MHC (Major Histocompatibility Complex): genética, função e associação a doenças Flashcards Preview

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Flashcards in MHC (Major Histocompatibility Complex): genética, função e associação a doenças Deck (29)
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1

Reconhecimento de Ag - TCR vs Bar

As respostas imunológicas adquiridas são iniciadas pelo
reconhecimento de Ag via recetores de Ag expressos em linfócitos.

• BCR e anticorpos (Linfócitos B) são capazes de reconhecer o antigénio (Ag) na forma nativa.
--> proteínas, polisacarídeos, lípidos e pequenas moléculas químicas.
--> Ag podem estar expressos à superfície de microrganismos (e.g. na cápsula bacteriana ou envelope viral) ou serem solúveis (toxinas secretadas).

• O TCR (Linfócitos T) reconhece pequenos péptidos (resultantes do processamento do Ag pela maquinaria celular) apresentados na superfície celular por moléculas MHC.
--> O TCR reconhece o conjunto péptido-MHC (Ag em associação com a molécula de MHC).
--> Processo envolve: Processamento antigénico & Apresentação antigénica

2

Modelo para o reconhecimento de um complexo MHC-péptido pelo TCR

Ligação do péptido ao MHC via resíduos âncora que se ligam ao “bolso” da molécula de MHC

TCR reconhece alguns aa do péptido e alguns resíduos polimórficos do MHC

Major histocompatibility complex (MHC) molecules are expressed on antigen-presenting cells and function to display peptides derived from protein antigens. Peptides bind to the MHC molecules by anchor residues, which attach the peptides to pockets in the MHC molecules. The antigen receptor of every T cell recognizes some
amino acid residues of the peptide and some (polymorphic) residues of the MHC molecule.

3

Captura e apresentação de Ag

Ag proteícos de microrganismos que entram no nosso organismo são
capturados maioritariamente por DCs e transportados para orgãos linfoides secundários, onde as respostas imunológicas adquiridas são iniciadas

Microbes enter through an epithelial barrier (skin, gastrointestinal tract, respiratory tract) and are captured by antigen-presenting cells resident in the tissue or microbes enter lymphatic vessels or blood vessels. The microbes and their antigens
are transported to peripheral lymphoid organs, the lymph nodes and the spleen, where protein antigens are displayed for recognition by T
lymphocytes.

4

Captura e apresentação
de Ag por DCs

DCs imaturas: expressão de recetores de superfície para captura de Ag microbianos

DCs maturas: expressão de níveis elevados de MHC e moléculas co-estimuladoras


Immature dendritic cells in the epithelium (skin, as shown here, where the dendritic
cells are called Langerhans cells) capture microbial antigens, are activated, and
leave the epithelium. The DCs migrate to draining lymph nodes, being attracted there by chemokines produced in the lymphatic vessels and nodes. In response to signals induced by the microbe, such as Toll-like receptor (TLR) signals and cytokines, the DCs mature and acquire the ability to present
antigens to naive T lymphocytes in the lymph nodes. DCs at different stages of their maturation may express
different membrane proteins.

Immature DCs express surface receptors that capture microbial antigens, whereas
mature dendritic cells express high levels of MHC molecules and costimulators, which
function to stimulate T cells.

5

MHC (Complexo maior de histocompatibilidade)

Cluster de genes, altamente polimórficos, que codificam glicoproteínas expressas à superfície das células que são especializadas na apresentação de antigénios a LT.

MHC desempenha também um papel crucial em determinar se um tecido
é aceite (histocompatível) ou rejeitado (histo-incompatível), quando transplantado.

MHC é o nome genérico:
-> em humanos: HLA (Human Leukocyte Antigen);
-> porco: SLA (Swine Leukocyte Antigen
-> no ratinho, por razões históricas é designado por H2
(Histocompatibility 2)



!Importância:
1. Resposta imunológica
2. Transplante de orgãos
3. Predisposição a doenças

6

Conceito de histocompatibilidade

Base genética da rejeição de transplantes:
Transplantes de pele entre estirpes inbred demonstrou que aceitação ou rejeição é dependente do “background” genético

In the illustration, the two different mouse colors represent inbred strains with different MHC haplotypes.

