Антитело ( Ab ) представляет собой секретируемую форму рецептора B- клеток ; термин «иммуноглобулин» может относиться либо к мембраносвязанной форме, либо к секретируемой форме рецептора В-клеток, но, вообще говоря, это один и тот же белок, и поэтому эти термины часто рассматриваются как синонимы. [1] Антитела — это большие Y-образные белки , принадлежащие к суперсемейству иммуноглобулинов , которые используются иммунной системой для идентификации и нейтрализации инородных объектов, таких как бактерии и вирусы , в том числе вызывающие заболевания. Однако можно создать антитела, способные распознавать практически любую существующую молекулу. [ нужна цитация ] Каждое антитело распознает один или несколько специфических антигенов . [2] [3] Этот термин буквально означает «генератор антител», поскольку именно наличие антигена приводит к образованию антигенспецифических антител. Каждый кончик буквы «Y» антитела содержит паратоп , который специфически связывается с одним конкретным эпитопом антигена, позволяя двум молекулам точно связываться друг с другом. Используя этот механизм, антитела могут эффективно «пометить» микроб или инфицированную клетку для атаки со стороны других частей иммунной системы или могут нейтрализовать их напрямую (например, блокируя часть вируса, необходимую для его инвазии).
Чтобы иммунная система могла распознавать миллионы различных антигенов, антигенсвязывающие сайты на обоих кончиках антитела имеют одинаково большое разнообразие. Остальная часть структуры антител является относительно общей. У человека антитела встречаются пяти классов, иногда называемых изотипами: IgA , IgD , IgE , IgG и IgM . Человеческие антитела IgG и IgA также делятся на отдельные подклассы (IgG1, IgG2, IgG3, IgG4; IgA1 и IgA2). Этот класс относится к функциям, запускаемым антителом (также известным как эффекторные функции ), в дополнение к некоторым другим структурным особенностям. Антитела разных классов также различаются по тому, где они высвобождаются в организме и на какой стадии иммунного ответа. Важно отметить, что хотя классы и подклассы антител могут быть одинаковыми для разных видов (по крайней мере, по названию), их функции и распределение по организму могут быть разными. Например, мышиный IgG1 по своей функции ближе к человеческому IgG2, чем к человеческому IgG1.
Термин «гуморальный иммунитет» часто трактуется как синоним реакции антител, описывающей функцию иммунной системы, которая существует в юморе (жидкостях) организма в форме растворимых белков, в отличие от клеточно-опосредованного иммунитета , который обычно описывает реакции. Т - клеток (особенно цитотоксических Т-клеток). В целом, антитела считаются частью адаптивной иммунной системы , хотя эта классификация. Например, природные IgM, [4] которые производятся клетками линии B-1, которые имеют свойства, более похожие на клетки врожденного иммунитета, чем на адаптивные, относятся к антителам IgM. производятся независимо от иммунного ответа и демонстрируют полиреактивность — они распознают множество различных (несвязанных) антигенов. Они могут работать с системой комплемента на самых ранних стадиях иммунного ответа, помогая облегчить клиренс повреждающего антигена и доставку полученных иммунных комплексов в лимфатические узлы или селезенку для инициации иммунного ответа.
В ходе иммунного ответа В-клетки могут постепенно дифференцироваться в клетки, секретирующие антитела (сами по себе В-клетки не секретируют антитела; однако В-клетки экспрессируют на своей поверхности В-клеточные рецепторы, мембраносвязанную форму антитела). ) или В-клетки памяти. [5] Клетки, секретирующие антитела, включают плазмобласты и плазматические клетки , которые различаются главным образом по степени секреции антител, продолжительности их жизни, метаболической адаптации и поверхностным маркерам. [6] Плазмобласты — это быстро пролиферирующие короткоживущие клетки, образующиеся на ранних фазах иммунного ответа (классически описываемые как возникающие экстрафолликулярно, а не из зародышевого центра ), которые обладают потенциалом для дальнейшей дифференцировки в плазматические клетки. [7] Литература порой небрежна и часто описывает плазмобласты как просто короткоживущие плазматические клетки – формально это неверно. Плазматические клетки, напротив, не делятся (они окончательно дифференцированы ) и для своего существования полагаются на ниши выживания, содержащие определенные типы клеток и цитокины. [8] Плазматические клетки будут секретировать огромное количество антител независимо от того, присутствует ли их родственный антиген, гарантируя, что уровень антител к рассматриваемому антигену не упадет до 0, при условии, что плазматическая клетка останется живой. Однако скорость секреции антител можно регулировать, например, присутствием адъювантных молекул, которые стимулируют иммунный ответ, таких как лиганды TLR . [9] Долгоживущие плазматические клетки могут жить потенциально всю жизнь организма. [10] Классически ниши выживания, в которых находятся долгоживущие плазматические клетки, находятся в костном мозге, [11] хотя нельзя предполагать, что какая-либо конкретная плазматическая клетка в костном мозге будет долгоживущей. Однако другая работа показывает, что ниши выживания могут быть легко созданы в тканях слизистой оболочки, хотя классы задействованных антител демонстрируют иерархию, отличную от таковых в костном мозге. [12] [13] В-клетки также могут дифференцироваться в В-клетки памяти, которые могут сохраняться десятилетиями, как и долгоживущие плазматические клетки. Эти клетки могут быть быстро вызваны в результате вторичного иммунного ответа, подвергаясь переключению класса, созреванию аффинности и дифференцировке в клетки, секретирующие антитела.
