Fot. Prof. Jacek Radwan, źródło: Magdalena Wiśniewska-Krasińska/Archiwum FNP

Prof. Jacek Radwan jest biologiem ewolucyjnym. Zajmuje się szeregiem istotnych ewolucyjnie zagadnień, m.in. doborem i konfliktem płciowym, koewolucją pasożyt-żywiciel, w tym szczególnie intensywnie w ostatnich latach – ewolucją głównego układu zgodności tkankowej (MHC). Nagrodzone przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej badania prof. Radwana dotyczą układu odpornościowego, a konkretnie wyjaśnienia, dlaczego nie zawsze jest on zdolny odpowiedzieć na atak organizmów patogennych?

Aby odpowiedzieć na to pytanie, trzeba przyjrzeć się działaniu genów głównego układu zgodności tkankowej MHC (major histocompatibility complex), które biorą udział w odpowiedzi immunologicznej naszego organizmu na działanie różnych patogenów. Molekuły te prezentują komórkom odpornościowym organizmu (limfocytom T) fragmenty białek znajdujących się w danej komórce. Wśród tych prezentowanych białek są jednak zarówno białka samej komórki, jak i białka patogenów. Limfocyty T, odpowiedzialne za odpowiedź odpornościową organizmu, mogą rozpoznać zaprezentowane im w ten sposób białka agresorów za pomocą specjalnych receptorów (TCR)  i unicestwić zainfekowaną komórkę lub stymulować produkcję przeciwciał. Receptory te występują w naszych organizmach w milionach wariantów, dzięki czemu limfocyty mogą rozpoznawać większość białek prezentowanych przez molekuły MHC. Geny MHC pełnią więc w tym procesie kluczową rolę. Teoretycznie im byłoby ich więcej, a zatem im większa różnorodność białek MHC, tym też większa byłaby szansa organizmu na zaprezentowanie limfocytom białek patogenów i wywołanie reakcji odpornościowej. Jednak liczba takich genów w ludzkim organizmie nie jest zbyt okazała, co powoduje, że czasami nasze organizmy nie potrafią obronić się przed patogenami. Dlaczego tak się dzieje, dlaczego nasz organizm postawił na mniejszą liczbę MHC?

Zespół kierowany przez prof. Radwana jako pierwszy doświadczalnie zbadał istniejącą już wcześniej hipotezę, że istnieje ewolucyjny kompromis pomiędzy liczbą genów MHC a liczbą wspomnianych receptorów antygenowych limfocytów T (TCR), umożliwiających likwidację patogenów. Według tej hipotezy większe zróżnicowanie wariantów MHC umożliwiłoby zaprezentowanie większej liczby antygenów należących do patogenów, ale też prawidłowych białek organizmu. Komórki prezentujące własne, prawidłowe białka nie wywołują zwykle reakcji odpornościowej, ponieważ limfocyty noszące TCR, które mogłyby się z nimi wiązać i powodować autoagresję, są usuwane z organizmu na wczesnych etapach rozwoju układu odpornościowego. Postulowano więc, że dobór naturalny powstrzymuje dodawanie do naszych genomów kolejnych wariantów genów MHC, ponieważ prowadziłoby to do usuwania zbyt wielu limfocytów, ograniczając w ten sposób możliwość prawidłowej reakcji opornościowej przeciw patogenom i de facto osłabiając nasze organizmy.

Empiryczne testowanie tej hipotezy stało się możliwe dzięki opracowaniu metod identyfikacji milionów wariantów TCR przy użyciu wysokowydajnego sekwencjonowania DNA, w co zespół prof. Radwana wniósł istotny wkład. Rozpoczęte w 2017 r. prace wykorzystały te metody w badaniach prowadzonych na nornicy rudej, którą wybrano jako model ze względu na wyjątkowo duże międzyosobnicze zróżnicowanie liczby genów MHC w genomach. Badania potwierdziły przypuszczenia dotyczące ewolucyjnego kompromisu między MHC a TCR. Wykazały, że większa różnorodność MHC klasy I, które wiążą białka wirusów i innych patogenów wewnątrzkomórkowych, związana była z mniejszym repertuarem receptorów TCR. Wyniki badania opublikowano w piśmie "PNAS". Badania wykazały również, że związek z różnorodnością TCR nie występuje w przypadku liczby genów MHC klasy II, które wiążą białka patogenów zewnątrzkomórkowych, takich jak wiele bakterii. Wyjaśnienie tej zaskakującej różnicy będzie kolejnym wyzwaniem dla badaczy, podobnie jak odpowiedź na pytanie, dlaczego osobniki męskie mają mniejszy repertuar TCR niż żeńskie, co także stwierdzono w badaniach?