ระบบ HLA (The HLA Complex) โดย พญ.ดร.ณัฏฐิยา พิมทะโนทัย

ระบบ HLA (The HLA Complex)

พญ.ดร.ณัฏฐิยา พิมทะโนทัย 

 

  

บทนำ
Major histocompatibility complex (MHC) คือ บริเวณที่เป็นที่ตั้งของกลุ่มยีน ที่ถูกค้นพบครั้งแรกจากการทดลองในหนู ว่ามีความสำคัญมาก ในการกำหนดการตอบรับ หรือปฎิเสธ เนื้อเยื่อ (tissue rejection) โดยพบว่า เกิดจากคุณสมบัติของ Classical MHC molecule หรือ MHC antigen ซึ่งเป็นโมเลกุลสำคัญ ที่สร้างจากยีนบน MHC โมเลกุลเหล่านี้ แสดงออกบนพี้นผิวเซลล์ (cell surface molecule) และมีรูปแบบแตกต่างกันมาก (highly polymorphic) ในหนูหรือบุคคลที่มี MHC ต่างชนิดกัน จะไม่สามารถเปลี่ยนถ่ายเนื้อเยื่อแก่กันได้ เราเรียก MHC ในหนู ว่า “H-2” ส่วน MHC ในคน มีชื่อเรียกว่า “human leukocyte antige (HLA)” เนื่องจากโมเลกุลจำพวกนี้ ถูกค้นพบครั้งแรกบนผิวของเม็ดเลือดขาวในคน การศึกษาต่อมาพบว่า นอกจากคุณสมบัติที่เกี่ยวกับ tissue rejection แล้ว MHC มีความสำคัญมาก ในการควบคุมปฏิกิริยาตอบสนองทางภูมิคุ้มกัน จนได้ชื่อว่าเป็น Immune response (Ir) gene โดยที่ MHC Class I molecules ทำหน้าที่นำเสนอ Antigenic peptides ที่มาจาก endogenous pathway ให้แก่ CD8+ T Cell ในขณะที่ Class II molecules จะนำเสนอ Antigenic peptides จาก endocytic หรือ exogenous pathway แก่ CD4+ T cell นอกจากนี้ MHC ยังเป็นปัจจัยสำคัญ ที่เป็นตัวกำหนด T cell repertoire ในบุคคลหนึ่งๆ จากกระบวนการ positive และ negative selection ในบทนี้ จะเน้นถึงความสำคัญของ MHC โมเลกุล ต่อระบบภูมิคุ้มกันของร่างกาย รวมทั้งความสัมพันธ์ต่อโรคต่างๆ ด้วย โดยจะกล่าวถึงเฉพาะ MHC ของคน นั่นคือระบบ HLA
 
ลักษณะทางพันธุกรรมของระบบ HLA
กลุ่มยีน HLA (HLA Complex) อยู่บน short arm ของโครโมโซมคู่ที่ 6 โดยครอบคลุม บริเวณถึง 4 Mb (4,000 kb) กลุ่มยีนนี้ประกอบด้วย 3 บริเวณสำคัญๆ นั่นคือ class I (2,000 kb) และ class II (1,000 kb) และ class III (1,000 kb) (รูปที่ 1) ในแต่ละบริเวณก็ประกอบไปด้วยยีน หลาย locus (หมายเหตุ: “Genetic locus” (พหูพจน์=loci) คือชื่อเรียกตำแหน่งของยีนแต่ละตัวบนโครโมโซม แต่ละบริเวณประกอบด้วยยีนจำนวนมาก)
 
รูปที่ 1 ลักษณะการเรียงตัวของกลุ่มยีน HLA
 
“กลุ่ม Class I” ประกอบด้วย ยีนสำคัญๆ 3 กลุ่ม ได้แก่ classical HLA class I ยีน (HLA-A, HLA-B, และ HLA -C) , non-classical HLA class I ยีน (HLA-E, HLA-F, และ HLA-G) และ class I chain related ยีน (MICA และ MICB) “กลุ่ม Class II” ประกอบด้วย classical HLA class II ยีน (HLA-DR, HLA-DP, และ HLA-DQ) , non-classical HLA class II ยีน (HLA-DM และ HLA-DO ) (ถ้าศึกษารายละเอียดเพิ่มเติม จะพบว่า ยีนในกลุ่ม HLA-C นี้ยังประกอบไปด้วย locus สำหรับ a และ b chain ได้แก่ DRA, DRB, DQA, DQB, DPA, DPB locus เป็นต้น) นอกจากนี้ยังมี LMP และ TAP ยีนซึ่งเกี่ยวข้องกับกระบวนการ antigen processing“กลุ่ม Class III” ประกอบด้วยยีนที่สร้างองค์ประกอบของระบบ complement (Bf, C2, C4A, C4B), tumor necrosis factor (TNF), และ Steroid 21-hydroxylase enzymes (21-OH) เป็นต้นในบทนี้จะกล่าวถึงรายละเอียดเฉพาะ “Classical HLA genes” นั่นคือ HLA-A, HLA-B, HLA-C genes ซึ่งจะควบคุม และกำหนดการสร้าง HLA class I molecule ที่พบอยู่บนพื้นผิวเซลล์ที่มีนิวเคลียส เกือบทุกชนิดในร่างกาย และ HLA -DR, HLA-DP, HLA-DQ genes ซึ่งควบคุม และกำหนดการสร้าง HLA class II molecule บนผิวเซลล์ของ Antigen presenting cell ต่างๆ ได้แก่ B lymphocyte, macrophage, และ dendritic cell รวมทั้ง บน activated T lymphccyte ด้วย
 
