Major Histocompatibility Complex in Man and Autoimmune Diseases

Major Histocompatibility Complex in Man and Autoimmune Diseases Antonij Slavčev1, Ilja Stříž Imunologické pracoviště, 1Oddělení imunogenetiky Institut klinické a experimentální medicíny (IKEM), Praha

SOUHRN V etiologii a patogenezi autoimunitních onemocnění hrají důležitou roli jak různé genetické faktory, tak také faktory prostředí. I přes velký rozvoj studia asociace mezi HLA a autoimunitními nemocemi v posledních letech, není zatím u žádné z těchto chorob tento mechanizmus úplně vysvětlen. V tomto článku je v krátkosti diskutováno o některých nových poznatcích o vlivu HLA genů a jejich produktů na vznik a vývoj některých autoimunitních onemocnění. Klíčová slova: HLA, autoimunita, alela, asociace

SUMMARY Various genetic as well as environmental factors play an important role in the etiology and pathogenesis of autoimmune diseases. Although considerable progress in the study of the association between HLA and autoimmune diseases has been achieved in recent years, the mechanism of this association has not been completely explained, yet. Recent findings showing the influence of the HLA genes and their products on the onset and development of autoimmune diseases are briefly reviewed in this article. Key words: HLA, autoimmunity, allele, association

Úvod Autoimunita je fenomén, při němž imunitní systém rozpoznává vlastní antigeny a v důsledku aktivace imunokompetentních buněk se vyvíjí patologický proces (10, 21). Je známo, že více než 40 onemocnění je způsobeno autoimunitním mechanizmem, přičemž mezi ně patří tak důležité choroby jako inzulindependentní diabetes mellitus (IMDM), revmatoidní artritida (RA), roztroušená skleróza (MS), myasthenia gravis (MG), systémový lupus erythematodes (SLE) atd. Předpokládá se, že autoimunitní

onemocnění postihují více než 5 % obyvatelstva. Od prvních nepotvrzených studií, poukazujících na častější výskyt některých antigenů HLA (human leukocyte antigens) u Hodgkinova lymfomu a u akutní lymfoblastické leukemie, jsou asociace mezi HLA a některými nemocemi velmi detailně charakterizovány (11, 28). Dřívější studie poukazovaly na asociaci různého stupně mezi nemocemi a HLA antigeny 1. třídy, s vývojem novějších a přesnějších metodik se však prokázal větší význam asociace nemocí s HLA antigeny 2. třídy. Tato asociace je navíc velice významná u chorob s autoimunitní patogenezou (15). Smysl studia asociace mezi HLA a chorobami má dvě roviny. Jednak může přesná definice genetických faktorů určit populaci s vyšším rizikem vzniku nebo progrese určitého onemocnění, jednak může být přínosem pro pochopení mechanizmu vzniku dané choroby. Významný krok k vysvětlení mechanizmu asociace HLA s nemocemi byl objev základní funkce HLA molekul - předkládat peptidové fragmenty různých intra- a extra- celulárních antigenů imunitnímu systému (T buňkám) (14). V tomto smyslu fungují HLA antigeny jako „restrikční elementy“, které imunitní systém (T buňky) „vidí“ spolu s fragmenty cizích i vlastních antigenů (31). Tento fenomén, známý jako MHC (major histocompatibility complex) restrikce, určuje základní charakteristiku imunitní reakce (Th1 nebo Th2) vůči všem antigenům. Asociace HLA-DR s některými chorobami s jistou, nebo předpokládanou autoimunitní patogenezou je uvedena v tabulce 1. Cílem tohoto článku je stručně charakterizovat úlohu, kterou hrají HLA geny a jejich produkty ve vzniku a vývoji některých autoimunitních onemocnění. Nomenklatura a polymorfizmus HLA (human leukocyte antigens) Antigeny HLA jsou kódovány skupinou genů, která patří k hlavnímu komplexu tkáňové slučitelnosti (major histocompatibility