I) Introduction II) CMH : Génétique et structure moléculaire A) Mise
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2016-2017 complexe majeur d'histocompatibilité et présentation d'antigène CMH et présentation d'Antigène – UE 7 : Immunologie – Distribution de poly (schémas reportés dans le cours) Semaine : n°2 (du 06/02/2017 au 10/02/1017) Date : 06/02/2017 Heure : de 14h00 à 16h00 Binôme : n°11 Professeur : Pr. Bertin Correcteur : 48 Remarques du professeur - forum industrie et internat : 8 et 9 mars 2017 - [email protected] PLAN DU COURS I) Introduction II) CMH : Génétique et structure moléculaire A) Mise en évidence et définition B) Structure C) Diversité génétique D) Variabilité et déséquilibre de liaison III) La présentation d' antigènes A) Lymphocyte : Acteur majeur de la réponse adaptative B) Fixation de l'Antigène 1/14 2016-2017 complexe majeur d'histocompatibilité et présentation d'antigène I) Introduction: Immunité adaptative : Elle fait suite à la réponse immunitaire innée C'est la reconnaissance et l'élimination sélective des microorganismes spécifiques ou des molécules antigéniques. Elle se met en place chez les vertébrés. Elle présente 4 caractéristiques majeures : – spécificité d'antigène : comment s’effectue la présentation d'Ag à l'origine de cette spécificité ? – énorme diversité – mémoire immunitaire (vaccination) – distinction du soi et du non-soi Elle nous identifie immunologiquement. Comment interviennent les molécules du CMH dans les greffes ? Greffe syngénique : souches de souris génétiquement identiques (jumeaux qui partagent le même patrimoine génétique) → la greffe est acceptée Allogreffe : greffe chez des individus génétiquement différents au sein d'une même espèce → la greffe est rejetée On s'est rendu compte que la base génétique de cette compatibilité tissulaire implique les gènes du CMH, ce qu'on appelle chez l'homme le système HLA. Objectifs du cours : – Savoir définir ce qu'est le CMH – Connaitre et comprendre la structure moléculaire des molécules du CMH – Connaitre et comprendre la diversité génétique des molécules du CMH – Connaitre et comprendre la fonction des molécules du CMH : la présentation d'antigènes protéiques Pourquoi ? Appréhender le CMH dans ses applications cliniques : greffes d'organes et de cellules souches hématopoïétiques Appréhender le rôle du CMH dans le développement de pathologies (maladies auto-immunes, cancers) 2/14 2016-2017 complexe majeur d'histocompatibilité et présentation d'antigène II) Le CMH : Génétique et structure moléculaire A) Mise en évidence et définition Complexe Majeur d'Histocompatibilité = système HLA (chez l'homme) COMPLEXE : région d'ADN génomique qui contient plus d'une centaine de gènes codant pour des produits divers MAJEUR : ses produits sont à l'origine de différences allogéniques importantes entre individus de la même espèce Ce qui nous diffère ce sont les groupes sanguins, on parle d'alloantigènes du groupe sanguin et la deuxième grande diversité sont les gènes du CMH. HISTOCOMPATIBILITE : ce sont ces régions qui dictent les règles de compatibilité tissulaires lors des greffes (il faut être histocompatibles pour les groupes HLA) Le CMH est le marqueur moléculaire de l'identité cellulaire : c'est ce qui nous définit immunogénétiquement 2 rôles : – Rôle physiologique : présentation d'antigènes protéiques – Rôle pathologique : responsable du rejet de greffe tissulaire Les gènes du CMH se trouvent sur le bras court du chromosome 6. Cette région génétique est sous-divisée en 3 classes : on parle de CMH de classe I, II et III. Dans ces régions, il y a des gènes qui n'ont rien à voir avec la réponse immunitaire. On a des gènes majeurs et des gènes mineurs. Dans la région du CMH classe III on trouve les gènes du complément, des cytokines. Nous n'en reparlerons pas dans ce cours. 