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Sistema genetico delle immunoglobuline Sistema genetico delle immunoglobuline
e e
generazione della diversitgenerazione della diversitàà degli anticorpi degli anticorpi
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La La rispostarisposta immunitariaimmunitaria: : unauna ““overviewoverview””
� risposta immune non specifica ���� infiammazione
e reclutamento di fagociti
� risposta immune specifica ���� sintesi di proteine
(anticorpi, recettore di cellule T, MHC) e cellule
(linfociti B e T cells, fagociti) specializzate
Coinvolge 3 step:
� riconoscimento (self vs non-self)
� comunicazione
� eliminazione
A phagocyte stalking a
rod-shaped bacteriumAntigene = antibody-generating substanceAnticorpo = immunoglobulina
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Le cellule del sistema immunitarioLe cellule del sistema immunitario
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Antibody/antigen complex elimination
Una plasmacellula matura
sintetizza da 2000 a 20000
anticorpi al secondo!
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Interazione Interazione ““chiavechiave--serraturaserratura””
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Struttura schematica delle immunoglobulineStruttura schematica delle immunoglobuline
Catene leggere: 220 a.a.
Catene pesanti: 440-450 a.a.
Regioni variabili: 110 a.a.
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Struttura schematica delle immunoglobulineStruttura schematica delle immunoglobuline
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Tipo Struttura % (rispetto alle Ig
circolanti)
Funzione Caratteristiche
IgG 2γγγγ-2L
4 sottoclassi
75-80% Attivazione del
complemento nella
risposta secondaria
Monomeri
Attraversano la barriera
placentare
IgA 2αααα-2L
2 sottoclassi
14-20% Protezione contro le
infezioni locali
Nelle secrezioni (saliva,
colostro, lacrime,muco)
Monomeri (nel siero)
Dimeri (nelle secrezioni)
IgD 2δδδδ-2L <1% Attivazione del linfocita
e differenziamento a
plasmacellula
Monomeri
Solo di membrana
IgE 2εεεε-2L < 1% Risposta ai parassiti
Coinvolte nelle allergie
Si legano ai recettori dei
mastociti e granulociti
basofili
IgM 2µµµµ-2L 5-10% Attivazione del
complemento nella
risposta primaria
Monomeri (sulla
membrana plasmatica)
Pentameri (nella forma
secreta)
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IgDIgD
IgEIgEIgAIgA sIgAsIgA
sIgMsIgM
IgGIgG
= molecole di carboidrati
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GENERAZIONE DELLA DIVERSITAGENERAZIONE DELLA DIVERSITA’’ ANTICORPALEANTICORPALE
1) Molteplici segmenti genici
2) Ipermutazioni somatiche
3) Ricombinazioni somatiche (diversità combinatoriale e giunzionale)
1) 2) 3)
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Differenziamento dei linfociti B
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RIARRANGIAMENTI GENOMICI DURANTE IL DIFFERENZIAMENTO DEI LINFOCITI B
Unione combinatoriale di segmenti genici per ricombinazione somatica
GENERAZIONE DELLA DIVERSITAGENERAZIONE DELLA DIVERSITA’’ ANTICORPALE ANTICORPALE -- II
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Organizzazione dei geni delle immunoglobuline umane nella linea Organizzazione dei geni delle immunoglobuline umane nella linea germinalegerminale
*L = sequenza leader
E’ coinvolta nel trasferimento della catena polipeptidica neo-tradotta nel lume del reticolo endoplasmatico. Poi viene rimossa� non
compare nella Ig di membrana né in quella secreta
*
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Organizzazione dei geni delle immunoglobuline umane nella linea Organizzazione dei geni delle immunoglobuline umane nella linea germinalegerminale
VDJVDJ--CC
VJVJ--CC
VV--JCJC
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RiarrangiamentoRiarrangiamento dei geni per le catene leggere dei geni per le catene leggere κκκκκκκκ (sul cromosoma 2)(sul cromosoma 2)
