Imunogenetika

Imnogenetika (lat. immunitas = otpornost, neprijemčivost + genetika) jeste nauka u kojoj se preklapaju i interaktivno povezuju imunologija i genetika. Primjena imunoloških metoda i spoznaja u genetičkim studijama omogućava detekciju individualne varijacije (u poznatim sistemima krvnih grupa i iproteinskih alotipova, npr.), a primjena genetičkih metoda i dostignuća rezultira informativnim podacima za proučavanje imunoloških fenomena.^[1]^[2]^[3]

Imunogenetika istovremeno pripada i imunološkoj i genetičkoj znanosti. Blisko se veže i prožima sa fundamentalnim biološkim i biomedicinskim znanostima, primarno sa molekularnom biologijom, biohemijom i fiziologijom (osobito sa serologijom – njenim specijalnim područjem).

Osnovni pojmovnig imunogenetike također obuhvata slijedeće definicije. Imunogena je svaka supstanca koja uzrokuje imuni odgovor. Generalno gledano, najmoćniji imunogeni su strani proteini i glikoproteini, a imunogenost je sposobnost pobuđivanja imunog odgovora.

Imuna supstanca je citoplazmatski faktor produciran u lizogenim bakterijama a koji ih štiti od infekcije bakteriofagima istog tipa kao što su njihovi profagi i istovremeno onemogućava vegetativne replikacije pomenutih profaga, a
imunizacija (inokulacija, vakcinacija) je injiciranje antigena u cilju razvijanja imunog odgovora ili otpornosti organizma na isti antigen.
Imunokompetentne ćelije su sve ćelije koje su u stanju vršiti svoju imunološku funkciju kad su izložene odgovarajućem stimulusu.
Imunoselekcija je metod za izolaciju ćelijskih linija kojim nedostaju određeni antigeni kao što su oni glavnog histokompatibilnog kompleksa. Selekcija se postiže tretiranjem ćelija specifičnim antiserumom i komplementom, pri čemu glavnina ćelija ugiba, osim nekoliko spontano formiranih varijanti koje ne posjeduju odgovarajući antigen. Gubitak antigena češće je rezultat delecija, nego epigenetičkih promjena ili mitotskog crossing–overa.
Imunogeni (imuno–geni) su aleli svakog genskog lokusa koji utiče na imunološke karakteristike organizma kao što su: geni za imuni odgovor, geni HLA kompleksa itd.
Imuna tolerantnost je stanje odsustva reaktivnosti organizma na supstance koje bi, u normalnim okolnostima, izazvale imuni odgovor. Tolerantnost na specifične strane antigene kod nekih ptica i sisara može biti inducirana njihovim izlaganjem stranim antigenima tokom embrionskog ili neonatalnog razvoja. Privremena tolerantnost kod odraslih jedinki postiže se alternativnom administracijom antigena ili koadministracijom sa agensima koji onemogućuju proliferaciju ćelija kao dio imunog odgovora. Ovi mehanizmi podrazumijevaju ili potpunu deleciju potencijalno reaktivnih limfocita ili njihovu inaktivaciju imunološkom supresijom.
Imununa supresija je nasljedno ili inducirano stanje u kojem je onemogućen odgovor imunog sistema na većinu ili sve antigene. Može se postići i aplikacijom odgovarajućih lijekova.
Imunosupresivni lijekovi, kao što su azatiopren, merkaptopurin i drugi, su sve one supstance čije aktivne komponente blokiraju imuni odgovor organizma na specifični antigen, ali i generalnu aktivnost imunog sistema.

