Complementary-determing regions (CDR) - Pioli's Immunology ...
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Interazione antigene-anticorpo<br />
Immunologia Molecolare<br />
2009/2010 - C. Pioli
Figure 3-5 part 1 of 2<br />
Immunologia Molecolare<br />
2009/2010 - C. Pioli
Variabilità<br />
Variabilità degli aminoacidi nelle Ig<br />
Figure 3-6<br />
Regione V catena pesante Regione V catena leggera<br />
FR, frame region Immunologia HV, hyper-variable Molecolare region<br />
2009/2010 - C. Pioli<br />
Variabilità
<strong>Complementary</strong>-Determing Figure 3-7 part 2 of Regions 2<br />
• Le 3 regioni HV<br />
corrispondono ai 3 <strong>CDR</strong><br />
• Ciascun dominio VL e VH<br />
presenta 3 <strong>CDR</strong><br />
• I 3 <strong>CDR</strong> di ciascuna<br />
catena sono organizzati<br />
spazialmente in modo da<br />
costituire una superficie<br />
complementare<br />
all’antigene<br />
Immunologia Molecolare<br />
2009/2010 - C. Pioli
Gli antigeni possono legarsi in tasche, grondaie, superfici estese,..<br />
Immunologia Molecolare<br />
2009/2010 - C. Pioli
Antigene Anticorpo<br />
Immunologia Molecolare<br />
2009/2010 - C. Pioli<br />
V L<br />
V H
Antigene Anticorpo<br />
Immunologia Molecolare<br />
2009/2010 - C. Pioli<br />
V L<br />
V H
Determinanti antigenici riconosciuti da anticorpi<br />
Determinante conformazionale<br />
Epitopo discontinuo<br />
denaturazione<br />
Determinante perso<br />
da denaturazione<br />
Ab lega il determinante<br />
Immunologia solo dopo denaturazione<br />
Molecolare<br />
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Determinante “lineare”<br />
Epitopo continuo<br />
determinante accessibile<br />
determinante<br />
inaccessibile<br />
denaturazione<br />
Ab lega il determinante<br />
sia nella proteina nativa<br />
che denaturata
Cambio conformazionale di Fab<br />
Immunologia Molecolare<br />
2009/2010 - C. Pioli
Coinvolte diverse forze in interazione antigene-anticorpo<br />
Figure 3-9<br />
Immunologia Molecolare<br />
2009/2010 - C. Pioli
Forza dell’interazione antigene-anticorpo<br />
• Ciascuna interazione è relativamente debole<br />
– richiesto numero elevato di interazioni per avere<br />
un’interazione forte tra antigene e anticorpo<br />
• Queste interazioni operano a distanza molto breve<br />
– 10 -7 mm = 1 angstrom, Å<br />
• Una forte interazione Ag-Ab richiede quindi un<br />
elevato grado di complementarità tra Ag e Ab<br />
– sebbene singole interazioni possano contribuire<br />
maggiormente<br />
Immunologia Molecolare<br />
2009/2010 - C. Pioli
Affinità<br />
• L’affinità degli anticorpi è una misura quantitativa<br />
della forza di legame<br />
• L’insieme della forza dei legami non covalenti tra<br />
un singolo sito di legame di un determinato<br />
anticorpo e un singolo epitopo è l’affinità di quello<br />
anticorpo per quello epitopo<br />
– kD 10 -7 -10 -11 M<br />
– anticorpi a bassa affinità legano l’antigene debolmente<br />
e tendono a dissociarsi velocemente<br />
– anticorpi ad alta affinità legano l’antigene e rimangono<br />
legati più a lungo<br />
Immunologia Molecolare<br />
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Valenza e avidità nell’interazioni<br />
antigene-anticorpo<br />
Monovalente<br />
Bivalente<br />
Immunologia Molecolare<br />
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Valenza Avidità<br />
Bassa<br />
Alta<br />
Polivalente Molto alta
Avidità<br />
• L’avidità degli anticorpi comprende l’affinità di siti di legame<br />
(Fab) multipli<br />
• L’affinità di un sito di legame (Fab) non sempre riflette la<br />
reale forza dell’interazione Ag-Ab<br />
• Quando antigeni complessi contenenti epitopi ripetuti<br />
interagiscono con anticorpi dotati di siti multipli di legame,<br />
