Complexo de Histocompatibilidade Principal MHC. Prof. Dr. Lucas Brandão Departamento de Patologia UFPE

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MHC

Complexo de Histocompatibilidade Principal

Prof. Dr. Lucas Brandão

Departamento de Patologia

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Transplant rejection

Early attempts to transplant tissues failed

http://www-medlib.med.utah.edu/WebPath/jpeg5/CV171 http://tpis.upmc.edu/tpis/images/C00005c

Rejection of transplanted tissue was associated with inflammation and lymphocyte infiltration

!

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Skin from an inbred mouse grafted onto the same strain of mouse

Skin from an inbred mouse grafted onto a different strain of mouse

ACCEPTED

REJECTED

Genetic basis of transplant rejection

Inbred mouse strains - all genes are identical

Transplantation of skin between strains showed that rejection or acceptance was dependent upon

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6 months

Transplant rejection is due to an antigen-specific immune response with immunological memory.

Immunological basis of graft rejection

Primary rejection of strain skin e.g. 10 days Secondary rejection of strain skin e.g. 3 days Primary rejection of strain skin e.g. 10 days Naïve mouse Lyc Transfer lymphocytes from primed mouse

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Immunogenetics of graft rejection

F1 hybrid

(one set of alleles from each parent)

A x B

!

Mice of strain (A x B) are immunologically tolerant to A or B skin Parental strains

A

X

B

A x B

ACCEPTED REJECTED

A

B

Skin from (A x B) mice carry antigens that are recognised as foreign by parental strains

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Transplant rejection

Early attempts to transplant tissues failed

http://www-medlib.med.utah.edu/WebPath/jpeg5/CV171 http://tpis.upmc.edu/tpis/images/C00005c

Graft rejection in vivo is mediated by infiltrating T lymphocytes

!

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T cells respond to MHC antigens

Graft rejection in vivo is mediated by infiltrating T lymphocytes The in-vitro correlate of graft rejection is the

MIXED LYMPHOCYTE REACTION

+

Irradiated stimulator cells from an MHC-B mouse

T cells do not respond

T

Responder cells from an MHC-A mouse

+

Irradiated stimulator cells from an MHC-A mouse

T

Responder cells

from an MHC-A mouse

T cells respond

MHC antigens are involved in the activation of T cells

T

T T T

T

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• MHC desempenha um papel essencial na resposta imune: permite os

Linfócitos T reconhecerem o antígeno. !

• MHC trabalha junto com TCR e influencia o repertório dos antígenos T

capazes de reconhecer o antígeno. !

• Essa é a razão porque o complexo MHC desempenha um papel

fundamental na susceptibilidade a muitas doenças complexas e auto-imunidade.

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Estrutura MHC I

• Expressa na superfície celular!

!

• Reconhecida por TCR de linfócitos T CD8 (citotóxicos)!

!

• CD8 liga o complexo peptídeo-MHC I!

!

• MHC I são requisitados para reconhecimento de antígenos endógenos (via citosólica)!

!

• Constituído por duas cadeias: a alfa codificada por genes MHC e a

microglobulina beta, codificada por um gene externo ao cluster MHC!

!

• A cadeia alfa possui 3 domínios externos, 1 transmembrânico, juntos com o alfa 3 ligam as

moléculas à membrana e a uma cauda citoplasmática

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Structure of MHC class I molecules

α1 and α2 domains form two segmented α-helices on eight anti-parallel β-strands to form an antigen-binding cleft.

Properties of the inner faces of the helices and floor of the cleft determine which peptides bind to the MHC molecule

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Estrutura MHC II

• MHC II são heterodímeros

constituídos de duas cadeias alfa e duas beta, ambas codificadas por genes do cluster MHC. !

• Ambas as cadeias apresentam dois

domínios extracelulares e uma cauda citoplasmática.

