Capítulo 6: Diversidad de anticuerpos2021-04-17
El cuerpo humano es capaz de producir un número aparentemente ilimitado de moléculas de anticuerpos (inmunoglobulina [Ig]), ¡tal vez al menos una por cada antígeno del universo! Los cálculos sugieren que puede haber hasta 10^11 moléculas de anticuerpos diferentes disponibles en la biblioteca de anticuerpos humanos, con diferentes especificidades. Este capítulo describe los diversos mecanismos que generan diversidad de anticuerpos en las células B. Existen mecanismos similares en las células T para generar diversidad de receptores de células T (TCR), pero hasta ahora estos mecanismos no se han detectado en otros genes. Estos diferentes mecanismos se denominan colectivamente generación de diversidad. La figura anterior describe los diversos pasos involucrados en el ensamblaje de una molécula de inmunoglobulina (Ig) completa. Este capítulo describe las vías utilizadas para ensamblar Ig en las células B.
Como se mencionó en el Capítulo 4, la Ig tiene dos cadenas polipeptídicas, una cadena pesada y una cadena ligera. Cada cadena tiene un área variable (V) y constante (C). Las cadenas polipeptídicas de Ig están codificadas por segmentos genéticos (fig. 6.1), que se reorganizan durante el desarrollo de las células B (fig. 6.2) para ensamblarse en genes funcionales que codifican cadenas ligeras o pesadas (fig. 6.3). Además de los segmentos de genes V y C, estos segmentos de genes también incluyen segmentos de genes líderes (Leader, L), segmentos de genes de unión (Joining, J) y segmentos de genes de diversidad (Diversidad, D). Los fragmentos de genes existen en conjuntos o grupos que se componen de secuencias de diferentes versiones de los fragmentos de genes. Por ejemplo, cinco segmentos diferentes del gen Jk constituyen el conjunto Jk. La figura 6.1 muestra la estructura de los fragmentos de genes de cadenas ligeras y cadenas pesadas humanas y enumera los diferentes fragmentos de genes de Igs.
Durante el desarrollo de las células B (Capítulo 14), los segmentos del gen Ig se reordenan y se conectan entre sí para formar genes funcionales continuos (ver Fig.6.3). El proceso de reordenamiento, conocido como recombinación somática, ocurre incluso en ausencia de antígeno, produciendo posibles moléculas de anticuerpos (receptores de antígenos). Una vez que se ensamblan los genes de las cadenas ligera y pesada, se pueden sintetizar las cadenas ligera y pesada de Ig y ensamblar las cadenas polipeptídicas en moléculas de Ig. Esta molécula se expresa en la superficie de las células B o es secretada por células B diferenciadas llamadas células plasmáticas (véanse la figura 6.6 y el capítulo 14).
La región V de la cadena del anticuerpo constituye el sitio de unión al antígeno, y la región C proporciona funciones efectoras especiales, como la unión a receptores celulares o proteínas del complemento. La diversidad de anticuerpos se genera recombinando diferentes fragmentos de genes para construir diferentes regiones V. Esto reduce en gran medida la cantidad de genes que originalmente codificaban una gran cantidad de moléculas de anticuerpos diferentes y también redujo la cantidad de genes de moléculas de anticuerpos en el genoma.
Después de que se produce el reordenamiento genético inicial (ver Fig.6.2), el gen completo, incluidos los exones (secuencias codificantes) y los intrones (secuencias no codificantes), se transcribe en un transcrito de ARN primario (Ver Fig.6). .3). Luego se produce el empalme del ARN, en el que las enzimas procesadoras del ARN eliminan las secuencias intrónicas para producir ARN mensajero (ARNm), que puede traducirse en proteínas. Luego, las enzimas proteolíticas eliminan la secuencia peptídica líder (L) (ver Fig. 6.3).
La región V del gen de la cadena ligera está compuesta por segmentos V y J, y la región V del gen de la cadena pesada está compuesta por segmentos V, D y J (ver Fig6.2). Para transcribir una región V completa, los fragmentos del gen de la región V (V y J o V, D y J) deben "cortarse" y luego unirse mediante enzimas responsables de la recombinación del ADN. Por ejemplo, un segmento J de un conjunto de secuencias de segmentos J se combina con un segmento V de un conjunto de secuencias de segmentos V para formar una región VL. De manera similar, un segmento V, un segmento D y un segmento J se reordenan para formar la región VH. Primero conecte los segmentos D y J, y luego conecte el segmento del gen V a los segmentos D y J para crear un exón VH completo (ver Fig.6.2). Como existen múltiples segmentos de genes V, D y J (v. fig. 6.1), se pueden crear muchas regiones variables completas y diferentes. Por ejemplo, la región VL formada por la combinación de V1 y J2, y la región VL formada por la combinación de V6 y J2 tienen diferentes especificidades antigénicas.
