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Immunologie
Molécules du complexe majeur d’histocompatibilité de classe I et II (système HLA)
Cours d'Immunologie
 


 

Situées ainsi à l’origine de la réponse immunitaire spécifique, les molécules du complexe majeur d’histocompatibilité confèrent à l’organisme une protection spécifique et adaptée contre les divers agents pathogènes et jouent un rôle essentiel dans l’immuno-surveillance, notamment lors de transformations malignes ou d’infections.

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Elles sont par ailleurs responsables des réactions allogéniques de rejet ou de réaction de greffon contre l’hôte lors des transplantations d’organes ou de cellules hématopoïétiques.

Certains allèles du système HLA sont les marqueurs de la susceptibilité ou de la protection vis-à-vis de nombreuses maladies autoimmunes.

Organisation chromosomique :

Localisé sur le bras court du chromosome 6 (en 6p21.3), le complexe majeur d’histocompatibilité occupe une région génomique d’environ 4 000Kb comportant un nombre considérable de gènes impliqués dans la fonction immunitaire.

Ce système est classiquement divisé en 3 régions :

- la plus centromérique, la région de classe II (constituée de 32 gènes, elle s’étend sur 900 Kb) ;

- la région intermédiaire de classe III composée d’au moins 39 gènes) ;

- la plus télomérique, la région de classe I (recouvrant 2 000 Kb, elle est constituée de 17 gènes).

Tous ces gènes, et à un degré plus important ceux de classe I et II, sont caractérisés par un polymorphisme important, caractéristique principale du système, qui en conditionne la fonction.

Le complexe majeur d’histocompatibilité présent sur un chromosome est généralement transmis en bloc car il y a peu de recombinaisons dans cette région.

On parle alors d’haplotype HLA.

Chaque individu hérite de 2 haplotypes parentaux dont les expressions sont codominantes.

Bien que les gènes de classe I et II constituent un système polyallélique hautement polymorphique, leurs produits ont la même structure générale.

En revanche, les gènes de classe III codent des molécules différentes, comme certains composants du complément, le facteur de nécrose tumorale (tumor necrosis factor : TNF) et la protéine du choc thermique (HSP70).

Il n’y a ni similitude fonctionnelle ni homologie structurale entre les produits de classe III et ceux de classe I et II.

Organisation moléculaire :

A - Gènes HLA de classe I :

La région de classe I est constituée de gènes fonctionnels d’histocompatibilité classiques A, B, C et non classiques E, F, et G, dont la fonction n’est pas encore clairement définie.

Cette région inclut aussi 3 pseudogènes H, J, K et des gènes tronqués. Il existe, par ailleurs, d’autres gènes apparentés tels que MIC (MHC class I related gene) ou le gène de l’hémochromatose récemment décrit.

Les gènes HLA A, B, C, se composent de 8 exons.

Les exons 2, 3, et 4 codent les 3 domaines extracellulaires a1, a2 et a3, et l’exon 5 code la région transmembranaire.

Ces gènes sont parmi les plus polymorphes décrits dans le génome humain; on dénombre en effet 83 allèles pour le locus HLA-A, 186 pour HLA-B et 42 pour HLA-C.

Le nombre de résidus polymorphes et le taux de variabilité sont essentiellement concentrés dans les domaines a1 et a2.

Sur les 20 positions hypervariables définies dans ces 2 domaines, 18 d’entre elles sont susceptibles d’affecter la spécificité de la reconnaissance par le récepteur T et le degré d’intensité de la réponse immunitaire.

B - Molécules HLA de classe I :

Les gènes de classe I codent des chaînes lourdes transmembranaires a de 44 kd qui en association non covalente avec une chaîne légère extracellulaire de 12 kd (codée par un gène situé sur le chromosome 15), la b2- microglobuline forment des hétérodimères glycoprotéiques.

Ces molécules présentes à la surface de toutes les cellules à l’exception des cellules germinales et de certaines cellules nerveuses ont une structure globulaire très compacte que l’on retrouve dans les molécules de la superfamille des immunoglobulines.

La structure tridimensionnelle de la molécule fait apparaître une cavité entre les domaines a1 et a2 dont le fond est un feuillet b plissé et les bords des hélices a.

