Genska osnova imunske funkcije -Imunogenetika-

Cilj uticaj gena za pojedine komponente imunskog sistema na imunski odgovor

IMUNOGENETIKA obuhvata Genetiku i evoluciju imunskog sistema; Genetsku kontrolu imunskog odgovora i osetljivosti na bolesti zbog defekta u imunskim komponentama; Bioinformatiku imunskog sistema; Strukturu značajnih molekula imunskog sistema; Imunogenetiku reproduktivne biologije, diferencijacije tkiva i razvoja.

Imunogenetika je grana biomedicinskih istraživanja koja objašnjavaju odnos između imunskog sistema i genetike Autoimunske bolesti su kompleks genetskih osobina koje su posledica defekata u imunskom sistemu. Identifikacijom gena koji definišu defekte imuniteta može se ukazati na nove ciljne gene kao terapijske mete. Genetske varijacije mogu takođe pomoći u definisanju imunskih puteva koji dovode do razvoja bolesti. Imunogenetika interakcija između ćelija Imunogenetika diferencijacije tkiva i razvoja Filogenija aloantigena Genetska kontrola imunskog odgovora i predispozicije za bolest, genetika i biohemija aloantigena.

Poznata su najmanje četiri glavna aspekta imunogenetike 1. Konvergencija različitih elemenata imunskog sistema u mrežu informacija u vezi sa lokalizacijom gena, strukturom i ekspresionim profilom različitih komponenti prirodnog i/ili adaptivnog imuniteta. 2. Genetska regulacija fizioloških imunskih funkcija posredstvom naslednih ili epigenetskih procesa kao što su preuređenje gena za Ig i TCR, somatske hipermutacije, imunska selekcija u primarnim i sekundarnim limfoidnim tkivima, obrada antigena i prikazivanje u sklopu MHC molekula, i dr. 3. Genetske promene imunskog sistema u patološkim uslovima kao što su hematološke bolesti, alergije, imunodeficijencije, infekcije, hronične inflamacije, autoimunost i tumori. 4. Ukazuju na personalizovana oruđa u imunoterapiji predviđanjem uspešnosti lečenja ili smanjenjem neželjenih efekata.

Imunoregulacija na genskom nivou Imunski odgovor neke osobe je kontrolisan genetskom osnovom: Geni koji kodiraju TCR i BCR Geni koji kodiraju regulatorne molekule imunskog odgovora: MHC ?

MHC-vezani geni kontrolišu odgovor na infekciju neki HLA haplotipovi su povezani sa responderi/neresponderi, osetljivost/rezistencija Polimorfizam za citokine i hemokine Pre svega gena za citokinske receptore NeMHC geni npr, regulacija aktivnosti MF

MHC Sojevi miševa sa različitim MHC haplotipovima razlikuju se u njihovoj sposobnosti da indukuju imunski odgovor na dati Ag Antigen vezujući žleb je formiran od najpolimorfnijih rezidua MHC molekula (kodiranih različitim alelima) Dakle, aminokiselinska sekvenca antigen vezujućeg žleba MHC žleba određuje koji će se tačno peptidi vezati Neki HLA haplotipovi daju zaštitu od malarije (Plasmodium falciparum) Osetljivost za razvoj autoimunskih bolesti je pod uticajem MHC gena

Stvaranje raznovrsnosti Ig molekula na B ćelijama - Jedinstvena organizacija - Samo B ćelije mogu da eksprimiraju Ig protein - Genski segmenti kl - laki lanac , , , ,  - težak lanac prisutni na tri hromozoma V J C

Rearanžman gena tokom razvoja B ćelija Hromozom 2 – k laki – 40V x 5J x 1C = 200 Hromozom 22 – l laki – 30V x 6J(C) = 80 Hromozom 14 – teški - 200V x 20D x 6J = 24 000 = 9,1 x 106 + Kodiranje konstantnih delova 9C (a1, a2, g1, g2, g3, g4, m, d, e) = 108 Summary of all the gene segments 4 parts to make each chain V, J, D, and L

