Il termine "superantigene" è stato proposto da J. White nel 1989 per descrivere un gruppo di molecole capaci d'interagire e di attivare i linfociti T tramite un meccanismo completamente diverso da quello attuato dagli antigeni convenzionali e dai mitogeni.
Lo studio del prodotto di certi loci genetici presenti nel topo, dei quali solo nel 1991 è stata definita l'origine virale e che per anni sono stati definiti Minor lymphocyte stimulating o Mls, ha successivamente contribuito ad approfondire le conoscenze attuali delle proprietà biologiche di queste sostanze. A causa della loro origine, gli Mls sono stati anche denominati s. endogeni e quindi, per analogia, le enterotossine sono state definite s. esogeni.
Meccanismo d'azione dei superantigeni
I s. possiedono caratteristiche che li differenziano notevolmente da mitogeni e antigeni convenzionali. Mitogeni come fitoemoagglutinina, concanavalina A e pokeweed attivano linfociti indipendentemente dalla specificità di questi ultimi, provocando quindi quella che viene definita un'attivazione policlonale.
Gli antigeni convenzionali, al contrario, non interagiscono con i linfociti T nella loro forma nativa, ma subiscono una serie di modificazioni prima di poter esercitare la loro azione sulle cellule del sistema immune. Essi, infatti, devono essere fagocitati e trasportati all'interno di cellule specializzate, macrofagi o cellule presentanti l'antigene, dove vengono frammentati in tante catene aminoacidiche più corte (della lunghezza di 10÷20 aminoacidi), denominate peptidi.
Solo dopo questo processamento gli antigeni vengono presentati sulla superficie cellulare in associazione a un'altra molecola, codificata dai geni del complesso maggiore d'istocompatibilità (Human Leucocytic Antigen, HLA). Questi due fenomeni, denominati processamento e presentazione, permettono alla proteina d'interagire con i linfociti T che esprimono in superficie un recettore, specifico per l'antigene, chiamato TCR (T Cell Receptor o recettore per l'antigene delle cellule T).
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Ogni antigene può essere quindi riconosciuto, complessato alle molecole del sistema HLA, solo dalle poche cellule che esprimono il recettore specifico. Il legame tra recettore e ligando specifico provoca aumento di Ca++ intracellulare, il crollo dei livelli di fosfatidilinositolo e conseguente attivazione e proliferazione dei linfociti T. Si viene perciò a determinare un'attivazione ''clonale'', cioè soltanto di quel determinato clone.
Nel 1988 due gruppi di ricercatori, uno svedese e uno tedesco, riuscirono a dimostrare l'esistenza di nuove sostanze, denominate in seguito s., che, come gli antigeni convenzionali, attivano essenzialmente i linfociti T helper, ma con un'intensità di stimolazione estremamente più elevata: se la frequenza di risposta a un antigene convenzionale è dell'ordine di una cellula su 10.000, la frequenza di risposta a un s. si aggira tra una cellula su 5 e una cellula su 50.
La differenza essenziale tra antigeni e s. consiste però nella loro modalità di legame al TCR: gli antigeni convenzionali interagiscono con entrambe le regioni variabili del recettore, mentre i s. reagiscono esclusivamente con una sola delle due porzioni variabili che compongono il TCR (fig. È stata proprio la delucidazione della struttura e organizzazione molecolare del TCR a dare notevole impulso al le conoscenze sul meccanismo d'azione dei superantigeni. Tale recettore è presente sulla superficie cellulare in 2 forme simili, ma geneticamente distinte: TCRAB e TCRGD; entrambe sono eterodimeri di peso molecolare di circa 90 KD.
Le cellule che esprimono il recettore TCRGD sono capaci di produrre linfochine e, salvo alcuni casi, non necessitano dell'associazione a prodotti dell'MHC (Major Histocompatibility Complex) per poter svolgere attività citolitica. La specificità delle cellule TCRGD e la relazione tra il loro differenziamento e quello delle cellule TCRAB, non sono ancora ben conosciute. Molte informazioni sono invece disponibili sulla struttura, organizzazione e funzione del TCRAB.
L'organizzazione di tali geni è molto complessa e del tutto simile a quella dei geni preposti alla sintesi delle immunoglobuline. Esiste un solo gene che codifica per la regione costante della catena A (TCRAC), mentre vi sono due geni distinti che codificano per la regione costante della catena B (TCRBC1 e TCRBC2). La parte variabile della catena TCRB è codificata da 3 segmenti genici differenti, ciascuno dei quali può a sua volta essere codificato da un numero variabile di geni presenti non appaiati sul cromosoma.
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Le tre porzioni, denominate V (variabile), D (diversità) e J (giunzione), sono sparse sul cromosoma della linea germinale, ma si associano tramite riarrangiamenti per costituire a livello dei linfociti T maturi le regioni variabili funzionali. Nell'uomo i segmenti V della catena B finora identificati sono circa 60 e vengono suddivisi, in base a omologie di sequenza, in varie sottofamiglie, alcune delle quali sono composte da più di un membro. I segmenti D sono presenti solo sulla catena B in quanto la catena A deriva dai riarrangiamenti delle sole regioni V e J. Nell'uomo sono state identificate circa 25 famiglie TCRAV, che comprendono un centinaio di diverse sequenze (fig.
