Complexo Principal de Histocompatibilidade (MHC): codificação genética, bases estruturais e implicações clínicas

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1 Complexo Principal de Histocompatibilidade (MHC): codificação genética, bases estruturais e implicações clínicas The Major Histocompatibility Complex (MHC): genetic codification, structural bases and clinical implications Pedro Silva Correa de Magalhães 1 Maristela Böhlke 2 Fernando Neubarth 3 Resumo As análises imunogenéticas sobre a suscetibilidade a doenças baseadas principalmente no complexo principal de histocompatibilidade (MHC) têm influenciado cada vez mais a prática clínica. Nesta revisão abordamos a codificação genética que define o MHC e seu polimorfismo, as bases estruturais das moléculas do MHC, assim como seu funcionamento e funções no sistema imunológico humano. A associação entre a compatibilidade do sistema MHC e a rejeição de órgãos e tecidos transplantados também são discutidas. Descritores: Complexo principal de histocompatibilidade; sistema imunológico; MHC e doenças. Abstract Immunogenetic analysis of disease susceptibility, based on major histocompatibility complex (MHC) has an increased influence on clinical practice. In this review we have covered the genetic codification of MHC and the causes of its polymorphism, the structural bases of MHC molecules as well as its functions in the human immune system. The association between MHC compatibility and graft rejection in transplantation are discussed. Key words: Major histocompatibility complex; immune system; MHC and diseases. 1 Acadêmico de Medicina da UCPEL 2 Médica Nefrologista. Professora da Escola de Medicina da Universidade Católica de Pelotas. 3 Médico Reumatologista. Presidente da Sociedade de Reumatologia do Rio Grande do Sul. Supervisor de Residência Médica no C. S. Murialdo / SSMA Endereço para correspondência: Pedro Magalhães Rua Barão de Santa Tecla 884, 204B Telefone: pedroscm@ubbi.com.br Introdução O Complexo Principal de Histocompatibilidade Humano, MHC (Major Histocompatibility Complex), tem grande parte de sua codificação genética localizada no cromossomo 6. Contendo mais de 200 genes, possui fundamental importância no sistema imunológico. Historicamente, o interesse no MHC surgiu a partir de experimentos sobre rejeição de tecidos transplantados entre camundongos. Os genes do MHC estão presentes em todos os vertebrados, sendo que no homem recebem a designação de HLA (Human Leukocyte Antigens), por terem sido inicialmente detectados nos leucócitos. Os genes HLA são os mais polimórficos do genoma humano, possuindo centenas de alelos já descritos. Estas moléculas são a chave crítica para numerosas funções imunológicas, incluindo a seleção das células T, indução de tolerância, produção de anticorpos, imunidade mediada pelas células T, respostas inflamatórias e diversos outros fatores ligados ao sistema imune e seu funcionamento. Conseqüentemente, o papel do MHC é de grande interesse médico pois está diretamente relacionado com a rejeição de órgãos e tecidos, com a suscetibilidade a patógenos, assim como na variabilidade individual na suscetibilidade a desordens de etiologia auto-imune. Codificação genética do MHC Os genes do sistema MHC têm estrutura semelhante e a maioria das seqüências reguladoras estão localizadas no braço curto do cromossomo 6. Pesquisadores identificaram aproximadamente 224 locos genéticos com 3.5 megabases de DNA nas regiões do MHC. Destes, 180 genes possivelmente são expressos e cerca de 40% deles tem alguma função no sistema imune. Esta região foi uma das primeiras multimegabase do genoma humano a ser completamente seqüenciada. Além disso, ela codifica a mais polimórfica das proteínas humanas, a classe I e II do MHC, tendo algumas Rev. Med. UCPEL, Pelotas, 2(1): 54-59, Jan.-Jun

2 mais de 200 variações alélicas. Classes de HLA: A região do MHC humano pode ser dividida em 4 partes, organizando-se como se segue: 1. Genes da classe II do HLA (HLA-DP, HLA-DQ, HLA-DR). 2. Genes da classe I do HLA (HLA-B, HLA-C e HLA-A). 3. Genes das proteínas do choque térmico e de algumas citocinas (TNF, LT e LT-B). 4. Genes do complemento (C4 e C2). A região da classe I contém três lócus: HLA-A, HLA- B, HLA-C, codificando as cadeias pesadas dos antígenos MHC classe I, estendendo-se a mais de 1,5 milhão de pares de bases de DNA. Além disso, certamente, esta região possui inúmeros outros genes que estão envolvidos na codificação de proteínas também relacionadas ao sistema imune. Os genes da classe II estão situados na região HLA- D, que codifica pelo menos 6 genes de cadeia a e 10 genes de cadeia b. Os três locos, DR, DQ e DP, codificam os principais produtos da classe II. Outros genes extras já foram identificados, possuindo, alguns deles, função na imunidade. A expressão dos produtos do gene do MHC é, em grande parte, regulada em nível de transcrição por fatores celulares específicos, como também pelos estímulos inflamatórios e imunes incluindo citocinas como, por exemplo, o IFN-gama. Pode-se dizer que o principal determinante da expressão das moléculas de MHC na superfície celular é a taxa de transcrição. De modo geral, os genes da classe I são expressos mais largamente, isto é, em tipos celulares mais diversos do que os dos genes da classe II. Uma vez que todos os genes do complexo HLA são herdados como uma unidade isolada no cromossomo 6, chamado haplótipo, a probabilidade de dois irmãos serem HLA-idênticos é de 25% de acordo com as leis de herança de Mendel. O indivíduo herda um haplótipo do pai e outro da mãe, existindo então um total de 4 diferentes combinações dos haplótipos dos pais. Sendo assim, um indivíduo tem 25% de chance de herdar os mesmos 2 haplótipos como qualquer outro seu irmão; 25% de chance de não herdar nenhum dos haplótipos de seus irmãos e 50% de chance de compartilhar pelo menos 1 haplótipo com seus irmãos. O extremo polimorfismo do MHC O polimorfismo do MHC existe como conseqüência da resposta evolucionária dos vertebrados à invasão de microorganismos, assegurando assim a continuidade da espécie mesmo na presença de pandemias. Somente alguns indivíduos de uma espécie sobrevivem a uma pandemia pelo efeito protetor do polimorfismo genético do MHC, entretanto isto garante a perpetuação da espécie mesmo que a maioria dos indivíduos sucumba à doença. Os diversos genes do MHC humano possuem a peculiar característica de serem extremamente polimórficos (grande variabilidade estrutural), como por exemplo o caso do gene HLA-B que possui mais de 150 alelos descritos até os dias atuais. Entretanto, esse polimorfismo não é válido para todos os genes, visto que alguns apresentam um pequeno polimorfismo, como por exemplo o HLA-DPA1, e outros são monomórficos, como no caso do HLA-DRA. Tanto nas moléculas da classe I quanto da classe II, o polimorfismo concentra-se na parte superior da molécula, nos resíduos de aminoácido do assoalho ou nas proximidades das a-hélices no sulco de ligação ao antígeno. Dessa forma, o polimorfismo possui dois objetivos distintos: Os polimorfismos na fenda de ligação determinam a especificidade de ligação do peptídeo. Isto faz com que uma molécula de MHC se ligue somente com alguns poucos peptídeos dentre os muitos disponíveis no microambiente celular. Os polimorfismos nas a-hélices também servem como marcadores de self para o qual os receptores das células de defesa são selecionados. A variabilidade do sistema MHC evoca uma série de questões de interesse científico, relacionadas aos motivos desse incomum polimorfismo, à sua evolução, às funções biológicas dos diversos genes e