Ugrás a tartalomhoz

Immunológia

Anna, Erdei, Gabriella, Sármay, József, Prechl (2012)

Medicina Könyvkiadó Zrt.

10. fejezet - 10. fejezet – Az adaptív immunrendszer antigénfelismerő molekulái

10. fejezet - 10. fejezet – Az adaptív immunrendszer antigénfelismerő molekulái

(Gergely János, Kacskovics Imre)

Az ellenanyag-molekula és a BCR szerkezete, kölcsönhatása az antigénnel

Az immunglobulin szupercsalád

Az ellenanyagokat (antitesteket) – lévén globulintermészetű fehérjék – immunglobulinoknak (Ig) nevezzük. Az immunglobulinok jellegzetes doménstruktúrájú polipeptidláncokból felépülő molekulák, melyeknek szerkezete a „felismerést” és az effektor funkciók kiváltását egyaránt lehetővé teszi. Az ellenanyagok egyrészt a B-limfociták membránjában lévő receptorkomplex (BCell Receptor – BCR) antigén-felismerő egységeként szolgálnak, ezt nevezik mIg-nek (membrane Ig) is. Másrészt a szekretált antitestek a szérumfehérjék jelentős részét képviselik, és a szervezet humorális immunvédelmét biztosítják (lásd később, 14. fejezet). A szolúbilis forma könnyen izolálható, ezért indulhatott meg szerkezeti felépítésének tanulmányozása igen nagy intenzitással már az 1950-es években. Nagy meglepetést keltett, amikor kiderült, hogy nemcsak az antigén-felismerő sajátsággal rendelkező molekulák, hanem más receptorok, továbbá sejtek kapcsolódását biztosító adhéziós molekulák és számos, ma még ismeretlen funkciójú molekula rendelkezik az immunglobulinokhoz hasonló doménszerkezettel, és azokkal nagyfokú homológiát mutat. A molekuláknak ez a csoportja alkotja azimmunglobulin szupercsaládot (10.1. ábra). Az immunglobulinok szerkezetének tanulmányozása tehát nemcsak az ellenanyag-szerkezet és -funkció összefüggéseinek, hanem általában a felismerés és információ-továbbítás biokémiai alapjainak megismerése szempontjából is fontos.

10.1. ábra. Az immunglobulin-szupercsalád. Az Ig-szuperfamíliát számos eltérő funkciójú, az immunglobulinokéhoz hasonló doménszerkezetű molekula alkotja, melyek között receptorokat, adhéziós molekulákat, sejtek közötti kapcsolatokat kialakító struktúrákat találunk. Az ábrán néhány, az immunrendszer működésében (is) résztvevő molekulát mutatunk be.

Immunglobulinok

Egy adott antigén által kiváltott humorális immunválasz során az antigént felismerő B-sejtek osztódnak, majd plazmasejtekké differenciálódnak. Ez utóbbiak nagy mennyiségben termelik az antigént fajlagosan felismerő és azzal kölcsönhatásba kerülő ellenanyag-molekulákat, amelyek az antigén elpusztítását és eltakarítását biztosító effektor funkciók (fagocitózis, komplementrendszer) aktiválására képesek (lásd 14. fejezet). A századforduló zseniális immunológusa, Paul Ehrlich, jóllehet az ellenanyagok kémiai természetéről, szerkezetéről még mit sem tudhatott, 1900-ban fogalmazta meg máig is érvényes „oldallánc” elméletét. Eszerint ugyanazok a molekulák, amelyek az antigént felismerő receptorokként a sejtek felületén megtalálhatók, az antigénnel való kapcsolódás után nagy számban jelennek meg a membránon, majd onnan leválva, ellenanyagokként kerülnek a keringésbe.

Ehrlich „oldallánc” elmélete

Ehrlich szerint a sejtek oldalláncokkal, receptorokkal rendelkeznek, amelyeknek a specifikus sejtfunkcióval semmiféle kapcsolatuk nincs, feladatuk a sejt táplálkozásával függ össze. Ezek a receptorok (nutriceptorok) kapcsolódnak a tápanyag-molekulák megfelelő csoportjaival (haptoforok). Ehrlich elképzelése szerint ehhez hasonló módon kötődnének az antigén-molekulák is az oldalláncokhoz, és a kölcsönhatásba kerülő részek úgy illenek egymáshoz, mint (Emil Fischer enzimhasonlatában) a kulcs a zárba. Az antigén-molekuláknak az oldalláncokkal való reakciója gátolja azok nutritív funkcióját, és ennek ellensúlyozására következne be a receptorok újraképződése. Ez azonban túlzott mértékű: több receptor képződik, mint amennyi az antigénnel való reakcióban részt vett. A feleslegben termelődött receptormolekulák a keringésbe kerülnek, és ellenanyagokként az adott antigénnel kapcsolódva biztosítják a szervezet immunvédettségét az antigénnel szemben. Ehrlich elképzelésének helyessége mintegy hatvan évvel később igazolódott be, amikor leírták, hogy a B-limfociták membránjában jelen lévő antigén-felismerő receptor valóban azonos az ellenanyag-molekulával. Azóta számos más receptorról bebizonyosodott, hogy membránhoz kötött molekulaként egy adott sejt felszínén, és szolúbilis formában, a sejtről leválva a keringésben egyaránt megtalálható (pl. Fc-, komplement-, IL-2-, TNF-receptorok).

Hosszú éveken át általános volt az a nézet, hogy az egyetlen molekulaféleség, amely szerkezeti adottságainál fogva képes az antigén felismerésére, az ellenanyag. Ma már tudjuk, hogy a B-sejtek membránjában megjelenő antigénkötő receptor és annak szolúbilis megfelelője, az ellenanyag mellett számos molekula, így többek között a T-sejtreceptor, továbbá az MHC-I- és MHC-II-gének termékei is alkalmasak antigének felismerésére, ill. azok epitópjaival való kölcsönhatásra. (Ez utóbbiak csak sejtmembrán-molekulaként fejeződnek ki, nincs szolúbilis formájuk.)

Az immunglobulin-szerkezet megismerése (visszapillantás)

A szérum fehérjéinek vizsgálatában fordulópontot jelentett Tiseliuselektroforetikus eljárása, amelynek segítségével legalább öt szérumfehérje-frakció vált elkülöníthetővé. Az ellenanyag tulajdonsággal rendelkező fehérjék nagyobb része a gamma- kisebb része pedig a béta-mobilitású globulinokkal vándorol. Az ultracentrifuga használata tette lehetővé a fehérjék molekulasúly alapján történő jellemzését. Az ellenanyag tulajdonságú fehérjék többsége kb. 160 kDa, kis hányaduk pedig 900 kDa molekulatömegűnek bizonyult.

Az immundiffúziós módszerek, elsősorban az immun-elektroforézis (az elektroforetikus fehérjeelválasztás kombinálása az immundiffúziós eljárással) adott módot arra, hogy a fehérjéket fiziokémiai sajátságaik mellett antigén-szerkezetük alapján is jellemezzük. Ezzel az eljárással sikerült az immunglobulin (Ig) osztályok (IgG, IgM, IgA, IgD, IgE) azonosítása. A szerkezetvizsgálatok szempontjából nagy fontosságú volt az az észlelés, miszerint bizonyos kóros sejtburjánzásokat (plazmocitóma) kísérő fehérje-rendellenességekben az immunglobulinok valamelyike szaporodik meg rendkívüli mértékben a vérben (vagy ürül a beteg vizeletével). A fehérjeelválasztási technikák, majd a modern biokémiai és molekuláris genetikai eljárások bevezetése tisztázta a szerkezet és funkció számos összefüggését és az immunglobulin-képzés sajátos genetikai hátterét.

A szérumban jelenlévő ellenanyagok poliklonális eredetűek, következésképpen heterogének, ami szerkezetük vizsgálatát rendkívüli módon megnehezítette. Ezen segített először a monoklonálisan képződő (korábban paraproteineknek is nevezett) mielómafehérjék, majd a sejthibridizációs technikával előállított monoklonális ellenanyagok vizsgálata.

Immunglobulinok (Ig) szerológiai jellemzése (izotípus, allotípus, idiotípus)

A fentiekből következik, hogy Ig-molekulák a B-sejtek membránjában az antigénkötő receptorkomplex felismerő egységeként, a vérben és egyéb testfolyadékokban szolúbilis ellenanyagokként fordulnak elő. Fc-receptorok jelenlétével és bizonyos sejtek aktív transzportfunkciójával függ össze az, hogy egyes Ig-k szekrétumokban (pl. nyál, tej, könny) is jelen vannak.

Az ellenanyagok jellemezhetők szerológiai módszerekkel, pl. nyúlban termelt antitestekkel (immunsavó). Az immunsavók ún. izotípusokat ismernek fel (10.2. ábra). Az Ig-izotípusok egy adott faj valamennyi egyedében előfordulnak, és ezek alapján az ellenanyagokat osztályokba és alosztályokba sorolhatjuk (l. később). Az izotípus-sajátosságok és a molekula fajlagos (antigénkötő) funkciója között nincs összefüggés, míg effektor funkciók tekintetében lényeges eltérés van a különböző izotípusú Ig-k között.

10.2. ábra. Az immunoglobulinok izo-, allo- és idiotípus-változatai. Az izotípus-sajátság a H- és az L-lánc konstans szekvenciái, az allotípus a láncok allélikus variációi, az idiotípus pedig a hipervariábilis régiók (antigénkötő hely) szerkezete által meghatározott jellemzője az antitestnek.

Ugyanazon faj egyes egyedeinek azonos izotípusú Ig-molekulái allélok által meghatározott determináns csoportokat hordozhatnak. Ezek alapján az ellenanyagok különböző allotípusai különböztethetők meg (10.2. ábra). Az allotípus-sajátságok sem befolyásolják az ellenanyagok antigén-felismerését, és általában nincsenek hatással az effektorfunkciókat kiváltó képességre.

Végül minden Ig-molekula egyedi, csak az adott B-sejt klón által termelt molekulapopulációt jellemző determinánsokat hordoz. Ezek az idiotípus-determinánsok az Ig-molekula antigénkötő helyén, vagy annak közvetlen közelében helyezkednek el, következésképpen az ellenanyag fajlagos funkciójával, az antigén-felismerő képességgel szoros összefüggést mutatnak (10.2. ábra, lásd később). (Az izo-, allo-, ill. idiotípus-tulajdonságok szerkezeti hátterére később visszatérünk).

Az ellenanyag-molekulák általános szerkezete

Az Ig-k aminosavsorrendjének megismerésére először a Bence–Jones-fehérjék vizsgálata adott lehetőséget; ezek a mielómás betegek vizeletével nagy mennyiségben ürülő és könnyen izolálható, tisztítható fehérjék ugyanis azonosak a betegekben monoklonálisan termelődő Ig-k könnyűláncaival. Nehezebb feladat volt a nagyobb molekulatömegű nehézláncok analízise: elsőként a Nobel-díjas Edelmannak sikerült egy γ-lánc teljes szekvenciáját megállapítani.

Az Ig-molekulák szerkezetére egy négy polipeptidláncból álló egység jellemző, amelynek felépítésében két, egymással azonos könnyű és két (egymással ugyancsak azonos) nehéz polipeptidlánc vesz részt (10.3. ábra). A könnyűláncokat (kb. 24 kDa) az angol „Light chain” kifejezés alapján L-láncoknak, a nehézláncokat (55 és 70 kDa között, izotípustól függően) pedig, a „Heavy chain” alapján H-láncoknak nevezzük. Egy-egy H-lánchoz egy-egy L-lánc kötődik, és a két H-lánc egymással kapcsolódva alkotja a négy polipeptidláncból álló egységet. A láncokat egymással diszulfid hidak és nem kovalens kötések kapcsolják össze.

10.3. ábra. Humán Ig-izotípusok. Az Ig-molekulák H-láncának konstans régiójában található jellegzetes szekvenciakülönbségek alapján Ig-izotípusok (osztályok és alosztályok) különíthetők el. Az izotípusok antigén-szerkezetének eltérései lehetővé teszik immunsavók (ellenanyagok) segítségével való azonosításukat is. Az ábra az emberi Ig-izotípusok jellemző szerkezeti felépítését és a szénhidrátkomponensek elhelyezkedését (bíbor színnel) mutatja.

A könnyű- és a nehézláncokban egyaránt mintegy 110 aminosavból álló, ismétlődő homológ szakaszok találhatók, melyek egymástól független globuláris egységeket, Ig doméneket alakítanak ki (10.4. ábra). A domént alkotó polipeptidlánc-szakaszok hurkokkal összekapcsolt, két párhuzamosan elhelyezkedő β-lemez alkotja, melyeket egy láncon belüli diszulfid-híd köti össze. Ez a domén-szerkezet jellemző valamennyi, az Ig-szuperfamiliába tartozó molekulára (10.1. ábra).

10.4. ábra. Az Ig molekula általános szerkezeti felépítése. Az Ig-molekulák négy polipeptidláncból épülnek fel. A könnyű (L) és a nehéz (H) láncokat diszulfid-hidak (S-S) és nem kovalens kötések tartják össze. A láncok doménszerkezetének kialakításában a láncon belüli diszulfid-híd vesz részt. A H-láncokat összekapcsoló diszulfid-hidak környezete (kapocsrégió) biztosítja az Ig-molekulák hajlékonyságát. Az N-terminális domének (Fv) tartalmazzák az L- és a H-láncok variábilis szekvenciáit, melyek a molekula felszínén az epitópokat befogadó antigénkötő helyet (paratop vagy idiotóp) alakítják ki. A konstans szekvenciákat tartalmazó C-terminális domének (Fc-régió) pedig az effektor funkciók aktiválására képesek.

A nehézláncok izotípusa (10.1. táblázat, 10.3. ábra) alapján az emberi Ig-k ötosztályba sorolhatók: IgA, IgD, IgE, IgG és IgM. Az egyes nehézlánc izotípusokat görög betűkkel jelöljük, így az egyes Ig-osztályokban α-, δ-, ε-, γ-, ill. µ-nehézláncok találhatók. Az IgA- és IgG-osztályokon belül, ugyancsak izotípus-determinánsok alapján alosztályok különböztethetők meg: IgA1 és IgA2, illetve IgG1, IgG2, IgG3 és IgG4.

10.1. táblázat - 10.1. táblázat. Emberi Ig-osztályok, alosztályok (izotípusok) és néhány jellemzőjük

Ig- osztály

(izotípus)

Al-osztály

H-lánc

Méret (kDa)

Szérum konc.

(mg/ml)

Szérum felezési idő

(nap)

Oldott forma

Funkció

IgM

Nincs

μ

970

1,5

5

Pentamer

Naiv B-sejt antigénkötő receptor, komplement aktiválás

IgD

Nincs

δ

184

Nyomokban

3

Monomer

Naiv B-sejt antigénkötő receptor

IgG

IgG1, IgG2, IgG3, IgG4

γ1,

γ2,

γ3,

γ4

146

(IgG3: 165)

13,5

(IgG1: 9, IgG2: 3, IgG3: 1, IgG4: 0,5)

23

(IgG3: 7)

Monomer

„Switched” B-sejt antigénkötő receptor

opszonizáció,

komplement aktiválás (IgG3>IgG1>IgG2), ADCC*,

maternális immunitás (placentális transzport: IgG1>IgG3>IgG2>>IgG4), B-sejtek visszacsatolásos gátlása

IgA

IgA1, IgA2

α1, α2

160

3,5

(IgA1: 3

IgA2: 0,5)

6

Monomer, dimer és trimer

„Switched” B-sejt antigénkötő receptor,

nyálkahártya immunitás

IgE

Nincs

ε

188

0.05

2

Monomer

„Switched” B-sejt antigénkötő receptor, azonnali hiperszenzitivitás


*ADCC – ellenanyagfüggő sejt által kiváltott citotoxicitás

Hangsúlyozzuk, hogy az egyes fajok azonos jelölésű izotípusai között alapvető funkcionális különbségek lehetnek. Ennek oka, hogy elnevezésük általában a felfedezés sorrendjében, szérumbeli koncentrációjuk stb. alapján történt, és nem az egyes molekulák funkcionális jellegzetességei alapján. Így ha az aminosav-szekvencia alapján összehasonlítjuk a különböző emlősfajok IgG izotípusait, akkor szembetűnő, hogy pl. az emberi IgG1 és IgG2 között nagyobb mértékű hasonlóság mutatható ki az aminosav-szekvencia alapján, mint az emberi és az egér IgG1 izotípusú molekulák között. Ez tehát arra hívja fel a figyelmet, hogy egy adott faj izotípusának jellemzői (pl. komplementaktiváció vagy Fc-receptorhoz kapcsolódás) nem feltétlenül azonosak egy másik faj azonos elnevezésű izotípusának jellemzőivel. Az aminosav szekvenciaelemzés arra is rámutatott, hogy egy adott faj alosztályai (pl. IgG-alosztályok) közelebb állnak egymáshoz, mint egy másik faj alosztályához. Kivételt képeznek a közeli rokonságban álló állatfajok (pl. egér-patkány vagy szarvasmarha-juh). Ez arra utal, hogy az egyes izotípusok a fajok kialakulását követően jöttek létre (10.5. ábra).