Антитела играют центральную роль в иммунной защите, вызываемой большинством вакцин и инфекций (хотя другие компоненты иммунной системы, безусловно, участвуют и для некоторых заболеваний значительно более важны, чем антитела, в формировании иммунного ответа, например, опоясывающего герпеса ). [14] Прочная защита от инфекций, вызванных данным микробом – то есть способность микроба проникать в организм и начинать размножаться (не обязательно вызывать заболевание) – зависит от устойчивого производства больших количеств антител, а это означает, что эффективная В идеале вакцины вызывают стойкий высокий уровень антител, который зависит от долгоживущих плазматических клеток. В то же время многие микробы, имеющие медицинское значение, обладают способностью мутировать, чтобы избежать антител, вызванных предшествующими инфекциями, а долгоживущие плазматические клетки не могут подвергаться созреванию аффинности или переключению класса. Это компенсируется за счет В-клеток памяти: новые варианты микробов, которые все еще сохраняют структурные особенности ранее встречавшихся антигенов, могут вызывать реакции В-клеток памяти, которые адаптируются к этим изменениям. Было высказано предположение, что долгоживущие плазматические клетки секретируют рецепторы В-клеток с более высоким сродством, чем рецепторы на поверхности В-клеток памяти, но результаты по этому вопросу не совсем согласуются. [15]
Антитела представляют собой тяжелые (~150 кДа ) белки размером около 10 нм , [16] расположенные в трех глобулярных областях, которые примерно образуют Y-образную форму.
У человека и большинства других млекопитающих единица антитела состоит из четырех полипептидных цепей ; две идентичные тяжелые цепи и две идентичные легкие цепи, соединенные дисульфидными связями . [17] Каждая цепь представляет собой серию доменов : несколько схожих последовательностей, состоящих примерно из 110 аминокислот каждый. Эти домены обычно изображаются на упрощенных схемах в виде прямоугольников. Легкие цепи состоят из одного вариабельного домена V L и одного константного домена C L , тогда как тяжелые цепи содержат один вариабельный домен V H и три-четыре константных домена CH 1 , CH 2 , ... [18]
Структурно антитело также разделено на два антигенсвязывающих фрагмента (Fab), содержащих по одному домену VL , VH , CL и CH1 каждый , а также кристаллизующийся фрагмент (Fc), образующий ствол Y. форма. [19] Между ними находится шарнирная область тяжелых цепей, гибкость которой позволяет антителам связываться с парами эпитопов на разных расстояниях, образовывать комплексы ( димеры , тримеры и т. д.) и легче связывать эффекторные молекулы. [20]
При электрофорезе белков крови антитела в основном мигрируют к последней фракции гамма-глобулина . И наоборот, большинство гамма-глобулинов являются антителами, поэтому эти два термина исторически использовались как синонимы, как и символы Ig и γ . Этот вариант терминологии вышел из употребления из-за неточного соответствия и путаницы с тяжелыми цепями γ (гамма) , которые характеризуют класс антител IgG . [21] [22]
Вариабельные домены также можно называть областью FV . Это субрегион Fab, который связывается с антигеном. Точнее, каждый вариабельный домен содержит три гипервариабельных участка — наблюдаемые там аминокислоты больше всего варьируются от антитела к антителу. Когда белок сворачивается, эти области образуют три петли β-нитей , локализованных рядом друг с другом на поверхности антитела. Эти петли называются областями, определяющими комплементарность (CDR), поскольку их форма дополняет форму антигена. Три CDR каждой из тяжелой и легкой цепей вместе образуют сайт связывания антитела, форма которого может быть любой: от кармана, с которым связывается меньший антиген, до большей поверхности или выступа, который торчит в бороздку антигена. Однако обычно только несколько остатков вносят вклад в большую часть энергии связывания. [2]
Существование двух идентичных сайтов связывания антител позволяет молекулам антител прочно связываться с поливалентным антигеном (повторяющиеся сайты, такие как полисахариды в стенках бактериальных клеток или другие сайты, находящиеся на некотором расстоянии друг от друга), а также образовывать комплексы антитела и более крупные комплексы антиген-антитело. комплексы . [2] Возникающее в результате перекрестное сшивание играет роль в активации других частей иммунной системы. [ нужна цитата ]
Структуры CDR были сгруппированы и классифицированы Chothia et al. [23] и совсем недавно North et al. [24] и Николоудис и др. [25] Однако описание сайта связывания антитела с использованием только одной статической структуры ограничивает понимание и характеристику функции и свойств антитела. Чтобы улучшить прогнозирование структуры антител и принять во внимание сильно коррелированные движения петли CDR и интерфейса, паратопы антител должны быть описаны как взаимопревращающиеся состояния в растворе с различными вероятностями. [26]
В рамках теории иммунной сети CDR также называют идиотипами. Согласно теории иммунной сети, адаптивная иммунная система регулируется взаимодействием между идиотипами.
Область Fc (ствол Y-образной формы) состоит из константных доменов тяжелых цепей. Его роль заключается в модуляции активности иммунных клеток: именно здесь связываются эффекторные молекулы, вызывая различные эффекты после того, как Fab-область антитела связывается с антигеном. [2] [20] Эффекторные клетки (такие как макрофаги или естественные клетки-киллеры ) связываются через свои Fc-рецепторы (FcR) с Fc-областью антитела, в то время как система комплемента активируется путем связывания белкового комплекса C1q . IgG или IgM могут связываться с C1q, а IgA — нет, поэтому IgA не активирует классический путь комплемента . [27]
Другая роль области Fc заключается в избирательном распределении антител разных классов по организму. В частности, неонатальный рецептор Fc (FcRn) связывается с Fc-областью антител IgG и транспортирует его через плаценту от матери к плоду. В дополнение к этому, связывание с FcRn обеспечивает IgG исключительно длительный период полувыведения по сравнению с другими белками плазмы, составляющий 3-4 недели. IgG3 в большинстве случаев (в зависимости от аллотипа) имеет мутации в сайте связывания FcRn, которые снижают сродство к FcRn, которые, как полагают, эволюционировали для ограничения сильно воспалительных эффектов этого подкласса. [28]
Антитела представляют собой гликопротеины [29] , то есть содержат углеводы (гликаны), добавленные к консервативным аминокислотным остаткам. [29] [30] Эти консервативные сайты гликозилирования встречаются в области Fc и влияют на взаимодействие с эффекторными молекулами. [29] [31]
N -конец каждой цепи расположен на кончике. Каждый домен иммуноглобулина имеет схожую структуру, характерную для всех членов суперсемейства иммуноглобулинов : он состоит из 7 (для константных доменов) и 9 (для вариабельных доменов) β-цепей , образующих два бета-листа в греческом ключевом мотиве . Листы образуют форму «сэндвича» — складку иммуноглобулина , скрепленную дисульфидной связью.
Секретируемые антитела могут представлять собой единую Y-образную единицу — мономер . Однако некоторые классы антител также образуют димеры с двумя единицами Ig (как IgA), тетрамеры с четырьмя единицами Ig (например, IgM костистых рыб ) или пентамеры с пятью единицами Ig (например, IgW акул или IgM млекопитающих, которые иногда также образуют гексамеры ) . , с шестью единицами). [32] IgG также может образовывать гексамеры, хотя J-цепь не требуется. [33] Также сообщалось о тетрамерах и пентамерах IgA. [34]
Антитела также образуют комплексы путем связывания с антигеном: это называется комплексом антиген-антитело или иммунным комплексом . Маленькие антигены могут сшивать два антитела, что также приводит к образованию димеров, тримеров, тетрамеров антител и т. д. Мультивалентные антигены (например, клетки с несколькими эпитопами) могут образовывать более крупные комплексы с антителами. Крайним примером является слипание или агглютинация эритроцитов с антителами в тесте Кумбса для определения групп крови : большие сгустки становятся нерастворимыми, что приводит к визуально заметному осаждению .
