Иммуногенетика и ревматические заболевания

Nicholas J. Battafarano, M.D.

1. Какие три типа молекул, относящиеся к иммунной системе, связывают специфические антигены?

Иммуноглобулины, Т-клеточные рецепторы и молекулы ГКГ класса I и II.

Каждый из этих молекулярных классов имеет свои связи с определенными ревматическими заболеваниями. Наличие связи между конкретными аутоиммунными заболеваниями и экспрессией специфических молекул комплекса гистосовместимо-сти позволяет разобраться в патогенезе и прогнозировать вероятность возникновения заболевания.

2. Что такое главный комплекс гистосовместимости и какова его функция?

ГКГ локализован в коротком плече 6-й хромосомы в области, содержащей почти 4 млн пар оснований. Существуют три области, кодирующие три различных класса белков,— комплекс гистосовместимости класса I, II и III (см. рисунок).

Самый большой по протяженности участок (почти 2 млн пар нуклеотидов) кодирует молекулы класса I. Более короткий участок (около 1 млн пар нуклеотидов) кодирует молекулы класса П. Функция молекул этих двух классов заключается в презентации антигенов Т-клеткам. Оставшийся участок комплекса гистосовместимости между областями, относящимися к классам I и II, кодирует различные белки, и не способные выявлять антиген.

Однако многие белки класса III участвуют в регуляции иммунного ответа, и некоторые из них связаны с возникновением ревматических заболеваний, в том числе С2, С4 и фактор В системы комплемента, факторы некроза опухоли (а и (3) и некото-

Главный комплекс гистосовместимости

рые белки теплового шока. Молекулы класса I и класса II являются димерами. Комплекс гистосовместимости кодирует а- и р-цепи молекул класса II, но только сх-цепи класса I. Р₂-Микроглобулин, р-цепь всех молекул класса II, кодируется относительно инвариантной аллелью 15-й хромосомы.

3. Существуют ли отличия между комплексом гистосовместимости и человеческим лейкоцитарным антигеном (HLA)?

В практических целях эти термины взаимозаменяемы. И все же они различны. Термин "главный комплекс гистосовместимости" преимущественно используется для обозначения генов, локализованных в 6-й хромосоме. Этот комплекс кодирует HLA. Термин "человеческий лейкоцитарный антиген" применяется для обозначения молекулярных продуктов генов комплекса гистосовместимости, т. е. HLA-молекулы — белки клеточной поверхности, кодируемые различными локусами комплекса гистосовместимости. Эти белки являются антигенами, поскольку похожи на большинство белков клеточной поверхности и могут быть распознаны Т-клеточными рецепторами и иммуноглобулинами. Впервые они были описаны как человеческие лейкоцитарные антигены (HLA). Однако известно, что они распределены значительно шире, чем только в лейкоцитах. С точки зрения специальной терминологии, "комплекс гистосовместимости" и "HLA" не идентичны.

4. Почему главный комплекс гистосовместимости такой необычный по сравнению с остальной частью генома человека?

Многообразие комплекса гистосовместимости не соответствует остальной части генома. Существуют различные факторы, обусловливающие это многообразие. Во-первых, ГКГ имеет много генетических локусов, кодирующих молекулы одного класса. К тому же комплекс гистосовместимости отличается полиморфизмом, нарушением равновесия в сцеплении генов и кодоминантным характером наследования.

5. В чем суть полиморфизма?

Аллель — одна из альтернативных форм гена, которая может быть наследована в специфическом локусе. Количество альтернативных аллелей для большинства локусов генов класса I и II ГКГ превышает частоту возникновения одиночной мутации. Кроме того, в отличие от единичных остатков различных аллелей, которые характеризуют другие белки, такие как иммуноглобулин, полиморфизм аллелей ГКГ проявляется различиями во многих остатках. Поэтому вместо белка (продукта гена), отличающегося от одной до трех аминокислот только в одном положении, молекулы ГКГ могут различаться по своему аминокислотному составу более чем на 10 %. Эти отличия наблюдаются в нескольких молекулах ГКГ, но большинство изменений характерно для трех специфических участков, так называемых гипервариабельных участков 1, 2 и 3. Они ответственны только за определенные связи пептидных фрагментов. Такой генетический полиморфизм не является происшествием. Наоборот, это, вероятно, следствие положительной селекции, помогающей человеку выжить в борьбе против многочисленных окружающих его антигенов.