3/14 2016-2017 complexe majeur d'histocompatibilité et présentation d'antigène B) Structure CMH I Le CMH de classe I est une glycoprotéine transmembranaire appartenant à la famille des immunoglobulines. Attention ce n'est pas pour autant un Ac ! Cela signifie juste que quand on regarde la séquence en AA de cette chaîne protéique et qu'on la compare à une séquence en AA d'un Ac on se rend compte qu'il y a des similitudes. Il se trouve à la surface de quasiment toutes les cellules nuclées. (Exceptions : GR, certaines cellules du système nerveux central, quelques cellules épithéliales très particulières) C'est un hétérodimère non covalent d'une chaine alpha et de beta 2 microglobuline.Ce sont des interactions hydrophobes. Au niveau de la chaine alpha il y a 3 sous-domaines : alpha 1, 2 et 3 Alpha 1 et 2 sont éloignés de la membrane alors que le domaine alpha 3 est proximal. Le CMH de classe II est également une glycoprotéine transmembranaire appartenant à la famille des immunoglobulines. C'est un hétérodimère non covalent d'une chaine alpha avec une chaine beta. Les chaines sont associées entre elles, mais il n'y a pas de liaison covalente, elles ne sont pas liées physiquement entre elles. Il est exprimé uniquement à la surface des cellules présentatrices d'antigène C) Diversité génétique → Le CMH est polygénique : pour une même classe de CMH, il existe plusieurs gènes de structure et de fonctions semblables mais pas identiques. 4/14 2016-2017 complexe majeur d'histocompatibilité et présentation d'antigène 1) CMH I Il existe 3 gènes majeurs, chacun codant une chaine alpha : – HLA-A – HLA-B – HLA-C Toutes nos cellules nuclées expriment une version de HLA-A, HLA-B et HLA-C à leur surface. 2) CMH II Il existe 3 régions (locus) majeures : – HLA-DP – HLA-DQ – HLA-DR Pour chaque région, on a deux gènes A et B qui codent respectivement pour les chaînes alpha et béta : – HLA-DPA et HLA-DPB – HLA-DQA et HLA-DQB – HLA-DRA et HLA-DRB Les 6 gènes sont exprimés par nos cellules présentatrices d'antigène. → Le CMH est polymorphique : pour chacun des gènes, il existe de nombreux variants alléliques qui vont différer par leur composition en AA. Chaque individu reçoit un jeu d’allèle maternel et un jeu d'allèle paternel (au moment de la méiose). Chaque jeu sera exprimé au sein d'une même cellule : expression codominante. 1) CMH I On découvre tous les jours de nouvelles allèles, ce sont des chiffres qui changent : Nombre d’allèles connus en février 2017 : (à ne pas connaitre) HLA-A : 3830 HLA-B : 4647 HLA-C : 3382 Maman : HLA-A1, HLA-B1, HLA-C1 Papa : HLA-A2, HLA-B2, HLA-C2 = carte d'identité génétique pour le CMH de classe I A tout instant, chaque cellule exprime les 6 gènes. 5/14 2016-2017 complexe majeur d'histocompatibilité et présentation d'antigène 2) CMH II Il y a moins de diversité. SCHEMA Nombre d’allèles connus en février 2017 : (à ne pas connaître) HLA-DPA : 49 HLA-DPB : 746 HLA-DQA : 77 HLA-DQB : 1054 HLA-DRA : 7 HLA-DRB 2252 Attention pour CMH II : Il existe une association possible entre les chaînes alpha et béta de chaque parent, cela multiplie le nombre de combinaisons possibles à la surface des cellules. D) Variabilité et déséquilibre de liaison Zone rouge : contient l'essentiel de la diversité (où se met le peptide) Structure particulière en feuillets beta et en hélices alpha Pour CMH I, la variation se trouve surtout sur la chaîne alpha 1 et alpha 2 Pour CMH II, la majorité de la variation se situe sur la chaîne béta 1 La variabilité à un impact sur la fonction de ces molécules de CMH et sur la susceptibilité à développer certaines pathologies auto-immunes. Fréquence théorique des combinaisons HLA classe I si les allèles se combinent au hasard : – HLA-A : 3830 – HLA-B : 4647 – HLA-C : 3382 3830 * 4647 * 3382 = + de 60 milliards de combinaisons Or les fréquences de combinaison observées sont très loin de ces chiffres ; certaines combinaisons vont survenir plus fréquemment que ne le voudrait le hasard : c'est le déséquilibre de liaison. Déséquilibre de liaison : différence entre la fréquence observée et la fréquence attendue (La fréquence attendue étant calculée a partir des fréquences des allèles des individus) 6/14 2016-2017 complexe majeur d'histocompatibilité et présentation d'antigène Ex : HLA-A1 est présent