Sistema genetico delle immunoglobuline
e
generazione della diversità degli anticorpi
La risposta immunitaria: una “overview”
Coinvolge 3 step:
riconoscimento (self vs non-self)
comunicazione
eliminazione
risposta immune non specifica infiammazione
e reclutamento di fagociti
risposta immune specifica sintesi di proteine
(anticorpi, recettore di cellule T, MHC) e cellule
(linfociti B e T cells, fagociti) specializzate
A phagocyte stalking a
rod-shaped bacterium
Anticorpo = immunoglobulina
Antigene = antibody-generating substance
Le cellule del sistema immunitario
Una plasmacellula matura
sintetizza da 2000 a 20000
anticorpi al secondo!
Antibody/antigen complex elimination
Interazione “chiave-serratura”
Struttura schematica delle immunoglobuline
Catene leggere: 220 a.a.
Catene pesanti: 440-450 a.a.
Regioni variabili: 110 a.a.
Struttura schematica delle immunoglobuline
Tipo
Struttura
%
Funzione
Caratteristiche
(rispetto alle Ig
circolanti)
IgG
2γγ-2L
75-80%
Attivazione del
complemento nella
risposta secondaria
Monomeri
Attraversano la barriera
placentare
14-20%
Protezione contro le
infezioni locali
Nelle secrezioni (saliva,
4 sottoclassi
IgA
2α
α-2L
2 sottoclassi
colostro, lacrime,muco)
Monomeri (nel siero)
Dimeri (nelle secrezioni)
IgD
2δ
δ-2L
<1%
Attivazione del linfocita
e differenziamento a
plasmacellula
Monomeri
Solo di membrana
IgE
2εε-2L
< 1%
Risposta ai parassiti
Coinvolte nelle allergie
Si legano ai recettori dei
mastociti e granulociti
basofili
IgM
2µ
µ-2L
5-10%
Attivazione del
complemento nella
risposta primaria
Monomeri (sulla
membrana plasmatica)
Pentameri (nella forma
secreta)
= molecole di carboidrati
sIgM
IgD
IgG
IgA
sIgA
IgE
GENERAZIONE DELLA DIVERSITA’ ANTICORPALE
1) Molteplici segmenti genici
2) Ipermutazioni somatiche
3) Ricombinazioni somatiche (diversità combinatoriale e giunzionale)
1)
2)
3)
Differenziamento dei linfociti B
GENERAZIONE DELLA DIVERSITA’ ANTICORPALE - I
RIARRANGIAMENTI GENOMICI DURANTE IL DIFFERENZIAMENTO DEI LINFOCITI B
Unione combinatoriale di segmenti genici per ricombinazione somatica
Organizzazione dei geni delle immunoglobuline umane nella linea germinale
*
*L = sequenza leader
E’ coinvolta nel trasferimento della catena polipeptidica neo-tradotta nel lume del reticolo endoplasmatico. Poi viene rimossa non
compare nella Ig di membrana né in quella secreta
Organizzazione dei geni delle immunoglobuline umane nella linea germinale
VDJ-C
VJ-C
V-JC
Riarrangiamento dei geni per le catene leggere κ (sul cromosoma 2)
X
VJ-non coding-Cκ
VJCκ
Riarrangiamento dei geni per le catene leggere λ (sul cromosoma 22)
X
LV+JCκ
LVJCλ
VJCλ
Riarrangiamento dei geni per le catene pesanti (sul cromosoma 14)
X
Catena pesante di IgM
Catena pesante di IgD
Riarrangiamento dei geni per le catene pesanti (sul cromosoma 14)
X
X
Catena pesante di IgM
Catena pesante di IgD
“SWITCHING” DI CLASSE (isotipico) - I
Splicing alternativo
“SWITCHING” DI CLASSE (isotipico) - II
Riarrangiamenti genomici
LVDJ-CHγγ
LVDJ-CHεε
LVDJ-CHαα
“SWITCHING” DI CLASSE (isotipico) - II
Riarrangiamenti genomici
LVDJ-CHγγ
LVDJ-CHεε
LVDJ-CHαα
X
“SWITCHING” DI CLASSE (isotipico) - II
Riarrangiamenti genomici
LVDJ-CHγγ
LVDJ-CHεε
LVDJ-CHαα
X
Come avviene il riarrangiamento?
