MHC = Major Histocompatibility Complex Complesso Maggiore di Istocompatibilità Uomo  HLA; Topo  H2 Complesso genico identificato perché coinvolto nell’attecchimento dei trapianti d’organo (metà degli anni ’30) Negli anni ’60 e ’70 è stato scoperto che i geni di questa regione sono di fondamentale importanza per tutte le risposte immunitarie agli antigeni proteici

I geni MHC controllano i trapianti di cute e le risposte immunitarie ad Ag proteici I due ceppi di topi sono CONGENICI (= differiscono solo per i geni del complesso MHC)

Il TCR non riconosce l’Ag isolato, ma il complesso ‘MHC-self + Ag’

Esperimento di Zinkernagel e Doherty (1975) Premio Nobel nel 1996

Le principali molecole della regione MHC responsabili del rigetto dei trapianti sono state denominate molecole MHC di classe I e di classe II Qual è la loro funzione ?

Funzione delle molecole MHC: navette che portano sulla superficie cellulare peptidi derivati dalla proteolisi di proteine sintetizzate dalla cellula (MHC I) o di proteine che sono state internalizzate per endocitosi (MHC II) I peptidi esposti sulla superficie cellulare vengono passati al vaglio dalle cellule del sistema immunitario e, se riconosciuti come ‘non self’, vengono attivate funzioni effettrici specifiche

Molecole MHC II presentano peptidi esogeni Molecole MHC I presentano peptidi endogeni

Molecola MHC di classe I ca. 340 aa + b2microglobulina Presente su tutte le cellule nucleate (ma con diversi livelli di espressione) Il complesso ‘MHC I-peptide non self’ viene riconosciuto dai linf TC CD8+

Molecola MHC di classe II 2 catene (230-240 aa ciascuna) Presente sulle cellule capaci di compiere endocitosi (cellule presentanti l’Ag o APC) Il complesso ‘MHC II-peptide non self’ viene riconosciuto dai linf TH CD4+

Molecola MHC di classe I Molecola MHC di classe II

Le molecole MHC presentano i peptidi ai linfociti T (helper o citotossici) Sinapsi immunologica  al legame tra linf T e cellula target partecipano varie molecole di adesione

I geni per le molecole MHC I e II

Loci MHC-II DP: 2 geni a e 3 geni b DQ: 2 a e 2 b Parte della regione MHC in uomo e topo Nell’uomo  3 geni per MHC I (A, B e C) 3 loci per le MHC II (DP, DQ e DR, ciascuno locus contiene almeno un gene per la catena alfa e uno per la catena beta) Loci MHC-II DP: 2 geni a e 3 geni b DQ: 2 a e 2 b DR: 1 a e 4 b (alcuni sono pseudogeni)

COMPLESSO HLA DELL’UOMO HLA-H è il gene responsabile dell’emocromatosi (HFE). Alcuni geni MHC non-classici sono pseudogeni I geni MIC sono espressi a bassi livelli nelle cellule epiteliali e sono indotti dal calore e da altri stimoli che attivano i geni delle heat shock proteins Regione di ca. 4 Mb sul braccio corto del cromosoma 6 a densità genica molto elevata: vi sono stati identificati centinaia di loci, 160 dei quali espressi; molti sono geni che codificano per proteine coinvolte nella risposta immunitaria

Tutte le cellule nucleate Cellule APC Tutte le cellule nucleate espongono sulla loro superficie molecole MHC I Le cellule APC (Antigen Presenting Cell) espongono sulla loro superficie sia molecole MHC I che molecole MHC II

I geni MHC di classe I e II sono i più polimorfici del genoma umano HLA-A HLA-B HLA-C varie centinaia di alleli Per i geni di classe II il numero di alleli noti è inferiore, ma presentano anche polimorfismo per numero di geni Le differenze tra alleli possono essere molto numerose (a livello proteico anche 20 aa) Esiste anche polimorfismo per livelli di espressione e per varianti di splicing Divergenza intra-specifica tra alleli può essere > divergenza uomo-scimpanzé

Espressione codominante Individui eterozigoti hanno 6 diversi tipi di molecole MHC I e 10-20 diversi tipi di molecole MHCII

Nella regione MHC il tasso di ricombinazione è molto basso, generalmente è trasmessa in blocco (aplotipo HLA)

la probabilità di identità tra fratelli è del 25%, nel 25% dei casi due fratelli non condivideranno alcun allele HLA e nel restante 50% si avrà la condivisione di un aplotipo

Genitori e figli condividono il 50% degli alleli Trasmissione dell’aplotipo HLA – Eventi di ricombinazione si verificano raramente Genitori e figli condividono il 50% degli alleli

La regione MHC mostra bassi livelli di ricombinazione (elevato Linkage Disequilibrium), possibili motivi Bassa ricombinazione reale Selezione a favore di particolari aplotipi L’elevato LD osservato non è dovuto a bassa ricombinazione ma al fatto che il polimorfismo è recente

Qual è la ragione di dell’elevatissimo polimorfismo ?

