Sistema genetico delle immunoglobuline Sistema genetico delle immunoglobuline

e e

generazione della diversitgenerazione della diversitàà degli anticorpi degli anticorpi

La La rispostarisposta immunitariaimmunitaria: : unauna ““overviewoverview””

� 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

Coinvolge 3 step:

� riconoscimento (self vs non-self)

� comunicazione

� eliminazione

A phagocyte stalking a

rod-shaped bacteriumAntigene = antibody-generating substanceAnticorpo = immunoglobulina

Le cellule del sistema immunitarioLe cellule del sistema immunitario

Antibody/antigen complex elimination

Una plasmacellula matura

sintetizza da 2000 a 20000

anticorpi al secondo!

Interazione Interazione ““chiavechiave--serraturaserratura””

Struttura schematica delle immunoglobulineStruttura schematica delle immunoglobuline

Catene leggere: 220 a.a.

Catene pesanti: 440-450 a.a.

Regioni variabili: 110 a.a.

Struttura schematica delle immunoglobulineStruttura schematica delle immunoglobuline

Tipo Struttura % (rispetto alle Ig

circolanti)

Funzione Caratteristiche

IgG 2γγγγ-2L

4 sottoclassi

75-80% Attivazione del

complemento nella

risposta secondaria

Monomeri

Attraversano la barriera

placentare

IgA 2αααα-2L

2 sottoclassi

14-20% Protezione contro le

infezioni locali

Nelle secrezioni (saliva,

colostro, lacrime,muco)

Monomeri (nel siero)

Dimeri (nelle secrezioni)

IgD 2δδδδ-2L <1% Attivazione del linfocita

e differenziamento a

plasmacellula

Monomeri

Solo di membrana

IgE 2εεεε-2L < 1% Risposta ai parassiti

Coinvolte nelle allergie

Si legano ai recettori dei

mastociti e granulociti

basofili

IgM 2µµµµ-2L 5-10% Attivazione del

complemento nella

risposta primaria

Monomeri (sulla

membrana plasmatica)

Pentameri (nella forma

secreta)

IgDIgD

IgEIgEIgAIgA sIgAsIgA

sIgMsIgM

IgGIgG

= molecole di carboidrati

GENERAZIONE DELLA DIVERSITAGENERAZIONE DELLA DIVERSITA’’ ANTICORPALEANTICORPALE

1) Molteplici segmenti genici

2) Ipermutazioni somatiche

3) Ricombinazioni somatiche (diversità combinatoriale e giunzionale)

1) 2) 3)

Differenziamento dei linfociti B

RIARRANGIAMENTI GENOMICI DURANTE IL DIFFERENZIAMENTO DEI LINFOCITI B

Unione combinatoriale di segmenti genici per ricombinazione somatica

GENERAZIONE DELLA DIVERSITAGENERAZIONE DELLA DIVERSITA’’ ANTICORPALE ANTICORPALE -- II

Organizzazione dei geni delle immunoglobuline umane nella linea Organizzazione dei geni delle immunoglobuline umane nella linea germinalegerminale

*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 Organizzazione dei geni delle immunoglobuline umane nella linea germinalegerminale

VDJVDJ--CC

VJVJ--CC

VV--JCJC

RiarrangiamentoRiarrangiamento dei geni per le catene leggere dei geni per le catene leggere κκκκκκκκ (sul cromosoma 2)(sul cromosoma 2)

VJ-non coding-Cκκκκ

VJCκκκκ

X

X

LVJCλλλλ

VJCλλλλ

RiarrangiamentoRiarrangiamento dei geni per le catene leggere dei geni per le catene leggere λλλλλλλλ (sul cromosoma 22)(sul cromosoma 22)

LV+JCκκκκ

X

RiarrangiamentoRiarrangiamento dei geni per le catene pesanti (sul cromosoma 14)dei geni per le catene pesanti (sul cromosoma 14)

Catena pesante di Catena pesante di IgMIgM Catena pesante di Catena pesante di IgDIgD

XX

RiarrangiamentoRiarrangiamento dei geni per le catene pesanti (sul cromosoma 14)dei geni per le catene pesanti (sul cromosoma 14)

Catena pesante di Catena pesante di IgMIgM Catena pesante di Catena pesante di IgDIgD

““SWITCHINGSWITCHING”” DIDI CLASSE (isotipico) CLASSE (isotipico) -- II

Splicing alternativo

““SWITCHINGSWITCHING”” DIDI CLASSE (isotipico) CLASSE (isotipico) -- IIII

LVDJ-CHεεεε

LVDJ-CHαααα

LVDJ-CHγγγγ

Riarrangiamenti genomici

““SWITCHINGSWITCHING”” DIDI CLASSE (isotipico) CLASSE (isotipico) -- IIII

LVDJ-CHεεεε

LVDJ-CHαααα

LVDJ-CHγγγγ

Riarrangiamenti genomici

X

““SWITCHINGSWITCHING”” DIDI CLASSE (isotipico) CLASSE (isotipico) -- IIII

LVDJ-CHεεεε

LVDJ-CHαααα

LVDJ-CHγγγγ

Riarrangiamenti genomici

X

Come avviene il Come avviene il riarrangiamentoriarrangiamento??