Примеры полиморфизма: для локуса сс-цепи HLA-A идентифицировано около 50 различных аллелей; HLA-B — 100; HLA-C — 35; HLA-DRp-цепи — 100. Но каждый человек наследует только 2 аллели: одну — от отца, вторую — от матери.

6. Каково значение нарушения равновесия в сцеплении генов?

Комбинация аллелей в одной хромосоме называется гаплотипом. Две комбинации аллелей 6-й хромосомы, т. е. два гаплотипа, наследуются индивидуально: один — от матери, другой — от отца. Анализ гаплотипов ГКГ показывает нарушение в сцеплении генов: определенная комбинация аллелей в ГКГ наследуется с гораздо большей частотой, чем она проявляется в популяции.

Например, многие заболевания связаны с HLA-DR3. Существует определенное количество аллелей с нарушением в сцеплении генов с HLA-DR3. Так, европейские HLA-DRS-гаплотипы содержат такие же HLA-DQA1 и HLA-DQB2 аллели. Если выявлена связь HLA-DR3 с заболеванием, то означает, что ген, ответственный за это может быть любым из числа генов, связанных с нарушением равновесия в сцеплении генов с HLA-DR3.

7. В чем суть кодоминантного наследования?

Для каждого локуса ГКГ человек получает материнские и отцовские аллели. Это предпочтительнее, чем один — альтернативный, поскольку снова повышается число возможных комбинаций молекул комплекса гистосовместимости. Эффекты каждой экспрессированной молекулы являются доминантными. Следовательно, гетерозиготный индивид по определенному ассоциированному с HLA заболеванию имеет повышенную чувствительность к данной патологии.

8. В чем смысл букв-окончаний (А, В...) при аббревиатуре HLA?

В аббревиатурах HLA с последующим написанием буквы через дефис, например HLA-A, обозначена специфическая локализация гена в ГКГ, кодирующем конкретную молекулу HLA. HLA-A, HLA-B и HLA-C описывают самые важные характеристики локуса I гена комплекса гистосовместимости.

9. Почему HLA-D получает дополнительные обозначения буквами — R, P, Q?

Буква D характеризует внутреннюю область II класса комплекса гистосовместимости, а не только локус одного гена. Следовательно, чтобы описать фактически существующий локус гена, необходимо большее количество букв. Например, HLA-DP, -DQ и -DR указывают на локусы гена, кодирующего самые важные молекулы класса II.

Ситуацию усугубляет и то, что каждая молекула класса II ГКГ состоит из двух отдельных полипептидных цепей, обозначаемых а и р. Поэтому, если написано "HLA-DRA" или "HLA-DRB", это означает локус для HLA-DR а- или (3-цепи относительно каждого в отдельности.

10. Как буквы (области) А, В, С, D соотносятся с классом комплекса гистосовместимости?

Молекулы класса I и II главного комплекса гистосовместимости

HLA-A, -В, -С являются самыми важными молекулами класса I ГКГ. Все молекулы HLA-D представляют класс II; HLA-DP, -DQ и -DR — самые значимые из них. Используют и другие буквы — Е, F, G, H, M, N, О, но они относятся к молекулам класса I (менее важным). Необходимо знать:

• если обозначение HLA не содержит букву D, то это означает класс I ГКГ;

• если буква D присутствует в любом сочетании, то это класс П.

11. Как происходит связывание антигена?

