Antikroppar , immunglobuliner är stora globulära blodplasmaproteiner som utsöndras av plasmaceller i immunsystemet och tjänar till att neutralisera patogenceller ( bakterier , svampar , flercelliga parasiter ) och virus , såväl som proteingifter och vissa andra främmande ämnen. Varje antikropp känner igen ett unikt element av patogenen som är frånvarande i kroppen själv - ett antigen , och inom ett givet antigen - en viss del av det, en epitop . Genom att binda till antigener på ytan av patogener kan antikroppar antingen direkt neutralisera dem eller rekrytera andra komponenter i immunsystemet, såsom komplementsystemet och fagocyter , för att förstöra främmande celler eller viruspartiklar. Antikroppar är en viktig komponent i humoral specifik immunitet .
Antikroppar (immunoglobuliner) bildar en proteinsuperfamilj . Antikroppsmolekylen har en Y-form, två identiska antigenbindningsställen är belägna vid de två ändarna av molekylen, och den tredje änden kan vara en av flera typer, beroende på det, tilldelas antikroppar till en eller annan klass. Sammansättningen av en antikropp innefattar i de flesta fall två tunga kedjor och två lätta kedjor . Hos däggdjur finns det fem typer av tunga kedjor - α, γ, δ, ε och μ, som motsvarar fem isotyper (klasser) av antikroppar - IgA , IgG , IgD , IgE och IgM [1] . Antikroppar av varje isotyp skiljer sig från andra i funktioner och strukturella egenskaper. Den enorma variationen av antikroppar tillhandahålls av omarrangemang av de loci som kodar för tunga och lätta kedjor under V(D)J-rekombination .
Bildandet av antikroppar som känner igen normala kroppsproteiner ( autoantikroppar ) är grunden för utvecklingen av autoimmuna sjukdomar , såsom systemisk lupus erythematosus , reumatoid artrit och andra. Den fullständiga eller partiella frånvaron av antikroppar leder till utvecklingen av immunbristtillstånd .
Immunoglobulin (antikropp) molekyler är formade som bokstaven "Y" och består av två identiska lätta och två identiska tunga polypeptidkedjor sammanlänkade med disulfidbindningar. Polypeptidkedjorna vid de "övre" ändarna av "bokstaven Y" slutar med aminogrupper och är antigenbindande ställen, "benet" - med karboxylgrupper [2] .
Lösliga och membranformer av antikroppar är kända. Membranantikroppar finns på B-lymfocyter och kallas B-cellsreceptorer . Lösliga antikroppar är nästan identiska i struktur med membranet, skillnaderna gäller endast den C-terminala (konstanta) delen. En monomer immunoglobulinmolekyl har en molekylvikt på 150-170 kDa och består av fyra polypeptidkedjor : två lätta eller L-kedjor ( English Lite ) (massa 50-60 kDa), och två tunga eller H-kedjor ( Engelska Heavy ) ) (massa 100-120 kDa), som är arrangerade symmetriskt och förbundna med disulfidbindningar . H- och L-kedjorna är förbundna med en enkel disulfidbindning som ligger nära den lätta kedjans C-terminal, de återstående disulfidbindningarna håller ihop H-kedjorna. Sammansättningen av lätta kedjor inkluderar två homologa segment ( domäner ), och tunga kedjor - 4-5 domäner. Domäner består av cirka 110 aminosyrarester (a.a.) och har en liknande rumslig struktur som stabiliseras av en enkel disulfidbindning, men deras funktioner skiljer sig åt [3] . Dessa domäner är så kallade immunglobulindomäner som innehåller ett karakteristiskt strukturellt motiv , känt som immunglobulinvecket, representerat av två β-lager som interagerar med varandra via disulfidbindningar och elektrostatiska interaktioner, och bildar något som en sandwich [4] . Domäner interagerar med varandra genom hydrofoba interaktioner [5] .
N-terminalerna av alla kedjor är involverade i antigenigenkänning, det vill säga de bildar två identiska antigenbindningsställen. En nyckelroll i processen för antigenigenkänning spelas av överensstämmelsen mellan strukturerna hos antigenet (mer exakt, en del av antigenmolekylen - epitop ) och det antigenigenkännande stället för antikroppen, eller paratopen , enligt "nyckeln" -lås"-principen. Immunglobulins specificitet bestäms av aminosyrasekvensen för antigenigenkänningsdomäner, som kallas variabla eller V-domäner (de kallas också F V - regioner). Det antigenbindande stället bildas av V-domäner av tunga och lätta kedjor ( VH- respektive VL - domäner). Den bildas av variabla slingor av β-ark, av vilka tre tillhör VL -domäner och de återstående tre tillhör VH -domäner. Dessa slingor kallas ibland för komplementaritetsbestämmande regioner ( CDR ) [6 . CDR är också kända som hypervariabla regioner. I en immunglobulinmolekyl finns det vanligtvis 3 hypervariabla regioner, vars position i kedjan kan vara olika. Dessutom inkluderar varje V-domän 4 regioner med relativt konstant sammansättning (ramregioner) [7] . Den ultrahöga variabiliteten av CDR ger en stor variation av immunglobuliner [8] .
