Complesso maggiore di istocompatibilità

Il Complesso Maggiore di Istocompatibilità o anche Major Histocompatibility Complex (MHC) (in inglese) è un gruppo di geni polimorfici costituito da 30 unità (tuttora individuate), localizzato sul cromosoma 6 (nel topo sul cromosoma 17). Le più conosciute codificano per proteine espresse sulla membrana cellulare le quali espletano una funzione di riconoscimento di alcuni agenti proteici da parte dei linfociti T, ma contiene i geni anche di altri importanti peptidi come la 21 idrossilasi, le frazioni del complemento C4B,C4A,BF e C2, la proteina chaperone HSP70 (Heat Shock Proteins cioè proteine indotte da danno termico) e i geni della famiglia del TNF (Tumor Necrosis Factor o Fattore di Necrosi Tumorale).

I prodotti genici tipici del complesso MHC legano frammenti di antigeni ad una porzione di tale molecola, rendendoli visibili ai recettori dei linfociti T. Identificati inizialmente in quanto responsabili del fenomeno del rigetto dei trapianti, si è in seguito potuto verificare l'esistenza di due principali classi di queste molecole e geni: la classe I (MHC-I: tre copie per ogni cromosoma) e la classe II (MHC-II: sei copie per ogni cromosoma). Essi sono responsabili di situazioni fisiologiche, e talvolta patologiche, nettamente differenti nell'ambito dell'organismo.

Infatti, mentre i prodotti dei geni MHC-I sono antigeni direttamente implicati nel fenomeno del rigetto, quelli che derivano dall' MHC-II sono attivi nei fenomeni di cooperazione cellulare che si verificano nell'ambito della risposta immunitaria.

Molecole MHC

La regione dell'HLA nel cromosoma 6

Nell'uomo l'MHC prende il nome di Human leukocyte antigen (HLA). Tale sistema di istocompatibilità è formato da molecole collocate sulla superficie cellulare che agiscono come antigeni: a contatto col sistema immunitario di un soggetto, generano una risposta immunitaria poiché riconosciute come estranee.

Il sistema dell'HLA è alla base del rigetto nel trapianto. Se le cellule del tessuto trapiantato non hanno i medesimi antigeni HLA del ricevente (ovvero il tessuto non è HLA-compatibile), il tessuto viene riconosciuto come estraneo, offensivo, e rigettato. Per questa ragione, per mezzo di un procedimento detto di tipizzazione tissutale, prima delle operazioni si accerta che i due soggetti (donatore e ricevente) siano HLA-compatibili.

Per la stessa ragione, le molecole del sistema HLA sono determinanti anche nei meccanismi di riconoscimento immunologico delle sostanze estranee all'organismo.

Sia le molecole di classe I che quelle di classe II fungono da bersaglio per i linfociti T, che regolano la risposta immunitaria. Affinché un antigene venga legato su una molecola di membrana MHC dev'essere processato. Ammettiamo che l'APC (Antigen Processing Cell, cioè la cellula che preso e processato l'antigene lo esprime affinché sia riconosciuto dalle altre cellule linfocitarie) sia un macrofago. Quest'ultimo fagocita ciò che è stato riconosciuto come estraneo (ad esempio una cellula batterica) e svolge la sua azione battericida grazie alla quale sarà possibile la processazione del germe, ovvero quel processo al termine del quale l'antigene (porzione proteica) si legherà ad una molecola MHC classe I o II. Più precisamente se la processazione avrà una fase citosolica (comune per proteine di derivazione virale) l'Ag si legherà ad MHC I implicando l'attivazione di un tipo di linfociti T chiamati "citotossici" o "CD8⁺".

I linfociti T citotossici sono effettori diretti delle risposta immunitaria specifica cellulo-mediata, determinando la lisi delle cellule che li hanno attivati. Se invece la processazione avverà esclusivamente in vescicole endosomiali (tipico per proteine di derivazione batterica), l'Ag si legherà ad una molecola MHC II con conseguente attivazione dei linfociti T "helper" o "CD4⁺". Questi svolgono la propria attività producendo citochine che contribuiranno all'attivazione di linfociti B (linea Th2) o all'attività citotossica dei linfociti T CD8⁺ (lineaTh1). I linfociti B costituiscono il ramo "umorale " della risposta immunologica specifica.

MHC di classe I

Le molecole di Classe I vengono espresse pressoché su tutte le cellule nucleate (in cellule prive di nucleo, come i globuli rossi, vengono espresse in piccolissime quantità) e sono formate da un polipeptide transmembrana di 44.000 dalton, codificato dall'MHC, associato alla β2-microglobulina, una molecola invariante di 15.000 dalton codificata dal cromosoma 15.

MHC di classe II

Le molecole HLA di Classe II sono presenti solo su alcune cellule immunocompetenti, in grado di effettuare la presentazione dell'antigene (APC da antigen presenting cell), quali cellule dentritiche, linfociti B e macrofagi. Inoltre la loro presenza, anche su queste cellule, non è costante, ma soggetta a modulazione, cioè possono essere presenti o meno a seconda dello stato di attivazione della cellula. Questa espressione viene modulata dalla presenza o meno di alcune interleuchine e/o interferoni.

Le molecole di Classe II sono proteine di membrana eterodimeriche, formate cioè da una catena α (che varia fra i 33.000 e i 34.000 dalton), e da una catena β (fra i 28.000 e i 29.000 dalton), entrambe codificate dall'MHC. C'è poi una terza catena, detta invariante, che non attraversa la membrana cellulare. Questa catena invariante (Ii) ha funzione di chaperone e di indirizzamento del complesso MHC-II dal reticolo endoplasmatico alle vescicole, dove viene degradata lasciando solo un frammento di essa (CLIP) a occupare il sito in cui andra a collocarsi successivamente il peptide da esporre.

Restrizione dell'MHC

Il recettore delle cellule T è specifico per una combinazione tra peptide antigenico e l'antigene di superficie esposto dall'individuo. Dato che ogni essere umano può esprimere almeno 6 differenti MHC e il numero di recettori per l'antigene sulle cellule T è stimato essere 10-15, ciascuno può riconoscere un potenziale antigene. La tasca che lega i peptidi presenta sia un sito di legame per sequenze comuni a tutti i peptidi, ma anche siti di specificità. Ciò rende possibile legare più peptidi, permettendo comunque di far legare a ciascuna forma allelica peptidi di origine diverso.

Altre proteine del complesso MHC

Esistono poi altre molecole del complesso MHC che hanno forma e funzioni spesso correlate alle classi 1 e 2:

• HLA-B

presente in diverse specie in numerose varianti, riconosce e presenta al sistema immunocompetente peptidi virali o batterici attivando i linfociti citotossici.

• HLA-E

poco espresso. lega le sequenze leader prodotte durante a sintesi dell'MHC di classe 1. serve a inibire le cellule NK

• HLA-F

presente sui linfociti B è monomorfica e lega oligosaccaridi estranei

• HLA-G

inibisce le cellule NK durante lo sviluppo embrionale

• HLA-H

Implicata a livello intestinale nell'assorbimento del ferro

• MIC A e B

espresse nei fibroblasti e nell'endotelio se sottoposti a stress. Attivano i linfociti NK e gamma-delta

Polimorfismo dei geni MHC

Nell'uomo le molecole dell'MHC sono codificate da un complesso genico situato sul braccio corto del cromosoma 6. I geni per le molecole MHC di classe II nell'uomo (HLA-D), sono divisi in famiglie, ognuna codificante le catene α e β, che vanno a formare il dimero. Le tre famiglie principali prendono il nome di DP, DQ e DR. Ogni famiglia esprime geni per entrambe le catene del dimero proteico.

I geni dell'MHC sono polimorfici e questo polimorfismo è molto alto. La definizione univoca degli alleli di ogni singolo locus è stata affrontata a partire dal 1967 ad opera di un comitato dell'Organizzazione Mondiale della Sanità.

L'operazione di definizione dei differenti alleli che caratterizzano un individuo prende il nome di determinazione dell'aplotipo o anche, nell'uomo, di tipizzazione HLA.

Il polimorfismo dei geni MHC è di grande rilevanza nel definire qualità e quantità della risposta immunitaria di un individuo. È un fatto noto che organismi diversi si comportano in maniera diversa di fronte ad agenti esterni.

Processazione dell'antigene ed associazione a MHC

Le APC trasformano antigeni proteici derivanti dal citosol o dallo spazio extracellulare in peptidi da associare a MHC di classe I o II, poi il complesso così formato viene esposto sulla loro membrana plasmatica per essere presentato ai linfociti T, i quali a loro volta possono riconoscerlo e legarlo tramite il loro recettore TCR e corecettori associati. L'associazione tra il dimero MHC e il peptide antigenico è necessaria per garantire stabilità alla molecola. La processazione dell'antigene nelle APC è eseguita dai comuni organuli cellulari contenenti enzimi capaci di degradare in modo specifico le proteine antigeniche. Generalmente gli antigeni proteici contenuti in compartimenti acidi quali quelli delle vescicole endosomiali vengono associati a MHC di classe II mentre quelli contenuti nel citosol sono associati ad MHC di classe I. Si possono quindi distinguere due vie di processazione dell'antigene proteico, la via dell'MHC di classe I e la via dell'MHC di classe II.

Via dell'MHC di classe I

Il complesso MHC di classe I - peptide è comune a tutte le cellule nucleate, in quanto tutte queste cellule possono andare incontro ad infezione virale o a trasformazione neoplastica. In questa via l'antigene proteico è rappresentato da una proteina citosolica, sintetizzata quasi sempre endogenamente, quale può essere quella di una cellula infettata da virus, una proteina tumorale o un antigene proteico ingerito contenuto in un fagosoma. L'antigene proteico viene ubiquitinato e destinato alla lisi nel proteasoma. Nella via dell'MHC di classe I sembra che intervengano proteasomi più complessi rispetto a quelli normalmente utilizzati per la degradazione proteica. Si tratta di organelli dalla forma cilindrica e cavi del peso di 1.500 kDa, costituiti da due anelli esterni più voluminosi di sette subunità di cui tre sono le subunità catalitiche e da due anelli interni. A queste si aggiungono diverse altre subunità nel proteasoma specifico per questa via. Le proteine ubiquitinate sono riconosciute dagli anelli esterni del proteasoma, perdono la loro struttura ripiegata e vengono costrette ad entrare nel tunnel dell'organello in forma svolta. Due subunità catalitiche dette LMP-2 e LMP-7 sono fondamentali per la funzione del proteasoma e sono codificate nella stessa regione dove si trovano i geni per MHC. Esse degradano la proteina antigenica in corti peptidi di 6-30 amminoacidi che possiedono caratteristicamente residui idrofobici o basici al C-terminale. La citochina IFN-γ, secreta ad esempio dai linfociti T attivati e potente attivatrice dei macrofagi, aumenta l'espressione di LMP-2 e LMP-7. Non tutti gli antigeni proteici destinati ad essere associati a MHC di classe I vengono degradati nel proteasoma, ma in alcuni casi, in particolare per quanto riguarda le proteine di membrana e di secrezione, queste vengono tagliate nel citoplasma da peptidasi specifiche oppure vanno incontro a degradazione nel reticolo endoplasmatico rugoso. I peptidi proteici, una volta formati, devono essere trasportati nel reticolo endoplasmatico rugoso dove sono sintetizzate le proteine MHC di classe I. La proteina che svolge questo compito è detta TAP (Transporter associated with Antigen Processing), un eterodimero codificato dai geni TAP1 e TAP2, localizzati vicino a LMP-2 e LMP-7 nella regione MHC e, come quelle due, la loro espressione è stimolata da IFN-γ. TAP è un trasportatore transmembrana che normalmente è immerso nella membrana del reticolo endoplasmatico rugoso. La sua funzione è quella di trasportare dal citosol nel lume dell'organello peptidi con dimensioni ottimali di 6-30 amminoacidi, proprio le stesse prodotte dal proteasoma implicato nella via dell'MHC di classe I. Sul lato intraluminale TAP è associato alla tapasina, una proteina a cui viene legato MHC di classe I che quindi si trova a stretto contatto con i peptidi in entrata nel reticolo endoplasmatico rugoso e ciò ne facilita l'interazione. L'MHC di classe I è sintetizzato dai ribosomi del reticolo endoplasmatico rugoso, al suo interno vengono associate da specifiche chaperonine la catena α e la β₂-microglobulina. La tasca (groove) dell'MHC di classe I, una volta assemblate le due, rimane vuota, a differenza dell'MHC di classe II. A questo punto MHC di classe I viene associato alla tapasina a sua volta associata a TAP in attesa del peptide. Il peptide nel frattempo viene ulteriormente processato dalle proteine ERAP (endoplasmic reticulum amino peptidase) e poi associato a MHC di classe I. L'eterotrimero è così stabilizzato e pronto per essere trasportato fuori dal reticolo endoplasmatico verso il Golgi e poi da là sino alla membrana plasmatica tramite vescicole esocitotiche. Una volta espresso sulla membrana plasmatica MHC di classe I - peptide può essere riconosciuto da un linfocita T CD8⁺ con l'aiuto del corecettore CD8 che lo caratterizza.

Via dell'MHC di classe II

Il complesso MHC di classe II - peptide viene espresso solo da alcune cellule del sistema immunitario. I peptidi della via MHC di classe II derivano da proteine extracellulari che sono state endocitate dall'APC previo legame con uno dei moltissimi possibili recettori espressi sulla superficie di queste cellule, come ad esempio TLR, immunoglobuline di membrana, recettori Fc, recettori per la proteina C3b e altri. In seguito all'endocitosi gli antigeni proteici si trovano negli endosomi, vescicole intracellulari a citoplasma acido contenenti enzimi proteolitici. Nel caso si tratti di interi microbi questi vengono endocitati nei fagosomi. Sia gli endosomi che i fagosomi si fondono poi con i lisosomi, vescicole ricchissime di enzimi proteolitici, diventando fagolisosomi. Le proteasi contenute nei fagolisosomi e negli endosomi (ad esempio catepsine) in seguito a fusione con i lisosomi degradano gli antigeni proteici a peptidi, la loro azione è facilitata dal pH acido. Nel frattempo nel reticolo endoplasmatico rugoso viene sintetizzato il dimero MHC di classe II che poi viene appropriatamente ripiegato da chaperonine come la calnexina. All'eterodimero si associa una terza proteina, trimerica, detta proteina I_i occupandone la tasca ed impedendo temporaneamente il legame di peptidi ad MHC di classe II. Questo differenzia l'MHC di classe II dall'MHC di classe I all'interno del reticolo endoplasmatico rugoso rispetto al legame dei rispettivi peptidi. Una volta assemblato il complesso MHC di classe II - proteina I_i, questo viene internalizzato in vescicole del reticolo endoplasmatico rugoso che vengono inviate all'apparato di Golgi. Dal Golgi si spostano sotto forma di endosomi nel citoplasma dove si fondono con i fagolisosomi o i lisosomi contenenti l'antigene proteico ormai tagliato in peptidi. All'interno degli endosomi la proteina I_i viene degradata dalle proteasi lasciando la tasca occupata da un peptide di 24 amminoacidi chiamato CLIP, cioè peptide invariante associato a MHC di classe II. La rimozione di CLIP è mediata da HLA-DM, codificata nella regione di MHC e strutturalmente molto simile ad un MHC di classe II, che lega peptide finale con MHC di classe II scambiandolo con CLIP. Nei linfociti B oltre a MHC di classe II è espresso anche l'eterodimero HLA-DO che è associato a HLA-DM. Il legame tra peptide e MHC di classe II stabilizza il complesso proteico che può ora essere trasportato sulla membrana plasmatica dove verrà riconosciuto da linfociti CD4⁺ e dal corecettore CD4.

Associazione fra HLA e malattie

Si è verificato statisticamente che esistono alcune malattie che risultano colpire con maggiore frequenza individui con un certo aplotipo HLA. Per alcune l'associazione è piuttosto forte, per altre più sfumata. Non sono noti i motivi di questo fatto. Fra le malattie che presentano questa associazione si possono segnalare la Spondilite Anchilosante, il Diabete Mellito Insulino Dipendente, l'Artrite Reumatoide.

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