N_412_12_Radwan.pdf

(89 KB) Pobierz

NAUKA

4/2012 • 155-162

ACEK

ADWAN

Ewolucja zmienności genów

głównego kompleksu zgodności tkankowej

Główny układ zgodności tkankowej, MHC (

major histocompatibility complex

), obej-

muje grupę genów związanych z odpowiedzią odpornościową kręgowców, w tym klasycz-

ne geny MHC klasy I i II oraz elementy dopełniacza [11]. U człowieka układ ten, nazy-

wany HLA (

human leucocyte antigens

), obejmuje obszar ok. 4 mln par zasad i składa

się z ponad 100 genów umiejscowionych na krótkim ramieniu chromosomu 6. Układ

ten odkryto w badaniach nad odrzucaniem przeszczepów. Zasadniczą rolą glikoprotein

kodowanych przez geny MHC jest rozpoznawanie obecności w organizmie obcych

białek i inicjacja odpowiedzi odpornościowej. Za badania nad głównym układem zgod-

ności tkankowej Benacerraf, Dausset i Snell otrzymali w 1980 roku Nagrodę Nobla.

Klasyczne cząsteczki MHC wiążą własne i obce oligopeptydy, by zaprezentować je

na powierzchni komórek limfocytom. W przypadku gdy receptory na limfocytach rozpoz-

nają antygen prezentowany przez cząsteczkę MHC jako obcy, inicjowana jest odpowiedź

odpornościowa. Cząsteczki MHC I znajdują się na powierzchni prawie wszystkich komó-

rek i odpowiadają głównie za rozpoznawanie pasożytów (w szerokim sensie, obejmują-

cym wszelkiego rodzaju patogeny) wewnątrzkomórkowych, natomiast cząsteczki MHC

II występują głównie na makrofagach, limfocytach B i komórkach dendrytycznych,

prezentując głównie antygeny pochodzące od pasożytów zewnątrzkomórkowych. Za wią-

zanie antygenów odpowiada rowek, tworzony w przypadku cząsteczek klasy I przez

łańcuchy

α1

α2

kodowane przez drugi i trzeci ekson genów MHC I, a w przypadku

klasy drugiej przez

łańcuchy

kodowane przed drugi ekson osobnych genów, odpo-

wiednio A i B. HLA klasy I u człowieka obejmuje geny A, B i C, natomiast HLA klasy

II geny DQA, DQB, DPA, DPB oraz DRA i DRB. Liczba i struktura klasycznych genów

MHC wykazuje znaczne różnice międzygatunkowe [11].

Poszczególne geny MHC występują w populacjach w wielu wariantach, czyli są poli-

morficzne. W populacjach ludzkich odkryto od kilkuset do ponad tysiąca wariantów

(alleli) w każdym

locus

. Dlatego tak trudno znaleźć dawcę przeszczepu (przeszczepy od

dawcy o niekompatybilnym typie MHC są odrzucane). Zmienność genów HLA, a tym

samym kodowanych przez nie cząsteczek, ma ogromne konsekwencje medyczne nie

Prof. dr hab. Jacek Radwan, Wydział Biologii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu

156

J. Radwan

tylko w transplantologii. Poszczególne warianty (allele) HLA związane są z odpornością

na patogeny, np. HIV [4], i z występowaniem chorób autoimmunizacyjnych [23]. Przy-

czyny utrzymywania się tej bezprecedensowej zmienności są od lat przedmiotem docie-

kań biologów ewolucyjnych.

Jak wytłumaczyć wysoką zmienność genów MHC?

Teoretycznie dobór naturalny powinien utrwalać allele zapewniające najlepsze dos-

tosowanie do

środowiska,

dlatego polimorfizm, czyli utrzymywanie się wielu alleli

w częstościach na tyle wysokich,

że

nie można ich wytłumaczyć za pomocą równowagi

między presją mutacyjną i doborem przeciw szkodliwym mutacjom, od dawna był przed-

miotem zainteresowania biologów ewolucyjnych. Geny MHC stanowią ekstremalny

przypadek polimorfizmu genetycznego. Wśród przebadanych dotąd gatunków odnajdy-

wane są dziesiątki do setek alleli poszczególnych genów. Najbardziej zmienne są sek-

wencje kodujące rowek wiążący antygeny, a zwłaszcza te aminokwasy, które odpowia-

dają za specyficzność wiązania antygenów (tzw. ABS,

antigen binding sites

). Wskazuje

to,

że

polimorfizm ma związek z funkcją cząsteczek MHC, czyli wiązaniem antygenów

organizmów patogennych. Rzeczywiście, pojawia się coraz więcej danych wskazujących

na korelacje podatności na infekcje z posiadaniem konkretnych alleli MHC (przegląd

w [22]). Ostatnio eleganckiego dowodu na dobór działający na geny MHC dostarczył

zespół Manfreda Milińskiego badający słodkowodne cierniki [5]. W pierwszym etapie

badań autorzy zidentyfikowali allele dające odporność na dwa różne gatunki robaków.