^[4]^[5]^[6]

Imunitet je stanje otpornosti organizma na određene infekcije ili parazitarna oboljenja, tj. na antigene. Antigeni su svi oni agensi koji mogu potaći organizam na produkciju antitijela, tj. odbrambenih bioagenasa protiv stranih organskih supstanci uključujući i autoimune reakcije i imunu inkompatibilnost majka – dijete. Imunitet može biti prirodni i stečeni.^[7]

Genetika sinteze imunoglobulina

Genetika sinteze imunoglobulina, tj. funkcija odgovarajućih segmenata DNK počiva na kodiranju, pohranjivanje, zaštiti, repliciranju i (po potrebi) aktiviranju genetičke informacije. Razvoj i održavanje imunog sistema ljudskog ili životinjskog organizma također počiva na ovim osobenostima genetičke informacije.^[8]

Postoje samoregulirajući genetički procesi kontrole širokog spektra sintetičkog potencijala unutar imunog sistema koji je sposoban da specifično reaguje na doslovno svaki mikroorganizam ili stranu molekulu. Ispoljavaju se u jedinstvenim i usaglašenim aktivnostima molekula DNK tokom razvoja limfocita odgovornih za specifični imuni odgovor na strani agens (antigen). B limfociti produkuju antitijela (kako na površini tako i sekretorna), dok T limfociti lansiraju napad ćelija na infiltrirane ppatogene. Kako se limfociti razvijaju, paleta kratkih gena se presortira i ponovo složi na nivou DNK, kako bi nastali geni čiji produkti prepoznaju određene antigene. S obzirom da se taj proces uglavnom odvija po principu slučajnosti, svaki limfocit selektira strane supstance na drugačiji način, što dovodi do pojave ogromnog skupa limfocita koji mogu reagovati na različite antigene. Ovaj proces se odražava na formiranje antitijela, ćelijski imunitet i maligna oboljenja imunog sistema.^[8]

Geni za imuni odgovor (Ir geni) su svi oni geni koji određuju sposobnost limfocita da razviju imuni odgovor na specifični antigen. U glavnom histokompatibilnom kompleksu miša (H–2 kompleks), I region sadrži gene za specifična antitijela, ali i gene za antigene koji učestvuju u imunom odgovoru organizma. Ovi proteini (antigeni) se nalaze na B– i T– limfocitima i makrofagima. Kod ljudi, HLA–D (DR) region homolog je mišjem H–2 I regionu. Imunoglobulinski lanci su komponente heteropolimernih imunoglobulinskih molekula. Postoje dvije glavne grupe L–lanaca :

– kapa–lanci (koje kodiraju genski segmenti sa humanog hromosoma 2) i – lambda–lanci (kodirani sa hromosoma 22). Pritom je funkcionalnost antitijela primarno određena strukturom njihovih teških lanaca. Kodirajući geni svih njihovih tipova locirani su na hromosomu 14 humane garniture.

Biosinteza lakih i teških polipeptidnih lanaca antitijela se realizira u kompententnim ćelijama (plazmociti), a suglasno općim procesima i pojavama u zapisivanju, transkripciji, transferu i translaciji genetičke informacije – od izvorne genetičke matrice u strukturi DNK do sinteze proteina u ribosomima. Ulazak antigena u organizam istovremeno aktivira njegov odbrambeni sistem. Odmah počinje sinteza specifičnih antitijela, koja mogu reagirati samo sa antigenima – pokretačima njihove produkcije. To ograničenje određeno je činjenicom da je u formiranju aktivnog centra antitijela i determinante antigenosti neophodna puna komplementarnost. Faktori ovog fenomena mogu biti egzogeni i endogeni. Egzoheterogenost je uvjetovana pojavom većeg broja antigenih determinanti na molekuli antitijela. Endoheterogenost počiva na konstanti da svaki plazmocit (uključujući i pripadajući klon) sintetizira samo jednu kategoriju specifičnosti, a više strukturnih “klasa” (npr.) i njihovih nižih kategorija. Dokazano je da antitijela iste specifičnosti koja nastaju u jednom organizmu imaju različitu dužinu aktivnih centara i nejednaku građu.