seus resultados no sistema imunológico. Estrutura das moléculas do MHC classe 1 e classe 2 Moléculas do MHC Classe I As moléculas de MHC da classe I contêm duas cadeias polipeptídicas separadas: uma cadeia a (pesada), codificada pelo MHC com aproximadamente 44kD e uma cadeia b sem codificação pelo MHC, com 12 kd. A cadeia a é formada por um polipeptídeo central contendo um ou dois oligossacarídeos. Cada cadeia a é orientada de tal modo que cerca de três quartos do peptídeo completo, incluindo a região Figura 1- Mapa molecular do complexo do histocompatibilidade principal humano. Farreras e Rozman Medicina Interna 13ed. Rev. 28 Med. UCPEL, Pelotas, 2(1): 54-59, Jan.-Jun. 2004

3 deias da molécula da classe II são codificadas por dois diferentes genes MHC e, com poucas exceções, ambas as cadeias da classe II são polimórficas. As partes extracelulares das cadeias a e b são subdivididas em dois segmentos chamados a1 e a2 ou b1 e b2. A região de ligação dos peptídeos na molécula de MHC classe II é formada pela interação das duas cadeias, mais especificamente entre os segmentos a1 e b1. Biossíntese e funcionamento do complexo peptídeo-mhc Figura 2 - Diagrama esquemático de uma molécula da classe II do MHC. Os diferentes segmentos não são mostrados em escala. A fenda de ligação dos peptídeos é mais aberta permitindo a ligação de peptídeos de maior peso molecular (até 20 aminoácidos). Farreras e Rozman Medicina Interna 13ed. aminoterminal e o(s) grupos(s) oligossacarídeos, estão externamente à célula, e os 30 resíduos de aminoácidos da porção carboxiterminal estão localizados no citoplasma. A cadeia b interage não covalentemente com a porção extracelular da cadeia a, não tendo assim uma ligação direta com a célula. Podemos dividir a molécula da classe I em quatro domínios: um domínio extracelular aminoterminal de ligação com peptídeos; um domínio extracelular semelhante à imunoglobulina; um domínio trans-membrânico; e um domínio citoplasmático. A cadeia a é dividida em a1, a2 e a3. O sítio de ligação está entre a1 e a2. O segmento a3 da cadeia pesada e a cadeia b formam um domínio semelhante ao de imunoglobulina na molécula de classe I. Moléculas do MHC Classe II As moléculas de MHC classe II são formadas por duas cadeias polipeptídicas ligadas não covalentemente. As duas cadeias da classe II são semelhantes entre si, sendo a cadeia a (32 a 34 kd) um pouco maior do que a cadeia b (29 a 32 kd). Nas moléculas da classe II, ambas as cadeias polipeptídicas contêm grupos oligossacarídeos, ambas as cadeias polipeptídicas tendo aminoterminais extracelulares e carboxiterminais intracelulares, e mais de dois terços de cada cadeia estão localizados no espaço extracelular. As duas ca- As moléculas do MHC ligam apenas um peptídeo de cada vez, e todos os peptídeos que se ligam a uma forma alélica específica da molécula do MHC compartilham motivos estruturais comuns. De um modo geral, a ligação de peptídeos antigênicos e de moléculas MHC é uma interação saturável de baixa atividade (Kd = 10-6 M) com uma velocidade de associação lenta e uma velocidade de dissociação muito lenta, de modo que os complexos, uma vez formados permanecem por um tempo suficientemente longo para serem reconhecidos pelas células T. A fenda da molécula de classe I, onde ocorre a ligação dos peptídeos, é fechada nas suas extremidades, limitando a ligação dos peptídeos com resíduos de até 11 aminoácidos de comprimento; enquanto que a das moléculas da classe II é aberta, permitindo que peptídeos maiores (de até 20 resíduos aminoácidos) possam se ligar. Os resíduos polimórficos das moléculas do MHC são localizados no domínio de ligação dos peptídeos. Alguns resíduos de MHC polimórficos determinam as especificidades de ligação aos peptídeos pela formação de estruturas complementares (bolsos) que