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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 />

2009/2010 - C. Pioli<br />

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 />

2009/2010 - C. Pioli


Valenza e avidità nell’interazioni<br />

antigene-anticorpo<br />

Monovalente<br />

Bivalente<br />

Immunologia Molecolare<br />

2009/2010 - C. Pioli<br />

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 />

2009/2010 - C. Pioli


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 />

2009/2010 - C. Pioli


Classi e sottoclassi di anticorpi<br />

Immunologia Molecolare<br />

2009/2010 - C. Pioli


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 />

2009/2010 - C. Pioli


Immunologia Molecolare<br />

2009/2010 - C. Pioli


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 />

2009/2010 - C. Pioli<br />

– 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 />

2009/2010 - C. Pioli


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 />

2009/2010 - C. Pioli


• 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 />

2009/2010 - C. Pioli


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 />

2009/2010 - C. Pioli


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 />

2009/2010 - C. Pioli<br />

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 />

2009/2010 - C. Pioli<br />

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 />

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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 />

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Meccanismi effettori degli anticorpi<br />

• neutralizzazione<br />

• ADCC<br />

• attivazione mastociti<br />

• opsonizzazione<br />

• attivazione complemento<br />

Immunologia Molecolare<br />

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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 />

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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 />

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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 />

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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 />

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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 />

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