TEMA 5: Respuesta inmunitaria. CPA. CMH PDF

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TEMA 5: Respuesta inmunitaria. Procesamiento y reconocimiento antigénico. Células y moléculas presentadoras de antígeno. El Complejo Mayor de Histocompatibilidad (CMH): estructura y función. Complejo Principal de Histocompatibilidad Las principales funciones de los linfocitos T consisten en la defensa frente a microbios intracelulares y la activación de otras células, tales como macrófagos y linfocitos B. Todas estas funciones precisan que los linfocitos T interactúen con otras células, que pueden ser células del huésped infectadas, células dendríticas, macrófagos o linfocitos B. Los linfocitos T solo pueden reconocer antígenos que se presentan en otras células. Los linfocitos T sólo pueden reconocer antígenos que se presentan en otras células. Esta especificidad de los linfocitos T contrasta con la de los linfocitos B y sus productos secretados, los anticuerpos, que pueden reconocer antígenos tanto solubles como asociados a células. La tarea de presentar antígenos asociados a células para que sean reconocidos por los linfocitos T corre a cargo de proteínas especializadas que son codificadas por genes presentes en un locus denominado complejo principal de histocompatibilidad (CPH). El CPH fue descubierto como un locus extendido con un alto contenido en genes sumamente polimorfos que determinaban el pronóstico de los tejidos trasplantados entre los individuos. Ahora sabemos que la función fisiológica de las moléculas del CPH es la presentación de los péptidos a los linfocitos T. De hecho, las moléculas del CPH son componentes integrales de los ligandos que reconocen la mayor parte de los linfocitos T, ya que sus receptores del antígeno en realidad son específicos frente a complejos formados por péptidos de antígenos extraños y moléculas del CPH propias. Existen dos tipos principales de productos génicos del CPH, que se denominan moléculas del CPH de la clase I y de la clase II, que contactan con diferentes conjuntos de antígenos proteínicos, antígenos citosólicos (intracelulares) y antígenos extracelulares que han sido endocitados, respectivamente. Las moléculas de la clase I presentan péptidos a los linfocitos T citotóxicos (LTC) CD8+ y las de la clase II a los linfocitos T cooperadores CD4+. Por tanto, el conocimiento de la estructura y la biosíntesis de las moléculas del CPH y la asociación de los antígenos peptídicos a las moléculas del CPH y la asociación de los antígenos peptídicos a las moléculas del CPH son fundamentales para comprender cómo los linfocitos T reconocen los antígenos extraños. Descubrimiento del CPH y su función en las respuestas inmunitarias Descubrimiento del CPH del ratón 

El CPH se descubrió como un locus genético cuyos productos eran responsables del rechazo agudo de injertos tisulares que se realizaban entre cepas consanguíneas de ratones.

La clave para comprender este descubrimiento es el concepto de polimorfismo génico. Algunos genes están representados únicamente por una secuencia de ácidos nucleicos normal en todos los miembros de una especie (excepto en el caso de mutaciones relativamente raras); estos genes no se consideran polimorfos, de modo que la secuencia génica normal, o del tipo natural, suele estar presente en los dos cromosomas de un par de cada uno de los miembros de la especie. En el caso de otros genes, existen formas alternativas o variantes con frecuencias fijas en diferentes miembros de la población. Dichos genes se consideran polimorfos y cada una de las variantes comunes de un gen polimorfo se conoce con el nombre de alelo. Para los genes polimorfos, un individuo puede tener el mismo alelo en el locus génico, de los dos cromosomas del par, y entonces se dice que es homocigoto, o bien tener dos alelos diferentes, uno en cada cromosoma, y se denomina heterocigoto.