chez 16% des individus (fréquence = 0,16) HLA-B8 est présent chez 8% des individus. Fréquence théorique de l'association A1-B8 : 0,16 x 0,08 = 1,28% Or cette association est en fait retrouvée chez 8,8% des individus. Explications : – on est une espèce jeune donc on peut supposer qu'il n'y a pas eu assez de générations pour effectuer le « mélange », que les allèles présents chez les fondateurs de l'espèce seraient encore en proportion plus élevée – certaines combinaisons sont délétères : risque de développer certaines pathologies, l'association A1-B8 est peut-être plus fréquente car elle présente un avantage sélectif (ex : système immunitaire plus performant) – les loci du CMH sont très résistants aux crossing-over ; région fermée, inaccessible : la fréquence de recombinaison est très rare (ordre de 1%). Ces recombinaisons sont conservées et transmises en génération. On parle de transmission en haplotype. Les descendants reçoivent un haplotype de la mère et un haplotype du père. Les 2 haplotypes seront exprimés de façon codominante. Si on veut s'inscrire pour un don de moelle, on fait un typage HLA La mère et le père possèdent chacun 2 haplotypes Dans la descendance, il y a recombinaison entre les haplotypes, on obtient alors 4 combinaisons possibles toutes à fréquence égale de 25% Donc, au mieux on est a 50% identiques avec nos parents. Par contre il se peut que l'on soit 100% histocompatible avec un frère ou une sœur ! Il y a 25% de chances → les frères et soeurs sont donc les meilleurs donneurs (sous réserve que les groupes sanguins soient également identiques) Même si c'est un événement rare, au moment de la méiose il peut y avoir recombinaison génétique → création d'un nouvel haplotype hybride , qui va ensuite être transmis dans les générations futures. 7/14 2016-2017 complexe majeur d'histocompatibilité et présentation d'antigène III) A) La présentation d' Antigène Lymphocyte : Acteur majeur de la réponse adaptative Lymphocyte B : ce sont les cellules qui produisent les Ac. Le récepteur pour l'Ag est également un Ac exprimé à la surface. Il reconnaît son Ag tout seul via l'Ac BCR Lymphocyte T : ne peut pas reconnaître son Ag tout seul, il faut lui présenter par les cellules présentatrices d'Ag. Cela fait intervenir les molécules du CMH et le récepteur TCR → La reconnaissance de l'antigène par les lymphocytes T ne peut se réaliser que dans le contexte du soi biologique dont le support moléculaire est le CMH ; on parle de restriction au CMH du soi. La présentation de l'Ag au LT est restreinte au CMH. 2 grandes classes de lymphocytes T : – Lymphocytes T CD8+ – Lymphocytes T CD4+ 1) LyT CD8+ = LyT cytotoxique Il exprime un co-récepteur transmembranaire juste à côté du TCR : le CD8 → il renforce l'interaction entre CMH I et TCR (augmente d'une 100aine de fois l'affinité) LT CD8 reconnaît son antigène présenté par le CMH de classe I. Les antigènes impliqués sont des Ag endogènes (issus du métabolisme cellulaire : protéines de virus, cellules cancéreuses → néo-antigènes tumoraux) Quasiment toutes les cellules nuclées sont capables de faire ça (sauf GR,...) Reconnaissance et destruction des cellules du soi infectées ou des cellules tumorales Il surveille l'environnement cellulaire et est capable de reconnaître les anomalies. 8/14 2016-2017 complexe majeur d'histocompatibilité et présentation d'antigène Il est capable de conduire à la lyse de la cellule. Le système clé-serrure vient renforcer l'interaction entre les molécules du CMH de classe I et le LT CD8. 