Następnie wykazali,

że

w obecności tych pasożytów w

środowisku

częstość alleli dają-

cych odporność rosła, natomiast przy ich braku wzrostu nie obserwowano.

Charakter polimorfizmu genów MHC wskazuje na rodzaj doboru naturalnego, który

na nie działa. Eksony kodujące rowek wiążący antygeny, a szczególnie ABS, charakte-

ryzują się przewagą podstawień niesynonimicznych (czyli takich podstawień nukleo-

tydów, które powodują zmianę aminokwasów w sekwencji białka) nad podstawieniami

cichymi (niezmieniającymi sekwencji białka; w kodzie genetycznym występuje do kilku

trójek nukleotydowych kodujących ten sam aminokwas). Jeżeli zmiany w strukturze

białka nie mają znaczenia dla jego działania, a w konsekwencji dla funkcjonowania orga-

nizmu, mutacje powodujące substytucje aminokwasowe powinny utrwalać się równie

często jak mutacje ciche. W przypadku większości białek substytucje aminokwasowe

pogarszają funkcje białka, dlatego utrwalają się rzadziej niż mutacje ciche. To,

że

w przy-

padku cząsteczek MHC jest odwrotnie, wskazuje na działanie tzw. doboru pozytyw-

nego, czyli takiego, który z jakiegoś powodu daje przewagę nowym wariantom bia-

łek

[10].

Zarówno wysoki polimorfizm białek MHC, jak i przewagę podstawień niesynoni-

micznych nad cichymi tłumaczy się zwykle za pomocą jednego z dwóch mechanizmów.

Ewolucja zmienności genów głównego kompleksu zgodności tkankowej

157

Pierwszy z nich to przewaga heterozygot (czyli genotypów posiadających dwa różne

allele w tym samym

locus

). Heterozygotyczność genów MHC może być korzystna,

ponieważ zwiększa spektrum antygenów, które organizm jest w stanie rozpoznać. Rze-

czywiście, doświadczenia na szczepach myszy różniących się jedynie typem MHC wyka-

zały,

że

heterozygoty mają większą szansę zwalczenia infekcji kilkoma szczepami

Salmo-

nella

niż homozygoty [17] . Inny mechanizm to dobór zależny od częstości. Dobór ten

może faworyzować rzadkie allele MHC, ponieważ szybka ewolucja pasożytów umożliwia

im „ucieczkę” przed rozpoznawaniem przez najczęstsze allele gospodarzy. W związku

z tym rzadkie allele MHC nie będą tracone z populacji, przeciwnie, ich częstość będzie

rosła do momentu, gdy koewolucja doprowadzi do powstania takich form pasożytów,

których nie będą w stanie zaprezentować limfocytom. Dane wskazujące na związki

między konkretnymi allelami MHC a podatnością na dany rodzaj infekcji traktuje się

często jako pośredni dowód na rolę doboru zależnego od częstości [22], jednak nie jest

to stanowisko uzasadnione, ponieważ związki takie wystąpią również wtedy, gdy działa

przewaga heterozygot. Wynika ona bowiem z faktu,

że

heterozygoty mają zwiększoną

szansę posiadania allelu zapewniającego odporność. Potwierdzenie zależności od

częstości wymagałoby długotrwałych badań

śledzących

zmiany częstości alleli w popu-

lacjach lub wyrafinowanego podejścia eksperymentalnego, czego dotychczas nie udało

się dokonać. Natomiast symulacje komputerowe modelujące uproszczoną wersję ko-

ewolucji pasożytów i molekuł MHC gospodarzy wskazują na potencjalnie kluczowe zna-

czenie tego mechanizmu w utrzymywaniu zmienności MHC [3]. Wskazują one ponadto,

że

to zależność od częstości, a nie przewaga heterozygot, odpowiada za utrwalanie

nowych alleli MHC w populacjach, a więc za dobór pozytywny [6]. Oprócz dwóch kla-

sycznych mechanizmów, zmienność składu gatunkowego pasożytów w czasie i przes-

trzeni może stanowić dodatkowy czynnik faworyzujący utrzymywanie się polimorfizmu

genów MHC [9, 13]. Znaczenie mechanizmów wynikających z selekcyjnej presji ze stro-

ny pasożytów jest wciąż przedmiotem intensywnych badań. Oprócz pasożytów, na

utrzymywanie polimorfizmu genów MHC mogą wpływać także preferencje płciowe.

