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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
5
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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Linfociti
 Dalle cellule staminali negli
organi linfoidi primari:
•
•
 Migrano negli organi linfoidi
secondari:
Fegato nel feto
Midollo osseo nell’adulto
•
•
Timo
Osso
Cellula
staminale
Cellule B (dal midollo osseo,
bone marrow),  risposte
umorali
Cellule T (prodotte nel timo),
 risposte cellulari
Ghiandola
linfoide
secondaria
T
Risposte
cellulari
B
Risposte
umorali
Struttura primaria
Parte costante
CH3
Catena pesante H
CH2
-S-S-S-S-
Catena leggera L
-S-S-
-S-S-
CL
CH1
Sito di legame con Ag
Gerald M. Edelman
Rockefeller University
New York, NY, USA
Rodney R. Porter
University of Oxford
Oxford, United Kingdom
VH
Premio Nobel 1972
VL
Parte variabile
• 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
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Cellula staminale
Teoria
della
selezione
clonale
La cellula staminale si diversifica
in numerose cellule B “vergini”,
ognuno con un’Ig diversa, con
sito antigenico verso l’esterno
Prima
esposizione a Ag
memoria
Contatto Cellule
con Ag:
solo un clone si
del clone
replica e produce numerose Replicazione
cellule
B contenenti solo quell’Ig
Cellule B vergini
Cellule B attive
Cellule B effettrici o plasmacellule
producono Ig solubili nel sangue
Seconda esposizione a Ag
Attacco
Rilascio di 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
•
•
•
Cellule vergini (o naïve)
Cellule memoria che vivono a lungo (mesi/anni)
Cellule attivate che producono Ab e vivono pochi giorni
3 stadi di sviluppo delle cellule:
12
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 es
lupus 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
28
Paradosso
Esistono 108 Ab differenti (un Ab per ogni Ag), ma il genoma
umano 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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Ricombinazione degli esoni
Generazione di una grande variabilità di proteine differenti
congiungendo segmenti separati di geni prima della
trascrizione a RNA
5’
3’
DNA
| Leader | <introne> | V1 | V2 | V3 | V4 | … | V150 | <introne> |J1 | J2 | J3 | J4 | J5 | <introne> | C |
Trascrizione
mRNA
| Leader | V3 | J2 | C |
5’
3’
Translazione
Ig
NH3+
| Leader | V3 | J2 | C |
COO-
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Codificazione di L
Ogni catena L è composta da:
1 sequenza leader (1 copia per gene)  20 aa per trasportare
Ig 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
31
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, Japan
Massachusetts Institute of Technology (MIT)
Cambridge, MA, USA
Premio 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
• ???