2) LyT CD4+ = LyT auxiliaire (helper) Il exprime un co-récepteur transmembranaire juste à côté du TCR : le CD4. C'est lui qui entre en jeu dans l'infection par le virus HIV. LT CD4 peut reconnaître son Ag uniquement si il lui est présenté par le CMH de classe II. Le CMH II est capable de présenter des Ag exogènes, extracellulaire (Ag d'agents infectieux, de parasites, de cellules mortes …). La cellule est capable de les internaliser et les présente au LT CD4. Le CMH II n'est exprimé que par les cellules présentatrices d'Ag, on a donc des cellules présentatrices d'Ag professionnelles Le LTCD4 est le 1er à être informé d'une entrée d'Ag, il joue de rôle de « chef d'orchestre » pour la régulation et l'orientation de la réponse immunitaire adaptative. On a 2 modes différents d'apprêtement et de présentation des Ag. B) Fixation de l'Antigène Chaque CMH ne présente qu'un seul peptide à la fois (à un instant t) Chaque CMH peut présenter de nombreux peptides différents (au cours du temps) Les CMH I et II ne fixent pas l'antigène de la même façon CMH I : 9/14 2016-2017 complexe majeur d'histocompatibilité et présentation d'antigène Plancher de feuillets béta et hélices alpha : en plein milieu peptide antigénique présenté au système immunitaire – La cavité de liaison du peptide est fermée. Le peptide est bien enfoui dans la structure. – Les peptides présentés ont une taille bien définie de 8 à 10 AA (jamais plus, jamais moins) – Il existe des résidus d'ancrages hydrophobes aux extrémités Nterm et Cterm. Le peptide est fermement ancré dans la molécule. CMH II : La structure est globalement la même, on a des feuillets béta avec des chaînes alpha qui définissent le plancher où se trouve le peptide présenté au système immunitaire. la cavité de liaison du peptide est ouverte, le système est plus lâche – les peptides sont plus longs : 13 à 18 résidus (il peut y en avoir un peu plus) – il n'y a PAS de résidus d'ancrage. C'est plus aléatoire et mois régulé. Des machineries cellulaires distinctes sont à l'origine de la synthèse des peptides antigéniques présentés par les CMH I et II 1) Présentation au LyT CD8+ (voie endogène, CMH I) Naturellement, nos cellules régulent leur physiologie par l'intermédiaire des demi-vie des protéines. Le système de régulation de ces demi-vie est le protéasome. Pour produire des peptides compatibles à une CMH de classe I, nos cellules adaptent le protéaome et ajoutent des petites protéases : LMP2, LMP7 et LMP10. La modification du protéasome est là pour dégrader des protéines endogènes en peptides (8 à 10 AAà compatibles avec le CMH de classe I. Ces peptides sont transportés dans la lumière du RE via les protéines TAP. Toutes nos cellules nuclées produisent du CMH de classe I continuellement. 10/14 2016-2017 complexe majeur d'histocompatibilité et présentation d'antigène On se retrouve avec la chaîne alpha dans la lumière du RE et on a un système d'assemblage avec les protéines chaperons. La chaîne alpha au début de la synthèse n'est pas correctement formée, on va l'aider à obtenir le bonne configuration. On a une association avec 3 protéines chaperons : la calnexine qui échange avec la béta 2 microglobuline, la calréticuline et la tapasine. La tapasine rapproche le complexe CMH de classe I en cours de formation avec les transporteurs TAP. Les transporteurs TAP présentent à leur surface le peptide. On a rapprochement des 2 complexes et échange du peptide. Le fait que le peptide arrive dans la cavité de liaison stabilise le complexe. Le CMH de classe I peut être emmené à la surface de la cellule pour présenter son peptide. On a une voie classique d'exocytose. Temps : 30 min Surveillance constante via ce système de présentation des Ag aux LyT CD8 → conduit à la reconnaissance et à la destruction des cellules altérées Phénomène qui a lieu dans le cas de cellules infectées ou tumorales : le LyT CD8 intègre la cellule et se met en route pour la détruire → C'est le phénomène de lyse de la cellule (cf cours de Hermman : Immunité adaptative cellulaire - Cytotoxicité) 2) Présentation au LyT CD4+ La présentation d'Ag exogène via le CMH II au LT CD4+ est un événement central pour l'activation et l'orientation de la réponse immunitaire adaptative (LT Th1 vs LT Th2). En fonction du type de menace, le LyT CD4 n'aura pas la même réponse. Elle s'effectue dans les organes lymphoïdes secondaires (rate, ganglions lymphatiques …). Elle nécessite l'intervention de cellules spécialisées dans la présentation d'Ag. 11/14 2016-2017 complexe majeur d'histocompatibilité et présentation d'antigène LES CELLULES PRESENTATRICES D'ANTIGENE : 1) Captent et apprêtent (préparent) l'Ag. Elless commencent à le découper pour le présenter au système immunitaire. 