interagem com as peculiaridades conservadas da ligação peptídica. Outros resíduos polimórficos do MHC em alguns resíduos dos peptídeos não são envolvidos na ligação peptídeo-molécula de MHC, mas, ao invés disso, formam um determinante antigênico reconhecido pelas células T (restrição MHC). Tanto na classe I quanto na classe II, o processamento dos antígenos consiste na introdução de antígenos protéicos nas células apresentadoras de antígenos (APCs), na degradação proteolítica dessas proteínas em peptídeos, na ligação dos peptídeos às moléculas recém-montadas do MHC, e na exposição dos complexos peptídeo-mhc à superfície das APCs para o reconhecimento potencial pelas células T. As vias de processamento do antígeno nas APCs utilizam os mecanismos proteolíticos celulares básicos, que também operam in- Figura 3 - Estrutura quaternária da molécula de MHC. Observa-se como a partir dos domínios a1 e a2 se forma uma cavidade para albergar o peptídeo intramolecular. Farreras e Rozman Medicina Interna 13ed. Rev. Med. UCPEL, Pelotas, 2(1): 54-59, Jan.-Jun

4 dependentemente do sistema imune. Tanto as proteínas exógenas como as endógenas são selecionadas por essas vias de processamento do antígeno, e os peptídeos derivados tanto das proteínas próprias como das estranhas são exibidos às moléculas do MHC para a vigilância pelos linfócitos T. Basicamente existem 2 vias pelas quais o antígeno pode se ligar à molécula do MHC: Pelo MHC de classe I para antígenos endógenos e pelo MHC de classe II para proteínas exógenas. Funcionamento das moléculas do MHC classe I Antígenos endógenos (proteínas virais ou tumorais) irão se ligar ao MHC classe I da seguinte maneira: O proteossomo é um complexo multiprotéico citoplasmático que degrada proteoliticamente algumas proteínas citoplasmáticas. Quando uma proteína antigênica é detectada no interior da célula, os proteossomos irão lisar esta proteína gerando peptídeos antigênicos que serão liberados no citoplasma e posteriormente transportados para o retículo endoplasmático (RE). No RE estes peptídeos antigênicos irão se associar e se ligar aos dímeros recém-formados da classe I do MHC. A ligação aos peptídeos estabiliza as moléculas da classe I do MHC, permitindo que se forme uma vesícula que deixará o RE e migrará pelo complexo de Golgi até a membrana celular. Parte do complexo peptídeo-mhc então é exteriorizado permitindo o seu reconhecimento pelas células T CD8 + citotóxicas. A associação de um antígeno com uma proteína MHC I indica que a célula sucumbiu a um patógeno e será destruída. Funcionamento das moléculas do MHC classe II As APCs especializadas, incluindo macrófagos, linfócitos B e células dendríticas, interiorizam as proteínas extracelulares nos endossomas para processamento pela via da classe II do MHC. Antígenos derivados de patógenos extracelulares, proteínas internalizadas por fagocitose e proteínas aderidas à superfície imunoglobulínica nas células B internalizadas por endocitose são armazenados em um endossomo citoplasmático. Este endossomo torna-se ácido e começa a clivar proteoliticamente as proteínas exógenas. Neste momento, no retículo endoplasmático, os heterodímeros recém-sintetizados da classe II do MHC associam-se à cadeia invariante, sendo liberados no interior de um endossomo especializado que é transportado pelo complexo de Golgi até a vesícula contendo as partículas antigênicas. Ocorre então a fusão dos dois endossomos, a cadeia invariante é clivada proteoliticamente e um pequeno remanescente peptídico da cadeia invariante é removido da fenda de ligação peptídica das moléculas do MHC II. Os peptídeos antigênicos se associam à molécula do MHC formando o complexo peptídeo-mhc, que migra até a superfície celular, permitindo seu reconhecimento pelas células T CD4 + helper. A associação de