Anche i meccanismi che presiedono al riarrangiamento del TCR sono del tutto simili a quelli che avvengono per le immunoglobuline. Durante la maturazione della cellula T, un gene V si appaia a uno D e a uno J per formare un segmento che dà origine a quella che globalmente viene definita regione variabile della catena B. Analogamente, un gene V e uno J si riuniscono per formare una regione TCRAV.
Come per i geni delle immunoglobuline, ciascun componente funzionale V, D e J del TCR è fiancheggiato, in posizione 3′ rispetto a V, 5′ rispetto a J e su entrambe le estremità D, da sequenze conservate di 7 basi (eptamero) e di 9 basi (nonamero), separate rispettivamente da 12 e 23 nucleotidi. Questi elementi seguono la regola ''12/23''; secondo tale regola un elemento (eptamero o nonamero) separato da 12 nucleotidi si appaia con un elemento omologo separato da 23 nucleotidi.
Tutto ciò provoca la formazione di una struttura a gambo (stem loop) che rende colineari i segmenti V, D e J, i quali riarrangiano mediante delezione o escissione del DNA presente tra i segmenti riarrangiati. L'RNA che si forma sulla base della sequenza di DNA riarrangiato contiene le sequenze V, D e J accoppiate, ma è ancora separato dalla parte che codifica per la regione costante, che viene però eliminata tramite un processo di splicing con conseguente formazione dell'RNA messaggero.
Tutti i 5 prodotti codificati dai geni della regione variabile di immunoglobuline e TCR partecipano al processo di riconoscimento dell'antigene presentato nel contesto di HLA, ma vi sono regioni che sembrano avere un ruolo predominante rispetto ad altre. Nelle immunoglobuline, per es., vi sono regioni che partecipa-no più direttamente al legame con i peptidi antigenici. L'analisi della struttura tridimensionale del complesso antigene-anticorpo ha provato che anche i residui aminoacidici che si trovano al di fuori della regione ipervariabile possono interagire con l'antigene.
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L'interazione dei s. con il TCR è caratterizzata da meccanismi completamente differenti. Innanzitutto, studi recenti hanno dimostrato che il legame dei s. con le molecole MHC avviene in una zona situata al di fuori della regione deputata all'interazione con l'antigene processato e, a differenza di quanto avviene per gli antigeni convenzionali, i s. non hanno bisogno di essere processati per poter associarsi alle molecole MHC.
Il complesso s.-MHC possiede, a questo punto, la capacità di legarsi esclusivamente con certe porzioni TCRBV, indipendentemente dalla presenza delle altre regioni TCRAV, TCRAJ, TCRDB e TCRBJ. L'utilizzo di anticorpi monoclonali che riconoscono le varie catene TCRBV, ma soprattutto la tecnica che meglio si presta a questo scopo, la Polymerase Chain Reaction (PCR), hanno evidenziato che ogni tipo di complesso s.-MHC può interagire con una o più regioni V della catena TCRBV.
Oltre alla proprietà caratteristica ed esclusiva di queste sostanze di ''super'' attivare le cellule con specifici segmenti TCRBV, i s. posseggono anche la capacità d'indurre nei linfociti T attivati uno stato di anergia. Questo si traduce nell'impossibilità dei linfociti che sono venuti a contatto con i s. di rispondere in maniera efficiente a qualsiasi successivo stimolo antigenico convenzionale. In alcune situazioni sperimentali è stato inoltre dimostrato che i linfociti attivati possono andare incontro a quella che viene definita apoptosi, che può essere considerata una specie di suicidio cellulare.
La rilevanza di queste ultime proprietà dei s. è attualmente oggetto di intensi studi, soprattutto per quanto riguarda il loro possibile coinvolgimento in alcune condizioni patologiche. Le ricerche in questo senso, anche iniziate solo recentemente, sembrano infatti suggerire un ruolo dei s. nell'eziologia di alcune malattie infettive e autoimmuni. Ormai a uno stadio più avanzato, almeno nel sistema murino, sono invece gli studi miranti a stabilire il ruolo dei s.
Superantigeni esogeni - Origine batterica
L'interazione tra l'organismo umano e i batteri che lo colonizzano è regolata da meccanismi molto complessi: molti microrganismi, per es., non sono dannosi in condizioni normali, ma possono diventare estremamente pericolosi per l'ospite quando la normale omeostasi viene alterata, il sistema immune è compromesso, o quando essi sono in grado di sintetizzare nuovi e dannosi prodotti. È proprio tra le molecole nocive per l'organismo che si possono includere i s. (tab. 1).
Quando particolari ceppi di Staphylococcus aureus colonizzano gli alimenti, rilasciano una o più enterotossine, chiamate enterotossina stafilococcica A (SEA), B (SEB), C1, C2 e C3 (SEC1, SEC2, SEC3), D (SED) ed E (SEE), distinguibili tra di loro mediante l'uso di specifici antisieri policlonali. Tali sostanze, dopo qualche ora dall'ingestione degli alimenti contaminati, provocano brividi, nausea, vomito e diarrea, sintomi che cessano solo quando gli enzimi intestinali hanno degradato le enterotossine.
Dallo stesso microrganismo da cui sono state isolate le enterotossine è stata identificata, nel 1980, un'altra molecola con le medesime proprietà, la TSST1, ritenuta causa dello shock tossico da tampone igienico. Forse anche l'esotossina A dello Pseudomonas aeruginosa e un costituente della Yersinia enterocolitica hanno un'attività superantigenica, ma le prove in questo senso non sono ancora decisive.
Anche certe preparazioni di proteina M dello Streptococcus pyogenes, molecola isolata per la prima volta più di 50 anni orsono, sembrano presentare attività superantigenica. Il dato era stato inizialmente messo in discussione perché, dopo purificazione estrema, le preparazioni di proteina M perdevano l'attività mitogenica.
Questo, però, è un problema legato a tutte le preparazioni proteiche derivate da streptococchi e stafilococchi: è infatti possibile che nel prodotto non perfettamente purificato rimangano tracce di alcune esotossine estremamente potenti, che possono produrre drammatici effetti mitogenici. Tali esotossine, però, non sono mai state evidenziate con alcun metodo biochimico.
Molto recentemente è stato dimostrato che anche un peptide del tossoide tetanico, comprendente la regione 830-844, sembra avere le caratteristiche di un superantigene. La lista di sostanze con attività superantigenica è probabilmente ancora incompleta ed è prevedibile che negli anni futuri gli studi porteranno all'identificazione di un numero sempre più rilevante di sostanze con tali caratteristiche.
La straordinaria capacità delle enterotossine d'indurre l'attivazione massima delle cellule del sistema immune era già stata notata da alcuni decenni dai patologi. Innanzitutto il tessuto intestinale dei pazienti con intossicazione da stafilococco appariva al microscopio straordinariamente integro, ed era chiaro perciò che non erano i batteri ad aggredire direttamente le cellule specializzate nella regolarizzazione del passaggio di sostanze nutritizie dall'apparato digerente al circolo ematico: dunque la severa intossicazione alimentare doveva essere provocata da una sostanza solubile, secreta dal microrganismo.
La presenza di un gran numero di linfociti nella sede dell'infiammazione non aveva stupito e, inizialmente, era stata ritenuta una normale risposta immunitaria all'infezione, la stessa che avviene dopo una qualsiasi invasione batterica. Solo più tardi ci si rese conto che l'accumulo di globuli bianchi era del tutto peculiare, in quanto veramente massiccio e costituito quasi esclusivamente da linfociti T.
Ma ancora più importante fu la dimostrazione che proprio delle proteine secrete dai batteri, le enterotossine, inducevano così facilmente la proliferazione dei linfociti T, e che bastavano quantità davvero minime di tali sostanze per scatenare l'attivazione delle cellule del sistema immune. Il termine s. era stato suggerito proprio dalla straordinaria ''super'' capacità delle enterotossine di promuovere la stimolazione di un numero molto elevato di linfociti T.
Alla ''super'' attivazione del sistema immune si accompagnano, inevitabilmente, altre modificazioni del sistema stesso. Si assiste infatti a un notevole incremento della produzione d'interferone gamma (IFN-γ), di Tumor Necrosis Factor (TNF) e d'interleuchina 2 (IL-2), prodotta dai linfociti T helper. Infatti, di per sé, questi ultimi non attaccano direttamente i microrganismi patogeni, ma hanno il compito di dirigere e regolare la risposta immune, affidando proprio alle citochine il compito di attivare i linfociti T killer o citotossici che però non si limitano a uccidere solo le cellule infettate.
La compromissione dell'organismo diventa drammatica quando si verificano infezioni con ceppi di Staphylococcus aureus che si riproducono attivamente nell'organismo. Il paziente, di conseguenza, è esposto a una maggiore quantità di tossina, e, quindi, a livelli più elevati e mantenuti più a lungo di IL-2, può presentare, oltre ai sintomi d'intossicazione alimentare, anche un quadro da shock tossico, estremamente grave, a volte fatale.
Struttura, organizzazione molecolare e interazione con il TCR
La comprensione della struttura delle enterotossine è merito, in gran parte, di un gruppo di ricercatori dell'università del Wisconsin che, intorno agli anni Settanta, ha determinato la sequenza aminoacidica del SEB. Tutte le enterotossine secrete dallo Staphylococcus aureus sono proteine di medie dimensioni (il loro peso molecolare è di circa 22÷30 KD), ricche in aminoacidi idrofilici.
Esse sono composte principalmente di strutture beta, quindi con uno scheletro proteico disteso anziché avvolto su se stesso. Le molecole sono perciò assai poco compatte e con gran parte della superficie esposta all'ambiente acquoso; ciò favorisce la loro interazione.
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