De återstående domänerna av immunglobulinmolekylen har en fixerad struktur, så de kallas konstanta eller C-domäner. L -kedjan innehåller en C-domän (betecknad CL ), och H-kedjan innehåller 3 eller 4 domäner, som betecknas CH 1, CH 2, CH 3, CH 4. C-domäner är inte involverade i antigenigenkänning och är nödvändiga för interaktion med immuncellsreceptorer , aktivering av komplementsystemet och andra effektorfunktioner [3] .
Andelen hypervariabla positioner i V-domäner är liten jämfört med relativt oföränderliga positioner och uppgår till 15–20 % av alla aminosyrarester. Dessutom, i utvecklingen av ryggradsdjur , visade sig V-domäner vara mer konserverade än konstanta domäner, och deras konservatism är associerad med konstanta regioner. Således är homologin för VL- domäner mellan tiger- och Galapagoshajar cirka 75 % och mellan människor och hundar cirka 50 % [9] .
En antikropp kallas monospecifik om den bara kan känna igen ett antigen eller epitop, och bispecifik om den binder till två olika antigener eller två olika epitoper inom ett antigen [10] . Vissa antikroppar kallas polyvalenta, eller ospecifika, om de känner igen flera antigener [11] .
Under inverkan av proteaser klyvs immunglobulinmolekyler till fragment som har speciella namn. Så papain delar upp immunoglobulinmolekylen i tre fragment: två Fab- fragment (från det engelska fragmentets antigenbindning ) och ett Fc- fragment (från det engelska fragmentet kristalliserbart ). Fab-fragment innehåller V-domäner, såväl som CL- och CH 1-domäner, medan Fc innehåller de återstående C-domänerna och disulfidbindningar som förbinder dem. Pepsin skär immunglobulinmolekylen något annorlunda och producerar ett bivalent antigenbindande F(ab') 2 - fragment och ett trunkerat Fc'-fragment [12] .
C-domänregionen innehåller de flesta platser som interagerar med cellreceptorer, såsom Fc-receptorer . Således innehåller Cy2-domänen bindningsställen för komplementkomponenten C4b, såväl som för FcyRI- och FcyRII-receptorerna. FcyRIII-bindningsstället är lokaliserat i Cy3-domänen. Uppehållslängden för antikroppen i blodomloppet beror på strukturen av CH 2 -domänen [8] . Mellan CH 1- och CH 2-domänerna finns en region som är olika lång i H-kedjorna av olika isotyper och som inte är en del av domänerna . På grund av den höga prolinhalten är denna region mycket flexibel och kallas därför även för gångjärnsregionen. Det är i det som ställena för klyvning av immunglobuliner med proteaser är belägna [13] .
Antikroppsmolekyler genomgår glykosylering , det vill säga de är glykoproteiner . L-kedjor saknar stabila glykosyleringsställen och i H-kedjor finns de i alla domäner, förutom den variabla (de flesta av dem är i CH 2-domänen). Det finns fler N-glykosyleringsställen i antikroppar än O-glykosyleringsställen . Kolhydratkomponenten i antikroppar påverkar inte deras specificitet, men glykosylering är nödvändig för att stabilisera de funktionellt viktiga egenskaperna hos molekylen, ger interaktion med lektiner , bestämmer egenskaperna hos katabolism och de biologiska egenskaperna hos antikroppar. Kolhydratfragment i sammansättningen av antikroppar har oftast en bas av mannos- och kitobiosrester [14] .
Tunga och lätta kedjor finns i flera varianter som skiljer sig i struktur och funktion, och därför delas antikroppar in i klasser, eller isotyper. Det finns två typer av L-kedjor (κ och λ) och fem isotyper av H-kedjor (μ, γ, α, δ och ε). En immunglobulinmolekyl kan endast innehålla H-kedjor av en typ. Det finns fem huvudtyper av antikroppar hos däggdjur: IgM, IgG, IgA, IgD och IgE ( latinska bokstäver i namnen på antikroppsklasser motsvarar grekiska bokstäver i beteckningen av H-kedjans isotyper). Immunglobuliner av IgG- och IgA-klasserna är indelade i underklasser (subtyper), också beroende på egenskaperna hos H-kedjorna. Immunglobuliner av alla klasser kan tillhöra K- och L-typer, beroende på närvaron i deras sammansättning av L-kedjor av κ- respektive λ-typer [15] . Olika isotyper av H-kedjor har olika antal C-domäner: γ-, α- och δ-kedjor har vardera 3 C-domäner, och μ- och ε-kedjor innehåller vardera 4 C-domäner [8] . Klasser av antikroppar skiljer sig också åt i graden av glykosylering, i synnerhet antikroppar av IgG-klassen är de minst glykosylerade [14] .
De viktigaste egenskaperna hos antikroppsklasser listas i tabellen nedan [15] .