um peptídio exógeno com uma proteína MHC classe II indica que uma célula encontrou um patógeno e serve como pedido de auxílio para as células T helper. Compatibilidade MHC: transplantes e respostas imunes As tentativas de transplantes remontam à antiguidade, porém um grande impulso foi dado a partir da Segunda Guerra Mundial, quando foram realizados vários transplantes, porém sem sucesso. Isto levou muitos pesquisadores ao estudo do transplante em modelos animais. Pesquisas sobre rejeição de tecidos transplantados entre camundongos de uma mesma linhagem genética (isogênicos) e entre camundongos geneticamente diferentes (alogênicos) permitiram aos cientistas a identificação do sistema MHC, e conseqüente expansão das técnicas de prevenção a rejeição de tecidos e órgãos, revolucionando esta área da medicina. Os aloantígenos são moléculas reconhecidas como estranhas ao organismo derivadas de um órgão ou tecido proveniente de um indivíduo geneticamente diferente. A resposta imune para aloantígenos pode ser humoral ou celular, sendo a última mais importante para rejeição de órgãos transplantados, apesar da contribuição de anticorpos. O reconhecimento de células transplantadas como próprias ou estranhas é determinado por uma herança de genes co-dominantes. Sabese que o sistema MHC é o responsável por quase todas as rápidas reações de rejeição ao enxerto. Até 2% dos linfócitos T de um hospedeiro são capazes do reconhecimento e resposta a uma única molécula de MHC estranha. Esse reconhecimento de moléculas de MHC estranho é uma reação cruzada de um receptor de linfócito T (TCR) normal que foi selecionado com vistas ao reconhecimento do MHC próprio acrescido de um peptídeo estranho. Uma molécula de MHC alogênica ligada a um peptídeo pode imitar o reconhecimento de uma molécula de MHC própria, porém ela é reconhecida por muitos tipos de TCRs, cada um selecionado para peptídeos estranhos diferentes. Verifica-se que, provavelmente pela seleção negativa ao nível do timo, apenas entram na circulação linfócitos T capazes de reconhecer os tipos MHC do próprio (self), dado que as moléculas que vão apresentar os antígenos são do mesmo indivíduo; por isso a restrição MHC é primordialmente ao MHC self. A rejeição hiperaguda é caracterizada por uma oclusão trombosante da vasculatura do enxerto. Ela é mediada por anticorpos pré-existentes (freqüentemente IgM) que se ligam ao endotélio e ativam o complemento. Na clínica mais recente ela foi virtualmente eliminada através da utilização de um teste chamado crossmatch antes do implante do órgão transplantado. A rejeição humoral aguda é caracterizada por necrose das células individuais dos vasos sangüíneos do enxerto mediada freqüentemente por anticorpos IgG contra aloantígenos das células endoteliais e envolve ativação do complemento. A rejeição celular aguda é caracterizada por necrose das células parenquimatosas, usualmente acompanhada de infiltrado de macrófagos e linfócitos. Os mecanismos efetores podem ser de lise mediada por linfócitos T, macrófagos ativados e células NK, sendo mais importante o reconhecimento e a lise por 30 Rev. Med. UCPEL, Pelotas, 2(1): 54-59, Jan.-Jun. 2004

5 Tabela 1: Associação entre MHC e doenças. Doença Alelo do HLA Risco Relativo Narcolepsia esporádica DR2, DQ6 130 Hemocromatose hereditária A3, B14 90 Espondilite anquilosante B27 87,4 Síndrome de Reiter B27 40,1 Doença celíaca DR DQ2 > 250 Síndrome de Goodpasture DR2 19,8 Pênfigo vulgar DR DR8 5-8 Dermatite herpetiforme DR3 18,2 Deficiência de 21- hidroxilase BW47 15,0 Uveíte anterior aguda B27 14,6 Diabetes insulino-dependente DR3 / DR4 14,3 DR3, DQ Hepatite crônica ativa DR3 13,9 Síndrome de Sjögren primária DR3 9,7 Artrite reumatóide DR4 5,8 Miastenia gravis B8 3,3 Lúpus eritematoso sistêmico DR3 2,7 Esclerose múltipla DR2 2,8 