikrobiális peptidek a gerincesekben is fontos védelmet jelentenek. Így a cekropineket a disznó bélsejtjeiben, a defenzineket az emlősök granulocitáiban és makrofágjaiban is kimutatták. A Gram- és a Gram+ pozitív baktériumok ellen egyaránt hatékony magainineket a Xenopusok bőrének granuláris mirigyei termelik. Kimutatták, hogy ez az anyag emberi tumorsejtek elpusztítására is képes. A cápákban talált szteroidtermészetű squalamin szintén antibiotikus hatású.

Az adaptív immunrendszer

Az immunológiai „Big Bang”-et az adaptív immunrendszer – vagyis a B- és a T-limfociták – kialakulása jelenti. A 20. század közepétől tudjuk, hogy az állkapcsos halak (Gnathostomata) már képesek adaptív immunválasszal reagálni a patogének támadására – szemben az állkapocs nélküli (Agnathostomata) körszájú halakkal. Az állkapcsos halak legősibb csoportjaiban és a ma élő porcos halakban (cápák, ráják) már jelen van a tímusz, a limfoid szövetek, MHC-molekulák, TCR és Ig.

Az antigént nagy fajlagossággal felismerő, hatalmas diverzitásban megjelenő molekulák (BCR, TCR, Ig) kialakulását az tette lehetővé, hogy egy transzpozon („ugráló gén”), amely a RAG (Rekombinase Activating Gen) szekvenciáját is tartalmazta, beékelődött az állkapcsos halak ősének DNS-ébe (15.7. ábra). Ez a DNS-szakasz nagy valószínűséggel az ellenanyag variábilis doménjéhez hasonló fehérjét kódolt. A transzpozon transzpozáz enzimje feltételezhetően a RAG rekombináz őse volt, aminek kódoló szekvenciája az örökítő anyagba való beépülés után elkülönült az enzim felismerő szekvenciájától. Érdekesség, hogy – ellentétben a legtöbb, emlősben található génnel – a RAG-génben nincs intron. Mai ismereteink szerint a RAG-transzpozon tehát egy V-domént kódoló szakaszba épült be, ami egy olyan C-doménnel kapcsolódott, amely a sejtmembránban rögzítette a fehérjét.

15.7. ábra. A RAG beépülése az emlősök genomjába. A RAG (Recombinase Activating Gene) ősi szekvenciáját (transzpozáz gének) és a terminális ismétlődő szekvenciákat (RSS) tartalmazó transzpozon beékelődött az ellenanyag variábilis doménjéhez hasonló fehérjét kódoló DNS-szakaszba. Az evolúció során azután feltehetőleg elkülönült az enzim és a felismerő szekvencia.

Figyelemre méltó, hogy az előgerinchúrosok (Urochordata) közé tartozó zsákállatokban (Ciona-fajok) is kimutattak V-és C-doméneket kódoló szakaszokat, és a fejgerinchúros (Cepaholchordata) lándzsahalban is találtak V-domén géneket. Ez utóbbi fajban a molekula szekrécióját is kimutatták. Egyelőre megválaszolatlan a kérdés, hogy van-e immunológiai funkciója ezeknek a fehérjéknek ezekben a nem-gerinces állatokban.

Az immunglobulin-gének és a repertoár kialakulása

Az állkapocs nélküli halakban (pl. orsóhal) nem található Ig-molekula, azonban minden más gerinces állat képes ellenanyagot termelni különböző idegen struktúrák ellen. Érdekesség, hogy a 2000-es évek elején az orsóhalban leucin-gazdag ismétlődő egységekből álló variábilis limfocita-receptort (VLR) azonosítottak, és ezek – hasonlóan a B-limfociták esetéhez – leválhatnak az orsóhal ún. VLR-B-sejtjeiről, és szolúbilis antitestként működhetnek

Az ellenanyag-molekulák négy láncból álló, Ig-doménekből álló felépítése konzerválódott az evolúció során, ez az alapszerkezet jellemző minden gerinces faj antitestjére (Az Ig szerkezetének részletes leírása a 10. fejezetben található meg). Ezek a molekulák megjelennek a B-sejtek membránján és szekretált molekulaként is. A változó testhőmérsékletű állatok (többnyire IgM izotípusú) antitestjei kis affinitásúak; az ellenanyagok affinitásérése csak a csíraközponttal rendelkező állatokban (madarak, emlősök) történik meg. Érdekesség, hogy az Ig-domén struktúra az immunrendszertől független fehérjékben is megjelenik (lásd box).