l’interazione di una molecola di anticorpo con una molecola<br />
di antigene in un sito, aumenterà la probabilità di reazione<br />
tra queste due molecole in un secondo sito<br />
• La forza di queste interazioni multiple tra un anticorpo<br />
multivalente e l’antigene è detta avidità.<br />
• Un’alta avidità può compensare una bassa affinità<br />
– le IgM hanno una bassa affinità (generalmente) ma un’elevata<br />
valenza (sono pentameriche)<br />
Immunologia Molecolare<br />
2009/2010 - C. Pioli
Fine specificità degli anticorpi<br />
Animali immunizzati<br />
con meta-azobenzenesulfonate<br />
coniugato a<br />
una proteina<br />
Raccolta del siero<br />
Reazione siero con:<br />
Legame degli<br />
anticorpi con aptene<br />
Immunologia Molecolare<br />
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Cross-reattività 1<br />
• In alcuni casi gli anticorpi indotti da un antigene<br />
possono riconoscere anche un altro antigene<br />
(cross-reazione)<br />
• La cross-reazione avviene se i due diversi<br />
antigeni hanno un epitopo identico o molto simile<br />
– nel secondo caso l’affinità per l’epitopo cross-reattivo è<br />
più bassa di quella per l’epitopo originale<br />
• Spesso osservata tra polisaccaridi che<br />
contengono residui oligo-saccaridici simili<br />
Immunologia Molecolare<br />
2009/2010 - C. Pioli
• Gli antigeni dei gruppi sanguigni ABO sono glicoproteine<br />
espresse sui globuli rossi<br />
– differenze nei residui terminali degli zuccheri legati a queste proteine<br />
distinguono il gruppo A dal B<br />
• Gli individui che mancano di uno (o entrambi) gli antigeni<br />
hanno anticorpi contro l’antigene (o gli antigeni) mancante(i)<br />
Immunologia Molecolare<br />
2009/2010 - C. Pioli
Gruppi sanguigni – sistema ABO<br />
Immunologia Molecolare<br />
2009/2010 - C. Pioli
Immunologia Molecolare<br />
2009/2010 - C. Pioli
Cross-reattività 2<br />
• Gli antigeni dei gruppi sanguigni ABO sono glicoproteine<br />
espresse sui globuli rossi<br />
– differenze nei residui terminali degli zuccheri attaccati a queste<br />
proteine distinguono il gruppo A dal B<br />
• Gli individui che mancano di uno (o entrambi) gli antigeni<br />
hanno anticorpi contro l’antigene (o gli antigeni) mancante(i)<br />
• Gli anticorpi sono indotti dall’esposizione ad antigeni<br />
microbici cross-reattivi presenti nei batteri dell’intestino<br />
• Gli antigeni microbici inducono la formazione di anticorpi<br />
negli individui che mancano di antigeni simili sugli eritrociti<br />
– negli individui che possiedono questi antigeni, le cellule<br />
che producono anticorpi che potrebbero riconoscerli<br />
sono eliminate durante lo sviluppo<br />
Immunologia Molecolare<br />
2009/2010 - C. Pioli
Cross-reattività 3<br />
• Alcuni virus e batteri hanno determinanti antigenici<br />
identici o simili a componenti cellulari normali<br />
• In alcuni casi inducono la produzione di anticorpi che<br />
cross-reagiscono con antigeni self producendo una<br />
risposta auto-immune che danneggia i tessuti<br />
• Streptococcus pyogenes<br />
– proteine della parete cellulare (antigeni M) inducono la<br />
produzione di anticorpi che possono cross-reagire con proteine<br />
del cuore e dei muscoli scheletrici<br />
– sono implicate nel danno al cuore e ai reni dopo infezioni da<br />
streptococco<br />
Immunologia Molecolare<br />
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Classi e sottoclassi di anticorpi<br />
Immunologia Molecolare<br />
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Anticorpi: classi e sottoclassi<br />
• In base alla catena pesante gli anticorpi sono divisi in<br />
classi e sottoclassi<br />
– Classi o isotipi<br />
