Desenvolvimento de linfócitos e o rearranjo genético

Desenvolvimento de
linfócitos e o rearranjo
genético de receptores
de antígenos
Tecnologias de Informação e Comunicação na Educação
Professora Ana Paula Peconick
Tutor Karlos Henrique Martins Kalks
1|Página
Lavras/MG
2011
Ficha catalográfica preparada pela Divisão de Processos
Técnicos da Biblioteca Central da UFLA
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[A ser preenchido posteriormente]
Espaço a ser preenchido pelo CEAD
_Desenvolvimento de linfócitos e o rearranjo genético de receptores de antígenos_
Índice
UNIDADE 10 ..................................................................................................... 5
10.1 Introdução................................................................................................ 6
10.2 Desenvolvimento de linfócitos T e rearranjo genético de seus receptores
antigênicos ...................................................................................................... 7
10.3 Desenvolvimento de linfócitos B e rearranjo genético de seus receptores
antigênicos .................................................................................................... 13
10.4 Geração de diversidade dos receptores de células T e B. ................. 17
10.5 Conclusão .............................................................................................. 18
10.6 Bibliografia ........................................................................................... 20
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_Desenvolvimento de linfócitos e o rearranjo genético de receptores de antígenos_
UNIDADE 10
OBJETIVO: Conhecer os fundamentos do desenvolvimento de linfócitos e
do rearranjo genético dos receptores antigênicos.
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10.1 Introdução
Os linfócitos T e B maduros são oriundos de células
precursoras derivadas da medula óssea.
Durante
o
desenvolvimento as células T imaturas migram para o
timo,
onde
amadurecem,
enquanto
as
células
B
desenvolvem-se na própria medula. A evolução dessas
células possibilitará o desenvolvimento de seus receptores
antigênicos,
assim
estabelecendo
o
repertório
imunológico.
Eventos
de
seleção
ocorrem
durante
o
desenvolvimento dos linfócitos. Esta seleção possibilita a
eliminação daquelas células que reconhecem fortemente
antígenos do próprio organismo. Assim, somente células T
e B comprometidas com o funcionamento ideal do sistema
imunológico são passíveis de tornarem-se completamente
maduras.
Mecanismos seqüenciais de expressão genética e de
rearranjo são responsáveis pelo comprometimento das
células precursoras com as linhagens T ou B. Além disso
possibilitam
a
reconhecimento
produção
da
antigênico
grande
dos
diversidade
linfócitos
o
de
que
caracterizará as distintas populações fenotipicamente.
Terminada
a
maturação
dessas
células
elas
novamente ganham a circulação sanguínea migrando-se
para os órgão linfóides secundários onde desempenharão
seus papeis durante a resposta imune à um antígeno.
Como observado acima, vários processos estão
envolvidos
no
desenvolvimento
dos
linfócitos
e
no
rearranjo genético dos receptores antigênicos dessas
células. Iniciaremos nossa discussão com os mecanismos
de seleção dos linfócitos competentes e posteriormente
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analisaremos os rearranjos genéticos responsáveis pela
diversidade de reconhecimento antigênico.
10.2 Desenvolvimento de linfócitos T e rearranjo
genético de seus receptores antigênicos
O timo é o órgão responsável pelo desenvolvimento
da maioria das células T em mamíferos. Sua arquitetura
epitelial estimula o crescimento, a diferenciação e a
seleção do repertório de células T de grande número de
células T imaturas que continuamente chegam até ele.
A estrutura do timo em humanos é composta por
multilóbulos, sendo que cada um deles possui três regiões
distintas (cápsula, córtex e medula). A região cortical é
densamente rica em precursores das células T, enquanto
a região medular contém linfócitos T em pequeno número
em conjunto com outros tipos celulares. Este órgão é
densamente irrigado por vasos sanguíneos e capilares, o
que facilita a entrada dos precursores em seu estroma.
Vasos linfáticos também estão presentes, principalmente
na medula não tendo ainda bem definida sua função.
Células precursoras oriundas
da medula
óssea
migram para o timo desde a metade da gestação, e
continuam neste movimento por toda vida do indivíduo.