Sposobnosti sinteze određenih antitijela ispoljavaju unutarpopulacijsku i međupopulacijsku varijaciju, a distribuiraju se suglasno općim genetičkim postulatima nasljeđivanja ostalih individualnih svojstava. Antitijela, dakle, posjeduju osobene antigene determinante (alotipske markere) čiju sintezu kodiraju geni odgovarajućih (pojedinačnih) lokusa. Kod čovjeka su registrirana tri sistema alotipskih markera: Gm, Am i Inv, koji se nasljeđuju nezavisno od dva prethodna. Najviše alotipova (preko 20) ima Gm sistem. Svaki od ovih sistema kontroliran je sa po jednog genskog lokusa, a polimorfizam svakog od njih određuju odgovarajući kodominantni aleli. Genski lokusi koji kontroliraju Gm i Am sistem, su blisko susjedni, pa se nasljeđuju korelativno. Nezavisnost nasljeđivanja determinanti Inv sistema posljedica je ili veće udaljenosti njegovog genskog lokusa od dva prethodna ili pak lokacije na nekom drugom hromosomu. Uočeno je da se u sintezi alotipova javlja alelno isključivanje. Ta pojava se ispoljava tako da je u kodiranju određene subjedinice antitijela aktivan samo jedan od homologih alela, dok je drugi isključen.

Istraživanja genetičke kontrole sinteze imunoglobulina bila su intenzivno usmjerena i u pravcu upoznavanja redosljeda aminokiselina u polipeptidnim subjedinicama antitijela. Eksperimentalno je potvrđeno prisustvo varijabilnih (V) i konstantnih (C) regiona u strukturi oba tipa lanaca, te da disulfidni mostovi (–S–S–) obuhvataju 60–70 aminokiselina. U toj skupini aminokiselina, zapažena je određena homologija, različitog obima. Na lakim lancima prisutne su dvije takve homologije (varijabilni i konstantni region), a na teškom – četiri (V–region) i tri u C regionu. Prisustvo pomenutih homologija može biti dokaz za pretpostavku da svi geni uključeni u sintezu lanaca imunoglobulina imaju zajedničko porijeklo od predačkog izvornog gena, koji je kontrolirao peptidno vezivanje oko 100 aminokiselina (u odgovarajuću proteinsku molekulu). Podaci o strukturi antitijela, prirodi nasljeđivanja alotipskih determinanti i ostalih osobenosti imune reakcije, upućuju na zaključak da sastav oba lanca (lahkog i teškog) određuju dva strukturna gena: V i C. Sasvim je izvjesno da kod čovjeka ima oko 10 C–gena, koji kreiraju sintezu konstantnih regiona (svih klasa i potklasa antitijela), pri čemu je većina njih polimorfna. Pretpostavlja se da su V–geni mnogobrojniji (kod miša: 100–1000), jer je specifičnost antitijela primarno određena njegovom aminokiselinskom sekvencom.

Multigenske familije je pojam koji definira pojavu da određenu grupu nukleotidnih sekvenci ili gena karakterizira:
multiplikativnost,
bliska vezanost,
homologija sekvenci i
srodnost fenotipske ekspresije.

Takvu organizaciju imaju i neke druge skupine gena, kao: rRNK–geni, tRNK–geni ili histonski geni. Za razliku od njih (sa homologijom od 80–100%), koji su strukturirani od visokorepetitivne DNK, geni koji kontroliraju sintezu antitijela su međusobno različiti iako imaju zajedničko gensko porijeklo. Budući da predstavljaju jednu informacijsku jedinicu u svakom limfocitu, kao jedinici diferencijacije označeni su kao informacijske multigenske familije. Takve skupine su V i C geni, a brojnost odgovarajućih elemenata u svakoj takvoj “familiji” još uvijek nije dovoljno poznata. Integraciju V i C regiona u jedan polipeptid kontroliraju genetički mehanizmi na razini DNK (gena), uključujući i cjelokupni proces regulacije odnosa između određenog C–gena i jednog od mnogih V–gena (na razini DNK, RNK ili proteina). U svakom slučaju, sasvim je transparentno da se sinteza imunoglobulina ne uklapa u generalni koncept klasične genetike: jedan gen – jedan polipeptidni lanac, odnosno da se odvija u smjeru “dva gena – jedan polipeptidni lanac”.