Мембраносвязанную форму антитела можно назвать поверхностным иммуноглобулином (sIg) или мембранным иммуноглобулином (mIg). Он является частью рецептора B-клеток (BCR), который позволяет B-клетке обнаруживать присутствие определенного антигена в организме и запускает активацию B-клеток. [35] BCR состоит из связанных с поверхностью антител IgD или IgM и связанных с ними гетеродимеров Ig-α и Ig-β , которые способны передавать сигнал . [36] Типичная человеческая В-клетка будет иметь от 50 000 до 100 000 антител, связанных с ее поверхностью. [36] При связывании антигена они группируются в большие участки, диаметр которых может превышать 1 микрометр, на липидных рафтах, которые изолируют BCR от большинства других клеточных сигнальных рецепторов. [36] Эти пластыри могут повысить эффективность клеточного иммунного ответа . [37] У людей поверхность клеток вокруг рецепторов В-клеток обнажена на несколько сотен нанометров, [36] что еще больше изолирует BCR от конкурирующих влияний.
Антитела могут иметь различные разновидности, известные как изотипы или классы . У человека существует пять классов антител, известных как IgA, IgD, IgE, IgG и IgM, которые далее подразделяются на подклассы, такие как IgA1, IgA2. Префикс «Ig» обозначает иммуноглобулин , а суффикс обозначает тип тяжелой цепи, которую содержит антитело: типы тяжелых цепей α (альфа), γ (гамма), δ (дельта), ε (эпсилон), μ (мю). дают начало IgA, IgG, IgD, IgE, IgM соответственно. Отличительные особенности каждого класса определяются частью тяжелой цепи внутри шарнира и Fc-области. [2]
Классы различаются по своим биологическим свойствам, функциональному расположению и способности бороться с разными антигенами, как показано в таблице. [17] Например, антитела IgE ответственны за аллергическую реакцию, заключающуюся в высвобождении гистамина из тучных клеток , что часто является единственным фактором, способствующим развитию астмы (хотя существуют и другие пути развития, а также существуют симптомы, очень похожие на астму, хотя технически это не так). Вариабельная область антитела связывается с аллергическим антигеном, например, частицами клеща домашней пыли , в то время как его область Fc (в тяжелых цепях ε) связывается с рецептором Fc ε на тучной клетке, вызывая ее дегрануляцию : высвобождение молекул, хранящихся в ее гранулах. [38]
Изотип антитела В-клетки изменяется во время развития и активации клеток. Незрелые В-клетки, которые никогда не подвергались воздействию антигена, экспрессируют только изотип IgM в форме, связанной с клеточной поверхностью. В-лимфоцит в этой готовой к реагированию форме известен как « наивный В-лимфоцит ». Наивный В-лимфоцит экспрессирует как поверхностные IgM, так и IgD. Совместная экспрессия обоих этих изотипов иммуноглобулина делает В-клетку готовой реагировать на антиген. [43] Активация В-клеток следует за взаимодействием связанной с клеткой молекулы антитела с антигеном, заставляя клетку делиться и дифференцироваться в клетку, продуцирующую антитела, называемую плазматической клеткой . В этой активированной форме В-клетка начинает вырабатывать антитела в секретируемой форме, а не в мембраносвязанной форме. Некоторые дочерние клетки активированных В-клеток подвергаются переключению изотипа — механизму, который вызывает изменение выработки антител с IgM или IgD на другие изотипы антител, IgE, IgA или IgG, которые играют определенную роль в иммунной системе.
У млекопитающих существует два типа легкой цепи иммуноглобулина , которые называются лямбда (λ) и каппа (κ). Однако между ними нет известной функциональной разницы, и оба могут возникать с любым из пяти основных типов тяжелых цепей. [2] Каждое антитело содержит две идентичные легкие цепи: обе κ или обе λ. Пропорции типов κ и λ варьируются в зависимости от вида и могут использоваться для обнаружения аномальной пролиферации клонов B-клеток. Другие типы легких цепей, такие как цепь йоты (ι), встречаются и у других позвоночных, таких как акулы ( Chondrichthyes ) и костистые рыбы ( Teleostei ).
У большинства плацентарных млекопитающих структура антител в целом одинакова.Челюстные рыбы, по-видимому, являются наиболее примитивными животными, способными вырабатывать антитела, подобные антителам млекопитающих, хотя многие черты их адаптивного иммунитета появились несколько раньше. [44]
Хрящевые рыбы (такие как акулы) вырабатывают антитела, содержащие только тяжелые цепи (т.е. не имеющие легких цепей), которые, кроме того, содержат пентамеры с более длинной цепью (с пятью постоянными единицами на молекулу). Верблюдовые (такие как верблюды, ламы, альпаки) также известны тем, что производят антитела, содержащие только тяжелые цепи. [2] [45]
Паратоп антитела взаимодействует с эпитопом антигена. Антиген обычно содержит различные эпитопы вдоль своей поверхности, расположенные прерывисто, а доминантные эпитопы данного антигена называются детерминантами.