Ig-domént tartalmazó molekulák

Az adaptív immunrendszer által való antigén-felismerésben résztvevő molekulák – BCR, TCR, MHC – mind az Ig-szupercsaládba tartoznak, és emellett az immunrendszer működésében szerepet játszó számos egyéb molekula is tartalmaz Ig-domént (lásd 9. és 10. fejezet). Azonban nemcsak immunfuncióval rendelkező fehérjékben van Ig-domén; ilyen szerkezeti egységgel rendelkezik pl. a fibronektin, valamint az aktinhoz és miozinhoz kötődő titin is. Ig-szerű domént tartalmazó fehérjék jelen vannak az alacsonyabb rendű fajokban is, így a rovarokban, puhatestűekben, férgekben, sőt baktériumokban is. Ez az egyik legnépesebb fehérjecsalád (innen a „szuperfamília” elnevezés). Az Ig-domén széleskörű elterjedését igazolja, hogy azokban a fajokban, amelyeknek a teljes genomja ismert, az egyik legnépesebb protein-csoportot képviselik. Fontos megjegyezni, hogy a fehérjék funkciója jelentősen eltérhet, ami arra utal, hogy az Ig-domén fold számos funkció ellátására alkalmassá teheti az adott fehérjét.

A polimer IgM a halakban már megtalálható; ez a fő antitest ezekben az állatokban (15.8. ábra). A nehézlánc szekvenciája nagyon változékony a filogenezis során: az egér μ-láncával pl. a halaké csak 24%-ban homológ.

15.8. ábra. Az immunglobulin osztályok kialakulása a gerincesek evolúciója során Az Ig-doménekből felépülő ellenanyagok a porcos halakban jelennek meg az evolúció során. (IgNAR –Ig New Antigen Receptor). A variábilis doméneket sötétebb színnel emeltük ki.

Nagyon érdekes a porcoshalakban(Chondrichthyes) kialakult ellenanyagkészlet, – ami részben zsákutcának bizonyult, mivel más fajokban nem maradt meg minden változat. A cápákban és a rájákban az IgM nehézlánc-lókusz mellett két további is található, ami az IgW és az IgNAR (New Antigen Receptor) molekulát kódolja (15.8. ábra). Az IgW sejtfelszíni receptorként is működik, és előfordul olyan, alternatív splicing útján keletkező alakja is, ami csak a könnyűláncokat és a nehézlánc első két (N-terminális) doménjét tartalmazza. A cápákban és a rájákban az IgM pentamer és monomer formában egyaránt előfordul. A cápákban a szérumfehérjék kb. 50%-a ilyen ellenanyag.

A kétéltűekben (Amphibia), a hüllőkben (Reptilia) és a madarakban (Aves) egy 4 konstans domént tartalmazó IgY-izotípus azonosítható. Ez az Ig az emlősök IgG és IgE molekulájának az őse. A karmos békában az IgX izotípus megjelenése tímusztól független. Feltételezik, hogy ezek az antitestek az emlősök szekretoros IgA molekuláinak felelnek meg, mivel főként a bélben vannak jelen. IgA a filogenezis során először a madaraknál jelenik meg (15.8. ábra).

A repertoár kialakulása

A legtöbb gerinces fajban – így az emberben is – a csontvelőben lezajló szomatikus rekombinációra épülve alakul ki az ellenanyagok sokfélesége a B-limfociták érése és differenciálódása során (ahogyan ezt a 10. fejezetben részleteztük), van azonban néhány kivétel (15.9. ábra). A csirkében, a nyúlban és a birkában génkonverzióval formálódik a repertoár. Ez a madarak esetében a Bursa Fabricii-ben, a nyúlban és a birkában a bélrendszerhez kapcsolódó Peyer-plakkokban zajlik le, ahol megfelelőek az anatómiai körülmények e folyamathoz.

15.9. ábra. Ig-nehézlánc-gének szerveződése különböző fajokban. Az ellenanyagkészlet nagy repertoárja a különböző gerinces fajok esetében más-más stratégia révén alakulhat ki. A csíravonalban a különböző génszegmentumok eltérő számban és más-más elrendeződésben vannak jelen, továbbá az átrendeződés mechanizmusa is eltérő. Bár Ig nincs jelen az állkapocs nélküli gerincesekben, variábilis szekvenciákat tartalmazó receptorok kifejeződnek bizonyos sejteken.