Iako se DNK sekvence u nuklearnom diploidnom genomu javljaju u dvije alelne kopije (od majčinog i očevog homologog hromosoma), u vezi sa multigenskim familijama, neophodno je ukazati na nekoliko bitnih činjenica.

Procijenjeno je da oko 40 % humanog genoma u haploidnim i diploidnim ćelijama čine nealelne DNK sekvence. Takva DNK je označena kao repetitivna (ponavljajuća). U rasponu varijacije repetitivne DNK su i familije sekvenci koje uključuju funkcionalne gene (multigenske familije) kao i mnogi primjeri nekodirajućih familija repetitivne DNK. Spoznaje o kinetici reasocijacije (renaturacije) su prve ukazale na činjenicu da kompleksni genomi, kao što je ljudski, sadrže različito–brojne klase kopija sekvenci. To omogućava slučajno fragmentiranje genomske DNK (pod uticajem nekih fizičkih faktora, npr.) na sekvence veličine 500 bp, a zatim i njihovu denaturaciju i brzu renaturaciju. Zahvaljujući tim osobenostima, između ostalog, moguće je detektirati prisustvo tri osnovne klase sekvenci.

Sekvence u jednoj (nerepetitivne) ili malom broju kopija po genomu: čine oko 60% njegove sadržine. Reasociraju vrlo sporo, jer je, nakon njihove denaturacije, neophodan relativno duži period da se komplementarni polulanci međusobno “pronađu” i renaturiraju (reasociraju).
Umjereno repetitivne sekvence obuhvataju 30% svih sekvenci u genomu i ispoljavaju umjerenu brzinu reasocijacije.
Visokorepetitivne sekvence čine 10% genoma i reasociraju vrlo brzo jer se javljaju u ogromnom broju kopija, pa je vjerovatnoća kontakta između komplementarnih fragmenata DNK vrlo visoka.^[8]

Identifikacija multigenskih "familija"

Bez obzira na porijeklo DNK, one sekvence koje pripadaju istoj bioinformacijskoj familiji (klasi) pokazuju visoku sličnost ili homologiju. Članovi iste klase lahko mogu biti identificirani primjenom čitavog spektra molekularno–bioloških metoda.

DNK sekvenciranje može identificirati tačnu sekvencu i njenu pripadnost nekoj familiji, ukoliko poznajemo sekvencu drugih pripadnika iste bioinformacijske familije. Ova analiza omogućava direktnu procjenu stupnja međusobne srodnosti pripadajućih sekvenci iste familije.
DNK hibridizacija je brz i veoma podesan način identifikacije pripadnosti tačno određenog DNK fragmenta u nekoj familiji. To omogućava hibridizacija kloniranih sekvenci, tipičnih za neke familije – tzv. proba sa ispitivanim uzorkom genomske DNK. Ukoliko posmatrana sekvenca hibridizira sa probom na već poznati – karakterističan način za neku familiju, to sugerira zaključak da joj pripadaju i testirane sekvence. Prilikom identifikacije novih članova malih genskih familija, neophodan je hibridizacijski skrining hromosom–specifičnih banki gena. Za neke multigenske familije kao probe se koriste dijelovi sekvenci konzerviranih gena (kao što je “homeoboks” i sl.).
PCR–tehnike su neprocjenjivo značajne u identifikaciji i karakterizaciji novih članova familije. To omogućavaju pozicioniranjem prajmera na genska mjesta za koja se pretpostavlja da su visokokonzervirani u odnosu na ostale dijelove sekvenci jedne genske familije.

Visok stupanj homologije između dvije repetitivne sekvence ukazuje na njihovu evolucijsku bliskost, tj. zajedničko porijeklo. Inače, opća je pojava da klase (familije) DNK sekvenci imaju značajno širok raspon varijacije, kako broja i veličine repetitivnih segmenata tako i njihove hromosomske lokacije, načina ponavljanja i kapaciteta ekspresije.

Monoklonska antitijela imaju poseban teorijski i aplikativni značaj u suvremenoj medicini. Predstavljaju jedan od primjera uspješne primjene genomskog inženjerstva (specijalnog vida genetičkih manipulacija cjelokupnim hromosomskim garniturama somatskih ćelija) u produkciji Dijagnozadijagnostički i terapeutski značajnih antitijela. Nastaju hibridizacijom određenih tipova leukocita sa kultiviranim ćelijama nekih oblika malignih tumora (koje, inače, neograničeno i nekontrolirano proliferiraju). Tako nastaju praktično “besmrtne” ćelije – hibridomi, sposobne da produciraju specifično antitijelo, koje prepoznaje odgovarajući antigeni agens i protiv njega pokreće imuni proces. Moguće je dizajnirati uvjete u kojima se inicijalna hibridna ćelija (sa genom za produkciju poželjnog antitijela) nakon toga spontano klonira u beskonačno mnogo kopija. Takve osobenosti ovih antitijela otvaraju široke mogućnosti njihove primjene u prevenciji i suzbijanju mnogih infektivnih i drugih invazivnih bolesti, a atraktivna su i u specijaliziranim i općim imunogenetičkim istraživanjima.

Teorije o genetičkoj kontroli inteze antitijela

Teorije o genetičkoj kontroli sinteze antitijela su, već od ranih spoznaja prirode odbrambenog sistema organizma, formulirane, podržavane i osporavane u mnoštvu različitih interpretacija. Međutim, sve one se, ustvari, svode na dvije osnovne skupine, čiju suštinu čine instruktivna i selektivna priroda imunog odgovora.^[9]^[10] Alberts B. et al. (1983): Molecular biology of the cell. Garland Publishing, Inc., New York & London, ISBN 0-8240-7283-9.</ref>^[11]

Teorija instrukcije počiva na uvjerenju da antigeni imaju ulogu u obrazovanju korespondentnih antitijela. U početnoj fazi razvoja ove hipoteze vjerovalo se da je molekul antigena specifična matrica tercijarne strukture antitijela, čime se osigurava puna komplementarnost u reakciji antigen – antitijelo. U razvijenoj formi, pretpostavljena je mogućnost da molekul antigena ne mijenja finalnu strukturu proteina i da specifičnost kodira određeni segment ‘’iRNK ‘’– sa odgovarajućim genom za sintezu imunoglobulina. Međutim, u procesu formuliranja ove hipoteze nije bilo poznato da je konformacija proteina u potpunosti definirana njegovom primarnom strukturom (aminokiselinskom sekvencom).
Teorija klonske selekcije uvažava mogućnost da je sinteza specifičnih antitijela kompletno genetički određena i da se u svakoj imunokompetentnoj ćeliji formiraju samo antitijela određene specifičnosti. Prema ovoj pretpostavci, uloga antigena se svodi samo na prepoznavanje i vezivanje za one ćelije koje produciraju njima komplementarna antitijela. To selektivno vezivanje se realizira putem receptora na površini ćelije, a koji imaju komplementarnu strukturu onoj u antigenim determinatorima. Tokom embriogeneze, kompleksi antigen – kompetentna ćelija eliminiraju sve ćelije koje su sposobne za biosintezu auto–antitijela (protiv sopstvenih antitijela, u Autoimuna reakcija|autoimunim reakcijama]]). Kod odraslih osoba, prilikom vezivanja, antigen podstiče datu ćeliju, izazivajući njenu proliferaciju. Tako se, ustvari, specifično imunokompetentne ćelije kloniraju. Pretpostavlja se da postoje dva načina da se od veoma malog broja gena koji kontroliraju produkciju antitijela tokom ontogeneze dobije veliki broj gena – sposobnih da kodiraju sintezu jednog od nekoliko hiljada antitijela. Teorijski gledano, somatske mutacije ovih gena su mnogo frekventnije od ostalih, a rekombinacije između blisko lociranih odgovornih gena omogućavaju porast genetičke raznolikosti odgovarajućih regiona antitijela ^[12]^[13]