Все антигенсвязывающие участки имеют схожую конфигурацию. Существует углубление-борозда, стенки которой образуют а-спирали. Группы непараллельных молекул образуют дно борозды Р-складчатой поверхности. В Т-клеточном рецепторе и ГКГII такое строение обуславливает наличие взаимодействия между аминоконцами а- и р-цепей. У иммуноглобулинов антигенсвязывающий участок формируется за счет взаимодействия аминоконцов тяжелых и легких цепей. Молекулы ГКГ типа I отличаются тем, что антигенсвязывающий участок формируется при взаимодействии двух аминоконцов одинаковых а-цепей.

Антигены прикрепляются как в зоне стенок из а-спиралей, так и к р-складчатому дну. Если Т-клеточный рецептор принимает комплекс пептидов — белок-молекула ГКГ, то он распознает уникальную структуру и заряд антигенного белка и а-спиралей. Т-клеточный рецептор, в отличие от антигена, не может различать детерминанты (3-складчатого дна.

Три области с самыми значительными генетическими отличиями (гипервариа-бельные участки) экспрессируются в каждом сегменте а-спирали и р-складчатой области. Такая генетическая изменчивость специфично влияет или выбирает антигены, которые могут быть связаны определенными молекулами. К тому же, она обеспечивает специфичный "отбор" Т-клеточных рецепторов, которые способны взаимодействовать с комплексом антиген-молекула ГКГ, что рассматривается как трех-молекулярное взаимодействие.

Данные области коррелируют с предрасположенностью к определенным заболеваниям. При ревматоидном артрите, например, специфичная последовательность аминокислот гипервариабельной области имеет высокую корреляцию с восприимчивостью к заболеванию — между аминокислотами в позиции 67-74 HLA-DR р-цепи.

Антигенсвязывающий участок

12. Как устроены четыре молекулы, распознающие антиген?

Иммуноглобулины, Т-клеточные рецепторы и молекулы ГКГ класса I и II являются трансмембранными, поверхностно-клеточными молекулами (см. рисунок). Каждая из них является димером, имеет две связанных цепи или более. Цепи представляют собой однородную повторяющуюся структуру, происходящую от примордиального гена, известного как "иммуноглобулиновый суперген". У любой молекулы внекле-точно расположено амино-окончание; внутриклеточно — карбокси-окончание (СООН). Связывание антигена происходит около аминоокончания молекулы. Для

любой такой молекулы существуют гены, кодирующие необычно большое разнообразие антигенсвязывающей области. Наибольшее разнообразие характерно для трех гапервариабельных участков (ГВУ 1, 2 и 3), расположенных у аминотерминалов; максимально — в ГВУ 3. В отличие от этих участков, оставшиеся чрезвычайно малоизменчивы, что способствует связыванию комплекса антиген-молекулы ГКГ и его распознаванию Т-клеточным рецептором.

13. Почему, несмотря на общие черты, молекулы ГКГ классов I и II необходимо различать?

Оба вида молекул клеточных поверхностей являются димерами, но молекулы класса II обладают большим разнообразием, чем представители класса I. И а-, и (3-цепи молекул класса II кодируются определенной областью ГКГ класса II. И хотя а-цепи молекул класса I кодируются аллелями ГКГ класса I, оба типа молекул (I и II классов) имеют одинаковые р-цепи, (3₂-микроглобулин.

14. Каковы различия в функциях молекул ГКГ класса I и II?

Эти молекулы отличаются клеточным распределением; антигенными пептидными фрагментами; типом Т-клеток, распознающих и отвечающих за антигенный комплекс, который они представляют.

Функции молекул ГКГ классов I и II

15. Правильно ли, что мощность и активность молекул ГКГ класса II имеют большее значение, чем общее количество молекул ГКГ класса I?

Да. Возможности выполнения различных функций молекул HLA-A и HLA-B примерно 50 и 100, соответственно. Число возможностей HLA-C — почти 40. Однако даже в случае гетерозиготности индивида в каждом аллеле а-цепи класса I общее количество молекул класса I будет 6-3 от матери, 3 от отца (см. рисунок).