RSS

RSS=Recombination Signal Sequence

23 bp 10 bp 10 bp 23 bp 23 bp 10 bp

RAG=Recombination-Activating Gene 1

http://www.youtube.com/watch?v=AxIMmNByqtM

Video: VDJ Recombination

Light chain Heavy chain

Catena λλλλ = 35 segmenti genici LV

7 segmenti genici JC

Catena κκκκ = 40 segmenti genici LV

5 segmenti genici J

1 segmento genico C

Possibili 245 catene λλλλ, 200 catene κκκκ e 59.400 catene pesanti diverse

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:

Catene H = 44 segmenti genici V

25 segmenti genici D

6 segmenti genici J

9 segmenti genici C

59.400 x (245+200) = 26.433.000 molecole di anticorpo diverse

GENERAZIONE DELLA DIVERSITAGENERAZIONE DELLA DIVERSITA’’ ANTICORPALE ANTICORPALE -- IIII

VariabilitVariabilitàà giunzionalegiunzionale

ee

IperIper--mutazionemutazione somaticasomatica

5’- CCTCCC-

A-

C-

A-

G-

T-

G-

C

A

C

T

G

TGGTGG -3’

1 2 3 4

5’- CCTCCC – 3’

Pro Pro

5’- CCTTGG – 3’

Pro Trp

5’- CCTCGG – 3’

Pro Arg

5’- CCTCCG – 3’

Pro Pro

1 2 3 4

=

VariabilitVariabilitàà giunzionalegiunzionale

Si arriva a oltre 1 miliardo di combinazioni possibili!

IperIper--mutazionemutazione somaticasomatica

� 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(maturazione dell’’affinitaffinitàà))

Regolazione dellRegolazione dell’’espressione dei geni delle Ig espressione dei geni delle Ig -- II

� I geni per le immunoglobuline sono espressi solo dopo

il loro assemblaggio: cosa ne attiva la trascrizione?

EnhancerEnhancer tessutotessuto--specificospecifico ���� il riarrangiamento lo avvicina al promotore

Regolazione dellRegolazione dell’’espressione dei geni delle Ig espressione dei geni delle Ig -- IIII

ESCLUSIONE ISOTIPICAESCLUSIONE ISOTIPICA ���� il riarrangiamento del locus κ delle catene

leggere blocca il riarrangiamento a livello del locus λ

ESCLUSIONE ALLELICAESCLUSIONE ALLELICA ���� solo un riarrangiamento funzionale/cellula

� Le plasmacellule producono un solo tipo di anticorpo:

perché?

Cell lossCell lossCell lossCell loss

Cell expresses Cell expresses Cell expresses Cell expresses IgMIgMIgMIgM((((κµκµκµκµ))))

Cell expresses Cell expresses Cell expresses Cell expresses IgMIgMIgMIgM((((λµλµλµλµ))))

κκκκ gene gene gene gene rearrangementrearrangementrearrangementrearrangementon first chromosomeon first chromosomeon first chromosomeon first chromosome

((((chrchrchrchr 2)2)2)2)

κκκκ gene gene gene gene rearrangementrearrangementrearrangementrearrangementon second chromosomeon second chromosomeon second chromosomeon second chromosome

((((chrchrchrchr 2)2)2)2)

Cell lossCell lossCell lossCell loss

λλλλ gene gene gene gene rearrangementrearrangementrearrangementrearrangementon first chromosomeon first chromosomeon first chromosomeon first chromosome

((((chrchrchrchr 22)22)22)22)

λλλλ gene gene gene gene rearrangementrearrangementrearrangementrearrangementon second chromosomeon second chromosomeon second chromosomeon second chromosome

((((chrchrchrchr 22)22)22)22)

VVVV----DJ rearrangementDJ rearrangementDJ rearrangementDJ rearrangementon first chromosomeon first chromosomeon first chromosomeon first chromosome

((((chrchrchrchr 14)14)14)14)

Early pro-B cell Late pro-B cell Pre-B cell Immature B cell

H-chain gene

rearrangement

H-chain gene

rearrangement

L-chain gene

rearrangement

No more

rearrangements

DDDD----J rearrangementsJ rearrangementsJ rearrangementsJ rearrangementson both chromosomeson both chromosomeson both chromosomeson both chromosomes

VVVV----DJ rearrangementDJ rearrangementDJ rearrangementDJ rearrangementon second chromosomeon second chromosomeon second chromosomeon second chromosome

((((chrchrchrchr 14)14)14)14)

Productive joinProductive join

NonNon--productive joinproductive join

RECETTORI PER LRECETTORI PER L’’ANTIGENE IN LINFOCITI B e TANTIGENE IN LINFOCITI B e T

CL

CL

CH

CH

CH

CH

C H

V H

C L

V L

CH

VH

BcRBcR TcRTcR

Cαααα Cαααα

Vαααα Vββββ

• 2 catene α/β (95%) o δ/γ (5%)

• lega Ag complessato con MHC

• 1 sito di legame per l’Ag

• 2 catene leggere e 2 pesanti

• lega l’Ag solubile

• 2 siti di legame per l’Ag

εεεε εεεε δδδδγγγγ

ζζζζ ζζζζ

T cell receptor complex

CD3

RIARRANGIAMENTO DEI GENI PER IL RIARRANGIAMENTO DEI GENI PER IL TcRTcR

V(D)J-C

VJ-C

Locus umano delle catene ββββ del TcR (cromosoma 7)

Locus umano delle catene αααα del TcR (cromosoma 14)

http://www.youtube.com/watch?v=IPoBkvbCdi4

Video: Production of antigen receptors: