BIOCHIMIE J A N V I E R 1985, 67, n ° 1

Le complexe majeur d'histocompatibilit6 humain

ou complexe HLA

Introduction

Le complexe majeur d'histocompatibilit& peut &tre consid~r~ de diff~rents point de vue :

D'un point de rue m6dical, il est d'abord le complexe qui regroupe les g~nes dont les produits conditionnent la survie des allogreffes.

D'un point de rue immuno/ogique, il est le complexe qui code pour les molecules qui assurent la presentation aux lymphocytes T des antig&nes ~trangers ~ I'organisme. Par ce m~canisme, le complexe majeur d'histocompa- tibilit6 r6gule les r6ponses immunitaires et certaines affections humaines, rattach~es certains alleles HLA, semblent cons&cutives I'alt~ration de cette fonction de presentation.

D'un point de vue g~n&tique, le complexe majeur d'histocompatibifit6 est une famille multig6nique particuli@rement large compte tenu du nombre &lev~ de loci HLA par g~nome haploide et du nombre d'all&les identifies certains de ces IocL Cette multiplicit& contraste avec le maintien d'une homologie structurale des molecules produites. L'6tude du complexe majeur d'histocompatibilit& devrait informer sur la nature des m6canismes mol6culaires qui assurent et contr61ent I'6volution des g&nes au sein d'une cellule euc, aryote.

HLA et allogreffe

L'allogreffe (greffe tissulaire entre individus d'une m~me esp&ce mais g6n~tiquement dis- tincts) est habituellement rejet~e en raison de I'expression, ~ la surface du tissu gfeff~, d'~nti- g~nes membranaires vis ~ vis desquels I'orga- nisme d6veloppe une r6ponse immunitaire. Le complexe majeur d'histocompatibilit~ humain (ou complexe HLA, Human Leucocyte Antigen} est un ensemble de g~nes Iocalis6s sur le bras

court du chromosome 6 dont les produits, tr~s immunog~niques, sont responsables de rejets particuli6rement rapides. Deux categories es- sentielles de g~nes peuvent 6tre individualis~es au sein du complexe HLA. Les g~nes de classe I cod~s pour un polypeptide transmembranaire, N-glycosyl6, de 40000 daltons. Cette chaZne Iourde, caract6ris6e par son polymorphisme (variabilit~ structurale li6e ~ un nombre tr~s ~lev~ d'all~les} est associ~e (Fig. 1) ~ un poly- peptide invariant de 12 000 daltons dite cha?ne I~g~re, cod~ par un g~ne Iocalis~ sur le chro- mosome 15, la #2-microglobuline. Les antig~nes de classe I, exprim~s sur la quasi totafit~ des tissus de I'organisme, sont ~troitement associ6s au ph6nom~ne de cytotoxicit6 ~ m6diation cellulaire qui est g6n6ralement consider6 comme Fun des m6canismes essentiels grace auxquels un organisme rejette les allogreffes. Les g~nes de classe II codent pour deux cha?nes polypeptidiques transmembranaires, N-glycosy- I6es : les chaFnes ~ e t a de 28000 et 34000 daltons respectivement. La chaTne ~ est carac- t6ris~e par un polymorphisme important. Les antig~nes de classe II, form,s par association de ces chaines ainsi que le montre la Figure I, ont une distribution tissulaire restreinte (ma- crophages, lymphocytes B, lymphocytes T acti- v6s} et sont 6troitement associ6s aux m6canis-

CLASSE I CLASSE II

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FSG. 1. -- Repr6sentation sch~matique des mol6cules HLA de classe Iet IL

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rues qui r~gulent les r~ponses immunitaires, y compris les rejets d'allogreffes et les r~ponses cytotoxiques.