RSS
RSS=Recombination Signal Sequence
23 bp
10 bp
10 bp
23 bp
23 bp
10 bp
RAG=Recombination-Activating Gene 1
Video: VDJ Recombination
http://www.youtube.com/watch?v=AxIMmNByqtM
Light chain
Heavy chain
La varietà di anticorpi che può essere sintetizzata come risposta ad antigeni che
l’organismo non ha mai incontrato prima è praticamente infinita.
Nell’uomo:
Catena λ =
35 segmenti genici LV
7 segmenti genici JC
Catena κ =
40 segmenti genici LV
5 segmenti genici J
1 segmento genico C
Catene H =
44 segmenti genici V
25 segmenti genici D
6 segmenti genici J
9 segmenti genici C
Possibili 245 catene λ, 200 catene κ e 59.400 catene pesanti diverse
59.400 x (245+200) = 26.433.000 molecole di anticorpo diverse
GENERAZIONE DELLA DIVERSITA’ ANTICORPALE - II
Variabilità giunzionale
e
Iper-mutazione somatica
=
Variabilità giunzionale
A- C
C- A
A- C
G- T
T- G
G- T
5’- CCTCCC- GGTGG -3’
12 34
5’- CCTTGG – 3’
Pro Trp
5’- CCTCGG – 3’
Pro Arg
5’- CCTCCG – 3’
Pro Pro
5’- CCTCCC – 3’
Pro Pro
1
2
3
4
Si arriva a oltre 1 miliardo di combinazioni possibili!
Iper-mutazione somatica
Ristretta alle regioni di DNA che codificano per le regioni variabili
(preferenzialmente su G o C)
10-2/divisione (≈104 volte > tasso di mutazione spontanea del DNA)
Senza questo meccanismo il “range” di diversità anticorpale disponibile
sarebbe fissato alla nascita rapido adattamento a nuovi antigeni
(maturazione dell’affinità)
Regolazione dell’espressione dei geni delle Ig - I
I geni per le immunoglobuline sono espressi solo dopo
il loro assemblaggio: cosa ne attiva la trascrizione?
Enhancer tessuto-specifico il riarrangiamento lo avvicina al promotore
Regolazione dell’espressione dei geni delle Ig - II
Le plasmacellule producono un solo tipo di anticorpo:
perché?
ESCLUSIONE ISOTIPICA il riarrangiamento del locus κ delle catene
leggere blocca il riarrangiamento a livello del locus λ
ESCLUSIONE ALLELICA solo un riarrangiamento funzionale/cellula
Early pro-B cell
H-chain gene
rearrangement
D-J rearrangements
on both chromosomes
Late pro-B cell
Pre-B cell
Immature B cell
H-chain gene
rearrangement
L-chain gene
rearrangement
No more
rearrangements
V-DJ rearrangement
on first chromosome
(chr 14)
V-DJ rearrangement
on second chromosome
(chr 14)
Cell loss
κ gene rearrangement
on first chromosome
(chr 2)
Cell expresses IgM
(κµ)
κµ)
κ gene rearrangement
on second chromosome
(chr 2)
λ gene rearrangement
on first chromosome
(chr 22)
Productive join
Non-productive join
λ gene rearrangement
on second chromosome
(chr 22)
Cell loss
Cell expresses IgM
(λµ)
λµ)
RECETTORI PER L’ANTIGENE IN LINFOCITI B e T
T cell receptor complex
VL
V
VH
CL
H
CH
CH
CL
Vα
α Vβ
β
CL
γ ε
ε δ
ζ ζ
Cα
α Cα
α
CH CH
CH CH
CD3
BcR
• 2 catene leggere e 2 pesanti
• lega l’Ag solubile
• 2 siti di legame per l’Ag
TcR
• 2 catene α/β (95%) o δ/γ (5%)
• lega Ag complessato con MHC
• 1 sito di legame per l’Ag
RIARRANGIAMENTO DEI GENI PER IL TcR
Locus umano delle catene β del TcR (cromosoma 7)
V(D)J-C
Locus umano delle catene α del TcR (cromosoma 14)
VJ-C
Video: Production of antigen receptors:
http://www.youtube.com/watch?v=IPoBkvbCdi4
