Anticuerpos

Los anticuerpos , las inmunoglobulinas ,  son grandes proteínas globulares del plasma sanguíneo secretadas por las células plasmáticas del sistema inmunitario y sirven para neutralizar las células patógenas ( bacterias , hongos , parásitos multicelulares ) y virus , así como venenos proteicos y algunas otras sustancias extrañas. Cada anticuerpo reconoce un elemento único del patógeno que está ausente en el cuerpo mismo: un antígeno , y dentro de un antígeno dado, una determinada parte de él, un epítopo . Al unirse a los antígenos en la superficie de los patógenos, los anticuerpos pueden neutralizarlos directamente o reclutar otros componentes del sistema inmunitario, como el sistema del complemento y los fagocitos , para destruir células extrañas o partículas virales. Los anticuerpos son un componente esencial de la inmunidad específica humoral .

Los anticuerpos (inmunoglobulinas) forman una superfamilia de proteínas . La molécula de anticuerpo tiene forma de Y, en los dos extremos de la molécula se encuentran dos sitios de unión a antígeno idénticos, y el tercer extremo puede ser de varios tipos, dependiendo de ello, los anticuerpos se asignan a una u otra clase. La composición de un anticuerpo en la mayoría de los casos incluye dos cadenas pesadas y dos cadenas ligeras . En los mamíferos, hay cinco tipos de cadenas pesadas: α, γ, δ, ε y μ, que corresponden a cinco isotipos (clases) de anticuerpos: IgA , IgG , IgD , IgE e IgM [1] . Los anticuerpos de cada isotipo difieren de los demás en funciones y características estructurales. La enorme variabilidad de los anticuerpos la proporcionan los reordenamientos de los loci que codifican las cadenas pesadas y ligeras durante la recombinación V (D) J.

La formación de anticuerpos que reconocen las proteínas normales del cuerpo ( autoanticuerpos ) es la base para el desarrollo de enfermedades autoinmunes , como el lupus eritematoso sistémico , la artritis reumatoide y otras. La ausencia total o parcial de anticuerpos conduce al desarrollo de estados de inmunodeficiencia .

Edificio

Las moléculas de inmunoglobulina (anticuerpo) tienen la forma de la letra "Y" y consisten en dos cadenas polipeptídicas livianas idénticas y dos cadenas polipeptídicas pesadas idénticas unidas entre sí por enlaces disulfuro. Las cadenas polipeptídicas en los extremos "superiores" de la "letra Y" terminan con grupos amino y son sitios de unión a antígeno, la "pata", con grupos carboxilo [2] .

Se conocen formas de anticuerpos solubles y de membrana . Los anticuerpos de membrana se encuentran en los linfocitos B y se denominan receptores de células B. Los anticuerpos solubles tienen una estructura casi idéntica a los de membrana, las diferencias se refieren solo a la parte C-terminal (constante). Una molécula de inmunoglobulina monomérica tiene un peso molecular de 150-170 kDa y consta de cuatro cadenas polipeptídicas : dos cadenas ligeras o cadenas L (en inglés Lite ) (masa de 50-60 kDa) y dos cadenas pesadas o cadenas H (en inglés Heavy ) (masa 100-120 kDa), que están dispuestas simétricamente y conectadas por enlaces disulfuro . Las cadenas H y L están conectadas por un solo enlace disulfuro ubicado cerca del extremo C-terminal de la cadena ligera, los enlaces disulfuro restantes mantienen unidas las cadenas H. La composición de las cadenas ligeras incluye dos segmentos homólogos ( dominios ) y cadenas pesadas - 4-5 dominios. Los dominios constan de aproximadamente 110 residuos de aminoácidos (a.a.) y tienen una estructura espacial similar que está estabilizada por un solo enlace disulfuro, pero sus funciones difieren [3] . Estos dominios son los llamados dominios de inmunoglobulina que contienen un motivo estructural característico , conocido como pliegue de inmunoglobulina, representado por dos capas β que interactúan entre sí a través de enlaces disulfuro e interacciones electrostáticas , formando algo así como un sándwich [4] . Los dominios interactúan entre sí a través de interacciones hidrofóbicas [5] .   

Los extremos N de todas las cadenas participan en el reconocimiento de antígenos, es decir, forman dos sitios de unión a antígeno idénticos. La correspondencia entre las estructuras del antígeno (más precisamente, parte de la molécula del antígeno - epítopo ) y el sitio de reconocimiento del antígeno del anticuerpo, o paratope , desempeña un papel clave en el proceso de reconocimiento del antígeno , de acuerdo con la "clave principio de "bloqueo". La especificidad de las inmunoglobulinas está determinada por la secuencia de aminoácidos de los dominios de reconocimiento de antígenos, que se denominan dominios variables o V (también se denominan regiones F V ). El sitio de unión al antígeno está formado por dominios V de cadenas pesadas y ligeras (dominios VH y VL , respectivamente). Está formado por bucles variables de hojas β, tres de los cuales pertenecen a dominios VL y los tres restantes pertenecen a dominios VH. Estos bucles a veces se denominan regiones determinantes de la complementariedad ( CDR ) [6 .  Las CDR también se conocen como regiones hipervariables. En una molécula de inmunoglobulina, generalmente hay 3 regiones hipervariables, cuya posición en la cadena puede ser diferente. Además, cada dominio V incluye 4 regiones de composición relativamente constante (regiones de marco) [7] . La altísima variabilidad de las CDR proporciona una enorme variedad de inmunoglobulinas [8] .