การแสดงออกของ HLA
เนื่องจากกลุ่มยีนบน HLA complex เรียงอยู่บนบริเวณที่ใกล้ชิดกันมาก จนการเกิด recombination ระหว่างยีน บน chromosome เดียวกัน ในช่วง meiotic division เกิดขึ้นน้อยมาก ดังนั้นกลุ่มยีนนี้ จึงมักจะถ่ายทอดจากพ่อแม่ไปยังบุตร ไปพร้อมกันทั้งบริเวณ เราเรียก Genetic unit ซึ่งถูกถ่ายทอดไปด้วยกันบนแต่ละโครโมโซมว่า “HLA haplotype” โดยจะประกอบด้วย HLA-A, -B -C และ -D loci รูปแบบของยีนที่ต่างกันในแต่ละ locus เรียกว่า “allele” โดยทั่วไปยีนในแต่ละ locus อาจจะมีรูปแบบเดียว (monomorphic) หรือ หลายรูปแบบ (polymorphic) ลักษณะที่สำคัญ อย่างหนึ่งของ HLA gene คือ เป็นยีนที่มีปริมาณ alleles ในแต่ละ locus จำนวนมาก (highly polymorphic) ในแต่ละบุคคลจะได้รับการถ่ายทอดแต่ละ haplotype จากทางพ่อและแม่ HLA gene จากทั้ง 2 haplotype จะแสดงออกอย่างเท่าเทียมกัน (co-dominantly expression) HLA haplotype ทั้งสองที่ได้รับการถ่ายทอดมา จะประกอบกันเป็นลักษณะทางพันธุกรรมของ HLA ในบุคคลนั้นๆ เรียกว่า “HLA genotype” ส่วนลักษณะที่แสดงออกจริงเรียกว่า “HLA phenotype” ซึ่งคือ HLA molecules บนพี้นผิวเซลล์ โดยสามารถตรวจได้ด้วย Antibody ยกตัวอย่างเช่น แต่ละบุคคลจะมี HLA -A, -B, -C อย่างละ 2 โมเลกุล HLA-DR, -DQ, -DP อย่างน้อยอย่างละ 2 โมเลกุลเช่นกัน (รูปที่ 2)หมายเหตุ: แต่ในบาง haplotype อาจมีจำนวน DR โมเลกุลได้มากกว่า 2 โมเลกุล
 
รูปที่ 2 การแสดงออกของ HLA molecule บนผิวเซลล์
 
HLA Polymorphism
MHC molecule มีความหลายหลายมากในแต่ละ species โดยกลไกของ Gene polymorphism นั่นคือการมีรูปแบบของยีนหลายชนิด (multiple alleles) บนยีนตำแหน่ง (locus) หนึ่งๆ โดยแต่ละ allele จะมี DNA sequence ที่ต่างกัน ซึ่งก็จะแสดงออกมาเป็นโมเลกุลที่มีลักษณะต่างกัน ความแตกต่างของ amino acid ระหว่าง allele อาจมีได้มากถึง 20 ตัว เป็นที่น่าสังเกตว่าความแตกต่างนี้ จะเกาะกลุ่มกันในบริเวณ peptide-binding region ซึ่งเป็น functional site ของ HLA molecule เป็นส่วนใหญ่ จำนวน alleles ในแต่ละ locus มีจำนวนแตกต่างกัน บาง locus มีจำนวน allele มากกว่า 200 alleles วิธีตรวจสอบ allele ที่ต่างกันของ HLA molecule นั้น สามารถตรวจได้โดยใช้ Antibody ซึ่งอาจได้มาจากหญิงที่เคยตั้งครรภ์แล้วหลายๆ ครั้ง ซึ่งจะมี Antibody ต่อ HLA ของบุตร หรือใช้ monoclonal antibody ต่อ HLA molecule แต่ละชนิด นอกจากนี้ ยังอาจตรวจได้โดยวิธี mixed lymphocyte reaction สำหรับ HLA class II molecule แต่ในปัจจุบันนี้ สามารถตรวจความแตกต่างในระดับ DNA แทนระบบการเรียกชื่อ HLA ในอดีต ประกอบด้วย “ชื่อ locus” ตามด้วย “หมายเลข” ได้แก่ HLA-A1, HLA-A2 , HLA-DR1 เป็นต้น โดยตัวเลขจะบ่งถึงลำดับการค้นพบ HLA ชนิดนั้นๆ ส่วนใหญ่เป็นการค้นพบโดยใช้ Antibody (Serological defined) ข้อจำกัดของวิธีนี้คือ Antibody มีความจำเพาะจำกัด และไม่สามารถแยก HLA ทุก allele ได้ เมื่อการตรวจสอบทาง DNA ซึ่งเป็นการตรวจ HLA gene เข้ามามีบทบาทมากขึ้น ระบบการเรียกชื่อของ HLA จึงเปลี่ยนเป็น “ชื่อ locus” ตามด้วย “เครื่องหมายดอกจัน” และ “ตัวเลข”โดยที่ตัวเลข 2 ตัวแรก มักจะตรงกับตัวเลขเดิม จากการตรวจทาง Serology ยกตัวอย่างเช่น HLA-A*0101 หรือ HLA-A*0102 เป็น alleles ที่จะถูกบ่งชี้ว่าเป็น HLA-A1 molecule ด้วยวิธีทาง serology ส่วนตัวเลขหลักที่ 3 และ 4 บ่งถึงลำดับที่ allele นั้นถูกค้นพบ ในบางกรณี จะมีตัวเลขลำดับที่ 5 เพื่อใช้บ่งถึงการเปลี่ยนแปลงของ nucleotide ที่ไม่ทำให้ amino acid เปลี่ยนแปลง (silent change) เช่น DQA1* 05011 และ DQA1 *05012 ที่มีลักษณะโครงสร้างโปรตีน เหมือนกันทุกประการ แต่มีความแตกต่างกันที่ระดับ nucleotide 1 ตำแหน่ง (ดูตัวอย่างรายชื่อของ HLA alleles ในตารางที่ 1) จากการศึกษาการแสดงออกของ allele ต่างๆ ในประชากร ทำให้พบลักษณะสำคัญอีกประการหนึ่งของ HLA gene นั่นคือ allele บางตัวของ locus หนึ่ง มีแนวโน้มที่จะพบร่วมกับ allele บางตัว ของอีก locus หนึ่ง มากกว่าที่ควรจะเป็น โดยลักษณะนี้มีชื่อเรียกว่า “linkage disequilibrium”
 