10.5. ábra. Néhány emlősfaj IgG-izotípusainak filogenetikai elemzése aminosav-szekvenciájuk alapján. Az elemzés az egyes állatfajok IgG-izotípusainak aminosav-szekvenciái alapján, a Neighbour–Joining-módszerrel történt

A könnyűláncoknak két izotípusa ismert: kappa (κ) és lambda (λ). Egy négy polipeptidláncos egységen belül az adott H-lánchoz vagy κ- vagy λ-könnyűlánc kapcsolódik. Emberi Ig-kben a κ-λ arány 70:30, míg egér- ill. patkány esetében kb. 95:5. Az L-láncokat két Ig-domén alkotja.

Az érett immunrendszerrel rendelkező emberi szervezet 107-109 különböző epitóp felismerésére alkalmas ellenanyag-molekulát képes termelni. Szem előtt tartva az ellenanyag-termelés poliklonális jellegét, ez azt jelenti, hogy funkcionálisan ennyiféle fajlagosságot képviselő B-sejt-klónnal kell számolnunk, ui. egy adott B-sejtből származó klón minden sejtje egy adott epitóp felismerésére alkalmas Ig molekulát termel (lásd pozitív klónszelekció). Ezt a heterogenitást az Ig-molekulák jellegzetes szerkezeti felépítése biztosítja. Valamennyi antitestet felépítő H- és L-láncra egyaránt jellemző, hogy N-terminális doménjük aminosavsorrendje rendkívül változatos. Ezt a domént ezért variábilis (V) doménnek nevezzük (10.4. ábra). Mindkét lánctípus V-doménjét (VL és VH) az jellemzi, hogy a viszonylag megőrzött (konzervatív) aminosavsorrendű ún. váz-szekvenciák (Framework Region – FR) között különlegesen nagyfokú varibilitást mutató ún. hipervariábilis régiók helyezkednek el, melyeket az angol Complementarity-Determining Region kifejezés alapján CDR-nek rövidítünk. A VL-domén három CDR-t tartalmaz, melyek közül a CDR3 szekvenciája a legváltozatosabb. A hipervariábilis régiók a molekula felszínén egy bemélyedést („zsebet”) alakítanak ki, amely a megfelelő epitóppal fajlagos kölcsönhatásba kerülhet. A könnyű lánc variábilis doménjének (VL) FR és CDR szekvenciáit és a VL-domén térbeli szerkezetét az 10.6. ábra mutatja.

10.6. ábra. Könnyűláncok variábilis régiójának szerkezete. Az Ig-molekula könnyűlánc variábilis doménjének (a) térszerkezetét a „szalagmodell” alapján mutatjuk be (b). A kb. 110 aminosavból álló VL-domén CDR1, CDR2 és CDR3 régiói az antigén megkötésében közvetlenül vesznek részt, és egyedi szerkezetük biztosítja az Ig fajlagosságát. A könnyűlánc adott aminosav-pozícióiban mutatkozó, több mint 100 klón VL-szekvenciájának elemzése alapján számított változatosságát a variabilitás százalékában mutatjuk be (Kabat-Wu plot). Jól látható a CDR-régiók hipervariabilitása, szemben a vázszekvenciák (FR) kismértékű változékonyságával (c).

Az Ig nehéz- és könnyűláncának variábilis szakaszai szerkezetükben nagyfokú hasonlóságot mutatnak. A nehézlánc variábilis doménje (VH) és a könnyűlánc variábilis doménje (VL) egymás felé fordulva alkotja azt a térbeli konfigurációt, ami nagy fajlagossággal, nagyon szelektíven képes egy adott epitóphoz kapcsolódni (10.7. ábra).

10.7. ábra. Az Ig-molekula antigénkötése. A molekulaszerkezeti modellen egy antigén–ellenanyag kapcsolódást mutatunk be, ahol a könnyűláncokat sárga, a nehézláncokat piros, míg az antigént kék színnel jelölték. (Abbas, 6. ed., Saunders, Elsevier. Courtesy of Dr. Dan Vaugh, Cold Sprin Harbour Lab.)

A nehézláncok szerkezete. A nehézláncok doménszerkezete a könnyűláncokéhoz hasonló. Az N-terminális variábilis domént (VH) konstans domének (CH) követik (10.4. ábra). A variábilis domén három CDR-je közül a nehézlánc esetében is a CDR3 a legváltozatosabb. A H-lánc izotípusától függően három (IgG, IgA és IgD) vagy négy (IgM és IgE) a konstans domének száma (CH1, CH2, CH3 és CH4, 10.3. ábra).

A γ, α, és δ láncok CH1 és CH2 doménjei között különböző hosszúságú, a molekula más részével nem homológ molekulaszakasz, a kapocsrégió („hinge”) található. Ezt a régiót az α1, α2, γ1, γ2 és γ4 esetében kb. tíz, míg a γ3- és δ-láncokban hatvannál is több aminosav képezi. Ez a szakasz prolinban rendkívül gazdag, és a nehézláncokat összekötő S-S-hidak is itt találhatók. A kapocsrégió biztosítja a molekula nagyfokú rugalmasságát, aminek köszönhetően az Fab-részek szabadon mozoghatnak, és így egy ellenanyag két (pl. IgG) vagy több (pl. IgM), epitóphoz kapcsolódhat (10.8. ábra). A µ- és ε-láncokban nincs prolinban gazdag kapocsrégió, helyén egy valódi domén található, és emiatt ezekben az izotípusokban csak kismértékű flexibilitás alakul ki a CH1-CH2 és CH2-CH3 között.

A nehézláncok membránkötött és szekretált formában fejeződhetnek ki (10.9. ábra), amelyek egymástól a láncok C-terminálist alkotó aminosav-összetételben különböznek. A vérben és egyéb extracelluláris folyadékban jelen lévő szekretált forma C-terminálisán töltéssel rendelkező és hidorofil aminosavakból álló oligopeptid található, míg a B-sejteken kifejeződő membrán-kötött formában az utolsó CH-domént egy 26 aminosavból álló hidrofób rész, majd egy változó hosszúságú bázikus szakasz követi. A hidrofób régió alfa-hélixet alkotva jut át a sejtmembránon, míg a bázikus aminosavakat tartalmazó szakasz a citoplazmában található (10.10. ábra).

A sejtmembránban horgonyzó immunglobulin citoplazmikus régiója viszonylag rövid, és szignál transzdukcióra nem képes. Ezt a funkciót a BCR-ben az Igα és az Igβ polipeptidláncok látják el, amelyek ún. ITAM-motívumot tartalmaznak. (A B-limfociták aktiválódását részletesen a 6. fejezetben mutatjuk be.)

10.8. ábra. Az ellenanyag rugalmassága. Egy monomer Ig-molekula két epitóphoz képes kötődni (bivalens) akkor is, ha azok a térben különböző pozícióban helyezkednek el (a – távoli epitópok, b – közeli epitópok). Az antigénkötő Fab-szakaszok nagyfokú rugalmasságát elsődlegesen az Ig kapocsrégiója biztosítja. A két epitóp egyidejű megkötése csak abban az esetben lehetséges, ha azok teljesen azonosak, hiszen az ellenanyag-molekula Fab-régióinak fajlagossága (aminosav-szekvenciája) azonos.

10.9. ábra. Az ellenanyag-termelő plazmasejtek kialakulása. Az őssejtből kialakuló pre-B-limfocitában először a nehézlánc jelenik meg, amelyet a pót-könnyűlánc stabilizál a sejtmembránban. Az éretlen B-sejtekben kialakulnak a valódi könnyűláncok, és kifejeződik a membrán IgM. Az érett B-limfocitákon megjelenik az antigén megkötésére alkalmas IgM és IgD. Aktiválódás hatására ellenanyag-termelő plazmasejtté alakulnak a B-limfociták, melyek felszínéről fokozatosan eltűnik az Ig.

10.10. ábra. Az immunglobulinok membránkötött és szekretált formája. a) Az Ig membránkötött formájában az utolsó CH-domént egy hidrofób transzmembrán (TM) szakasz követi, amely rövid bázikus szekvenciával végződik a sejtben. b) A szekretált forma töltéssel rendelkező és hidrofil aminosavakból álló farokrésszel végződik. Az IgM szekretált formája pentamer szerkezetű.

Valamennyi membrán-kötött immunglobulin (izotípustól függetlenül), valamint a szekretált IgG és IgE monomer formájú, azaz két nehéz- és két könnyű-láncból álló molekula. Ezzel ellentétben a szekretált IgM és IgA polimer, mivel a nehézláncok utolsó C-terminális doménjét követő nem globuláris, ún. farokrész intermolekuláris kapcsolódásokat tesz lehetővé. Egyebek között ezek közvetítésével alakul ki az IgM pentamer és az IgA dimer vagy trimer formája (10.10. ábra). Ezekben az ellenanyagokban egy járulékos polipeptid, a J-lánc is jelen van (az elnevezés az angol joining szóra utal), amelynek a polimerforma kialakításában tulajdonítanak szerepet. A 137 aminosavat tartalmazó, a H- és L-láncokkal szerkezeti rokonságot nem mutató J-láncokat szintén a plazmasejtek termelik.

A szekrétumokban található polimer IgA-molekulák a J-láncon kívül egy további polipeptidláncot, az ún. szekretoros komponenst (Secretory Component – SC) is tartalmaznak (lásd 4.20. ábra). A bél és a külső elválasztású mirigyek szubmukózájában lévő plazmasejtek termelik a monomer IgA-molekulákat és az azokat dimerizáló J-láncokat is. A szekretált dimerek az epitélsejtek poli-Ig-receptoraihoz kötődnek, majd transzcitózis útján átjutnak az epitélsejteken. Mivel a poli-Ig-receptorral való kölcsönhatás kovalens jellegű, a sejtfelszínről enzimatikus hasítás eredményeként lehasadó komplex tartalmazza a receptor jelentős részét is. Ezt a poli-Ig receptorból származó kb. 70 kDa-os glikoproteint nevezzük SC-nek, ami a szekretoros IgA integráns komponense (lásd 4.20 ábra). Az SC fontos szerepe az is, hogy megvédi a dimer IgA-t a szekrétumokban található enzimek hatásától. A poli-Ig-receptor multimer IgM-ellenanyagot is átjuttat az epitélsejteken, és ezért a nyálkahártya felszínére kerülő, szekretálódó IgM-molekulákban is kimutatható az SC.

Az immunglobulinok glikoproteinek. Oligoszacharid komponenseik kovalens kötésekkel kapcsolódnak a polipeptid-láncokhoz, elsősorban a szekretoros komponenshez, a J-lánchoz és a H-láncok konstans szakaszához (10.3. ábra). (A könnyűláncokon általában nincs szénhidrát.) Jellemzőek a nagyobb (Mr 2500-3000), N-glikozid kötéssel a H-láncok konstans régiójához kötődő, mintegy 15 monoszacharidból felépülő szénhidrátok. Ez utóbbiak aszparagin-oldalláncokhoz kapcsolódnak. Az IgG-molekulákban, izotípustól függetlenül csupán egy ilyen oligoszacharid-kapcsolódás található, a γ-lánc 297-ik pozícióján. A többi nehézláncban molekulánként 3-5 oligoszacharid mutatható ki. Az O-glikozid kötéssel kapcsolódó, kisméretű (Mr 750), szerkezetileg heterogén oligoszacharidok a humán α1- és δ-láncok kapocsrégiójában találhatók.

Az Ig térszerkezet-vizsgálatok kezdete

Az Ig-k térszerkezetére vonatkozó első értékes felvilágosításokat elektronmikroszkópos felvételek szolgáltatták. Ferritin-antiferritin komplexek vizsgálatával mutatták ki az IgG-molekula „Y” alakját, továbbá azt, hogy az Y szárainak megfelelő Fab-fragmentumok az antigénnel való reakció során egymástól eltávolodnak. Elektronmikroszkópos felvételen az antigénnel nem kapcsolódott IgM tengeri csillagra emlékeztető alakot mutat: a középen elhelyezkedő, mintegy 10 nm átmérőjű korongból nyúlnak ki az Fab-részeknek megfelelő „V” vagy „Y” alakú képletek. Ez a kép az antigénnel való kölcsönhatás után megváltozik; jellegzetes a „fűzőkapocs” alak, amelyben a vízszintes rész a molekula központi korongja oldalnézetben. Ennek Fab „szárai” felfelé-lefelé egyaránt irányulhatnak, ami ugyancsak a molekula flexibilitására utal. Az első röntgen-krisztallográfiás eredmények kristályosított Ig-fragmentumokról 1973-ból származnak, ekkorra tehetők a doménszerkezetre utaló korai adatok. Ezt követte a térszerkezet mozgékonyságának különböző módszerekkel történő ellenőrzése (hidrogén-deutérium kicserélődés, spinjelzés, cirkulárisan polarizált lumineszcencia stb. mérése).

Ig-osztályok jellemzése

Egy egészséges, 70 kg testsúlyú ember naponta mintegy 3 gramm ellenanyagot termel. Ennek a mennyiségnek mintegy kétharmad része IgA izotípusú molekula, amelyet a nyálkahártyában (légzőrendszer, bélcsatorna, húgy- és ivarszervek) található plazmasejtek termelnek, és az epitélsejtek aktív szekréciós tevékenységével kerülnek a nyálkahártya felszínére. Ennek a jelentős mennyiségű ellenanyagnak a termelése egyben az említett szervek nyálkahártya-felületeinek hatalmas méretét is tükrözi. A vérben és az extracelluláris térben az IgG- izotípusú molekulák vannak jelen a legnagyobb mennyiségben. Fontos tudnunk, hogy az ellenanyag-termelés mértéke függ az egyént körülvevő (ill. a benne és vele együtt élő) mikrobiális környezettől. Hosszú ideig tartó, szélsőségesen tiszta (esetleg steril) környezet hatására az ellenanyag-termelés jelentősen csökken. Ezt a jelenséget csíramentes körülmények között tartott kísérleti állatokban figyelték meg először, amelyekben a vér ellenanyag-mennyisége csupán töredéke a normális környezetben tartott állatokban találhatónak.

A humán Ig-k osztályait és alosztályait a 10.1. táblázatban foglaltuk össze. Az egyes molekulák sematikus szerkezetét az 10.3. ábra mutatja, míg az egyes Ig-osztályok megjelenése az egyedfejlődés folyamán a 10.11. ábrán látható.

10.11. ábra. Az Ig-osztályok megjelenése az egyedfejlődés során. Az anya szervezetéből a placentán át a magzatba IgG jut, melynek szintje az újszülött vérében a lebomlás miatt folyamatosan csökken. Szerepét fokozatosan a csecsemő saját szervezete által termelt IgG veszi át. Az anyatejjel az újszülöttbe kerülő IgA izotípusú ellenanyagok a béltraktus lokális védelmét biztosítják. A felnőttkorra jellemző Ig-szintek 20 éves kor körül alakulnak ki.

IgM. Öt négyláncos IgM-monomerből felépülő pentamer molekula, amely tíz H-, tíz L- és egy J-láncból (µ10+L10+J) áll. Szénhidráttartalma kb. 12%. A pentamer molekula 10 antigénkötő hellyel rendelkezik, de térszerkezeti elrendeződés miatt funkcionálisan általában pentavalens, azaz egyidejűleg csak 5 epitóppal lép kapcsolatba. Az újszülöttben először IgM-osztályba tartozó ellenanyagok képződése indul meg. Hasonlóképpen, az elsődleges immunválasz során termelődő antitestek is általában IgM típusú immunglobulinok. Érdemes továbbá megemlíteni, hogy az evolúció során is ez az Ig-izotípus jelent meg először, a porcos halaknál (lásd 15. fejezet). A természetes ellenanyagok, az ABO-vércsoportfaktorokkal reagáló, ún. komplett izohemagglutininek, valamint a reumafaktorok zöme az IgM-osztályba tartozik. Az IgM monomer, membránhoz kötött formája a B-sejt antigénkötő receptorkomplexének felismerő része, ami a naív B-limfocitákon van jelen, az ún. izotípusváltásig (lásd később).

