1 Capitolo 4. Anticorpi ed antigeni

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Capitolo 4. Anticorpi ed antigeni
Gli anticorpi sono proteine circolanti prodotte nei vertebrati in risposta all’esposizione a strutture
estranee. Queste molecole possono esistere in due forme:
• legate alla membrana dei linfociti B con funzione di recettori
• secrete in circolo dove agiscono neutralizzando tossine e prevenendo l’ingresso di agenti patogeni
Assieme al complesso maggiore di istocompatibilità e ai recettori per l’antigene dei linfociti T, costituiscono le tre classi di molecole coinvolte nel riconoscimento dell’antigene. Le funzioni effettrici anticorpo
mediate mirano all’eliminazione dell’antigene mediante processi diversi tra i quali l’opsonizzazione, la
citotossicità diretta, l’attivazione del complemento e l’ipersensibilità immediata che attiva i mastociti.
1.1
Produzione e distribuzione degli anticorpi
Le uniche cellule in grado di produrre gli anticorpi sono i linfociti B in seguito ad esposizione con
l’antigene. Le prime fasi avvengono principalmente negli organi linfoidi, soprattutto milza e tessuti
linfoidi associati a mucose, anche se plasmacellule di lunga durata si ritrovano nel midollo osseo. Una
volta attivati i linfociti B diventano plasmacellule in grado di secernere anticorpi e tali cellule riescono
a persistere per lungo tempo. Un uomo adulto produce ogni giorno circa 2-3 g di anticorpi che tuttavia
hanno una emivita molto breve, pari a circa tre settimane. Almeno i due terzi di questi anticorpi fanno
parte della classe delle IgA. Gli anticorpi una volta prodotti spesso si attaccano a cellule effettrici del
sistema immunitario quali cellule NK, fagociti mononucleati e mastociti.
1.2
Struttura molecolare
Prima di passare alla struttura vera e propria è opportuno fare una parentesi sugli anticorpi monoclonali: questi sono stati essenziali per comprendere la struttura di tutti gli anticorpi. Visto che ogni
linfocita B produce anticorpi con un’unica specificità, e purtroppo questi hanno emivita molto breve,
per studiare la struttura degli anticorpi sono stati creati linfociti B immortali detti “ibridomi”. Queste
cellule sono state ottenute mediante fusione di linfociti B con cellule di mieloma multiplo, tumore
monoclonale delle plasmacellule. Gli anticorpi prodotti da tali cellule sono detti “anticorpi monoclonali”. Per osservare la struttura di un anticorpo di uno specifico antigene, si immunizza un ratto con
tale antigene e se ne isolano i linfociti B prodotti, utilizzati poi per la creazione dell ibridoma. Ogni ibridoma darà poi origine a progenie di ibridomi specifici per tali antigene. Per confermarne la specificità
si effettuano saggi immunologici con l’antigene in questione. Questa scoperta degli ibridomi è stata
utilizzata in molte applicazioni e tra le più comuni ricordiamo:
• classificazione dei linfociti in base al fenotipo espresso mediante legame con anticorpi specifici.
• immunodiagnosi di molte malattie sistemiche mediante riconoscimento in circolo di determinati
antigeni
• diagnosi di tumori
• terapia ad esempio di artriti reumatoide o tumore alla mammella
• evidenziare presenza di citochine mediante valutazione se l’anticorpo stimola o inibisce una determinata cellula.
Essendo gli anticorpi monoclonali proteine estranee al nostro organismo, questi creavano un certo
grado di resistenza. Sono stati creati i cosiddetti anticorpi umanizzati mediante inserimento genetico
del segmento che codifica per i siti di legami specifici dell antigene all’interno del segmento di DNA
che codifica l’impalcatura dell’anticorpo. L’anticorpo ha cosi sembianze “umane” ma sito di legame
specifico.
Le immunoglobuline appartengono alla famiglia delle gammaglobuline (gamma per la velocita
elettroforetica e globuline per la solubilità). Tutti gli anticorpi condividono la stessa struttura di base
e differiscono solo nel sito di legame antigenico in cui vi è elevatissima variabilità. Una molecola
anticorpale ha una struttura simmetrica composta da due catene leggere e due pesanti. Queste
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catene sono costituite dai cosiddetti domini Ig costituiti da una serie di circa 110 amminoacidi disposti
a “sandwich”. Ogni dominio è costituito da due β foglietti costituiti da 5 nastri polipeptidici uniti da α
eliche e ponti di solfuro. Molte proteine nel nostro organismo che mediano processi di riconoscimento
sfruttano i domini Ig e tali proteine vengono classificate come appartenenti alla superfamiglia delle
immunoglobuline.
Sia le catene pesanti che quelle leggere posseggono una regione variabile V amino terminale e una
regione costante C carbossiterminale. Nelle catene pesanti la regione V è composta da un dominio Ig
e la regione C da tre domini Ig. Nelle catene leggere sia la V che la C da un dominio Ig. Le estremita
C delle catene pesanti sono legate covalentemente tra di loro nella regione CH2 tra due cisteine vicino
alla regione “hinge” o cerniera. Queste regioni C sono quelle che tengono ancorate le Ig ai linfociti B
e sono le responsabili della maggior parte delle interazioni con le cellule effettrici. Le interazioni con le
cellule effettrici (es linfociti citotossici) sono ristrette a queste regioni che non hanno niente a che fare
con il riconoscimento dell’antigene, evento legato alle regioni V. Le regioni C delle catene leggere sono
legate alle regioni C delle catene pesanti ma non interagiscono né all’ancoraggio né alle interazioni con
altre cellule.
Se si tratta un Ig con la papaina questa viene tagliata a livello della cerniera e si formano tre
pezzi separati: due pezzi identici detti Fab sono costituiti ciascuno da una catena leggera legata a una
catena pesante; tali segmenti hanno mantenuto la capacità di legare l’antigene. Il terzo pezzo detto Fc è
costuito da due segmenti identici di catena pesante Ch2 e Ch3 legati da ponti di solfuro; tale segmento
non ha capacita di legare antigeni.
Regioni variabili V Ogni anticorpo ha due catene leggere e due pesanti che vanno a delimitare due
siti di legame per due antigeni. La maggior parte delle differenze tra due anticorpi risiede in tre piccoli
segmenti delle due regioni variabili: questi tre segmenti detti regioni ipervariabili sono situati nelle
anse che connettono i β foglietti adiacenti nel dominio Ig e hanno una lunghezza di circa 10 amminoacidi. Le tre regioni ipervariabili dette CDR1, CDR2, CDR3, della catena pesante si associano a quelle
della catena leggera per formare quella struttura tridimensionale che costituisce il sito di legame per
l’antigene. Le sequenza adiacenti a tali regioni sono altamente conservate e mantengono la forma dei
domini Ig pressochè identica nei diversi anticorpi.
Regioni costanti C Gli anticorpi sono divisi in classi e sottoclassi in base alle differenze nella struttura presenti nelle regioni costanti delle catene pesanti. Le diverse classi anticorporali, dette isotipi,
sono IgA, IgE, IgM, IgG e IgD. IgA e IgG sono ulteriormente divise in IgA 1 e 2 e IgG 1, 2, 3 e 4.
Le catene pesanti di uno stessi isotipo hanno la medesima sequenza amminoacidica e tali catene
vengono nominate con la lettere greca corrispondente al loro isotipo (α, ε, γ, µ, δ). Isotipi diversi
svolgono funzioni diverse, infatti abbiamo visto essere le regioni C delle catene pesanti a determinare
il tipo di interazione e quindi di risposta delle cellule effettrici. Gli anticorpi sono capaci nonostante
la loro forma a Y di legare antigeni situati a 180 gradi tra loro grazie alla loro flessibilità dovuta a due
fattori:
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• capacità dei domini Vh (v delle catene pesanti) di ruotare attorno al corrispondente dominio Ch
• flessibilità della regione cerniera tra Ch1 e Ch2
Esistono due tipi di catene leggere, una κ e una λ. Ciascun anticorpo è omogeneo per le due catene,
ovvero non contiene mai una catena κ e una λ ma sempre due catene dello stesso tipo. Nell’uomo il
60% delle Ig è formato da catene κ. In pazienti con tumori delle cellule B ovviamente questo rapporto
varia e dunque si usa questo dato per valutare la presenza di eventuali neoplasie. Abbiamo detto che le
catene pesanti sono costituite da tre domini Ig, e che gli anticorpi esistono in forma secreta o in forma
di membrana; la sequenza amminoacidica C terminale dell’ultimo dominio Ig delle catene pesanti è
quella che determina se un anticorpo sarà di secrezione o di membrana. La porzione carbossiterminale
è idrofila, negli anticorpi di membrana in aggiunta vi è una regione transmembrana idrofobica seguita
da una regione intracellulare carica positvamente che la ancora alla membrana. Le IgG e IgE secrete
sono semplici monomeri ovvero due catene leggere e due pesanti. Le IgD non esistono in forma
secreta, mentre le IgA sono spesso dimeri (4e4)e IgM sono o pentameri o esameri dotate di un
peptide addizionale detto catena j deputato a stabilizzare il complesso.