C’est dans cette zone que se situent les résidus polymorphes qui vont interagir avec les peptides des molécules antigéniques du soi et du non-soi.

En effet, cette cavité présentatrice comporte une série de dépressions ou poches, désignées de A à F, capables d’établir des interactions avec les différents résidus peptidiques.

Les résidus conservés des poches A et F situés de part et d’autre de la cavité sont responsables de l’orientation du peptide et de son ancrage dans la poche, alors que les résidus polymorphes des poches B, C, D et E influencent sur la spécificité de liaison des peptides et sur leurs conformations à l’intérieur de la cavité.

C - Gènes HLA de classe II :

Trois principaux produits de classe II DR, DQ et DP sont décrits.

Ils sont codés au niveau de 3 loci distincts, comportant chacun plusieurs gènes : un gène A codant la chaîne a, au moins un gène B codant la chaîne b, et des pseudogènes non exprimés.

La région HLA de classe II comprend de nombreux autres gènes dont certains codent pour des molécules impliquées dans la présentation de l’antigène:

- par les molécules de classe I : TAP 1 et 2, LMP 2 et 7 ;

- par les molécules de classe II : DMA et DMB. Le locus HLA DR a pour particularité d’être constitué d’un nombre variable de gènes ou de pseudogènes selon les haplotypes.

En conséquence, une ou deux molécules HLA DR seront exprimées pour chaque haplotype.

Tous les haplotypes ont en commun le gène DRA non polymorphe codant la chaîne DRa.

Les gènes DRB sont en nombre variable selon les haplotypes : tous ont en commun le gène DRB1 très polymorphe codant la chaîne b de la première molécule DR.

Cette chaîne donne la spécificité HLA DR (haplotypes DR1 à DR18).

La deuxième chaîne b, lorsqu’elle existe, est codée par l’un des gènes DRB3, DRB4 ou DRB5.

Le gène DRB2 est un des 6 pseudogènes inconstamment présents et non exprimés.

Les locus DP et DQ comportent chacun un gène A1 et un gène B1, polymorphes, exprimés et une paire supplémentaire de gènes non fonctionnels A2 et B2.

Un nombre croissant de séquences des gènes DRB1, DRB3, DRB4, DRB5, DQA1, DQB1, DPA1, DPB1 est décrit permettant de préciser les régions conservées et variables de la molécule et de définir ainsi leur polymorphisme.

Les gènes de classe II ont, comme les gènes de classe I, une structure exonique correspondant aux domaines moléculaires.

D - Molécules HLA de classe II :

Les molécules HLA de classe II sont des hétérodimères formés de l’association non covalente de la chaîne a et de la chaîne b.

Leur organisation tridimensionnelle est semblable à celle des molécules HLA de classe I.

Les chaînes a et b sont des glycoprotéines formées d’une région extracellulaire organisée en 2 domaines en boucle (a1, a2, b1, b2) connectées par une courte séquence peptidique à une région transmembranaire et une région intracytoplasmique.

Ces domaines en boucle, sauf a1 sont stabilisés par des ponts disulfures.

À l’extrémité N terminale (extracellulaire) des chaînes a et b, les domaines a1 et b1 forment une cavité, site de liaison du peptide antigénique de la molécule de classe II.

Cette cavité est délimitée par 2 hélices a correspondant aux extrémités C terminales des domaines a1 et b1.

Son fond est constitué des feuillets b N terminaux de chaque domaine.

La poche de présentation est ouverte à ses extrémités.

Elle permet la présentation de peptides plus longs (12 à 25 acides aminés) que les molécules de classe I. Les molécules HLA de classe II interagissent avec de nombreux résidus au centre et tout au long du peptide. Celui-ci est fixé par 15 liaisons hydrogène et 5 chaînes latérales réparties le long du site de fixation.

Les liaisons hydrogènes sont indépendantes des séquences peptidiques.

Les chaînes latérales peptidiques se logent dans 5 cavités formées de résidus polymorphes déterminant la spécificité et le motif de fixation du peptide.

De nombreux peptides peuvent se fixer dans le sillon.