IgG. A vérben és az extracelluláris térben található ellenanyagok túlnyomó többsége ebbe az osztályba tartozik, szérumkoncentrációja 10-15 mg/ml. Alacsony szénhidráttartalmú (kb. 3%), két γ- és két L-láncból álló (γ2+L2) molekula. Ebbe az osztályba tartozik a legtöbb antibakteriális ellenanyag, számos vírusellenes antitest, az Rh-vércsoportfaktorral reagáló ún. inkomplett izohemagglutinin stb. Ellentétben a többi izotípussal, az IgG (aktív transzport mechanizmus eredményeképpen) átjut az emberi placentán az anya szervezetéből a magzatéba (lásd 4. fejezet). Az IgG-osztályon belül négy alosztály különíthető el: IgG1, IgG2, IgG3 és IgG4, amelyek funkciója az immunválasz. effektor fázisában lényegesen eltér, ugyanis az egyes alosztályok receptorokkal történő kapcsolódása jelentősen különbözik (lásd 4. fejezet). Fontos megjegyeznünk, hogy az Cγ2 doménhez kapcsolódó szénhidrát-oldallánc stabilizálja a IgG molekula szerkezetét, továbbá nélkülözhetetlen az Fcγ receptorokkal és a C1q komplement komponenssel kialakuló kapcsolatban. A szénhidrát-oldallánc összetétele bizonyos körülmények között (pl. autoimmunitás) jelentősen megváltozhat, és ez alapvetően befolyásolja a betegség lefolyását.

Előfordulnak olyan öröklődő rendellenességek, amelynek következményeként a beteg szervezete nem tudja megfelelő mértékű immunválasszal leküzdeni a különféle kórokozókat. Az egyik legsúlyosabb immunhiányos állapotban az immunrendszer nem képes megfelelő mennyiségű és minőségű ellenanyagot termelni (lásd öröklött vagy primer immundeficiencia, 21. fejezet).

IgA. A vérben négy polipeptidláncú monomer formában ( α 2 +L 2 ), szekrétumokban viszont általában dimer, ritkábban trimer vagy tetramer alakban fordul elő. A polimer formák a H- és L-láncokon kívül egy J-láncot és szekretoros komponenst (SC) is tartalmaznak. Az IgA-osztályon belül két alosztály (IgA1 és IgA2) különíthető el, a keringésben az IgA1, a szekrétumokban az IgA2 a domináns forma. A különböző szekrétumok (nyál, könny, epe, kolosztrum, bélnedv stb.) legfontosabb Ig-komponense az IgA.

IgD. Monomer Ig (δ2+L2), melynek membránhoz kötött formája IgM-mel együtt érett B-sejtek felszínén van jelen. Szekretált formáját nagyobb mennyiségben eddig csak mielómás betegek szérumában mutatták ki.

IgE. Egészséges emberek vérében igen kis koncentrációban található, mivel az IgE-t kötő receptorokhoz való nagy affinitása miatt a képződő molekulák javarésze sejtek felületéhez kötődik (ún.citofil ellenanyag). Monomer (ε2+L2) molekula, melynek szénhidráttartalma kb. 12%. Az IgE-ellenanyagok fontos szerepet játszanak a paraziták elleni védekezésben, továbbá az allergiás folyamatok kiváltásának kulcsszereplői (lásd 18. fejezet). Ez utóbbi esetekben általában az IgE szérumszintje is megemelkedik, ami diagnosztikai értékű lehet.

Ellenanyagok proteolítikus hasítása

A különböző proteázok hasításának helye általában a H-láncok kapocsrégiója (hinge). Az Ig-molekulák különböző proteolítikus enzimek segítségével jellegzetes, a molekula egyes funkcionális sajátságait megőrző fragmentumokra hasíthatók (10.12. ábra). E fragmentumok ismerete nemcsak az ellenanyag szerkezetének és funkciójának megismerése szempontjából volt jelentős. Ilyen fragmentumokat ma is kiterjedten alkalmazunk terápiában, immunológiai kutatásokban, és nagy segítséget jelentenek egyebek között epitópok jellemzésében, immunfolyamatok szabályozásában, azok mechanizmusának feltárásában.

10.12. ábra – Ig-ok enzimatikus hasításával nyerhető fragmentumok

Emésztés papainnal. Ennek az enzimnek az immunológiában „történelmi” jelentősége van: a Nobel-díjas Porter 1959-ben közölte megfigyelését, miszerint az IgG papainnal emésztve három fragmentumra hasad, melyek közül kettő megőrzi az intakt molekula antigénnel kapcsolódni képes tulajdonságát. Az enzim a kapocsrégióban, a γ-láncokat összekötő S-S hidaktól NH2-terminálisan hasítja az IgG-molekulát. A hasítás eredményeként két egyforma, a molekula antigénkötő sajátságát megtartó, de effektor funkciók kiváltására alkalmatlan, Fab-nak nevezett (Fragment antigen binding), valamint egy, kristályosítható volta miatt Porter által Fc-nek nevezett fragmentum (Fragment crystallisable) keletkezik (10.12. ábra). Az Fc fragmentum antigénkötő sajátsággal nem rendelkezik, viszont megőrzi az IgG molekulára jellemző effektor funkciókat kiváltani tudó képességet. Az Fab és az Fc fragmentumok töltése eltérő, ezért elektroforézis vagy kromatográfia segítségével könnyen izolálhatók. A tripszin a papainhoz hasonló módon hasítja az IgG molekulát.

Emésztés pepszinnel. A pepszin az IgG-molekulát a γ-láncokat összekötő S-S hidaktól C-terminálisan hasítja. A 4-4,5 pH-jú közegben végzett proteolízis során a kapocsrégiót követő domén (CH2) kis peptidekre hasad, és egyidejűleg egy nagyobb fragmentum képződik. Ez utóbbi az F(ab')2-nek nevezett fragmentum, amely megőrzi a natív IgG-molekula bivalens antigénkötő sajátságát, enyhe redukcióval viszont két univalens fragmentumra (Fab') bontható. A pepszines hasítás során az IgG-molekula C-terminális (CH3) doménje lényegében sértetlen marad, ezt az Fc-darabot pFc'-nek nevezzük (10.12. ábra).

Ig-polipeptidláncok rekombinációja

Az izolált H- és L-láncok között neutrális közegben helyreállnak a nem kovalens kötések akkor is, ha a láncokat szétválasztásukat megelőző redukció után alkilezik. A láncok egy része az eredeti molekulának megfelelő négyláncos szerkezetű egységekké rekombinálódik. A rekombináció az ellenanyag tulajdonság helyreállásával is jár. A láncok közötti nagyfokú szerkezeti homológiának tulajdonítható, hogy különböző izotípusú, sőt különböző fajok Ig-molekuláiból származó H- és L-láncok is rekombinálódhatnak egymással.

Ellenanyagok funkciója

Az ellenanyag multifunkcionális fehérje, mely az antigénkötő specifikus funkció mellett biológiai folyamatok egész sorának kiváltására képes. Ez utóbbiak egy része effektor funkció, és elsősorban – közvetlenül vagy közvetve – az antigén elpusztításával, eltakarításával áll összefüggésben. A natív Ig a legtöbb effektor funkció szempontjából inaktív; ez biztosítja, hogy a keringő ellenanyagok ne stimulálhassanak effektor funkciókat. Az antigénhez való kapcsolódást követően kialakult antigén-ellenanyag komplexben kettő vagy több, szomszédos Fc-fragmentum képes csupán az adott antigénre specifikus effektor funkciók beindítására (pl. komplementrendszer aktiválása, fagociták Fcγ-receptoron keresztüli stimulációja). Az Ig-szerkezet és funkció szempontjából lényeges, hogy a molekula egyes doménjei egyben funkcionális „alapegységeknek” tekinthetők.

10.2. táblázat - 10.2. táblázat. Az Ig-molekulák effektor funkciókban aktív csoportjainak lokalizálása

Reaktív hely

Lokalizáció

C1q-kötőhely

IgG

Cγ2

IgM

Cμ3

FcR-kötőhely

FcγRI

Cγ2

FcγRII

Cγ2 és Cγ3

FcγRIII

Cγ2 és Cγ3

FcRn

FcεRI

Cγ2-Cγ3

Cε3

FcεRII

Cε3


Az antigénkötő hely

Egy adott egyén óriási számú eltérő szerkezetű ellenanyag-molekulát képes előállítani (becslések alapján ez az érték akár a 109-t is elérheti). Ezt a változatosságot diverzitásnak, az ellenanyagok összességét pedig ellenanyagkészletnek vagy ellenanyag repertoire-nak nevezzük. Az ellenanyagok ilyen mértékű sokféleségét, amely elsődlegesen a könnyű- és nehézláncok variábilis szakaszainak hipervariábilis (CDR) szakaszaiban mutatkozik, egy összetett molekuláris mechanizmus biztosítja, és ez kizárólag a B-limfocitákban játszódik le (részletesen a következő fejezetben ismertetjük).

Az antigénkötő hely lokalizációjára alkalmas eljárások

Már Porter korai vizsgálatai óta nyilvánvaló, hogy az Ig-molekulák antigénkötő része az Fab-fragmentumban helyezkedik el. Az N-terminális szakasz változékonyságának megismerése pedig egyértelművé tette, hogy az antigének sokaságával adott fajlagos reakció molekuláris bázisát éppen ez adja. A minimális antigénkötő fragmentum (Fv) izolálása további bizonyítékul szolgált a fajlagos antigénkötő hely molekulán belüli elhelyezkedését illetően. Az antigénkötő hely pontosabb lokalizációja az ún. affinitásjelzéses módszer alkalmazásával vált lehetővé. Ebben az eljárásban kémiailag reaktív csoportokat tartalmazó hapténanalógokat alkalmaznak, amelyek kötődés után a kötőhely bizonyos aminosavaival kovalens kapcsolatot létesítenek. Affinitásjelölésre gyakran alkalmazták haptének diazoszármazékait, melyek a H- és L-lánc CDR3-ban található tirozinokhoz kötődnek kovalensen. A nitrofenilazid (NAP) nagy előnye, hogy nem aminosav-specifikus, és reaktív csoportja fény hatására alakul ki. Jelentős előrehaladást jelentett a röntgen-krisztallográfia bevezetése. A vizsgálatok többsége Fab- fragmentumokra vonatkozik, viszonylag kevés intakt Ig-molekula kristályosítása járt sikerrel.

Az antigénkötőhelyre vonatkozó vizsgálatokból (szekvenciaanalízis, affinitásjelölés, röntgen-krisztallográfia) a következőkre lehet következtetni:

– az antigénkötő hely kialakításában a VL- és VH-hipervariábilis részek egyaránt részt vesznek (10.13. ábra);

– az antigénkötő hely térszerkezete (következésképpen annak alakja, mérete, fajlagossága) függ a hipervariábilis régiókban található aminosavak számától, természetétől;

– a hipervariábilis régiókban a másodlagos nyirokszervek csíraközpontjaiban zajló random mutációk (vagy specifikusan irányított mutagenezis) miatt bekövetkező változások megváltoztathatják a kötőhely specificitását és affinitását;

– az antigénkötő hely a molekula felszínén van, ellenanyagonként eltérő méretű és alakú, laposabb vagy mélyebb „zseb” formájában (leírtak pl. 2,7 x 1,7 x 0,6, vagy 1,5 x 2,0 x 1,2 nm méretű kötőhelyeket);

– az antigénnek a kötőhellyel (kontakt aminosavakkal), azon belül különösen a CDR3-mal kialakult kapcsolata igen erős.

10.13. ábra. Az Ig antigéndeterminánshoz kapcsolódó molekulaszakaszai. a) Az antigén epitópja az ellenanyag-molekula antigénkötő helyével kerül kölcsönhatásba. A kapcsolat kialakításában fontos szerep jut a könnyű- és a nehézlánc hipervariábilis régióinak (CDR1, 2, 3), mivel ezek tartalmazzák az antigén-determinánshoz közvetlenül kapcsolódó „kontakt aminosavakat”. b) Az antigén-ellenanyag szoros kapcsolatának 3D-modellje. Egy ösztradiol-molekula (barnáspiros) és az Fab-fragmentum kapcsolata. Az ábra a Cn3D-program használatával készült. (AAAS Science 233, 747–753, 1986. Amit A.G., R.A. Mariuzza, S.E. Philips, R.F. Poljak)

Az antigénnel való kölcsönhatás során (legalábbis egyes ellenanyagok esetében) megváltozik a CDR-ek egymáshoz viszonyított helyzete, az Fab-régió térszerkezete. Érdemes megemlíteni, hogy egyidejűleg az antigén térszerkezetében is változások jöhetnek létre.

Az ellenanyag–antigén kapcsolat kémiai jellemzői

Az antigén-ellenanyag kapcsolódás nem kovalens kötés eredménye, hanem reverzíbilis folyamat, amelyet elektrosztatikus vonzás, hidrogénhíd-kötések, van der Walls-kötőerők, valamint hidrofób kölcsönhatások hoznak létre. A kapcsolódás erőssége a két molekula közötti affinitás és aviditás függvénye. Az ellenanyag egyetlen kötőhelye (Fab) és az antigén egyetlen epitópja között kialakuló kapcsolat erősségét az ellenanyag affinitásának nevezzük, amit a disszociációs konstanssal (Kd) jellemzünk. [Ez az érték az antigén azon koncentrációja mólban megadva (M), amely mellett az oldatban jelen lévő ellenanyagok fele telített az antigénnel, vagyis ahol az antigénhez kötött ellenanyag és a szabad ellenanyag koncentrációja egyenlő. A kisebb Kd-érték nagyobb, erősebb kötést jelent, mivel kevesebb antigén szükséges egy adott ellenanyag kötőhelyeinek telítéséhez.] Az ellenanyagokra a 10-7- és 10-11-M közötti kötéserősség jellemző. Egy bizonyos antigénre adott immunválasz során a szérum különböző, eltérő affinitású ellenanyagokat tartalmaz (poliklonális ellenanyagválasz).

Mivel az ellenanyagok kapocsrégiója nagyfokú rugalmasságot biztosít az antigént megkötő Fab-régióknak, egy adott ellenanyag-molekula akár több ponton is kapcsolódhat az antigénnel, feltételezve, hogy az adott kötéseket alkotó antigénepitópok azonosak (polivalens antigén) (10.14. ábra). Az IgG és IgE esetében ez két kötést jelenthet, mindkét Fab régiót figyelembe véve. Az IgM molekula esetében ez a kölcsönhatás akár 10 egyedi kapcsolódást is jelenthet, erre azonban gyakorlatilag nemigen van esély a bonyolult térbeli gátlások miatt. Polivalens antigének esetében figyelembe kell venni, hogy nem egy, hanem akár több kapcsolódás egyszerre biztosítja az interakció stabilitását. A polivalens antigén és az ellenanyag között több pontban kialakuló kötés erősségét aviditásnak nevezzük, ami értelemszerűen nagyobb, mint az egyes kapcsolódások affinitása. A polivalens antigén–ellenanyag kapcsolódás biológiai jelentőségére jellemző, hogy számos esetben az ellenanyag térszerkezeti változása és azt követő biológiai folyamatok aktiválódása (pl. receptorhoz kötődés) csak ebben az esetben következik be.

10.14. ábra. Az antigén–ellenanyag kapcsolat valenciája és aviditása

Az Ig-ből származó Fab-fragmentumok monovalensek, azaz egy antigén- (epitóp-) kötőhellyel rendelkeznek. A monomer (tehát egy négyláncú egységből álló) ellenanyag-molekula bivalens; értelemszerűen a dimer vagy pentamer ellenanyagok kettőnél több kötőhellyel rendelkeznek. Az ilyen oligomer antitestek sajátsága, hogy az egyes antigénkötő helyek két (vagy több), egyidejűleg különböző antigénen (molekulán, sejten) elhelyezkedő epitóppal is kölcsönhatásba kerülhetnek, azokat összekapcsolva nagyméretű antigén-antitest komplexeket hozhatnak létre. Az ilyen dimer vagy oligomer ellenanyagok kiválóan alkalmasak antigének precipitálására, agglutinálására, és ezen sajátságuk miatt immunológiai módszerekben sokoldalúan alkalmazhatók. Ugyancsak alkalmasak sejtfelszíni struktúrák, receptorok összekapcsolására (aggregálására) és az adott receptor által közvetített jelek kiváltására. Ezen sajátságuk révén helyettesíthetik az adott receptor fajlagos (polivalens) ligandumát. Az egyetlen epitóphoz kötődő Fab-fragmentum viszont kiválóan alkalmazható monovalens antigének (haptének) helyettesítésére, így pl. egy adott sejt felszínén expresszióra kerülő receptorok számának meghatározására.

Az antigénkötő hely specificitása

Az adaptív immunfolyamatokat általában fajlagosságukkal jellemzik, és e tekintetben az ellenanyagok hapténspecificitásának kérdése különösen jelentős. A problémával elsők között a modern immunológia egyik úttörője, a Nobel-díjas Landsteiner foglalkozott, aki egyebek között arra hívta fel a figyelmet, hogy megfelelő immunsavó egy haptén izomerjei között is különbséget tud tenni. Az ellenanyagok fajlagosságát mutatták az allotípus vizsgálatokban használt immunsavók is, amelyek egyetlen aminosavcsere következtében kialakult szerkezeti különbségek kimutatására is alkalmasaknak bizonyultak. A fajlagosságnak ezt a formáját szerológiai specificitásnak nevezzük, mivel egy adott haptén és az azzal reagáló ellenanyagot tartalmazó immunsavó közötti in vitro reakcióra utal.

Ami az antigénkötő hely specificitását illeti lényeges, hogy

– egy ellenanyag-molekula antigénkötőhelye csak egyetlen hapténnel tud-e reagálni vagy többel, továbbá, hogy

– egy adott haptén csupán egy meghatározott szekvenciájú H-L-lánc pár által kialakított kötőhellyel reagál-e?

Az antigénkötőhely esetleges polispecificitásának vizsgálata meglehetősen nehéz, mivel ennek eldöntése csak nagyszámú, egymással szerkezeti rokonságot nem mutató haptén segítségével történhet. Napjainkig több olyan eredményt közöltek, amely szerint egy ellenanyag molekula antigénkötőhelye egynél több, nem rokon szerkezetű haptén kötésére lehet alkalmas, azaz nem mono-, hanem polispecifikus. Az is bebizonyosodott, hogy nemcsak egy adott H-L-láncpár tud egy adott hapténnel kapcsolódni, hanem egy adott H-lánc a könnyű láncok egész sorával azonos specificitású ellenanyag molekulát alkothat.

Mindez azonban nem szól a humorális immunválasz fajlagossága ellen, hiszen az antigének polivalens természetéből adódóan egyidejűleg – ha különbözõ intenzitással is, de – több epitóp indukál immunválaszt. Az immunválaszt jellemző antigén-kompetíció éppúgy, mint az ellenanyagok affinitásérése azt eredményezi, hogy az egyes ellenanyag molekulák esetleges polispecificitása ellenére is az adott antigén epitópjaival kölcsönhatásba kerülő molekulák populációja dominál, az immunválasz tehát az antigénre nézve fajlagos.

Megjegyzendő, hogy az immunológiai specificitásnak ilyen értelmezése (tehát, hogy a polispecifikus egyedi antigénkötő hely/ek/ ellenére statisztikailag az antigén-specifikus tendencia érvényesül) nemcsak a szolúbilis ellenanyagokra és a BCR-antigén felismerő egységére vonatkozik, hanem, mutatis mutandis, a TCR-közvetített antigén-felismerésre is.

Az antigén és az ellenanyag-molekula kölcsönhatása mindenekelőtt az antigénkötőhely és a megfelelő epitóp kapcsolódásán alapul (elsődleges kölcsönhatás). Az univalens haptén is kapcsolódik az antigénhez, ez a kölcsönhatás azonban általában nem befolyásolja az antigén fizikai állapotát. Bivalens vagy polivalens haptének két vagy több Ig-molekulát kapcsolhatnak össze, és ez az ellenanyag-molekulák (elsősorban) Fc-részei közötti interakcióhoz vezet. Az így kialakuló másodlagos kölcsönhatások az antigén és az ellenanyag-molekulákat egyaránt magába foglaló hálószerkezet kialakulásához vezetnek (10.15. ábra). A bivalens ellenanyag-molekula legfeljebb két univalens hapténnel reagál, így a képződő komplex oldatban marad, mivel molekulatömege alig haladja meg az ellenanyagét. Bivalens ellenanyag és bivalens antigén esetében viszont hosszú láncok vagy gyűrűs szerkezetek, az oldatból kiváló komplexek képződhetnek. A bivalens haptén ún. ciklusos monomert is létrehozhat a bivalens ellenanyag-molekulával. Multivalens antigén az ellenanyag-molekulákkal általában az oldatból kiváló komplexek képződését eredményezi (lásd 10.15. ábra). Az immunkomplexek – az antigén természetétől függően – oldatból kiválva precipitálódnak vagy agglutinálódnak. Immunkomplexek in vivo körülmények között is gyakran képződnek, de ezek folyamatos eliminációja az immunválasz effektor szakaszának szerves része, következésképpen károsító hatásuk nincs. Az immunkomplexek eltávolításának zavara azonban a komplexek lerakódása, az effektor funkciók helyi vagy szisztémás aktiválása révén kóros folyamatok forrása lehet (lásd autoimmunitás, 19. fejezet). Az in vitro immunkomplex-képződés vizsgálata számos immunológiai módszer alapja, így a laboratóriumi gyakorlatban igen elterjedt.

10.15. ábra. Az antigén-ellenanyag arányok hatása a kialakuló immunkomplexek összetételére, illetve szerkezetére. Ellenanyag, illetve antigén-túlsúlyban az immunkomplexek oldódása figyelhető meg. Az ekvivalencia-zónában, ahol sem szabad antigén, sem szabad ellenanyag nincs jelen, a hálózatos kapcsolódás nagy méretű komplexek kialakulását teszi lehetővé.

Precipitáció. Az oldott antigén és a specifikus ellenanyag kölcsönhatásának eredményeképpen precipitátum képződik, melyben az antigén és ellenanyag-molekulák aránya változó. Egy antigén felületén az ellenanyag antigénkötő helye számára hozzáférhető helyzetben általában több antigén-determináns csoport (epitóp) található. Ezek számát jellemzi az antigén valenciája. („Valencia” kifejezéssel utalunk az ellenanyag-molekula antigén-kötő helyeinek számára is.) Multivalens antigén-molekulák legtöbbször bivalens ellenanyag-molekulákkal kapcsolódnak, tehát az antigének felületéhez a rajtuk található (és hozzáférhető) epitópok számától függő mennyiségben kötődnek az immunglobulinok. Emiatt a precipitátumban általában az antigén mennyisége kevesebb az ellenanyag mennyiségénél.

Agglutináció akkor jön létre, ha nem oldott antigének, hanem részecskék (rendszerint sejtek) reagálnak ellenanyagokkal. Az antigén-antitest kapcsolódás éppúgy a reagáló komponensek felületén zajlik le, mint az oldott antigéneknél, a fő különbség a reagáló részecskék méreteiből adódik. Az agglutinálódó antigének sokszor nagyobbak az oldottaknál, és az 1–10 μm átmérőjű baktériumok vagy sejtek felületén elhelyezkedő epitópok száma ennek megfelelően lényegesen nagyobb lehet. Különbség van az ellenanyag-molekulák méretében és valenciájában is, ui. elsősorban az IgM-osztályba tartozó ellenanyagok rendelkeznek nagy agglutináló aktivitással. Hasonlóképpen, az IgA-polimerek is jobb agglutininek az IgG-osztályba tartozó ellenanyagoknál.

Az agglutináció annak a következménye, hogy az immunglobulin-molekulák egyik antigénkötőhelye az egyik, a másik antigénkötőhelye pedig a másik részecske (sejt) felületén lévő epitóphoz kapcsolódik. Következésképpen a két vagy több valenciával rendelkező ellenanyag-molekulák egymáshoz kapcsolják a sejteket.

Effektor funkciók

Itt jegyezzük meg, hogy az ellenanyag-molekulák által közvetített effektor funkciókat több más (7., 14., 18. és 19) fejezetben is tárgyaljuk.

Az Ig-molekulákat fajlagos funkciójuk (antigénhez kapcsolódás) mellett egyéb biológiai aktivitás is jellemzi (lásd még 14. fejezet). Az antitestek effektor funkciói közvetve vagy közvetlenül az antigén elpusztításával és eltakarításával (eliminációjával) függenek össze. Ezek közé tartozik akomplementrendszer aktiválása, továbbá a sejtek Fc-receptoraihoz való kapcsolódás (más szóval az ellenanyagok citofil tulajdonsága). Emellett szintén a molekula konstans doménjeinek a funkciója az Ig katabolizmusának szabályozása és bakteriális receptorokhoz (pl. SpA – Staphylococcus Protein A) való kötődés.

Az immunglobulinok Fc-része a különböző sejtek membránjában található, esetleg citoplazmatikus vezikulumaikban lokalizálódó, ún. Fc-receptorokhoz tud kapcsolódni (lásd 4. fejezet). Az egyes izotípusok közötti eltérések a konstans domének közötti szerkezeti különbségekből adódnak, és emiatt az egyes Ig-izotípusok egymástól eltérő biológiai aktivitást fejtenek ki. Erre példa, hogy az IgG által borított kórokozók a neutrofil-granulociták és makrofágok felszínén lévő Fcγ-receptorokhoz kötődnek, és azokon keresztül fagocítózist indukálnak. Az IgE-molekulák a többsejtű parazitákhoz kötődnek, és az eozinofil-granulociták felszínén lévő Fcε-receptorokkal reagálva aktiválják ezeket a sejteket. Intracelluláris receptorra példa az ún. neonatális Fc-receptor (FcRn), amely az IgG-típusú ellenanyagot az anyai placentán keresztül a magzatba juttatja (maternális immunitás), illetve az endotélsejtekben megvédi azt a lebomlástól.

Az érett B-limfociták az antigénnel történő aktiválódásukat követően először IgM és IgD típusú ellenanyagot termelnek, a későbbiekben azonban T-helper-sejtek hatására IgG, IgA, ill. IgE termelődhet. Ezt a folyamatot izotípusváltásnak nevezzük, ami az ellenanyag nehézláncának konstans részét érinti csupán, és nem befolyásolja az antigénkötő variábilis régiót (a folyamat részletes ismertetését lásd a 14. fejezetben, vázlatosan a 10.16. ábra mutatja).

10.16. ábra. Az ellenanyag szerkezeti változásai a humorális immunválasz során. A B-sejtek aktiválása során a membránban horgonyzott Ig a variábilis és a konstans szekvenciákat egyaránt érintő szerkezeti változásokon megy át. Az affinitás-érés során a könnyű- és a nehézlánc hipervariábilis szakaszaiban bekövetkező mutációk (piros pontokkal jelölve) megváltoztatják az ellenanyag fajlagos tulajdonságát anélkül, hogy a konstans szakaszok és azok effektor funkciói változnának. A szekretált ellenanyagok variábilis régiója nem tartalmaz feltétlenül mutált szakaszokat – ez attól függ, hogy az ellenanyag szekréciója az affinitás-érés előtt, vagy azt követően történik. Az ellenanyag effektor funkcióját alapvetően módosító izotípusváltás során az Ig nehézláncának konstans régiója cserélődik ki anélkül, hogy a molekula antigénkötő képessége megváltozna.

Lényeges, hogy az Ig-molekulák natív állapotukban általában nem, csak az antigénnel való kölcsönhatás eredményeként kialakuló immunkomplexekben képesek az effektor funciókat beindítani. Ennek tulajdonítható, hogy a testnedvekben viszonylag magas koncentrációban jelenlévő ellenanyagok nem aktiválnak folyamatosan sejtpusztító folyamatokat (ami természetesen az élettel nem lenne összeegyeztethető).

Feltételezett szerkezeti változások az effektor funkciók kiváltásához

Az antigénnel való kölcsönhatás eredményeképpen az Ig-molekulában létrejövő térszerkezeti változások jellege még nem tisztázott egyértelműen. Ennek magyarázatára az alábbi modellek láttak napvilágot.

Konformációs modell. Az antigén–antitest kapcsolódás olyan térszerkezeti változásokkal jár az Ig-molekulákban, hogy az effektor funkciókat kiváltó, a natív molekulában rejtett helyzetben lévő csoportok a molekula felszínére kerülnek.

Disztorziós modell. Más vizsgálatok szerint az antigén-kötés maga után vonja az „Y” alakú molekula Fab szárainak elmozdulását, és az Fab-Fc részek által bezárt szög megváltozása összefügg az effektor mechanizmusok beindításával.

Asszociációs modell. Bivalens vagy polivalens antigének két vagy több Ig-molekula Fab-részét kapcsolják össze. Részben emiatt, részben pedig az Fc-részek között kialakuló másodlagos kapcsolatok révén nagyméretű, hálószerkezetet mutató immunkomplexek alakulnak ki.

A komplementrendszer klasszikus útjának aktiválása

A komplementrendszer klasszikus útjának aktiválása a humorális immunválasz effektor fázisának egyik fontos lépése, jóllehet nem minden izotípusú Ig képes ezt a folyamatot megindítani (lásd 7. fejezet). A klasszikus út aktiválásának első lépése az Ig és a C1q molekula kölcsönhatása. Az ehhez szükséges szerkezeti adottságokkal azonban csak két izotípus, az IgG és az IgM rendelkezik. Az IgG-alosztályok C1q-kötő és komplementaktiváló képessége azonban a nagy szerkezeti homológia ellenére sem egyforma. Az emberi IgG3 és IgG1 jobban aktiválja a komplementrendszert, mint az IgG2-alosztályé, az IgG4 pedig e tekintetben inaktív. (Egérben a sorrend: IgG2a>IgG2b>IgG1.) A C1q-val való kapcsolat kialakításában az IgG-molekula CH2-doménjének C-terminális része vesz részt

Az IgM C1q iránti affinitása is jelentősen megnő az antigénnel való kapcsolódás után. A kölcsönhatásban résztvevő csoportok a Cµ3-doménen, a Cµ3- és Cµ2-doméneket összekötő molekulaszakasz közelében helyezkednek el.

Ig-allotípusok

Azonos izotípusú Ig-molekulák allélikus variánsait nevezzük az Ig-k allotípusainak. Az egyes Ig-láncok allélikus variánsai homozigóta egyedben egy, heterozigótákban pedig két allotípus megjelenését eredményezik (de egy adott B-sejt mindig csak egy allotípus szintézisére képes). Az allotípusokkal összefüggő Ig-polimorfizmus vizsgálata több szempontból is jelentős. A szerkezeti eltérések elég nagyok ahhoz, hogy más allotípusú Ig-k (pl. vérátömlesztéskor egy másik egyén szervezetébe jutva) ellenanyag-termelést váltsanak ki. Az allotípusok megoszlásának, ill. öröklődésének tanulmányozása nagy jelentőségű populáció-genetikai és törvényszéki orvostani vizsgálatokban is.

Emberben elsődlegesen a γ, az α2 nehéz- és a κ-könnyűláncoknak vannak allotípus-variánsai (Gm-, Am-, illetve Km-allotípusok). A polimorfizmus szerkezeti alapja az adott láncok konstans szakaszaiban található egy vagy néhány aminosav szubsztitúció.

A populáció- és családgenetikai vizsgálatok azt mutatták, hogy az allotípus-tulajdonságok meghatározott kombinációban (haplotípus) öröklődnek, és előfordulásuk gyakorisága emberfajtánként jellemző (az emberi immunglobulin allotípusainak teljes listáját az ImMunoGeneTics, IMGT adatbázisa tartalmazza: imgt.cines.fr.).

Viszonylag sokat tanulmányozták az allotípus-markereket egereken is, és három IgG-alosztály esetében (IgG2a, IgG2b és IgG1), továbbá az IgA nehézláncain találtak ilyen markereket.