El complejo enzimático implicado en la recombinación de células somáticas en los linfocitos se llama recombinasa V(D)J. Estas enzimas son responsables del corte y la reinserción del ADN celular durante los reordenamientos. Dos de estas enzimas son productos de la recombinación activadora de los genes RAG1 y RAG2, y son responsables de participar en el primer paso de escisión del gen de Ig por recombinación de células somáticas. Las enzimas RAG-1 y RAG-2 se encuentran sólo en los linfocitos, y los defectos en estas enzimas provocan una interrupción del desarrollo de los linfocitos (ver Cuadro 7.1).
Por tanto, las células B combinan el cromosoma 2 (cadena ligera kappa) o el cromosoma 22 (cadena ligera lambda) con el cromosoma 14 (cadena pesada) para producir Ig. Cada célula tiene dos genes heredados de cada padre; es necesario silenciar una copia de cada gen: si se procesan simultáneamente fragmentos variables de genes maternos y paternos, las células B pueden producir dos especificidades de anticuerpos diferentes. El proceso de silenciamiento de genes parentales o maternos se llama rechazo alélico.
Como se mencionó en el Capítulo 4, los dos tipos de cadenas ligeras son kappa (κ) y lambda (λ). El proceso que inicia la síntesis de cadenas ligeras kappa se muestra en la figura 6.4 y se describe a continuación. El proceso para sintetizar cadenas ligeras lambda es esencialmente el mismo.
Aproximadamente 35 genes Vk diferentes se encuentran en el locus kappa del cromosoma 2 en la línea germinal humana. Cada gen Vk codifica el extremo N (95 residuos de aminoácidos de la región variable kappa). Hay 5 exones Jk aguas abajo de la región Vk (es decir, 3'). Cada fragmento Jk codifica los aminoácidos 96 a 108 de la región variable kappa. Después del intrón largo, el sitio kappa termina en un exón Ck que codifica la región constante de la cadena ligera kappa.
Para sintetizar cadenas ligeras kappa, las células en la etapa temprana de los linfocitos B (Capítulo 14) seleccionan un exón Vk (como Vk3) y, después de la reordenación mediante la recombinasa V(D)J, se conectado a un segmento J (como Jk2). En este caso, aproximadamente a mitad de camino desde el extremo 3' de V3 hasta el extremo 5' de J2, se escinde a través de bucles de ADN y finalmente se degrada. Luego, el ADN reordenado se transcribe para producir un transcrito de ARN primario (ver Fig. 6.4). Esta transcripción de ARN primaria forma ARNm maduro mediante el empalme de ARN, como los exones Vk3, Jk2 y Ck juntos para producir ARNm maduro. El corte y empalme elimina todas las secuencias intermedias (como J3, J4 y J5), lo que permite la traducción del ARN a la cadena polipeptídica kappa en el retículo endoplásmico de la célula. El proceso de los genes de la cadena lambda es similar, excepto que hay alrededor de 30 genes Vλ y 4 Jλ que se encuentran en el cromosoma 22 humano. Cada gen Jλ está relacionado con un gen Cλ diferente (ver Fig.6.1). diferentes isoformas de cadena ligera lambda en .
En el sitio de la cadena pesada en el cromosoma 14 del genoma humano, hay aproximadamente 50 segmentos de genes VH, 25 DH y 6 JH (ver Fig6.1). El fragmento de diversidad (D), al igual que el fragmento J, codifica aminoácidos en la tercera región hipervariable (hv3) de la cadena pesada. El término "región hipervariable" se utiliza en las discusiones sobre la diversidad de Ig y TCR (Capítulo 7).
El mecanismo de síntesis de la cadena pesada (Fig6.5) es muy similar al mecanismo de síntesis de la cadena ligera kappa, la diferencia es que el ensamblaje del exón VH requiere tres fragmentos en lugar de dos, y la cadena pesada. sitio Hay múltiples exones CH en .