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En la década de los cuarenta, George Snell y cols. Utilizaron técnicas genéticas para analizar el rechazo de tumores trasplantados y otros tejidos injertados entre cepas de ratones de laboratorio. Para poderlo realizar fue necesario producir cepas de ratones consanguíneas mediante el apareamiento repetido de hermanos. Después de unas 20 generaciones, cada miembro de una cepa consanguínea tiene secuencias de ácidos nucleicos idénticas en todas las localizaciones de todos los cromosomas. En otras palabras, los ratones consanguíneos son homocigotos en cada uno de los locus genéticos y cada uno de los ratones de una cepa consanguínea es genéticamente idéntico (singénico ) a todos los demás ratones de la misma cepa. En el caso de los genes polimorfos, cada cepa consanguínea, debido a que es homocigota, expresa un único alelo de la población original. Diferentes cepas pueden expresar diferentes alelos y se considera que son alógenas entre ellas. Cuando se inserta un tejido u órgano de un animal a otro, como un colgajo de piel, existen dos posibilidades. En algunos casos, la piel injertada sobrevive y actúa como piel normal. En otros, el sistema inmunitario destruye el injerto, un proceso que se denomina rechazo. En los estudios con injertos de piel se ha observado que en los injertos entre animales de una cepa consanguínea no hay rechazo, mientras que los realizados entre animales de diferentes cepas (o entre animales no consanguíneos) son rechazados. Por tanto, el reconocimiento de un injerto como propio o extraño es un rasgo heredado. Los genes responsables de que un tejido injertado sea percibido como similar o diferente a los tejidos propios se denominaron genes de histocompatibilidad (genes que determinan la compatibilidad tisular entre individuos), y las diferencias entre el tejido considerado propio y el extraño fueron atribuidas a polimorfismos génicos entre los diferentes alelos de los genes de histocompatibilidad. Para identificar los genes relevantes se aplicaron técnicas de genética, es decir, la crianza y el análisis de la descendencia. La estrategia crítica en este esfuerzo fue la crianza de cepas de ratones congénicos; en dos cepas congénicas, los ratones son idénticos en todo, excepto en lo que se ha seleccionado que sea diferente. Los análisis de los ratones congénicos que se seleccionaron por su capacidad para rechazar injertos realizados entre ellos mostraron que una única región génica era la principal responsable del rechazo agudo del injerto; esta región se denominó locus principal de histocompatibilidad. El locus concreto identificado en los ratones por el grupo de Snell estaba relacionado con un gen situado en el cromosoma 17 que codifica un antígeno de grupo sanguíneo polimorfo denominado antígeno II y, por tanto, esta región recibió el nombre de histocompatibilidad 2 o, simplemente, H-2. Inicialmente, se pensó que este locus contenía un solo gen que controlaba la compatibilidad de los tejidos. Sin embargo, se observaron una serie de acontecimientos de recombinación ocasionales en el locus H-2 durante el cruce de diferentes cepas que indicaban que contenía varios genes diferentes aunque muy relacionados, cada uno de ellos implicado en el rechazo de injertos. La zona génica que controla el rechazo de injertos y que contiene varios genes relacionados se denominó complejo principal de histocompatibilidad o CPH. Los genes que determinan el destino de los tejidos injertados están presentes en todas las especies de mamíferos, son homólogos a los genes los H-2 identificados inicialmente en ratones y se llaman genes del CPH. Otros genes que contribuyen en menor medida al rechazo de los tejidos se denominan genes secundarios de histocompatibilidad.

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Mapas esquemáticos de los locus del CPH humano y del ratón. La organización básica de los genes del locus CPH es similar en seres humanos y en ratones. Los tamaños de los genes y de los segmentos de ADN que intervienen no están representados a escala. Los locus de la clase II se muestran como bloques únicos, aunque cada locus está formado por varios genes. El locus del CPH de la clase III hace referencia a los genes que codifican moléculas diferentes a las moléculas presentadoras de péptidos; este término no se utiliza habitualmente.

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Los genes del CPH controlan la respuesta inmunitaria a los antígenos proteínicos.