Los dominios restantes de la molécula de inmunoglobulina tienen una estructura fija, por lo que se denominan dominios constantes o C. La cadena L contiene un dominio C (denominado C L ), y la cadena H contiene 3 o 4 dominios, que se denotan C H 1, C H 2, C H 3, C H 4. Los dominios C no están involucrados en el reconocimiento de antígenos. y son necesarios para la interacción con los receptores de las células inmunitarias , la activación del sistema del complemento y otras funciones efectoras [3] .

La proporción de posiciones hipervariables en los dominios V es pequeña en comparación con las posiciones relativamente invariantes y asciende al 15-20% de todos los residuos de aminoácidos. Además, en la evolución de los vertebrados , los dominios V resultaron estar más conservados que los dominios constantes, y su conservadurismo se asocia con regiones constantes. Así, la homología de los dominios VL entre tigre y tiburón de Galápagos es de alrededor del 75%, y entre humanos y perros  , de alrededor del 50% [9] .

Un anticuerpo se llama monoespecífico si puede reconocer solo un antígeno o epítopo, y biespecífico si se une a dos antígenos diferentes o dos epítopos diferentes dentro de un antígeno [10] . Algunos anticuerpos se denominan polivalentes, o no específicos, si reconocen varios antígenos [11] .

Bajo la acción de las proteasas , las moléculas de inmunoglobulina se escinden en fragmentos que tienen nombres especiales. Entonces, la papaína divide la molécula de inmunoglobulina en tres fragmentos: dos fragmentos Fab (del Fragmento inglés de  unión al antígeno ) y un fragmento Fc (del Fragmento inglés  cristalizable ). Los fragmentos Fab contienen dominios V, así como dominios C L y CH 1, mientras que Fc contiene los dominios C restantes y enlaces disulfuro que los conectan. La pepsina corta la molécula de inmunoglobulina de forma ligeramente diferente y produce un fragmento F(ab') 2 de unión a antígeno bivalente y un fragmento Fc' truncado [12] .

La región del dominio C contiene la mayoría de los sitios que interactúan con los receptores celulares, como los receptores Fc . Así, el dominio Cγ2 contiene sitios de unión para el componente del complemento C4b, así como para los receptores FcγRI y FcγRII. El sitio de unión de FcγRIII está localizado en el dominio Cγ3. La duración de la permanencia del anticuerpo en el torrente sanguíneo depende de la estructura del dominio C H 2 [8] . Entre los dominios C H 1 y C H 2 hay una región que es diferente en longitud en las cadenas H de diferentes isotipos y no forma parte de los dominios. Debido al alto contenido de prolina , esta región es muy flexible y, por lo tanto, también se denomina región bisagra. Es en él donde se ubican los sitios de escisión de las inmunoglobulinas por las proteasas [13] .

Las moléculas de anticuerpos sufren glicosilación , es decir, son glicoproteínas . Las cadenas L están desprovistas de sitios de glicosilación estables, y en las cadenas H están presentes en todos los dominios, excepto en el variable (la mayoría de ellos están en el dominio C H 2). Hay más sitios de N-glicosilación en los anticuerpos que sitios de O-glicosilación . El componente carbohidrato de los anticuerpos no afecta su especificidad, sin embargo, la glicosilación es necesaria para estabilizar las características funcionalmente importantes de la molécula, proporciona interacción con las lectinas , determina las características del catabolismo y las propiedades biológicas de los anticuerpos. Los fragmentos de carbohidratos en la composición de los anticuerpos suelen tener una base de residuos de manosa y quitobiosa [14] .

Clases

Las cadenas pesadas y ligeras existen en varias variantes que difieren en estructura y función y, por lo tanto, los anticuerpos se dividen en clases o isotipos. Hay dos tipos de cadenas L (κ y λ) y cinco isotipos de cadenas H (μ, γ, α, δ y ε). Una molécula de inmunoglobulina puede contener solo cadenas H de un tipo. Hay cinco tipos principales de anticuerpos en mamíferos: IgM, IgG, IgA, IgD e IgE ( las letras latinas en los nombres de las clases de anticuerpos corresponden a las letras griegas en la designación de los isotipos de cadena H). Las inmunoglobulinas de las clases IgG e IgA se dividen en subclases (subtipos), también según las características de las cadenas H. Las inmunoglobulinas de todas las clases pueden pertenecer a los tipos K y L, dependiendo de la presencia en su composición de cadenas L de tipo κ o λ, respectivamente [15] . Los diferentes isotipos de cadenas H tienen un número diferente de dominios C: las cadenas γ, α y δ tienen cada una 3 dominios C, y las cadenas μ y ε contienen cada una 4 dominios C [8] . Las clases de anticuerpos también difieren en el grado de glicosilación, en particular, los anticuerpos de la clase IgG son los menos glicosilados [14] .

Las principales propiedades de las clases de anticuerpos se enumeran en la siguiente tabla [15] .