ตารางที่ 1 ตัวอย่างชื่อ HLA alleles ที่ใช้ในปัจจุบัน
HLA-A HLA-B HLA-DR
Serological defined DNA typing defined Serological defined DNA typing defined Serological defined DNA typing defined
A1 A*0101-0106 B7 B*0701-0720 DR1 DRB1*0101-0106
A2 A*0201-0241 B8 B*0801-0810 DR3 DRB1*0301-0317
A3 A*0301-0305 B15 B*1501-1559 DR4 DRB1*0401-0434
A11 A*1101-1106 B27 B*2701-2720 DR12 DRB1*1201-1206
 
HLA Class I และ Class II โมเลกุล และยีนที่เกี่ยวข้อง
HLA โมเลกุล เป็น glycoprotein บนผิวของเซลล์ โดยจะยึดติดกับเซลล์ด้วยส่วน transmembrane ทั้ง class I และ class II มีลักษณะโครงสร้างและหน้าที่คล้ายคลึงกัน โดยจะจับกับ antigenic peptide เป็น stable complex และนำเสนอต่อ T cell receptor บนผิวของ T lymphocyte
 
5.1 ลักษณะโครงสร้างของ HLA Class I โมเลกุล
HLA Class I โมเลกุล ประกอบด้วย a chain สายยาว 1 สาย ซึ่งเชื่อมต่อแบบ non-covalent กับ b2-microglobulin (b2M) chain a chain เป็น polymorphic glycoprotein ขนาด 45 kD ซึ่งถูกสร้างมาจาก HLA-A, -B, และ -C loci บนยีน HLA complex ส่วน b2M เป็น protein ขนาดเล็ก (12 KD) สร้างจากยีนนอก HLA complex ทั้งสอง chain นี้มีความสำคัญต่อความมั่นคง (stability) และ การแสดงออกของ HLA molecule จะเห็นว่า ในหนูที่มีความผิดปกติของ b2M gene โดยมี HLA gene ที่ปกติ ก็จะไม่มี HLA class I โมเลกุล แสดงอยู่บนพี้นผิวเซลล์ a chain ประกอบ ด้วย

1) Extracellular domain ซึ่งยังแบ่งเป็น 3 domain เป็น a 1 , a 2 และ a 3 โดยแต่ละ domain ประกอบด้วย ~90 amino acid
2) Transmembrame domain (~40 amino acid) และ
3) Cytoplasmic domain (~30 amino acid) (ดูรูปที่ 3)
 
โดยที่ a 1 และ a 2 domain ประกอบเข้าด้วยกันเป็นร่องสำหรับ bind กับ peptide ลักษณะโครงสร้าง 3 มิติของ peptide binding cleft (groove) แสดงให้เห็นว่า a 1 และ a 2 domain ประกอบกันโดยมีพื้นเป็นสาย ลักษณะแบบ Beta-pleated strands 8 สาย และ ล้อมรอบ 2 ข้างด้วย Alpha helix (รูปที่ 4) ในขณะที่ a 3 และ a 2M มีลักษณะโครงสร้าง 3 มิติเป็น b pleated sheets 2 แผ่น ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของ Ig domains และมีส่วนที่จับกับ CD8 molecule บน a3 domain
 