HLA et reconnaissance antig6nique

Le rejet de greffe n'est pas la seule fonction (si tant est que cette fonction ait un r~le physiologique, ce qui n'a jamais ~t~ ~tabli} des antig~nes d'histocompatibilit~. Les antig~nes de classe ! permettent la reconnaissance, par les lymphocytes T cytotoxiques, des cellules exprimant ~ leur surface des antig~nes ~tran- gers, que ces'antig~nes soient en rapport avec une infection virale aigue (virus grippal, virus d'Epstein-Barr) ou associ~s ~ une transforma- tion tumorale des cellules [1-3]. En effet, les cellules tueuses ne reconnaissent pas les parti- cules virales isol~es. !1 est par contre possible de bloquer la lyse par les lymphocytes tueurs de cellules porteuses d'antig~nes ~trangers, I'aide d'anticorps sp~cifiques des molecules HLA de classe I sugg~rant que ces molecules participent ~ la presentation des antig~nes. II faut souligner, de surcroTt, que les cellules cytotoxiques d'un individu A, sp~cifiques d'un virus X, ne reconnaissent ce dernier que s'il est pr~sent~ par des cellules exprimant tout ou partie des antig~nes de classe I propres ~ I'indi- vidu A. La reconnaissance antig~nique par les lymphocytes T cytotoxiques est donc ~troite- ment d~pendante (on ia dit ~ restreinte ~) des antig~nes HLA de classe L

L'appr~hension du rSle des antig~nes HLA de classe II est plus complexe dans la mesure o~ il est de nature essentiellement r~gulatrice. Consid~rons le cas d'une r~ponse anticorps un antigone soluble form~ par association d'un hapt~ne (reconnu par les anticorps produits} et d'une prot~ine porteuse (vis ~ vis de laquelle est dirig~e la r~ponse des lymphocytes T amplifica- teurs). II ~t~ ~tabfi [4, 5] que la reconnaissance de cette prot~ine porteuse par les lymphocytes T amplificateurs d~pend des antig~nes de classe II exprim~s par des cellules pr~sentatri- ces d'antig~nes (macrophages, lymphocytes B). En effe¢, les cellules T amplificatrices ne recon- naissent pas les antig~nes isol~s. II est par contre possible de bloquer I'activation des lym- phocites T amplificateurs ~ I'aide d'anticorps sp~cifiques des molecules HLA de classell sugg~rant que ces molecules ~articipent ~ la presentation de ces antig~nes. II faut souligne~ de surcroTt, que les cellules T amplificatrices

d'un individu A, sp~cifiques d'un antigone X, ne reconnaissent ce dernier que s'il est pr~sent~ par les cellules exprimant tout ou partie des antig~nes de classe II propres ~ I'individu A. La reconnaissance antig~nique par les lymphocy- tes T amplificateurs est donc ~troitement d~- pendante (on la dit ~ restreinte ~) des antig~nes HLA de classe II.

Conception mol~culaire de la presentation antig~nique

II apparart d~s Iors que la reconnaissance d'un antigone ~tranger par les lymphocytes T, que ceux-ci soient cytolytiques ou amplifica- teurs, est d~pendante des antig~nes HLA du complexe majeur d'histocompatibilit~. Cette double sp~cificit~ pourrait se concevoir en imaginant que le lymphocyte T exprime deux r~cepteurs, l'un pour l'antig~ne ~tranger, l'autre pour I'antig~ne d'histocompatibilit~. Cependant, I'ensemble des donn~es exp~rimentales accu- mul~es supporte plut6t un module qui suppose I'expression par les lymphocytes T d'un r~cep- teur unique [6]. II est d~s Iors n~cessaire a) de concevoir une interaction entre molecules ~trang~res et molecules d'histocompatibilit~ et b) de postuler que la structure combinatoire ainsi form~e est reconnue sp~cifiquement par le r~cepteur des lymphocytes T. A I'heure actuelle, il n'a pas encore ~t~ possible de d~montrer, dans un m~me syst~me experimen- tal a) I'interaction directe des molecules ~tran- g~res et des molecules d'histocompatibilit~, et b) I'activit~ fonctionnelle du complexe ainsi form~. II est d'autre part difficile d'imaginer comment les diff~rents antig~nes d'histocom- patibilit~ d'un individu donn~, dont le nombre est limit~, pourraient interagir avec I'ensemble illimit~ (?) des antig~nes ~trangers. L'isolement des g~nes de classe Ie t II par les techniques de clonage des g~nes, leur modification par muta- g~n~se in vitro, la r~introduction de ces genes dans des cellules capables de les exprimer et de les utiliser pour presenter des antig~nes ~trangers aux lymphocytes T paraissent des m~thodes puissantes d'analyse de la presenta- tion antig~nique. Cet approche cependant se heurte ~ quelques difficult~s :