Антитело и антиген взаимодействуют посредством пространственной комплементарности (замок и ключ). Молекулярные силы, участвующие во взаимодействии Fab-эпитоп, слабы и неспецифичны – например, электростатические силы , водородные связи , гидрофобные взаимодействия и силы Ван-дер-Ваальса . Это означает, что связывание антитела с антигеном обратимо, а сродство антитела к антигену является относительным, а не абсолютным. Относительно слабое связывание также означает, что антитело может перекрестно реагировать с разными антигенами с разным относительным сродством.
К основным категориям действия антител относятся следующие:
Более косвенно, антитело может сигнализировать иммунным клеткам о необходимости представить фрагменты антител Т-клеткам или подавлять другие иммунные клетки, чтобы избежать аутоиммунитета .
Активированные В-клетки дифференцируются либо в клетки, продуцирующие антитела, называемые плазматическими клетками , которые секретируют растворимые антитела, либо в клетки памяти , которые выживают в организме в течение многих лет после этого, чтобы позволить иммунной системе запомнить антиген и быстрее реагировать на будущие воздействия. [49]
На пренатальном и неонатальном этапах жизни наличие антител обеспечивается пассивной иммунизацией со стороны матери. Ранняя продукция эндогенных антител варьируется для разных типов антител и обычно появляется в течение первых лет жизни. Поскольку антитела свободно существуют в кровотоке, их называют частью гуморальной иммунной системы . Циркулирующие антитела продуцируются клональными В-клетками, которые специфически реагируют только на один антиген (примером является фрагмент белка капсида вируса ). Антитела способствуют иммунитету тремя способами: они предотвращают проникновение патогенов в клетки или их повреждение путем связывания с ними; они стимулируют удаление возбудителей макрофагами и другими клетками, покрывая возбудитель; и они запускают уничтожение патогенов, стимулируя другие иммунные реакции , такие как путь комплемента . [50] Антитела также запускают дегрануляцию вазоактивных аминов, способствуя иммунитету против определенных типов антигенов (гельминтов, аллергенов).
Антитела, связывающиеся с поверхностными антигенами (например, на бактериях), привлекают своим Fc-участком первый компонент каскада комплемента и инициируют активацию «классической» системы комплемента. [50] Это приводит к уничтожению бактерий двумя способами. [42] Во-первых, связывание молекул антитела и комплемента маркирует микроб для поглощения фагоцитами в процессе, называемом опсонизацией ; эти фагоциты привлекаются определенными молекулами комплемента, образующимися в каскаде комплемента. Во-вторых, некоторые компоненты системы комплемента образуют мембраноатакующий комплекс , помогающий антителам напрямую убивать бактерию (бактериолиз). [51]
Для борьбы с патогенами, которые размножаются за пределами клеток, антитела связываются с патогенами, связывая их вместе, вызывая их агглютинацию . Поскольку антитело имеет по крайней мере два паратопа, оно может связывать более одного антигена, связывая идентичные эпитопы, находящиеся на поверхности этих антигенов. Покрывая патоген, антитела стимулируют эффекторные функции против патогена в клетках, распознающих его Fc-область. [42]
Те клетки, которые распознают покрытые патогены, имеют рецепторы Fc, которые, как следует из названия, взаимодействуют с областью Fc антител IgA, IgG и IgE. Взаимодействие конкретного антитела с рецептором Fc на конкретной клетке запускает эффекторную функцию этой клетки; фагоциты будут фагоцитировать , тучные клетки и нейтрофилы дегранулируют , естественные клетки-киллеры будут выделять цитокины и цитотоксические молекулы ; в конечном итоге это приведет к уничтожению вторгшегося микроба. Активация естественных клеток-киллеров антителами инициирует цитотоксический механизм, известный как антителозависимая клеточно-опосредованная цитотоксичность (ADCC) – этот процесс может объяснить эффективность моноклональных антител , используемых в биологической терапии рака . Рецепторы Fc изотипически специфичны, что придает большую гибкость иммунной системе, задействуя только соответствующие иммунные механизмы для отдельных патогенов. [2]
Люди и высшие приматы также производят «естественные антитела», которые присутствуют в сыворотке перед вирусной инфекцией. Природные антитела определяются как антитела, которые вырабатываются без какой-либо предшествующей инфекции, вакцинации , воздействия других чужеродных антигенов или пассивной иммунизации . Эти антитела могут активировать классический путь комплемента, приводящий к лизису оболочек вирусных частиц, задолго до активации адаптивного иммунного ответа. Многие природные антитела направлены против дисахарида галактозы α(1,3)-галактозы (α-Gal), который находится в качестве концевого сахара на гликозилированных белках клеточной поверхности и вырабатывается в ответ на выработку этого сахара бактериями, содержащимися в человеческий кишечник. [52] Считается, что отторжение ксенотрансплантированных органов частично является результатом того, что естественные антитела, циркулирующие в сыворотке реципиента, связываются с антигенами α-Gal, экспрессируемыми на донорской ткани. [53]