Primero conecta los segmentos D y J, luego conecta el segmento V al segmento DJ combinado para formar un exón VH completo. Durante el procesamiento de transcripciones de ARN de cadena pesada, el exón de la región C se empalma con el exón VH.
Como se muestra en la Fig6.5, existen múltiples regiones CH diferentes. Cualquier región VH determinada puede expresarse con cualquier región CH mediante el proceso de reordenamiento del ADN de cambio de clase. Diferentes regiones CH tienen diferentes funciones biológicas (de efecto). Esto permite una mayor diversidad, ya que la misma especificidad de antígeno (región V) puede asociarse con regiones CH que confieren diferentes propiedades efectoras, por ejemplo, la capacidad de cruzar la placenta o con diferentes formas cristalinas de componentes en diferentes tipos de células (Fc). Capacidad de unión al receptor (ver Fig4.7).
Para generar diversidad de receptores de antígenos, las células B utilizan un mecanismo genético como se describe a continuación:
1. Existen múltiples copias de los segmentos de los genes V, D y J, por ejemplo, Hay aproximadamente 35 fragmentos del gen Vk. A esto se le llama filodiversidad.
2. Los segmentos de los genes VJ y VDJ se recombinan en varias combinaciones, lo que se denomina diversidad combinatoria. Por ejemplo, 35 segmentos Vk y 5 Jk pueden formar 175 (35×5) regiones variables humanas diferentes. cadena.
3. Se forman conexiones entre segmentos de genes. Por ejemplo, unir un segmento del gen V a un segmento del gen DJ reordenado implica la escisión del ADN seguida de la suma y resta de nucleótidos para crear una unión (Tabla 6.1).
Como resultado de estos eventos, se pueden generar diferentes secuencias codificantes en las uniones de diferentes células B, por ejemplo, mediante la adición aleatoria de nucleótidos mediante la enzima desoxinucleotidil transferasa terminal (TDT). Secuencias diferentes dan como resultado una mayor diversidad de anticuerpos, conocida como diversidad de unión. Como se muestra en la Fig6.6, se supone que la secuencia de aminoácidos en el sitio de unión puede cambiar de -Ala-Arg-Asn- a -Ala-Arg-Ile-. Este es el principal cambio de estructura química. estar entre los fragmentos VH y DH JH Simplemente elimine un nucleótido durante el proceso de ligación.
4. Existen muchas combinaciones de cadenas ligeras y cadenas pesadas. En principio, cualquier cadena pesada puede combinarse con cualquier cadena ligera. Debido a que ambas cadenas son sitios de unión a antígenos, esta disposición aleatoria de cadenas ligeras y pesadas da como resultado diferentes especificidades de anticuerpos. Por ejemplo, 200 cadenas ligeras diferentes combinadas aleatoriamente con 2000 cadenas pesadas diferentes pueden producir 420 (4×105) anticuerpos diferentes.
5. La hipermutación de las células somáticas puede ocurrir después de la estimulación antigénica. Una vez que se ensamblan los genes de anticuerpos funcionales y las células B responden al antígeno, otro mecanismo, llamado hipermutación somática, genera diversidad adicional en la región V. El efecto de este mecanismo es introducir mutaciones puntuales en las regiones V de las cadenas pesada y ligera a tasas muy elevadas. Algunas mutaciones producen moléculas de anticuerpos que se adaptan mejor al antígeno que el anticuerpo "original". Estos nuevos anticuerpos se unen a antígenos con mayor afinidad y las células B que los expresan se seleccionan preferentemente para madurar y convertirse en células plasmáticas (Capítulo 14). Este fenómeno a veces se denomina maduración de la afinidad de una población de moléculas de anticuerpos dentro de un individuo.
A medida que las células B responden a una infección persistente, el número de anticuerpos medidos con un ensayo inmunoabsorbente ligado a enzimas (ELISA) aumenta gradualmente. Hasta cierto punto, con el tiempo se producen más células B, que secretan más anticuerpos. Además, debido a mutaciones somáticas, los anticuerpos producidos son de mejor calidad y tienen mayor afinidad. Una vez que la infección desaparece, algunas células B sobreviven como células B de memoria. Estas células se derivan de las células B, que secretan inmunoglobulinas óptimas debido a la maduración por afinidad.