a) La configuration antig~nique (qu'elle soit d~finie s~rologiquement ou ~ l'aide de cellules cytotoxiques) des molecules de classe I e t de classe II apparait extraordinairement sensible aux modifications de structure primaire de ces molecules, quelques soient les domaines modi-

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fi~s, sugg~rant que des interactions complexes existent entre les quatre domaines extra-mem- branaires de ces molecules [7, 8].

b) L'incapacit~ de presenter un antigone ~tranger ~ des lymphocytes 7", consecutive I'alt~ration structurale d'une molecule d'histo- compatibilitY, peut certes traduire I'incapacit~ d'association de cette molecule ~ I'antig~ne ~tranger, mais elle peut aussi traduire I'inadap- tation des r~cepteurs aux n~o-antig~nes d'his- tocompatibilit~ ainsi c r~s .

II se pourrait d~s Iors, que la comprehension de I'interaction qui se d~veloppe entre antigone d'histocompatibilit~ et antigone ~tranger soit plus facilement obtenue ~ partir d'une analyse des caract~ristiques structurales de ce dernier.

Bien que le m~canisme de la presentation des molecules ~trang~res par les antig~nes de classe I et II soit inconnu, on con~oit que la presentation puisse ~tre d~fectueuse, que le r~pertoire des r~cepteurs des lymphocytes T soit insuffisant, que I'antigbne ~tranger ne puisse ~tre pr~sent~ {la transformation de certaines cellules par des virus oncog~nes serait favoris~e par la r~duction, assur~e par le virus, de I'expression des antigbnes d'histo- compatibilitY, r~f. 9) ou que certains antig~nes d'histocompatibilit~ soient directement respon- sables d'une mauvaise presentation. On com- prend, dans le cadre de cette derni~re hypo- th~se, que certaines affections {une trentaine ce jour) aient ~t~ rattach~es ~ I'expression de certains allMes des g~nes de classe I (B 27 et Spondylarthrite ankylosante) ou de classell {DR2 et scl~rose en plaque).

HLA, syst~me multig6nique

L'analyse s~rologique ~ I'aide d'immuns~rum de femmes multipares et, plus r~cemment d'anticorps monoclonaux, a permis d'individua- liser diff~rents loci codant pour des molecules HLA de classe / et I1."

Concernant les molecules de classe I, trois loci HLA A, Be t C correspondent aux molecules qui sont exprim~es sur la quasi totafit~ des tissus de I'organisme humain et qui sont princi- palement responsables des ph~nom~nes de rejet de greffe et de cytotoxicit~ ~ m~diation cellulaire. Plus de 70 alleles sont actuellement d~finis pour ces trois loci [10], mais il est d'ores et d~j~ clair, que I'on consid~re les r~activit~s d'anticorps monoclonaux comme celles des cellules cytotoxiques, que ce nombre est large-

ment en dessous du nombre r~el d'allbles HLA A, B et C [11]. De fa~on plus r~cente ont ~t~ individualis~s deux autres groupes de molecu- les HLA de classe I d'expression tissulaire res- treinte. Les molecules HTA 1, 2 et 3 ne sont exprim~es que par les thymocytes et caract~ri- sent ainsi une ~tape particulibre et importante de la diff~renciation des lymphocytes T [12-15]. De m~me, la transformation des lymphocytes T en lymphoblastes induit I'expression d'une se- conde cat~gorie de molecules HLA de classe I d~sign~es molecules HT [16, 17]. II faut enfin souligner que I'analyse, ~ I'aide de sondes appropri~es, du DNA g~nomique, r~vble entre 30 et 40 s6quences nucl~otiques de classe I par g~nome haploi'de [18].

Concernant les molecules HLA de classe II, le locus HLA-DR proche du locus HLA-B, a ~t~ le premier reconnu. Cependant, I'analyse des r~actions lymphocytaires au sein de families informatives, en raison de recombinaisons int~- ressant la r~gion HLA, de m~me que les don- n~es de la s~rologie, de la biochimie et de la biologie mol~culaire ont permis de caract~riser deux nouveaux loci HLA de classe II, plus centrom~riques que le precedent, les loci HLA DQ et HLA DP [19, 20]. Chacun des loci HLA de classe Il groupe des g~nes codant pour les chafnes ~ et des g~nes codant pour les chafne ~. Aucune association ~-~ inter loci n'ayant ~t~ observ~e, il est probable que la proximit~ des g~nes (x et ~, bien que ces g~nes soient diff~rents, favorise leur ~volution concer- t~e.

Notons enfin la presence, entre les loci HLA-DR et HLA-B, d'une part des g~nes de structure de plusieurs ~l~ments de la chaFne du compl~ment {C2, B, C4, cette chaFne enzymati- que ~tant responsable de la lyse cellulaire et bact~rienne d~pendante des anticorps) d'autre part, du g~ne de structure correspondant. /'enzyme surr~nalienne responsable de I'hy- droxylation en 21 des hormones st6roi'des. Ces g~nes sont parfois d~sign~s g~nes de classe IlL

L'analyse de ces families multig~niques comporte plusieurs int~r~ts :

- - L a comparaison de I'organisation des g~nes de classe I, II et III entre I'esp~ce hu- maine et I'esp~ce murine, illustr~e sur la Fi- gure2, fait clairement ressortir d'importantes analogies [21, 22]. Cependant, les donn~es s~ro- Iogiques et I'analyse des s~quences nucl~otidi- ques de ces g~nes ~tablissent I'existence d'~l~ments structuraux propres aux esp~ces

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S C4 21-OH |

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FIG. 2. - - Organlsation chromosomique des g&nes des complexes majeurs d'histocompatibilit6 murins (H-2) et humains (HLA).

Les g~nes pr~cis~ment Iocalis~s sont repr~sent~s par des rectangles noirs, les autres par des rectangles hachures. - - GLO : g~ne de structure de la glyoxalase I, enzyme antig~niquement polymorphe et utills~ comme marqueur g~n6tique de position centrom~rique. - - K, L, D, Qa, TL, Qal : loci murins, B, C, A, HT, HTA : loci humains, correspondant ~ des s~quences nucl~otidiques (g~nes et pseudog~nes) de classe I. Notez que dans I'esp~ce murine, la plupart des g~nes de classe I sont regroup~s dans les r~gions Qa (environ 10 g~nes) et TL (environ 15 g~nes) tandis que, dans I'esp~ce humaine, un nombre 61ev6 de g~nes restent non Iocalis~s. - - I-A, I-E : loci murins, DP, DQ, DR, loci humains correspondant h des s~quences nuct6otidiques (g~nes et pseudog~nes) de classe II, les s~quences codant pour les chalnes ¢z et ~ n'~tant pas diff~renci~es sur le schema. - - C2, B, S, C4 : loci murins, C2, B, C4 : loci humains correspondant aux g6nes de structure des diff6rents ~16ments de la chaine enzymatique de la lyse compl~mentaire. Le locus S code pour une prot~ine (Sip) structuralement proche de CA mais non fonctionnelle. Le locus B, proche de C2, code pour le facteur Bet doit 6tre diff~renci6 du locus HLA-B, plus t61om~rique, qui code dans resp6ce humaine pour un antigone de classe I.

murines et humaines, tant pour les antig~nes de classe I que de classe II [23-25] . Ce r~sultat am&ne ~ concevoir qu'un m6canisme, au sein de chaque esp6ce, maintient I'homog6n6it& structurale des g~nes d'histocompatibilit6. II a 6t& effectivement possible de d&montrer, dans certain cas, que cliff, rents g&nes d'histocom- patibilit~ avaient regu d'un g&ne donneur, cer- taines s6quences nucl&otidiques par conversion g6nique [26].

-- Un second aspect tr~s remarquable des antig6nes du complexe majeur d'histocompati- bilit& est leur extreme polymorphisme qui, dans les esp&ces murines et humaines, n'est 6gal& par aucun autre g~ne. Si ce polymorphisme ne parait pas indispensable ~ I'exercice efficace de la fonction cytotoxique (certains g~nes murins de la r~gion Qa, bien. que peu polymorphes, sont reconnus par des cellules cytolytiques [27], de m6me, certaines esp~ces comme le hamster syrien survivent en d&pit d'un nombre tr~s restreint d'all&les de classe I [28]~. II est conce- vable, face ~ I'univers des antig&nes 6trangers, que ce polymorphisme soft un avantage pour une esp~ce dans la mesure 06 il accroit, Iors de

/'introduction dans cette esp&ce d'une subs- tance 6trang~re (virus par exemple), le nombre de structures combinatoires diff6rentes que cette esp~ce pourra presenter ~ /'ensemble lymphocytaire T. On peut m~me concevoir que les esp&ces ayant peu diversifi~ leurs antig~nes d'histocompatibilit6 compensent cette relative insuffisance par une expansion du groupe de g~nes codant pour l e r6cepteur des lymphocy- tes T.

-- L'avantage immunologique que conf~re une esp~ce un polymorphisme important des molecules d'histocompatibilit~ peut certes ren- dre compte du maintien de ce polymorphisme dans cette esp~ce, mais n'~claire pas sur ies m~canismes grace auxquels il a ~t~ g6n6r~. On sait que la fr~quence des recombinaisons g6n~- tiques est accrue chez les bact~ries dans les r~gions g6nomiques qui contiennent des s~- quences particuli~res (s~quence Chi) [29]. On sait que la transposition g6n6tique, en dupli- quant les g&nes, favorise leur ~volution structu- tale dans la mesure ou elle fournit ~ I'organisme la possibilit~ de tester sur Fun des g~nes dupliqu6s la valeur fonctionnelle de diverses

modif ications structurales tout en conservant, grace ~ la stabilit~ de I'autre g&ne, la fonction de d~part. On peut donc penser que I'analyse de la r~gion HLA permettra de comprendre les caract~ristiques qui rendent compte de la rapi- dit& avec laquelle les g~nes situ&s dans cette r~gion ~voluent (nombre d'all~les, fr~quentes duplications) et peut-&tre de d&finir le ou les m~canismes qui sont, dans I'esp~ce humaine, responsables de cette ~volution.

- - L'analyse des diff~rents g&nes humains d'histocompatibi l i t~ devrait enfin concourir ~ la comprehension des m&canismes qui r&gulent I 'expression tissulaire des g~nes dans I'esp&ce humaine. Qu'ils s'agissent des g&nes HLA de classe II (macrophages, lymphocytes B), des g~nes HT ou HTA 1, 2 et 3 ( lymphocytes T) ou des g&nes HLA A, B, C (non exprim~s par les cellules de I 'embryon au d~but de la gestation), ces g~nes sont soumis ~ r~gulation d'expres- sion, et la comparaison de leur r~gion promo- trice, intronique et des r&gions avoisinantes devrait permettre de d~finir certains des m&- canismes qui contr61ent, dans I'esp&ce humaine I'expression des g~nes.

FranGois A. L E M O N N I E R Cent re d ' l m r n u n o l o g i e I N S E R M - C N R S de M a r s e i l l e - L u m i n y Case 906, 13288 Marse i l l e Cedex 9, France.

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IX ICRO/UNESCO International course on techniques

of molecular biology

S a n t i a g o - Chi le J u l y 15 to A u g u s t 2, 1985

Sponso red by

International Cell Research Organization, Unesco, UNDP/Unesco Project RLA/78/024, the Organization o f American States and the Uni- versity o f Chile.

Organ ized by

Department o f Biochemistry, Faculty o f Medicine, University o f Chile, Santiago, Chile.

Objec t i ves

To train young Latin American researchers in some specif ic techniques used in recombi- nant-DNA work using bacterial and eukaryotic