complex - MHC), u člověka označován HLA. HLA se nachází na krátkém raménku šestého chromozomu a představuje nejlépe prostudovaný úsek genů v lidském genomu (25, 19). Podrobný přehled o HLA systému byl v tomto časopisu nedávno publikován (24), proto zde uvádíme pouze velmi stručný popis. Existuje šest hlavních HLA lokusů (A, B, C, DR, DQ a DP) a geny v těchto lokusech kódují HLA antigeny, což jsou glykoproteiny se shodnou strukturou, ale liší se v sekvenci aminokyselin. HLA antigeny jsou podle struktury, buněčné exprese a funkce rozděleny na dvě hlavní skupiny - 1. a 2. třídu. Antigeny 1. třídy (HLA-A, -B, -C) se vyskytují na všech jaderných buňkách, zatímco antigeny 2. třídy (HLA-DR, -DQ a -DP) jsou exprimovány jen na antigen-prezentujících buňkách (makrofágy, B-buňky, dendritické buňky, aktivované T buňky a epiteliální buňky v thymu), a s tím jsou spojeny i jejich důležité funkce v imunitní odpovědi. Geny kódující HLA jsou velmi variabilní (polymorfní), vlastně nejrozmanitější v lidském genomu. Různé varianty genů, kódující jednotlivé HLA antigeny, se nazývají alely. Existuje více než 250 alelních variant HLA-B, 120 alel HLA-A a více než 200 alelních variant genu HLA-DRB1 (3). Každý antigen má číslo, ne vždy v logickém pořadí, například A1, A2, A3, A10 atd. Principy nomenklatury HLA jsou uvedeny v tabulce 2. Geny se označují písmeny z latinské abecedy - např. HLA-DRB, HLA-DQA a polypeptidové řetězce, které jsou jimi kódovány řeckými symboly například HLA-DRb, HLA-DQa. HLA antigeny mají dva polypeptidové řetězce - a, b, tj. každý antigen je kódován dvěma geny. Antigeny 1. třídy se skládají z polymorfního a řetězce a nepolymorfního b2-mikroglobulinu (gen b2-mikroglobulinu se nachází mimo HLA oblast). Oba řetězce antigenů 2. třídy (a, b) jsou kódovány geny, nacházející se v HLA regionu (2). Sérologická typizace určuje antigeny pomocí typizačních sér na povrchu lymfocytů, např. HLA-A2, nebo HLA-B44. Typizace DNA metodikou určuje alely (varianty genů), které definují daný antigen (sérologickou specificitu). Pokud za názvem lokusu následuje hvězdička (*), znamená to, že HLA typizace byla provedena DNA metodikou (17).

Geny HLA se dědí jako celá sada, neboli haplotyp. Protože každý jedinec má dvě sady chromozomů, jedna sada pochází od matky a druhá - od otce. HLA alely mají kodominantní expresi, to znamená, že není-li přítomna genetická porucha, dochází vždycky k expresi obou alel. Vyhodnocení vlivu jednotlivých HLA alel ke zvýšení rizika onemocnění ztěžuje fakt, že HLA geny jsou ve vazebné nerovnováze (linkage disequilibrium). To znamená, že se určité kombinace alel dědí často společně (jako haplotyp) a mají nízkou frekvenci rekombinace. V takových případech vzniká otázka, zda je určitá nemoc spojená s danou alelou, například DR4, nebo s úzce s ní spojenou alelou DQ8 (v případě revmatoidní artritidy) (1). Dále je často nutné rozlišovat mezi HLA-asociovaným rizikem získat určité onemocnění a HLA-spojenou senzitivitou k progresi patologického procesu. Je možné vyčíslit absolutní a relativní riziko vzniku určitého onemocnění. Relativní riziko ukazuje, kolikrát častěji vzniká nemoc u jedinců s „rizikovou“ alelou, ve srovnání s jedinci bez této alely. Absolutní riziko je pravděpodobnost, že se u určitého jedince, který má rizikovou alelu (alely), vyvine daná nemoc. Stupeň klinické exprese určitého genu charakterizuje termín penetrace. V případě, kdy se exprese genu běžně projevuje jako klinická nemoc a jedinec, který má mutantní gen není sám nemocný, gen je „nonpenetrantní“. Pokud je gen popisován jako 90 % penetrantní, znamená to, že je 90% pravděpodobnost, že jedinec, který má