A selecção de células T αβ em desenvolvimento é dependente do reconhecimento do antigénio (complexos péptido-MHC) no timo e é responsável por preservar células uteis e eliminar aquelas que podem ser potencialmente perigosas:
O reportório de céluls T imaturo, não seleccionado, consiste em células cujo receptor é capaz de reconhecer qualquer péptido antigénico (próprio ou estranho) apresentado por qualquer molécula MHC (própria ou estranha), mas também podem ser expressos receptores incapazes de detectar qualquer complexo MHC-antigénio;
Em todos os individuos, as unicas células T úteis são aquelas especificas para péptidos estranhos apresentados por moléculas MHC próprias;
Em todos os individuos, as células T que reconhecem antigénios próprios com alta avidez podem levar a auto-imunidade.
Assim, os processos de selecção actuam no reportório de células T imaturas para assegurar que apenas as células uteis completam o processo de maturação. Quando timócitos duplo-positivos primeiro expressam TCRs αβ, esses receptores encontram péptidos próprios (os unicos péptidos normalmente presentes no timo) apresentados por moléculas MHC próprias (as unicas moléculas MHC disponiveis para apresentar péptidos) prinicpalmente nas células epiteliais timicas no córtex mas também em células dendriticas nesta localização. Esta apresentação pode levar a dois resultados:
Selecção positiva – processo no qual timócitos cujo TCR liga com baixa avidez (i.e., fracamente) a complexos péptido-MHC próprios são estimulados a sobreviver, e timócitos cujos receptores não reconhecem moléculas MHC próprias são induzidos a morrer por uma via de apoptose geral. Isto assegura que as células T que maturam são restritas a MHC próprio. Este processo também fixa a restrição a MHC classe I ou classe II dos subgrupos de células T, assegurando que as células T CD8+ sejam especificas para péptidos apresentados por moléculas MHC classe I e as
Selecção negativa – processo no qual timócitos cujos TCRs se ligam foretmente a péptidos antigénicos próprios em associação com moléculas MHC próprias são eliminados. Isto elimina células T em desenvolvimento que são altamente autorreactivas contra antigénios próprios que estão presentes em elevadas concentrações no timo.
O resultado final destes processos de selecção é que o reportório de células T maduras que deixam o timo é restrito a MHC próprio e tolerante a vários antigénios próprios.
Selecção Positiva de Timócitos: Desenvolvimento da Restrição MHC
A selecção positiva funciona de modo a promover a sobrevivência e expansão selectiva de timócitos com TCRs restritos a MHC próprio:
Timócitos duplo-positivos são produzidos sem qualquer estimulação antigénica e começam a expressar TCRs αβ com especificidades aleatoriamente geradas;
No córtex timico, essas células imaturas encontram células epiteliais que apresentam uma variedade de péptidos próprios ligados a moléculas MHC classe I e classe II;
Se o TCR numa célula reconhecer péptidos apresentados por moléculas MHC classe I e ao mesmo tempo CD8 interagir com moléculas MHC classe I, essa célula T recebe sinais que previnem a sua morte e promovem a sua maturação continuada;
Para proceder na via de maturação, a célula T deve continuar a expressar TCR e CD8 mas pode perder a expressão de CD4;
O resultado é o desenvolvimento de uma célula T CD8+ restrita a MHC classe I.
Um processo inteiramente análogo leva ao desenvolvimento de células T CD4+ restritas a MHC classe II e qualquer célula T que expressa u TCR que não reconhece uma molécula MHC carregada com péptido no timo morrerá e será perdida.
Os papeis essenciais das moléculas MHC e da especificdade do TCR na selecção positiva foram establecidos por uma variedade de linhas experimentais:
Se um timo de uma estirpe pura for transplantado em animais quiméricos de outra estirpe, as células T que maturam são restritas ao tipo de MHC apresentado pelo timo. Os timos tranplantados têm de ser irradiados ou tratados com drogas citotóxicas para matar todos os macrófagos, células dendriticas e células linfóides residentes originárias da medula óssea. De novo, células T desenvolvem-se nestes timos, e a sua habilidade para reconhecer antigénios é restrita a produtos de genes MHC expressos nas células epiteliais timicas e não necessariamente a produtos de genes expressos nas células extratimicas. Assim, o epitélio timico é o elemento do hospedeiro critico para selecção positiva (i.e., o desenvolvimento de padrões de restrição MHC das células T);
Se um TCR αβ transgénico com uma restrição MHC conhecida é expresso numa estirpe de ratinho que também expressa o alelo MHC para o qual o TCR é especifico, as células T irão maturar e popular tecidos linfóides periféricos. Se o ratinho é de outro haplótipo MHC e não expressa a molécula MHC que o TCR transgénico reconhece, existrião numeros normais de timócitos CD4+CD8+ mas muito poucas células T maduras que expressam o TCR transgénico. Este resultado demonstra que timócitos duplo-positivos devem expressar TCRs que se ligam a moléculas MHC próprias para serem positivamente seleccionadas.
Durante a transição de células duplo-positivas para single-positivas, os timócitos com TCRs restritos para classe I tornam-se CD8+CD4- e as células com TCRs restritos para classe II tornam-se CD4+CD8-:
CD4 e CD8 funcionam como co-receptores com o TCR durante a selecção positiva e reconhecem moléculas MHC quando os TCRs reconhecem complexos péptido-MHC;
Sinais apartir do complexo TCR e dos co-receptores funcionam em conjunto para promover a sobrevivência dos timócitos e esta função das moléculas CD4 e CD8 é semelhante aos seus papeis na activação de células T maduras.
Nesta etapa da maturação, existirá uma perda aleatória do gene CD4 ou CD8, e apenas aquelas células que expressam o co-receptor correcto (i.e., CD4 numa célula T restrita a classe II ou CR8 numa células restrita a classe I) continuarão a maturação. É também possivel que a expressão do co-receptor errado seja activamente suprimida, mas como isto é alcançado é desconhecido. Várias linhas experimentais demonstraram como ocorre esta transição:
Ratinhos KO que não expressam MHC classe I nas células epiteliais timicas não desenvolvem células T CD8+ mas desenvolvem timócitos CD4+CD8- e células T CD4+. Inversamente, ratinhos deficientes em MHC classe II não desenvolvem células T CD4+ mas desenvolvem células T CD8+. Estes resultados demonstram que as células epiteliais timicas devem expressar moléculas MHC
classe I ou classe II para seleccionar positivamente células single-positivo CD8+ ou CD4+, respectivamente;
Em ratinhos transgénicos que expressam TCRs restritos a MHC classe II, as células T que se desenvolvem são quase exclusivamente CD4+, mesmo havendo numeros normais de timócitos CD4+CD8+. Inversamente, se um TCR trasngénico é restrito a classe I, as células T que maturam são CD8+. Assim, o co-receptor e a especificidade MHC do TCR deverão igualar se um linfócito se está a desenvolver numa célula T madura.
Para além disto, os péptidos ligados às moléculas MHC nas células epiteliais timicas têm um papel essencial na selecção positiva. Estes péptidos associados a MHC nas células apresentadoras de antigénio timicas provavelmente têm duas funções nas selecção positiva:
Promovem a expressão estável das moléculas MHC na superficie da célula;
Influenciam as especificidades das células que são seleccionadas.
Obviamente, o timo não é capaz de conter os antigénios estranhos aos quais um individuo é capaz de responder. Assim, péptidos estranhos não podem estar envolvidos na selecção positiva de células T que por fim recenhocerão esses péptidos. No entanto, péptidos próprios são necessários para a selecção positiva e o papel exacto que têm neste processo foi sujeito de numerosos estudos.
Para resolver o papel dos péptidos na selecção de células T, foi necessário desenvolver sistemas nos quais a gama de péptidos apresentados a timócitos em desenvolvimentos era limitada e fácil de manipular experimentalmente:
Para a selecção positiva dependente de MHC classe I, isto foi conseguido pelo o uso de ratinhos deficientes em TAP-1 ou β2-microglobulina.
Nestes ratinhos, as moléculas classe I são instáveis e não são carregadas com péptidos citosólicos, mas podem ser carregadas com péptidos exogenamente adicionados. Se timos de tais ratinhos forem cultivados sem a adição de péptidos, poucas celulas maturam. A adição de péptidos aumenta drasticamente o desenvolvimento de células T CD8+ single- positivo, indicando selecção positiva de timócitos que expressam TCRs restritos a MHC classe I;
Uma descoberta chave nestas experiências foi que um ou poucos péptidos induziam a selecção positiva de um grande reportório de células T CD8+ que podiam potencialmente reconhecer vários péptidos não relacionados. Contudo, a ausência de péptido era suficiente para gerar um numero normal de células T maduras. Para além disso, misturas complexas de péptidos induziam a maturação de mais células T CD8+ do que os péptidos unicos.
A conclusão retirada destas experiências é que:
Péptidos ligados a moléculas MHC são necessários para a selecção positiva de células T e alguns péptidos são melhores que outros no suporte deste processo.
A descoberta de que péptidos diferem no reportório de células T que seleccionam sugerem que a especificidade do reconhecimento de antigénio, e não apenas o reconhecimento de MHC, têm alguma papel na selecção positiva, pois o reconhecimento fraco, ou com baixa avidez, de péptidos no timo protege células T imaturas de uma via de morte apoptótica e permite que as células completem a sua maturação.
Este modelo de selecção positiva baseado no fraco reconhecimento de antigénios próprios levanta uma questão fundamental:
Como é que a selecção positiva dirigida por antigénios próprios produz um reportório de células T maduras especificas para antigénios estranhos?
A resposta mais provável é que a selecção positiva permite que diferentes clones de células T sobrevivam e se diferenciem, e que várias células T que reconhecem péptidos próprios com baixa avidez irão, após a maturação, reconhecer com sucesso péptidos estranhos com uma afinidade suficientemente elevada para serem activadas e gerarem respostas imunes.
Selecção Negativa de Timócitos: Tolerância Central
A selecção negativa de timócitos funciona induzindo a morte apoptótica de células cujos receptores reconhecem complexos péptido-MHC no timo com alta avidez:
Entre as células T duplo-positiva que são geradas no timo, algumas poderão expressar TCRs que reconhecem antigénios próprios com alta afinidade;
Os péptidos presentes no timo são péptidos próprios derivados de proteinas antigénicas altamente expressas tal como de algumas proteinas restritas a tecidos particulares;
Em células T imaturas, a consequência do reconhecimos de antigénios com alta avidez é a induzão da apoptose;
Assim, os timócitos imaturos que expressam receptores de alta afinidade para antigénios próprios no timo são eliminados, resultando na selecção negativa do reportório de células T. Este processo elimina as células T auto-reactivas potencialmente mais perigosas e é um dos mecanismos que asseguram que o sistema imune não responde a vários antigénios próprios, uma propriedade desiganada de auto-tolerância. Esta tolerância induzida nos linfócitos imaturos pelo reconhecimento de antigénios próprios nos órgãos linfáticos generativos (ou centrais) é também chamada de tolerância central, para ser contrastada com a tolerância periférica induzida nos linfócitos maduros por antigénios próprios nos tecidos periféricos.
A prova formal da eliminação de clones de células T reactivos para antigénios no timo (também designada delecção clonal) surgiu de várias linhas experimentais que permitiram que os investigadores observassem os efeitos do reconhecimento de antigénios próprios por um grande numero de células T em desenvolvimento:
Quando ratinhos transgénicos para TCR são expostos ao péptido para o qual o TCR é especifico, uma grande quantidade de morte celular é induzida no timo e ocorre um bloqueio no desenvolvimento de células T maduras que expressam TCR transgénico;
Uma delecção semelhante de células T imaturas é observado se ratinhos transgénicos que expressam um TCR especifico para um péptido antigénico conhecido são criados com ratinhos que expressam esse antigénio ou se os ratinhos são injectados com grandes doses de antigénio.
altas concentrações de péptido para o qual o TCR é especifico. Em todos estes exemplos, existe um bloqueio da maturação das células T depois do etapa cortical duplo-positiva, presumivelmente porque timócitos imaturos expressam o TCR transgénico, reconhecem o antigénios nas células apresentadoras de antigénio e são eliminadas. A delecção de células T imaturas auto-reactivas ocorre quando o TCR num timócito CD4+CD8+ se liga fortemente a um péptido próprio apresentado por outra célula timica.
A selecção negativa pode ocorrer tanto na etapa duplo-positiva no cortex e em células T single-positivas acabadas de gerar na medula. As células apresentadoras de antigénios timicas que medeia a selecção negativa são principalmente células dendriticas e células epiteliais timicas medulares, enquanto as células epiteliais corticas são especialmente efectivas na indução da selecção negativa:
Células T duplo-positivas são levadas para a medula timica pelas quimiocinas especificas CCR7, as CCL21 e CCL19;
Na medula, células epiteilais timicas medulares expressam uma proteina nuclear designada AIRE (regulador autoimune) que induz a expressão de um numero de genes tecido-especificos no timo, fazendo assim um hospedeiro de péptidos tecido-especificos disponiveis para apresentação no timo a células T duplo-positivas e single-positivas durante o processo de selecção negativa.
O factor chave determinante da escolha entre selecção positiva e negativa é a força de reconhecimento do antigénio:
Baixa avidez leva a selecção positiva;
Alta avidez leva a selecção negativa.
As moléculas CD4 e CD8 provavelmente têm um papel na selecção negativa, como têm na selecção positiva, porque estes co-receptores participam no reconhecimento de moléculas MHC que apresentam péptidos próprios.
A base celular da selecção negativa no timo é a indução de morte por apoptose por sinais activos promotores de morte que são gerados quando o TCR de timócitos imaturos se ligam com alta afinidade ao antigénio. Isto contrasta com a via de apoptose induzida pela ausência de selecção positiva. A indução por sinalização do TCR de uma proteina pró-apoptótica designada Bim tem um papel importante na indução de dano mitocondrial e apoptose de timócitos durante a selecção negativa. O reconhecimento de antigénios próprios no timo é capaz de gerar também uma população de células T reguladoras (células T naturalmente reguladoras), cuja função é prevenis reacções autoimunes. Não é claro como um antigénio próprio causa delecção de algumas células T imaturas e o desenvolvimento de células T reguladoras a partir de outros timócitos imaturos com a mesma especificidade.