2) Migrent vers les ganglions (via la circulation lymphatique) 3) Présentent l'Ag au LT CD4+ : – Interaction CMH II-peptide / TCR – Co-stimulation (CD80/CD28) = signal de confirmation : échanges entre les cellules via des protéines transmembranaires – Médiateurs solubles = les cytokines, échangées entre les cellules (IL1, IL6, TNF-alpha) Il existe 3 types de cellules professionnelles présentatrices d'Ag : – Cellule dendritique Elle est naturellement cellule présentatrice d'Ag. But = filtrer et détecter un maximum de choses dans le milieu extracellulaire, donc elle est de forme étoilée avec beaucoup de prolongements cytoplasmiques (Morphologie totalement adaptée à sa fonction). On voit que la cellule dendritique est beaucoup plus grosse que l'Ag. Attention ce n'est pas une cellule qui fait de la phagocytose !! La capture de l'antigène se fait par Macropinocytose (Filtration) et Endocytose (reconnaissance de bactéries). Elle est entièrement équipée pour présenter l'Ag : exprime du CMH II de manière constitutive et les molécules de co-stimulation de manière constitutive également. On retrouve des cellules dendritiques un peu partout, notamment dans la peau : on parle des cellules de Langerhans (Coupure → entrée d'Ag → filtration et captation par la cellule dendritique) Dans l'intestin, on a également beaucoup de cellules dendritiques. Captation de l'Ag → Migration dans la lymphe → Internalisation et préparation de l'Ag → Arrivée dans le ganglion lymphatique drainant → Coopération cellulaire → Activation réponse immunitaire (cf cours Immunité adaptative : centre germinatif, coopération cellulaire) – Macrophage Au repos : n'exprime que le CMH I Activé : exprime CMH I, CMH II et molécules de co-stimulation (B7 = CD80) 12/14 2016-2017 complexe majeur d'histocompatibilité et présentation d'antigène La capture de l'antigène se fait par Phagocytose : cela induit l'expression du CMH II et l'activation des molécules de co-stimulation. – Lymphocyte B Au repos : exprime CMH I et CMH II Activé : exprime CMH I, CMH II et molécules de co-stimulation Capture de l'antigène par Endocytose médiée par un récepteur La cellule dendritique est naturellement présentatrice contrairement aux deux autres. Résumé : 13/14 2016-2017 complexe majeur d'histocompatibilité et présentation d'antigène 1) L'Ag est internalisé et passe dans le système d'endosome 2) Vésicules dont le pH va diminuer au fur et à mesure. Dans ces vésicules on retrouve des protéases actives à pH acide 3) Digestion du peptide internalisé Il faut éviter qu'au cours du transit, il y ait des peptides qui se retrouvent sur le CMH I. Il faut donc une protection sur le CMH II pour éviter que des peptides endogènes se fixent dessus et sur le CMH I pour éviter que des peptides exogènes se fixent La protection du CMH II se fait à l'aide d'une chaîne invariante jusqu'à l'endosome. La chaîne invariante se digère au fur et à me ure dans les compartiments vacuolaires. A un moment, il ne reste qu'un petit peptide dit peptide CLIP. A la fin, il y a échange entre le peptide CLIP et le CMH II → Le CMH II peut alors aller sur la membrane plasmique. Temps : 2 à 4h Raisons physiologiques de la présentation d'Ag restreinte par le CMH 1) Reconnaissance d'épitopes enfouis dans la structure des protéines Reconnaissance d'épitopes issus de protéines qui ne circulent pas ou peu dans le milieu extracellulaire 2) Séparation de fonction grâce à la dichotomie CMH I / CMH II : Les LT CD4+ : orientation de la réponse immune adaptative par la reconnaissance d'antigènes restreints au CMH II et présentés par des CPA professionnelles. Cela permet la reconnaissance d'Ag extracellulaire. Les LT CD8+ : reconnaissance des cellules du soi altérées par la reconnaissance d'antigènes restreints au CMH I. Cela permet la reconnaissance d'Ag intracellulaire. De par la diversité génétique du CMH, on a association de certains gènes du CMH avec certaines pathologies : 14/14