Fast egendom | IgM | IgG | IgA | IgD | IgE |
---|---|---|---|---|---|
Molekylvikt, kDa | 950 | 150; subtyp IgG3 - 165 | 150; dimer - 300 | 185 | 190 |
Antal monomerer | 5 | ett | 1 eller 2 | ett | ett |
Valens | 5 | 2 | 2 eller 4 | 2 | 2 |
H-kedjans isotyp | μ | γ | α | δ | ε |
Antal C-domäner i H-kedjan | fyra | 3 | 3 | 3 | fyra |
Antal disulfidbindningar mellan H-kedjor | fyra | 3-12 | 4 eller 5 | ett | 3 |
Innehåll i serum , mg/ml | 1.5 | 13-14 | 3.5 | 0,03 | 0,00002—0,0005 |
Halveringstid, dagar | 5-10 | 23 (IgG3 - 7) | 6 | 3 | 2 |
Celler som binder antikroppar genom Fc-receptorer | — | Makrofager , monocyter , neutrofiler | Makrofager, monocyter, neutrofiler (svagt) | — | Mastceller , basofiler |
Funktioner | Membranreceptor , primärt immunsvar | Sekundärt immunsvar, skydd mot bakterier och virus | Övervägande i slemhinnesekret | Membranreceptor | Reagins, skydd mot parasiter |
Förutom klasserna av däggdjursantikroppar listade ovan, har vissa ryggradsdjur andra klasser av antikroppar. Till exempel har benfiskar en speciell klass av IgT/Z-antikroppar, medan amfibier , reptiler och fåglar har immunglobuliner Y (IgY), som består av två tunga och två lätta kedjor och ackumuleras i stora mängder i äggula [16] . Broskfiskar och däggdjur av kamelfamiljen har antikroppar med tunga kedjor som saknar lätta kedjor. Brosk- och kamelkedjeantikroppar tros vara resultatet av konvergent evolution , och de uppträdde i samband med funktionella egenskaper. Cirka 50 % av antikropparna från kameler och besläktade arter är typiska fyrkedjiga däggdjursantikroppar. Det är inte känt om det finns djur som bara har tungkedjeantikroppar [17] .
Huvudfunktionerna hos antikroppar i immunsystemet inkluderar:
Antikroppar som binder till ytan av en främmande cell aktiverar den första komponenten av komplementkaskaden genom deras Fc-regioner; detta sätt för komplementaktivering kallas den klassiska komplementaktiveringsvägen [19] . Som ett resultat kan en cell belagd med antikroppar dö på två sätt. För det första markerar bindningen av antikroppar och komplementkomponenter till cellytan den som ett mål för destruktion av fagocyter, som attraheras till cellen av vissa komponenter i komplementkaskaden. För det andra bildar komplementkomponenter ett membranattackkomplex på cellytan, vilket orsakar dess död som ett resultat av lysis [20] .
För att motverka multiplikationen av extracellulära patogener, "limmar" antikroppar patogena celler tillsammans, vilket får dem att agglutinera [21] . Eftersom den minsta valensen (det vill säga antalet samtidigt bundna antigener) för en antikropp är två, kan den binda två antigenmolekyler som finns på olika celler och därigenom koppla ihop dem. Genom att belägga ytan på en patogen, attraherar antikroppar effektorimmunceller till den med hjälp av Fc-regioner. Celler som känner igen Fc-regionerna av antikroppar har specialiserade Fc-receptorer (FcR) som kan binda till Fc-regionerna av IgA, IgG och IgE. Bindning av en cells Fc-receptor med en antikropp aktiverar den, vilket i fagocyter visar sig i lanseringen av fagocytos, i mastceller och neutrofiler - degranulering , naturliga mördare - frisättning av cytokiner och cytotoxiska molekyler , vilket i slutändan leder till till förstörelsen av mikroorganismen . Aktivering av naturliga mördarceller av antikroppar utlöser en mekanism som kallas antikroppsberoende cellförmedlad cytotoxicitet [ ( ADCC ) . Denna mekanism kan förklara effektiviteten av monoklonala antikroppar vid behandling av cancer . Eftersom Fc-receptorer endast är specifika för antikroppar av en viss isotyp, har immunsystemet tillräcklig flexibilitet för att utlösa en viss typ av immunsvar mot en given patogen [22] .
Hos människor och högre primater finns ständigt så kallade naturliga antikroppar i blodplasman , vilka bildas utan föregående infektion , vaccination eller annan exponering. Tack vare dessa antikroppar kan komplementsystemet utlösa lys av mikroorganismceller och inkapslade virusvirioner utan föregående aktivering av adaptiv immunitet . Många naturliga antikroppar är specifika för disackariden galaktos -α(1,3)-galaktos (α-Gal), som är slutsockret i glykosylerade cellyteproteiner. Produktionen av dessa antikroppar utlöses som svar på syntesen av α-Gal av symbiotiska tarmbakterier [23] . Xenotransplantatavstötning kan delvis förklaras av verkan av mottagarens naturliga antikroppar som attackerar α-Gal i transplantatproteinerna [24] .
