Viene definita antigene qualsiasi sostanza estranea che introdotta in un organismo sia capace di provocare la formazione di anticorpi e di reagire in modo specifico con essi inducendo una risposta immunitaria.
Caratteristiche Generali degli Antigeni
Gli antigeni in genere sono molecole complesse ad alto peso molecolare (maggiore di 10.000 dalton), spesso proteine o polisaccaridi, più raramente lipidi; gli acidi nucleici, invece, non presentano mai proprietà antigeniche, a meno che non abbiano subito alterazioni chimiche. Le proprietà antigeniche di una molecola dipendono dalla distribuzione spaziale sulla sua superficie di determinati gruppi chimici, i quali devono risultare estranei ai linfociti B, le cellule a partire dalle quali vengono prodotti gli anticorpi.
Ciascun pattern molecolare riconoscibile come non proprio (self) costituisce un determinante antigenico. La maggior parte degli antigeni possiede diversi determinanti antigenici, che costituiscono dunque un 'mosaico antigenico', ognuno dei quali stimola la proliferazione di specifici linfociti e quindi la produzione di specifici anticorpi. La risposta immunitaria a un antigene è la somma delle risposte dei linfociti ai diversi determinanti antigenici presenti in esso.
Nel caso delle proteine le proprietà antigeniche dipendono dalla loro struttura terziaria: denaturazioni che facciano perdere alla molecola questa struttura comportano quindi la perdita di antigenicità. Nonostante la maggior parte degli antigeni siano molecole di grandi dimensioni, in alcuni casi molecole più piccole, i cosiddetti apteni, come per es. Nell'uomo possono comportarsi come antigeni le molecole proteiche contenute in batteri, virus, protozoi, piante, cibi, veleno di serpenti, componenti del siero e le proteine che sono presenti sulla membrana di globuli rossi e di altri tipi cellulari.
Queste ultime sono gli antigeni che caratterizzano i vari gruppi sanguigni e il sistema di istocompatibilità, importanti per trasfusioni e trapianti. In alcune patologie il sistema immunitario non è in grado di distinguere le proprie molecole (self) da quelle estranee (non self) e quindi produce erroneamente anticorpi anche contro molecole proprie, che in questo caso vengono definite autoantigeni.
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La scoperta che modeste modifiche alla struttura dell'antigene possono eliminare le sue proprietà tossiche senza intaccarne quelle antigeniche è alla base dei processi di immunizzazione, per es. contro le tossine del tetano e della difterite.
Antigene: Un Ruolo Chiave nel Sistema Immunitario
Un antigene è una molecola riconosciuta come estranea o potenzialmente pericolosa dal sistema immunitario di un organismo, che la combatte attraverso la produzione di anticorpi. La maggior parte degli antigeni è in grado di produrre una risposta immunitaria specifica, finalizzata alla loro rimozione e coordinata dai linfociti T e B (le stesse cellule deputate al loro riconoscimento).
L'antigenicità è la capacità dell'antigene di combinarsi specificamente con anticorpi e recettori ad esso specifici (i recettori per l'antigene presenti sulle cellule T e B); l'immunogenicità, o potere "immunogeno", riflette invece la capacità dell'antigene di indurre una risposta immunitaria (mediata da cellule T e B). Pertanto ogni molecola immunogenica è anche antigenica, ma non tutti gli antigeni sono immunogeni.
Gli antigeni possono essere classificanti in endogeni o esogeni, a seconda che abbiano origine autoctone o estranee all'organismo. Questi ultimi penetrano nel corpo sotto forma di batteri, virus, sostanze chimiche, pollini ecc. e sono fagocitati (mangiati e digeriti) da apposite cellule (macrofagi, monociti e granulociti neutrofili).
Riconosciuti dai linfociti T helper, i quali secernono citochine stimolando la proliferazione di linfociti B attivati, macrofagi ed altre particelle. Di solito gli antigeni sono di natura proteica o polisaccaridica, ma anche elementi più semplici (metalli, frammenti di DNA ecc.) possono divenire antigenici ed immunogenici combinandosi con le proteine proprie dell'organismo e modificandole.
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Interazione Antigene-Anticorpo: Un'Analisi Dettagliata
Il riconoscimento specifico degli antigeni estranei all'organismo da parte di strutture complementari sulla superficie dei linfociti B e T rappresenta il primo passaggio nella sequenza di eventi che portano all'attivazione del sistema immunitario. Due classi distinte di molecole, entrambe appartenenti alla superfamiglia delle immunoglobuline, sono responsabili del legame dell' antigene: gli anticorpi, che funzionano sia come recettori sui linfociti B sia come molecole effettrici rilasciate nel torrente circolatorio dalle plasmacellule, e i recettori delle cellule T (TCR), che si presentano solo nella forma legata alla membrana.
