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Immunologia

Meccanismi molecolari per i quali l’organismo distingue le sostanze proprie (self) dalle non-proprie (non-self)

Componenti:• Antigene (Ag, antibody generator): molecola o parte di molecola

che induce una risposta immunitaria

• Anticorpo (Ab, antibody): proteina (immunoglobulin, Ig) che riconosce Ag

Il malfunzionamento di questi meccanismi causa:• Immunodeficienza: mancato riconoscimento o mancato attacco

alle sostanze non-self

• Malattie auto-immuni: errato riconoscimento delle sostanze self

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Caratteristiche delle risposte immunitarie

Versatilità: numero di potenziali Ag>108, fra cui:• Molecole fisiologiche e non

• Virus

• Cellule

• Materiali sintetici (intolleranze)

Memoria: La prima esposizione a Ag provoca la produzione di Ab che rendono la seconda esposizione a Ag meno dannosa della prima

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Risposte immunitarie

Umorali:• Produzione di Ab solubili

che circolano nel sangue

• Ab si lega a Ag

• Il complesso Ab-Ag precipita la sostanza estranea (con l’intervento del complemento), o la marca per la distruzione (con l’intervento deimacrofagi)

Cellulari:• Produzione di cellule

(linfociti T) dagli organilinfoidi (1012 linfociti nel corpo umano)

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Linfociti

Dalle cellule staminali negli organi linfoidi primari:

• Fegato nel feto

• Midollo osseo nell’adulto

Migrano negli organi linfoidisecondari:

• Cellule B (dal midollo osseo,bone marrow), risposte umorali

• Cellule T (prodotte nel timo), risposte cellulari

Osso

Timo Ghiandola linfoide

secondaria

Cellula staminale

Risposte cellulari

Risposte umorali

T

B

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Cellule B e T

Nello stato a riposo: non distinguibili

Cellule B attive: secernono Ab

RER sviluppato

Cellule T attive:Poco RER

Secernono IL, citochine, linfochine

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Immunoglobuline

2 catene leggere identiche (L, light, 220 aa) + 2 catene pesanti identiche (H, heavy, 440 aa)• A forma di Y• Ponti S-S fra le catene

2 siti di legame per Ag3 zone:

• Zona cerniera (hinge region)• Zona costante o Fc (Fragment

Cristallizzabile) con sequenza di aminoacidi relativamente costante

• Zona di riconoscimento per Ag o Fab (Fragment Antigen Binding) con sequenza di aminoacidi relativamente variabile

Struttura primaria• Catene H e L:

segmenti ripetuti di 110 aminoacidi con notevole analogia

• Dominii variabili (V) e costanti (C)

• Catena L=VL + CL• Catena H=VH +

CH1 + CH2 + CH3

CH3

CH2

CH1

VH

VL

CL

-S-S-

-S-S-

-S-S-

Catena pesante H

Catena leggera L

Pa

rte

co

sta

nte

Pa

rte

va

ria

bil

e

-S-S-

Sito di legame con Ag

Gerald M. Edelman Rockefeller University

New York, NY, USA

Rodney R. PorterUniversity of Oxford

Oxford, United KingdomPremio Nobel 1972

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Cellula staminale

Cellule B verginiPrima esposizione a Ag

Cellule memoriaReplicazione del clone

Cellule B attive

Rilascio di IgSeconda esposizione a Ag

Attacco

Teoria della selezione clonale

Cellule B effettrici o plasmacellule producono Ig solubili nel sangue

La cellula staminale si diversifica in numerose cellule B “vergini”, ognuno con un’Ig diversa, con sito antigenico verso l’esterno

Contatto con Ag: solo un clone si replica e produce numerose cellule

B contenenti solo quell’Ig

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Teoria della selezione clonale

Il sistema immunitario è composto da milioni di cloni provenienti da un progenitore comune

Ogni linfocita:• E’ destinato a reagire con un Ag specifico prima

dell’esposizione a Ag> “Pronto per l’uso”, e non “fatto su misura”

• Possiede recettori (Ig) sulla superficie che riconoscono un solo Ag

• Prolifera e matura solo dopo il riconoscimento

3 stadi di sviluppo delle cellule:• Cellule vergini (o naïve)

• Cellule memoria che vivono a lungo (mesi/anni)

• Cellule attivate che producono Ab e vivono pochi giorni

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Come distinguere il self dal non-self?

L’organismo eredita tutti i geni dei recettori non-self, ma non

i geni dei recettori del self: NO!Il sistema immunitario risponde alla presenza dei vari Ag,

imparando a non rispondere al self: NO!La tolleranza verso il self non è congenita ma acquisita

durante la vita fetale• clonal deletion: eliminazione dei linfociti diretti contro il self

• clonal anergy: i linfociti diretti contro il self sono inattivati ma vivi (la riattivazione conduce alle malattie autoimmuni, ad eslupus eritematoso)

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Immunità naturale e acquisita

Immunità naturale: barriera che l'organismo eredita dai genitori e protegge da molti agenti patogeni• Fattori coinvolti: razza, sesso, stato di nutrizione, resistenza

individuale correlata agli ormoni e età

Immunità acquisita: immunità che una persona sviluppa durante la vita fetale e adulta• Attiva: L'organismo produce Ab e cellule T, per esempio ogni

volta che guarisce da un’infezione o è esposto a un vaccino

• Passiva: Ab acquisiti da fonte esterna:> Passaggio di IgG dalla madre al feto attraverso la placenta

> Passaggio di IgA e IgM mediante il colostro

> Iniezione di sieri e globuline

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Isoforme della parte costante di Ig

5 isoforme H, determinano la classe• IgM, isoforma • IgG, isoforma • IgA, isoforma • IgD, isoforma • IgE, isoforma

2 isoforme L, presenti in tutte le classi di Ig• e

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Regioni variabili, responsabili del legame con Ag

Massima variabilità in 3 regioni ipervariabili (5-7 aa per L, 6-17 aaper H)

Il sito antigenico è composto dalle regioni ipervariabili della catena L + le regioni ipervariabili della catena H

Varietà di siti di legame cambiando la sequenza di aa nelle regioni ipervariabili senza disturbare il resto della molecola

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Paradosso

Esistono 108 Ab differenti (un Ab per ogni Ag), ma il genomaumano contiene 30-40 000 geni

Come produrre più Ab di quanti sono i geni nel genoma?

Ipotesi degli anni ‘70 (non si conoscevano i domini…):• Un sito antigenico è determinato da 1 catena H e 1 catena L

• Se ci fossero 1000 geni per L e 1000 geni per H, ci potrebbero essere 1000x1000=106 differenti siti antigenici

Problema: Il meccanismo dovrebbe essere così sofisticato che una parte dei geni che codificano le catene L e H (sempre quella!) rimane sempre costante, mentre il resto può mutare selvaggiamente

FANTASCIENTIFICO !!!

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| Leader | <introne> | V1 | V2 | V3 | V4 | … | V150 | <introne> |J1 | J2 | J3 | J4 | J5 | <introne> | C |

DNA5’ 3’

| Leader | V3 | J2 | C |mRNA

Trascrizione

| Leader | V3 | J2 | C |Ig

Translazione

5’ 3’

COO-NH3+

Ricombinazione degli esoni

Generazione di una grande variabilità di proteine differenti congiungendo segmenti separati di geni prima della

trascrizione a RNA

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Codificazione di L

Ogni catena L è composta da:

1 sequenza leader (1 copia per gene) 20 aa per trasportareIg fuori dalla cellula

1 segmento V (150 copie in sequenza) 95 aa (regione variabile)

1 segmento J (5 copie) 13 aa (regione variabile)

1 segmento C (1 copia) 110 aa (regione costante)

Calcolo combinatoriale:• 150 V x 5 J = 750 diverse catene L

• Inoltre la giunzione V-J non è ben definita, si può ragionevolmente moltiplicare le possibilità x 10

• Totale: 7500 combinazioni diverse per le catene L

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Codificazione delle catene H

Segmenti V: 80 copie

Segmenti D: 50 copie

Segmenti J: 6 copie

Segmento C: 1 copia

Calcolo combinatoriale:• 80 V x 50 D x 6 J = 24 000 diverse catene H

• Inoltre la giunzione V-J non è ben definita, ed esistono inserzione random di sequenze nelle giunzioni V/D e D/J

• Totale: 2.4 milioni di combinazioni

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Calcolo combinatoriale per il sito antigenico (catena L + catena H)

Il sito antigenico è composto da 1 catena H e 1 L

Totale delle combinazioni possibili per il sito:

7500 x 2.4 milioni = 18x109

• Questa enorme variabilità è generata da non più di 300 segmenti di DNA differenti

Susumu Tonegawa, J apanMassachusetts Institute of Technology (MIT)

Cambridge, MA, USAPremio Nobel 1987

IgM

• Struttura: pentamero (5 Ig) legate su catena J

• Localizzazione: – Cellule B vergini– Plasma (5-10% del totale di Ig del plasma)

• Funzione: mediano risposta primaria

• Attivano complemento

Complemento

• 20 proteine (zimogeni) attivate a cascata• Via classica attivata dal complesso Ig + Ab• Via alternativa attivata dai polisaccaridi

delle membrane • Entrambe le vie trasformano C3 solubile a

C3b insolubile• Complesso di attacco immobilizzato• Lisi

IgG

• Localizzazione: Plasma (70-75% del totale di Ig del plasma)

• Funzione: Mediano risposta secondaria e fagocitosi

• Attivano complemento

• Attraversano la placenta (conferiscono resistenza immunitaria al neonato)

IgA

• Localizzazione: – Plasma (10-15% del totale)– Secrezioni (lacrime, saliva, latte,

bronchi)

• Funzioni: – Prima linea di difesa contro i

patogeni– Attivano complemento

• Formano dimeri con la “componente secretoria”

IgE

• Localizzazione: – Mastociti e basofili– Nel plasma solo nella fase allergica

• Funzioni: – Attaccano cellule allergeniche, liberano

istamina – Vasodilatazione, aumento permeabilità dei

capillari, infiammazione

IgD

• Localizzazione: Cellule B vergini

• ???