5.2 ลักษณะโครงสร้างของ HLA Class II โมเลกุล
Class II โมเลกุล ประกอบด้วย polypeptide chains 2 ชนิด นั่นคือ a chain (33 KD) และ b chain (28kD) ซึ่งจับกันด้วย non-covalent interaction เป็น a b heterodimer HLA Class II มีลักษณะโครงสร้างเหมือนกับ class I โดยประกอบด้วย extracellular domain, transmembrane และ cytoplasmic segments (รูปที่ 3) แต่ละ chain แบ่งเป็น 2 ส่วน นั่นคือ a1, a2, และ b1, b2 ตามลำดับ และมีส่วนที่จับกับ CD4 molecule บน b2 domain ส่วน Peptide binding groove ประกอบด้วย a1 และ b1 (รูปที่ 4) โดยมีข้อแตกต่างสำคัญข้อหนึ่งที่ควรรู้ คือ ร่องของ Class I จะมีลักษณะปิดที่มุมทั้ง 2 ข้าง แต่ร่องของ Class II เปิดกว้างออกที่มุมทั้ง 2 ข้าง จึงสังเกตได้ว่า peptide ที่ bind กับ HLA class I จะมีความยาวค่อนข้างคงที่ และขนาดสั้น แค่ประมาณ 9-10 amino acid ในขณะที่ peptide ที่ bind กับ HLA class II จะมีความยาวได้ตั้งแต่ 14-30 amino acid เนื่องจาก peptide สามารถยื่นออกมาภายนอกร่องได้ทางมุมทั้ง 2 ข้าง โดยอาจ เปรียบเทียบได้ว่า ลักษณะเหมือน hotdog (รูปที่ 4)หมายเหตุ: เป็นที่น่าสนใจว่านักวิทยาศาสตร์ยังพบว่า class II molecule มีลักษณะเป็น dimer นั่นคือเขาพบ class II สองโมเลกุล ตกผลึกมาด้วยกัน ในกระบวนการที่ใช้ในการศึกษารูปร่างของ molecule นี้ ถึงแม้ยังไม่มีหลักฐาน เพิ่มเติมแน่ชัดว่า dimer นี้ เกิดขึ้นจริงในธรรมชาติ (in vivo) นักวิทยาศาสตร์ได้ตั้งข้อสังเกตว่า dimer นี้ อาจมีความสำคัญในการช่วยให้มีการรวมตัวกัน (aggregation) ของ TCR หรือ CD4 molecule บนผิวของ T cell ซึ่งสำคัญต่อกระบวนการส่งต่อสัญญาณใน T cell Cell
 
รูปที่ 3 แผนภูมิแสดงส่วนประกอบของ ก) HLA Class I และ ข) Class II molecule
 
รูปที่4 ลักษณะโครงสร้าง3 มิติของ Peptide binding groove ของ HLA molecule ซึ่งประกอบด้วย alpha helixs สองข้างบนฐานที่เกิดจากสาย beta-pleated strands แปดเส้น รวมทั้งแสดงถึงการ วางตัวของ Peptide ก) Peptide ขนาดสั้นอยู่ภายในร่องปลายปิดของ HLA Class I และ ข) Peptide ขนาดยาวกว่า สามารถยื่นปลายทั้งสองข้าง ออกมาจากร่องปลายเปิดของ HLA Class II ได้
 
5.3 ลักษณะการเรียงตัวของ Exons ใน HLA Class I และ Class II genes
ยีนแต่ละชนิดของกลุ่มยีน HLA ประกอบด้วย หลาย exon โดยแต่ละ exon จะถอดรหัส (encode) เป็นโปรตีนแต่ละส่วน (รูปที่5) ดังนี้

  • Exon ที่ 1 คือ leader exon ซึ่งจะถ่ายทอดเป็น signal peptide สั้นๆ มีหน้าที่ช่วยนำ mRNA เข้าสู่ ER เพื่อสร้างเป็น polypeptide และส่วน signal peptide นี้ก็จะถูกตัดออกไปโดย enzyme ใน ER หลังจาก polypeptide ถูกสร้างเสร็จแล้ว
  • Exon 2, 3, 4 จะถ่ายทอดเป็น a หรือ b domain ดังแสดงรายละเอียดในรูปที่ 5
  • Exon ที่เหลือถ่ายทอดเป็นส่วน Transmembrane, Cytoplasmic และ 3′ Untranslated region ตามลำดับ
รูปที่ 5 ลักษณะการเรียงตัวของ exon และ protein domain ต่างๆ ของ ก) HLA Class I และ ข) HLA Class II
(TM = Transmembrane domain; CY = Cytoplasmic domain; 3’UT = 3′ Untranslated region)
 
คุณสมบัติ Peptide-binding ของ HLA โมเลกุล
หน้าที่ที่สำคัญ ของ HLA โมเลกุล คือความสามารถที่จะจับ (bind) และนำเสนอ (present) antigenic peptides ได้แก่ T cells เพื่อก่อให้เกิดการตอบสนองทางภูมิคุ้มกัน ต่อ antigen นอกจากนี้ HLA ที่แสดงออกในแต่ละบุคคล ยังเป็นตัวกำหนด T cell repertoir ของคนนั้นๆ เนื่องจาก T cell ที่เจริญเติบโต จะต้องผ่านกระบวนการ positive และ negative selection โดย self peptide และ self MHC บน epithelial cells และ dendritic cells ใน thymus เฉพาะ T cell ประมาณ 5% เท่านั้น ที่รอดพ้นออกมาเป็น mature T cell ในกระแสเลือด
 
