Complejo Principal de Histocompatibilidad
El reconocimiento antigénico mediado por receptores de las células T (RCT) es un proceso que difiere en gran medida del reconocimiento llevado a cabo por los receptores de las células B (RCB). En primer lugar, los linfocitos B pueden reconocer antígenos tanto solubles como asociados a células, mientras que los linfocitos T sólo reconocen antígenos asociados a moléculas de membrana y exhibido en la superficie de ciertas células. En segundo lugar, las células T únicamente reconocen y responden a determinantes antigénicos lineales mientras que los linfocitos B y sus productos, los anticuerpos, reconocen tanto determinantes antigénicos conformacionales como lineales.
La tarea de presentar antígenos asociados a células para el reconocimiento por parte de las células T corre a cargo de proteínas especializadas que son codificadas por un grupo de genes que se encuentran en un locus denominado complejo principal de histocompatibilidad (CPH) el cual se describe a continuación.
Los linfocitos T reconocen antígenos asociados a células y no antígenos solubles
El CPH fue estudiado inicialmente como un complejo genético que influye en la capacidad de un organismo de aceptar o rechazar órganos o tejidos transplantados de otro miembro de la misma especie. Posteriormente, se determinó que la función fisiológica de estas moléculas es la presentación de péptidos antigénicos a los linfocitos T. De hecho, las moléculas del CPH son componentes integrales de los ligandos que reconocen la mayor parte de los linfocitos T, puesto que sus RCT en realidad son específicos frente a complejos formados por péptidos derivados de antígenos extraños y moléculas del CPH propias (Figura 1).
Figura 1. Reconocimiento por linfocitos T de un complejo péptido-CPH. A través de su receptor para antígeno (RCT) los linfocitos T (LT) reconocen complejos péptidos-moléculas del complejo principal de histocompatibilidad (CPH) que se expresan en la superficie de las células presentadoras de antígenos (CPA)
En los humanos, los genes del CPH se localizan en el brazo corto del cromosoma 6, contiene más de 200 genes y se les denomina genes del antígeno leucocitario humano o HLA (del inglés, human leukocyte antigens), porque se descubrieron por primera vez mediante diferencias antigénicas entre leucocitos de diferentes individuos. El CPH existe en todos los vertebrados superiores y consta de un grupo de genes que codifican moléculas que se expresan en la superficie celular y cuya función es presentar péptidos antigénicos a los linfocitos T. Esta región genética también incluye genes que codifican moléculas solubles (como ciertas citocinas) y moléculas que participan en el procesamiento de los antígenos.
Tres grupos de genes constituyen el complejo principal de histocompatibilidad
Existen tres clases de genes del CPH: los genes de clase I, los genes de clase II y los genes de clase III (Figura 2). Sin embargo, sólo los productos de los genes de las clases I y II están involucrados en los eventos de procesamiento y presentación de antígenos a los linfocitos T.
Figura 2. Organización genética del complejo principal de histocompatibilidad humano. La organización de los principales genes del CPH se muestra para los seres humanos (en los cuales se denomina HLA y se ubican en el brazo corto del cromosoma 6). Cerca de la región telomérica del cromosoma están los genes de clase I principales denominados HLA-A, HLA-B y HLA-C (color rojo), la región de clase II que incluye los genes HLA-DR, HLA-DP y HLA-DQ (color amarillo) se ubican hacia la región centromérica del cromosoma. El locus del CPH de clase III está constituido por genes que codifican proteínas con funciones en la inmunidad pero que no participan en el procesamiento y presentación de antígenos
Los genes del CPH de clase I codifican glucoproteínas que se expresan en la superficie de casi todas las células nucleadas; la principal función de los productos génicos de clase I (moléculas del CPH de clase I) es la presentación de antígenos peptídicos a células T citolíticas o citotóxicas. Existen tres genes de clase I principales, denominados HLA-A, HLA-B y HLA-C. Cada uno de estos genes codifica la cadena α de la molécula de clase I, cuya estructura se explica más adelante.
Los genes del CPH de clase II codifican glucoproteínas que se expresan sobre todo en células presentadoras de antígenos (Ej., macrófagos, células dendríticas y células B), la principal función de las moléculas del CPH de clase II es presentar antígenos peptídicos procesados a los linfocitos T cooperadores. La región de clase II incluye los genes HLA-DR, HLA-DP y HLA-DQ que codifican las cadenas α y β que conforman las moléculas de clase II, cada locus HLA-DR, HLA-DP y HLA-DQ contiene genes separados, designados con las letras a y b que codifican las cadenas α y β, respectivamente. Más adelante se describe la estructura de las moléculas de clase II.