La tasca è chiusa ad entrambe le estremità Quali sono le caratteristiche dei peptidi che si legano alle molecole MHC ? MHC I  legano peptidi di 8-11 aa (dimensione ottimale 9 aa), le due estremità del peptide hanno residui àncora (conservati) che si legano con legami H a residui della tasca La tasca è chiusa ad entrambe le estremità

Sequenze di 4 peptidi eluiti dall’allele H-2Dd e di 3 peptidi eluiti dall’allele H-2Kd del topo in azzurro i residui àncora

Molecole MHC II  legano peptidi di 13-20 aa Molecole MHC II  legano peptidi di 13-20 aa. Il legame con i residui della tasca interessa solo 9 aa. (esistono vari ‘registri di legame’), la tasca è aperta ad entrambe le estremità

Le differenze alleliche sono concentrate nei domini a1 e a2 delle molecole di classe I e nei domini a1 e b1 delle molecole di classe II, cioè nei domini che formano la tasca di legame con il peptide Molecole MHC (I e II) prodotte da alleli diversi hanno la capacità di legare peptidi diversi

Distribuzione della variabilità allelica lungo le molecole MHC I

In rosso i residui che mostrano la maggiore variabilità allelica

L’elevato polimorfismo ha una spiegazione di tipo evolutivo aumenta la probabilità del singolo individuo di essere eterozigote per i loci HLA garantisce una grande variabilità intra-popolazione  individui con aplotipi HLA diversi presenteranno peptidi diversi Difficilmente potrà comparire un patogeno ‘non presentabile’ da nessun individuo della popolazione

Grazie all’elevato polimorfismo dei geni MHC il repertorio di presentazione di una popolazione è molto più elevato del repertorio di presentazione dei singoli individui che la compongono questo garantisce la sopravvivenza della popolazione nel suo insieme (difficilmente un patogeno evolverà in modo tale da risultare ‘impresentabile’ da tutti i membri della popolazione)

Ciascun individuo ha pochi tipi di molecole MHC (max 6 di classe I e 10-20 di classe II), ma la capacità di presentazione di ogni individuo è grande perché ciascuna molecola MHC è in grado di presentare molti peptidi differenti (dell’ordine di qualche centinaio)

Se un grande repertorio di presentazione è una condizione irrinunciabile per montare un’efficiente risposta immunitaria perché nel corso dell’evoluzione non si sono verificati numerosi eventi di duplicazione e diversificazione dei geni che codificano per le molecole MHC (vedi ad es. i geni per i Recettori Olfattivi, geni OR)?

Molte osservazioni fanno ipotizzare che una variabilità intra-individuale molto elevata sia svantaggiosa e quindi selezionata negativamente Nelle specie poliploidi di alcuni generi (es. Xenopus) i geni MHC in surplus sono silenziati a differenza della quasi totalità degli altri geni Nell’uomo esistono 4 geni DRB (codificanti per la catena b) funzionanti, ma non si conosce nessun aplotipo che ne abbia più di due Nelle specie che hanno un notevole polimorfismo per numero dei geni delle catene beta dell’MHC-II, gli aplotipi più frequenti sono quelli con un numero di geni intermedio. Inoltre sembra che femmine con molti geni scelgano maschi con pochi geni

Molte osservazioni sembrano indicare che una variabilità intra-individuale molto elevata sia selezionata negativamente (2) La scelta del partner è influenzata dal genotipo MHC, in generale viene scelto un partner con MHC diverso dal proprio (aumenta la probabilità di generare prole eterozigote); questo non è vero quando il soggetto che sceglie è eterozigote in molti loci MHC I lavori che hanno studiato la scelta del partner in relazione al genotipo MHC nell’uomo sono contraddittori, ma potrebbero essere compatibili con l’ipotesi che in realtà non si tenda ad avere prole con grande variabilità intra-individuo ma con il ‘giusto’ livello di variabilità

Come mai il livello ottimale di variabilità intra-individuo non è settato su valori molto elevati ? è necessario tenere presente che: I linfociti T nel corso della loro maturazione nel timo vanno incontro ad eventi di selezione (selezione centrale) Perché avvenga il legame tra il TCR e il complesso (MHC,peptide) è necessario che i due interattori si incontrino Il legame TCR-complesso(MHC,peptide) non è del tipo tutto o nulla

I dettagli dei processi selettivi non sono noti ma essenzialmente consistono in eventi di: Selezione positiva  vengono ‘salvati’ i linfociti T il cui TCR riconosce il complesso (MHC-peptide self) Selezione negativa  vengono eliminati i linfociti T il cui TCR reagisce ad alta affinità con il complesso (MHC-peptide self)

Selezione dei linfociti T nel timo durante la loro maturazione e produzione di un repertorio di linfociti T ‘MHC-restricted’ e tolleranti verso il self

Il TCR riconosce l’Ag e la molecola MHC  linf T e cellula che espone il peptide devono condividere la molecola MHC

DESTINO DEI LINFOCITI T A SEGUITO DELLA SELEZIONE CHE AVVIENE NEL TIMO Linfociti T che non esprimono TCR  morte cellulare Linfociti T che NON riconoscono (MHC-peptide self)  morte cellulare (non sarebbero in grado di legarsi ad alta affinità al complesso MHC-peptide, nemmeno se il peptide fosse non self, cioè probabilmente non riconoscono l’MHC self) Si crea un repertorio di linf T che riconoscono molecole MHC self Selezione positiva  viene creato un repertorio di linfociti T che riconoscono MHC self