W latach 70. ubiegłego wieku Yamazaki [26] zaobserwował,

że

myszy kojarzą się

chętniej z partnerami o odmiennym od własnego haplotypie MHC. Od tego czasu po-

dobne wyniki uzyskano dla innych gatunków, w tym dla człowieka, choć nie wszystkie

badania potwierdziły powszechność tego zjawiska (przegl. w [14]). Modele teoretyczne

wskazują,

że

preferencje płciowe w stosunku do nosiciela różnego genotypu MHC mogą

samoistnie utrzymywać polimorfizm tych genów [8], ponieważ nosiciele rzadkich alleli

MHC będą atrakcyjni dla dużej liczby parterów płciowych. Mechanizm rozróżniania

genotypu MHC innego osobnika poznano, jak dotąd, dość dobrze u myszy, które za po-

mocą receptorów specyficznego zmysłu węchu – organu przylemieszowego – są w sta-

nie rozróżniać oligopeptydy wiązane przez cząsteczki MHC, a następnie uwalniane na

158

J. Radwan

zewnątrz organizmu [14]. Jakie może być ewolucyjne znaczenie takich preferencji? Po

pierwsze, związki miedzy osobnikami o różnych genotypach MHC dają heterozygo-

tyczne potomstwo, co może skutkować jego większą odpornością na infekcje. Po drugie,

z powodu ogromnej zmienności, allele MHC są znakomitymi wskaźnikami spokrewnie-

nia. Dwa losowo wybrane osobniki niezmiernie rzadko będą nosicielami tych samych

alleli, natomiast allele te będą często współwystępować u najbliższych krewnych. Uni-

kając osobników o podobnym genotypie, można więc uniknąć negatywnych skutków

inbredu. Podobną funkcję może u ssaków pełnić spontaniczna aborcja płodów o podob-

nym do matki genotypie MHC. Choć preferencje płciowe w tym drugim scenariuszu nie

mają nic wspólnego z odpornością na pasożyty, rolę tych ostatnich w powstaniu róż-

norodności białek MHC trudno zakwestionować. Aby allele MHC były efektywnymi

wskaźnikami pokrewieństwa, muszą od razu być bardzo polimorficzne. Powstanie takie-

go polimorfizmu bez procesu koewolucji z pasożytami trudno byłoby wytłumaczyć.

Co ogranicza liczbę kopii genów MHC w genomie?

Jeżeli heterozygotyczność zmniejsza ryzyko infekcji, to zwiększenie liczby kopii

genów MHC i zróżnicowanie ich sekwencji powinno także dawać przewagę selekcyjną,

zwiększając spektrum rozpoznawanych antygenów. Rzeczywiście, geny MHC obu klas

występują zwykle w genomach w kilku kopiach [11]. Ekstremalnego przykładu dostar-

cza gryzoń

Nannomys setulosus

, posiadający w genomie kilka tysięcy kopii genów MHC

I (z których jednak większość nie podlega ekspresji). U większości gatunków liczba

genów MHC jest jednak niższa (np. u człowieka ekspresji ulegają po trzy geny obu klas,

choć gen DRB może występować w niektórych haplotypach w kilku kopiach) [11] . Jakiś

mechanizm ewolucyjny musi zatem ograniczać liczbę kopii genów MHC w genomach.