Inherited MHC alleles from both parents are codominantly expressed in the skin of an A x B offspring, and therefore these mice are
represented by both colors.

Syngeneic grafts are not rejected (A).
Allografts are always rejected (B).
Grafts from an A or B parent will not be rejected by an (A x B) F1 offspring (C), but grafts from the offspring will be rejected by either parent (D).

These phenomena are due to the fact that MHC gene products are responsible for graft rejection; grafts are rejected only if they express an MHC type (represented by green or orange) that is not expressed by the recipient mouse.

7

O reconhecimento de Ag por Linfócitos T requer apresentação do mesmo por moléculas de MHC

soluble native Ag --> no T cell response

Cell surface native Ag --> no T cell response

Soluble peptides of Ag --> no T cell response

cell surface peptides of Ag --> no T cell response

cell surface peptides of Ag presented by cells that express MHC antigens: T cell RESPONSE

8

MHC classe I vs II

apresentam péptidos provenientes de diferentes compartimentos celulares!! citosol vs extracel

Ligação do péptido ao MHC sempre: ligações não covalentes (pontes de H e interações iónicas)

!!diferem na distribuição de expressão e na estrutura!!

interação entre os péptidos e as molecs de MHC:
MHC I: 8-10 aa
MHC II: >= 13 aa

9

MHC I

Péptidos derivados de proteínas presentes no citosol (e.g. antigénios virais):
virus infects cell --> viral proteins synthesised in cytosol --> peptide fragments of viral proteins bound by MHC I in ER --> bound peptides transported by MHC I to the cell surface

=> Presented to CD8 T cells => cell death

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MHC II

péptidos derivados de antigénios extracelulares, originados no compartimento endocítico

Intravesicular pathogens
-degraded in-> endocytic vesicles (low pH)
-peptides bind to-> MHC II
-presented to-> CD4 T cells
-effect-> activation to kill intravesicular bacteria and parasites

Extracellular pathogens and toxins
-degraded in-> endocytic vesicles (low pH)
-peptides bind to-> MHC II
-presented to-> CD4 T cells
-effect-> activation of B cells to secrete Ig to eliminate extracellular bacteria/ toxins

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Distribuição de expressão de MHC I vs II

Classe I: Todas as células nucleadas

Classe II:
Células apresentadoras de Ag profissionais: DC, macrófagos, LB; mas também células epiteliais tímicas (TEC)
Aumento de expressão por exposição a IFN-gamma


MHC class I molecules are expressed on all nucleated cells, although they are most highly expressed in hematopoietic cells.

MHC class II molecules are normally expressed only by a subset of hematopoietic cells and by thymic stromal cells, although they may be expressed by other cell types on exposure to the inflammatory cytokine IFN-gamma.

*In humans, activated T cells express MHC class II molecules, whereas
in mice all T cells are MHC class II-negative.

**In the brain, most cell types are MHC class II-negative, but microglia, which are related to macrophages, are MHC class II-positive.

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Estrutura da molec MHC I

MHC I:

Heterodímero:
- cadeira alfa (a; 43KDa), polimórfica
- beta-2 microglobulina (b2M; 12KDa), não polimórfica

alfa1 e alfa2: fenda de ligação ao péptido (par de hélices alfa apoiadas em folhas beta anti-paralelas)
alfa3: domínio transmembranar

Ligação cadeia alfa e beta é não covalente

MHC class I molecule is a heterodimer of a membrane spanning α chain (molecular weight 43 kDa) bound noncovalently to β2-
microglobulin (12 kDa), which does not span the membrane. The a chain folds into three domains: a1, a2, and a3. The a3 domain and β2-microglobulin show similarities in amino acid sequence to immunoglobulin C domains and have similar folded structures, whereas the a1 and a2 domains are part of the same polypeptide and fold together into a single structure consisting of two separated α helices lying on a sheet of eight antiparallel β strands. The folding of the a1 and a2 domains creates a long cleft or
groove, which is the site at which peptide antigens bind to the MHC molecules. For class I molecules, this groove is open at only one end. The transmembrane region and
the short stretch of peptide that connects the external domains to the cell surface are not seen in panels a and b because they have been removed by the digestion with papain. Looking down on the molecule from above, the sides of the cleft are formed from the inner faces of the two α helices; the β pleated sheet formed by the pairing of the a1 and a2 domains creates the floor of the cleft.

