Grundlagen der Immungenetik

Grundlagen der Immungenetik
PD Dr. S. Immenschuh
Institut für Transfusionsmedizin, MHH
MHC = Major Histocompatibility Complex
• umfasst eine Gruppe von Genen, die Proteine codieren, welche für
- die Immunerkennung,
- die Gewebeverträglichkeit (Histokompatibilität) bei Transplantationen,
- die immunologische Individualität wichtig sind
p21
• bei jeder Species unterschiedlich:
- Mensch:
HLA - humanes Leukozytenantigen
- Schwein: SLA - Schweine Leukozytenantigen
- Maus:
H2
- Ratte:
RT
• beim Menschen sind die HLA Gene auf dem
kurzen Arm von Chromosom 6 (6p21.31)
p21
Humane Leukozyten Antigene - HLA
• Definition und Genetische Organisation der HLA Gene
• Struktur und Funktion des HLA Komplexes
•
Typisierung und Nomenklatur von HLA Molekülen
Polymorphismus von HLA Molekülen
• Klinische Bedeutung des HLA Systems
Minor Histokompatibilitätsantigene
Histokompatibilität und Transplantation
Mechanismen der Fremderkennung
Das HLA System –
Definition und Genetische Organisation
Die HLA Gene
Diversität von HLA durch Polygenie
und Polymorphismus
Polygenie
Beteiligung mehrerer Gene an
der Ausbildung eines Phänotyps
Polymorphismus
Auftreten einer Genvariation (Allel)
in einer Population
Das HLA System
Polygenie und Polymorphismus tragen zur Diversität der HLAMoleküle eines Individuums bei
Polygenie
= mehrere Genorte
HLA Klasse I: HLA-A, HLA-B, HLA-C
HLA-Klasse II: HLA-DRB1, DQB1
Polymorphismus
HLA-A
HLA-B
HLA-C
HLA-DRB1
HLA-DQB1
= allelische Vielfalt
630 Allele
649 Allele
979 Allele
1029 Allele
338 Allele
350 Allele
633 Allele
640 Allele
90 Allele
91 Allele
2670 Allele
2759 Allele
Stand 01/2008
Stand 04/2008
697 Allele
1109 Allele
381 Allele
690 Allele
95 Allele
2972 Allele
Stand 10/2008
+ 302 neue Allele
Entdeckung neuer HLA Allele seit 1968
Struktur und Biologische Funktion
des HLA System
Expression von HLA Antigenen
Klasse I
Klasse II
T-Zellen
+++
+
B-Zellen
+++
+++
Makrophagen
+++
+++
Antigenpräsentierende Zellen (APC)
+++
+++
Granulozyten
+++
-
Thrombozyten
+++
-
Leberzellen
+
-
Nierenzellen
+
-
Erythrozyten
-
-
HLA-Klasse I Expression
auf nahezu allen kernhaltigen Zellen und Thrombozyten
HLA-Klasse II Expression
ausschließlich auf Zellen des Immunsystems
Struktur von HLA Klasse I und II Molekülen
Antigenpräsentation über HLA
Moleküle
HLA Klasse I und II Pathways
Biologische Funktion des HLA-Systems
MHC-Restriktion
Antigene werden nicht als frei lösliche Proteine von T Zellen
erkannt, sondern nur wenn diese ihnen als Proteinfragmente
(= Peptide) durch HLA Moleküle präsentiert werden
• Unterscheidung von „selbst“ und „fremd“
• Schlüssel-Moleküle für die Initiierung der spezifischen (adaptiven)
immunologischen Antwort
• Ligand für Natürliche Killerzellen (NK Zellen)
• Reifung der T-Lymphozyten
Zusammenfassung
HLA-Klasse I – Moleküle
•
