Imunogenetika Vědní odvětví zabývající se imunitním systémem obratlovců, který je výrazně odlišuje od nižších organizmů se nazývá imunologie. Její náplní je zejména studium imunity – mechanizmů stálosti vnitřního prostředí, studium imunitních reakcí – složitého řetězce pochodů jimiž organizmus odpovídá na přítomnost cizorodých činitelů - antigenů a jehož výsledkem je tvorba protilátek. Věda, která se následně zabývá genetickými aspekty imunitních systémů se nazývá imunogenetika. V širším slova smyslu se pod pojmem imunogenetika rozumí ta část genetiky, která zkoumá genetickou variabilitu imunologickými metodami. Základní oblastí imunogenetiky je studium antigenů lokalizovaných na povrchu červených krvinek, tzv. erytrocytárních antigenů, které jsou podstatou krevních skupin a antigenů nacházejících se na membránách všech buněk, tzv. histokompatibilitních antigenů, které ovlivňují slučivost (kompatibilitu) tkání při transplantacích, nazývají se proto také transplantační antigeny. Erytrocytární antigeny - krevní skupiny Tyto antigeny jsou lokalizovány většinou, některé výhradně, na erytrocytech. Např. u člověka bylo na erytrocytech identifikováno cca 200 různých antigenů, převážná část z nich byla systematicky začleněna do 15 krevních skupin (polymorfních systémů). Kromě zařazených antigenů se na erytrocytech vyskytují také antigenní substance, které jsou velmi časté - veřejné, nebo velmi zřídkavé - privátní. Jeden krevně-skupinový systém je tvořen antigeny, jejichž tvorba je řízena alelami alterujícími na jednom lokusu. Symbolika je značně nejednotná, systém se označuje písmenem, několika písmeny, jménem osoby, u níž byla poprvé objevena protilátka aj. Erytrocytární antigen může být jednoduchý, nebo je tvořen více antigenními faktory - je komplexní. Tento komplex je buď determinován jednou alelou, nebo je každý jednotlivý antigen podmíněn svou alelou, které jsou děděny v těsné vazbě bez možnosti crossing-oweru. Krevní skupina je tvořena kombinací krevních antigenů na jednom lokusu u jedince. Krevní typ je soubor všech erytrocytárních antigenů na všech lokusech u jedince. Krevně-skupinové systémy je možné rozdělit do několika skupin. V jednoduchých uzavřených systémech se nevyskytují komplexní antigeny ani nulové alely nedeterminující vznik žádného antigenu, na základě fenotypu je proto možné určit přímo genotyp. Jednoduché otevřené systémy obsahují alelu, jejíž antigen není znám a netvoří se proti němu protilátka. Přitom je možné, že některé alely žádný antigen vůbec nedeterminují a jedná se tedy o alelu nulovou. Příkladem jednoduchého otevřeného systému je systém ABO u lidí. Komplexní systémy obsahují komplexní alely.
Praktické využití erytrocytárních antigenů Nejznámější praktickou aplikací je krevní transfúze. Ověření identity - každý jedinec může být charakterizován genotypizací více polymorfních systémů, protože je nepravděpodobné, že by se vyskytla dvě individua se stejným genotypem. Ověření rodičovství se zakládá na vylučovacím principu. Charakteristika erytrocytárních krevně-skupinových systémů u lidí Krevně-skupinový systém ABO byl popsán již na začátku 20. století Landsteinerem a nezávisle na něm Janským. Postupně byly objevovány další: Krevněskupinový systém
Rok objevení
Předpokládaný počet alel
Nejčastější antigeny
ABO
1900
5
A1, A2, H
MNSs
1927
20 a více
M,N,S,s
P
1927
4
P1, P2, Pk
Rh
1940
30 a více
D, Du, C, Cw, c, E, Eu, e
Lutheran
1945
3
Lua, Lub
Kell
1946
10
K,k
Lewis
1946
4
Lea, Leb
Duffy
1950
3
Fya, Fyb, Fy-
Kidd
1951
3
Jka, Jkb