6.1 Peptide Binding Region
ได้มีผู้สนใจศึกษาคุณสมบัติการจับกับ peptide ของ HLA molecule อย่างมากมาย นักวิทยาศาสตร์พบว่า HLA แต่ละชนิด (allele) จะจับกับ peptide ที่มีลักษณะเฉพาะบางอย่าง โดยจะขึ้นกับลักษณะร่องที่จะจับกับ peptide (peptide-binding groove or cleft) ของ HLA molecule นั้นๆ การศึกษาลักษณะโครงสร้าง 3 มิติอย่างละเอียด ของ HLA molecule บางชนิด (ได้แก่ HLA-A2, HLA-DR1) พบว่า peptide binding cleft มีลักษณะเป็น pocket (รูปที่6) ที่ประกอบขึ้นจากการรวมตัวของกลุ่ม amino acid ที่อยู่บน beta-pleated sheet หรือ alpha helix ของ HLA molecule ซึ่งจะรองรับ side chain ของ amino acid ที่ยื่นมาจาก peptide เราเรียก amino acid สำคัญบน peptide ซึ่งเป็นตัวยึด peptideไว้ใน binding groove ว่า “anchor residues” (รูปที่7) อย่างไรก็ตาม ลักษณะการจับของ peptide ต่อ HLA หนึ่งๆ มีความซับซ้อนมากกว่านี้ Side chain ของ amino acid ตัวอื่นๆ ที่ไม่ใช่ anchor residue ก็มีผลต่อการ binding ด้วย ลักษณะเฉพาะที่สำคัญๆ ที่บ่งถึงคุณสมบัติของ peptide ที่จะสามารถ bind ใน groove ของ HLA molecule แต่ละ allele มีชื่อเรียกว่า “peptide binding motif” ของ HLA นั้นๆ การศึกษา binding motif นี้ สามารถนำไปใช้ประยุกต์ในการค้นหา peptide เพื่อใช้พัฒนา vaccine ใหม่ๆ หรือเพื่อใช้รักษาโรคทาง immune ต่างๆ ได้
 
รูปที่ 6

peptide binding cleft มีลักษณะเป็น pocket ที่ประกอบขึ้นจากการรวมตัวของกลุ่ม amino acid ที่อยู่บน beta-pleated sheet หรือ alpha helix ของ HLA molecule แต่ละ pocket ใหญ่ๆ ที่สำคัญจะตรงกับ side chain ของ peptide ตำแหน่งที่ 1, 4, 6, 7, และ 9 ดังแสดงในรูป

 
 
รูปที่ 7

ภาพ peptide binding cleft ของ HLA molecule พร้อม peptide ที่อยู่ในร่อง
A) ภาพมองจากด้านบน
B) มองจากด้านข้าง แสดงให้เห็น amino acid สำคัญบน peptide ซึ่งเป็นตัวยึด peptideไว้ใน binding groove ที่เรียกว่า “anchor residues” (ลูกศรสีแดง)

 
 
6.2 การ Process และ Present peptide ของ HLA molecule
HLA class I molecule ทำหน้าที่นำเสนอ peptide ให้แก่ CD8+ T cell โดยทั่วไปจะเป็น peptide จาก protein ภายในเซลล์ (endogenous protein) ที่ถูกย่อยสลายใน cytoplasm ซึ่งได้แก่ peptide จากไวรัส หรือ peptide จากเซลล์มะเร็ง โดยจะถูกย่อยสลายด้วย LMP complex ( Large Multifunctional Proteinase complex) หรือ proteosome แล้วส่งผ่านไปยัง TAP( transporter of antigenic peptides) เพื่อเข้าสู่ endoplasmic reticulum (ER) หลังจากนั้น peptide จึงสามารถจับกับ MHC class I molecule ซึ่งถูกสร้างจาก ER เฉพาะ class I molecule ที่จับกับ peptide จะมีความคงทน (stability) และเคลื่อนที่ไปยังผิวเซลล์ได้ (รูปที่ 8)
 
รูปที่ 8 แผนภูมิแสดง Processing และ Presentation pathway
ของ HLA class I molecule
 
HLA class II molecule มีหน้าที่สำคัญในการนำเสนอ peptide ให้แก่ CD4+ T cell peptide ส่วนใหญ่มาจาก protein ภายนอกเซลล์ ( exogenous protein ) ซึ่งถูกนำเข้ามาในเซลล์ผ่าน endocytic pathway ในขณะเดียวกัน class II molecule ถูกสร้างจาก ER พร้อมกับมีโปรตีนชื่อ invariant chain (Ii) จับอยู่กับ class II molecule โดยชั่วคราว เพื่อป้องกันการจับกับ self peptide ส่วนของ peptide บน Ii ที่จับอยู่บน peptide-binding groove มีชื่อเรียกว่า CLIP (class II- associated invariant chain peptide) Complex นี้ จะผ่าน Golgi network และเข้าสู่ endocytic pathway Ii จะหลุดออกจาก class II molecule จากภาวะกรด และเอ็นไซม์ภายใน endosome รวมทั้งจากการทำงานของ DM molecule ซึ่งจะช่วยทำให้เกิดการแลกเปลี่ยนการจับของ exogenous peptide ซึ่งอยู่ใน endocytic pathway กับ CLIP จากนั้น class II molecule ที่จับกับ peptide จึงจะเคลื่อนตัวไปยังผิวเซลล์ เพื่อนำเสนอให้กับ T cell ต่อไป (รูปที่9)
 
รูปที่ 9 แผนภูมิแสดง Processing และ Presentation pathway
ของ HLA class II molecule
 