Essas células inicialmente são caracterizadas por não
expressarem marcadores de superfície das células T,
como os receptores CD4 ou CD8, o complexo CD3 e o
receptor TCR, logo os timócitos (linfócitos T imaturos)
inicialmente são ditos CD4-CD8-, ou duplo negativos (DN).
Assim que chegam ao timo, as células precursoras
penetram em seu córtex
onde
desenvolvem-se
por
aproximadamente três semanas. Durante esta fase elas
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iniciam o desenvolvimento dos marcadores que definirão
seu fenótipo.
Entretanto, as células DN passam a expressar nas
fases iniciais de seu desenvolvimento outros marcadores
como o CD44, importante para a adesão celular, e o
CD25, receptor de IL-2. Sobre a influência de IL-7 os
timócitos passam a se caracterizar como CD44- e já neste
estágio iniciam o rearranjo de várias cadeias TCR pela
expressão dos genes das recombinases RAG-1 e RAG-2.
Alguns timócitos rearrajam os genes das cadeias
γ e δ
desenvolvendo-se em duplos negativos CD3+ γδ. Já a
maioria rearrajam genes que determinarão a produção
das cadeias αβ (processo conhecido como seleção
β)
.
Estas novas cadeias associadas ao grupo CD3 formam o
complexo chamado receptor celular pré T ou pré-TCR.
Muitos pesquisadores sugerem que estas células pré-TCR
reconhecem algum sinal intra tímico através do complexo
CD3 possibilitando a ativação da via metabólica que
culminará no desenvolvimento das células CD4+CD8+, ou
dupla positivas (DP).
O processo da produção das células duplamente
positivas com o desenvolvimento completo dos receptores
TCR possibilita a submissão dos timócitos aos processos
de seleção positiva e negativa.
Durante a seleção positiva que ocorre no córtex do
timo, os timócitos imaturos interagem com as células
epiteliais desta região. Essas células expressam moléculas
MHC que ligam-se aos receptores TCR dos timócitos.
Aqueles timócitos que não conseguem estabelecer uma
ligação entre receptores TCR e MHC não recebem um
sinal protetor, inerente desta ligação e consequentemente
morrem por indução da apoptose.
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_Desenvolvimento de linfócitos e o rearranjo genético de receptores de antígenos_
A população de timócitos selecionados após a
seleção positiva apresenta células com baixa e alta
afinidade
para
o
antígeno
próprio
apresentado
via
moléculas de MHC próprias. Assim, na seleção negativa
esta população será selecionada de acordo com sua
afinidade. Macrófagos e células dendríticas, presentes no
estroma do timo, carregam moléculas de MHC da classe 1
e 2. Timócitos interagem com estas células sendo
selecionados aqueles que apresentam baixa afinidade
para os antígenos próprios apresentados via MHC, ou
apenas para as moléculas de MCH próprias. Dessa forma
o organismo seleciona aqueles timócitos que não são
reativos
contra
estruturas
antigênicas
próprias,
possibilitando a completa maturação das células T que
são restritas ao MHC próprio e auto tolerantes.
Após
as
seleções
os
timócitos
maduros
que
sobreviveram migram-se para a medula do timo, onde
tornam-se CD4+CD8- ou CD4-CD8+. Posteriormente eles
adquirem a capacidade de se diferenciar em células
efetoras auxiliares ou citotóxicas, deixando o timo e
migrando para os tecidos linfóides periféricos (figura 1).
Reveja no livro texto e em outras fontes as características dos
órgãos linfóides primários. Discuta sobre o porque estes órgãos
são definidos como geradores.
Durante a reposta imunológica as células T maturas
reconhecem os peptídeos antigênicos apresentados pelas
moléculas
de
apresentadoras
MHC
de
nas
superfícies
antígeno.
Essas
das
células
respostas
são
específicas e uma série de outros componentes garante a
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efetivação da resposta. As moléculas responsáveis pelo
reconhecimento antigênico são os receptores TCR. Estes
são
compostos
por
duas
cadeias
de
polipeptídeos
designados α e β que são ligadas por pontes dissulfeto
sendo
homólogas
as
cadeias
leves
e
pesadas
da
imunoglobulina. Sendo assim cada cadeia possui uma
região variável (V) e uma constante (C). Existe outro tipo
de heterodímero que é expresso em um pequeno grupo
de células T designado γδ, como já citado. Linfócitos T γδ
não são restritos ao MHC, assim reconhecem moléculas
diversas não reconhecidas pelas células T αβ.
