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Il sistema immunitario
COMPONENTI MOLECOLARI E CELLULARI. Meccanismi
e caratteristiche delle risposte immunitarie; Risposte
umorali e cellulari; Teoria della selezione clonale;
Versatilità, specificità e memoria delle risposte
immunitarie; Immunità naturale e acquisita.
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Alto Atlante (Marocco), Valle del Dades
3
Immunologia
•
•
Meccanismi molecolari attraverso i quali l’organismo distingue le sostanze
proprie (self) dalle non-proprie (non-self)
Componenti:
 Antigene (Ag, antibody generator): molecola o parte di molecola che induce una
•
risposta immunitaria
 Anticorpo (Ab, antibody): proteina (immunoglobulina, Ig) che riconosce Ag
Il malfunzionamento causa:
 Immunodeficienza: mancato riconoscimento o mancato attacco alle sostanze
•
non-self
 Malattie auto-immuni: errato riconoscimento delle sostanze self
Osservazione originaria dell’immunologia: Quando un organismo
recupera da un’infezione, rimane specificamente immune da
quell’infezione
Ig anti-Ag
Tempo
Prima iniezione di Ag
Seconda iniezione di Ag
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Complesso Ab-Ag
•
•
•
Legami non covalenti, Keq 107-1011 L/mole
Primo passo necessario per l’eliminazione di Ag
Seguito da:
 Endocitosi nel sistema reticolo-endoteliale
 Attivazione della fagocitosi (macrofagi)
 Attivazione del complemento (lisi)
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Caratteristiche delle risposte immunitarie
•
Versatilità: numero di potenziali
Ag>108:
 Molecole fisiologiche
 Virus
 Cellule
 Molecole non fisiologiche (intolleranze
•
•
a materiali sintetici)
Memoria: La prima esposizione a Ag
provoca la produzione di Ab che
rendono la seconda esposizione a Ag
meno dannosa della prima
Umorali: Produzione di Ab solubili
che circolano nel sangue
 Formazione del complesso Ab-Ag
 Precipita con la sostanza estranea
•
(complemento) o marcatura per la
distruzione (macrofagi)
Cellulari: Produzione di cellule
(linfociti T) dagli organi linfoidi
 1012 linfociti nell’organismo
6
Linfociti
•
Dalle cellule staminali negli organi linfoidi primari:
 Fegato nel feto, midollo osseo nell’adulto
•
 Nello stato a riposo: non distinguibili
Migrano negli organi linfoidi secondari:
 Cellule B (da bone marrow), → risposte umorali
> Secernono Ab
> RER sviluppato
 Cellule T (prodotte nel timo), → risposte cellulari
> Poco RER
> Secernono interleukine, citochine, linfochine
Timo
Ghiandola linfoide
secondaria
Osso
T
Cellula staminale
B
Risposte cellulari
Risposte umorali
Come può il sistema immunitario rispondere specificamente a
milioni di Ag diversi?
•
Teoria istruttiva
 Ag induce Ab ad assumere una conformazione tale da fungere da legante per
•
quell’Ag
 ERRATA: viola il principio del flusso di informazione genica: DNA→ RNA →
proteine
Teoria della selezione clonale
 Ogni organismo genera un’enorme varietà di linfociti diversi in piccole quantità
(cloni)
 Solo quelli che vengono in contatto con Ag specifici possono proliferare
7
8
Teoria della selezione clonale
•
•
•
La cellula staminale si
diversifica in numerose
cellule B “vergini”, ognuna
con un’Ig diversa sulla sua
superficie
Contatto con Ag: solo un
clone si replica e produce
numerose cellule B
contenenti solo quell’Ig
Cellule B effettrici o
plasmacellule producono Ig
solubili nel sangue
Cellula staminale
Prima
esposizione a
Ag
Cellule memoria
Replicazione del clone
Seconda esposizione a Ag
Attacco
Cellule B vergini
Cellule B attive
Rilascio di Ig
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Teoria della selezione clonale
•
•
Il sistema immunitario è composto da milioni di cloni provenienti da un
progenitore comune
Ogni linfocita:
 E’ destinato a reagire con un Ag specifico prima dell’esposizione a Ag
> “Pronto per l’uso”, e non “fatto su misura”
 Possiede recettori (Ig) sulla superficie che riconoscono un solo Ag
•
 Prolifera e matura solo dopo il riconoscimento
3 stadi di sviluppo delle cellule:
 Cellule vergini (o naïve)
 Cellule memoria che vivono a lungo (mesi/anni)
 Cellule attivate che producono Ab e vivono pochi giorni
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Come distinguere il self dal non-self?
•
L’organismo eredita tutti i geni dei recettori non-self, ma non i geni dei
•
Il sistema immunitario risponde alla presenza dei vari Ag, imparando a non
•
La tolleranza verso il self non è congenita ma acquisita durante la vita
fetale
recettori del self: NO!
rispondere al self: NO!
 Clonal deletion: eliminazione dei linfociti diretti contro il self
 Clonal anergy: i linfociti diretti contro il self sono inattivati ma vivi (la
riattivazione conduce alle malattie autoimmuni, ad es lupus eritematoso)
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Immunità naturale e acquisita
•
Immunità naturale: barriera che
l'organismo eredita dai genitori
e protegge da molti agenti
patogeni
 Fattori coinvolti: razza, sesso,
•
stato di nutrizione, resistenza
individuale correlata agli
ormoni e età
Immunità acquisita: immunità
che una persona sviluppa
durante la vita fetale e adulta
 Attiva: L'organismo produce
Ab e cellule T, per esempio
ogni volta che guarisce da
un’infezione o è esposto a un
vaccino
 Passiva: Ab acquisiti da fonte
esterna:
> Passaggio di IgG dalla madre
al feto attraverso la placenta
> Passaggio di IgA e IgM
mediante il colostro
> Iniezione di sieri e globuline
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Immunoglobuline
Struttura molecolare; Classi; Il complemento; Le regioni
variabili; Generazione della variabilità di
immunoglobuline.
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Alto Atlante (Marocco), valle del Todra
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Ig: proteine del sistema immunitario
•
Sintetizzate nei linfociti B
 Ogni linea di linfociti B produce un
•
solo tipo di Ig
Nei linfociti B non attivi (vergini o
memoria)
 Ig si presenta nella forma insolubile
•
nella membrana
 Funzione di recettore per Ag
Nei linfociti B attivi
 Ig si presenta nella forma solubile
secreta
 Funzione di attacco a Ag
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Immunoglobuline
•
4 catene polipeptidiche
 2 catene leggere identiche (L, light, 220
•
•
aa)
 2 catene pesanti identiche (H, heavy,
440 aa)
 A forma di Y
 Ponti S-S fra le catene
2 siti di legame per Ag
3 zone:
 Zona cerniera (hinge region)
 Zona costante o Fc (Fragment
Cristallizzabile) con sequenza di
aminoacidi relativamente costante
 Zona di riconoscimento per Ag o Fab
(Fragment Antigen Binding) con
sequenza di aminoacidi relativamente
variabile
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Flessibilità di Ig
•
•
•
Tolleranza per la distanza fra due siti antigenici, quando sono presenti
sulle cellule
Per legare più Ag su cellule diverse formando lattici riconoscibili dai
macrofagi (agglutinazione)
Per favorire la precipitazione dopo la formazione del complesso Ag-Ab
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Struttura primaria
C H3
Catena pesante H
Parte costante
•
•
•
Catene H e L: segmenti ripetuti di 110
aminoacidi con notevole analogia
Dominii variabili (V) e costanti (C)
Catena L=VL + CL
Catena H=VH + CH1 + CH2 + CH3
C H2
-S-S-S-S-
Catena leggera L
-S-S-
-S-S-
CL
CH1
Sito di legame con Ag
VH
Gerald M. Edelman
Rockefeller University
New York, NY, USA
Rodney R. Porter
University of Oxford
Oxford, United Kingdom
Premio Nobel 1972
VL
Parte variabile
•
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Isoforme della parte costante di Ig
•
5 isoforme H, determinano la classe
 IgM, isoforma µ
 IgG, isoforma γ
 IgA, isoforma α
 IgD, isoforma δ
•
 IgE, isoforma ε
2 isoforme L, presenti in tutte le classi di Ig
 κ eλ
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IgM
•
•
Struttura: pentamero (5 Ig) legate su catena J
Localizzazione:
 Cellule B vergini
•
•
 Plasma (5-10% del totale di Ig del plasma)
Funzione: mediano risposta primaria
Attivano complemento
20
Complemento
•
•
20 proteine (zimogeni) attivate a cascata
Due vie separate ma sinergiche:
 Via classica attivata dal complesso Ig + Ab
•
 Via alternativa attivata dai polisaccaridi delle membrane
Entrambe le vie:
 Trasformano C3 solubile a C3b insolubile
 Immobilizzazione del complesso di attacco
 Lisi
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IgG
•
•
•
•
Localizzazione: Plasma (70-75% del totale di Ig del plasma)
Funzione: Mediano risposta secondaria e fagocitosi
Attivano complemento
Attraversano la placenta (conferiscono resistenza immunitaria al neonato)
 Responsabile dell’incompatibilità Rh alla nascita (IgG materno contro Rh+ del
neonato)
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IgA
•
•
Formano dimeri con la “componente secretoria”
Localizzazione:
 Plasma (10-15% del totale)
•
 Secrezioni (lacrime, saliva, latte, bronchi)
Funzioni:
 Prima linea di difesa contro i patogeni
 Attivano complemento
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IgE
•
Localizzazione:
 Mastociti e basofili
•
 Nel plasma solo nella fase allergica
Funzioni:
 Attaccano cellule allergeniche, liberano istamina
 Vasodilatazione, aumento permeabilità dei capillari, infiammazione
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IgD
•
•
Localizzazione: Cellule B vergini
Responsabile del cambiamento di classe delle Ig senza cambiamento della
specificità anti-Ag
 Cellule B vergini: IgM
 IgD
 IgG, IgA o IgE
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Regioni variabili, responsabili del legame con Ag
•
•
•
Massima variabilità in 3 regioni ipervariabili (5-7 aa per L, 6-17 aa per H)
Il sito antigenico è composto dalle regioni ipervariabili della catena L +
le regioni ipervariabili della catena H
Varietà di siti di legame cambiando la sequenza di aa nelle regioni
ipervariabili senza disturbare il resto della molecola
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Paradosso
•
•
Esistono 108 Ab differenti (un Ab per ogni Ag), ma il genoma umano
contiene 20 000 geni al massimo:
 Come produrre più Ab di quanti sono i geni nel genoma?
Ipotesi degli anni ‘70 (non si conoscevano i domini delle proteine):
 Un sito antigenico è determinato da 1 catena H e 1 catena L
 Se ci fossero 1000 geni per L e 1000 geni per H, ci potrebbero essere
•
1000x1000=106 differenti siti antigenici
 Problema: Il meccanismo dovrebbe essere così sofisticato che una parte dei
geni che codificano le catene L e H (sempre quella!) rimane sempre costante,
mentre il resto può mutare selvaggiamente: Bello ma FANTASCIENTIFICO !!!
Oggi: Ricombinazione degli esoni
 Generazione di una grande variabilità di proteine differenti congiungendo
segmenti separati di geni prima della trascrizione a RNA
 Avviene nelle cellule B prima dell’esposizione a qualunque Ag
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Codificazione di κ
•
•
•
•
•
L
1 sequenza leader (1 copia per gene) → 20 aa per trasportare Ig fuori dalla
cellula (non mostrata)
1 segmento V (150 copie) → 95 aa (regione variabile)
1 segmento J (5 copie) → 13 aa (regione variabile)
1 segmento C (1 copia) → 110 aa (regione costante)
Calcolo combinatoriale:
 150 V x 5 J = 750 diverse catene κ
L
 Giunzione V-J non ben definita, n. possibilità x 10
 Totale: 7500 combinazioni diverse per le catene κ
L
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Codificazione delle catene H
•
•
•
•
•
Segmenti V: 80 copie
Segmenti D: 50 copie
Segmenti J: 6 copie
Segmento C: 1 copia
Calcolo combinatoriale:
 80 V x 50 D x 6 J = 24 000 diverse catene H
 Giunzione V-J non ben definita, inserzioni random nelle giunzioni V/D e D/J
 Totale: 2.4 milioni di combinazioni
Calcolo combinatoriale per l’intero sito antigenico (catena L +
catena H)
•
•
•
Il sito antigenico è composto da 1 catena H e 1 L
Totale delle combinazioni possibili per il sito:
7500 x 2.4 milioni = 18x109
 Questa enorme variabilità è generata da non più di 300 segmenti di DNA
differenti
Susumu Tonegawa, Japan
Massachusetts Institute of Technology (MIT)
Cambridge, MA, USA
Premio Nobel 1987
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Osservazione originale alla base dell`immunologia