16/10/14 FOUCHERE Elise L2 (CR Julie Chabert) TSSIB Pr F.VELLY 12 pages Plan : A. Généralités I. Définitions II. Des ligands pour le TCR III. Les molécules du CMH B. Aspects génétiques I. Quelques rappels de génétique II. L'organisation génomique III. Structure des CMH I et II IV. Contrôle génétique et régulation de la réponse immunitaire V. Expression des molécules du CMH C. Mode d'action I. Les cellules présentatrices de l'antigène (CPA) II. La dynamique de la réponse immunitaire III. La mise en place des ligands pour le TCR D. La famille des molécules du CMH E. Applications biomédicales F. Conclusion A. Généralités I. Définitions Le complexe majeur d'histocompatibilité est une dénomination valable pour toutes les espèces. Le CMH est nommé plus spécifiquement HLA (Human Leukocyte Antigen) pour l'homme. Le CMH se définit comme un ensemble de gènes très polymorphes qui codent pour des molécules qui sont des marqueurs du soi : glycoprotéines (superfamille des Immunoglobines Ig) et alloantigènes. Cette mosaïque antigénique constitue la carte d'identité de l'individu. La transmission est dite «mendélienne». Ce complexe a un rôle essentiel dans le rejet de greffe et les réponses immunitaires. Attention : les glycoprotéines appartiennent à la surperfamille des Ig mais ce ne sont pas des Ig! Ce CMH va fournir en partie des ligands pour le récepteur T car celui-ci est incapable de reconnaître l'antigène sous forme native comme les immunoglobulines. 1/12
II. Des ligands pour le TCR Les LT ne sont capables de reconnaître l antigène (AG) qu'en association avec les molécules du CMH, on parle de «restriction par le CMH». Il existe donc une co-reconnaissance «CMH + AG» par les LT. On aboutit alors à un complexe tri-moléculaire «CMH-AG-Récepteur T». Sans la présence d'un CMH, la réponse immunitaire adaptative est inefficace. III. Les molécules du CMH Les molécules du CMH se divisent en 3 classes : les molécules du CMH de classe I sont exprimées sur toutes les cellules nucléées (à l'exception des globules rouges) ce sont donc des marqueurs du soi. Ces molécules vont êtres importantes pour contrôler le rejet (dissociation entre informations du soi/non soi et danger/non danger). les molécules du CMH de classe II sont restreintes aux cellules présentatrices d'antigènes (cellules dendritiques, LT, macrophages) et elles participent aux coopérations cellulaires les molécules du CMH de classe III existent sous forme soluble dans le plasma, ce sont des protéines du complément. B. Aspects génétiques I. Rappels de génétique Le premier degré de diversité est un système multigénique. L'ensemble des gènes codant pour les CMH se trouvent sur le bras court du chromosome 6. Chaque classe est codée par plusieurs gènes. Ainsi la classe I l'est par les gènes HLA-A, HLAB, HLA-C et la classe II par DP, DQ, DR. De plus, pour DP-DQ-DR on peut avoir plusieurs gènes qui codent pour plusieurs chaînes : alpha, bêta... Locus : position géographique sur un chromosome où se trouve un gène ou un groupe de gènes. Allèle : gène occupant un même locus et ayant des effets différents sur un même caractère. Haplotype : combinaison de gènes différents sur un même chromosome. On possède donc un haplotype maternel et un haplotype paternel. 2/12
II. L'organisation génomique Ainsi l'organisation génomique se base sur deux systèmes : système multigénique système multi-allélique lié au grand nombre d'haplotypes Pour chaque locus il existe 10 à 100 gènes ayant des effets différents sur un même caractère. Pour chaque locus, il existe entre 3 et 72 allèles différents. Et chaque allèle aura des propriétés différentes de celles de son voisin. Chaque individu est hétérozygote sur chaque locus HLA, par exemple si je suis HLA-A2 sur mon chromosome paternel j'ai peu de chance d'être HLA-A2 sur mon chromosome maternel. Il va être excessivement difficile de retrouver dans la population une personne qui va présenter sur tous les loci exactement les mêmes allèles HLA que soi. Un grand nombre d'individus sont hétérozygotes pour les HLA de classe I et II ce qui enrichit la réponse immunitaire. Cette caractéristique rend donc chaque individu quasiment unique car il est quasiment impossible de trouver les 6 mêmes allèles pour HLA chez 2 individus différents sauf dans une même famille. Le nombre d'allèles décrit chez l'homme à ce jour pour chacun des locus HLA classe I (728 allèles HLA-B, 210 allèles HLA-C et 414 allèles HLA-A) est extrêmement important. Le polymorphisme est beaucoup plus important pour les classes I que pour les classes II. Transmission et expression des caractères : Transmission de type mendélienne où les haplotypes sont transmis en bloc (liaison étroite entre les gènes). Chaque allèle que j'ai dans mon génome sera exprimé, c'est une expression co-dominante des allèles (phénotype = génotype). Les enfants qui naissent vont avoir comme possibilité de récupérer un des deux chromosomes paternels avec un des deux chromosomes maternels : 4 combinaisons d'haplotypes sont alors possibles. 3/12