• IgA, IgD, IgE, IgG, IgM<br />
– Sottoclassi<br />
• IgA1 e IgA2<br />
– nel topo una sola<br />
• IgG1, IgG2, IgG3, IgG4<br />
– nel topo, IgG1, IgG2a, IgG2b, IgG3<br />
• Le catene pesanti sono identificate con lettere greche<br />
– IgA, a - IgG, g - IgD, d - IgE, e - IgM, m<br />
• Anticorpi di classi e sottoclassi diverse espletano<br />
funzioni effettrici diverse<br />
Immunologia Molecolare<br />
2009/2010 - C. Pioli
Anticorpi: classi e sottoclassi<br />
• 2 classi o isotipi di catene leggere<br />
– k (kappa)<br />
– l (lamba)<br />
• Ciascun anticorpo ha o 2 catene k o 2 catene l<br />
• Nell’uomo, circa il 60% degli anticorpi hanno k<br />
• Nel topo, anticorpi con k 10 volte più frequenti di quelli<br />
con l<br />
• Non sono note funzioni diverse tra i 2 isotipi di catene<br />
leggere<br />
Immunologia Molecolare<br />
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Immunologia Molecolare<br />
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Immunologia Molecolare<br />
2009/2010 - C. Pioli
Guo et al. Nature<br />
doi:10.1038/nature08068, 2008<br />
Dual nature of the adaptive immune<br />
system in lampreys<br />
Alder et al. Science 310: 1970, 2005<br />
Diversity and Function of Adaptive<br />
Immune Receptors in a Jawless<br />
Vertebrate<br />
Immunologia Molecolare<br />
2009/2010 - C. Pioli
IgM<br />
(pentamero)<br />
ponte<br />
disolfuro<br />
J<br />
IgM<br />
• IgM rappresentano 5-10%<br />
delle Ig del siero<br />
• Secrete come pentameri<br />
• Monomeri legati da ponti<br />
disolfuro tra Cm3 e tra Cm4<br />
• Catena J (joining)<br />
Immunologia Molecolare<br />
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– aggiunta prima di secrezione<br />
– necessaria per polimerizzazione
IgM<br />
• Prima classe di anticorpi a essere prodotta in una<br />
risposta primaria<br />
– già espresse prima del processo di ipermutazione somatica<br />
• bassa affinità per antigene<br />
– prima classe a essere sintetizzata nei neonati<br />
• Valenza 10<br />
– una IgM può legare 10 piccoli apteni<br />
– a causa dell’ingombro sterico in genere solo 5 molecole di<br />
antigeni più grandi vengono legati<br />
– più efficace di altri isotipi nel legare antigeni con epitopi ripetuti<br />
• es. polisaccaridi capsulari batterici<br />
– alta avidità<br />
• Molto efficace nell’attivazione del complemento<br />
– IgM >> IgG<br />
Immunologia Molecolare<br />
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IgG<br />
• Monomeriche<br />
• Principale isotipo presente nel<br />
sangue e nei fluidi interstiziali<br />
– 80% delle Ig del siero<br />
• Alta affinità<br />
– generalmente espresse dopo<br />
ipermutazione somatica /<br />
maturazione affinità<br />
• Opsonizzazione patogeno per<br />
fagocitosi<br />
• Attivazione complemento<br />
Immunologia Molecolare<br />
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• Numero e posizione ponti disolfuro diversi<br />
• Dimensione regione cerniera diversa<br />
• Diversa capacità di attivare complemento<br />
– IgG3 >>IgG1>IgG2, (IgG4 no)<br />
• Protezione feto (passano placenta)<br />
– IgG1, IgG3<br />
Sottoclassi IgG<br />
Immunologia Molecolare<br />
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IgA<br />
(dimero)<br />
Catena J<br />
ponte<br />
disolfuro<br />
IgA<br />
• 10% delle Ig del siero<br />
• Largamente presente nelle secrezioni<br />
– saliva, lacrime, latte<br />
– muco<br />
• tratto uro-genitale, bronchiale, digerente<br />
• Nel siero generalmente monomeri<br />
• Nelle secrezione dimeri<br />
– catena J (joining)<br />
– necessaria per polimerizzazione<br />
• Funzione neutralizzante<br />
– scarsa capacità opsonizzante e di<br />
attivazione del complemento<br />
Immunologia Molecolare<br />