Koncept rearanžiranja gena Germline konfiguracija Genski segmenti treba da se rearanžiraju za ekspresiju Sekvencijalno raspoređeni Pojavljuje se u prekursorima B ćelija u kostnoj srži Raznovrsnost nastaje PRE izlaganja antigenu

Rearanžiranje gena za težak lanac

An additional gene segment needs to be reassembled to make a functional Heavy chain. - this is called the D segment Requires two recombination events CDR1 i CDR2 CDR3

Rearanžiranje gena za laki lanac

Reassembly process is called recombination - process where gene segments are cut and spliced together V-region of Light chain is encoded by the combination of one V and one J segment C region is encoded by one C gene Variability is in V gene segments is in the sequences encoding the first and second hypervariable regions - the third hypervariable region is encoded by the junction of V and J. CDR1 i CDR2 CDR3

Mehanizam rekombinacija Signalne sekvence za rekombinaciju (engl. recombination signal sequences, RSS) direktno rekombinovanje V i J (L lanac) V D J (H lanac) RSS tipovi sastoje se od: - nonamera (9 baznih parova) - heptamera (7 baznih parova) - spacer - Dva tipa: [7-23-9] i [7-12-9] Odlike RSS: - prepoznavanje mesta za enzime koji katalizuju rekombinacije - rekombinacije se dešavaju po tačnom redu (pravilo 12/23)

one-turn i two-turn RSS. Sekvence od 12- i 23-bp odgovaraju jednom tj dva okreta DNK heliksa; to je razlog da su ove sekvence označene kao one-turn i two-turn RSS.

Stvaranje Ig raznovrsnosti pre susreta sa Ag Nasumična kombinacija V i J (L lanac) i V, D, J (H lanac) regiona Spojna raznolikost nastala dodavanjem P i N nukleotida Kombinatorno povezivanje lakih i teških lanaca (svaki funkcionalni laki lanac je spojen sa različitim funkcionalnim teškim lancem i vice versa)

Alelsko isključivanje Svaka B ćelija sintetiše samo jedan aktivan laki i jedan teški lanac. Ukoliko je napravljen jedna funkcionalni lanac nema daljeg rearanžmana Ukoliko nije došlo do formiranja funkcionalnog lanca B ćelija pokušava dalje da napravi funkcionalni lanac.

Stvaranje BCRa (IgD i IgM) Rearanžman VDJ teškog lanca donosi genski promotor bliži C i C Oba Ig, IgM i IgD, su simultano eksprimirani na površini B ćelije kao BCR Alternativnim splicingom primarnog transkripta stvara se IgM ili IgD Naivne B ćelije su rani stupanj B ćelija koje se još nisu susrele sa antigenom i eksprimiraju IgM i IgD

Alternativnim splicingom primarnog transkripta stvara se IgM ili IgD Isti primarni RNK transkript Različita obrada transkripta (mRNA) IgM i IgD su koeksprimirani na većini zrelih naivnih B ćelija (ćelija može da stvara IgM i IgD u isto vreme)

Ig imaju i membransku i sekretornu formu. Obrada RNK određuje koja forma će biti napravljena za transkripciju SC=secretion coding MC=membrane coding Isti primarni transkript Različito obrađeni transkripti

Stvaranje klonova T ćelija G: TCR u germ-line konfiguraciji A, B, C: rearanžman TCR sa različitim specifičnostima A A A A Ag zaTCR A A G G B B C C Ag za TCR C C C sekundarna limfoidna tkiva Ag- zavisno umnožavanje klonova SelekcijaT ćelija sa dobrim TCR u timusu Timus TCR rekombinacije Stem ćelije C

Rearanžman  lanca TCR DN CD25+ CD44+ CD25- V D J C Germ-line konfiguracija V D J C D-J spajanje V D J C V-DJ spajanje DN CD25+, CD44low C region se spaja sa VDJ i -lanac je produkovan u citoplazmi Nema TCR-a na površini ćelije