– A porcos halak esetében a könnyű- és a nehéz-láncokat is sok különálló, egymástól eltérő szekvenciájú gén-csoport (kazetta, cluster) kódolja. A sokféleség a VL-JL-CL és a VH-DH-JH-CH kazetták változtatásával alakul ki.

– A kétéltűek és a csontos halak esetében az emlősökéhez hasonló az ellenanyagok sokféleségének kialakulása. A Xenopus esetében 80-100 VH, 15 D és 9 JH gén-szegmentum található, és jelen vannak a vázszekvenciát és a CDR-szakaszokat kódoló gének is. A nehézlánc konstans régióit (IgM, IgX és IgY) négy CH-exon kódolja. A Xenopus B-sejtjeinek érése során többszörös génátrendeződés történik, és az allélikus exlúzió eredményeként monospecifikus limfociták alakulnak ki. RAG is jelen van, de a keletkező ellenanyagok diverzitásának mértéke kicsi: kb. 5 x 105. Az ebihal-állapotban – bár már jelen van mind a három izotípus – a B-limfociták repertoárja még ennél is kisebb.

– A madarak esetében az Ig-gének átrendeződése az állatok kloakájában található Bursa Fabricii-ben történik. A csirke Ig könnyűláncát kódoló lókuszban számos V-gén közül csupán egyetlen funkcionális szegmens csatlakozik egy J-C egységhez. Az IgH-lókuszban több D-régió van. Érdekesség, hogy a csirke Ig-gének átrendeződése csak egy bizonyos életszakaszban történik meg: akkor, amikor az őssejtek benépesítik a Bursa-t. Ez lényegesen eltér attól, ahogyan az emberek és az egerek esetében történik, ahol a génátrendeződés az egész élet folyamán, állandóan zajlik. Madarakban – és hasonlóképp a nyúlban és a birkában is – az ellenanyagok variabilitását génkonverzió biztosítja. Ennek során pszeudogének 10–120 bázispár hosszú szekvenciái épülnek be a V(D)J átrendeződésen már átesett Ig-génbe (15.9. ábra). A nyúlban a korai fázisban különböző helyeken történik meg a V(D)J génátrendeződés, majd ezután vándorolnak a B-sejtek a vakbélbe és egyéb bélrendszerrel kapcsolt limfoid szövetbe.

A körszájú, porcos és csontos halakat, a kétéltűeket, a hüllőket, a madarakat és az emlősöket magába foglaló gerincesek (Chordata) alapvető sejtes és molekuláris komponensei jelentős mértékben megőrződtek, és hasonlóak egymáshoz. Mint ezt részletesen tárgyaltuk a 12. fejezetben, az antigén T-sejtek általi felismerése MHC-molekulák közvetítésével történik. Érdemes tehát a T-sejtek és az MHC-molekulák filogenezisét együttesen tárgyalni.

Az MHC- és a T-sejtek törzsfejlődése

Ahogyan ezt korábban említettük, az állkapcsos gerincesekben (porcos és csontos halak, kétéltűek, hüllők, madarak, emlősök) az adaptív immunrendszer minden építőeleme megtalálható – így az ellenanyagok mellett TCR és a polimorf MHC-molekulák is. Az állkapocs nélküliekben ezek az elemek nem jelennek meg – bár Ig-családba tartozó fehérjék ezekben a fajokban is kimutathatók. Az MHC-molekulákat funkcionális és genetikai vizsgálatok alapján azonosították. A funkció vizsgálata többnyire a kevert limfocita kultúra reakciót (MLR – Mixed Lymphocyte Reaction) és az allograft akut kilökődését jelenti. E mellett más, MHC-kontroll alatt álló folyamatok, pl. a T- és a B-sejtek együttműködésének, valamint az antigén-specifikus citotoxikus T-sejtek allogén sejtekkel szembeni válaszának vizsgálata szintén fontos információkat ad.