tuto alelu, bude nemocný (8). Inzulin-dependentní diabetes mellitus (IDDM) IDDM je onemocnění, při němž dochází k destrukci b-buněk Langerhansových ostrůvků pankreatu autoimunitním mechanizmem. Výsledkem tohoto patologického procesu je porucha v produkci inzulinu. V ostrůvcích se nalézájí infiltráty T a B lymfocytů a na b-buňkách je detekovatelná zvýšená exprese antigenů HLA 2. třídy (4). Autoprotilátky proti b-buňkám a proti inzulinu se zpravidla dají zjistit před začátkem klinických projevů onemocnění. Asociace mezi IDDM a HLA je známá více než 20 let. První publikované asociace mezi IDDM a antigeny 1. třídy (B8 a B15) byly vystřídány asociacemi se sérologickými specificitami DR3 a DR4 (30). Pozdější studie však prokazují, že IDDM je asociován spíše s alelami DQ, které jsou úzce spojené s alelami DR, přičemž silný vliv má alela DQB1*0302. Kombinace alel DQA1*0301-DQB1*0302 a DQA1*0501-DQB1*0201 zvyšuje synergicky riziko vzniku tohoto onemocnění, naproti tomu alela DQB1*0602 má protektivní vliv (29, 6). Některé teorie vysvětlují zvýšené riziko vzniku IDDM faktem, že „rizikové“ alely prezentují autoantigenní peptidy („diabetogenní peptidy“) T buňkám, jiné předpokládají kompetici mezi alelami s vysokým rizikem a protektivními alelami o prezentaci auto-peptidů pocházejících z b-buněk (23). Analýza mechanizmu vazby peptidů izolovaných z kapes rizikových DQ molekul a jejich sekvenace nepřinesly zatím jednoznačné závěry. Ani náboje jednotlivých aminokyselin v 57 pozici b-řetězců DQ molekul, které mají vliv na vazbu peptidů, ani celková struktura DQ antigenů nemůže plně vysvětlit asociaci HLA s IDDM (20). Zdá se, že tato asociace má složitější ráz a zakládá se na kombinaci několika alel 2. třídy. Pro vyjasnění úlohy, kterou hraje HLA ve vzniku IDDM by zřejmě byla nutná podrobnější analýza mechanizmu vazby peptidů a antigenprezentujících schopností DQ molekul. Revmatoidní artritida (RA) RA je poměrně časté chronické zánětlivé onemocnění, které atakuje kloubní synovii, kromě toho však může postihovat toto systémové onemocnění i jiné orgány. K mimokloubním manifestacím patří například revmatoidní uzlíky, vaskulitida, intersticiální fibróza plic, perikarditida atd. Zatím neexistuje jednoznačný diagnostický marker pro RA, převážná část pacientů má zvýšené hladiny revmatoidních faktorů v krvi autoprotilátky, které se vážou na Fc receptory autologních IgG (10). Etiologie RA zatím není známa, předpokládá se vliv prostředí a genetických faktorů. Velký počet publikací poukazuje na asociaci mezi RA a geny, kódujícími b-řetězce HLA-DR4 a HLA-DR1 molekul. Vrozená vnímavost k RA je spojená s alelami DRB*0401, *0404 a DRB1*0101 (1). Více než 90 % bělochů s RA má jednu z těchto alel. Důležité je, že jsou to geny, které zvyšují riziko vzniku onemocnění, tj. RA se vyvine jen u malé části

jedinců, kteří májí tyto rizikové alely. Heterozygotní jedinci, kteří mají obě alely (DRB*0401 a *0404), mají signifikantně zvýšené riziko vzniku RA ve srovnání s jedinci, kteří mají jen jednu alelu. Na druhé straně má alela DRB1*0402 protektivní vliv na vznik RA (22). Studie vazeb peptidů v kapsách rizikových DR molekul ukazují, že tyto peptidy mají na čtvrté pozici aminokyseliny s negativním nábojem, protože odpovídající vazebné místo v kapse DR molekuly má pozitivní náboj (arginin nebo lyzin na pozici DRb 71). Neasociovaná molekula DR (DRB1*0402) se liší tím, že přednostně váže peptidy s pozitivním nábojem na pozici číslo čtyři. Molekulární asociace HLA-DR s RA by mohla být vysvětlená selektivní vazbou peptidů s negativním nábojem aminokyseliny na čtvrté pozici. Tyto údaje podporují koncepci o důležité roli, kterou