Mentre gli anticorpi riconoscono l'antigene nella sua forma nativa, i TCR lo riconoscono solo quando esso si trova sotto forma di peptidi legati a molecole del complesso maggiore di istocompatibilità (MHC). I TCR interagiscono anche con una classe di proteine patogene e immunostimolatrici di origine batterica o virale, note come 'superantigeni'.
Il principale modello dell' interazione antigene-anticorpo è rappresentato dalla struttura tridimensionale delle sei anse CDR la quale riconosce e lega una superficie antigenica specifica, l'epitopo, che è determinata dalla struttura tridimensionale dell'antigene. Le interazioni tra gli anticorpi e le proteine antigeniche, gli antigeni più comuni e diversificati con cui il sistema immunitario viene in contatto, si verificano attraverso ampie aree complementari dal punto di vista sterico ed elettrostatico.
Il modello più studiato di interazione tra antigene e anticorpo è quello dell'anticorpo antilisozima di topo D1.3, una IgG1, K prodotta nella risposta secondaria diretta contro il lisozima dell'albume d'uovo di gallina (HEL, Hen Egg Lysozyme). Sedici residui amminoacidici di HEL formano l'epitopo conformazionale discontinuo riconosciuto da D1.3. Diciassette amminoacidi dell'anticorpo vengono a contatto con l'epitopo: 10 residui sono situati sulla catena H e gli altri 7 sulla catena L.
Struttura delle Immunoglobuline G (IgG)
Le immunoglobuline G (IgG) sono omotetrameri composti da due catene polipeptidiche identiche di circa 250 amminoacidi (catene leggere o L) e da altre due catene, anch'esse identiche, di circa 450 amminoacidi (catene pesanti o H). Ogni catena L contiene due regioni o domini formati da due foglietti β antiparalleli, mentre ogni catena H ne comprende almeno 4. Questi domini a foglietti β sono molto simili dal punto di vista della struttura e sono stati denominati ripiegamento dell'immunoglobulina.
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l domini amminoterminali variabili (V) delle catene L e H contengono entrambi tre anse che collegano i filamenti β e che presentano una lunghezza e una sequenza molto diverse tra un anticorpo e l'altro. Queste sono le cosiddette regioni ipervariabili o regioni determinanti la complementarità (CDR, Complementarity Determining Regions); esse formano una struttura all'estremità della molecola di immunoglobulina che è complementare all'antigene.
Alanine Scanning Mutagenesis
Per rispondere a questa domanda, è stata applicata, a tutti i residui di D1.3 e di HEL in contatto tra loro nella struttura cristallina, la tecnica alanine scanning mutagenesis, una procedura in cui gli amminoacidi coinvolti nei legami vengono mutati in alanina. Successivamente, sono state misurate le affrnità delle proteine mutanti allo scopo di determinare il contributo dei singoli residui alla formazione del complesso (Dall'Acqua et al., 1996).
In figura (fig. 2) è mostrata la perdita relativa di energia libera di legame (∆∆G) per singole sostituzioni con alanina in D1.3 e HEL, mappate sulla struttura tridimensionale di ogni proteina. Come si può vedere, l'energia di legame a HEL è dominata da solo 3 dei 13 contatti amminoacidici analizzati mediante mutazione dei singoli residui in alanina (∆∆G > 10,5 kJ/mol): il triptofano 92 nel dominio VL, l'acido aspartico 100 e la tirosina 101 nel dominio VH. Questi amminoacidi formano un'area al centro dell'interfaccia e sono circondati da residui i cui apparenti contributi sono molto meno pronunciati (∆∆G < 6 kJ/mol).
Analogamente, riduzioni significative nella capacità di legare D1.3 sono state osservate solo per 4 delle 12 posizioni di contatto di HEL: la glutammina 121, l'isoleucina 124, l'arginina 125 nel dominio VH e l'acido aspartico 119 nel dominio V L. Questi residui formano un' area contigua collocata alla periferia della superficie che entra in contatto con l'antigene (v. figura 2). Di conseguenza, la formazione del complesso D1.3-HEL risulta mediata da poche interazioni produttive che, da sole, dominano le energie di associazione.
Interazione TCR-Peptide/MHC
Il riconoscimento dell'antigene da parte delle cellule T è mediato dai TCR (T Cell Receptor, recettore delle cellule T), eterodimeri, legati da un ponte disolfuro, composti da catene α e β (o γ e δ) che presentano regioni variabili (V) e costanti (C) molto simili, nella loro struttura di fondo, a quelle degli anticorpi. L'interazione dei TCR con i relativi ligandi specifici, i complessi formati da peptidi antigenici e molecole MHC del self, è responsabile del destino delle cellule T (Jameson et al., 1995).
l timociti, i precursori delle cellule T che esprimono in modo donale i TCR sulla propria superficie, sviluppano il loro repertorio e maturano a cellule T nel timo prima di migrare alla periferia. l timo citi che presentano TCR con moderata affinità (KD = 10 ÷ 100 μM) per i complessi peptide/MHC self vanno incontro a 'selezione positiva' e vengono risparmiati dall'apoptosi (Alam et al., 1996). Al contrario, i timociti nei quali i TCR legano troppo strettamente peptidi/MHC self vengono 'selezionati negativamente' e, come quelli privi di affinità per peptidi MHC/self, muoiono senza raggiungere la periferia, o diventano incapaci di provocare una reazione immunitaria.
In questo modo, durante lo sviluppo timico, vengono eliminate le cellule T autoreattive più pericolose. Sorprendentemente, la differenza di affrnità tra ligandi di cellule T che vengono selezionati positivamente e negativamente è relativamente piccola, con valori tra 3 e 10. Quindi, si pensa che i TCR analizzino molti diversi ligandi peptidi/MHCself per evidenziare quelli che forniscono il grado appropriato (né troppo elevato né troppo basso) di stabilizzazione del complesso, necessario per la selezione positiva.
Il processo di selezione genera un pool di cellule T mature nella periferia che, per la maggior parte, reagiscono fortemente solo nei confronti di peptidi estranei presentati nel contesto delle molecole MHC self. Studi di cristallografia a raggi X (fig. 3) hanno mostrato che la struttura complessiva dei TCR somiglia a quella dei frammenti Fab degli anticorpi (Bentley et al., 1995; Fields et al., 1995; Garboczi et al., 1996; Garcia et al., 1996).
Struttura del TCR
La regione V del TCR è costituita da domini Vα e Vβ, simili a quelli delle immunoglobuline, collegati da piccoli segmenti peptidici ai domini Cα e Cβ della regione C. Il relativo orientamento dei domini Vα e Vβ è simile a quello dei domini VL e VH. Analogamente, i singoli CDR (a eccezione del CDR2 di Va) si trovano in posizioni quasi equivalenti nei TCR e negli anticorpi.
Le nostre conoscenze attuali sulle interazioni TCR-peptide/MHC si basano sulle strutture cristalline di due complessi TCR-peptide/MHC di classe I (Garboczi et al., 1996; Garcia et al., 1998): il complesso tra il TCR 2C e un peptide self (dEV8), proveniente da una proteina mitocondriale coinvolta nella respirazione, legato alla molecola MHC di classe I H-2Kb; il complesso tra il TCR A6 e un peptide virale (Tax), derivante dalla proteina HTLV-l, legato alla molecola MHC di classe I HLA-A2.
L'area di superficie totale nascosta a livello dell' interfaccia è simile nei due complessi TCR-peptide!MHC, e occupa approssimativamente 1800 Å2; il peptide risulta coperto molto più profondamente da parte dell'MHC che non dal TCR. La catena α del TCR copre i residui amminoterminali del peptide, mentre la catena β stabilisce contatti con i residui carbossiterminali (tab. I).
I CDR l α e l β sono adagiati tra le α-eliche della catena pesante dell'MHC di classe I e, contemporaneamente, sono in contatto con il peptide e la molecola MHC. I CDR 2α e 2β interagiscono esclusivamente con l'MHC e sono posti direttamente sopra le eliche α2 e αl, rispettivamente. I CDR 3α e 3β sono quindi posizionati in modo tale da 'ispezionare' quanto è contenuto nel solco dove si lega il peptide. Sembra che questa disposizione tragga pieno vantaggio dalla diversità di sequenza dei TCR.
Il CDRI e il CDR2 sono codificati dai geni della linea germinale Vα e Vβ. Al contrario, il CDR3α e il CDR3β sono il risultato di eventi di ricombinazione a livello delle giunzioni Vα-Jα e Vβ-Dβ-Jβ, e mostrano quindi una variabilità molto più elevata. Pertanto, essi sono posizionati in modo tale da interagire con il peptide legato, la cui diversità è naturalmente molto più grande di quella delle molecole MHC che lo ospitano. Comunque, è opportuno notare che anche i CDRI entrano in contatto con il peptide. Similmente, anche i CDR3 contattano l'MHC (v. tabella l). In tal modo, il riconoscimento del complesso peptide/MHC risulta mediato da combinazioni particolari di CDR, unici per ogni sito di legame del TCR.
Tabella: Interazioni tra CDR e MHC
| CDR | Interazione |
|---|---|
| CDR1α e CDR1β | Contatto con peptide e molecola MHC |
| CDR2α e CDR2β | Interazione esclusiva con MHC |
| CDR3α e CDR3β | Ispezione del solco di legame del peptide |
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