Además de las clases de anticuerpos de mamíferos enumeradas anteriormente, algunos vertebrados tienen otras clases de anticuerpos. Por ejemplo, los peces óseos tienen una clase especial de anticuerpos IgT/Z, mientras que los anfibios , los reptiles y las aves tienen inmunoglobulinas Y (IgY), que consisten en dos cadenas pesadas y dos ligeras y se acumulan en grandes cantidades en la yema de huevo [16] . Los peces cartilaginosos y los mamíferos de la familia de los camélidos tienen anticuerpos de cadena pesada que carecen de cadenas ligeras. Se cree que los anticuerpos de cadena pesada cartilaginosos y de camélidos son el resultado de una evolución convergente y aparecieron en relación con características funcionales. Alrededor del 50% de los anticuerpos de camellos y especies relacionadas son anticuerpos de cuatro cadenas típicos de mamíferos. No se sabe si hay animales que solo tienen anticuerpos de cadena pesada [17] .

Funciones

Las principales funciones de los anticuerpos en el sistema inmunitario incluyen:

• neutralización , durante la cual los anticuerpos neutralizantes bloquean parte de la superficie de una célula bacteriana o virión y los inactivan;
• aglutinación , en la que los anticuerpos "pegan" las células extrañas en grumos, que se destruyen por fagocitosis ;
• precipitación , durante la cual los anticuerpos recolectan antígenos solubles en plasma en grupos que precipitan y sufren fagocitosis;
• activación del complemento, en la que los anticuerpos se adhieren a la superficie de una célula patógena, por lo que los componentes del sistema del complemento pueden atacarla, provocar su lisis y desencadenar la inflamación [18] .

Los anticuerpos que se unen a la superficie de una célula extraña activan el primer componente de la cascada del complemento a través de sus regiones Fc; esta vía de activación del complemento se denomina vía clásica de activación del complemento [19] . Como resultado, una célula recubierta de anticuerpos puede morir de dos formas. En primer lugar, la unión de anticuerpos y componentes del complemento a la superficie celular la marca como un objetivo para la destrucción por parte de los fagocitos, que son atraídos hacia la célula por algunos componentes de la cascada del complemento. En segundo lugar, los componentes del complemento forman un complejo de ataque a la membrana en la superficie celular, lo que provoca su muerte como resultado de la lisis [20] .

Para contrarrestar la multiplicación de patógenos extracelulares, los anticuerpos "pegan" las células patógenas, haciendo que se aglutinen [21] . Dado que la valencia mínima (es decir, el número de antígenos unidos simultáneamente) de un anticuerpo es dos, puede unir dos moléculas de antígeno ubicadas en diferentes células y, por lo tanto, conectarlas. Al recubrir la superficie de un patógeno, los anticuerpos atraen a las células inmunitarias efectoras con la ayuda de las regiones Fc. Las células que reconocen las regiones Fc de los anticuerpos tienen receptores Fc especializados (FcR) que pueden unirse a las regiones Fc de IgA, IgG e IgE. La unión del receptor Fc de una célula con un anticuerpo lo activa, lo que en los fagocitos se manifiesta en el lanzamiento de la fagocitosis, en los mastocitos y los neutrófilos - desgranulación , asesinos naturales  - la liberación de citoquinas y moléculas citotóxicas , que finalmente conduce a la destrucción del microorganismo . La activación de las células asesinas naturales por parte de los anticuerpos desencadena un mecanismo conocido como citotoxicidad mediada por células dependiente de anticuerpos [ ( ADCC ) .  Este mecanismo puede explicar la eficacia de los anticuerpos monoclonales en el tratamiento del cáncer . Dado que los receptores Fc son específicos solo para anticuerpos de un cierto isotipo, el sistema inmunitario tiene suficiente flexibilidad para desencadenar un determinado tipo de respuesta inmunitaria frente a un patógeno dado [22] .

En humanos y primates superiores , los llamados anticuerpos naturales están constantemente presentes en el plasma sanguíneo , que se forman sin infección previa , vacunación u otra exposición. Gracias a estos anticuerpos, el sistema del complemento puede desencadenar la lisis de células de microorganismos y viriones de virus envueltos sin activación previa de inmunidad adaptativa . Muchos anticuerpos naturales son específicos del disacárido galactosa -α(1,3)-galactosa (α-Gal), que es el azúcar terminal de las proteínas glicosiladas de la superficie celular. La producción de estos anticuerpos se desencadena en respuesta a la síntesis de α-Gal por bacterias intestinales simbióticas [23] . El rechazo del xenoinjerto puede explicarse en parte por la acción de los anticuerpos naturales del receptor que atacan a la α-Gal en las proteínas del injerto [24] .

Las células B activadas se diferencian en células plasmáticas secretoras de anticuerpos, o células B de memoria , que persisten en el cuerpo durante mucho tiempo y almacenan la memoria de los antígenos que el cuerpo ha encontrado previamente [18] . En los períodos prenatal y neonatal , los anticuerpos ingresan al cuerpo del bebé desde la madre. El inicio de la producción de autoanticuerpos difiere entre las clases de anticuerpos y generalmente ocurre durante los primeros años de vida [19] .