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Estrutura da molec MHC II

Heterodímero, 2 cadeias transmembranares e polimórficas:

- cadeira alfa (a, 43KDa),
- cadeia beta (b, 29KDa)

alfa1 e beta1 : fenda de ligação ao péptido (par de hélices alfa apoiadas em folhas
beta antiparalelas)
fenda aberta em ambas extremidades

alfa2 e beta2 : domínios transmembranares

ligação entre cadeia alfa e beta não covalente

The MHC class II molecule is composed of two transmembrane glycoprotein chains, a (34 kDa) and β (29 kDa). Each chain has two
domains, and the two chains together form a compact four-domain structure similar to that of the MHC class I molecule. The a2 and β2 domains, like the a3 and β2-microglobulin domains of the MHC class I molecule, have amino acid sequence and structural similarities to immunoglobulin C domains; in the MHC class II molecule the two domains forming the peptide-binding cleft are contributed by different chains and are therefore not
joined by a covalent bond (see panels c and d). Another important difference is that the peptide-binding groove of the MHC class II molecule is open at both ends.

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Locais de ligação CD8/CD4 a MHCI/II

Os locais de ligação dos co-recetores CD8 e CD4 a
moléculas de MHC I e II, respetivamente, estão localizados na zona menos polimórfica, mais perto
da membrana plasmática e distantes do local de
ligação ao péptido

D1 do CD4 liga-se ao domínio
beta2 da molécula de MHC

CD8 interage com o domínio
alfa3 da molécula de MHC


The binding sites for CD4 and CD8 on the MHC class II and class I molecules, lie in the Ig-like domains nearest to the membrane and distant from
the peptide-binding cleft.

The binding site for CD4 lies at
the base of the β2 domain of an MHC class II molecule, in the hydrophobic crevice between the β2 and a2 domains.

The binding site for CD8 on
the MHC class I molecule lies in a similar position to that of CD4 in the MHC class II molecule, but CD8 binding also involves the base of the α1 and α2 domains, and thus the
binding of CD8 to MHC class I is not completely equivalent to the binding of CD4 to MHC class II.

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Ligação dos péptidos a MHCI

via res ancora!

• Péptidos eluídos de 2 moléculas de MHC I

• Terminais amino e carboxílico
estabilizam o contacto entre
péptido e molécula de MHC I

• Resíduos âncora, apesar de não idênticos, são semelhantes
e.g. F e Y são aa aromáticos
V e I são aa hidrofóbicos

Molécula MHC I é instável
quando não carregada

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Ligação dos péptidos a MHCII

são de tamanho variável e resíduos âncora estão localizados em diferentes
posições (diferente distância do N- e C-terminal)

Péptidos carregados em moléculas MHC II têm pelo menos 13-17 aa

Porção N- e C-terminal não são conservadas (não estão envolvidas na estabilização da ligação do péptido ao MHC II)

Binding pocket é mais permissivo

Molécula MHC II é instável quando não carregada com Ag

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Organização genética do locus do MHC (?)

Human: HLA --> chr6
-Class II MHC locus:
DP
DM, proteasome genes, TAP 1,2
DQ
DR

-"Class III MHC"
complement proteins: C4, factor B, C2
Cytokines: LTbeta, TNF-alfa, LT

-Class I MHC Locus:
B
C
A

------

Mouse: H-2 --> chr17
-Class I MHC locus:
K

-Class II MHC locus:
H-2M
proteasome genes, TAP 1,2
I-A
I-E

-"Class III MHC"
complement proteins: C4, factor B, C2
Cytokines: LTbeta, TNF-alfa, LT

-Class I MHC Locus:
D
L

Schematic maps show the human MHC, called the human leukocyte antigen (HLA) complex, and the mouse MHC, called the H-2 complex, illustrating the major genes that code for molecules involved in immune responses. Sizes of genes and intervening DNA segments are not drawn to scale.