VJ-non coding-Cκκκκ
VJCκκκκ
X
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X
LVJCλλλλ
VJCλλλλ
RiarrangiamentoRiarrangiamento dei geni per le catene leggere dei geni per le catene leggere λλλλλλλλ (sul cromosoma 22)(sul cromosoma 22)
LV+JCκκκκ
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X
RiarrangiamentoRiarrangiamento dei geni per le catene pesanti (sul cromosoma 14)dei geni per le catene pesanti (sul cromosoma 14)
Catena pesante di Catena pesante di IgMIgM Catena pesante di Catena pesante di IgDIgD
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XX
RiarrangiamentoRiarrangiamento dei geni per le catene pesanti (sul cromosoma 14)dei geni per le catene pesanti (sul cromosoma 14)
Catena pesante di Catena pesante di IgMIgM Catena pesante di Catena pesante di IgDIgD
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““SWITCHINGSWITCHING”” DIDI CLASSE (isotipico) CLASSE (isotipico) -- II
Splicing alternativo
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““SWITCHINGSWITCHING”” DIDI CLASSE (isotipico) CLASSE (isotipico) -- IIII
LVDJ-CHεεεε
LVDJ-CHαααα
LVDJ-CHγγγγ
Riarrangiamenti genomici
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““SWITCHINGSWITCHING”” DIDI CLASSE (isotipico) CLASSE (isotipico) -- IIII
LVDJ-CHεεεε
LVDJ-CHαααα
LVDJ-CHγγγγ
Riarrangiamenti genomici
X
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““SWITCHINGSWITCHING”” DIDI CLASSE (isotipico) CLASSE (isotipico) -- IIII
LVDJ-CHεεεε
LVDJ-CHαααα
LVDJ-CHγγγγ
Riarrangiamenti genomici
X
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Come avviene il Come avviene il riarrangiamentoriarrangiamento??
RSS
RSS=Recombination Signal Sequence
23 bp 10 bp 10 bp 23 bp 23 bp 10 bp
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RAG=Recombination-Activating Gene 1
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http://www.youtube.com/watch?v=AxIMmNByqtM
Video: VDJ Recombination
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Light chain Heavy chain
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Catena λλλλ = 35 segmenti genici LV
7 segmenti genici JC
Catena κκκκ = 40 segmenti genici LV
5 segmenti genici J
1 segmento genico C
Possibili 245 catene λλλλ, 200 catene κκκκ e 59.400 catene pesanti diverse
La varietà di anticorpi che può essere sintetizzata come risposta ad antigeni che
l’organismo non ha mai incontrato prima è praticamente infinita.
Nell’uomo:
Catene H = 44 segmenti genici V
25 segmenti genici D
6 segmenti genici J
9 segmenti genici C
59.400 x (245+200) = 26.433.000 molecole di anticorpo diverse
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GENERAZIONE DELLA DIVERSITAGENERAZIONE DELLA DIVERSITA’’ ANTICORPALE ANTICORPALE -- IIII
VariabilitVariabilitàà giunzionalegiunzionale
ee
IperIper--mutazionemutazione somaticasomatica
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5’- CCTCCC-
A-
C-
A-
G-
T-
G-
C
A
C
T
G
TGGTGG -3’
1 2 3 4
5’- CCTCCC – 3’
Pro Pro
5’- CCTTGG – 3’
Pro Trp
5’- CCTCGG – 3’
Pro Arg
5’- CCTCCG – 3’
Pro Pro
1 2 3 4
=
VariabilitVariabilitàà giunzionalegiunzionale
Si arriva a oltre 1 miliardo di combinazioni possibili!
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IperIper--mutazionemutazione somaticasomatica
� Ristretta alle regioni di DNA che codificano per le regioni variabili
(preferenzialmente su G o C)
� 10-2/divisione (≈104 volte > tasso di mutazione spontanea del DNA)
� Senza questo meccanismo il “range” di diversità anticorpale disponibile
sarebbe fissato alla nascita � rapido adattamento a nuovi antigeni
(maturazione dell(maturazione dell’’affinitaffinitàà))
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Regolazione dellRegolazione dell’’espressione dei geni delle Ig espressione dei geni delle Ig -- II
� I geni per le immunoglobuline sono espressi solo dopo
il loro assemblaggio: cosa ne attiva la trascrizione?