Obs: O risco relativo refere-se a quantas vezes é maior a chance de um indivíduo portador do gene de desenvolver uma doença em relação àqueles que não possuem a codificação genética. linfócitos T CD8 + alorreativos. A rejeição crônica é caracterizada por fibrose com perda das estruturas normais do órgão. A fibrose pode apresentar a cicatrização da ferida, que segue com morte celular da rejeição aguda. Duas outras explicações possíveis da fibrose são: a rejeição crônica ativa macrófagos que secretam fatores de crescimento de células mesenquimatosas ou a rejeição crônica é uma resposta à isquemia crônica causada pela injúria dos vasos sangüíneos. Se o receptor possui um sistema imune completamente funcional, quase que invariavelmente a transplantação resultará em alguma forma de rejeição. Para se evitar ou retardála podemos tornar o enxerto menos imunogênico, diminuindo as diferenças aloantigênicas entre o doador e receptor por seleção. Outra forma é suprimir o sistema imune através de exposição de aloantígenos por transfusão sangüínea. Relação entre MHC e doenças Em diversos casos, fica claro que variações nas seqüências protéicas do MHC estão ligadas à suscetibilidade a doenças. Podemos dividir estas doenças nas seguintes categorias: (1) doenças inflamatórias, tais como a espondilite anquilosante e várias outras artropatias pós-infecciosas, todas associadas ao HLA-B27; (2) erros inatos do metabolismo, como a deficiência de 21-hidroxilase; e (3) doenças de etiologia auto-imune como a Diabetes Mellitus insulino-dependente, esclerose múltipla, lupus eritematoso sistêmico, miastenia gravis e artrite reumatóide. O sistema MHC possui ainda diversos genes que contribuem para muitas outras doenças de caráter hereditário em que o mecanismo da auto-imunidade ainda é incerto. Conclusão A medicina é uma ciência em constante evolução e renovação. Novas pesquisas relacionadas à genética, aliadas a crescente experiência clinica, expandem continuamente os horizontes do conhecimento sobre o sistema imunológico. A publicação de revisões auxilia na atualização dos profissionais da saúde, aprimorando o seu conhecimento sobre a fisiopatologia de diversas doenças e com isso otimizando os esforços terapêuticos. O presente artigo certamente não busca esgotar o assunto, em função de sua alta complexidade e conteúdo extenso, mas pretende propiciar uma visão geral do funcionamento do sistema MHC e de suas implicações atuais e futuras no reconhecimento, tratamento e prognóstico de um número crescente de patologias relacionadas ao sistema imunológico. Referências Bibliográficas 1. Goldman L, Bennett JC, eds. Cecil Tratado de Medicina Interna 21ªed, Rio de Janeiro: Guanabara Koogan S.A, 2001: Wilson, Braunwald, Isselbacher, Root, eds. Harrison Princípios de Medicina Interna 14ªed, Rio de Janeiro: McGraw Hill, 2002: Roitt IM, Brostoff J, Male D. Imunologia 5ªed, São Paulo: Manole, 1999: Mandel, Douglas, Bennett s. Principles and Practice of Infeccious Disease. 5th ed. Philadelphia: Churchill Livingstone, 2000: Parkin J, Cohen B. An overview of the immune system. Lancet 2001;357: Delves PJ, Roitt IM. The immune system. Part 1. N Engl J Med 2000; 343: Adrian V S Hill. Immunogenetics and genomics. Lancet 2001; 357: Delves PJ, Roitt IM. The immune system. Part 2. N Engl J Med 2000; 343: MacKay I, Rosen F. Innate immunity. New Engl J Med 2000; 343: Cyster JG. Chemokines and cell migration in secondary lymphoid tissue. Science 1999; 286: Sallusto F, Lenig D, Forster R, Lipp M, Lanzavecchia A. Two subsets of memory T lymphocytes with instinct homing potentials and effector functions. Nature 1999; 401: Risch NJ. Searching for genetic determinants in the new millennium. Nature Rev. Med. UCPEL, Pelotas, 2(1): 54-59, Jan.-Jun

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