Diego
1955
2
Dia, Dib
Yt
1956
2
Yta, Ytb
I
1956
4
I,i
Xg
1962
2
Xga
Dombrock
1965
2
Doa
Systém ABO, který je lokalizován na delším raménku 9. chromozómu je nejznámější, je příkladem epistáze při vytváření výsledného fenotypu. Lidé s krevní skupinou A mají na erytrocytech antigeny A, krevní skupina B má antigen B, krevní skupina AB má antigen AB, krevní skupina O nemá žádný antigen. Tomu odpovídá přítomnost příslušných protilátek:
Krevní skupina
Genotyp
Erytrocytární antigen
Protilátky v séru
O
OO
--
anti A, anti B
A
AA,AO
A
anti B
B
BB,BO
B
anti A
AB
AB
AB
--
V tomto systému jsou antigenem glykolipidy, na kterých je přítomen oligosacharidový řetězec, jehož koncová molekula určuje antigenní specifitu. Lokus ABO produkuje specifické enzymy, které připojují specifickou molekulu - acetylgalaktozoamin pro skupinu A, galaktózu pro skupinu B, alela O nepřipojí žádný cukr. Syntézu prekursorového oligosacharidového řetězce řídí jiný lokus na chromozómu č. 19, homozygot hh na tomto lokusu nevytváří žádný prekurzor, nemůže se tedy vytvořit antigen ani u jedinců, kteří mají na lokusu ABO příslušnou alelu A nebo B. Recesívní homozygoti hh mají proto vždy krevní skupinu O. Tento fenotyp se nazývá Bombay a označuje se Oh. Homozygotně recesívní konstituce hh je tedy epistatická nad lokusem ABO, což vysvětluje situaci, kdy matka s krevní skupinou (fenotypem) Oh má dítě s krevní skupinou AB:
Fenotyp
A
Oh!
Genotyp
AO HH
BO hh
Fenotyp
AB!
O
Genotyp
AB Hh
OO Hh
Dalším zajímavým systémem je Rh. Jedná se o výhradně erytrocytární systém, dosud bylo popsáno více než 30 různých antigenů. V systému jsou tři těsně vázané lokusy D-C-E lokalizované na 1. chromozómu, nejčastějšími antigeny jsou D, C, c, E, e. Alely C, c a E, e, které je kódují, jsou kodominantní, alela d je nulová. Přítomnost antigenu D je označována jako Rh+ (genotyp DD nebo Dd), nepřítomnost Rh- (genotyp dd). Jestliže Rh- žena má s Rh+ mužem dítě Rh+, působí plod svým antigenem D na matku a vyvolává u ní imunologickou reakci - tvorbu anti D protilátek. K přechodu erytrocytů plodu do krevního oběhu matky dochází přibližně v 15 % takovýchto těhotenství. Anti D protilátky
přechází z krve matky do krve plodu přes placentu a novorozenec je dostává v prvních dnech po narození také mateřským mlékem. Tvorba protilátek je vyšší při opakovaném těhotenství s Rh+ plodem, protože organismus matky již byl imunizován. V krvi plodu dochází k odstraňování erytrocytů, vzniká anémie, kterou se plod snaží kompenzovat vyšší krvetvorbou. Tento stav se nazývá hemolytická choroba novorozenců. Poškozeny mohou být i další tkáně. Biologický význam erytrocytárních antigenů je nejasný. Známá není ani příčina rozdílů ve frekvencích alel jednotlivých krevně-skupinových systémů mezi populacemi. Pravděpodobným vysvětlením je hypotéza, podle které je virulence některých mikroorganismů závislá na podobnosti jejich povrchových antigenů s antigenem hostitele (proti vlastním antigenům organismus protilátky pochopitelně nevytváří). Čím je potom větší polymorfismus v populaci, tím hůře se v ní šíří infekce. Je možné, že při epidemiích v určitých oblastech měla přítomnost určitého antigenu selekční význam. Po jejich potlačení (očkování, celkové zlepšení hygienických podmínek apod.) zůstaly mezipopulační rozdíly ve frekvencích fixovány. Histokompatibilitní antigeny Pro histokompatibilitu mají snad nevyšší význam antigeny na povrchu jaderných buněk, zejména bílých krvinek – leukocytární antigeny. U člověka i zvířat byl popsán jeden hlavní