Xenopus laevis

Az MHC vonatkozásában legtöbbet vizsgált változó testhőmérsékletű gerinces állat a karmos béka (Xenopus laevis, az MHC-antigének rövidítése: XLA – Xenopus Leucocyte Antigen). Az MHCI molekulák ebben az állatban is minden magvas sejten megjelennek, legnagyobb számban a hemopoetikus sejteken. Ellentétben azonban a humán és az egér MHC-I-molekulákkal, a Xenopus laevis MHC-I-fehérje csak egyetlen lókuszban kódolódik (az ember esetében 3, az egérében 2 lókusz van). A karmos béka MHC-II-molekulái polimorfak, kb. 30 alléljuk van, és konstitutívan csak néhány sejten jelennek meg (B-, T-sejtek, APC). Érdekes az MHC-I-molekulák expressziója ebben a fajban: a metamorfózis előtt egyetlen sejten sem jelennek meg – ellentétben az MHC-II-molekulákkal, amelyek már az ebihalállapotban jelen vannak a B-sejteken és a környezettel érintkező epitélsejteken. Ez arra utal, hogy az MHC-I-fehérjék megjelenése nem létfontosságú a korai fejlődésben, ellentétben az MHC-II-molekulákkal, amelyek megjelenése szélesebb körű. Elképzelhető, hogy a karmos béka primitívebb immunrendszerében az MHC-II-nek nagyobb szerep jutott az antigén-bemutatás folyamatában, mint az MHC-I-nek.

MHC más gerincesekben

Az MHC-I- és polimorf MHC-II-fehérjéket porcos halakban is kimutatták. A csontos halak közül a szivárványos pisztrángban és a pontyban azonosítottak MHC-I, MHC-II és β2 mikroglobulin géneket. A farkos kétéltű axolotl esetében igen polimorf MHC-I- és kevéssé változatos MHC-II-molekulákat mutattak ki. Különböző hüllők esetében MHC-I α-láncot és MHC-II-fehérjéket találtak.

A klasszikus, polimorf MHC-gének génduplikációval jöttek létre, és az evolúció során szorosan kapcsoltak maradtak. Természetesen azonban az sem zárható ki, hogy a szoros kapcsoltság annak a következménye, hogy a törzsfejlődés időtartama még nem volt elegendő a gének teljes elválására (lásd box).

MHC-gének kialakulása

A többi génhez viszonyítva a klasszikus MHC-fehérjéket kódoló gének a gerincesek genomjának legpolimorfabb génjei. A ma létező fajokban észlelhető sokféleség kialakulására két elvi lehetőség adódik. Az egyik az, hogy az MHC-gének későn keletkeztek, de a más géneknél gyorsabb mutációs ráta lehetővé tette a jelenleg tapasztalható sokféleséget. A másik lehetőség, hogy az MHC-gének a filogenezis korai stádiumában már megjelentek, így a polimorfizmus a más génekhez hasonló mértékű mutációs rátával is kialakulhatott. Az allélek nagy száma mellett az MHC-polimorfizmus másik jellegzetessége, hogy az egy lókusz alléljei által kódolt fehérjék szekvenciájában akár 50 aminosavbeli eltérés is lehe. Ez kb. olyan mértékű, mint ami két faj homológ fehérjéi esetében is megfigyelhető, és sokkal nagyobb, mint általában az allélek között található különbség. Az allélikus változatok között kimutatható, több bázis cseréjével magyarázható különbségek a pontmutációk mellett más genetikai mechanizmusok fontosságára is felhívják a figyelmet. Ebben a nagyobb génszakaszok kicserélődésének (génen vagy exonon belüli konverzió) és rekombinációjának lehetett szerepe. Az MHC-gének sokfélesége a génekkel egyidős, így ez a jellegzetesség a gerinces fajok szátválása előtt alakult ki. Ezt azok az adatok támasztják alá, amelyek szerint viszonylag távoli fajok bizonyos MHC-alléljei nagyobb hasonlóságot mutatnak más fajok analóg alléljaival, mint a fajon belüli változatokkal. Az új allélek kialakulása folyamatosan zajlik, ahogy ezt érdekes populációgenetikai vizsgálatok igazolják.

T-limfociták

Fontos megjegyezni, hogy már a porcos halakban jelen vannak a TCR αβ-, ill. γδ-láncai is. Ez azért különösen figyelemre méltó, mert még mindig nem ismert pontosan, hogy a γδ-láncot kifejező T-sejteknek mi a pontos szerepe az adaptív immunválasz során. A korai megjelenés, ill. a kétféle TCR elkülönülése, majd ennek a megőrződése az evolúció során mindenesetre arra utal, hogy fontos molekulákról van szó.

A madarakban a TCR mellett már jelen vannak a CD4 és a CD8 koreceptor molekulák is. A Xenopus T-sejtjeinek DNS-ében a δ-lánchoz hasonló szekvenciát találtak, és monoklonális ellenanyagokkal azonosították a citotoxikus T-sejtek CD8-molekuláit. Ismert a szivárványos pisztráng TCR-β-lánca is.