Također pogledajte

Reference

^ Rieger R., Michaelis A., Green M. M. (1991): Glossary of Genetics and Cytogenetics – Classical and Molecular. Springer–Verlag , Berlin.
^ Litwin S. D. (1989): Human immunogenetics: basic principles and clinical relevance. Dekker, New York.
^ Rosen F. S., Steiner L. A., Unanue E. R. (1989): Macmillan Dictionary of Imunology. The Macmillan Press, London and Blasingstoke, London.
^ Strachan T., Read A. P. (1998): Human Molecular Genetics. John Wiley & Sons, New York.
^ Karamehić J. (2002): Transplantacija organa. Printcom, Tuzla.
^ Marušić M. (1994): Genetska regulacija i tumori. In: Zergollern Lj., Ed., 1994, Humana genetika, Medicinska naklada, Zagreb.
^ Gayton A., Ed. (1999): Fiziologija čovjeka. Medicinska knjiga, Zagreb.
^ ^a ^b ^c Hadžiselimović R., Pojskić N. (2005): Uvod u humanu imunogenetiku. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, ISBN 9958-9344-3-4.
^ Lawrence E. (1999): Henderson's Dictionary of biological terms. Longman Group Ltd., London, ISBN 0-582-22708-9.
^ King R. C., Stransfield W. D. (1998): Dictionary of genetics. Oxford niversity Press, New York, Oxford, ISBN 0-19-50944-1-7; ISBN 0-19-509442-5.
^ Lincoln R. J., Boxshall G. A. (1990): Natural history - The Cambridge illustrated dictionary. Cambridge University Press, Cambridge, ISBN 0 521 30551-9.
^ Karamehić J. (2004): Transplantacija bubrega. Univerzitetski klinički centar, Sarajevo.
^ Mader S. S. (2000): Human Biology. McGraw–Hill, New York City.

Vanjski linkovi

[1] Rieger R., Michaelis A., Green M. M. (1991): Glossary of Genetics and Cytogenetics – Classical and Molecular. Springer–Verlag , Berlin.

[2] Litwin S. D. (1989): Human immunogenetics: basic principles and clinical relevance. Dekker, New York.

[3] Rosen F. S., Steiner L. A., Unanue E. R. (1989): Macmillan Dictionary of Imunology. The Macmillan Press, London and Blasingstoke, London.

[4] Strachan T., Read A. P. (1998): Human Molecular Genetics. John Wiley & Sons, New York.

[5] Karamehić J. (2002): Transplantacija organa. Printcom, Tuzla.

[6] Marušić M. (1994): Genetska regulacija i tumori. In: Zergollern Lj., Ed., 1994, Humana genetika, Medicinska naklada, Zagreb.

[7] Gayton A., Ed. (1999): Fiziologija čovjeka. Medicinska knjiga, Zagreb.

[Hadžiselimović_R._2005-8] Hadžiselimović R., Pojskić N. (2005): Uvod u humanu imunogenetiku. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, ISBN 9958-9344-3-4.

[9] Lawrence E. (1999): Henderson's Dictionary of biological terms. Longman Group Ltd., London, ISBN 0-582-22708-9.

[10] King R. C., Stransfield W. D. (1998): Dictionary of genetics. Oxford niversity Press, New York, Oxford, ISBN 0-19-50944-1-7; ISBN 0-19-509442-5.

[11] Lincoln R. J., Boxshall G. A. (1990): Natural history - The Cambridge illustrated dictionary. Cambridge University Press, Cambridge, ISBN 0 521 30551-9.

[12] Karamehić J. (2004): Transplantacija bubrega. Univerzitetski klinički centar, Sarajevo.

[13] Mader S. S. (2000): Human Biology. McGraw–Hill, New York City.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]