Endogene Peptide: Anzeige intrazellulärer Infektion, Initiierung einer
adaptiven Immunantwort
•
Expression auf fast allen kernhaltigen Zellen und Thrombozyten (nicht
auf Erythrozyten)
•
Präsentation der Peptide an CD8+ T-Zellen (zytotoxische T Zellen)
- zytotoxische Zellen geben Proteine (Perforine, Granzyme) ab
- Membran der Zielzelle wird durchlässig = Tod der infizierten Zelle
HLA-Klasse II – Moleküle
•
Exogene Peptide: Aufnahme von Antigenen zur Initiierung einer
adaptiven Immunantwort
•
Expression auf Antigen-präsentierenden Zellen (z.B. DCs, B-Zellen)
•
Präsentation der Peptide an CD4+ T-Zellen (T Helfer Zellen)
- Zytokine, Chemokine werden ausgeschüttet
- Immunreaktionen anderer Zellen (B Zellen, T Zellen) wird verstärkt
Polymorphe Regionen
α1- und α2-Domäne
β1-Domäne
- Die Positionen der allelischen Vielfalt liegen in den Antigen-bindenden
Regionen der HLA-Moleküle
- Sie beeinflussen damit direkt deren Bindungsaffinität und indirekt die
Antigenerkennung durch T-Lymphozyten
Interaktion zwischen HLA Molekül und Peptid
HLA Klasse I
Peptide binden über Ankeraminosäuren
an HLA Moleküle (z.B. P2 und P9)
J. Klein et al. N Engl J Med 2000; 343: 702-709
HLA Typisierungsmethoden
Nachweis von HLA Antigenen und HLA Antikörpern
HLA Nomenklatur
Indikationen zur Typisierung von
HLA Antigenen und Antikörpern
• Transplantation
Nieren- und Stammzelltransplantation
• Transfusion
Nachweis von Antikörpern gegen fremde HLA-Antigene bei
polytransfundierten Patienten
• Krankheitsassoziation
Morbus Bechterew assoziiert mit HLA-B27
• Forensik
• Abstammungsbegutachtung/Vaterschaftsgutachten
Enstehung von HLA Antikörpern
•
Transplantationen
•
Transfusionen
•
Schwangerschaft
HLA Typisierungsmethoden
• nach dem Verfahren
- serologisch
komplement-vermittelter Zytotoxizitätstest
(Mikro-Lymphozytotoxizität nach Terasaki)
- molekularbiologisch
PCR-SSO (sequence-specific oligonucleotides)
PCR-SSP (sequence-specific primers)
Sequenzierung (sequencing-based typing, SBT)
PCRbasierend
• nach Auflösungsgrad
- niedrige Auflösung (low resolution) – serologisch, molekularbiologisch
= 2 stellig:
HLA-A24
- hoche Auflösung (high resolution) – molekularbiologisch
= 4 stellig:
HLA-A*2402
Prinzip der Benennung von HLA Allelen
Molekularbiologie
Serologie
Serologische HLA-Typisierung –
Komplement-vermittelter Zytotoxizitätstest
R. Waßmuth. Einführung in das
HLA System, 1995
Serologische HLA-Typisierung –
Komplement-vermittelter Zytotoxizitätstest
positives Testergebnis
lysierte Zellen
positives Testergebnis
lysierte Zellen
negatives Testergebnis
intakte Zellen
Nachteile der serologischen Typisierung
Niedrigauflösend (low resolution)
= 2 stellig:
HLA-B24
Hohe Fehlerrate (insbesondere HLA-DR > 30%)
HLA Typisierungsmethoden
Molekularbiologische Verfahren
PCR-SSO (sequence-specific oligonucleotides)
PCR-SSP (sequence-specific primers)
Sequenzierung (sequencing-based typing, SBT)
Molekularbiologische HLA Typisierung
PCR-SSP (sequence-specific primers)
Valin (V, GTT)
GTT
5’ CG GAG AAC AAA CTG AAC GAC G 3’
EXON
Isoleucin (I, ATT)
EXON
ATT
5’ CG GAG AAC AAA CTG AAC GAC A 3’
167 bp
5’ GGG TCG TGG CCC GGT ATA CT 3’
Extension
167 bp
5’ GGG TCG TGG CCC GGT ATA CT 3’
Extension’
Molekularbiologische HLA Typisierung
PCR-SSP (sequence-specific primers)
167 bp
Valin (V, GTT)
GTT
5’ CG GAG AAC AAA CTG AAC GAC A 3’
5’ GGG TCG TGG CCC GGT ATA CT 3’
EXON
STOPP
167 bp
Isoleucin (I, ATT)
5’ GGG TCG TGG CCC GGT ATA CT 3’
EXON
ATT
5’ CG GAG AAC AAA CTG AAC GAC G 3’
STOPP
Molekularbiologische HLA Typisierung
PCR-SSP (sequence-specific primers)
spezifisches Amplifikat
Valin (V, GTT)
Kontrollbande
(hGH)
spezifisches Amplifikat
Isoleucin (I, ATT)
Kontrollbande
(hGH)
Proben
Ergebnis:
1
V/V
2
3
4
5
V/V V/V V/I
V/I
6
7
8
V/V V/V V/V
Molekularbiologische HLA Typisierung
SBT (sequencing-based typing)
A G A C C C A G C G G C T
G
Heterozygot A/G
Homozygot A
A G A C C C A G C G G C T
Homozygot G
A G A C C C G G C G G C T
Molekularbiologische HLA Typisierung
SBT (sequencing-based typing)
Klinische Bedeutung des HLA System
Klinische Bedeutung des HLA-Systems
• Transplantationsmedizin
- Knochenmark- und Stammzelltransplantation
- Nierentransplantation
• Assoziation zwischen HLA-Antigenen und diversen
Erkrankungen
• Abstammungsbegutachtung
Mechanismen der
Fremderkennung
HLA-vermittelte Interaktion zwischen
zytotoxischer T-Zelle und Zielzelle
Die Aktivität der zytotoxischen T-Zellen endet
für die betroffene Zelle
Transplantation
immer tödlich!
zerstört
T-Zelle
HLA
Molekül
Spender
zerstört
T-Zelle
Virusinfizierte
Zelle
fremdes HLA
Molekül
fremde
Zelle
Patient
Transplantationssituation
Klinische Manifestation: Spender-gegen-Patienten Reaktion
Graft-versus-Host Erkrankung (GvHD)
A)
Direkte Erkennung von allogenen HLAMolekülen
Direkte Erkennung von allogenen HLAMolekülen
A.
Direkte Fremderkennung von HLA Klasse I: Allo-HLA Klasse I Molekül
wird durch zytotoxische T-Lymphozyten des Empfängers erkannt.
B)
Indirekte Erkennung von allogenen HLAMolekülen
Indirekte Erkennung von Alloantigenen
B.
C)
Erkennung von allogenen Peptiden
Peptidantigene werden durch HLA Moleküle
präsentiert und vom T Zell-Rezeptor erkannt
C.
Akute Abstoßung: MHC und Peptide
Allogene MHCdifferente
Transplantation
Isotransplantat
MHCa
MHCa
MHCa
MHCa
MHCb
MHCa
Toleranz
Anzahl vitaler
Transplantate
Allogene MHCidentische
Transplantation
schnelle Abstossung
langsame Abstossung
100%
50%
0%
0
60
120 0
60
120
0
60
120
Transplantatüberlebensdauer ->
Akute Abstoßungsreaktionen kommen sowohl bei MHCdifferenter als auch -identischer Transplantation vor.
Minor Histokompatibilitätsantigene
Erkennung von allogenen Peptiden
Minor Histokompatibilitätsantigene sind Peptide, die von
polymorphen zellulären Proteinen abstammen.
HLA mismatches versus graft survival
Stammzelltransplantation
1.0
HLA Mismatch: 3 Loci
Proba bility
0.8
2 Loci
1 Locus
0.6
HLA
effect
0 Locus
HLA Genotypic Match
0.4
? HLA
effect
non HLA
effect
0.2
0
0
20
40
60
Days after Transplant
80
100
Minor Histokompatibilitätsantigene (mHags)
Funktionelle Kriterien für mHags
•
•
•
PEPTIDE
Peptide aus polymorphen Regionen endogener Proteine
werden durch alloreaktive T Zellen erkannt
verursachen GvH-and GvL-Reaktionen
Strukturelle Kriterien für mHags
•
relevante Phänotyp-Frequenzen mit niedrigem Polymorphismus
(meist 2 Allele)
•
•
Segregation unabhängig von HLA
definiertes Expressions-Profil
- Zellen von Haut, Leber und/oder Darm
Ö GvHD
- hämatopoetischen Zellen und/oder Stammzellen
Ö GvL Reaktion
Graft-versus-Leukemia oder Graft-versusHost Reaktion
GvHD
T-cell
NATURE REVIEWS | CANCER VOLUME 4 | MAY 2004 | 373
T-cell
GvL
Allogene Inkompatibilitäten
MHC
non-MHC
D/R relation
Clinical situation
Incompatibility
identical
identical
syngen
Identical Twins
none
identical
different
allogen
RD, URD
minor
different
different
allogen
RD, URD
major + minor
Minor Histokompatibilitäts
Antigene
HLA Klasse I
Molekül
Intrazelluläres
polymorphes Protein
D/R relation
RD
URD
Donor/Recipient relation
Related Donor
Unrelated Donor
Minor Histokompatibilitätsantigene
Y-chromosomal kodierte mHags
Minor Antigen
HLA Restriktion
Gen
A1/HY
A2/HY
A33/HY
B52/HY
B60/HY
B7/HY
B8/HY
DQ5/HY
DRB1*1501/HY
DRB1*0301/HY
HLA-A1
HLA-A2
HLA-A33
HLA-B52
HLA-B60
HLA-B7
HLA-B8
HLA-DRB1*05
HLA-DRB1*1501
HLA-DRB1*0301
DFFRY (USP9Y)
SMCY
TMSB4Y
RPS4Y1
UTY
SMCY
UTY
D0X3Y (DBY)
D0X3Y (DBY)
RPS4Y1
Expression
broad
broad
broad
restricted
broad
broad
restricted
broad
broad
broad
Minor Histokompatibilitätsantigene
Autosomal-kodierte Minor Histokompatibilitätsantigene
Minor Antigen
HLA Restriktion
Gen
Expression
HA-1
HA-2
HA-3
HA-8
HB-1
ACC-1
ACC-2
UGT2B17
LRH-1
HLA-A2/B60
HLA-A2
HLA-A1
HLA-A2
HLA-B44
HLA-A24
HLA-B44
HLA-A29
HLA-B7
HA-1/KIAA*0223
Myosin 1G
LBC Oncogene
KIAA0020
unknown
BCL2A1
BCL2A1
UGT2B17
P2X5
restricted
restricted
broad
broad
restricted
restricted
restricted
restricted
restricted
Minor Histokompatibilitätsantigen HA-1
Š Expression in hämatopoetischen Zellen
Š zwei allelische Varianten des Peptides
HA-1H
V-L-H-D-D-L-L-E-A
HA-1R
V-L-R-D-D-L-L-E-A
Null-Allel
Š Präsentation durch HLA-A*0201 Moleküle
Š Erkennung durch alloreaktive CD8+ zytotoxische T Zellen
Š Mismatching für HA-1H ist assoziert mit dem Auftreten der GvL-Reaktion
Vorhersage von Inkompatibilitäten für
Minor Histokompatibilitätsantigene
Identifizierung von
Graft-versus-Host und
Host-versus-Graft
Reaktivitäten
in HLA-identischen
Spender/Empfängerpaaren
http://www.lumc.nl/5033/dbminor/
Identifizierung von Graft-versus-Host und Hostversus-Graft Reaktivitäten in HLA-identischen
Spender/Empfängerpaaren
Spender
HA-1H/H
=
Empfänger
HA-1H/R
keine Reaktion
Spender
HA-1H/H
Empfänger
HA-1R/R
Host-versus-Graft Reaktion
(Transplantatabstoßung)
http://www.lumc.nl/5033/dbminor/
Identifizierung von Graft-versus-Host und Hostversus-Graft Reaktivitäten in HLA-identischen
Spender/Empfängerpaaren
Spender
Empfänger
HA-1R/R
HA-1H/H
Graft-versus-Leukämie Reaktion
http://www.lumc.nl/5033/dbminor/
Balance zwischen GvHD und GvL
Reaktion
Immuntherapie
Abstoßung
GvHD
GvL
T Zellen gegen
GvHD-assozierte mHags
T Zellen gegen
GvL-assozierte mHags
HA-1 and HA-2 specific CTLs are able to
induce complete remission in case of relapse
■ CD8+/HA-2-specific T cells
♦ CD8+/HA-1-specific T cells
{ white blood cell count
Marijt et al., 2003