Además de las funciones anteriores en el sistema inmunitario, los anticuerpos pueden desempeñar otras funciones no canónicas. En algunos anticuerpos, la composición de residuos de aminoácidos en el sitio de unión al antígeno es muy similar a la del sitio activo de algunas enzimas , por lo que los anticuerpos pueden catalizar ciertas reacciones químicas . Los anticuerpos con actividad catalítica se denominan abzimas . Se ha demostrado que la síntesis de anticuerpos con diferente actividad catalítica comienza con la inmunización con intermedios de las reacciones correspondientes. Sin embargo, en términos de actividad catalítica, las abzimas son muy inferiores a las enzimas "verdaderas". En humanos, tanto en condiciones normales como patológicas , a menudo se detectan anticuerpos con actividad proteolítica , que escinden moléculas específicas de patógenos. Los anticuerpos proteolíticos pertenecen a las clases IgG, IgA e IgM. Algunos anticuerpos de las clases IgM e IgG pueden matar células de microorganismos por sí solos sin la participación de otros mecanismos efectores, pero el mecanismo de su acción se conoce solo en unos pocos casos. En particular, se ha demostrado que la inactivación de anticuerpos monoclonales IgM e IgG provoca cambios en la expresión génica y el metabolismo en el hongo patógeno Cryptococcus neoformans al unirse a la superficie de sus células. La unión de anticuerpos a la superficie de la bacteria patógena Borrelia burgdorferi provoca la formación de poros y la muerte celular como resultado del choque osmótico . A veces, diferentes anticuerpos inactivan un patógeno mediante una acción sinérgica sin la participación de vías efectoras adicionales. Se han descrito funciones no canónicas específicas para anticuerpos de la clase IgA. Por lo tanto, pueden mediar en el transporte transepitelial de bacterias en el intestino del ratón y regular la entrada de metabolitos bacterianos en las células huésped. Además, los anticuerpos pueden funcionar como acompañantes y portadores de varios compuestos en un cuerpo sano [25] .

Diversidad

Prácticamente todos los microorganismos pueden provocar una respuesta inmunitaria. El reconocimiento y destrucción exitosos de patógenos requiere una amplia variedad de anticuerpos que reconozcan diferentes antígenos [26] . Según algunas estimaciones, en el cuerpo humano se forman 10 000 millones de anticuerpos diferentes, cada uno de los cuales reconoce un epítopo único [27] . Aunque en cada individuo se produce una enorme cantidad de anticuerpos, la cantidad de genes que los codifican está limitada por el tamaño del genoma . Existen varios mecanismos que permiten a los vertebrados obtener un gran número de anticuerpos diferentes a partir de un número relativamente pequeño de genes [28] .

Variabilidad de dominio

Las regiones que codifican los componentes de los anticuerpos se encuentran en varios cromosomas humanos . En el cromosoma 14 , se ensamblan genes que codifican variantes de la cadena pesada, las cadenas ligeras κ y λ se codifican en los cromosomas 22 y 2 . Los dominios variables formados por las regiones de cadena ligera y pesada difieren entre los anticuerpos formados por diferentes células plasmáticas. Las diferencias entre dominios variables afectan a tres bucles conocidos como regiones hipervariables (HV-1, HV-2 y HV-3) o regiones determinantes de complementariedad (CDR1, CDR2 y CDR3). El locus de la cadena pesada codifica 65 dominios variables con diferentes CDR. La combinación de cada una de estas variantes dentro de la matriz lineal de genes que codifican otros dominios de cadena pesada proporciona una gran variedad de anticuerpos. Esta combinación se produce como resultado de la recombinación V(D)J, cuyo mecanismo se describe a continuación [29] .

Recombinación V(D)J

Durante el proceso de recombinación V(D)J, se forma una región de ADN única que codifica el dominio variable. La región variable de una cadena pesada o ligera está codificada por un locus dividido en varios fragmentos: subgenes, que se denominan V (del inglés  variable ), D (del inglés  diversity ) y J (del inglés  join ) [28] . Los subgenes V, D y J codifican la región variable de la cadena pesada, mientras que la región variable de la cadena ligera codifica los subgenes V y J. Cada subgen está representado por varias variantes dispuestas en tándem una tras otra en el cromosoma . En la médula ósea , durante la maduración de una célula B , se producen reordenamientos en sus loci que codifican dominios variables, como resultado de lo cual una variante de los subgenes V, D y J permanece en el locus y las variantes restantes se eliminan permanentemente. eliminado del genoma. Dado que cada subgen está presente en varias variantes, sus combinaciones producirán anticuerpos con diferentes especificidades antigénicas. Las proteínas RAG desempeñan un papel importante en la recombinación V(D)J , que introducen rupturas en ciertas áreas y, en su ausencia, la recombinación V(D)J es imposible [30] . Después de la maduración de un solo gen funcional que codifica el dominio variable para las cadenas pesada y ligera en el genoma de la célula B, los loci restantes que codifican los dominios variables dejan de expresarse ( exclusión alélica ), de modo que cada célula B puede producir anticuerpos solo con una dominio variable [22] [31] .

Hipermutación somática

Una vez activadas por un antígeno, las células B proliferan rápidamente . Paralelamente a las frecuentes divisiones en los loci que codifican los dominios hipervariables de las cadenas pesada y ligera, se observa una mayor frecuencia de mutaciones puntuales . Este proceso se llama hipermutación somática . La hipermutación somática se produce a una tasa de aproximadamente un nucleótido de dominio variable mutado por división celular [32] . Como resultado de este proceso, las células hijas resultantes de la división producirán anticuerpos con dominios variables ligeramente diferentes. Por lo tanto, la hipermutación somática sirve como otro mecanismo para aumentar la diversidad de anticuerpos y afecta la afinidad de los anticuerpos por el antígeno [33] . Algunas mutaciones reducen la afinidad de un anticuerpo por un determinado antígeno, mientras que otras, por el contrario, la aumentan [34] . Aquellas células B que expresan anticuerpos con alta afinidad por el antígeno reciben fuertes señales de supervivencia durante la interacción con otras células y no sufren apoptosis . Por esta razón, las células B que codifican anticuerpos con alta afinidad por el antígeno tendrán una ventaja competitiva sobre las células B que codifican anticuerpos con menor afinidad, y la afinidad por el antígeno aumentará con cada división de células B. Se produce un aumento gradual de la afinidad por el antígeno y la selección de las células B con la mejor afinidad con la participación de los ayudantes T después de la recombinación V(D)J [35] .

Cambio de clases

El cambio de clases de anticuerpos ocurre después de la activación de la célula B y le permite producir anticuerpos de diferentes clases (IgA, IgE o IgG) [30] . Las diferencias entre anticuerpos de diferentes clases están asociadas con los dominios C de la cadena pesada. Al principio , las células B vírgenes producen solo inmunoglobulinas de superficie IgM o IgD con la misma especificidad antigénica. Debido a que cada isotipo está asociado con una función específica, una vez activada, una célula plasmática debe producir anticuerpos IgG, IgA o IgE para contrarrestar eficazmente el patógeno. A través del cambio de clase, diferentes células hijas derivadas de la misma célula B pueden producir anticuerpos de diferentes isotipos. Durante el cambio de clase, los cambios ocurren solo en los dominios C de la cadena pesada. Por lo tanto, los descendientes de una célula B pueden producir anticuerpos de diferentes clases, pero con la misma especificidad antigénica. El cambio de clase se produce bajo la acción de ciertas citoquinas [36] .

Durante el cambio de clase, se producen reordenamientos en el locus que codifica las cadenas pesadas. El proceso requiere motivos de nucleótidos conservados , conocidos como sitios S (del inglés  switch ), que se ubican encima de cada locus que codifica cadenas pesadas (las únicas excepciones son los tipos δ). Además, enzimas especiales hacen dos rupturas en el ADN en dos sitios S [37] [38] . Como resultado, se elimina el fragmento entre las dos roturas y la rotura de la doble hebra en la región constante se repara utilizando una unión final no homóloga [39] .

Educación y secreción

Los anticuerpos son secretados por un tipo especial de células B: las células plasmáticas. Como la mayoría de las proteínas secretadas , las cadenas pesadas y ligeras de inmunoglobulina son sintetizadas por los ribosomas ubicados en el retículo endoplásmico rugoso (RE). Durante la síntesis, la cadena polipeptídica resultante ingresa a la luz del RE, donde sufre glicosilación. El plegamiento correcto de las cadenas pesadas y la unión a las cadenas ligeras para formar anticuerpos están regulados por chaperonas EPR como la calnexina y BiP . Se unen a los polipéptidos de inmunoglobulina recién sintetizados y los protegen de la degradación siempre que adopten la estructura correcta. Además, en la luz del RE, el anticuerpo se ensambla debido a la formación de enlaces disulfuro entre las cadenas pesada y ligera. Después del ensamblaje, las moléculas de anticuerpos se liberan de las chaperonas y entran en el aparato de Golgi , donde sus residuos de carbohidratos se someten a un procesamiento adicional. Las vesículas que contienen anticuerpos maduros brotan del aparato de Golgi y se fusionan con la membrana celular, después de lo cual las formas de membrana de los anticuerpos permanecen ancladas en la membrana celular y los anticuerpos libres ingresan al espacio intercelular [40] .

A medida que las células B maduran en la médula ósea, la expresión de inmunoglobulinas sufre una serie de cambios. Las primeras células del linaje de células B, las células pre-B, sintetizan sólo formas unidas a la membrana de cadenas pesadas de la clase μ. Estas cadenas forman un complejo con proteínas llamadas cadenas ligeras sustitutas y forman un receptor de células pre-B , una pequeña proporción del cual está expuesta en la superficie de la célula B. Los linfocitos B inmaduros y maduros sintetizan cadenas ligeras de las clases κ y λ que, al combinarse con cadenas pesadas de la clase μ, forman anticuerpos IgM. Las células B maduras expresan formas de membrana de IgM e IgD, que sirven como receptores que reconocen antígenos y desencadenan la activación de las células B. Los receptores de células pre-B y los receptores de células B están asociados de forma no covalente con integrinas , cuyas funciones de señalización son necesarias para la expresión de formas superficiales de IgM e IgD [41] .

Cuando los antígenos y otros estímulos activan las células B, se convierten en células plasmáticas secretoras de anticuerpos. En la transición a células plasmáticas, la proporción de inmunoglobulinas secretadas en comparación con las células de membrana aumenta drásticamente. Además, al mismo tiempo, se produce un cambio de clase de anticuerpos y la célula deja de sintetizar IgM e IgD, pero comienza a secretar IgA, IgE o IgG [42] .