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Distribuzione delle diverse classi di anticorpi<br />
In vivo serum half life<br />
(days)<br />
5 3 23 23 8 23 6 2.5<br />
Immunologia Molecolare<br />
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Transcitosi<br />
• Il passaggio di anticorpi attraverso tessuti epiteliali<br />
è detto transcitosi<br />
• La principale classe di anticorpi che va in contro a<br />
transcitosi è la IgA<br />
– mucose del tratto respiratorio, gastrointestinale e<br />
urogenitale<br />
– latte materno<br />
• In molti mammiferi diverse sottoclassi di IgG<br />
passano dalla madre al feto<br />
– gli Ab sono trasportati attraverso il tessuto placentare<br />
– nell’uomo avviene nell’ultimo trimestre di gravidanza<br />
• fornisce al feto il repertorio di anticorpi della madre come<br />
protezione contro i patogeni<br />
Immunologia Molecolare<br />
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Secrezione IgA<br />
• Le plasmacellule che<br />
secernono IgA migrano<br />
preferenzialmente nei tessuti<br />
sotto-epiteliali delle mucose<br />
• Le IgA secrete sono legate dal<br />
recettore per molecole<br />
immunoglobuliniche<br />
polimeriche (poly-Ig)<br />
– presente su superficie basolaterale<br />
di cellule epiteliali<br />
mucosali<br />
– riconosce catena J<br />
Immunologia Molecolare<br />
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Plasmacellula<br />
Cellule epiteliali<br />
IgA secretoria
• Il complesso IgA/poly-Ig<br />
viene internalizzato e<br />
trasportato al lume<br />
Secrezione IgA (segue)<br />
• Il recettore poly-Ig viene<br />
tagliato e rilasciato legato<br />
al dimero di IgA<br />
– costituisce il componente<br />
secretorio<br />
• protegge cerniera da proteasi<br />
• attraverso carboidrati lega<br />
mucine presenti nel muco e<br />
trattiene IgA “adese”<br />
Immunologia Molecolare<br />
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Plasmacellula<br />
• Anche le IgM possono<br />
essere secrete con questo<br />
meccanismo<br />
– catena J<br />
Cellule epiteliali<br />
IgA secretoria
Passaggio trans-placentare IgG<br />
• Le IgG materne sono trasportate attraverso la<br />
placenta direttamente al circolo sanguigno fetale<br />
• Il feto riceve le IgG che la madre ha prodotto in<br />
risposta ai patogeni incontrati nel corso della<br />
propria vita<br />
• La memoria immunologica della madre fornisce<br />
quindi un repertorio anticorpale che nei primi<br />
mesi proteggerà il nascituro dai patogeni<br />
presumibilmente presenti nell’ambiente in cui<br />
nascerà<br />
Immunologia Molecolare<br />
2009/2010 - C. Pioli
• FcRn<br />
Passaggio trans-placentare IgG<br />
– trasporta IgG attraverso<br />
placenta<br />
– struttura simile a<br />
molecola MHC classe I<br />
• si associa a b2microglobulina<br />
– lega Fc delle IgG<br />
– 2 molecole di FcRn<br />
legano 1 IgG<br />
Immunologia Molecolare<br />
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b2-microblogulina<br />
Cg3<br />
Cg2
Distribuzione delle diverse classi di anticorpi<br />
Immunologia Molecolare<br />
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Funzioni effettrici degli anticorpi<br />
Immunologia Molecolare<br />
2009/2010 - C. Pioli
Funzioni effettrici mediate da anticorpi<br />
• Gli anticorpi inducono risposte effettrici che<br />
risultano nella rimozione/uccisione del patogeno<br />
– in genere il semplice legame dell’anticorpo non<br />
rimuove/uccide il patogeno<br />
• La funzione effettrice dell’anticorpo è<br />
determinata dal tipo di catena pesante che<br />
costituisce lo Fc<br />
• Fc interagisce con proteine presenti nel siero o<br />
recettori presenti sulla membrana di alcune<br />
cellule<br />