hrají T buňky (rozpoznávající peptidy v kapse DR antigenů) v patogeneze RA. Ankylozující spondylitida (AS) AS je zánětlivé onemocnění, které zasahuje převážně klouby páteře a pánve, ale v některých případech mohou být zasaženy i jiné části těla. AS se liší od ostatních autoimunitních onemocněních tím, že 1) je velmi silně asociována s HLA 2) asociovaným antigenem je antigen 1. třídy (HLA-B27) a ne antigen 2. třídy. Více než 95 % pacientů s AS prakticky všech etnických skupin má HLA-B27 (9, 18). Průkaz antigenu B27 však nestačí k diagnóze AS, protože tento antigen má přibližně 7 % bělochů. To znamená, že pouze u 3 % B27 pozitivních bělochů dojde k rozvoji některé formy této choroby. Z těchto důvodů se testování B27 využívá jen pro vyloučení diagnózy AS. V případě, že pacient má „revmatické“ bolesti zad a je B27 negativní, je velmi nepravděpodobné, že bude mít AS. Naopak, pokud je pacient B27 pozitivní, diagnóza AS je možná, ne však prokázána. V rodině, v níž se často vyskytuje B27 pozitivní AS a antigen B27 není přítomen u některého z členů rodiny, je riziko, že se AS vyvine u tohoto jedince, velmi nízké. Existuje množství hypotéz pro vysvětlení patogenezy AS (12). Někteří autoři navrhují vysvětlení, že B27 váže specifické patogenní peptidy a prezentuje je cytotoxickým T lymfocytům. Jiní předpokládají, že vzniká „defektní“ (tzv. homodimerní) molekula B27, a tím i porucha ve funkci B27, která snižuje práh aktivace imunitního systému (5). Zatím je definováno dvanáct alelních variant B27. Nejčastější alela, která je asociovaná s AS, je B*2705 (v české populaci se vyskytují pouze alely B*2705 a B*2702 a obě jsou stejně asociované s AS), zatímco alely B*2706 a B*2709 nejsou spojeny s AS a mají protektivní vliv (7). Ty se liší od rizikové alely B*2705 tím, že místo aspartátu na pozici 116 na „dně“ kapsy, která váže peptid, mají aminokyselinu s aromatickým prstencem. To naznačuje, že selekce prezentovaného peptidu T buňkám má význam pro patogenezi AS. Je zřejmé, že je nutný další výzkum pro objasnění mechanizmu vzniku autoimunitní odpovědi v AS. Roztroušená skleróza (MS) MS je chronické zánětlivé demyelinizující onemocnění centrálního nervového systému s nejasnou etiologií a patogenezou. Převládající hypotéza je, že MS představuje poruchu regulace T- i B- buněk, při které jsou komponenty myelinu cílovými molekulami autoimunitní odpovědi. Je známo, že na vznik MS mají vliv genetické faktory, přičemž nejlépe charakterizovanými rizikovými geny jsou geny HLA (26). Na rozdíl od jiných autoimunitních chorob (RA, IDDM), se zdá, že tyto geny mají slabší vliv na vznik MS. Bylo zjištěno, že asociace MS s HLA-A3 a B7, na kterou poukazovaly starší studie, je kvůli vazebné nerovnováze antigenů HLA sekundární, a že silnější je asociace MS s HLA-DR2 (DRB1*1501 DQA1*0102 - DQB1*0602 haplotyp) (16). Další studie, hledající asociaci mezi MS a jinými geny v HLA regionu - TNFa, TAP1, TAP2, MOG (gen kódující komponentu myelinu) atd., byly zatím neúspěšné. Existují důkazy, že i působení prostředí (virové, nebo mikrobiální antigeny) může také do určité míry hrát roli v patogeneze MS. Antigeny virů Epsteina-Barrové, či eventuálně herpesvirus 6 mohou napodobovat vlastní antigeny (molekulární mimikry) a peptidy z těchto antigenů jsou schopny se vázat na molekuly DR2. Tím by mohly být aktivovány autoreaktivní T klony a následně nastartován autoimunitní proces. Je však pravděpodobné, že vliv na vznik MS mají nejen genetické faktory a vlivy prostředí, ale i další neznámé imunologické procesy. Glutenová enteropatie (GE) Glutenová enteropatie (GE) je zánětlivé onemocnění sliznice tenkého střeva spojené s malabsorpcí, které je způsobeno abnormální senzitivitou vůči a-gliadinu, obsaženém v glutenu. GE je nemoc, u níž byla