Evolución

La inmunidad adaptativa y los anticuerpos evolucionaron en los vertebrados hace aproximadamente 500 millones de años [43] . Las clases más antiguas de anticuerpos son probablemente IgM e IgD, y los anticuerpos IgD, que se encuentran en casi todos los vertebrados, incluso los peces cartilaginosos, se consideran la clase más antigua de anticuerpos (los anticuerpos IgD de peces cartilaginosos a veces se denominan IgW; W corresponde al griego letra ω ). Sin embargo, también hay vertebrados que han perdido IgD, como las aves y varias especies de mamíferos . Al mismo tiempo, las clases IgA, IgE e IgG típicas de los mamíferos no están presentes en todos los grupos de vertebrados. En particular, los peces óseos carecen de IgA, IgE e IgD, pero existe una clase adicional de anticuerpos IgT (o IgZ) de los que carecen otros vertebrados. Los anticuerpos IgT (T corresponde a la letra griega τ ) probablemente protegen las membranas mucosas de los peces [44] . También existen clases inusuales de anticuerpos en otros vertebrados, como anticuerpos de cadena pesada en peces cartilaginosos y camélidos, así como IgY en anfibios, reptiles y aves [16] [17] .

Predicción de estructuras y diseño computarizado de anticuerpos

Para utilizar anticuerpos en medicina y biotecnología , es necesario conocer su estructura en alta resolución . La información sobre la estructura de los anticuerpos se usa ampliamente en la ingeniería de proteínas de anticuerpos, la modificación de su capacidad para unirse a antígenos y la identificación de epítopos de anticuerpos individuales. Uno de los métodos ampliamente utilizados para determinar las estructuras de anticuerpos es el análisis de difracción de rayos X , sin embargo, la cristalización de anticuerpos es un proceso muy largo y laborioso, por lo tanto, la predicción de estructuras de anticuerpos mediante métodos computacionales está muy extendida. Sin embargo, la predicción no proporciona información precisa sobre la estructura. El modelado informático de estructuras de dominio variable se puede realizar utilizando los programas Web Antibody Modeling (WAM) [45] y Prediction of Immunoglobulin Structure (PIGS) [46] . La estructura de los dominios variables también se puede predecir utilizando el servicio de Rosetta, en el que, mediante métodos especiales, la longitud de los bucles correspondientes a las CDR se minimiza durante la predicción, se optimiza la posición de las cadenas ligeras y pesadas entre sí y se modelan los modelos. construidos que predicen el acoplamiento de anticuerpos con sus antígenos únicos [47] . Existen varios programas que realizan el diseño asistido por computadora de anticuerpos basados ​​en los resultados de estudios bioinformáticos de CDR [48] [49] [50] .

Uno de los métodos más eficaces para identificar péptidos y proteínas, incluidos los anticuerpos, es la cromatografía líquida asociada a la espectrometría de masas en tándem [51] . Los métodos de alto rendimiento para secuenciar secuencias de aminoácidos anticuerpos requieren enfoques computacionales especiales para el análisis de datos , incluida la secuenciación de novo a partir de datos de espectrometría de masas [52] , así como enfoques para buscar bases de datos que contienen secuencias de proteínas [53] [54] . De particular importancia para la secuenciación de aminoácidos es el método de escopeta, cuya cobertura aumenta con la fragmentación mediante métodos CID/HCD/ETD [55] . Hay métodos para determinar secuencias de aminoácidos que requieren secuencias de proteínas similares [56] o una secuencia de genoma conocida [57] . Las técnicas modernas de secuenciación pueden ensamblar secuencias de proteínas con alta fidelidad al combinar la secuenciación de péptidos de novo , la intensidad y las puntuaciones de confianza posicional obtenidas de las búsquedas de homólogos en bases de datos [58] .

Aplicaciones médicas

Diagnósticos

La detección y determinación de la concentración de anticuerpos específicos en la sangre es un método bastante común de diagnóstico médico [59] . Por ejemplo, la presencia en el cuerpo del virus de Epstein-Barr o de la bacteria Borrelia burgdorferi , que causa la enfermedad de Lyme , está determinada por el título de anticuerpos contra ellos. Si no se pudieron detectar los anticuerpos correspondientes, entonces el paciente nunca se ha encontrado con estos patógenos o los ha encontrado durante mucho tiempo, y las células plasmáticas que producen anticuerpos contra ellos ya han desaparecido [60] .

En inmunología clínica , el perfil de anticuerpos de un paciente se caracteriza determinando las concentraciones de anticuerpos de diferentes clases mediante nefelometría [61] . Un aumento en algunas clases de anticuerpos puede ser útil para identificar las causas del daño hepático cuando no se puede hacer un diagnóstico preciso. Así, un aumento en el contenido de IgA indica cirrosis hepática alcohólica , un aumento en el nivel de IgM habla a favor de hepatitis viral y cirrosis hepática primaria, y el nivel de IgG aumenta en hepatitis viral, enfermedades autoinmunes y cirrosis [62]. ] .