Selezione positiva  la sua esistenza è provata dallo studio di topi knock-out per i geni MHC-I o MHC-II  non producono linfociti T CD8+ o CD4+ Per la maturazione dei linfociti T è necessaria l’interazione tra linf T e molecole MHC

DESTINO DEI LINFOCITI T A SEGUITO DELLA SELEZIONE CHE AVVIENE NEL TIMO Linfociti T che riconoscono con alta affinità complessi (MHC-peptidi self) o molecole MHC self non legate a peptidi  morte cellulare

DESTINO DEI LINFOCITI T A SEGUITO DELLA SELEZIONE CHE AVVIENE NEL TIMO Linfociti T che riconoscono a bassa affinità complessi (MHC-peptidi self)  proseguono la loro maturazione fino a diventare linfociti T circolanti CD4 o CD8 positivi

Un’elevata variabilità intra-individuo avrebbe i seguenti effetti A) Aumento del numero di linfociti selezionati positivamente B) Aumento del numero di linfociti selezionati negativamente Se B) > A) si avrebbe una diminuzione del repertorio di linfociti Inoltre all’aumentare del numero di peptidi presentati corrisponderebbe una diminuzione del numero di volte in cui ciascun peptide (densità) viene presentato e quindi un calo della probabilità di incontro tra linfocita T con TCR ‘giusto’ e complesso MHC-peptide

LE MOLECOLE MHC HANNO UN RUOLO IN FUNZIONI DIVERSE DA QUELLE DEL SISTEMA IMMUNITARIO ? 1975 Thomas  prima formulazione dell’ipotesi che i geni MHC siano coinvolti nel riconoscimento del singolo individuo Partendo dall’osservazione che i geni MHC preservano l’integrità dell’organismo attraverso il riconoscimento dell’identità cellulare, ha ipotizzato che questi stessi geni potessero conferire a ciascun individuo un odore caratteristico

1978 Boyse  prime prove sperimentali dell’influenza dell’MHC in alcuni comportamenti sociali nel topo Studi sulle preferenze di topi maschi nella scelta di partner con MHC diversi. Triplette 1 maschio + 2 femmine Tra la fine degli anni ’80 e i primi anni ’90 conferme sperimentali anche rispetto alle preferenze femminili

Esistono dei meccanismi di riconoscimento del genotipo MHC; Conferme in questa direzione sono state ottenute anche su popolazioni di topi più vicine alle popolazioni naturali (cioè su popolazioni non inbred) anche se tuttora mancano prove definitive su popolazioni selvatiche Poiché la preferenza è per partner MHC dissimili, questi studi indicano che: Esistono dei meccanismi di riconoscimento del genotipo MHC; Gli schemi di accoppiamento tendono a favorire la nascita di prole eterozigote per i geni MHC e ad evitare l’inbreeding (fratello e sorella o genitori-figli sono mediamente più simili di individui non correlati)

Quindi accoppiamenti tra individui che differiscono per la regione MHC avranno l’effetto di diminuire il rischio di malattie sia genetiche che infettive Genetiche  evitare l’accoppiamento tra consanguinei significa diminuire la probabilità di omozigosi per discesa (anche quella per alleli dannosi recessivi) Infettive  individui eterozigoti per geni MHC hanno un repertorio di presentazione più elevato

Le preferenze nella scelta del partner sono fortemente influenzate da esperienze vissute nei primi mesi di vita Esempio: topi maschi B6 H-2(b) preferiscono femmine B6 H-2(k) rispetto a femmine B6 H-2(b), ma se vengono allevati da femmine B6 H-2(k) questa scelta viene capovolta La regione MHC sembra essere coinvolta anche nel riconoscimento genitore-figlio  in questo caso si ha un’attrazione tra MHC simili

In che modo le molecole MHC possono influenzare l’odore di un individuo? Forse attraverso lo spettro di peptidi da esse presentati  alleli diversi presentano peptidi diversi, peptidi presentati dallo stesso allele MHC I hanno delle caratteristiche in comune (i residui àncora)

HLA e malattie – Molte malattie mostrano una forte associazione con particolari alleli o aplotipi HLA Malattie infettive Malattie infiammatorie Malattie autoimmuni La diversa suscettibilità a malattie infettive può essere dovuta a: diversa capacità di presentazione dei peptidi del patogeno particolari molecole MHC possono funzionare da recettori per virus o tossine batteriche

HLA e malattie – Principali malattie autoimmuni (multifattoriali = genetica + ambiente) legate a particolari alleli HLA

Le manifestazioni patologiche sono mediate dal rilascio di istamina Particolari alleli dei geni MHC sono anche predisponenti a malattie allergiche: reazioni eccessive contro Ag deboli che generalmente non provocano una risposta immune Sono mediate dalle IgE Le manifestazioni patologiche sono mediate dal rilascio di istamina

Queste associazioni sono causali o casuali ?