EnhancerEnhancer tessutotessuto--specificospecifico ���� il riarrangiamento lo avvicina al promotore
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Regolazione dellRegolazione dell’’espressione dei geni delle Ig espressione dei geni delle Ig -- IIII
ESCLUSIONE ISOTIPICAESCLUSIONE ISOTIPICA ���� il riarrangiamento del locus κ delle catene
leggere blocca il riarrangiamento a livello del locus λ
ESCLUSIONE ALLELICAESCLUSIONE ALLELICA ���� solo un riarrangiamento funzionale/cellula
� Le plasmacellule producono un solo tipo di anticorpo:
perché?
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Cell lossCell lossCell lossCell loss
Cell expresses Cell expresses Cell expresses Cell expresses IgMIgMIgMIgM((((κµκµκµκµ))))
Cell expresses Cell expresses Cell expresses Cell expresses IgMIgMIgMIgM((((λµλµλµλµ))))
κκκκ gene gene gene gene rearrangementrearrangementrearrangementrearrangementon first chromosomeon first chromosomeon first chromosomeon first chromosome
((((chrchrchrchr 2)2)2)2)
κκκκ gene gene gene gene rearrangementrearrangementrearrangementrearrangementon second chromosomeon second chromosomeon second chromosomeon second chromosome
((((chrchrchrchr 2)2)2)2)
Cell lossCell lossCell lossCell loss
λλλλ gene gene gene gene rearrangementrearrangementrearrangementrearrangementon first chromosomeon first chromosomeon first chromosomeon first chromosome
((((chrchrchrchr 22)22)22)22)
λλλλ gene gene gene gene rearrangementrearrangementrearrangementrearrangementon second chromosomeon second chromosomeon second chromosomeon second chromosome
((((chrchrchrchr 22)22)22)22)
VVVV----DJ rearrangementDJ rearrangementDJ rearrangementDJ rearrangementon first chromosomeon first chromosomeon first chromosomeon first chromosome
((((chrchrchrchr 14)14)14)14)
Early pro-B cell Late pro-B cell Pre-B cell Immature B cell
H-chain gene
rearrangement
H-chain gene
rearrangement
L-chain gene
rearrangement
No more
rearrangements
DDDD----J rearrangementsJ rearrangementsJ rearrangementsJ rearrangementson both chromosomeson both chromosomeson both chromosomeson both chromosomes
VVVV----DJ rearrangementDJ rearrangementDJ rearrangementDJ rearrangementon second chromosomeon second chromosomeon second chromosomeon second chromosome
((((chrchrchrchr 14)14)14)14)
Productive joinProductive join
NonNon--productive joinproductive join
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RECETTORI PER LRECETTORI PER L’’ANTIGENE IN LINFOCITI B e TANTIGENE IN LINFOCITI B e T
CL
CL
CH
CH
CH
CH
C H
V H
C L
V L
CH
VH
BcRBcR TcRTcR
Cαααα Cαααα
Vαααα Vββββ
• 2 catene α/β (95%) o δ/γ (5%)
• lega Ag complessato con MHC
• 1 sito di legame per l’Ag
• 2 catene leggere e 2 pesanti
• lega l’Ag solubile
• 2 siti di legame per l’Ag
εεεε εεεε δδδδγγγγ
ζζζζ ζζζζ
T cell receptor complex
CD3
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RIARRANGIAMENTO DEI GENI PER IL RIARRANGIAMENTO DEI GENI PER IL TcRTcR
V(D)J-C
VJ-C
Locus umano delle catene ββββ del TcR (cromosoma 7)
Locus umano delle catene αααα del TcR (cromosoma 14)
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http://www.youtube.com/watch?v=IPoBkvbCdi4
Video: Production of antigen receptors: