Lidská imunogenetika a její aplikace. Marie Klumplerová INTERAKCE HOSTITEL VS. PATOGEN • Vyrovnání se s možnostmi patogenů: • Diferenciace imunitního systému, rozvoj komplexních imunitních reakcí • Lymfocyty – schopnost rychle se množit a do jisté míry se geneticky měnit v průběhu života • Fyzikální x chemické bariéry, přítomnost/absence receptorů • Etologické charakteristiky IMUNITNÍ ODPOVĚĎ • Mimořádně komplikovaný jev • Udržení stálosti vnitřního prostředí • Rozpoznání škodlivého od neškodného (vlastního x cizího) • Ochrana proti poškození zevního i vnitřního původu • Účastní se: proteinové faktory (komplementová kaskáda, protilátky, cytokiny) a populace buněk (fagocyty, T a B lymfocyty, antigen prezentující buňky, plazmatické buňky, NK buňky, …) • Vznik a diferenciace buněčných populací a jejich vzájemné interakce – geneticky založené IMUNITNÍ ODPOVĚĎ • Vrozená x získaná • Humorální x buněčná • Vrozená • Kůže, sliznice • Mechanická obrana (pohyb řasinek, kašel, průjem, ..) • Chemická – kyselé pH, lysozym • Buněčná – fagocytující buňky, NK buňky • Humorální komponenty – komplement, interferony • Získaná • Buněčná – B a T lymfocyty • Humorální - protilátky ANTIGEN • Obvykle bílkovinné povahy, svou potenciální škodlivostí provokuje imunitní systém k produkci protilátek • Antigen – antibody generator • Nyní širší význam – molekuly/molekulární fragmenty se kterými interaguje imunitní systém • Epitop = antigenní determinanta – povrchový rys antigenu, na který se váže protilátka • Nativní antigen x fragmentovaný peptid IMUNITA • Komplexní znak, uplatňují se: • Faktory vnějšího prostředí (patogeny, toxiny, ..) • Vnitřní prostředí organismu (aktuální zdrav.stav, imunokompetence,..) • Mnoho genů v genomu • V populaci existuje přirozená variabilita imunitních funkcí (ovlivněná geneticky i prostředím) ! Gaussova distribuce IMUNITA MEZI SKYLLOU A CHARYBDOU IMUNOGENOM • Cca 1 tis. genů z 20 tis. genů kódujících proteiny v genomu se podílí na imunitní odpovědi = 5% • Pravděpodobně řada dalších dosud nepopsaných (nekódujících) genů pro RNA (miRNA, lncRNA), které se podílí na regulaci imunitní odpovědi • = IMUNOGENOM IMUNOGENOM • Konkrétní geny imunogenomu vykazují znaky diverzifikující nebo purifikující selekce • Vznik a rozrůznění alel (diverzifikující selekce) je důležité pro geny imunitní odpovědi (=IR), které slouží k postižení variability patogenů v mechanizmech specifické imunity - tzv. IR geny typu I • Přísné zachování funkcí a omezení počtu alel (purifikující selekce) je typické u genů receptorů (pro např. adhezní molekuly, protilátky, cytokiny) a pro mnohé geny jakožto složky signálních, efektorových a regulačních drah imunitního systému - tzv. IR geny typu II IMUNOGENOM • Není soustředěn do jedné oblasti, naopak IR geny najdeme v celém genomu (bezpečnější „strategie“) • Výjímka – např. MHC cluster – oblast bohatá na IR geny IMUNOGENETIKA • Studium genetiky imunitní odpovědi • Genetika a evoluce imunitního systému • Genetická kontrola imunitní odpovědi • Struktura imunologicky významných molekul • Imunologie reprodukce • Vnímavost k onemocněním GENY IMUNITNÍ ODPOVĚDI (IR GENY) IR geny typu I • Geny na rozhraní patogen x hostitel • TLR, MHC, CD1, Ig, TCR IR geny typu II • Ostatní IR geny • Cytokiny (TNF, interleukiny, INF), NRAMP1 IR GENY TYPU I TLR Toll-like receptory CD1 Ig = Imunoglobuliny Protilátky TCR a BCR T buněčný receptor B buněčný receptor MHC molekuly PAPMs - Pathogen associated molecular patterns Geny pro Molekuly rozpoznávají (glyko)LIPIDY (glyko)PROTEINY a (glyko)PEPTIDY Vrozená imunita Získaná / adaptivní imunita TLRs - TOLL-LIKE RECEPTORY Rozpoznání konzervovaných epitopů (patogen assosiated molecular patterns – PAMPs). TLRs - TOLL-LIKE RECEPTORY Aktivace TLR – spouští složitou signální kaskádu – vede k produkci cytokinů a chemokinů, které aktivují další složky imunitního systému MHC – HLAVNÍ HISTOKOMPATIBILITNÍ KOMPLEX • Major histocompatibility complex / Human leucocyte antigen – HLA • Antigen prezentující molekuly • Peptidový antigen (protein + proteolýza = peptid) • Váží antigen intracelulárního (MHC třídy I) nebo extracelulárního (MHC třídy II) původu a prezentují jej T lymfocytům MHC – HLAVNÍ HISTOKOMPATIBILITNÍ KOMPLEX MHC Graph showing the number of alleles named by year from 1987 to the end of March 2023. nomenclatura MHC / HLA Žlábek Proteolýzou složitého proteinu na peptid dojde k omezení počtu variant – mechanismus jak se vyrovnat s obrovskou variabilitou patogenů. Jaký peptid je konkrétní molekula MHC schopna prezentovat je dáno nevazebnými interakcemi mezi peptidem a bílkovinnými rezidui, které se podílí na tvorbě žlábku. Pro jedince je tedy výhodné mít více různých variant HLA molekul = heterozygote advantage, je pak schopen prezentovat širší spektrum peptidů než homozygot. Alely u heterozygota jsou ve vztahu kodominance, uplatňují se obě dvě. V populaci je variabilita genů pro MHC/HLA obrovská, jsou to nejpolymorfnější geny v genomu (= mají nejvíce alelických variant). MHC geny jsou typickým příkladem diverzifikující selekce + balancující selekce. MHC tř. I • Molekuly MHC třídy I se vyskytují téměř na všech buňkách v těle MHC tř. II • Molekuly MHC třídy II se vyskytují pouze na specializovaných buňkách – antigen prezentujících buňkách MHC MHC / HLA HLA vykazuje asociace s autoimunitními i infekčními onemocněními MHC / HLA CD1 https://www.med.kyoto-u.ac.jp/E/grad_school/introduction/1519/fig1.jpg • CD1 receptory se vyskytují na antigen prezentujících buňkách • Jsou podobné MHC třídy I a prezentují antigeny lipidové povahy IMUNOGLOBULINY - PROTILÁTKY • Jedinec je schopný vyprodukovat 1011 různých protilátek • Znamená to, že má 1011 genů pro protilátky? IMUNOGLOBULINY - PROTILÁTKY • Variabilita je generována několika mechanismy: V(D)J rekombinace, somatická hypermutace • VDJ rekombinace: • Genový komplex pro těžký řetězec: 250-1000 VH segments, 12 DH segments, 4 JH segments, 1 CH segment = 48000 různých kombinací (pouze těžký řetězec) + k tomu kombinace pro lehký řetězec a vzájemné kombinace těžkého a lehkého řetězce • Somatická hypermutace • Je buněčný mechanismus, který zahrnuje mutace variabilních částí genů, jež kódují imunoglobulíny. SHM probíhá v germinálním centru s izotypovým přesmykem a jejím výsledkem je zvýšení afinity a funkce protilátky BCR – B buněčný receptor By CNX OpenStax - http://cnx.org/contents/GFy_h8cu@10.53:rZudN6XP@2/Introduction, CC BY 4.0, https: curid=49935883 • Je tvořen protilátkou a signálními molekulami Igα a Igβ TCR – T BUNĚČNÝ RECEPTOR • Zdrojem variability je také VDJ rekombinace jako u B buněčného receptoru. • Ale není zde somatická hypermutace! IR geny typu II • Různorodá skupina genů – pro signální dráhy, cytokiny, jejich receptory • TNF (tumor necorsis factor) , INF (interferon), interleukiny, … • Variabilita těchto genů je srovnatelná s jinými funkčně významnými geny v organismu • SNPs (polymorfismy) se v těchto genech mohou vyskytovat v exonech (většinou 1-3 proteinové sekvence) a častěji v intronech • SNPs vykazují asociace s onemocněními • SNPs v intronech mohou ovlivňovat úroveň exprese MUTACE IR GENŮ Mutace velkého účinku • Jedná se o poruchy genů na různých úrovních imunitního systému • V závislosti na postavení proteinu v diferenciaci buněk nebo v jejich funkcích mohou vznikat primární imunodeficience • postihující jak buněčnou tak humorální složku (kombinované imunodeficience) nebo jen některé složky imunitní odpovědi (defekt Tlymfocytů, B-lymfocytů, defekt protilátkové odpovědi, fagocytózy, komplementu atd.) • SCID – severe combined immunodeficiency – těžká kombinovaná imunodeficience MUTACE IR GENŮ Mutace malého účinku • Neprojeví se klinicky díky existenci záložních mechanismů nebo díky podprahovému účinku v daném genomu (a prostředí) • Hromaděním takových mutací (nejčastěji ve formě SNPs) se v konkrétním genomu zvyšuje míra jejich vlivu na obranné mechanismy a odolnost/vnímavost k nemocem. • Na rozdíl od mutací velkého účinku se dědí jako komplexní znak GENETIKA VAKCINACE • Variabilita v odpovědi na vakcinaci Gaussovo rozložení • Využití genomických přístupů při produkci nových vakcín (farmakogenomika) GENETIKA VAKCINACE Postvakcinační titry anti-EHV-1 neutralizačních protilátek GENETIKA VAKCINACE Variabilita antiinfekční imunitní odpovědi u člověka GENETIKA VAKCINACE GENETIKA VAKCINACE • Princip vakcinace: Ostranění / snížení patogenity při zachování imunogenity • Využití genomických přístupů při produkci nových vakcín (farmakogenomika) • Typy vakcín: • 1. generace • 2. generace - rekombinantní • 3. generace – DNA/mRNA vakcíny