Практически все микробы могут вызвать реакцию антител. Успешное распознавание и уничтожение множества различных типов микробов требует разнообразия антител; их аминокислотный состав варьируется, что позволяет им взаимодействовать со многими различными антигенами. [54] Было подсчитано, что люди производят около 10 миллиардов различных антител, каждое из которых способно связывать отдельный эпитоп антигена. [55] Хотя у одного человека вырабатывается огромный репертуар различных антител, количество генов , доступных для производства этих белков, ограничено размером человеческого генома. Развилось несколько сложных генетических механизмов, которые позволяют В-клеткам позвоночных генерировать разнообразный пул антител из относительно небольшого числа генов антител. [56]
Хромосомная область, кодирующая антитело, большая и содержит несколько отдельных генных локусов для каждого домена антитела: область хромосомы, содержащая гены тяжелой цепи ( IGH@ ), находится на хромосоме 14 , а локусы, содержащие гены лямбда- и каппа-легкой цепи ( IGL@ и IGK@ ) обнаружены на хромосомах 22 и 2 у человека. Один из этих доменов называется вариабельным доменом, который присутствует в каждой тяжелой и легкой цепи каждого антитела, но может различаться в разных антителах, полученных из разных В-клеток. Различия между вариабельными доменами расположены в трех петлях, известных как гипервариабельные области (HV-1, HV-2 и HV-3) или области, определяющие комплементарность (CDR1, CDR2 и CDR3). CDR поддерживаются в вариабельных доменах консервативными областями каркаса. Локус тяжелой цепи содержит около 65 различных генов вариабельных доменов, каждый из которых отличается своими CDR. Объединение этих генов с набором генов других доменов антитела приводит к образованию большого количества антител с высокой степенью вариабельности. Эта комбинация называется рекомбинацией V(D)J, обсуждаемой ниже. [57]
Соматическая рекомбинация иммуноглобулинов, также известная как рекомбинация V(D)J , включает образование уникальной вариабельной области иммуноглобулина. Вариабельная область каждой тяжелой или легкой цепи иммуноглобулина кодируется несколькими частями, известными как генные сегменты (субгены). Эти сегменты называются сегментами переменной (V), сегментами разнообразия (D) и сегментами соединения (J). [56] Сегменты V, D и J обнаружены в тяжелых цепях Ig , но только сегменты V и J обнаружены в легких цепях Ig . Существует множество копий сегментов генов V, D и J, которые тандемно расположены в геномах млекопитающих . В костном мозге каждая развивающаяся В-клетка собирает вариабельную область иммуноглобулина путем случайного выбора и объединения одного генного сегмента V, одного D и одного J (или одного сегмента V и одного J в легкой цепи). Поскольку существует множество копий каждого типа сегмента гена и для создания каждой вариабельной области иммуноглобулина могут использоваться разные комбинации сегментов гена, этот процесс генерирует огромное количество антител, каждое из которых имеет разные паратопы и, следовательно, разную антигенную специфичность. [58] Реаранжировка нескольких субгенов (т.е. семейства V2) иммуноглобулина легкой цепи лямбда сочетается с активацией микроРНК миР-650, которая дополнительно влияет на биологию B-клеток.
Белки RAG играют важную роль в рекомбинации V(D)J при разрезании ДНК в определенной области. [58] Без присутствия этих белков рекомбинация V(D)J не произошла бы. [58]
После того, как В-клетка продуцирует функциональный ген иммуноглобулина во время рекомбинации V(D)J, она не может экспрессировать какую-либо другую вариабельную область (процесс, известный как аллельное исключение ), поэтому каждая В-клетка может продуцировать антитела, содержащие только один тип вариабельной цепи. [2] [59]
После активации антигеном В-клетки начинают быстро пролиферировать . В этих быстро делящихся клетках гены, кодирующие вариабельные домены тяжелой и легкой цепей, подвергаются высокой частоте точковых мутаций в результате процесса, называемого соматической гипермутацией (SHM). SHM приводит к изменению примерно одного нуклеотида на вариабельный ген на одно деление клетки. [60] Как следствие, любые дочерние В-клетки приобретут небольшие аминокислотные различия в вариабельных доменах цепей антител.
Это способствует увеличению разнообразия пула антител и влияет на аффинность антитела к связыванию антигена . [61] Некоторые точечные мутации приводят к образованию антител, которые имеют более слабое взаимодействие (низкое сродство) со своим антигеном, чем исходное антитело, а некоторые мутации приводят к образованию антител с более сильным взаимодействием (высокое сродство). [62] В-клетки, которые экспрессируют на своей поверхности антитела с высоким сродством, получат сильный сигнал выживания во время взаимодействия с другими клетками, тогда как клетки с антителами с низким сродством не получат и погибнут в результате апоптоза . [62] Таким образом, В-клетки, экспрессирующие антитела с более высоким сродством к антигену, будут превосходить клетки с более слабым сродством к функционированию и выживанию, позволяя средней аффинности антител увеличиваться с течением времени. Процесс образования антител с повышенной аффинностью связывания называется созреванием аффинности . Созревание аффинности происходит в зрелых В-клетках после рекомбинации V(D)J и зависит от помощи Т-хелперов . [63]
Переключение изотипа или класса — это биологический процесс, происходящий после активации В-клетки, который позволяет клетке вырабатывать антитела разных классов (IgA, IgE или IgG). [58] Различные классы антител и, следовательно, эффекторные функции определяются константными (C) областями тяжелой цепи иммуноглобулина. Первоначально наивные В-клетки экспрессируют только IgM и IgD на клеточной поверхности с идентичными антигенсвязывающими областями. Каждый изотип приспособлен для выполнения определенной функции; следовательно, после активации для эффективного устранения антигена может потребоваться антитело с эффекторной функцией IgG, IgA или IgE. Переключение классов позволяет различным дочерним клеткам одной и той же активированной В-клетки продуцировать антитела разных изотипов. При переключении класса изменяется только константная область тяжелой цепи антитела; вариабельные области и, следовательно, специфичность антигена остаются неизменными. Таким образом, потомство одной В-клетки может продуцировать антитела, специфичные к одному и тому же антигену, но обладающие способностью выполнять эффекторную функцию, подходящую для каждого антигенного воздействия. Переключение классов запускается цитокинами; создаваемый изотип зависит от того, какие цитокины присутствуют в среде В-клеток. [64]
Переключение классов происходит в локусе гена тяжелой цепи с помощью механизма, называемого рекомбинацией переключения классов (CSR). Этот механизм основан на консервативных нуклеотидных мотивах, называемых переключающими (S) областями , обнаруженными в ДНК перед каждым геном константной области (за исключением δ-цепи). Нить ДНК разрывается под действием ряда ферментов в двух выбранных S-областях. [65] [66] Экзон вариабельного домена воссоединяется посредством процесса, называемого негомологичным соединением концов (NHEJ), с желаемой константной областью (γ, α или ε). В результате этого процесса образуется ген иммуноглобулина, который кодирует антитело другого изотипа. [67]
Антитело можно назвать моноспецифичным, если оно обладает специфичностью к одному антигену или эпитопу [68] или биспецифичным, если оно обладает сродством к двум различным антигенам или двум различным эпитопам одного и того же антигена. [69] Группу антител можно назвать поливалентными (или неспецифическими ), если они обладают сродством к различным антигенам [70] или микроорганизмам. [70] Внутривенный иммуноглобулин , если не указано иное, состоит из множества различных IgG (поликлональных IgG). Напротив, моноклональные антитела представляют собой идентичные антитела, продуцируемые одной В-клеткой.
Гетеродимерные антитела, которые также являются асимметричными антителами, обеспечивают большую гибкость и новые форматы для прикрепления различных лекарств к плечам антитела. Одним из общих форматов гетеродимерных антител является формат «ручки в отверстия». Этот формат специфичен для части тяжелой цепи константной области антител. Часть «ручки» спроектирована путем замены маленькой аминокислоты на более крупную. Он помещается в «дырку», образованную путем замены большой аминокислоты на меньшую. Что соединяет «шишки» с «дырками», так это дисульфидные связи между каждой цепочкой. Форма «кнопки в отверстия» способствует антителозависимой клеточно-опосредованной цитотоксичности. Одноцепочечные вариабельные фрагменты ( scFv ) соединяются с вариабельным доменом тяжелой и легкой цепи посредством короткого линкерного пептида. Линкер богат глицином, который придает ему большую гибкость, и серином/треонином, который придает ему специфичность. Два разных фрагмента scFv могут быть соединены вместе через шарнирную область с константным доменом тяжелой цепи или константным доменом легкой цепи. [71] Это придает антителу биспецифичность, позволяя специфично связывать два разных антигена. [72] Формат «кнопки-в-отверстия» усиливает образование гетеродимера, но не подавляет образование гомодимера.