Aktiverade B-celler differentierar till antikroppsutsöndrande plasmaceller, eller minnes-B-celler , som finns kvar i kroppen under lång tid och lagrar minnet av antigener som kroppen tidigare har mött [18] . Under prenatala och neonatala perioder kommer antikroppar in i barnets kropp från modern. Uppkomsten av egenantikroppsproduktion skiljer sig mellan antikroppsklasser och inträffar vanligtvis under de första levnadsåren [19] .
Utöver ovanstående funktioner i immunsystemet kan antikroppar utföra andra, icke-kanoniska roller. I vissa antikroppar är sammansättningen av aminosyrarester i antigenbindningsstället mycket lik den i det aktiva stället för vissa enzymer , så antikroppar kan katalysera vissa kemiska reaktioner . Antikroppar med katalytisk aktivitet kallas abzymer . Det har visats att syntesen av antikroppar med olika katalytisk aktivitet börjar vid immunisering med mellanprodukter av motsvarande reaktioner. Emellertid, vad gäller katalytisk aktivitet, är abzymer mycket sämre än "sanna" enzymer. Hos människor, både under normala och patologiska tillstånd , detekteras ofta antikroppar med proteolytisk aktivitet , som klyver molekyler specifika för patogener. Proteolytiska antikroppar tillhör klasserna IgG, IgA och IgM. Vissa antikroppar av IgM- och IgG-klasserna kan döda mikroorganismceller ensamma utan deltagande av andra effektormekanismer, men mekanismen för deras verkan är endast känd i ett fåtal fall. I synnerhet har det visats att inaktiverande IgM och IgG monoklonala antikroppar orsakar förändringar i genuttryck och metabolism i den patogena svampen Cryptococcus neoformans vid bindning till ytan av dess celler. Bindning av antikroppar till ytan av den patogena bakterien Borrelia burgdorferi orsakar porbildning och celldöd som ett resultat av osmotisk chock . Ibland inaktiverar olika antikroppar en patogen genom synergistisk verkan utan inblandning av ytterligare effektorvägar. Specifika icke-kanoniska funktioner har beskrivits för antikroppar av IgA-klassen. Således kan de förmedla transepitelial transport av bakterier i musens tarm och reglera inträdet av bakteriella metaboliter i värdceller. Dessutom kan antikroppar fungera som chaperoner och bärare av olika föreningar i en frisk kropp [25] .
Praktiskt taget alla mikroorganismer kan framkalla ett immunsvar. Framgångsrik igenkänning och förstörelse av patogener kräver en mängd olika antikroppar som känner igen olika antigener [26] . Enligt vissa uppskattningar bildas 10 miljarder olika antikroppar i människokroppen, som var och en känner igen en unik epitop [27] . Även om ett stort antal antikroppar produceras i varje individ, begränsas antalet gener som kodar för dem av genomets storlek . Det finns flera mekanismer som gör det möjligt för ryggradsdjur att få ett stort antal olika antikroppar från ett relativt litet antal gener [28] .
De regioner som kodar för komponenterna i antikroppar finns på flera kromosomer hos människor . På kromosom 14 samlas gener som kodar för varianter av den tunga kedjan, lätta kedjor κ och λ kodas på kromosom 22 och 2 . De variabla domänerna som bildas av både den lätta och tunga kedjan skiljer sig åt mellan antikroppar som bildas av olika plasmaceller. Skillnader mellan variabla domäner påverkar tre slingor kända som hypervariabla regioner (HV-1, HV-2 och HV-3) eller komplementaritetsbestämmande regioner (CDR1, CDR2 och CDR3). Den tunga kedjelokuset kodar för 65 variabla domäner med olika CDR. Kombinationen av var och en av dessa varianter inom den linjära uppsättningen av gener som kodar för andra tunga kedjedomäner ger en stor variation av antikroppar. Denna kombination uppstår som ett resultat av V(D)J-rekombination, vars mekanism beskrivs nedan [29] .
Under processen med V(D)J-rekombination bildas en unik DNA- region som kodar för den variabla domänen. Den variabla regionen av en tung eller lätt kedja kodas av ett lokus som är uppdelat i flera fragment - subgener, som betecknas V (från engelska variabel ), D (från engelsk diversity ) och J (från engelska joining ) [28] . V-, D- och J-subgenerna kodar för den variabla regionen av den tunga kedjan, medan den variabla regionen i den lätta kedjan kodar för subgenerna V och J. Varje subgen representeras av flera varianter som är anordnade i tandem efter varandra på kromosomen . I benmärgen , under mognaden av en B-cell , sker omarrangemang i dess loci som kodar för variabla domäner, som ett resultat av vilka en variant av V-, D- och J-subgenerna förblir i lokuset, och de återstående varianterna är permanent avlägsnas från genomet. Eftersom varje subgen finns i flera varianter kommer deras kombinationer att producera antikroppar med olika antigenspecificiteter. En viktig roll i V(D)J-rekombination spelas av RAG proteiner , som introducerar avbrott i vissa områden, och i deras frånvaro är V(D)J-rekombination omöjlig [30] . Efter mognad av en enda funktionell gen som kodar för den variabla domänen för de tunga och lätta kedjorna i B-cellsgenomet, slutar de återstående loci som kodar för de variabla domänerna att uttryckas ( allel exkludering ), så att varje B-cell kan producera antikroppar endast med en variabel domän [22] [31] .
