Il sistema immunitario

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1 1 Il sistema immunitario COMPONENTI MOLECOLARI E CELLULARI. Meccanismi e caratteristiche delle risposte immunitarie; Risposte umorali e cellulari; Teoria della selezione clonale; Versatilità, specificità e memoria delle risposte immunitarie; Immunità naturale e acquisita.

2 2 Alto Atlante (Marocco), Valle del Dades

3 3 Immunologia Meccanismi molecolari attraverso 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 (immunoglobulina, Ig) che riconosce Ag Il malfunzionamento causa: Immunodeficienza: mancato riconoscimento o mancato attacco alle sostanze non-self Malattie auto-immuni: errato riconoscimento delle sostanze self Osservazione originaria dell immunologia: Quando un organismo recupera da un infezione, rimane specificamente immune da quell infezione Ig anti-ag Tempo Prima iniezione di Ag Seconda iniezione di Ag

4 4 Complesso Ab-Ag Legami non covalenti, Keq L/mole Primo passo necessario per l eliminazione di Ag Seguito da: Endocitosi nel sistema reticolo-endoteliale Attivazione della fagocitosi (macrofagi) Attivazione del complemento (lisi)

5 5 Caratteristiche delle risposte immunitarie Versatilità: numero di potenziali Ag>108: Molecole fisiologiche Virus Cellule Molecole non fisiologiche (intolleranze a materiali sintetici) Memoria: La prima esposizione a Ag provoca la produzione di Ab che rendono la seconda esposizione a Ag meno dannosa della prima Umorali: Produzione di Ab solubili che circolano nel sangue Formazione del complesso Ab-Ag Precipita con la sostanza estranea (complemento) o marcatura per la distruzione (macrofagi) Cellulari: Produzione di cellule (linfociti T) dagli organi linfoidi 1012 linfociti nell organismo

6 6 Linfociti Dalle cellule staminali negli organi linfoidi primari: Fegato nel feto, midollo osseo nell adulto Nello stato a riposo: non distinguibili Migrano negli organi linfoidi secondari: Cellule B (da bone marrow), risposte umorali > Secernono Ab > RER sviluppato Cellule T (prodotte nel timo), risposte cellulari > Poco RER > Secernono interleukine, citochine, linfochine Timo Ghiandola linfoide secondaria Osso T Cellula staminale B Risposte cellulari Risposte umorali

7 Come può il sistema immunitario rispondere specificamente a milioni di Ag diversi? Teoria istruttiva Ag induce Ab ad assumere una conformazione tale da fungere da legante per quell Ag ERRATA: viola il principio del flusso di informazione genica: DNA RNA proteine Teoria della selezione clonale Ogni organismo genera un enorme varietà di linfociti diversi in piccole quantità (cloni) Solo quelli che vengono in contatto con Ag specifici possono proliferare 7

8 8 Teoria della selezione clonale La cellula staminale si diversifica in numerose cellule B vergini, ognuna con un Ig diversa sulla sua superficie Contatto con Ag: solo un clone si replica e produce numerose cellule B contenenti solo quell Ig Cellule B effettrici o plasmacellule producono Ig solubili nel sangue Cellula staminale Prima esposizione a Ag Cellule memoria Replicazione del clone Seconda esposizione a Ag Attacco Cellule B vergini Cellule B attive Rilascio di Ig

9 9 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

10 10 Come distinguere il self dal non-self? L organismo eredita tutti i geni dei recettori non-self, ma non i geni dei Il sistema immunitario risponde alla presenza dei vari Ag, imparando a non La tolleranza verso il self non è congenita ma acquisita durante la vita fetale recettori del self: NO! rispondere al self: NO! 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)

11 11 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

12 12 Immunoglobuline Struttura molecolare; Classi; Il complemento; Le regioni variabili; Generazione della variabilità di immunoglobuline.

13 13 Alto Atlante (Marocco), valle del Todra

14 14 Ig: proteine del sistema immunitario Sintetizzate nei linfociti B Ogni linea di linfociti B produce un solo tipo di Ig Nei linfociti B non attivi (vergini o memoria) Ig si presenta nella forma insolubile nella membrana Funzione di recettore per Ag Nei linfociti B attivi Ig si presenta nella forma solubile secreta Funzione di attacco a Ag

15 15 Immunoglobuline 4 catene polipeptidiche 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 Ag 3 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

16 16 Flessibilità di Ig Tolleranza per la distanza fra due siti antigenici, quando sono presenti sulle cellule Per legare più Ag su cellule diverse formando lattici riconoscibili dai macrofagi (agglutinazione) Per favorire la precipitazione dopo la formazione del complesso Ag-Ab

17 17 Struttura primaria C H3 Catena pesante H Parte costante 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 C H2 -S-S-S-S- Catena leggera L -S-S- -S-S- CL CH1 Sito di legame con Ag VH Gerald M. Edelman Rockefeller University New York, NY, USA Rodney R. Porter University of Oxford Oxford, United Kingdom Premio Nobel 1972 VL Parte variabile

18 18 Isoforme della parte costante di Ig 5 isoforme H, determinano la classe IgM, isoforma µ IgG, isoforma γ IgA, isoforma α IgD, isoforma δ IgE, isoforma ε 2 isoforme L, presenti in tutte le classi di Ig κ eλ

19 19 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

20 20 Complemento 20 proteine (zimogeni) attivate a cascata Due vie separate ma sinergiche: Via classica attivata dal complesso Ig + Ab Via alternativa attivata dai polisaccaridi delle membrane Entrambe le vie: Trasformano C3 solubile a C3b insolubile Immobilizzazione del complesso di attacco Lisi

21 21 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) Responsabile dell incompatibilità Rh alla nascita (IgG materno contro Rh+ del neonato)

22 22 IgA Formano dimeri con la componente secretoria Localizzazione: Plasma (10-15% del totale) Secrezioni (lacrime, saliva, latte, bronchi) Funzioni: Prima linea di difesa contro i patogeni Attivano complemento

23 23 IgE Localizzazione: Mastociti e basofili Nel plasma solo nella fase allergica Funzioni: Attaccano cellule allergeniche, liberano istamina Vasodilatazione, aumento permeabilità dei capillari, infiammazione

24 24 IgD Localizzazione: Cellule B vergini Responsabile del cambiamento di classe delle Ig senza cambiamento della specificità anti-ag Cellule B vergini: IgM IgD IgG, IgA o IgE

25 25 Regioni variabili, responsabili del legame con Ag Massima variabilità in 3 regioni ipervariabili (5-7 aa per L, 6-17 aa per 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

26 26 Paradosso Esistono 108 Ab differenti (un Ab per ogni Ag), ma il genoma umano contiene geni al massimo: Come produrre più Ab di quanti sono i geni nel genoma? Ipotesi degli anni 70 (non si conoscevano i domini delle proteine): 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: Bello ma FANTASCIENTIFICO!!! Oggi: Ricombinazione degli esoni Generazione di una grande variabilità di proteine differenti congiungendo segmenti separati di geni prima della trascrizione a RNA Avviene nelle cellule B prima dell esposizione a qualunque Ag

27 27 Codificazione di κ L 1 sequenza leader (1 copia per gene) 20 aa per trasportare Ig fuori dalla cellula (non mostrata) 1 segmento V (150 copie) 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 κ L Giunzione V-J non ben definita, n. possibilità x 10 Totale: 7500 combinazioni diverse per le catene κ L

28 28 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 = diverse catene H Giunzione V-J non ben definita, inserzioni random nelle giunzioni V/D e D/J Totale: 2.4 milioni di combinazioni

29 Calcolo combinatoriale per l intero 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