El desarrollo de enfermedades autoinmunes está asociado a la formación de anticuerpos que reconocen los epítopos del propio organismo (autoanticuerpos). Se pueden detectar con un análisis de sangre. Los anticuerpos que actúan contra los antígenos de superficie de los eritrocitos provocan anemia hemolítica y pueden detectarse mediante la prueba de Coombs . La reacción de Coombs también se realiza en la detección de anticuerpos en transfusiones de sangre y en mujeres embarazadas [63] .

El principio de interacción entre antígenos y anticuerpos se utiliza mediante métodos de inmunodiagnóstico como el inmunoensayo enzimático , el análisis de inmunofluorescencia , el Western blot , la inmunodifusión , la inmunoelectroforesis y el inmunoensayo magnético . El marcaje de anticuerpos con un isótopo radiactivo de flúor 18 F permite su uso para la visualización de tumores cancerosos mediante tomografía por emisión de positrones [64] .

Tratamiento de enfermedades

Los anticuerpos monoclonales se utilizan para tratar la artritis reumatoide [65] , la esclerosis múltiple [66] , la psoriasis [67] y muchos tipos de cáncer, incluidos los linfomas no Hodgkin [68] , el cáncer de colon, el cáncer de cabeza y cuello y el cáncer de mama [69] .

Muchas inmunodeficiencias, como la enfermedad de Bruton y la hipogammaglobulinemia , se asocian con una ausencia total o parcial de anticuerpos [70] . A los pacientes que padecen estas enfermedades se les proporciona inmunidad pasiva mediante la administración artificial de anticuerpos [71] .

Terapia prenatal

En los humanos, un antígeno conocido como factor Rh (Rh) está presente en los glóbulos rojos. Durante el parto o las complicaciones durante el embarazo , la sangre del feto puede ingresar al torrente sanguíneo de la madre, y si el niño es Rh positivo y la madre es negativa, entonces se producen anticuerpos contra el factor Rh en el cuerpo de la madre. En embarazos posteriores con un feto Rh positivo, pueden atacarlo y provocar ictericia hemolítica en el recién nacido [72] . Para prevenir la aparición del conflicto Rh, a las mujeres Rh negativas que están embarazadas de un feto Rh positivo se les inyectan artificialmente anticuerpos contra el factor Rh ( Rho (D)-inmunoglobulina ). La introducción de inmunoglobulina Rho(D) debe realizarse antes de que el factor Rh fetal active las células B maternas y desencadene una respuesta inmunitaria adaptativa y la formación de células B de memoria [73] .

Aplicación en la investigación científica

Los anticuerpos específicos para un antígeno dado se pueden obtener introduciendo un antígeno en un mamífero (ratón, rata , conejo , cabra , oveja , caballo ) y luego aislando de él una gran cantidad de anticuerpos. La sangre aislada de un animal inmunizado contiene anticuerpos policlonales , es decir, varios anticuerpos diferentes específicos para el mismo antígeno. Los anticuerpos policlonales también pueden obtenerse inyectando el antígeno en la yema de un huevo de gallina en desarrollo [76] . Para obtener anticuerpos que reconozcan un epítopo estrictamente definido en la composición de un antígeno, las células plasmáticas que secretan anticuerpos contra el antígeno se aíslan del animal y se inmortalizan fusionándolas con células cancerosas . Las células obtenidas por la fusión de células plasmáticas con células cancerosas se denominan hibridomas , y secretan constantemente los anticuerpos deseados, multiplicándose en cultivo celular. A partir de hibridomas únicos se obtienen anticuerpos idénticos, denominados monoclonales [77] . Los anticuerpos policlonales y monoclonales a menudo se purifican mediante proteína A/G o cromatografía de afinidad [78] .

Los anticuerpos purificados han encontrado muchos usos en el proceso de investigación. Los anticuerpos contra muchos antígenos se pueden comprar de empresas comerciales. En la investigación, los anticuerpos se usan más comúnmente para localizar proteínas celulares y extracelulares. También se utilizan en citometría de flujo para separar células en función de las proteínas que expresan [79] . Los anticuerpos se utilizan para separar las proteínas y sus moléculas asociadas del resto del lisado celular mediante inmunoprecipitación [80] , para identificar las proteínas separadas mediante electroforesis en gel utilizando Western blot [81] . Los anticuerpos forman la base de la inmunofluorescencia y la inmunohistoquímica , que estudian la expresión y localización de proteínas de interés en células y tejidos [79] [82] . Los anticuerpos se pueden utilizar para detectar y evaluar la concentración de proteínas, en particular, mediante el inmunoensayo enzimático y el método ELISpot [83] [84] .

A pesar de las numerosas aplicaciones, trabajar con anticuerpos es bastante laborioso, ya que el resultado del experimento está influenciado por muchos factores que deben controlarse, en particular, afectando el grado de afinidad del anticuerpo por el antígeno pH , solvente, estado del tejido y otros. Ha habido muchos intentos de mejorar la forma en que los investigadores validan los anticuerpos [85] [86] . Los investigadores que trabajan con anticuerpos deben registrar cuidadosamente las condiciones experimentales para que otros científicos puedan reproducirlas [87] .