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MHC class II molecule structure

α-chain

Peptide

β-chain

Cleft is made of both

α and β chains

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MHC class I

MHC class II

Cleft geometry

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MHC class I accommodate peptides of 8-10 amino acids

Cleft geometry

MHC class II accommodate peptides of >13 amino acids

β2-M

α-chain

Peptide

α-chain

β-chain

Peptide

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Presentazione antigene MHC classe I

! TAP 1 TAP 2

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(18)

Y

I

MHC molecule

Y

I

MHC molecule

Complementary anchor residues & pockets provide the broad specificity of a particular type of MHC molecule for peptides

MHC molecules can bind peptides of different length

P S

A

S

I

_K

S

P S

A

K S

I

Peptide sequence between anchors can vary Number of amino acids between anchors can vary

Arched peptide

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Peptide antigen binding to MHC class II molecules

Y I A S G F R Q G G A S Q D T F D G R I K Y T L N S L F K N I P D D S N T K Y F H K L Q L T N I S Y K K S N P I I R T V P A I R F G K D H V N H L L Q N A E N M T G T K Y A Y K V P E T S L S A L L L L V F Y F S W A E L Y Y T S G Y Y P T T D Y T R T S A G H G T Y L R E P N V V N S P T T V L V E P P

• Anchor residues are not localised at the N and C termini

• Ends of the peptide are in extended conformation and may be trimmed

• Motifs are less clear than in class I-binding peptides • Pockets are more permissive

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Estrutura MHC III

• As proteínas codificadas pelo MHC III não são receptores de membrana

e não estão envolvidos na apresentação de antígenos !

• Foi proposto que as alterações das proteínas do MHC III estão

envolvidas em doenças auto-imunes.!

• As proteínas do MHC III têm funções e seqüências diferentes: algumas delas são proteínas do complemento, outras são enzimas (i.e. 21- hidrolase), citocinas inflamatórias, fator de necrose tumoral e proteínas “heat hock”.

(21)

Localização das proteínas do

MHC

(22)

O locus MHC

• O locus humano MHC mede aproximadamente 4 Mb no braço curto do

cromossomo 6 (6p21). Este locus compreende três regiões: um grupo com aproximadamente 20 genes classe I (telomérico), um grupo com

aproximadamente 15 genes classe II (centromérico), e um grupo heterogêneo com aproximadamente 30 genes classe III localizados entre os cluster classes I e II.

(23)

(24)

Locus MHC

(25)

PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS

DO LOCUS DO MHC

• MULTIGÊNICO: muitos genes codificadores de diferentes moléculas classes I e II, cada uma com diferentes

especificidades por vários peptídeos. !

• POLIMORFISMOS ALÉLICOS: um grande número de alelos estão presentes em cada gene. !

• CODOMINANTE: produtos de ambos os alelos de cada

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• A região classe III é rica em genes (um gene a cada 15 kb) e

incluem genes de fatores do complemento (C2, C4 e fator B),

a proteína “heat shock” HSP70 e os genes de TNF-alfa e beta!

!

• Existem três produtos polimórficos de genes classe I (definido

em humanos como HLA-A, HLA-B e HLA-C) envolvidos na

apresentação de antígenos para as células T citotóxicas.

Entre os outro genes classe I existem alguns pseudo-genes,

contudo também são funcionais. !

!

• A função desses outros genes necessita ser investigada. Eles

são menos polimórficos que os genes A, B e C, e dois são

expressos de forma tecido-específica. Em ratos, no mínimo

um gene está envolvido na apresentação de peptídeos

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• Existem três produtos polimórficos de genes classe II

(HLA-DR, HLA-DQ e HLA-DP) e muitos

pseudogenes classe II (por exemplo os genes DPA2

e DPB2)

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• A base molecular dos polimorfismos gênicos classes I e II consiste na substituição de aminoácidos e no fato de que a

maioria dos alelos estão presentes na população em freqüências significantes. Isto argumenta contra mutações neutras e sugere seleção sobredominante (vantagem do heterozigoto) ou seleção dependente da freqüência.!

• A sugestão feita por H Zinkernagel e P Doherty, que diz que o polimorfismo é mantido por vírus, é plausível. Recombinação dentro do locus ocorrem em sítios determinados.!

• Isto lida com o desequilíbrio do linkage (i.e. A ocorrência de alelos de dois genes juntos em uma freqüência maior que a freqüência esperada de um único alelo; os loci são, portanto, classificados como em desequilíbrio de linkage )

(29)

Polimorfismos alélicos do MHC em cada

gene: possibilidade de recombinação

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Detailed map of the HLA region

(31)

β α β α α B C A DP DQ DR β1 Polygeny β α β α α B C A DP DQ DR β1 Variant alleles polymorphism !

Genes in the MHC are tightly LINKED and usually inherited in a unit called an MHC HAPLOTYPE

β α β α α B C A

DP DQ DR

β1

Additional set of variant alleles on second

chromosome

MHC molecules are CODOMINANTLY expressed

Two of each of the six types of MHC molecule are expressed

Diversity of MHC molecules in the individual

HAPLOTYPE 1

(32)

Inheritance of MHC haplotypes

B C A DP DQ DR B C A DP DQ DR B C A DP DQ DR B C A DP DQ DR

X

Parents DP-1,2 DQ-3,4 DR-5,6 B-7,8 C-9,10 A-11,12 DP-9,8 DQ-7,6 DR-5,4 B-3,2 C-1,8 A-9,10 DP-1,8 DQ-3,6 DR-5,4 B-7,2 C-9,8 A-11,10 DP-1,9 DQ-3,7 DR-5,5 B-7,3 C-9,1 A-11,9 DP-2,8 DQ-4,6 DR-6,4 B-8,2 C-10,8 A-12,10 DP-2,9 DQ-4,7 DR-6,5 B-8,3 C-10,10 A-12,9 B C A DP DQ DR B C A DP DQ DR B C A DP DQ DR B C A DP DQ DR B C A DP DQ DR B C A DP DQ DR B C A DP DQ DR B C A DP DQ DR Children

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Chromosome 17

Simplified map of the mouse MHC

α β

LMP/TAP

Class III

M

Similar organisation to the human MHC except:

D L

Class I

K

Class I

• one class I gene is translocated relative to human MHC • no alternative class II β chains

β α β α

Class II

A

E

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(35)

Differential distribution of MHC molecules

Cell activation affects the level of MHC expression. 

The pattern of expression

reflects the function of MHC molecules:

• Class I is involved in the

regulation of anti-viral immune responses

• Class II involved in regulation of the cells of the immune

system

!

Anucleate erythrocytes can not support virus replication -

hence no MHC class I.

Some pathogens exploit this - e.g. Plasmodium species.

Tissue MHC class I MHC class II

! T cells +++ +/- B cells +++ +++ Macrophages +++ ++ Other APC +++ +++ ! Thymus epithelium + +++ ! Neutrophils +++ - Hepatocytes + - Kidney + - Brain + - Erythrocytes -

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-Nomenclature Indicates

HLA the HLA region and prefix for an HLA

gene

HLA-DRB1 a particular HLA locus i.e. DRB1

HLA-DRB1*13 a group of alleles which encode the DR13

antigen

HLA-DRB1*1301 a specific HLA allele

HLA-DRB1*1301N a null allele

HLA-DRB1*130102 an allele which differs by a synonymous

mutation

HLA-DRB1*13010102 an allele which contains a mutation

outside the coding region

HLA-DRB1*13010102N a null allele which contains a mutation

outside the coding region

For more information on the new allele naming conventions, see Extension of HLA allele names

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Polymorphism in MHC Class I genes

Variation >1% at a single genetic locus in a population of individuals

In the human population, over 1300 MHC class I alleles have been identified - some are null alleles, synonyms or differ in regions outside the coding region

699

396

198

Data from www.anthonynolan.org.uk/HIG/index.html September 2005

1318 alleles (998 in October 2003) (657 in July 2000) 8 _{2 15}

Class I

A B C No of po lymo rp hi sms E F G

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Polymorphism in MHC Class II genes

Over 700 human MHC class II alleles have been identified - some are null alleles, synonyms or differ in regions outside the coding region

3

494

23

119 28 66

Data from www.anthonynolan.org.uk/HIG/index.html September 2005 733 alleles (668 in October 2003) (492 in July 2000) 4 7 9 9 DR DQ DP DM DO

Class II

A B1 A1 B1 A1 B1 No of po lymo rp hi sms A B A B

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28 62 9 6 25 10 Class I - ~100 antigens Class II - ~40 antigens

(Figure hasn’t changed since October 2003)

A B C DR DQ DP No of se ro lo gi ca lly-defined antigens

Diversity of MHC Class I and II antigens

Because so many MHC class I & II alleles are null, or contain synonymous mutations, the diversity of MHC molecules that can be identified by antibodies i.e.

SEROLOGICALLY, is considerably fewer than that by DNA sequencing

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