А. Наследственные варианты молекул ГКГ класса I. В. Наследственные варианты молекул ГКГ

класса II; М — мать; О — отец

Для класса II только аллели HLA-DR ограничено количество вариантов а-цепи. Удивителен, однако, полиморфизм локуса а-цепи HLA-DP -DQ и локус HLA-DP, -DQ и -DR р-цепи является. В результате количество возможных комбинаций изменчиво. У индивидов с максимальным разнообразием будет воспроизводиться 2 молекулы HLA-DR, 4 — HLA-DP и 4 — HLA-DQ. Это означает, что различные аллели каждого локуса класса II, кроме а-локуса HLA-DR, которые относительно инвариантны, позволяют экспрессировать 10 типов молекул класса II.

16. Какие известны взаимоотношения между заболеваниями и молекулами ГКГ?

HLA-антигенные связи

17. Если Т-клетки регулируют реакции при хроническом воспалении, в чем заключается предрасполагающая роль молекул ГКГ в развитии ревматических заболеваний?

• Молекулы ГКГ являются главными в процессе, посредством которого иммунная система "позволяет" молодым Т-клеткам выжить и развиваться или вызывает их гибель.

• Молекулы ГКГ контролируют действия Т-клеток. Помните, что Т-клетки "слепые" — не могут распознавать антигены. Самостоятельно они способны специфически узнавать и, следовательно, отвечать на внедрение инородных агентов только, если комплекс включает белок и молекулу ГКГ.

18. Как молекулы ГКГ регулируют способность к детекции Т-клеток?

Это осуществляется двумя путями:

• последовательность аминокислот в молекуле ГКГ определяет, какие белковые фрагменты антигена свяжутся с этой молекулой. И только "отобранные" пепти-ды антигена, связанные с конкретной молекулой ГКГ, могут быть распознаны;

• не все Т-клетки различают молекулы ГКГ. Пептиды антигена, связанные с молекулой ГКГ класса I, распознаются Т-клетками, имеющими CDS-молекулы на

Т-клеточных рецепторах. Молекулы класса II, связанные с антигеном, выявляются Т-клетками, имеющими CD4-молекулы на Т-клеточных рецепторах.

19. Правда ли, что при наследовании HLA-DR4 ревматоидный артрит разовьется аналогично другим наследственным заболеваниям?

Нет. В отличие от заболеваний, которые передаются по аутосомно-доминантному или рецессивному типу, а также в случаях отсутствия или мутации гена, вызывающего дефицит функции жизненно важного фермента, возникновение большинства HLA-связанных болезней не удается объяснить таким образом. Очевидно, что некоторые молекулы HLA никогда не становятся причиной или подтверждением восприимчивости к заболеванию, с которым они связаны. И наоборот, они связаны с общим типом наследования для нескольких генов, что проявляется в предрасположенности к конкретному заболеванию — феномен нарушения сцепления с геном. Однако иногда наличие конкретных HLA-молекул подтверждает повышенную восприимчивость к заболеванию, с которым они ассоциируются.

20. Если ген молекул HLA не является причиной заболевания, возможно существует другой ген, о котором мы еще не знаем, вызывающий заболевание? Как это выяснить?

Обследование близнецов дает ясный ответ на этот вопрос. Если доказана связь наследуемого гена с заболеванием, то патология разовьется у обоих близнецов. Близнецы с экспрессией HLA-DR4, генетически связанного с ревматоидным артритом, имеют достоверно высокий риск возникновения этого заболевания. Однако у многих людей, имеющих HLA-DR4, никогда не развивается данная патология, несмотря на то, что им страдают сибсы (родные братья и сестры).

Доказано, что многие молекулы HLA — не просто наследственные "свидетели". При анализе распространенности заболеваний у гетерозигот и гомозигот установлено, что эффекты молекулы HLA "доминантные", поскольку наследственное заболевание развивается даже у гетерозигот. Однако индивиды-гомозиготы с частичным наследованием гена все же больше подвержены заболеванию, чем гетерозиготы. Такие исследования кодоминантной экспрессии ГКГ убеждают, что HLA важен в патофизиологии аутоиммунных заболеваний.