asociace s rizikovými HLA geny velmi jasně definována, a proto může sloužit jako model pro jiné autoimunitní choroby (27). Vnímavost ke glutenu je geneticky silně asociována s alelami HLA DQA1*0501 a DQ-B1*0201, přitom tyto alely mohou být situovány na jednom chromozomu (cis pozice) nebo na obou chromozomech (trans pozice). Riziko vývoje tohoto onemocnění je signifikantně zvýšeno u lidí, kteří mají dvě alely DQ-B1*0201. Tyto skutečnosti naznačují, že predispozice k této chorobě je spojená s antigen-prezentačními schopnostmi molekuly DQA1*0501/DQB1*0201. Zdá se, že tento antigen (sérologicky DQ2) může prezentovat modifikované peptidy glutenu T buňkám, a tím se může vyvinout hypersenzitivita k tomuto proteinu a následný zánět střevní sliznice. Závěr I přes velký rozvoj studia asociace mezi HLA a autoimunitními nemocemi v posledních letech není zatím u žádné z těchto chorob tento mechanizmus úplně vysvětlen. Léčba autoimunitních nemocí pomocí blokujících peptidů, které se vážou na rizikové HLA-DR nebo HLA-DQ antigeny, a tím narušují aktivaci autoreaktivních T buněčných klonů, se zdá být podle některých autorů reálná (13). Některé blokující peptidy byly již úspěšně testovány na zvířecích modelech MS a IDDM. Jiné směry výzkumu vedou ke specifické inhibici prezentace autoantigenů pomocí látek, které jsou odolnější k degradaci než peptidy (peptidomimetika) nebo k vývoji nové generace specificky účinkujících protizánětlivých léků. Je jisté, že výzkum v této oblasti v blízké budoucnosti povede k výraznému pokroku v objasnění etiologie a patogenezy, a tím i léčby autoimunitních onemocnění. Dedikace: Tato publikace je podporována grantem IGA MZ č. 4908-3. Autoři děkují MUDr. P. Ivanyimu za kritické poznámky k manuskriptu. MUDr. Antonij Slavčev, CSc. Imunologické pracoviště - oddělení imunogenetiky Institut klinické a experimentální medicíny (IKEM) Vídeňská 1958/9 140 21 Praha 4-Krč tel.: 02-61 08 35 16 fax: 02-472 16 03 e-mail: [email protected]

Literatura 1. Andersson EC, Svendsen P, Svejgaard A, Holmdahl R and Fugger L. A molecular basis for the HLA association in rheumatoid arthritis. Rev. immunogenetics 2000; 2: 81 - 87. 2. Andersson G., Andersson L., Larhammar D., Rask L. and Sigurdardottir S. Simplifying genetic locus assignment of HLA-DRB genes. Immunology Today 1994; 15: 58 - 62. 3. Bodmer JG, Marsh SG, Albert ED, Bodmer WF, Bontrop RE, Dupont B, Erlich HA, Hansen JA, Mach B, Mayr WR, Parham P, Petersdorf EW, Sasazuki T, Schreuder GM, Strominger JL, Svejgaard A and Terasaki PI. Nomenclature for factors of the HLA system, 1998. Tissue Antigens 1999; 53: 407 - 46. 4. Bottazzo GF, Dean BM, McNally JM, MacKay EH, Swift PG and Gamble DR. In situ characterization of autoimmune phenomena and expression of HLA molecules in the pancreas in diabetic insulitis. New England Journal of Medicine 1985; 313: 353 - 60. 5. Edwards JC, Bowness P and Archer JR. Jekyll and Hyde: the transformation of HLA-B27. Immunology Today 2000; 21: 256 - 60. 6. Ettinger RA and Nepom GT. Molecular aspects of HLA class II heterodimers associated with IDDM susceptibility and protection. Rev. immunogenetics 2000; 2: 88 - 94. 7. Fiorillo MT, Maragno M, Butler R, Dupuis ML and Sorrentino R. CD8(+) T-cell autoreactivity to an HLA-B27-restricted self-epitope correlates with ankylosing spondylitis. Journal of Clinical Investigation 2000; 106: 47-53. 8. Gelehrter TD, Collins FS and Ginsburg D. Clinical genetics. In: Kelly P.J., ed. Principles of Medical Genetics, Baltimore: Williams&Wilkins, 1998; 273 - 310.

9. Gonzáles-Roces S, Alvares MV, Dieye A and López-Larrea C. HLA-B27 alleles and susceptibility and resistance to ankylosing spondylitis (AS). In: Charron D, ed. Genetic Diversity of HLA, Functional and Medical implication, Paris: EDK, 1997; 2: 648 - 651. 10. Heard R. HLA and Autoimmune Disease. In: Lechler R, ed. HLA and Disease. London: Academic press, 1994; 122 - 151. 11. Charron D. HLA and Diseases. In: Charron D, ed. Genetic Diversity of HLA, Functional and Medical implication, Paris: EDK, 1997; 2:597 - 730. 12. Ivanyi P. Immunogenetics of the spondyloarthropathies. Current Opinion in Rheumatology 1993; 5: 436 - 45. 13. Kalden JR, Breedveld FC, Burkhardt H and Burmester GR. Immunological treatment of autoimmune diseases. Advances in Immunology 1998; 68: 333 - 418. 14. Krensky AM. (1997) The HLA system, antigen processing and presentation. Kidney Int 1997; (Suppl) 58: 2 - 7. 15. Lechler R. Mechanisms of HLA and Disease Associations. In: Lechler R, ed. HLA and Disease. London: Academic press, 1994; 83 - 91. 16. Liblau R and Gautam AM. HLA, molecular mimicry and multiple sclerosis. Rev. immunogenetics 2000; 2: 95 - 104. 17. Little AM, Marsh SG and Madrigal JA. Current methodologies of human leukocyte antigen typing utilized for bone marrow donor selection. Current Opinion in Hematology 1998; 5: 419 - 28. 18. Lopez de Castro JA. The pathogenetic role of HLA-B27 in chronic arthritis. Current Opinion in Immunology 1998; 10: 59 - 66. 19. McCluskey J and Peh CA. The human leukocyte antigens and clinical medicine: an overview. Rev. Immunogenetics 1999; 1: 3-20. 20. McDevitt HO. (1997) The role of MHC class II molecules in susceptibility and resistance to type I diabetes mellitus. In: Charron D, ed. Genetic Diversity of HLA, Functional and Medical Implication, Paris: EDK, 1997; 2: 70 - 74. 21. Moller E. Mechanisms for induction of autoimmunity in humans. Acta Paediatrica 1998; (Supplement) 424: 16 - 20. 22. Nepom GT. Major histocompatibility complex-directed susceptibility to rheumatoid arthritis. Advances in Immunology 1998; 68: 315 - 32. 23. Nepom GT. and Kwok W. W. Molecular basis for HLA-DQ associations with IDDM. Diabetes 1998; 47: 1177 - 84. 24. Petřek M. Hlavní histokompatibilní komplex člověka (HLA) v klinické imunologii: nomenklatura a možnosti laboratorní diagnostiky. Alergie 2000; 2: 155 - 160. 25. Robinson J, Malik A, Parham P, Bodmer JG and Marsh SG. IMGT/HLA database - a sequence database for the human major histocompatibility complex. Tissue Antigens 2000; 55: 280 - 87. 26. Sawcer S and Goodfellow PN. Inheritance of susceptibility to multiple sclerosis. Current Opinion in Immunology 1998; 10: 697 - 703. 27. Schuppan D. Current concepts of celiac disease pathogenesis. Gastroenterology 2000; 119: 234 - 42. 28. Thorsby E. Invited anniversary review: HLA associated diseases. Human Immunology 1997; 53: 1 11. 29. Thorsby E and Ronningen KS. Particular HLA-DQ molecules play a dominant role in determining susceptibility or resistance to type 1 (insulin-dependent) diabetes mellitus. Diabetologia 1993; 36: 371 - 7. 30. Tiwari JL and Terasaki PI. Juvenile diabetes mellitus. In: Tiwari JL, Terasaki PI, eds. HLA and Disease. New York: Springer-Verlag, 1985; 185 - 210. 31. Zinkernagel RM and Doherty PC. The discovery of MHC restriction. Immunology Today 1997; 18: 14 - 17.