El tercer grupo de genes que conforman el CPH son los genes de clase III este grupo de genes codifican varias proteínas secretadas que desempeñan funciones importantes en el desarrollo de la respuesta inmunitaria; entre ellas algunas proteínas del sistema del complemento y moléculas relacionadas con el proceso inflamatorio como las citocinas factor de necrosis tumoral alfa (FNTα) y las linfotoxinas α y β (LT). Los genes del CPH de clase III se ubican entre los genes de clase II y los de clase I.
Los genes del complejo principal de histocompatibilidad tienen características particulares
Los genes del CPH son los genes más polimorfos del genoma humano. El polimorfismo (del griego poli, que quiere decir mucho y morfo, que significa forma o estructura) implica la existencia de genes cuya secuencia de nucleotidos varía entre los individuos de una población; es decir existen múltiples alelos del gen, Cada alelo determina características fenotípicas diferentes entre los individuos de una determinada población
Para el año 2015, se conocían un total de 12.542 alelos HLA, muchísimo más que los alelos conocidos para otros genes; actualmente, están descritos 3.760 alelos del locus más polimórfico, el HLA-B. Como las moléculas HLA se expresan en la superficie de la mayoría de nuestras células; sin duda, este polimorfismo es la causa de la existencia del fenómeno de histocompatibilidad, de manera que existen pocas probabilidades de que dos individuos sin una relación de parentesco sean HLA idénticos y en consecuencia histocompatibles.
Pero además como estas moléculas participan en el proceso de presentación de antígenos a los linfocitos T, disponer de varios genes que codifican moléculas del CPH capaces de unir diferentes péptidos, constituye un mecanismo que garantiza que al menos algún péptido derivado de cualquier patógeno será presentado y reconocido eficientemente por los linfocitos T para dar inicio a la respuesta inmunitaria adaptativa.
Los loci del CPH contienen dos tipos de genes polimórficos, denominados genes del CPH de clase I y de clase II que codifican dos grupos de proteínas con estructuras distintas, pero homólogas, y otros genes no polimórficos cuyos productos participan en la presentación del antígeno. Las moléculas de clase I del CPH (codificadas por los genes de clase I) muestran los péptidos procesados a los linfocitos T CD8+ o linfocitos T citolíticos y las moléculas de la clase II del CPH (codificadas por los genes de clase II) muestran los péptidos a los linfocitos CD4+ o linfocitos T cooperadores. Los linfocitos T CD4+ y los linfocitos T CD8+ ejercen diferentes funciones en la protección contra los microbios. Este fenómeno se describe como restricción por el CPH.
Otra característica que distingue a los genes del CPH es que se expresan de forma codominante. Esto significa que en cada persona se expresan en la superficie de sus células los alelos heredados de ambos progenitores; en otras palabras tanto los alelos heredados del padre como aquellos heredados de madre se expresan en la superficie de las células, no existe exclusión alélica.
El conjunto de alelos presentes en cada cromosoma; heredados de uno de los dos parentales (del padre o de la madre) se conoce como haplotipo HLA; en consecuencia, cada individuo hereda un haplotipo de la madre (50% del genotipo) y un haplotipo del padre (50% del genotipo) y como ya se señaló ambos grupos de genes se expresan con la misma fuerza. El término genotipo HLA hace referencia al conjunto de alelos HLA presentes en ambos cromosomas homólogos, heredados de ambos parentales.
El carácter codominante de los genes del CPH maximiza el número de moléculas del CPH disponibles que pueden unirse a los péptidos derivados de los antígenos y que serán presentados a los linfocitos T. En los seres humanos, cada alelo recibe una designación numérica seguida del nombre del gen; por ejemplo, el haplotipo HLA de una persona podría ser HLA-A2, HLA-B5, HLA-DR3, etc. Todos los individuos heterocigotos tienen, por supuesto, dos haplotipos HLA.
Otra cualidad de los genes del CPH es que se segregan con un desequilibrio de ligamento. Los alelos HLA son muy numerosos, por lo tanto, sus posibles combinaciones serían casi infinitas. Sin embargo, determinados alelos HLA presentes en diferentes locus se heredan conjuntamente (en bloque) con más frecuencia de lo que cabría esperar por una asignación al azar, a esto se le conoce como desequilibrio de ligamiento. Dichos genes no se segregan de manera independiente y es porque poseen una frecuencia de recombinación menor al 50%. Es la asociación no azarosa de distintas variantes del gen o alelos. Se han propuesto varias explicaciones para esto, entre ellas: han trascurrido muy pocas generaciones para producir el número necesario de recombinaciones que permitan el equilibrio entre los alelos presentes en los fundadores de la población, la selección natural podría favorecer ciertas combinaciones alélicas por ser más favorables en la defensa contra los microorganismos y por último la recombinación es más frecuente en ciertas regiones del ADN (puntos calientes), la presencia o ausencia de tales regiones entre los alelos favorece o no la recombinación. Algunas combinaciones de alelos ocurren con mayor frecuencia de lo esperado en individuos que padecen ciertas enfermedades autoinmunes. La figura 3 resume las características más destacadas del CPH.