histokompatibilitní komplex antigenů, který se nazývá MHC (Major Histocompatibility Complex), nebo MHL (Major Histocompatibility Locus). U člověka se nazývá HLA (Human Lymfocytes Antigens), u skotu BOLA, u prasete PLA atd. apod. . Antigeny tohoto systému jsou kódovány alelami alternujícími U člověka na několika lokusech (nejméně sedmi) chromozomu č. 6 s různým stupněm polymorfismu. Mezi nejvariabilnější lokusy patří A s více jak 23 alelami (alela A1 až A23), B s více jak 49 alelami (alela B1 až B49) a postupně jsou nebo budou identifikovány na těchto lokusech alely další. Nejméně sedm zmíněných lokusů, většina z nich s desítkami alel, dává nesmírné množství kombinací možných genotypů - v desítkách milionů. Velmi řídce se proto naleznou jedinci, kteří by se zcela shodovali v genotypu MHC. Vyhledání shodných genotypů pro vhodného dárce a příjemce transplantátu je s výjimkou jednovaječných dvojčat prakticky nemožné. Pro výsledek transplantace je však rozhodující stupeň shody mezi dárcem a příjemcem, což výběr poněkud zjednodušuje. Dárce a příjemce jsou zcela kompatibilní, jestliže dárce má pouze ty antigeny, které jsou zastoupenu u příjemce, a žádné navíc (příjemce netvoří proto proti nim protilátky a proto nedochází k odhojení transplantátu). Typizace MHC, tj stanovení komplexu antigenů děděných na jednotlivých lokusech a přítomných na plazmatické membráně buněk je výchozí podmínkou pro porovnání rozdílnosti nebo shody genotypů dárce a příjemce, tj. podmínkou úspěšného přenosu orgánů
při transplantacích. Vzhledem k velké variabilitě je potřeba účinná mezinárodní spolupráce, vytváření bank genotypů dárců a příjemců. MHC antigeny mají kodominantní dědičnost, tj. při heterozygotním genotypu se ve fenotypu projeví antigeny determinované oběma alelami. Protože se všechny lokusy MHC nalézají na jednom chromozomu, pak se takováto skupina alel přenáší z rodičů na potomstvo jako celek a nazývá se haplotyp. Přehled o polymorfismu lokusů MHC a z toho vyplývajícího možného počtu haplotypů a genotypů, který si může čtenář odvodit vyplývá z následující tabulky a příslušných matematických vztahů: MHC lokus
A
B
C
D
DR
DQ
DP
Počet alel cca
23
49
8
19
16
3
6
Počet haplotypů = součin počtů alel na jednotlivých lokusech = n1 . n2 .............. n7 n = počet alel Počet genotypů = podíl součinu počtu haplotypů a počtu haplotypů: 1 = x (x+1) / 2 x = počet haplotypů Např. bereme-li v úvahu pouze dva lokusy A a B, pak: počet haplotypů = 23 . 49 = 1127 počet genotypů = 1127 . 1128 / 2 = 635628 Jak obtížné je vybrat pro příjemce vhodného dárce může demonstrovat následující příklad: Příjemce má jen na A a B lokusu (nebereme v úvahu lokusy další) determinovány antigeny A1, A2, B7, B8 (je tedy v obou dvou lokusech heterozygot). Z výše uvedeného možného počtu genotypů na dvou uvedených lokusech (635628) je pouze 9 genotypů dárců plně kompatibilních. Jsou to genotypy, determinující v různých alelických sestavách vždy jen tytéž antigeny jako nese příjemce: A1A1B7B7, A1A1B8B8, A1A1B7B8, A2A2B7B7, A2A2B8B8, A2A2B7B8, A1A2B7B7, A1A2B8B8, A1A2B7B8
Budeme-li brát v úvahu větší počet lokusů až konečně všechny, může si čtenář odvodit možné kombinace haplotypů a genotypů sám.
Předmětem vědeckých diskusí je přirozená biologická funkce tak mimořádně vysokého polymorfismu MHC (HLA systému), je uvažován vztah k některým onemocněním, role ovlivňující funkci buněčných membrán, imunitního systému apod. Bezprostředně není však funkce antigenů MHC, stejně tak jako funkce erytrocytárních antigenů známá.