När de väl har aktiverats av ett antigen, prolifererar B-celler snabbt . Parallellt med frekventa uppdelningar i de loci som kodar för de hypervariabla domänerna av de tunga och lätta kedjorna, observeras en ökad frekvens av punktmutationer . Denna process kallas somatisk hypermutation . Somatisk hypermutation sker med en hastighet av ungefär en muterad nukleotid med variabel domän per celldelning [32] . Som ett resultat av denna process kommer dotterceller till följd av delning att producera antikroppar med något olika variabla domäner. Således fungerar somatisk hypermutation som en annan mekanism för att öka mångfalden av antikroppar och påverkar affiniteten hos antikroppar för antigenet [33] . Vissa mutationer minskar en antikropps affinitet för ett visst antigen, medan andra tvärtom ökar [34] . De B-celler som uttrycker antikroppar med hög affinitet för antigenet får starka överlevnadssignaler under interaktion med andra celler och genomgår inte apoptos . Av denna anledning kommer B-celler som kodar för antikroppar med hög affinitet för antigenet att ha en konkurrensfördel jämfört med B-celler som kodar för antikroppar med lägre affinitet, och affiniteten för antigenet kommer att öka med varje B-cellsdelning. En gradvis ökning av antigenaffinitet och urval av B-celler med bäst affinitet sker med deltagande av T-hjälpare efter V(D)J-rekombination [35] .
Byte av klasser av antikroppar sker efter aktiveringen av B-cellen och gör att den kan producera antikroppar av olika klasser (IgA, IgE eller IgG) [30] . Skillnader mellan antikroppar av olika klasser är associerade med C-domäner i den tunga kedjan. Till en början producerar naiva B-celler endast IgM eller IgD med samma antigenspecificitet. Eftersom varje isotyp är associerad med en specifik funktion måste en plasmacell, när den väl har aktiverats, producera IgG-, IgA- eller IgE-antikroppar för att effektivt motverka patogenen. Genom klassväxling kan olika dotterceller härledda från samma B-cell producera antikroppar av olika isotyper. Under klassväxling sker förändringar endast i den tunga kedjans C-domäner. Därför kan ättlingarna till en B-cell producera antikroppar av olika klasser, men med samma antigenspecificitet. Klassbyte sker under verkan av vissa cytokiner [36] .
Under klassväxling sker omarrangemang i det lokus som kodar för tunga kedjor. Processen kräver konserverade nukleotidmotiv , kända som S-ställen (från den engelska switchen ), som är belägna ovanför varje lokus som kodar för tunga kedjor (de enda undantagen är δ-typer). Vidare gör speciella enzymer två brott i DNA vid två S-ställen [37] [38] . Som ett resultat avlägsnas fragmentet mellan de två brotten, och dubbelsträngbrottet i den konstanta regionen repareras med hjälp av en icke-homolog ändfog [39] .
Antikroppar utsöndras av en speciell typ av B-celler - plasmaceller. Liksom de flesta utsöndrade proteiner syntetiseras immunglobulins tunga och lätta kedjor av ribosomer som ligger på det grova endoplasmatiska retikulumet (ER). Under syntesen kommer den resulterande polypeptidkedjan in i ER-lumen, där den genomgår glykosylering. Korrekt veckning av tunga kedjor och bindning till lätta kedjor för att bilda antikroppar regleras av EPR-chaperoner som calnexin och BiP . De binder till nysyntetiserade immunglobulinpolypeptider och skyddar dem från nedbrytning så länge de antar korrekt struktur. Dessutom, i ER-lumen, är antikroppen sammansatt på grund av bildandet av disulfidbindningar mellan tunga och lätta kedjor. Efter montering frigörs antikroppsmolekyler från chaperoner och går in i Golgi-apparaten , där deras kolhydratrester genomgår ytterligare bearbetning. Vesikler som innehåller mogna antikroppar knoppar från Golgi-apparaten och smälter samman med cellmembranet, varefter membranformerna av antikroppar förblir förankrade i cellmembranet och fria antikroppar kommer in i det intercellulära utrymmet [40] .
När B-celler mognar i benmärgen genomgår uttrycket av immunglobulin en serie förändringar. De tidigaste cellerna i B-cellslinjen, pre-B-cellerna, syntetiserar endast membranbundna former av tunga kedjor av μ-klassen. Dessa kedjor bildar ett komplex med proteiner som kallas lätta surrogatkedjor och bildar en pre-B-cellsreceptor , varav en liten del exponeras på ytan av B-cellen. Omogna och mogna B-celler syntetiserar lätta kedjor av κ- och λ-klasserna, som i kombination med tunga kedjor av μ-klassen bildar IgM-antikroppar. Mogna B-celler uttrycker membranformer av IgM och IgD, som fungerar som receptorer som känner igen antigener och utlöser B-cellsaktivering. Pre-B-cellsreceptorer och B-cellsreceptorer är icke-kovalent associerade med integriner , vars signalfunktioner är nödvändiga för uttrycket av ytformer av IgM och IgD [41] .