Como se mencionó en el Capítulo 4, existen cinco tipos de inmunoglobulinas humanas, a saber, IgM, IgD, IgG, IgE e IgA. Cada una de estas Ig tiene un gen CH (v. fig. 6.5) y los mismos exones VH pueden reorganizarse para asociarse con diferentes exones CH en diferentes momentos durante la respuesta inmunitaria. Por ejemplo, al principio de la respuesta inmune a un antígeno, las células B siempre expresan IgM y más tarde, en respuesta al mismo antígeno, la región V ensamblada puede expresarse en un anticuerpo IgG. Este cambio implica la recombinación de ADN entre regiones específicas, llamadas zonas de cambio. El uso de diferentes regiones constantes crea diversidad adicional porque diferentes funciones efectoras están asociadas con diferentes regiones C.
El cambio de clase permite a las células B adaptar anticuerpos a situaciones específicas. Por ejemplo, la IgM es un anticuerpo bastante útil que se utiliza para tratar infecciones en la sangre, pero su alto peso molecular impide que se propague a los tejidos. Por lo tanto, las células B sufren un cambio de clase para producir IgG en respuesta a una infección tisular, como un absceso. Por otro lado, el sistema inmunológico desarrolló IgA en respuesta a infecciones en superficies mucosas como los intestinos. Las células B cambian de células IgM a IgA en respuesta a una infección intestinal, y el recuadro de este capítulo describe cómo este conocimiento puede ayudar a diagnosticar la infección.
Las células B pueden producir formas de Igs secretadas o unidas a membranas. La Ig unida a membrana tiene aproximadamente 30 residuos de aminoácidos adicionales al final de la cadena pesada. Estos residuos incluyen un tramo de aproximadamente 25 aminoácidos hidrofóbicos que anclan la Ig a la membrana celular, donde puede funcionar como receptor (consulte el Capítulo 11). Estas dos formas diferentes están codificadas en diferentes exones CH y se utilizan diferentes modos de procesamiento del ARN (v. fig. 6.6) para generar Igs secretadas o unidas a membranas. Asimismo, los mecanismos que regulan este procesamiento selectivo del ARN y la selección del sitio de poliadenilación no se comprenden completamente. Puede estar relacionado con señales generadas por la unión del antígeno y/o la interacción con las células T (Capítulo 16).
Una paciente de 29 años presentó antecedentes de 4 semanas de fiebre leve, pérdida de peso e ictericia. y tenía antecedentes de relaciones sexuales sin protección con múltiples parejas y tenía varios tatuajes caseros. Además de las anomalías obvias de la función hepática, los resultados del diagnóstico virológico pueden ayudar a determinar si su ictericia es causada por una infección aguda por el virus de la hepatitis B.
Los análisis de sangre dieron negativos para anticuerpos contra los virus de la hepatitis A y la hepatitis C, lo que indicaba que era poco probable que estas infecciones fueran la causa de su ictericia. Dio positivo en los anticuerpos del antígeno de superficie de la hepatitis B (HBsAg), pero esto podría estar relacionado con la vacunación, pero no estaba segura de si había sido vacunada. En este caso, otras dos situaciones pueden descartar esta posibilidad:
1. HBsAg positivo. Los antígenos, no los anticuerpos, sólo son detectables después de la infección por hepatitis B, no después de la vacunación. También dio positivo en ADN viral, que sólo aparece después de la infección.
2. Tener anticuerpos contra el antígeno central de la hepatitis B (anti-HBc). El antígeno central de la hepatitis B (Fig6.7A) no está presente en la vacuna, por lo que la vacunación no producirá anticuerpos contra él. El virus de la hepatitis B contiene hemoglobina y se producirán anticuerpos contra él después de la infección. El posible diagnóstico fue que la causa de la ictericia de nuestro paciente era la infección por hepatitis B, y los pacientes con infección crónica por hepatitis B suelen tener una función hepática normal. Estos individuos dieron positivo en inmunoglobulina G (IgG) anti-HBc. Sin embargo, este paciente tenía IgM anti-HBc, lo que indica que la infección se produjo en las últimas semanas (Fig. 6.7B, C y Tabla 6.2). Por tanto, el diagnóstico de infección aguda por hepatitis B es muy probable.
El paciente se fue sintiendo progresivamente mejor sin ningún tratamiento especial. Las pruebas de HBsAg y ADN viral dieron negativo, lo que indica que su cuerpo estaba controlando la infección. Su clase anti-HBc ha cambiado de IgM a IgG, y el tiempo dirá si se convertirá en portadora crónica y si desarrollará más problemas relacionados con la infección por hepatitis B en el futuro (consulte el Capítulo 23).