Figura 3. Características de los genes del complejo principal de histocompatibilidad (CPH). Además de su carácter poligénico y de su polimorfismo los genes del CPH se expresan de manera codominante y algunos alelos no se segregan en forma independiente y se heredan juntos debido al fenómeno de desequilibrio de ligamiento. Los genes del CPH establecen la restricción HLA
Las dos moléculas del complejo principal de histocompatibilidad tienen estructuras similares
Las moléculas del CPH de clase I y II comparten ciertas características estructurales que son fundamentales para su papel en la presentación de péptidos y el reconocimiento del antígeno por los linfocitos T; cada una de ellas consta de una hendidura o surco extracelular de unión al péptido, seguida de dominios tipo inmunoglobulina (Ig) y dominios transmembranario y citoplasmático. Las moléculas de clase I están compuestas de una cadena polipeptídica, codificada por los genes del CPH y una segunda cadena no codificada por estos genes, mientras que las moléculas de clase II está formada por dos cadenas polipeptídicas codificadas por los genes del CPH. A pesar de estas diferencias, la estructura tridimensional de ambas moléculas es similar.
La variabilidad de la secuencia de aminoácidos de las moléculas del CPH de clase I y II se localiza en la hendidura de unión al péptido; el resto de la secuencia es relativamente invariable. La hendidura de unión al péptido está formada por el plegado de los extremos amino-terminales de las proteínas codificadas por genes del CPH y está compuesta de dos hélices α apoyadas en un suelo compuesto de una lámina plegada en β de ocho hebras. La hendidura de unión al péptido es como un “bolsillo” donde se alojan los péptidos que serán mostrados a los linfocitos T. Debido a la variabilidad en la secuencia de aminoácidos que conforman esta región, las diferentes moléculas del CPH del individuo ligan y muestran diferentes péptidos a los linfocitos T.
Los dominios de tipo Ig de las moléculas del CPH no muestran variabilidad en su secuencia de aminoácidos y representan las zonas de unión a las moléculas CD4 y CD8 del linfocito T. Las moléculas CD4 y CD8 se expresan en forma excluyente en los linfocitos T maduros y vírgenes; es decir los linfocitos T que expresan CD4 no expresan CD8 y viceversa. Las moléculas CD4 y CD8 de los linfocitos T participan, junto con el receptor para el antígeno (RCT), en el reconocimiento del antígeno; de hecho las moléculas CD4 y el CD8 actúan como correceptores del linfocito T. El CD4 se une selectivamente a moléculas de clase II del CPH y el CD8 se une a moléculas de la clase I. Este es el motivo por el cual los linfocitos T CD4+ (o cooperadores) reconocen péptidos asociados a moléculas de clase II mientras que los linfocitos T CD8+ (o citotóxicos) reconocen péptidos asociados a moléculas de la clase I. Dicho en otras palabras, es por esto que los linfocitos CD4+ están restringidos por la clase II del CPH y los linfocitos T CD8+ están restringidos por la clase I del CPH.
Las moléculas de la clase I del CPH están formadas por la cadena α y la microglobulina β2
Las moléculas de la clase I consisten en dos cadenas de polipéptidos unidas de forma no covalente, una cadena α de 44 a 47 kD codificada por los genes del CPH (también denominada cadena pesada), y una subunidad glucosilada de 12 kD no codificada por el CPH llamada microglobulina β2 (codificada por un gen no polimórfico localizado fuera del CPH, en el cromosoma 15). Cada cadena α está orientada de tal manera que unas tres cuartas partes del polipéptido se extiende hacia el ambiente extracelular, un segmento hidrófobo corto que atraviesa la membrana celular y una pequeña cola citoplasmática constituida por el extremo carboxilo- terminal de la cadena α (Figura 4).
Figura 4. Estructura de una molécula de la clase I del CPH. Las moléculas de la clase I están compuestas de una cadena α (color verde) asociada no covalentemente a la microglobulina β2 (color rojo). El segmento α3 corresponde al dominio Ig y sirve de sitio de unión a la molécula CD8. La mayor variabilidad de la secuencia de aminoácidos se ubica en los segmentos α1 y α2, ambos conforman la hendidura de unión al péptido
La cadena α está constituida por tres dominios proteicos globulares de 90 aminoácidos cada uno, denominados α1, α2 y α3. Los dominios α1 y α2 contienen el extremo amino-terminal, están orientados hacia el extracelular e interactúan para formar una plataforma de ocho hileras β antiparalelas rodeadas por dos regiones helicoidales α largas. La estructura forma un surco o hendidura que tiene un tamaño suficiente para albergar péptidos de 8 a 11 aminoácidos en una conformación flexible y extendida y se conoce como hendidura de unión al péptido.
La variabilidad en la secuencia de los aminoácidos en las moléculas de clase I se limita a los dominios α1 y α2. El tercer dominio de la cadena α, el dominio α3 se pliega en un dominio de Ig cuya secuencia de aminoácidos está conservada en todas las moléculas de la clase I y sirve de unión al correceptor CD8, expresado exclusivamente en los linfocitos T citolíticos. A continuación del dominio α3, la cadena α continúa con un segmento rico en aminoácidos hidrófobos que atraviesa la membrana plasmática y que le permite permanecer anclada a ella.
La microglobulina β2, codificada por un gen fuera del locus del CPH, interactúa de forma no covalente con el dominio α3 de la cadena α. Como el dominio α3, la microglobulina β2, tiene una estructura homóloga a un dominio de Ig y es invariable ya que la secuencia de aminoácidos es idéntica en las diferentes moléculas de la clase I. Los dominios α2, α3 y la microglobulina β2 poseen un puente disulfuro intracatenario cada uno que les confiere estabilidad.
La molécula de la clase I completamente ensamblada es un heterotrímero que consiste en una cadena α, la microglobulina β2 y el péptido antigénico ubicado en la hendidura de unión al péptido; la expresión estable de las moléculas de la clase I en las superficies celulares requiere de la presencia de estos tres componentes.
Las moléculas de la clase II del CPH están conformadas por las cadenas α y β
Las moléculas de la clase II del CPH están compuestas por dos cadenas polipeptídicas unidas de forma no covalente, una cadena α de 32 a 34 kD y una cadena β de 29 a 32 kD (Figura 5). Al contrario de las moléculas de la clase I, los genes que codifican ambas cadenas son polimórficos y están ubicados en el locus del CPH. Cada cadena posee dos dominios globulares externos denominados α1 y α2 para la cadena α, y β1 y β2 para la cadena β, estos dominios se encuentran estabilizados por puentes disulfuros intracatenarios.
Figura 5. Estructura de una molécula de la clase II del CPH. Las moléculas de la clase II están compuestas por dos cadenas: la cadena α y la cadena β. Ambas cadenas están asociadas en forma de no covalente. Los dominios α2 y β2 están plegados en dominios Ig, el segmento β2 sirve de sitio de unión a la molécula CD4. La variabilidad en la secuencia de aminoácidos se localiza en los dominios o regiones α1y β1, estos dominios conforman la hendidura de unión al péptido
Los segmentos amino-terminales α1 y β1 interactúan para formar la hendidura de unión al péptido, que tiene una estructura parecida a la hendidura de unión al péptido de la molécula de la clase I. Cuatro hebras del suelo de la hendidura y una de las paredes de hélice α están formadas por el segmento α1 y las otras cuatros hebras del suelo y la segunda pared están formadas por el segmento β1. La variabilidad en la secuencia de aminoácidos de las cadenas α y β se localiza en los dominios α1 y β1. En las moléculas de clase II humanas, la mayor parte del polimorfismo está en la cadena β. En la molécula de la clase II, los extremos de la hendidura de unión al péptido están abiertos, de modo que pueden ajustarse en ella péptidos de 30 aminoácidos o más.
Los segmentos α2 y β2 de las moléculas de la clase II, están plegados en dominios Ig y al igual que los segmentos α3 y la microglobulina β2 de las moléculas de la clase I, no muestran variabilidad en la secuencia de aminoácidos; es decir, que no varían entre los diferentes productos de los alelos de un gen particular de la clase II. El dominios β2 contiene la zona de unión para el correceptor CD4, expresado en la membrana de los linfocitos T cooperadores. Los extremos carboxilo-terminal de los segmentos α2 y β2 se continúan con regiones de conexión, cortas seguidas de tramos de 25 aminoácidos hidrófobos transmembranarios. En ambas cadenas, las regiones transmembranarias acaban con grupos de aminoácidos básicos, seguido de colas citoplasmáticas hidrófilas cortas.
Al igual que las moléculas de clase I, las moléculas de clase II completamente ensambladas constan de una cadena α, una cadena β y el péptido antigénico por lo que se consideran también heterotrímeros, la expresión estable de las moléculas de clase II en la superficie celular requiere de estos tres componentes, incluyendo el péptido antigénico.
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