La plupart des cavités peuvent en effet loger une grande variété de chaînes latérales et les peptides présentés par une même molécule de classe II peuvent différer par la longueur de leurs extrémités NH2 et COOH terminales.

Le polymorphisme des molécules HLA de classe II est allélique, intra-isotypique et inter-isotypique.

Le polymorphisme allélique des molécules de classe II s’est constitué, comme pour les molécules de classe I, au cours de l’évolution par un ensemble de mécanismes incluant duplication, conversion génique, recombinaison et mutations.

Les résidus polymorphes des molécules HLA de classe II sont localisés sur la chaîne b, dans la cavité et sur les hélices.

L’essentiel du polymorphisme des molécules de classe II s’observe dans les chaînes b des molécules HLA DR et DQ alors que les chaînes b de DP sont moins polymorphes.

La chaîne DQa est polymorphe alors qu’il n’existe que deux chaînes DRa.

La diversité de structure est encore accrue par l’existence de molécules hybrides dont les chaînes a et b sont codées par des gènes situés sur deux haplotypes différents chez les individus hétérozygotes, il s’agit du phénomène de transcomplémentation intra-isotypique.

On trouve aussi des molécules hybrides inter-isotypiques obtenues par cis ou transcomplémentation (ex.: DRa DQb).

Deux voies d’approches sont utilisées pour la réalisation du typage HLA.

Restriction de la réponse immune :

La fonction de présentation de peptides, commune aux deux classes de molécules, est l’aboutissement d’un ensemble d’événements intracellulaires communément appelé apprêtement antigénique.

Si pendant longtemps l’unique distinction entre molécules HLA de classe I et II résidait dans l’origine endogène ou exogène des peptides, il apparaît de plus en plus clairement que la dichotomie repose en fait sur la nature des événements nécessaires à cet apprêtement antigénique.

A - Molécules HLA de classe I :

Le rôle essentiel de ces molécules est de présenter aux lymphocytes T CD8+ des peptides antigéniques issus de la protéolyse de protéines endogènes synthétisées par la cellule présentatrice, qu’il s’agisse de constituants naturels ou de protéines virales.

La séquence des événements nécessaires à l’obtention du complexe trimoléculaire formé par l’association de la chaîne a, de la b2-microglobuline et du peptide (a-b 2m-peptide) requis pour la présentation cellulaire se produit dans 2 compartiments distincts, le cytosol et le réticulum endoplasmique.

Elle se fait suivant un ordre chronologique en plusieurs étapes : la dégradation en peptides des protéines dans le cytosol, le transport des fragments obtenus dans la lumière du réticulum endoplasmique, leur charge sur les molécules de classe I néosynthétisées et enfin le transport du complexe trimoléculaire final vers la surface cellulaire.

1- Protéolyse des antigènes peptidiques :

Les protéines sont, après une phase de marquage par l’ubiquitine, dégradées par un complexe d’enzymes multicatalytiques, appelé protéasome.

Deux formes protéasiques du complexe 20S et 26S coexistent dans le milieu intracellulaire. La sous-unité 20S fonctionne comme le coeur protéolytique du complexe 26S.

Au cours de l’activation cellulaire, l’interféron g induit l’expression de 2 sous-unités b : les protéines LMP2 et LMP7 codées par des gènes situés dans la région de classe II du CMH.

Ces protéines sont alors incorporées aux protéasomes en remplacement d’autres sous-unités b. Ces protéasomes clivent alors de manière préférentielle les protéines après des résidus hydrophobes ou basiques, générant des peptides qui, après transport dans le réticulum endoplasmique, auront une forte affinité pour les molécules HLA de classe I.

Ces peptides auront ainsi une taille de 8 à 11 acides aminés.

2- Transport des peptides dans le réticulum endoplasmique :

Aussitôt générés par le protéasome, les peptides d’environ 9 acides aminés sont transloqués dans le réticulum endoplasmique par un système transporteur formé par 2 molécules polymorphes (TAP1 et TAP2) codées par des gènes du CMH. Ce système appartient à la famille des transporteurs ABC (ATP binding cassette) dépendant de l’ATP.

Les molécules TAP forment un hétérodimère dont les domaines transmembranaires ménagent un passage au centre, assurant la translocation après hydrolyse d’ATP, des peptides du cytoplasme vers la lumière du réticulum endoplasmique.