När B-celler aktiveras av antigener och andra stimuli förvandlas de till antikroppsutsöndrande plasmaceller. I övergången till plasmaceller ökar andelen utsöndrade immunglobuliner i jämförelse med membranceller dramatiskt. Dessutom sker samtidigt antikroppsklassbyte och cellen slutar syntetisera IgM och IgD, men börjar utsöndra IgA, IgE eller IgG [42] .
Adaptiv immunitet och antikroppar utvecklades i ryggradsdjur för cirka 500 miljoner år sedan [43] . De äldsta klasserna av antikroppar är förmodligen IgM och IgD, och IgD-antikroppar, som finns i nästan alla ryggradsdjur, även broskfiskar, anses vara den äldsta klassen av antikroppar (broskfiskar IgD-antikroppar betecknas ibland IgW; W motsvarar grekiskan bokstaven ω ). Men det finns också ryggradsdjur som har förlorat IgD, såsom fåglar och flera däggdjursarter . Samtidigt finns inte de IgA-, IgE- och IgG-klasser som är typiska för däggdjur i alla grupper av ryggradsdjur. I synnerhet saknar benfiskar IgA, IgE och IgD, men det finns ytterligare en klass av IgT (eller IgZ) antikroppar som andra ryggradsdjur saknar. Antikroppar IgT (T motsvarar den grekiska bokstaven τ ) skyddar troligen fiskens slemhinnor [44] . Ovanliga klasser av antikroppar finns också hos andra ryggradsdjur, såsom tungkedjeantikroppar i broskfiskar och kameldjur, samt IgY hos amfibier, reptiler och fåglar [16] [17] .
För att använda antikroppar inom medicin och bioteknik är det nödvändigt att känna till deras struktur vid hög upplösning . Information om antikroppars struktur används i stor utsträckning vid proteinutveckling av antikroppar, modifiering av deras förmåga att binda antigener och identifiering av individuella antikroppsepitoper. En av metoderna som ofta används för att bestämma strukturerna hos antikroppar är röntgendiffraktionsanalys , men kristalliseringen av antikroppar är en mycket lång och mödosam process, därför är förutsägelsen av antikroppsstrukturer med beräkningsmetoder utbredd. Förutsägelsen ger dock ingen exakt information om strukturen. Datormodellering av variabla domänstrukturer kan utföras med hjälp av Web Antibody Modeling (WAM) [45] och Prediction of Immunoglobulin Structure (PIGS) [46] program . Strukturen av variabla domäner kan också förutsägas med hjälp av tjänsten Rosetta, där, med hjälp av speciella metoder, längden på slingor som motsvarar CDR minimeras under förutsägelse, positionen för lätta och tunga kedjor i förhållande till varandra optimeras, och modellerna är byggda som förutsäger dockning av antikroppar med deras unika antigener [47] . Det finns flera program som utför datorstödd design av antikroppar baserat på resultaten av bioinformatiska studier av CDR [48] [49] [50] .
En av de mest effektiva metoderna för att identifiera peptider och proteiner, inklusive antikroppar, är vätskekromatografi associerad med tandemmasspektrometri [ 51] . Metoder med hög genomströmning för sekvensering av aminosyrasekvenser antikroppar kräver speciella beräkningsmetoder för dataanalys , inklusive de novo sekvensering från masspektrometridata [52] såväl som metoder för att söka i databaser som innehåller proteinsekvenser [53] [54] . Av särskild betydelse för aminosyrasekvensering är hagelgevärsmetoden, vars täckning ökas genom fragmentering med CID/HCD/ETD-metoder [55] . Det finns metoder för att bestämma aminosyrasekvenser som kräver sekvenser av liknande proteiner [56] eller en känd genomsekvens [57] . Moderna sekvenseringstekniker kan sätta ihop proteinsekvenser med hög tillförlitlighet genom att kombinera de novo peptidsekvensering , intensitet och positionsförtroendepoäng erhållna från databashomologsökningar [58] .
Detektion och bestämning av koncentrationen av specifika antikroppar i blodet är en ganska vanlig metod för medicinsk diagnos [59] . Till exempel bestäms förekomsten i kroppen av Epstein-Barr-viruset eller bakterien Borrelia burgdorferi , som orsakar borrelia , av titern av antikroppar mot dem. Om motsvarande antikroppar inte kunde detekteras, har patienten antingen aldrig mött dessa patogener, eller har mött dem under mycket lång tid, och plasmacellerna som producerar antikroppar mot dem har redan försvunnit [60] .
Inom klinisk immunologi kännetecknas en patients antikroppsprofil genom att man bestämmer koncentrationerna av antikroppar av olika klasser med hjälp av nefelometri [61] . En ökning av vissa klasser av antikroppar kan vara användbar för att identifiera orsakerna till leverskador när en korrekt diagnos inte kan göras. En ökad halt av IgA indikerar alltså alkoholisk levercirros , en ökning av nivån av IgM talar för viral hepatit och primär levercirros, och nivån av IgG ökar vid viral hepatit, autoimmuna sjukdomar och cirros [62 ] .
Utvecklingen av autoimmuna sjukdomar är förknippad med bildandet av antikroppar som känner igen själva organismens epitoper (autoantikroppar). De kan upptäckas med ett blodprov. Antikroppar som verkar mot erytrocytantigen orsakar hemolytisk anemi och kan detekteras med Coombs test . Coombs-reaktionen utförs även vid screening för antikroppar vid blodtransfusioner och hos gravida kvinnor [63] .
Principen för interaktion mellan antigener och antikroppar används av immundiagnostiska metoder som enzymimmunanalys , immunfluorescensanalys , Western blot , immundiffusion , immunelektrofores och magnetisk immunanalys . Märkning av antikroppar med en radioaktiv isotop av fluor 18 F gör att de kan användas för visualisering av cancertumörer med hjälp av positronemissionstomografi [64] .
Monoklonala antikroppar används för att behandla reumatoid artrit [65] , multipel skleros [66] , psoriasis [67] och många cancerformer, inklusive non-Hodgkins lymfom [68] , tjocktarmscancer , huvud- och halscancer och bröstcancer [69] .
Många immunbrister, såsom Brutons sjukdom och hypogammaglobulinemi , är associerade med en fullständig eller partiell frånvaro av antikroppar [70] . Patienter som lider av dessa sjukdomar förses med passiv immunitet genom artificiell administrering av antikroppar [71] .
Hos människor finns ett antigen som kallas Rh-faktorn (Rh) på röda blodkroppar. Under förlossningen eller komplikationer under graviditeten kan fostrets blod komma in i moderns blodomlopp, och om barnet är Rh-positivt och mamman är negativ, produceras antikroppar mot Rh-faktorn i mammans kropp. I efterföljande graviditeter med ett Rh-positivt foster kan de attackera det, vilket leder till hemolytisk gulsot hos den nyfödda [72] . För att förhindra uppkomsten av Rh-konflikt injiceras Rh-negativa kvinnor som är gravida med ett Rh-positivt foster på konstgjord väg med antikroppar mot Rh-faktorn (Rh( D)-immunoglobulin ). Införandet av Rho(D)-immunoglobulin måste göras innan fostrets Rh-faktor aktiverar moderns B-celler och utlöser ett adaptivt immunsvar och bildandet av minnes -B-celler [73] .
Antikroppar specifika för ett givet antigen kan erhållas genom att introducera ett antigen i ett däggdjur (mus, råtta , kanin , get , får , häst ) och sedan isolera ett stort antal antikroppar från det. Blod isolerat från ett immuniserat djur innehåller polyklonala antikroppar , dvs flera olika antikroppar specifika för samma antigen. Polyklonala antikroppar kan också erhållas genom att injicera antigenet i äggulan på ett kycklingägg under utveckling [ 76] . För att erhålla antikroppar som känner igen en strikt definierad epitop i sammansättningen av ett antigen, isoleras plasmaceller som utsöndrar antikroppar mot antigenet från djuret och immortaliseras genom att slå samman dem med cancerceller . Celler som erhålls genom fusion av plasmaceller med cancerceller kallas hybridom , och de utsöndrar ständigt de önskade antikropparna och förökar sig i cellkultur. Från enkla hybridom erhålls identiska antikroppar, kallade monoklonala [77] . Polyklonala och monoklonala antikroppar renas ofta med protein A/G eller affinitetskromatografi [78] .
Renade antikroppar har funnit många användningsområden i forskningsprocessen. Antikroppar mot många antigener kan köpas från kommersiella företag. I forskning används antikroppar oftast för att lokalisera cellulära och extracellulära proteiner. De används också i flödescytometri för att separera celler baserat på vilka proteiner de uttrycker [79] . Antikroppar används för att separera proteiner och deras associerade molekyler från resten av cellysatet genom immunoutfällning [80] för att identifiera proteiner separerade genom gelelektrofores med hjälp av Western blot [81] . Antikroppar utgör grunden för immunfluorescens och immunhistokemi , som studerar uttrycket och lokaliseringen av proteiner av intresse i celler och vävnader [79] [82] . Antikroppar kan användas för att detektera och bedöma koncentrationen av proteiner, i synnerhet med hjälp av enzymimmunanalys och ELISpot-metoden [83] [84] .
Trots många tillämpningar är det ganska mödosamt att arbeta med antikroppar, eftersom resultatet av experimentet påverkas av många faktorer som måste kontrolleras, i synnerhet som påverkar graden av affinitet hos antikroppen till antigenet pH , lösningsmedel, vävnadstillstånd och andra. Det har gjorts många försök att förbättra hur forskare validerar antikroppar [85] [86] . Forskare som arbetar med antikroppar måste noggrant registrera de experimentella förhållandena så att de kan reproduceras av andra forskare [87] .
Antikroppshärmare är organiska föreningar som, precis som antikroppar, specifikt kan binda antigener. Som regel är antikroppshärmare konstgjorda peptider med en massa på 3 till 20 kDa. Ibland fungerar nukleinsyror och små molekyler som antikroppshärmare, men de kan inte vara konstgjorda antikroppar, antikroppsfragment eller deras kovalent kopplade kombinationer. Till skillnad från antikroppar har deras mimetika i allmänhet bättre löslighet, bättre vävnadspenetration, större stabilitet mot temperatur och enzymer och är billigare än riktiga antikroppar. Vissa antikroppshärmare, såsom Affimer och DARPin , är registrerade för användning i forskning, terapeutiska och diagnostiska tillämpningar [88] .
Termen "antikropp" ( tyska: Antikörper ) förekommer först i Paul Ehrlichs skrifter . I synnerhet kan termen " Antikörper " hittas i avslutningen av hans artikel "An Experimental Study of Immunity", som publicerades i oktober 1891. Detta arbete säger att "om två ämnen orsakar frisättning av två olika Antikörper, så är de också olika." Termen Antikörper fick dock inte fäste till en början, och flera andra termer föreslogs för antikroppar: Immunkörper, Amboceptor, Zwischenkörper, substans sensibilisatrice, copula, Desmon, philocytase, fixateur och Immunisin [89] .
Studiet av antikroppar började 1890, när Kitasato Shibasaburo och Emil Adolf von Behring beskrev effekten av antikroppar mot difteri och stelkrampstoxin [90] . Shibasaburo utvecklade teorin om humoral immunitet och föreslog att det finns en viss mediator i blodserumet som kan interagera med främmande antigener [91] . Baserat på Sibasaburos idéer lade Paul Ehrlich 1897 fram teorin om sidokedjor , och förklarade principerna för interaktionen mellan antikroppar och antigener. Han föreslog att receptorer ("sidokedjor") på cellytan specifikt kan interagera med toxiner enligt "nyckellås"-principen, och interaktionen mellan receptorn och toxinet utlöser produktionen av antikroppar [92] . Andra forskare har föreslagit att antikroppar rör sig fritt genom blodomloppet. År 1904 föreslog Almroth Wright att antikroppar täcker ytan på bakterieceller, vilket leder dem till fagocytos och förstörelse; denna process är nu känd som opsonisering [93] .
På 1920-talet kunde Michael Heidelberg och Oswald Avery observera att antigener kan fällas ut av antikroppar och visade att antikroppar är proteinhaltiga [94] . Biokemiska egenskaper hos interaktionen mellan antikroppar och antigener studerades i detalj i slutet av 1930-talet av John Marrak [95] . 1937 identifierades immunglobuliner som ett slags proteiner genom gelelektrofores i fraktionerna av γ- och β-globuliner av blodserum [90] . På 1940 -talet bekräftade Linus Pauling Ehrlichs hypotes om lås-och-nyckel-interaktionen mellan antigener och antikroppar och visade att interaktionen mellan en antikropp och ett antigen beror mer på den rumsliga konfigurationen av antigenet än på dess kemiska sammansättning [96] . 1948 visade Astrid Fagreus att antikroppar utsöndras av plasmaceller, en typ av B-lymfocyter [97] .
Ytterligare forskning koncentrerades på att studera strukturen hos antikroppar. I början av 1960-talet beskrev Gerald Edelman och Joseph Galli antikroppens lätta kedja [98] och visade att den lätta kedjan är Bence Jones-proteinet , som beskrevs av Henry Bence Jones 1845 [99] . Senare visade Edelman att antikroppar består av två tunga och två lätta kedjor som hålls samman av disulfidbindningar. Ungefär samtidigt beskrev Rodney Porter Fab- och Fc-regionerna i IgG-molekyler [100] . Tillsammans beskrev dessa forskare strukturen och den fullständiga aminosyrasekvensen för IgG, för vilken de belönades med Nobelpriset i fysiologi eller medicin 1972 [100] . Fv-fragmentet rensades upp och beskrevs av David Givol [101] . Tidig antikroppsforskning fokuserade på IgG och IgM, och nya immunglobulinisotyper identifierades på 1960-talet. Thomas Tomashi beskrev utsöndrade IgA-antikroppar [102] , David Rove och John Fey upptäckte IgD [103] och Kimishige Ishizaka och Teruko Ishizaka upptäckte IgE och fann att dessa antikroppar är involverade i utvecklingen av allergiska reaktioner [104 ] . 1976 påbörjade Suzumi Tonegawa en serie experiment som visade att generna som kodar för antikroppar genomgår omarrangemang som skapar en enorm mängd antikroppar [105] . 1987 fick Tonegawa Nobelpriset i fysiologi eller medicin för att ha upptäckt mekanismerna för antikroppsmångfald [106] .
På 1970-talet, som ett resultat av att studera homogena tumörantigener, utvecklades hybridomteknologi, tack vare vilken det blev möjligt att erhålla monoklonala antikroppar med en given specificitet [3] .
Ordböcker och uppslagsverk | |
---|---|
I bibliografiska kataloger |
Antikroppar | |
---|---|
Villkor | |
Antikroppsklasser |
Lymfocyt adaptivt immunsystem och komplement | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Lymfoid |
| ||||||||
Lymfocyter | |||||||||
Ämnen |