ความสัมพันธ์ระหว่าง HLA โมเลกุลและโรคต่างๆ
เนื่องจาก HLA เป็นปัจจัยหนึ่งที่สำคัญ ที่มีผลต่อระบบภูมิต้านทานของร่างกาย จึงไม่เป็นที่น่าแปลกใจที่มีผู้พบความสัมพันธ์ระหว่าง HLA กับโรคต่างๆ มีทั้งต่อโรคภูมิต้านทานต่อตนเอง (autoimmune disease) และ โรคติดเชื้อ (infection disease) ทั้งในด้าน susceptible หรือ resistant ต่อโรคนั้นๆ ในปัจจุบัน การศึกษาความสัมพันธ์ของ HLA และโรคต่างๆ ได้ช่วยเพิ่มความเข้าใจถึง ความสำคัญของปัจจัยทางพันธุกรรมของบุคคล ต่อการเกิดโรคบางชนิด
 
7.1 ทฤษฎีที่ใช้อธิบายกลไกที่ HLA มีผลต่อการเกิดโรคต่างๆ
1. Mimicry hypothesis : HLA แอนติเจนบางชนิด อาจมีส่วนคล้ายคลึงกับแอนติเจนจากเชื้อโรคบางชนิด ทำให้ระบบภูมิคุ้มกันซึ่งจะไม่รับรู้ HLA แอนติเจน เพราะเป็น Self antigen ก็จะไม่มีการตอบสนองต่อแอนติเจนของสิ่งติดเชื้อนั้นไปด้วย จึงอาจเป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้พบ ความสัมพันธ์ระหว่าง HLA allele บางชนิด กับ susceptibility ต่อโรคติดเชื้อได้2. Recepter hypothesis : ได้มีผู้เสนอความคิดว่า HLA บางชนิด อาจทำหน้าที่เป็น recepter ต่อ virus และทำให้เกิดโรคได้ 3. Autogenic peptide : ในกรณีของ Autoimmune disease ได้มีผู้เสนอทฤษฎีว่า HLA บางชนิด อาจมีความสามารถที่จะนำเสนอ Autogenic peptide ที่เป็นตัวสำคัญในการก่อโรคได้ หรือ peptide ที่เกิดจากการสลายตัวของ HLA แอนติเจนนั้น สามารถทำหน้าที่เป็น Autogenic peptide ได้เอง 4. Selection hypothesis : เนื่องจาก HLA molecule เป็นปัจจัยสำคัญที่กำหนด T cell recepter จากกระบวนการ selection ใน Thymus ทฤษฎีนี้เชื่อว่า ผลจาก Thymic selection ในบุคคลที่มี HLA บางชนิด อาจก่อให้เกิด T cell ที่มีศักยภาพที่จะทำลายเนื้อเยื่อตนเอง มากกว่าปกติ

5. Other HLA-linked genes: นอกจากนี้ก็อาจเป็นไปได้ว่า ความสัมพันธ์ระหว่างโรคต่างๆ กับ HLA อาจเป็นความสัมพันธ์กับยีนอื่น ที่ถ่ายทอดอย่างใกล้ชิดไปกับ HLA gene

 
7.2 ความสัมพันธ์ระหว่าง HLA และ Autoimmune disease
จากการสังเกตพบว่า HLA allele(s) บางชนิด พบได้มากหรือน้อยกว่าปกติ ในโรค autoimmune ต่างๆ อย่างมีนัยสำคัญ ทำให้นักวิทยาศาสตร์สนใจศึกษาถึงกลไกระดับโมเลกุล ที่จะสามารถอธิบายถึงความสัมพันธ์นี้ อย่างกว้างขวาง ตัวอย่างความสัมพันธ์ระหว่าง HLA และ autoimmune disease ที่สำคัญ ได้แสดงไว้ใน ตารางที่ 2
 
ตารางที่ 2 ตัวอย่างความสัมพันธ์ระหว่าง HLA และ autoimmune disease ที่สำคัญ
DISEASE HLA ALLELE(S)
Ankylosing spondylitis B27
Goodpasture’s syndrome DR2
Graves’ disease DR3
IDDM DR3/DR4 heterozygous
Rheumatoid arthritis DR4
Pemphigus vulgaris DR4
Hashimoto’s thyroiditis DR5
 
จะเห็นว่า นอกจากความสัมพันธ์ที่ค่อนข้างเด่นชัด ระหว่าง โรค Ankylosing spondilitis กับ HLA-B27 ซึ่งเป็น HLA class I นั้น โรคส่วนใหญ่มักพบว่า มีความสัมพันธ์กับ class II (HLA-DR ) อย่างไรก็ตามโรค autoimmune ไม่ได้เกิดกับบุคคลที่มี susceptible HLA allele ทุกคน สามารถอธิบายได้จากความรู้ปัจจุบันว่า HLA เป็นปัจจัยหนึ่ง ชึ่งทำให้บุคคลนั้นๆ มีแนวโน้มที่จะเกิด ภูมิคุ้มกันต่อเนื้อเยื่อตนเองได้ แต่การเกิดโรค autoimmune เกิดจากปัจจัยอื่นด้วย ดังนั้น การเกิดโรคในแต่ละบุคคลจึงแตกต่างกันไป จะเห็นได้ว่า เราไม่สามารถใช้ HLA molecule เป็นตัวช่วยที่ดี ในการวินิจฉัยโรคได้ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากโรค Autoimmune มีลักษณะการแสดงออกของโรคที่หลากหลาย (heterogeneity) และ HLA ก็เป็น Marker อันหนึ่ง ที่มีความสัมพันธ์กับการแสดงออกบางชนิด เช่น ผู้ป่วย rheumatoid arthritis ที่มี DW4 หรือ DW14 จะมีโอกาสเสี่ยงสูงกว่าที่จะมี progressive joint destruction ดังนั้น HLA genotype อาจจะมีความสำคัญมากกว่า ในด้านการพยากรณ์ลักษณะการแสดงออกของโรค (clinical course) เพื่อช่วยตัดสินการรักษา (รูปที่ 10)
 
รูปที่10 USE OF HLA GENOTYPE IN A DECISION-TREE
APPROACH TO RHEUMATOID ARTHRISTIS THERAPEUTICS
RA, Rheumatoid arthristis; ACR, American College of Rheumatology, whose criteria are used to define the diagnosis of RA based on clinical and laboratory parameters.
 
ในขณะเดียวกัน ได้มีผู้ศึกษากลไกระดับโมเลกุล เพื่ออธิบายความสัมพันธ์ระหว่าง HLA และกลไกในการเกิดโรคต่างๆ มากมาย โดยหวังว่าความรู้นี้ จะสามารถนำมาใช้ในการพัฒนา immunotherapy ที่ดีขึ้น หรือ เฉพาะต่อโรค มากขึ้นได้ ดูทฤษฎีที่ใช้อธิบายในปัจจุบันนี้ในหัวข้อ 7.1
 
7.3 ความสัมพันธ์ระหว่าง HLA กับโรคติดเชื้อต่างๆ
บทบาทที่สำคัญของ HLA molecule ในการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันต่อโรคติดเชื้อต่างๆ เป็นเหตุผลหนึ่งที่ใช้อธิบายว่า ความหลากหลายของ HLA molecules เกิดขึ้นเนื่องจากการคัดเลือกตามธรรมชาติ (natural selection) เพื่อให้เกิดการนำเสนอ antigenic peptides ที่หลากหลาย จากจุลชีพต่างๆ อย่างมีประสิทธิภาพ หลักฐานที่ใช้สนับสนุนทฤษฎีนี้ ยังไม่เป็นที่แน่ชัดนัก การศึกษาถึงความสัมพันธ์ระหว่าง HLA ต่อโรคติดเชื้อต่างๆ ไม่ค่อยพบว่ามีความสัมพันธ์อย่างมีนัยสำคัญชัดเจน เหมือนใน autoimmune disease ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น ปัญหานี้อาจเนื่องมาจาก

1) การศึกษาส่วนใหญ่ มีขนาดประชากรที่รวมในกลุ่มศึกษาจำนวนไม่เพียงพอ ทำให้ไม่สามารถค้นพบความสัมพันธ์ที่มีอยู่ได้ นอกจากว่าความสัมพันธ์นั้น มีนัยสำคัญที่สูงมาก
2) ความแตกต่างของจุลชีพสายพันธ์ต่างๆ ในแต่ละภูมิภาค อาจทำให้ค้นพบความสัมพันธ์ที่ต่างกันในแต่ละท้องที่ ทำให้มีความสับสนในการแปลผลได้
3) การศึกษาส่วนใหญ่ มุ่งเน้นถึงการค้นหาความสัมพันธ์ต่อ HLA เฉพาะบาง allele

ในปัจจุบันนี้มีผู้แนะนำว่า ความสัมพันธ์ที่มีนัยสำคัญอย่างแท้จริง น่าจะเป็นต่อกลุ่ม HLA alleles ที่มีลักษณะการจับกับ peptide (binding motif) ที่เหมือนกัน หรือต่อลักษณะ Heterogeneous ของ HLA ซึ่งทำให้เกิดความหลากหลายมากขึ้น ตามทฤษฎี natural selection

อย่างไรก็ตาม ความสัมพันธ์ระหว่าง HLA ทั้งในด้านบวก และลบ ต่อโรคติดเชื้อบางชนิด ก็ได้มีรายงานไว้ (ดูตัวอย่างในตารางที่ 3) การศึกษาถึงกลไกระดับโมเลกุล ที่จะอธิบายความสัมพันธ์นี้ จะมีความสำคัญมาก ที่อาจนำไปสู่การค้นพบการรักษา หรือวัคซีนใหม่ๆ ต่อโรคนั้นๆ ตัวอย่างการศึกษาหนึ่งเกิดจากสมมุติฐานที่ว่า”protective HLA molecule มีความสำคัญ เนื่องจากความสามารถของ molecule นั้น ที่จะจับและนำเสนอ immunodominant peptide ที่สำคัญจากจุลชีพ และทำให้เกิดภาวะภูมิต้านทานที่มีประสิทธิภาพ สามารถป้องกัน หรือทำให้เกิดโรคที่รุนแรงน้อยลง ในบุคคลที่มี HLA allele นั้นๆ ได้” การศึกษานี้มีชื่อเรียกว่า “Reverse Immunogenetic” โดยเริ่มจาก HLA molecule ที่สนใจ และพยายามที่จะค้นหา peptide ที่สำคัญ ที่อยู่บนร่องของ HLA molecule นั้น ซึ่งอาจจะสามารถนำมาใช้เป็นวัคซีนได้ต่อไป Peptide หนึ่ง ชื่อ 1s6 ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งจาก liver-stage antigen-1 (LSA-1) ของ malaria antigen ได้ถูกค้นพบ ด้วยวิธีดังกล่าวนี้ จากความสามารถในการจับกับ HLA-B53 ซึ่งเป็น protective allele ต่อมาลาเรียขั้นรุนแรง ใน Africa และทำให้เกิด CTL ซึ่งสามารถทำลายเซลตับที่ติดเชื้อมาลาเรียได้ดี ในปัจจุบัน LSA-1 ก็เป็น Antigen เป้าหมายหนึ่ง ที่สำคัญในการพัฒนาวัคซีนต่อมาลาเรีย

จะเห็นว่าการศึกษาถึงความสัมพันธ์ระหว่าง HLA และโรคต่างๆ มีความสำคัญ และสามารถนำมาประยุกต์ใช้ประโยชน์ในทางคลีนิค ดังตัวอย่างที่ได้กล่าวไว้ข้างต้น นอกจากนี้ ความรู้พื้นฐานในคุณสมบัติการนำเสนอ peptide ของ HLA ยังได้มีการนำใช้ประโยชน์ในด้านต่างๆ เช่น ใช้ค้นหา immunodominant epitope จาก Antigen ที่สนใจ รวมทั้งการปรับปรุงเปลี่ยนแปลง epitope เพื่อประโยชน์ ทางการรักษา และพัฒนาวัคซีน เป็นต้น

 
ตารางที่ 3 ตัวอย่างความสัมพันธ์ระหว่าง HLA ทั้งในด้านบวกและลบต่อโรคติดเชื้อบางชนิด
DISEASE HLA ALLELE(S) POPULATION
MALARIA B53, DRB1*1302 GAMBIA
TUBERCULOSIS DR2 INDIA, RUSSIA, INDONESIA
LEPROSY DR2 INDIA
HIV PROGRESSION B35, A1-B8-DR3,
B27
USA, EUROPE
HEPATITIS B PERSISTENCE DRB1*1302 GAMBIA, GERMANY
HEPATITIS C PERSISTENCE DR5 ITALY, UK
 
หนังสืออ้างอิง
1. Abdulkadir, S.A., V. Casalaro, S.S. Lisa, Z. Song, and S.J. Ono. (1996) The Major Histocompatibility Complex genes and their transcriptional regulation in MHC molecules. In MHC molecules: Expression, Assembly, and Function. R.G. Urban and R.M. Chicz, editors. R.G. Landes Company, Austin, Texas. 9-34.
2. Beck S (1999) Sequence organisation of the class II region of the human MHC. Immunol.Rev.167:201-210
3. Cresswell P (1999) The nature of the MHC class I peptide loading complex. Immunol.Rev.172:21-28
4. Engelhard VH (1994) Structure of peptides associated with class I and class II MHC molecules.Annu.Rev.Immunol. 12:181-207
5. German RN (1996) Processing and presentation of endocytically acquired protein antigens by MHC class II and class I molecules. Immunol.Rev. 151:5-30
6. Germain, R.N. (1999) Antigen Processing and Presention. In Fundamental Immunology. W.E. Paul, editor. Lippincott-Raven Press, Philadelphia. 287-340.
7. Hansen, T.H., B.M. Carreno, and D.H. Sachs. (1993) The Major Histocompatibility Complex. In Fundamental Immunology. W.E. Paul, editor. Raven Press, New York. 577-628.
8. Hill, A.V., J. Elvin, A.C. Willis, M. Aidoo, C.E. Allsopp, F.M. Gotch, X.M. Gao, M. Takiguchi, B.M. Greenwood, A.R. Townsend, and et al. (1992) Molecular analysis of the association of HLA-B53 and resistance to severe malaria. Nature 360:434.
9. Hill, A.V. (1998) The immunogenetics of human infectious diseases. Annu.Rev.Immunol. 16:593.
10. Hughes, A.L., M. Yeager, and M. Carrington. (1996) Peptide binding function and the paradox of HLA disease associations. Immunol.Cell Biol. 74:444.
11. Janeway, C.A.J. and P. Traver. (1997) Immunobiology: The Immune System in Health and Disease. Garlan Publishing Inc. New York and London.
12. Jones EY (1998) Recognition surfaces of MHC class I. Immunol.Rev. 163:121-128
13. Kuby, J. (1994) Immunology. W. H. Freeman and Company, New York.
14. Lawlor DA (1990) Evolution of class-I MHC genes and proteins: from natural selection to thymic selection. Annu.Rev.Immunol. 8:23-63
15. Madden DR (1995) The three-dimensional structure of peptide-MHC complexes. Annu.Rev.Immunol. 13:587-622
16. Margulies, D.H. (1999) The Major Histocompatibility Complex. In Fundamental Immunology. W.E. Paul, editor. Lippincott-Raven Press, Philadelphia. 263-286.
17. Nepom, G.T. (1995) Class II antigens and disease susceptibility. Annu.Rev.Med. 46:17.
18. Nepom GT (1991) MHC class-II molecules and autoimmunity. Annu.Rev.Immunol. 9:493-525
19. Shiina T (1999) Genome sequencing analysis of the 1.8 Mb entire human MHC class I region. Immunol.Rev. 167:193-199
 

ข้อมูลจาก : ภาควิชาจุลชีววิทยา คณะแพทยศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย

http://www.cai.md.chula.ac.th/lesson/lesson4503/index.html