Class II loci are shown as single blocks, but each consists of at least two genes encoding the a and β chains, respectively.

The products of some of the genes (DM, proteasome components, TAP) are involved in antigen processing.

The MHC locus also contains genes that encode molecules other than peptide display molecules, including some complement proteins and cytokines; this region is sometimes called “class III MHC.”

In addition, there are multiple class I–like genes and pseudogenes (not shown).

LT, Lymphotoxin; TAP, transporter associated with antigen processing; TNF, tumor necrosis factor.

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Diversidade do MHC: poligénico

Contém diferentes genes de MHC classe I e MHC classe II

-Moléculas de MHC I: A, B e C
-Moléculas de MHC II: DR, DQ, DP

A região de MHC classe III (proteínas da cascata do complemento, TNF-a e
linfotoxina) codifica um conjunto diversificado de proteínas com pouco polimorfismo e nenhuma semelhança estrutural ou funcional às classes I e II, sem
função na apresentação antigénica, embora essas proteínas desempenhem papéis em várias vias imunológicas importantes.

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Diversidade do MHC: polimórfico

(Polimorfismo: presença de alelos múltiplos num dado locus genético)

Em humanos, alguns loci de HLA possuem centenas de alelos diferentes. São os genes mais polimórficos em mamíferos.

tabela com variantes múltiplas de genes na pop... MHC class I mais versões (~1600-2600 vs 2-1200)

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Diversidade do MHC: codominância

Moléculas de HLA herdadas da mãe e do pai são expressas na membrana
celular

-6 moléculas de HLA classe I (3 herdadas da mãe e 3 herdadas do pai) são expressas à superfície
-Pelo menos 6 moléculas de HLA classe II são expressas (heterodímeros de uma cadeia da mãe associada a uma
cadeia do pai são possíveis)


Both the maternal and paternal MHC genes are expressed (codominant expression). Because the class II molecules are heterodimers, new molecules containing one maternal-derived and one paternal-derived chain are also produced, increasing the diversity of MHC class II molecules on the cell surface. The β- microglobulin component of class I molecules (salmon) is encoded by a nonpolymorphic gene on a separate chromosome and may be derived from either parent.

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Haplótipos

As variantes alélicas dos genes do MHC são herdadas em grupo designados por haplótipos

Os genes MHC são altamente polimórficos e encontram-se associados (localização muito próxima no locus), de modo que o conjunto de alelos dentro de todo o locus MHC é transmitido como uma unidade; cada conjunto de alelos de MHC herdados de um progenitor é designado por haplótipo. Cada indivíduo herda um haplótipo da mãe e um haplótipo do pai.

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Diversidade do MHC

Polimorfismo
Codominânica
Poligenia

=>
+alelos
+divergentes
>repertório de péptidos

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Propriedades das moléculas e genes do MHC

Feature - Signifficance

-Polymorphic genes: many different alleles are present in the population
=> different individuals are able to present and respond to different microbial peptides

-codominant expression: both parental alleles of each MHC gene are expressed
=> increases number of different MHC molecules that can present peptides to T cells

-MHC-ecpressing cell types:
Class II: DC, macrophages, B cells
=> CD4+ helper, T lymphocytes interact with DC, macrophages, B lymphocytes

Class I: All nucleated cells
=> CD8+ CTLs can kill any type of virus-infected cell

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Propriedades da interação do péptido a moléculas de MHC

-Cada molécula de MHC pode apresentar apenas um péptido de cada vez (apenas um local de ligação ao péptido por molécula), mas cada molécula
de MHC é capaz de apresentar diferentes péptidos.

-> Possibilidade de ligação determinada pelos resíduos âncora do péptido

-> Moléculas de MHC possuem assim uma ampla especificidade para
ligação ao péptido


As moléculas de MHC “carregam” péptidos e não outro tipo de antigénios

As moléculas de MHC são carregadas com o péptido durante a sua biosíntese, montagem e transporte dentro das células.