Durante casi 20 años después de haberse descubierto el CPH, la única función registrada atribuida consistió en el rechazo de injertos. Esto resultó un rompecabezas para los inmunólogos, ya que el trasplante no es un fenómeno normal y no existía ninguna razón obvia por la que una serie de genes se hubieran conservado a lo largo de la evolución si su única función era controlar el rechazo de injertos de tejidos extraños. En las décadas de los años sesenta y setenta se descubrió que los genes del CPH tienen una importancia fundamental en todas las respuestas inmunitarias a antígenos proteínicos. Baruj Benacerraf, Hugh McDevitt y cols. Comprobaron que cepas consanguíneas de cobayas y ratones diferían en su capacidad para elaborar anticuerpos frente a polipéptidos sintéticos simples y que esa respuesta se heredaba con un patrón mendeliano dominante. Los genes relevantes se denominaron genes de la respuesta inmunitaria (Ir) y se observó que todos estaban localizados en el CPH. Ahora sabemos que los genes Ir son, de hecho, genes del CPH que codifican moléculas del CPH que difieren en su capacidad para unirse y presentar polipéptidos derivados de diversos antígenos proteínicos. Las cepas sensibles heredan los alelos del CPH cuyos productos se unen a dichos péptidos, formando complejos péptido-CPH que pueden ser reconocidos por los linfocitos T cooperadores. Estos linfocitos T cooperadores ayudan a los linfocitos B a producir anticuerpos. Las cepas no sensibles expresan moléculas del CPH que no son capaces de unirse a péptidos derivados de antígenos polipeptídicos y, por tanto, no pueden generar linfocitos T cooperadores ni anticuerpos específicos para el antígeno. La prueba definitiva de la importancia de las moléculas del CPH en el reconocimiento del antígeno por los linfocitos T llegó con el descubrimiento del fenómeno de la restricción por el CPH de los linfocitos T.

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Descubrimiento del CPH humano 

Las moléculas del CPH humano se denominan antígenos leucocitarios humanos (HLA) y son equivalentes a las moléculas H-2 del ratón.

Los tipos de experimentos utilizados para descubrir y definir los genes del CPH en el ratón, que requieren consanguinidad, obviamente no pueden realizarse en seres humanos. Sin embargo, el desarrollo de las transfusiones de sangre y, especialmente, del trasplante de óranos como métodos de tratamiento en medicina clínica supuso un importante avance para detectar y definir los genes que controlan las reacciones de rechazo en los seres humanos. Jean Dausset, Jan van Rood y cols. Demostraron por primera vez que los pacientes que rechazan riñones o que presentan reacciones a los leucocitos en las transfusiones contienen con frecuencia anticuerpos circulantes que reaccionan con antígenos presentes en la superficie de los leucocitos de la sangre o en el órgano donado. Los sueros que reaccionan frente a las células de otros individuos alógenos se denominan aloantisueros y contienen aloanticuerpos, cuyas dianas moleculares se designan aloantígenos. Se supuso que estos aloantígenos son los productos de genes polimorfos que distinguen tejidos extraños de tejidos propios. Se recogieron conjuntos de aloantisueros procedentes de donantes inmunizados con aloantígenos, tales como mujeres multíparas (que se inmunizan para los aloantígenos paternos expresados por el feto durante el embarazo), voluntarios inmunizados activamente y receptores de transfusiones o trasplantes. Estos sueros se compararon según su capacidad para unirse y lisar linfocitos procedentes de diferentes donantes. Los esfuerzos realizados en varios talleres internacionales, que supusieron el intercambio de reactivos entre laboratorios, permitieron la identificación de diversos locus genéticos polimorfos agrupados conjuntamente en un único locus en el cromosoma 6, cuyos productos son reconocidos por los aloanticuerpos. Como estos aloantígenos se expresan en los leucocitos humanos, se denominaron antígenos leucocitarios humanos (HLA). Se llevaron a cabo entonces estudios familiares para construir el mapa del locus del HLA. Los primeros tres genes definidos por métodos puramente serológicos recibieron los nombres de HLA-A, HLA-B y HLA-C. La utilización de anticuerpos para estudiar diferencias aloantigénicas entre donantes y receptores se complementó con la reacción de mezcla de leucocitos (RLM), una prueba para valorar el reconocimiento de células alógenas por los linfocitos T. La RLM también constituye un modelo in vitro para el rechazo de aloinjertos. Se descubrió que los linfocitos T de un individuo proliferan en respuesta a leucocitos de otro sujeto y se empleó este análisis para localizar los genes que desencadenaban reacciones alógenas de los linfocitos T. El primer gen que se identificó a partir de estos estudios de respuestas celulares se ubicó en una región adyacente al locus del HLA definido con pruebas serológicas y, en consecuencia, recibió el nombre de HLAD. La proteína codificada por el locus HLA-D se detectó posteriormente mediante aloanticuerpos y se denominó moléculas relacionada con el HLA-D o HLA-DR. Se descubrió que otros dos genes ubicados adyacentes al HLA-D codificaban proteínas similares estructuralmente al HLA-DR y se comprobó que contribuían también a las RLM; estos genes se designaron HLA-DQ y HLA-DP, eligiéndose la P y la Q y por su proximidad alfabética a la R. Sabemos que las diferencias en los alelos del HLA entre personas son determinantes importantes del rechazo de injertos de un individuo a otro. Por tanto, el locus HLA humano es equivalente desde el punto de vista funcional al locus H-2 del ratón, definido a partir de experimentos con trasplantes.