Figura 1. Resumo das vias de migração dos timócitos através
do microambiente do timo, após o período gestacional
(modificado de WILLIAM et al., 2008).
Nos receptores TCR a região variável é responsável
pela complementariedade antigência, sendo composta por
três regiões hipervariáveis. Tanto o peptídeo apresentado
pelas
APC
quanto
suas
moléculas
de
MHC
são
reconhecidos pelos receptores TCR.
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Os
genes
responsáveis
pela
codificação
dos
receptores TCR são expressos somente em linfócitos T.
Como para os genes das imunoglobulinas os genes
funcionais
TCR
são
produzidos
pelo
rearranjo
dos
segmentos V, J e C para as cadeias α e γ e V, D, J e C
para as cadeias β e δ. Em humanos o locus da cadeia β do
TCR possui 620Kb e está localizado no cromossomo 7,
ainda
neste
cromossomo
uma
sequencia
de
200Kb
determina o lócus da cadeia γ, já para as cadeias α e δ
seu
comprimento
é
de
100kb
sendo
presente
no
cromossomo 14 (figura 2).
Durante o rearranjo genético das sequencias que
determinarão a produção dos receptores TCR ocorre a
união dos fragmentos genéticos (sequencias V, D, J e C)
segregados espacialmente afim de produzir os genes
funcionais.
sequencias
Estes
sinais
fragmentos
de
são
franqueados
recombinação
contendo
por
12
(heptâmeros) ou 23 (nonâmeros) pares de bases. A
sequencia de eventos que determinará a recombinação
genética envolvem passos de união, de forma que a
recombinação possa ocorrer apenas entre dois tipos
diferentes de sequencias sinais de recombinação, da
mesma forma como ocorre para as imunoglobulinas.
Busque informações complementares mais aprofundadas
sobre as sequências gênicas que fornecem a base
molecular para a construção das cadeias protéicas dos
receptores antigênicos. Procure entender as
características conformacionais dessas moléculas e a
inmportância disso na sua funcionalidade.
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Figura 2. Organização dos genes responsáveis pela
construtução do TCR ((modificado de WILLIAM et al., 2008).
Enzimas
linfócito
específicas
denominadas
recombinases (ex.: RAG-1 e RAG-2) são responsáveis
pelos processos de recombinação genética. Estas enzimas
reconhecem o heptâmero e o nonâmero e catalisam a
união dos segmentos V-J e V-D-J.
Embora o preciso número de segmentos genéticos
em humanos podem variar de um indivíduo para outro,
existem cerca de 25 segmentos funcionais D e 6 J. Assim,
as combinações randômicas desses segmentos podem
gerar 150 segmentos DJ. Estes segmentos combinados
com outros 50 possíveis segmentos da região V, gerando
segmentos VDJ, podem então produzir 7500 segmentos
diferentes. Este processos de recombinação podem então
gerar uma grande diversidade de segmentos VDJ pois são
recombinados
em
uma
escala
geométrica.
Outros
mecanismos como adições ou exclusões nucleotídicas
podem aliar-se ao mecanismo de recombinação e elevar o
número de diferentes segmentos VDJ possíveis. Além
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_Desenvolvimento de linfócitos e o rearranjo genético de receptores de antígenos_
disso, diferentes frentes de leitura principalmente do
segmento D, o qual possui três possibilidades somam-se
aos fatores já citados na geração da diversidade, que para
o receptor T γδ chega a 4,3 x106 e para o T αβ 4,5 x 109.
Logo, o processo envolve a seleção de um gene V,
um gene J e um gene D (quando presente) em cada um
dos linfócitos em desenvolvimento. Dessa forma um único
gene V(D)J é formado, sendo responsável pela produção
da região variável do receptor TCR. O transcrito do gene
C une-se posteriormente ao RNA primário formando assim
o RNA mensageiro que produzirá uma das cadeias
protéicas do TCR.
10.3 Desenvolvimento de linfócitos B e rearranjo
genético de seus receptores antigênicos
Os linfócitos B são umas das principais armas do
sistema
imunológico,
responsáveis
por
já que
grande
são eles que
parte
da
resposta
são
os
imune
humoral. Seu desenvolvimento pode ser dividido em três
partes, geração de células maduras imunocompetentes,
ativação das células B, e diferenciação em plasmócitos e
células de memória.
Antes do nascimento, o saco vitelínico, o fígado e a
medula óssea fetal são as estruturas responsáveis pela
produção
de
células
B
maduras,
contudo
após
o
nascimento a produção destas células ocorre apenas na
medula.
Células
progenitoras
que
expressam
um
marcador de superfície designado CD45R preenchem os
espaços extravasculares entre os sinusóides da medula,
proliferam-se e diferenciam-se em células B precursoras
(células pré-B). Interações entre as proteínas VCAM-1
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sobre as superfícies das estromais e receptores VLA-4
sobre as células B progenitoras promovem a ligação do cKIT receptor tirosina quinase sobre as pro-células B e o
fator de origem celular (SCF) presente na membrana das
células do estroma, assim ocorre a sinalização para o
desenvolvimento das células pré-B (figura 3). Como
ocorre para células T a IL-7 possui um papel fundamental
no suporte ao desenvolvimento das células B, induzindo
uma diminuição de moléculas de adesão, possibilitando
uma movimentação das células em maturação.
Como ocorre para as células T imaturas os linfócitos
B imaturos também passam pelos processos de seleção
positiva e negativa. Entretanto estas seleções para as
células B ocorrem na medula óssea.
Figura 3. Interação entre as células precursoras dos linfócitos B
e as células do estroma da medula óssea.
As seleções positiva e negativa são importantíssimas no
controle da autoreatividade. Faça uma pesquisa sobre doenças
que possuem como causa defeitos nestes mecanismos
seletivos.
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_Desenvolvimento de linfócitos e o rearranjo genético de receptores de antígenos_
Os receptores antigênicos sobre os linfócitos B são
moléculas de imunoglobulinas de membrana. Três loci
separados
são
responsáveis
pela
codificação
destas
moléculas, determinando todas as cadeias pesadas, a
cadeia leve κ e a cadeia leve λ. Como ocorre para os
receptores TCR, o lócus da Ig em cada linhagem
germinativa possui muitas cópias, de três diferentes
segmentos gênicos chamados V, C e J, além do segmento
de diversidade D.
O amadurecimento dos linfócitos B é dependente do
rearranjo dos segmentos citados. O primeiro processo a
ocorrer, acontece nas pró células B onde o segmento D
liga-se a J, seguido pelo rearranjo do segmento V ao
recém formado segmento DJ, produzindo assim um
segmento
VDJ
que
codifica
a
cadeia
pesada
da
imunoglobulina. Durante a transcrição primária do RNA
contendo os complexos VDJ segmentos de gene C estão
presentes, no entanto os éxons da região Cµ da cadeia
pesada
são
processados
formando
o
RNA
maduro
contendo apenas os segmentos VDJ. Nesta fase a células
desenvolvem-se em pré linfócitos T. Para completar sua
maturação a célula B então necessita de produzir a cadeia
leve da imunoglobulina. Para isso um rearranjo dos genes
da cadeia leve é necessário. Um processo denominado
exclusão alélica garantirá que apenas um único isotipo de
cadeia leve será expresso na membrana do linfócito B.
Os
rearranjos
para
produção
da
cadeia
leve
primeiramente ocorrem sobre o loci da cadeia leve κ e
posteriormente
sobre
outro
alelo,
até
que
as
recombinações sobre os segmentos V e J estejam
completadas.
15 | P á g i n a
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Assim as cadeias leves e pesadas são unidas para
formar uma molécula de Ig intacta, que será expressa
sobre a membrana celular. Em um próximo estágio, a
célula desenvolve o comprometimento com uma classe
particular de anticorpo e então carrega moléculas de IgM
sozinhas ou então em combinação com IgA ou IgG. A
expressão de moléculas de IgD sobre a superfície da
célula marca o linfócito B como passível para a ativação
pelo contanto com o antígeno.
Apesar dos linfócitos B poderem carregar as três
diferentes classes de imunoglobulinas, M, G e D ou M, A e
D, todas as moléculas de Ig sobre uma única célula
possuem o mesmo idiotipo, e então são derivados dos
mesmos genes V da cadeia pesada e V da cadeia leve.
Terminado
seu
amadurecimento,
as
células
B
deixam a medula óssea e em contato com os antígenos
na periferia, são ativadas, proliferam e diferenciam-se.
Estes
mecanismos
levam
a
produção
de
células
plasmocitárias responsáveis pela produção de anticorpos
e de células B de memória, que são essenciais em uma
resposta mais ágil do organismo após um segundo
contato com o antígeno. Células B que não entram em
contato com os antígenos possuem uma espectativa de
vida curta, morrendo em poucas semanas através dos
mecanismos que levam a apoptose (figura 4).
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_Desenvolvimento de linfócitos e o rearranjo genético de receptores de antígenos_
Figura 4. Visão geral do desenvolvimento das células B
modificado de (GOLDSBY et al., 2006).
10.4 Geração de diversidade dos receptores de
células T e B.
São dois os mecanismos que contribuem para a
geração da diversidade dos receptores das células T e B
sendo eles a diversidade combinatória e a diversidade
juncional.
Combinações aleatória dos genes da linhagem
geminativa determinam a diversidade combinatória dos
linfócitos. O número máximo de combinações possíveis é
o produto dos segmentos de genes V e J, podendo ou não
ser
acrescentado
o
gene
D.
Um
aumento
nesta
diversidade combinatorial ainda pode ser realizado pela
justaposição que ocorre entre duas regiões V diferentes,
que são geradas de maneira aleatória.
17 | P á g i n a
_Desenvolvimento de linfócitos e o rearranjo genético de receptores de antígenos_
Contudo a realidade no número de combinações
possíveis para estes genes é provavelmente menor que a
previsão teórica. Já que nem todas as recombinações dos
segmentos gênicos podem ocorrer de forma igual.
Durante a junção dos fragmentos gênicos que
determinarão as estruturas dos receptores antigênicos
ocorrem adições ou remoções de nucleotídeos entre os
segmentos V e D, D e J ou V e J. Estas adições ou
exclusões são as maiores responsáveis pela geração da
diversidade juncional.
10.5 Conclusão
Os linfócitos T
e
B possuem sua origem na
hematopoiese sanguínea que ocorre na medula óssea.
Precursores
das
células
T,
ainda
durante
o
desenvolvimento embrionário e por toda a vida do
indivíduo, migram para o timo onde irão atravessar
processos seletivos que culminarão na sua competência
para a resposta imunológica. As células B por sua vez não
necessitam deixar a medula óssea para tornarem-se
imunocompetentes. É na própria medula que estas células
se desenvolverão.
Vários subgrupos de linfócitos T imaturos são
gerados nos variados passos de seu processo evolutivo,
caracterizando-os fenotipicamente através da expressão
de moléculas presentes na membrana plasmática.
A
maturação
dos
linfócitos
T
e
B
envolve
mecanismos de rearranjo entre os genes dos receptores
antigênicos TCR nas células T e Ig nas B.
Existem loci
separados que codificam a cadeia pesada das Ig como da
cadeia leve κ, da cadeia λ, da cadeia β do TCR, cadeias α
18 | P á g i n a
_Desenvolvimento de linfócitos e o rearranjo genético de receptores de antígenos_
e
δ TCR
e
da cadeia γ
TCR.
Este
processos de
recombinação são mediados por enzimas designadas
RAG-1 e RAG-2.
A diversidade genética é produzida pela associação
combinatória dos múltilplo gene citados, ou por inserções
ou deleções de nucleotídeos durante os processos de
recombinação, tanto para os receptores TCR como para
os Igs.
19 | P á g i n a
_Desenvolvimento de linfócitos e o rearranjo genético de receptores de antígenos_
10.6 Bibliografia
ABBAS, A. K.; LICHTMANA, A. H.; PILLAI, S. Celular and
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20 | P á g i n a