1.2.1
Interazione con l’antigene
Un antigene è una qualsiasi molecola che possa legarsi a un anticorpo o a un linfocita T. Gli anticorpi
possono legarsi praticamente a qualsiasi tipo di molecola mentre i linfociti principalmente a peptidi,
tuttavia solo determinati antigeni riescono ad attivare i linfociti e questi sono definiti immunogeni. Ad
esempio perchè si attivi un linfocita B serve che sia una macromolecola, composti di piccole dimensioni
possono si legarvisi ma non attivarlo; è neccessario che questi piccoli antigeni definiti apteni siano
accompagnati da una macromolecola definita carrier. Il complesso aptene-carrier è molto piu grande
della regione di legame dell’anticorpo di conseguenza l’anticorpo si lega solo a una regione definita
determinante o epitopo. Se un antigene presenta piu determinanti identici contemporaneamente è
detto polivalente. Se i determinanti sono ben separati più anticorpi identici potranno legarsi allo stesso
antigene senza influenzarsi, se gli epitopi sono molto vicini ecco che compare un grado di interferenza. I
determinanti costituiti dalla semplice sequenza amminoacidica sono detto determinanti lineari, quelli
invece costituiti da una struttura tridimensionale sono detti determinanti conformazionali e sono
dovuti alla disposizione spaziale e non lineare degli amminoacidi. Modificazioni quali glicosilazione ecc
possono, alterando la struttura proteica, creare nuovi epitopi detti determinanti neo-antigenici.
Il riconoscimento dell’antigene da parte dell’aticorpo è costituito da legami non covalenti reversibili quali forze di van der Waals e interazioni idrofobiche. La forza di tale legame tra Ig e il
suo antigene è detta affinità ed è espressa da una costante di dissociazione Kd: minore è la K e
maggiore è la affinità. Un siero umano contiene una miscela di anticorpi per lo stesso antigene con
affinità differenti. Antigeni polivalenti posseggono piu siti di legame e la forza di legame sarà differente
da quella di un singolo legame: tale forza complessiva è detta avidità. In questo modo un Ig con bassa
affinità può comunque avere una grande avidità. Un antigene polivalente si associa con gli anticorpi e, a una determinata concentrazione detta zona di equivalenza, vanno a formare una rete detta
immunocomplesso. Aumentando le concentrazioni di antigene o anticorpo tali immunocomplessi si
rompono in complessi più piccoli a causa della competitività.
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1.2.2
Riconoscimento dell’antigene
Gli anticorpi riconoscono una ampia varietà di antigeni e la loro efficienza è possibile grazie alle
proprietà delle loro regioni V:
• Specificità: Gli anticorpi sono estremamente specifici essendo in grado di distinguere minime
differenze nella struttura chimica degli Ag, addirittura la variazione di un singolo residuo amminoacidico. Tuttavia alcuni possono legarsi anche a un Ag normalmente non correlati a causa
della cosiddetta cross-reattività, tale fenomeno può essere la cause dell’insorgenza di malattie
immunitarie.
• Diversificazione: Un individuo è in grado di generare un numero enorme di anticorpi differenti e
l’insieme complessivo dei diversi isotipi è detto repertorio anticorpale.
• Maturazione dell’affinità: In seguito a stimolazione dall’antigene i linfociti B sono in grado di
produrre anticorpi con maggiore affinità di quelli che erano già in circolo per lo stesso antigene.
Abbiamo detto che è la porzione Fc a determinare la funzione effettrice. Tuttavia si è visto che i
sistemi effettori sono attivati dalla porzione Fc solo se l’anticorpo è contemporaneamente legato nella
porzione Fab, inoltre per attivare i recettori Fc (FcR) delle cellule effettrici servono almeno due molecole
anticorporali legate a “ponte”per ciascuna cellula. Nelle cellule B sono normalmente espressi le IgM
e IgD, queste una volta legato l’antigene possono andare incontro a una modificazione della Fc detta
switching isotopico che fa variare la regione C ma non la V, quindi varia l’effetto ma non il ligando.
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