Исследования на крысах генетически чистых линий позволяют выявить иммуно-патогенетические взаимосвязи между HLA и заболеванием. Эти животные — транс-генные В27 крысы Льюис — являются генетически запрограммированными на экспрессию HLA-B27 в клетках. Как следствие, спонтанно развивающиеся поражения кишечника, кожи, ногтей, суставов, мочевыводящих путей и позвоночника. У человека серонегативные спондилоартропатии также сочетаются с HLA-B27.

21. Почему предполагается, что сочетающийся с ревматическим заболеванием ген не вызывает этой патологии, но повышает восприимчивость к ней?

Хотя известно, что некоторые молекулы HLA связаны с определенными заболеваниями, не обязательно, что заболеет каждый индивидуум с экспрессией молекулы HLA. Определенные гены могут повышать восприимчивость к конкретным заболеваниям, хотя и не являются их причиной. Установлено также, что негенетические факторы, такие как инфекции, четко связаны с возникновением ряда HLA-ассоциированных заболеваний. Не исключены эффекты других факторов, воздействующих на макроорганизм и окружающую его среду, которые способствуют развитию заболевания у человека с наследственной предрасположенностью.

22. Каков механизм проявления восприимчивости к заболеванию?

Ответ на этот вопрос потребует больших финансовых затрат. Поэтому пока вопрос остается без ответа.

23. Как определить достоверность связи между заболеванием и HLA?

Риск развития болезни, связанной с HLA, рассматривается как относительный. Например, относительный риск описывается как соотношение (%) количества HLA-ОК4-позитивных людей (возможно у них разовьется в будущем ревматоидный артрит) и количества индивидов, не являющихся НЬА-ВК4-позитивными:

Относительный риск зависит в том числе и от этнического состава обследуемой популяции. Например, риск ревматоидного артрита среди Н1_А-ОК4-позитивных белых в Северной Европе значительно выше, чем у НЬА-ОК4-позитивных евреев.

24. Как определить HLA-тип пациента?

Наличие HLA-DR3 или HLA-DR4 рассматривается как "серологическая" особенность. При пересадке органов и беременности их определяют методом парных сывороток, обнаружение в которых антител к молекулам ГКГ предварительно расценивается как положительный ответ. Существуют сыворотки, содержащие антитела только против HLA-DR2, HLA-DR3 и HLA-DR4 и т. п. Комбинация парных сывороток получила название "тип" и является характеристикой индивидуальных молекул комплекса ГКГ. Этот метод широко используется, особенно в трансплантологии, но в настоящее время предложены более специфичные генетические методы, применяемые для выявления ГКГ-идентичности человека и анализа иммуногенетических связей с заболеваниями.

25. Что такое перекрестная реактивность в серологическом типировании?

Антитела к молекулам HLA, полученные из сыворотки человека, способны связать похожие, но не идентичные молекулы. По мере развития серологических методов исследования стало ясно, что антитела против молекул комплекса гистосовместимости не определяют специфичный небольшой участок молекулы, "ответственный" за предрасположенность к аутоиммунному заболеванию. Если большинство молекул HLA-DR4 идентичны в определенном участке, повышающем предрасположенность к ревматоидному артриту, тогда большинство HLA-DR4-no3HTHBHbix индивидов имеют повышенную предрасположенность к нему. В противоположность сказанному выше, два индивида, один HLA-DR4-no3HTHBHbra, другой HLA-DRl-позитивный, могут иметь одинаковую предрасположенность к возникновению ревматоидного артрита, если у них имеется одинаковый участок, "облегчающий" возникновение ревматоидного артрита, несмотря на их серологические особенности.

26. Действительно ли существуют Н1А-ОК4-позитивные субъекты, не предрасположенные к повышенной заболеваемости ревматоидным артритом? Существуют ли индивиды, не имеющие HLA-DR4, но обладающие HLA-DR1, -DR6 или -DR10, и поэтому предрасположенные к ревматоидному артриту?