Pre T ćelijski a receptor preTcR a-chain TcR b-chain CD8 CD4 TcR b-chain preTcR a-chain DN CD3+ very low pT: CD25- CD44- DP CD3+ low pT: CD25- CD44- CD4+ CD8+ Ćelije proliferišu brzo i nastaju ćelije sa istim  lancem 2. Uspešan rearanžman  onemogućava rearanžman za  na drugom hromozomu Osigurava se ekspresija TCR samo sa jednom specifičnošću po ćeliji

Rearanžman α lanca TCR DP DP Selekcija može sada da počne CD3+ low pT: CD25- CD44- CD4+ CD8+ Kada proliferacija prestane, počinje rearanžiranje za  lanac Germ-line  J C V V-J rearanžman 1° transkript za  mRNA CD3+ TcR+ DP T ćelije mogu da prepoznaju antigene i interaguju sa MHC I & II preko CD4 & CD8 Selekcija može sada da počne

5 x 107 po danu Mišji timus 2 x 106 po danu Kako timus odabira koje su ćelije korisne, koje su opasne a koje su nekorisne

Sopstveni proteni ulaze u endogeni i egzogeni put obrade antigena Sopstveni ćelijski proteini Sopstveni serumski i ćelijski proteini Putevi za obradu antigena ne razlikuju sopstveno od stranog

Sopstveni peptidi su u MHC I & II molekulima Purifikovani stabilni MHC-peptid kompleksi Frakcionisanje i mikrosekvence peptida Izbacivaje peptida >90% izdvojenih peptida su poreklom od sopstvenih proteina Ipak, sopstveni antigeni obično ne aktiviraju T ćelije

Imunski sistem omogućava limitiran stepen samoprepoznavanja TCR prepoznaje nesopstvene peptidne antigene i sopstvene MHC molekule MHC molekuli OGRANIČAVAJU aktivaciju T ćelija Ali kako T ćelija saznaje koliko samoprepoznavanja je prihvatljivo?

Timus prihvata T ćelije koje se nalaze u uskom prozoru afiniteta za MHC molekule Nekorisne Zanemarene Korisne Pozitivna selekcija Opasne Negativna selekcija Broj ćelija Nizak Visok Afinitet TCR/MHC interakcije

Procesi selekcije u timusu Timociti su u duplo pozitivnom stupnju Pozitivna i negativna selekcija su neophodne za stvaranje efektivnog T ćelijskog repertoara.

Pozitivna selekcija je posredovana timusnim kortikalnim epitelnim ćelijama

Koreceptorska specifičnost T ćelije je određena tipom MHC sa kojim TCR stupa u interakciju

Negativna selekcija Osigurava autotolerancu Uklanja visoko afinitetne timocite Mehanizam: APĆ sa MHC interaguju sa timocitima Ako je aviditet jak  timociti idu u apoptozu Detalji su nepoznati… Rezultat? Samo autotolerantni timociti preživljavaju.

Negativna selekcija je uglavnom posredovana medularnim epitelnim ćelijama i APĆ poreklom iz kostne srži (dendritičnim ćelijama i makrofagima)

Teške kombinovane imunodeficijencije (SCID) Autoimunske bolesti Teške kombinovane imunodeficijencije (SCID) Normalno se ćelije imunskog sistema koje reaguju sa sopstvenim antigenima uklanjaju u ranom razviću. Kako se gubi sposobnost autotolerancije? defekti u negativnoj selekciji i editovanju receptora defektan broj i funkcija Treg defekti u apoptozi zrelih autoreaktivnih limfocita neadekvatno funkcionisanje inhibitornih receptora aktivacija APĆ koja prevazilazi regulatorne mehanizme i rezultuje u povišenoj aktivaciji T ćelija Uključuje kompletnu nefunkcionalnost imunskog sistema