Miméticos de anticuerpos

Los miméticos de anticuerpos son ​​compuestos orgánicos que, al igual que los anticuerpos, pueden unirse específicamente a antígenos. Por regla general, los miméticos de anticuerpos son péptidos artificiales con una masa de 3 a 20 kDa. A veces , los ácidos nucleicos y las moléculas pequeñas actúan como miméticos de anticuerpos, pero no pueden ser anticuerpos artificiales, fragmentos de anticuerpos o sus combinaciones unidas covalentemente. A diferencia de los anticuerpos, sus miméticos generalmente tienen mejor solubilidad, mejor penetración en los tejidos, mayor estabilidad a la temperatura y las enzimas, y son menos costosos que los anticuerpos reales. Algunos miméticos de anticuerpos, como Affimer y DARPin , están registrados para su uso en aplicaciones de investigación, terapéuticas y de diagnóstico [88] .

Historia del estudio

El término "anticuerpo" ( alemán:  Antikörper ) aparece por primera vez en los escritos de Paul Ehrlich . En particular, el término " Antikörper " se puede encontrar en la conclusión de su artículo "An Experimental Study of Immunity", que apareció en octubre de 1891. Este trabajo establece que "si dos sustancias provocan la liberación de dos Antikörper diferentes, entonces también son diferentes". Sin embargo, el término Antikörper no se afianzó al principio y se propusieron varios otros términos para los anticuerpos: Immunkörper, Amboceptor, Zwischenkörper, sustancia sensibilisatrice, cópula, Desmon, philocytase, fixateur e Immunisin [89] .

El estudio de los anticuerpos comenzó en 1890, cuando Kitasato Shibasaburo y Emil Adolf von Behring describieron los efectos de los anticuerpos contra la toxina diftérica y tetánica [90] . Shibasaburo desarrolló la teoría de la inmunidad humoral y sugirió que existe cierto mediador en el suero sanguíneo que puede interactuar con antígenos extraños [91] . Basado en las ideas de Sibasaburo, Paul Ehrlich en 1897 planteó la teoría de las cadenas laterales , explicando los principios de la interacción de anticuerpos y antígenos. Sugirió que los receptores ("cadenas laterales") en la superficie celular pueden interactuar específicamente con las toxinas de acuerdo con el principio de "bloqueo de teclas", y la interacción del receptor con la toxina desencadena la producción de anticuerpos [92] . Otros investigadores han sugerido que los anticuerpos se mueven libremente por el torrente sanguíneo. En 1904, Almroth Wright sugirió que los anticuerpos recubren la superficie de las células bacterianas, dirigiéndolas a la fagocitosis y destrucción; este proceso ahora se conoce como opsonización [93] .

En la década de 1920, Michael Heidelberg y Oswald Avery pudieron observar que los anticuerpos pueden precipitar los antígenos y demostraron que los anticuerpos son proteicos [94] . Las características bioquímicas de la interacción de anticuerpos y antígenos fueron estudiadas en detalle a fines de la década de 1930 por John Marrak [95] . En 1937, las inmunoglobulinas como un tipo de proteínas fueron identificadas por electroforesis en gel en las fracciones de γ- y β-globulinas del suero sanguíneo [90] . En la década de 1940, Linus Pauling confirmó la hipótesis de Ehrlich sobre la interacción de llave y candado entre antígenos y anticuerpos y demostró que la interacción entre un anticuerpo y un antígeno depende más de la configuración espacial del antígeno que de su composición química [96] . En 1948, Astrid Fagreus demostró que las células plasmáticas, un tipo de linfocito B, secretan anticuerpos [97] .

La investigación adicional se concentró en estudiar la estructura de los anticuerpos. A principios de la década de 1960, Gerald Edelman y Joseph Galli describieron la cadena ligera del anticuerpo [98] y demostraron que la cadena ligera es la proteína de Bence Jones , que fue descrita por Henry Bence Jones en 1845 [99] . Más tarde, Edelman demostró que los anticuerpos constan de dos cadenas pesadas y dos ligeras unidas por enlaces disulfuro. Casi al mismo tiempo, Rodney Porter describió las regiones Fab y Fc en las moléculas de IgG [100] . Juntos, estos investigadores describieron la estructura y la secuencia completa de aminoácidos de la IgG, por lo que recibieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1972 [100] . El fragmento Fv fue limpiado y descrito por David Givol [101] . Las primeras investigaciones sobre anticuerpos se centraron en IgG e IgM, y en la década de 1960 se identificaron nuevos isotipos de inmunoglobulina. Thomas Tomashi describió los anticuerpos IgA secretados [102] , David Rove y John Fey descubrieron IgD [103] , y Kimishige Ishizaka y Teruko Ishizaka descubrieron IgE y encontraron que estos anticuerpos están involucrados en el desarrollo de reacciones alérgicas [104 ] . En 1976, Suzumi Tonegawa inició una serie de experimentos que demostraron que los genes que codifican anticuerpos sufren reordenamientos que crean una gran variedad de anticuerpos [105] . En 1987, Tonegawa recibió el Premio Nobel de Fisiología o Medicina por descubrir los mecanismos de la diversidad de anticuerpos [106] .

En la década de 1970, como resultado del estudio de antígenos tumorales homogéneos, se desarrolló la tecnología de hibridomas, gracias a la cual fue posible obtener anticuerpos monoclonales con una determinada especificidad [3] .

Véase también

• Anticuerpos monoclonicos
• Aumento de la infección dependiente de anticuerpos

Notas

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