A gerincesek limfomieloid szövetei és nyirokszervei

Az elsődleges és a másodlagos nyirokszervek megjelenését a gerincesek evolúciója során a 15.10. ábrán mutatjuk be.

15.10. ábra. A nyirokszervek megjelenése az evolúció során. A gerincesek törzsfejlődése során először a bélrendszerhez kapcsolódó nyirokszövet (GALT – Gut Associated Lymphoid Tissue) alakult ki. Ezt követően a nyirokszervek fokozatosan jelentek meg, és a már kialakult szervek megőrződtek. Az ábrán feltüntettük a limfociták antigénkötő receptorait kódoló gének átrendeződését irányító gén (RAG) megjelenését is.

A halak és a kétéltűek szervezetében a limfoid és a mieloid kompartmentumok keverednek. Ez az ún. limfomieloid rendszer – melyben a limfociták és a granulociták mellett más vérsejtek is találhatók – biztosítja a megfelelő anatómiai helyet az immunsejtek antigénnel való találkozásához.

Halak

Az állkapocs nélküli halaknak sem tímusza, sem lépe nincsen; a limfociták az előveséből kialakuló limfoid szövetben vagy a bélben fejlődnek.

Az állkapcsos halakban nincs limfoid csontvelő, sem nyirokcsomó. Ugyanakkor jól fejlett tímuszuk és lépük van, és diffúzan megtalálható a májjal, a vesével és a béllel asszociált limfoid szövet (GALT). Az állatok kezdetleges májában megjelennek a melanomakrofág-központok. A pigmentek (melanin, ceroid, lipofukszin) felhalmozódása a makrofágok aggregátumaiban összefüggésben lehet az ezekben az állatokban nagy koncentrációban jelenlevő telítetlen zsírokkal, amelyek az alacsony hőmérsékleten a membránfluiditás fenntartásában játszanak fontos szerepet.

Kétéltűek

A tímusz a Xenopus középfüle mögött, a bőr alatt helyezkedik el. A magasabb rendűekéhez szerkezetileg is hasonló nyirokszerv a T-limfociták éréséhez, „tanulásához” nyújt megfelelő környezetet.

A lép – úgy mint a magasabb rendűekben – az egyik legfontosabb nyirokszerv, amely a keringés útján a szervezetbe jutó antigéneket szűri ki. A Xenopus lépének szerkezete hasonló az emlősökéhez, de csíraközpontokat nem tartalmaz. A kétéltűek lépe a B-sejtek fejlődésének fontos színhelye.

A nyirokcsomókra emlékeztető limfomieloid csomók a farkatlan kétéltűekben jelennek meg. Ezek a képletek elsősorban a vérből szűrik ki az antigéneket, és az ellenanyag-termelő sejtek kialakulásának helyei. Érdekes módon ennek ellenére az emlősök csíraközpontjaihoz hasonló képletek itt sem alakulnak ki.

A vese a kétéltűek fő limfomieloid szerve. A farkatlan kétéltűekben itt és a májban indul meg a B-sejtek fejlődése.

A veleszületett és az adaptív immunrendszer legfontosabb elemeinek megjelenését az evolúció során a 15. 2. táblázatban foglaltuk össze.

15.2. táblázat - 15.2. táblázat. A legjellemzőbb veleszületett és adaptív immunelemek megjelenése az állatvilágban az evolúció során *

Rovarok

Tüskés-bőrűek

Zsák-állatok

Állkapocs

nélküliek

Porcos halak

Csontos halak

Kétéltűek

Hüllők

Madarak

Emlősök

Veleszületett immunelemek

AMP**

+*

*

*

*

*

+*

+*

+*

+*

+*

TLR

+*

+*

+*

+*

+*

+*

+*

+*

+*

+*

MBL

-

-

+*

*

*

+*

*

*

+*

+*

Fikolin

-

-

+*

*

*

*

*

*

*

+*

MASP

-

-

+*

+*

+*

+*

+*

+*

+*

+*

C3

-

+*

+*

+*

+*

+*

+*

+*

+*

+*

Adaptív immunelemek

Ig

-

-

-

-

+*

+*

+*

+*

+*

+*

TCR

-

-

-

-

+*

+*

+*

+*

+*

+*

MHC

-

-

-

-

+*

+*

+*

+*

+*

+*


* a csillag azt jelzi, hogy valószínűleg jelen van az adott molekula, de még nem bizonyították