Apenas moléculas de MHC carregadas com péptido são estavelmente expressas à superfície da célula.

Zona onde se concentra o
polimorfismo (maior diversidade) localiza-se no “peptide-binding cleft” (local de ligação ao péptido na molécula de MHC). O resto da
molécula é altamente conservado.

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Local da variabilidade alélica no MHC

A variabilidade alélica no MHC ocorre predominantemente na região de ligação ao péptido (peptide-binding groove)

Variability plots of the amino acid sequences of MHC molecules show that the variation arising from genetic
polymorphism is restricted to the amino-terminal domains (a1 and a2 domains of MHC class I molecules, and a1 and β1 domains of MHC class II molecules). These are the domains that form the peptide-binding groove.

Moreover, allelic variability is clustered in specific sites within the amino-terminal domains, lying in positions that line the peptide-binding groove, either on the floor of the groove or inward from the walls. For the MHC class II molecule, the variability of the HLA-DR alleles is shown. For HLA-DR, and its homologs in other species, the a chain is essentially invariant and only the β chain shows significant polymorphism.

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Importância do polimorfismo do MHC

Apesar do impacto na transplantação…As moléculas de MHC são alvo de micorganismos patogénicos para evasão do sistema imunológico!!

-A ativação de linfócitos T requer interação do seu recetor de antigénio
(TCR) com o complexo péptido-MHC (apresentação do péptido no contexto
de uma molécula de MHC).

-Sem envolvimento de linfócitos T não é possível estabelecer respostas
imunológicas eficientes

-Existe assim uma enorme pressão seletiva exercida sobre microrganismos
patogénicos para evadirem a resposta imunológica via interferência com expressão de moléculas de MHC e processamento e apresentação antigénica.

-O MHC “desenvolveu” duas estratégias para prevenir evasão por microrganismos patogénicos:
--> Cada indivíduo expressa mais que um tipo de moléculas de MHC de cada classe (poligenia)
--> Existem diferenças significativas nas moléculas de MHC entre indivíduos (polimorfismos)


+A população necessita de expressar variantes alélicas
de cada molécula de MHC

-A taxa de replicação de microrganismos é muito mais rápida que a reprodução em humanos.

-Num determinado intervalo de tempo, um microrganismo pode introduzir mutações em genes muito mais frequentemente que os humanos e assim evadir com facilidade alterações em moléculas de MHC.

-O número de moléculas de MHC é limitado.

=> Para contrabalançar a “flexibilidade” de patogénios:
-Existem múltiplas variantes de cada molécula de MHC
-Estas variantes podem não necessariamente proteger todos os indivíduos de cada microrganismo patogénico, mas protegem a população como um todo da extinção.

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Associação de determinados alelos de MHC com doenças autoimunes

Ankylosing spondylitis (B27)
Acute anterior uveitis (B27)
Goodpasture's syndrome (DR2)
MS (DR2)
Graves' disease (DR3)
Myasthenia gravis (DR3)
Systemic lupus erythematosus (DR3)
Type 1 (insulin-dependent diabetes mellitus) (DR3/DR4 heterozygote)
Rheumatoid arthritis (DR4)
Pemphigus vulgaris (DR4)
Hashimoto's thyroiditis (DR5)

+relative risk...
+sex ratio... (geralmente + frequentes nas mulheres?)

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Restrição MHC

Linfócito T
MHCa, péptido X
=> recognition

Linfócito T
MHCb, péptido X
=> no recognition

Linfócito T
MHCa, péptido Y
=> no recognition

-Experiência:-

-Ratinhos infetados com o
vírus da coriomeningite linfocitária (LCM)

-Baço de animais infetados é
removido e suspensão celular é feita (contém células CD8 citotóxicas)

-Células marcadas com crómio radioativo (é libertado se ocorrer lise celular)

=> Shows that CTLs can only kill cells infected with LCM and have same haplotype

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Exemplos apresentação dos tipos de molecs?

MHC I & II apresentam Ag proteícos a Linfócitos T ab

Ag não proteícos podem ser apresentados por moléculas de MHC não-clássicas como CD1 a células NKT.