Immunologia Molecolare<br />
2009/2010 - C. Pioli
Meccanismi effettori degli anticorpi<br />
• neutralizzazione<br />
• ADCC<br />
• attivazione mastociti<br />
• opsonizzazione<br />
• attivazione complemento<br />
Immunologia Molecolare<br />
2009/2010 - C. Pioli
Il patogeno infetta<br />
la cellula<br />
L’anticorpo blocca il<br />
legame del patogeno alla<br />
cellula e l’infezione<br />
Neutralizzazione<br />
• IgG e IgA ad elevata affinità possono inibire l’infettività di<br />
virus ed altri patogeni<br />
• IgA presenti sulla superficie mucosale di tratto intestinale,<br />
respiratorio e riproduttivo prevengono le infezioni inibendo<br />
l’adesione di batteri, virus ed altri patogeni<br />
Immunologia Molecolare<br />
2009/2010 - C. Pioli
Effetto patologico<br />
della tossina<br />
L’anticorpo blocca il<br />
legame della tossina<br />
al recettore cellulare<br />
Neutralizzazione<br />
• IgG e IgA ad elevata affinità possono neutralizzare<br />
tossine batteriche inibendone la capacità di legarsi a<br />
recettori cellulari<br />
– vaccinazione contro tossoide tetanico<br />
Immunologia Molecolare<br />
2009/2010 - C. Pioli
Antibody-Dependent Cell-mediated Cytotoxicity<br />
(ADCC)<br />
• Alcuni tipi di cellule esprimono recettori per Fc<br />
che riconoscono Ab legati a cellule bersaglio<br />
– es. cellule infettate da virus<br />
• Le cellule NK riconoscono le IgG legate e lisano<br />
la cellula cui sono legate<br />
– l’anticorpo quindi permette di riconoscere<br />
specificamente la cellula bersaglio e di attivare il<br />
meccanismo effettore svolto dalla cellula NK<br />
Immunologia Molecolare<br />
2009/2010 - C. Pioli
Antibody-Dependent Cell-mediated Cytotoxicity<br />
(ADCC)<br />
• Alcuni tipi di cellule esprimono recettori per Fc<br />
che riconoscono Ab legati a cellule bersaglio<br />
– es. cellule infettate da virus<br />
FcgRIII (CD16)<br />
riconosce IgG1 e IgG3<br />
• Le cellule NK riconoscono le IgG legate e lisano<br />
la cellula cui sono legate<br />
– l’anticorpo quindi permette di riconoscere<br />
specificamente la cellula bersaglio e di attivare il<br />
meccanismo effettore svolto dalla cellula NK<br />
Immunologia Molecolare<br />
2009/2010 - C. Pioli
Antibody-Dependent Cell-mediated Cytotoxicity<br />
(ADCC)<br />
• Gli eosinofili esprimono recettori ad alta affinità<br />
per il Fc delle IgE (FceRI)<br />
– l’anticorpo permette di riconoscere specificamente il<br />
parassita bersaglio e di attivare il meccanismo<br />
effettore svolto dagli eosinofili<br />
• rilascio di granuli Immunologia Molecolare<br />
2009/2010 - C. Pioli
Opsonizzazione<br />
• Promozione della fagocitosi di antigeni da parte di<br />
macrofagi e neutrofili<br />
• Importante nella difesa da infezioni batteriche<br />
• Recettori per Fc sono presenti sulla membrana di<br />
macrofagi e neutrofili<br />
• Il legame dei recettori per Fc con complessi Ab-Ag attiva<br />
la fagocitosi<br />
• All’interno del fagocita il patogeno diventa il bersaglio di<br />
diversi processi distruttivi (digestione enzimatica, danno<br />
ossidativo)<br />
Immunologia Molecolare<br />
2009/2010 - C. Pioli
Senza<br />
anticorpi<br />
Con<br />
anticorpi<br />
Opsonizzazione e fagocitosi<br />
Legame del patogeno<br />
opsonizzato ai recettori<br />
per Fc del fagocita<br />
Immunologia Molecolare<br />
2009/2010 - C. Pioli<br />
Fagocitosi<br />
inefficiente<br />
Aumento fagocitosi e<br />
attivazione fagocita
Anticorpi di classi diverse svolgono<br />
funzioni effettrici diverse<br />
* Le IgG2 possono agire come opsonine se in presenza di recettori per Fc di uno specifico<br />
allotipo (presente nel 50% della popolazione Immunologia bianca Molecolare nordamericana)<br />
2009/2010 - C. Pioli