Да. Подобная перекрестная реактивность и, следовательно, недостоверная специфичность серотипирования требуют более точного генетического типирования сыворотки. Можно определить нуклеотидную последовательность локусов генов комплекса гистосовместимости, например с помощью DRB*0402. Они, вероятно, будут

более специфичны для определенной области молекулы HLA, которая ответственна за предрасположенность к заболеванию — часть эпитопа (отдельная антигенная детерминанта). Эти методы улучшают оценку относительного риска.

Наличие перекрестной реактивности существенно затрудняет изучение ревма-тоидного артрита. В различных этнических группах установлена связь между молекулами HLA-DR1, -DR4, -DR6 и DR10 и ревматоидным артритом. Молекулы HLA-DR4 гомологичны в первом и втором гипервариабельных участках, дают одинаковый результат при серологическом типировании (гомологичность в 1 и 2 гипервариабельных участках, характеризуется верхними четырьмя последовательностями [рисунок]). Некоторые аллели HLA-DR4, -DR1, -DR6 и -DR10 очень различаются в 1 и 2 гипервариабельных участках, но удивительно гомологичны по аминокислотному составу в третьем гипервариабельном участке (3-й гипервариа-бельный участок в нижних шести последовательностях). Этот "общий эпитоп" в 3-м участке предрасполагает к развитию ревматоидного артрита. С другой стороны, последовательность HLA-DRB*0402 (верхняя последовательность на рисунке) не формирует предпосылок к развитию ревматоидного артрита. В аллеле DRB*0402 имеются аминокислоты изолейцин (I), аспарагиновая кислота (D) и глютаминовая кислота (Е), в положениях 67, 70 и 71, соответственно. Предрасположение к возникновению ревматоидного артрита бывает при наличии лейцина (L) в 67-й позиции, глутамина (Q) или аргинина (R) в 70-й; аргинина (R) или лизина (К) в 71-й; и аланина (А) в 74-й.

Последовательность аминокислот в трех гипервариабельных участках нескольких разных аллелей HLA-DR р-цепи

Избранная литература

Abbas А. К., Lichtman A. H., Pober J. S. The major histocompatibility complex. In: Abbas A. K., Lichtman A. H., Pober J. S. (eds). Cellular and Molecular Immunology, 2nd ed. Philadelphia, W. B, Saunders 1994, 96-115.

Carson D. A. Genetic factors in the etiology and pathogenesis of autoimmunity. FASEB J., 6: 2800-2805; 1992.

Goodman J. W. Antigen presentation and the major histocompatibility complex. In: Stites D. P., Terr A. I., Parslow T. G. (eds). Basic and Clinical Immunology, 8th ed. Norwalk, CT, Apple-ton & Lange, 1994, 58-65.

Nepom B. S., Nepom G. T. Immunogenetics of the rheumatic diseases. In: Kelley W. K., Harris E., Ruddy S., Sledge C. B. (eds). Textbook of Rheumatology, 4th ed. Philadelphia, W. B. Saunders, 1993, 89-107.

Nepom B. S. The role of the major histocompatibility complex in autoimmunity. Clin. Immunol. Immunopathol., 67: S50-S55,1993.

Robinson D. M, Nepom G. T. The major histocompatibility complex and disease susceptibility. Immunol. Allergy. Clin. North Am., 13: 255-272, 1993.

Salazar M., Yunis E. J. MHC: Gene structure and function. In: Frank M. M., Austen K. F., Cla-man H. N., Unanue E. R. (eds). Samter's Immunologic Diseases, 5th ed. New York, Little, Brown and Company, 1994,101-106.

Weyand C. M., GoronzyJ. J. Functional domains on HLA-DR molecules: Implications for the linkage of HLA-DR genes to different autoimmune diseases. Clin. Immunol. Immunopathol., 70:91-98,1994.

Winchester R.J. Immunogenetics. In: Schumacher H. R. (ed.). Primer on the Rheumatic Diseases, 10th ed. Atlanta, Arthritis Foundation, 1993, 35-40.

Winchester R.J. The molecular basis of susceptibility to rheumatoid arthitis. Adv. Immunol., 65: 389-466,1994.