Le polymorphisme HLA : Un enfant est né d un père dont les deux haplotypes HLA de classe I sont: A2/B27/Cw3 et A2/B54/Cw3 et d une mère dont les deux haplotypes HLA de classe I sont: A2/B13/Cw3 et A3/B27/Cw4. 1. Quel est le nombre maximal de molécules HLA classe I différentes que l on peut trouver à la surface de cellules nucléées d un individu? Quels sont les haplotypes possibles pour cet enfant? J'ai deux chromosomes et sur chaque chromosome j'ai 3 loci HLA classe I (A, B et C). Si tous les allèles sont différents j'ai 6 molécules HLA classe I différentes à la surface des cellules nucléées. Il est possible d'en avoir moins si le sujet est homozygote. 2. Chez quel membre de la famille ai-je le plus de chance de trouver un donneur HLA identique pour cet enfant? Si je choisis le père ou la mère, ils ne pourront donner qu'un des deux haplotypes identiques puisque j hérite d'un chromosome paternel et d'un chromosome maternel. Le plus compatible ne peut être qu'un frère ou une sœur si celui-ci a pris le même haplotype du père avec le même haplotype de la mère. Plus il y a de frères et sœurs plus j'ai de chances de trouver un donneur. 3. Quels ligands pour les molécules HLA de classe I connaissez-vous? Les molécules chargées en peptides vont stimuler les LT. Ce sont les ligands du soi qui permettent aux cellules NK d'être freinées dans leur activité en reconnaissant les molécules du soi. III. Structure des CMH de classe I et II Ces molécules sont des glycoprotéines appartenant à la famille des Ig, glycosylées dans la partie extracellulaire. Ces glycoprotéines présentent des homologies de structure. 1. CMH de Classe I Elle se compose d'une chaîne lourde α ancrée à la membrane avec 3 domaines extracellulaires (α1, α2, α3). Cette chaîne va s'associer à une petite protéine nommée β2 microglobuline qui est codée par un gène localisé sur le chromosome 15 (et non pas le chromosome 6) et qui a un rôle stabilisateur. La zone fonctionnelle de cette molécule est une «poche à peptide», celle-ci est très polymorphe et se compose des domaines α1 et α2. Le TCR sera alors capable de reconnaître les acides aminés présents sur le peptide et la poche à peptide. 4/12
2. CMH de classe II Ce sont des hétérodimères formés d'une chaîne α et d'une chaîne β à 2 domaines extracellulaires chacune :α1 et α2 d'une part et β1 et β2 d'autre part. Ces deux chaînes sont ancrées à la membrane. La poche à peptides est une cavité formée par les domaines α1 et β1. C'est grâce à la structure primaire et secondaire que l'on peut voir les différences avec la molécule du CMH de classe I. IV. Contrôle génétique et régulation de la réponse immunitaire Le caractère répondeur ou non répondeur d'un individu est déterminé par des gènes présents sur le CMH. En effet, d'un allèle à un autre dans une molécule HLA, les régions qui varient sont celles qui interagissent avec les peptides. Lors de leur éducation dans le thymus, les lymphocytes subissent une sélection par les molécules du CMH. Par exemple, lors d'une infection,les CPA attrapent les particules virales, les découpent en peptides. Les peptides s'associent aux molécules du CMH, certains iront sur la poche d'hla-a1 alors que d'autres auront plus d'affinité pour la poche HLA-A2. Chacun de nous est équipé d'un set de molécules HLA qui nous permet de lutter plus ou moins bien efficacement contre un virus. Par exemple, certaines personnes combattront mieux la grippe avec HLA-A tandis que d'autres seront plus efficaces avec HLA-B. Ce brassage génétique et cette diversité est à l'origine de la survie de l'espèce : il est peu probable qu'un seul et même virus puisse éradiquer l'ensemble de notre espèce car on ne réagit pas tous de la même manière. 5/12
Si on regarde toutes les séquences primaires des molécules HLA classe I avec en rouge (gris foncé) les zones qui varient le plus d'une molécule HLA classe I à une autre, on observe que les zones de variations se situent au niveau des zones de contact avec le peptide antigénique. Ce qui varie dans les allèles sont les acides aminés entrant en contact avec le peptide dérivant de l'agent pathogène. Pareil pour les molécules HLA classe II, où l'on observe que les zones de variations se situent sur la chaîne β. Notions à retenir : codominance, polymorphisme multigénique, polymorphisme multi-allélique et enfin polymorphisme lié à l assemblage (distribution des allèles sur le chromosome donnant des haplotypes différents). Difficulté au sein des individus de trouver un donneur HLA compatible strict en dehors de la fratrie. S'il n'y a pas de donneur au sein de la fratrie il reste la possibilité des donneurs volontaires de moelle osseuse (typage et banque de moelle osseuse). V. L'expression des molécules du CMH Les molécules du CMH I sont exprimées par toutes les cellules nucléées. En revanche, celles du CMH II sont principalement exprimées par les cellules présentatrices de l'antigène (CPA), les LT activés et les cellules épithéliales thymiques. C. Mode d'action des CMH L'élément déclenchant de la réponse immunitaire est la capacité du TCR à reconnaître le bon CMH. Ce mécanisme s'accompagne de nombreux signaux de co-stimulation. Sans molécule du CMH, la réponse immunitaire adaptative n'est pas possible. I. Les CPA -Les cellules dendritiques sont spécialisées dans la présentation de peptides provenant principalement de virus -Les macrophages sont spécialisés dans la présentation des peptides provenant de micro-organismes extracellulaires. -Les cellules B sont spécialisés dans la présentation de peptides provenant d'antigènes solubles. 6/12
II. La dynamique de la réponse immunitaire En temps normal, la peau et les muqueuses protègent des agents pathogènes, mais s'il y a des lésions cutanées, les bactéries peuvent entrer dans l'organisme où elles sont immédiatement phagocytées par des macrophages ou des cellules dendritiques immatures. Ces dernières vont se rendre vers le ganglion par voie lymphatique en maturant : elles se mettent à exprimer HLA classe I et II associés à des peptides phagocytés. Elles rentrent dans le ganglion au niveau de la zone T-dépendante à la rencontre des LT naïfs possédant un seul type de TCR en terme de spécificité. Leur objectif est donc de trouver le LT naïf ayant le bon TCR mais la compatibilité est rare, ainsi les cellules dendritiques vont visiter plusieurs ganglions. Enfin quand le peptide est reconnu, le LT avec le bon TCR s'active et produit des clones très nombreux. Ils se rendent sur le site de l infection par chimiotactisme et coopèrent avec les LB pour déclencher la production d'anticorps (les anticorps vont booster la phagocytose via leurs récepteurs). Si c'est un LT auxiliaire, il y aura sécrétion de cytokines capables de booster les macrophages et les polynucléaires neutrophiles (PNN). Ce mécanisme dure 5 à 7 jours. L'immunité non spécifique utilise ce délai pour faciliter l'accès futur de l'immunité spécifique, en rendant par exemple l'endothélium beaucoup plus perméable ou en produisant des facteurs chimiotactiques. III. La mise en place des ligands pour le TCR Très important : la reconnaissance dépend du type de LT. Ainsi, les CMH classe I sont reconnus par les LT cytotoxiques et les CMH classe II par les LT auxiliaires! Comment va se faire l assemblage entre les molécules du CMH et les peptides? Tous les peptides dérivés de protéines endogènes synthétisées par les cellules : endoantigènes, sont présentés par les molécules CMH I qui interagissent avec la molécule CD8 ( LT cytotoxiques). Tous les peptides dérivés de protéines exogènes : exoantigènes sont présentés par les molécules CMH II qui interagissent avec la molécule CD4 (LT auxiliaires). 7/12
Toute protéine néo-synthétisée qui se doit d'être secrétée va passer par le réticulum endoplasmique puis le Golgi et va suivre les voies de sécrétion. A l'inverse, au cours d événements de phagocytoses, des vésicules sont créées, des endosmoses se forment pour aller fusionner avec des structures lysosomiales pour former des endolysosomes dont le ph et les molécules enzymatiques vont permettre la dégradation des protéines présentes. Ce système est majeur pour l établissement des complexes d histocompatibilité associés aux peptides. 1. Voie de la classe I Les HLA classe I s'assemblent avec des peptides endogènes (endoantigènes), c'est d'ailleurs pour ça qu'elles sont reconnues par les LT cytotoxiques, qui ont pour mode d'action principal la lyse de cellule principale. Le protéasome est spécialisé dans la dégradation des protéines. Les peptides antigéniques obtenus passent dans le réticulum endoplasmique via des transporteurs nommés «TAP» et s'associent au CMH I. Le complexe formé est ensuite transporté à la membrane plasmique. Dans certaines pathologies, les patients sont TAP déficients. Cette déficience rend impossible l'expression des HLA I à la surface de leurs cellules et donc il n'y a pas de réponse immunitaire adaptative contre les pathologies virales : c'est donc un déficit immunitaire rare mais très grave. Il n'y a plus de ligands pour les LT cytotoxiques qui jouent un rôle majeur dans le contrôle des infections virales et tumorales. 8/12
2. Voie de la classe II Les HLA II se lient à des peptides exogènes (exoantigènes) mais aussi il existe un procédé qui utilise la phagocytose (facilitée ou simple) pour faire rentrer des agents pathogènes. La vésicule va alors fusionner avec des lysosomes. Il se produit une protéolyse (ph et molécules enzymatiques) des agents exogènes et les peptides produits contenus dans des vésicules de dégradation s'associent à des CMH II. Or les CMH II sont synthétisés au niveau du RE qui contient lui-même des peptides susceptibles de se lier aux complexes. Un mécanisme (protéine CLIP) bloque le site de liaison du CMH II tant qu'il n'y a pas eu fusion avec l'endolysosome. Pour désamorcer l'occupation, une autre molécule de classe II vient le retirer au moment de la fusion avec les vésicules de dégradation. Le complexe formé est ensuite transporté à la membrane plasmique. 3. La restriction par les molécules du CMH La reconnaissance de l'antigène par les LT est strictement restreinte par les molécules du CMH : si on a le même allèle de HLA I mais un peptide différent, il n'y a pas de reconnaissance. si le peptide est identique mais l'allèle de HLA I change, il n'y a pas de reconnaissance. De plus, si un peptide donné parvient à se fixer à plusieurs CMH, il ne sera pas forcément reconnu par le TCR car ce dernier ne reconnaîtra qu' un complexe «CMH classe I + peptide» (sélection positive dans le thymus). Phénomène de cross-réactivité : dans certaines pathologies auto-immunes certains TCR peuvent reconnaître, avec une moins bonne affinité, des peptides légèrement différents de celui pour lequel ils ont été sélectionnés. Mais dans la grande majorité des cas un TCR est spécifique d'un complexe. 9/12
D. La famille des molécules du CMH Les HLA-A, HLA-B et HLA-C sont classiques, très polymorphiques. Ils régulent les réponses immunitaires des LT cytotoxiques et des NK. Les HLA-E et HLA-G (rôle inhibiteur) sont des molécules de classe I mais très peu polymorphiques. HLA-G est impliquée dans la tolérance immunitaire et particulièrement dans la tolérance fœto-maternelle. C'est un ligand pour le récepteur ILT2 qui inhibe les fonctions des NK et des LT cytotoxiques. Les «HLA classe I like» comme MICA et MICBA sont des molécules de stress. Certaines molécules présentent des lipides et glycolipides à une sous-population de LT appelée inkt qui sont principalement des LT avec un TCR invariant (Vα24 et Vβ11 chez l'homme). D'autres sont des ligands pour les récepteurs activateurs NKG2D exprimé sur les cellules NK et certains LT : ils détectent le non soi dangereux. Par exemple, au sein de la flore intestinale à l'état physiologique, il existe de nombreuses bactéries qui ne doivent pas déclencher de réaction immunitaire. En revanche, si ces mêmes bactéries tentent de franchir la barrière intestinale, une réponse immunitaire doit être apportée. Les molécules de CMH I régulent négativement la fonction des cellules NK cad l'immunité innée. 10/12
E. Les applications médicales Les molécules HLA, de par leur très grand polymorphisme, vont être très utilisées : en génétique des populations : suivre des déplacements de population en médecine légale : c'est une carte d'identité donc recherche de paternité par exemple pour les greffes et transplantations d'organes : dans la recherche de donneurs compatibles pour les transfusions sanguines pour l'étude des relations entre HLA et les maladies : pathologies auto-immunes... F. Conclusion Le système HLA est une véritable carte d'identité biologique à l'échelle de l'individu et donc il est le garant de l'intégrité du soi. Sa fonction générale est la surveillance de l'individu contre ses propres erreurs et la défense contre les éléments du non-soi. Une meilleure connaissance de son fonctionnement permettrait : des progrès en transplantation et en immuno-hématologie, une meilleure approche des maladies auto-immunes, une aide au diagnostic et à la décision thérapeutique. 11/12
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