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La nomenclatura aceptada de los genes del CPH y las proteínas que codifican está basada en homologías estructurales y de secuencia y se puede aplicar a todas las especies vertebradas. Los genes identificados como determinantes del rechazo de injertos en ratones (H-2K, H-2D y H2L) son homólogos a los genes del CPH humanos definidos con pruebas serológicas (HLA-A, HLA-B y HLA-C) y todos ellos se agrupan como genes del CPH de la clase I.

Los genes Ir de ratón (I-A e I-E) son homólogos a los genes humanos identificados por las respuestas linfocíticas en la RLM (HLA-DR, HLA-DP y HLA-DQ) y se agrupan como genes del CPH de la clase II. Propiedades de los genes del CPH 

Los dos tipos de genes del CPH polimorfos, denominados genes del CPH de la clase I y la clase II, codifican dos grupos de proteínas con estructuras distintas, pero homólogas.

Las moléculas del CPH de la clase I presentan péptidos y son reconocidas por los linfocitos T CD8+, mientras que las moléculas de la clase II presentan péptidos a los linfocitos T CD4+. 

Los genes del CPH son los genes más polimorfos del genoma.

Los estudios del CPH del ratón se realizaron con un número limitado de cepas congénicas y consanguíneas. Aunque se apreció que los genes del CPH del ratón eran polimorfos, sólo se identificaron unos 20 alelos de cada gen del CPH en las cepas consanguíneas disponibles. Los estudios serológicos humanos se llevaron a cabo en poblaciones de seres humanos no consanguíneas. Una característica destacable que se constató a partir de los estudios y de los genes del CPH humano es su grado inesperado y sin precedentes de polimorfismo. Para algunos locus del HLA se han identificado más de 250 alelos mediante análisis serológicos. La secuenciación molecular han demostrado que un alelo simple del HLA definido con pruebas serológicas puede constar de múltiples variantes que difieren ligeramente. Por consiguiente, el polimorfismo es incluso mayor que el previsto a partir de los estudios serológicos. 

Los genes del CPH se expresan de forma codominante en cada individuo.

En otras palabras, cada persona expresa todos los alelos del CPH heredados de ambos padres. Para el sujeto, esto eleva al máximo el número de moléculas del CPH disponibles para unirse a péptidos y presentarlos a los linfocitos T. El conjunto de alelos del CPH presente en cada cromosoma se denomina haplotipo del CPH. En los seres humanos, cada alelo del HLA recibe una designación numérica. Por ejemplo, un haplotipo HLA de un sujeto podría ser HLA-A2, HLA-B5, HLA-D3, etc. Todos los individuos heterocigotos tienen, por supuesto, dos haplotipos HLA. En el ratón, a cada alelo H-2 se le asigna una letra. Los ratones consanguíneos, que son homocigotos, tienen un único haplotipo. Por tanto, el haplotipo de un ratón H-2d es H-2Kd I-Ad I-Ed Dd Ld.

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En los seres humanos, determinados alelos HLA presentes en diferentes locus se heredan conjuntamente con más frecuencia de lo que cabría esperar una asignación al azar, un fenómeno que se denomina desequilibrio de ligamiento. Los descubrimientos de los fenómenos de la respuesta inmunitaria ligada al CPH y la restricción por el CPH llevaron a la conclusión que los genes del CPH controlan no sólo el rechazo de los injertos, sino también las respuestas inmunitarias a todos los antígenos proteínicos. Estos avances situaron al estudio del CPH en la primera línea de la investigación inmunológica. Estructura de las moléculas del CPH La descripción de la bioquímica de las moléculas del CPH ha sido uno de los logros más importantes de la inmunología moderna. El avance clave en este campo fue la solución de las estructuras cristalinas de las porciones extracelulares de las moléculas de las clases I y II humanas llevada a cabo por Don Wiley, Jack Strominger y cols. Posteriormente, se han cristalizado y analizado en detalle numerosas moléculas del CPH con péptidos unidos. Sobre las bases de estos conocimientos, ahora podemos comprender cómo funcionan las moléculas del CPH para presentar a los péptidos. Propiedades de las moléculas del CPH Todas las moléculas del CPH comparten determinadas características estructurales que son fundamentales para su función en la presentación de los péptidos y el reconocimiento del antígeno por parte de los linfocitos T. 

Cada molécula del CPH consta de una hendidura extracelular, o surco, que se une a péptidos seguida de un par de dominios similares a las inmunoglobulinas (Ig) y está anclada a la célula por dominios transmembranarios y citoplasmáticos. o Las moléculas de la clase I están compuestas por una cadena polipeptídica codificada en el CPH y una segunda cadena no codificada por el CPH. o Las moléculas de la clase I constan de dos cadenas polipeptídicas codificadas por el CPH.

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Los aminoácidos polimorfos de las moléculas del CPH se localizan en y son adyacentes a la hendidura que se unen a los péptidos. o Esta hendidura está formada por el plegamiento de los extremos amino de las proteínas codificadas por el CPH y está compuesta por hélices alfa pareadas que descansan sobre una superficie pomada por una lámina de ocho hebras con plegamiento beta. o Los residuos polimorfos, que son los aminoácidos que varían entre los diferentes alelos del CPH, se localizan en el interior y alrededor de la hendidura.

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o Esta porción de la molécula del CPH se une a los péptidos para presentarlos a los linfocitos T; los receptores de antígeno de los linfocitos T interactúan con el péptido presentado y con las hélices alfa de las moléculas del CPH. o Debido a la variabilidad de los aminoácidos en esta región, diferentes moléculas del CPH se unen y presentan diferentes péptidos y son reconocidas de forma específica por los receptores del antígeno de los linfocitos T. 

Los dominios similares a las Ig no polimorfos de las moléculas del CPH contienen sitios de unión a las moléculas de los linfocitos T CD4 y CD8. o CD4 y CD8 se expresan en diferentes subpoblaciones de linfocitos T maduros y participan, junto con los receptores del antígeno, con el reconocimiento de los antígenos; es decir, CD4 y CD8 son de los linfocitos T. o CD4 se une de forma selectiva a las moléculas del CPH de la clase II, mientras que CD8 lo hace a las moléculas de la clase I. Esta es la razón por la que los linfocitos T CD4+ únicamen...