Nowak i współpracownicy [16] zaproponowali,

że

tym mechanizmem jest ewolucyjny

kompromis pomiędzy zwiększaniem spektrum wiązanych antygenów a repertuarem

limfocytów T. Limfocyty T, reagujące zbyt silnie z białkami MHC wiążącymi oligopep-

tydy pochodzące z organizmu gospodarza, usuwane są w procesie tzw. negatywnej se-

lekcji, co zapobiega autoagresji. Osobniki o bardzo zróżnicowanym repertuarze białek

MHC będą wiązać szersze spektrum własnych oligopeptydów, zwiększając tym samym

proporcję usuwanych limfocytów T, co może negatywnie odbić się na odpowiedzi odpor-

nościowej [16]. Hipotezę tę najłatwiej testować u gatunków wykazujących znaczny

zakres międzyosobniczej zmienności w liczbie kopii genów MHC, co było dotychczas

niezwykle trudne z powodu technicznych trudności z genotypowaniem takich wielo-

genowych układów o zbliżonych sekwencjach. Przełom dokonał się ostatnio dzięki zas-

tosowaniu do tego celu metod wysokoprzepustowego sekwencjonowania nowej gene-

racji [2]. Dotychczasowe testy hipotezy,

że

posiadacze pośredniej liczby białek MHC są

najbardziej odporni na infekcje [13, 19, 25], są wciąż zbyt nieliczne,

żeby

umożliwić

Ewolucja zmienności genów głównego kompleksu zgodności tkankowej

159

jakiekolwiek uogólnienia. Istnienie związku między wewnątrzosobniczą zmiennością

MHC a repertuarem limfocytów wciąż oczekuje na empiryczną weryfikację.

Polimorfizm ponadgatunkowy czy import genów?

Jedną z charakterystycznych cech sekwencji genów MHC jest tzw. polimorfizm

ponadgatunkowy (

trans-species polymorphism

), czyli większe podobieństwo między

niektórymi sekwencjami genów pochodzących od różnych gatunków niż pomiędzy nie-

którymi parami alleli w obrębie gatunku. Ta bardzo nietypowa sytuacja była tłumaczona

silnym doborem równoważącym, który utrzymuje zmienność genów MHC w trakcie

procesu specjacji (oddzielania się gatunków), a także zapewnia ich zachowanie przez

bardzo długi czas przez oba gatunki potomne [12]. Jednak ostatnie odkrycia wskazują

na inną możliwość, mianowicie import genów MHC od blisko spokrewnionych gatunków

w trakcie stosunkowo rzadkich przypadków krzyżówek międzygatunkowych (hybry-

dyzacji). Mieszańce międzygatunkowe mają zwykle obniżoną

żywotność

i płodność,

jednak czasami krzyżują się z osobnikami któregoś z gatunków rodzicielskich i wówczas

może dojść do przepływu genów między gatunkami. Jeżeli chodzi o geny mające zna-

czenie przystosowawcze, to zwykle przepływają one między gatunkami rzadziej niż geny

neutralne, ponieważ zostały wyselekcjonowane w innych warunkach

środowiska

i na

innym tle genetycznym. Jednak najnowsze badania wskazują,

że

w przypadku genów

MHC jest odwrotnie. Przy użyciu sekwencjonowania wysokoprzepustowego stwier-

dzono,

że

geny MHC przepływają między traszkami zwyczajną i karpacką

łatwiej

niż

geny neutralne [15]. Poznane niedawno sekwencje genów MHC wymarłych, blisko

spokrewnionych z człowiekiem gatunków – neandertalczyków i denisowian występują

także u człowieka. Dokonane na podstawie ich częstości we współczesnych populacjach

obliczenia wskazują,

że

znaczna część ludzkich genów MHC pochodzi właśnie od

wspomnianych gatunków [1]. Wyjaśnieniem tego ułatwionego przepływu genów MHC

może być specyfika działającego na nie doboru. Geny ulegające introgresji do innego

gatunku są początkowo rzadkie, powinny więc być faworyzowane przez dobór zależny

od częstości, ponadto będą występować początkowo wyłącznie w heterozygotach, zysku-

jąc związaną z tym przewagę selekcyjną. To, w jakim stopniu import genów odpowie-

dzialny jest za obserwowany u większości przebadanych gatunków polimorfizm ponad-

gatunkowy, rozstrzygnie się w dalszych badaniach.

Zmienność MHC a ochrona gatunków

Gatunki zagrożone wyginięciem ze względu na małą liczebność populacji tracą zaz-

wyczaj znaczną część zmienności genetycznej. Dotyczy to także genów MHC [18],

ponieważ dobór działający w małych populacjach jest często zbyt słaby, aby przeważyć

nad losową utratą alleli na drodze tzw. dryfu genetycznego. Ponadto dobór zależny od

N_412_12_Radwan.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: