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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
• ???