Le peptide transporté se lie à la fois avec TAP1 et TAP2, avec une prédilection variable pour l’une ou l’autre des sous-unités en fonction de sa séquence.

En effet, le polymorphisme intrinsèque des molécules TAP semble influencer sa fonction de transporteur.

Le complexe TAP1/TAP2 exerce non seulement un contrôle sélectif tenant compte de la séquence des peptides qu’il prend en charge, mais aussi de leur taille.

Il contribue ainsi à la stabilité structurale des molécules de classe I présentes à la surface cellulaire.

Même si la preuve n’est pas encore faite chez l’homme on peut aisément imaginer la portée d’un tel polymorphisme lors des manifestations immunologiques liées à la greffe chez des sujets HLA identiques ou lors de la genèse de certaines maladies auto-immunes.

3- Synthèse et assemblage des molécules de classe I :

Dès leur synthèse cytosolique la chaîne lourde a et la b2microglobuline sont transloquées dans le réticulum endoplasmique.

Les chaînes a s’associent avec une première molécule chaperon de 88 kd, la calnexine, dont le rôle serait de faciliter leurs interactions avec la b2microglobuline.

Sitôt en contact avec la b2microglobuline, la calnexine se dissocie du complexe, laissant place à une seconde molécule, la calréticuline.

Cette protéine de 46 kd, se lie aux dimères alpha-b2microglobuline avec cependant des disparités d’interaction selon les allèles de classe I.

Le complexe ainsi formé, s’associe au transporteur de peptide TAP1/TAP2.

À cette étape intervient une protéine de 48 kd, la tapasine dont le rôle exact n’est pas encore complètement élucidé.

Elle ferait office de pont entre le complexe transporteur et les molécules de classe I.

L’ensemble permettrait au peptide transporté depuis le cytosol de se fixer directement sur les dimères alpha-b2microglobuline (ce complexe peut ensuite suivre la voie classique d’exportation à la surface où il apparaît environ 30 min après la synthèse des molécules de classe I).

4- Peptides présentés par les molécules de classe I :

Les peptides présentés ont des motifs communs à leurs extrémités correspondant aux résidus d’ancrage du peptide dans la cavité de la molécule présentatrice.

Les résidus ne correspondant pas à des positions d’ancrage sont plus variables, avec cependant une certaine récurrence pour certains acides aminés à des positions données.

Il existe une complémentarité structurale entre les chaînes latérales des acides aminés du peptide et les poches ménagées par les résidus polymorphes de la molécule de classe I.

De plus, la caractérisation de motifs peptidiques spécifiques d’allèles permet de prédire le ou les peptides potentiellement présentables à partir d’une protéine native donnée.

Le polymorphisme des molécules de classe I exercerait une influence majeure sur le répertoire des peptides exposés à leur surface.

Il existe ainsi 3 niveaux distincts de sélection des peptides présentés aux cellules T CD8+.

Le premier consiste en la génération de fragments peptidiques dont les extrémités carboxy-terminales sont hydrophobes ou basiques, sous l’influence des sous-unités LMP2 et LMP7.

Le deuxième est représenté par le système de transport TAP1/TAP2 dont le pouvoir sélectif influe sur la taille et sur la composition du peptide.

Enfin, la molécule de classe I elle-même de par les contraintes structurales de sa cavité de présentation ne permet la fixation que de peptides bien définis.

B - Molécules HLA de classe II :

Le rôle des molécules de classe II est de présenter aux lymphocytes T CD4+, un peptide issu de la dégradation d’un antigène exogène ou endogène mais transmembranaire.

Schématiquement, l’antigène est internalisé par la cellule et dégradé en peptides dans les lysosomes.

Les molécules HLA de classe II néosynthétisées et stabilisées par la chaîne invariante rejoignent le compartiment lysosomial.

La chaîne invariante est alors dégradée et remplacée par un peptide antigénique puis le complexe est transporté à la membrane cellulaire.

1- Captation et dégradation de l’antigène :

L’antigène peut être internalisé dans la cellule présentatrice :

- soit de façon non spécifique par endocytose (de grandes quantités d’antigène étant alors nécessaires), soit après fixation à des récepteurs spécifiques (les quantités d’antigène peuvent être alors 10 000 fois plus faibles). Les lymphocytes B peuvent capter l’antigène par leurs immunoglobulines de membrane.

En revanche, c’est par le biais de leurs récepteurs Fc que les macrophages peuvent capter des complexes immuns où l’antigène est lié à une immunoglobuline.

L’antigène est alors clivé dans les vésicules d’endocytose par des protéases agissant à pH acide.

2- Synthèse des molécules HLA de classe II :

Les chaînes a et b des molécules HLA et la chaîne invariante (Ii) sont synthétisées dans le réticulum endoplasmique. Les chaînes invariantes synthétisées en excès se trimérisent par leurs parties N et C terminales et s’associent à 3 dimères a b.

L’interaction se fait entre le segment CLIP de la chaîne invariante et le site de fixation du peptide sur le dimère. CLIP, en bloquant le site de fixation du peptide, empêche la prise en charge de peptides présents dans le réticulum endoplasmique.

Le nonamère 3Ii + 3 (a b) ainsi formé s’associe à la calnexine et gagne l’appareil de Golgi où les chaînes a et b sont glycosylées.

Il passe ensuite par le réseau transgolgien dans un compartiment spécialisé dans le chargement de l’antigène sur les molécules de classe II, qui fusionne avec la voie endosomale.

3- Liaison de la molécule de classe II au peptide antigénique :

La chaîne invariante subit alors 3 clivages. Le dernier, sous l’action de la cathepsine S ne laisse dans la poche peptidique que la partie CLIP de la chaîne invariante (complexe a b CLIP).

Les molécules codées par les gènes DMA et DMB s’associent alors de façon transitoire au complexe a b CLIP et induisent un changement conformationnel qui déstabilise la liaison de CLIP au dimère a b. CLIP se dissocie de la molécule de classe II et est remplacé par un peptide antigénique d’affinité plus forte pour la cavité peptidique. Le complexe a b - peptide est transporté à la membrane par une vésicule de sécrétion.

Le temps nécessaire aux molécules HLA pour atteindre la surface cellulaire est de 3 heures.

Cellules impliquées :

La présentation se fait par interaction entre le site de présentation de l’antigène des molécules HLA de classe I ou II contenant un peptide d’une part et le site de reconnaissance de l’antigène des cellules T, les régions CDR3 du TCR d’autre part. Cette liaison est renforcée par une molécule accessoire, CD8 ou CD4.

Les cellules impliquées dans la reconnaissance des peptides présentés par les molécules de classe II sont les lymphocytes T CD4+ reconnaissant le complexe HLA classe II/ peptide à la surface des cellules présentatrices de l’antigène.

Celui-ci peut être présenté aux lymphocytes T CD4+ par différents types cellulaires, selon son lieu et son mode d’entrée dans l’organisme.

L’expression des molécules HLA de classe II n’est pas ubiquitaire ; elle est limitée aux cellules présentant l’antigène aux lymphocytes T CD4+.

Elle est constitutive sur les cellules dites présentatrices professionnelles : les cellules dendritiques (cellules de Langherans de la peau, cellules interdigitées du ganglion, du thymus), les cellules phagocytaires de la lignée monocyte macrophage (monocytes, macrophages, cellules de Kupffer du foie, microglie), les lymphocytes B et les progéniteurs précoces de l’hématopoïèse.

Elle est inductible sur certaines cellules (cellules présentatrices non professionnelles) sous l’action de l’interféron gamma (IFNg) et du facteur de nécrose tumorale (TNF) : cellules endothéliales, certaines cellules épithéliales et lymphocytes T.

Les cellules dendritiques, exprimant un grand nombre de molécules HLA de classe II à leur surface, sont considérées comme les plus efficaces dans l’activation des cellules T CD4+.

Leur rôle est primordial dans la réponse immunitaire primaire du fait de leur aptitude à induire la prolifération de clones de cellules T spécifiques de l’antigène.

Ces lymphocytes T CD4+ circulent dans l’organisme et peuvent alors reconnaître, lors d’une réponse secondaire, ce même antigène présenté par les molécules HLA de classe II des macrophages, des monocytes, des lymphocytes B ou des cellules endothéliales ou épithéliales stimulées par l’IFNg. Ces cellules, appelées « T auxiliaires ou helper »(Th), orientent par leur sécrétion de cytokines (profils Th1 ou Th2), le choix des mécanismes effecteurs dirigés contre les antigènes cibles : cytotoxicité, réponse anticorps, activation des macrophages.

Les cellules B possèdent un récepteur de surface à l’antigène : leur immunoglobuline de membrane, grâce à laquelle elle vont pouvoir internaliser l’antigène qui va être digéré et présenté par les molécules HLA de classe II.

L’interaction avec une cellule T spécifique active la cellule B qui va pouvoir se transformer en cellule B mémoire ou en plasmocyte.

Les monocytes macrophages peuvent phagocyter des particules, des bactéries ou des cellules mortes, et sont aussi capables d’internaliser des complexes immuns grâce à l’expression du récepteur au fragment Fc des immunoglobulines.

Ainsi ils vont pouvoir dégrader des antigènes et présenter les peptides antigéniques dans le contexte de leurs molécules HLA de classe II.

Les molécules HLA de classe II ont d’autres ligands que le complexe TCR-CD4.

Les superantigènes sont des protéines virales ou bactériennes capables de se fixer d’une part sur les molécules HLA de classe II en dehors du site de fixation du peptide, d’autre part sur le domaine variable de la chaîne b du TCR, en dehors du site de reconnaissance du peptide.

Chaque superantigène active donc un ensemble de cellules T exprimant les gènes V b d’une même famille indépendamment des molécules accessoires CD4 ou CD8.

Ce pontage entre molécules HLA de classe II et TCR entraîne l’activation d’un grand nombre de lymphocytes T CD4 ou CD8.

Une stimulation par les molécules de classe II permet de délivrer des signaux intracellulaires modulant l’activité de la cellule présentatrice d’antigène.

Cette stimulation (liaison au TCR, fixation d’anticorps ou de superantigènes) contribue à la réponse immunitaire soit en activant la cellule présentatrice (monocyte, lymphocytes B au repos ou T activés), soit en induisant l’apoptose (lymphocytes B activés).

Les lymphocytes T CD8+ qui reconnaissent le complexe peptide/molécules HLA de classe I à la surface d’une cellule vont induire sa lyse spécifique.

À la phase de reconnaissance fait suite une phase d’activation conduisant à la prolifération et à la différenciation des précurseurs cytotoxiques en cellules effectrices matures.

Ces dernières établissent un contact étroit avec la cellule cible par l’intermédiaire du TCR et de certaines molécules d’adhérence non spécifiques (CD8, CD2, LFA1) puis, 2 types de mécanismes moléculaires vont médier la lyse cellulaire.

Une première voie conduit à la mort cellulaire par apoptose, avec fragmentation nucléaire sous l’action d’endonucléases.

Le signal de lyse proviendrait de l’association d’un récepteur exprimé à la surface de la cible avec un ligand.

Le deuxième mécanisme repose sur la formation de microperforations de la membrane cellulaire sous l’action d’une protéine initialement contenue sous forme inactive dans les granules cytoplasmiques du CTL, la perforine.

Une fois libérées et activées dans l’atmosphère intercellulaire, les perforines s’insèrent dans la membrane de la cellule cible, constituant des canaux qui perturbent son équilibre ionique et conduisent à sa lyse.

Sélection thymique :

Les molécules HLA de classe I et II de l’épithélium thymique ont un rôle important dans le développement des lymphocytes T.

- La sélection positive confère aux cellules T la restriction par le complexe majeur d’histocompatibilité du soi : au niveau du cortex thymique, les thymocytes dont le TCR est incapable de reconnaître les molécules HLA de classe I et II portées par les cellules épithéliales meurent par apoptose.

Les autres poursuivent leur développement.

- La sélection négative des cellules T autoréactives s’effectue au niveau de la jonction corticomédullaire et de la médullaire, les cellules T reconnaissant les peptides du soi présentés par les molécules HLA de classe I et II portées par les cellules dendritiques, les macrophages et les cellules de l’épithélium médullaire sont éliminées.

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