Для дальнейшего улучшения функции гетеродимерных антител многие ученые обращаются к искусственным конструкциям. Искусственные антитела представляют собой в значительной степени разнообразные белковые мотивы, которые используют функциональную стратегию молекулы антитела, но не ограничены структурными ограничениями петли и каркаса природного антитела. [73] Возможность контролировать комбинационный дизайн последовательности и трехмерного пространства может выйти за рамки естественного дизайна и позволить прикреплять к рукам различные комбинации лекарств.
Гетеродимерные антитела имеют более широкий диапазон форм, которые они могут принимать, и лекарства, прикрепленные к рукам, не обязательно должны быть одинаковыми на каждой руке, что позволяет использовать различные комбинации лекарств при лечении рака. Фармацевтические препараты способны производить высокофункциональные биспецифические и даже мультиспецифические антитела. Степень их функционирования впечатляет, учитывая, что такое изменение формы по сравнению с естественной формой должно привести к снижению функциональности.
Диверсификация антител обычно происходит посредством соматической гипермутации, переключения классов и созревания аффинности, нацеленной на локусы гена BCR, но иногда были документированы и более нетрадиционные формы диверсификации. [74] Например, в случае малярии , вызванной Plasmodium falciparum , некоторые антитела от инфицированных продемонстрировали вставку из хромосомы 19, содержащую участок из 98 аминокислот из лейкоцит-ассоциированного иммуноглобулиноподобного рецептора 1, LAIR1 , в локтевой сустав. Это представляет собой форму межхромосомной транспозиции. LAIR1 обычно связывает коллаген, но может распознавать членов семейства повторяющихся вкраплений полипептидов (RIFIN), которые высоко экспрессируются на поверхности эритроцитов, инфицированных P. falciparum . Фактически, эти антитела подверглись созреванию аффинности, что повысило аффинность к РИФИНу, но уничтожило аффинность к коллагену. Эти «LAIR1-содержащие» антитела были обнаружены у 5–10% доноров из Танзании и Мали, но не у европейских доноров. [75] Однако у европейских доноров также наблюдались 100-1000 нуклеотидных растяжек внутри локтевых суставов. Это конкретное явление может быть специфичным для малярии, поскольку известно, что инфекция вызывает геномную нестабильность. [76]
Первое использование термина «антитело» произошло в тексте Пауля Эрлиха . Термин Antikörper (немецкое слово, обозначающее антитело ) появляется в заключении его статьи «Экспериментальные исследования иммунитета», опубликованной в октябре 1891 года, в которой говорится, что «если два вещества дают начало двум различным Antikörper , то они сами должны быть разными». ". [77] Однако этот термин не был принят сразу, и было предложено несколько других терминов для антитела; в их число входили Иммункёрпер , Амбоцептор , Цвишенкёрпер , сенсибилизирующее вещество , копула , Десмон , филоцитаза , фиксатор и Иммунизин . [77] Слово «антитело» имеет формальную аналогию со словом «антитоксин» и схожее понятие с «Immunkörper» ( «иммунное тело» на английском языке). [77] Таким образом, первоначальная конструкция слова содержит логический изъян; антитоксин — это нечто, направленное против токсина, а антитело — это тело, направленное против чего-то. [77]
Изучение антител началось в 1890 году, когда Эмиль фон Беринг и Китасато Сибасабуро описали активность антител против дифтерийных и столбнячных токсинов . Фон Беринг и Китасато выдвинули теорию гуморального иммунитета , предполагая, что медиатор в сыворотке может реагировать с чужеродным антигеном. [81] [82] Его идея побудила Пауля Эрлиха предложить теорию боковых цепей для взаимодействия антител и антигенов в 1897 году, когда он предположил, что рецепторы (описываемые как «боковые цепи») на поверхности клеток могут специфически связываться с токсинами. – во взаимодействии «замок и ключ» – и что эта реакция связывания является триггером для производства антител. [83] Другие исследователи полагали, что антитела свободно существуют в крови, и в 1904 году Алмрот Райт предположил, что растворимые антитела покрывают бактерии , чтобы пометить их для фагоцитоза и уничтожения; процесс, который он назвал опсонинизацией . [84]
В 1920-х годах Майкл Гейдельбергер и Освальд Эйвери заметили, что антигены могут осаждаться антителами, и показали, что антитела состоят из белка. [85] Биохимические свойства взаимодействий антиген-антитело были более подробно изучены в конце 1930-х годов Джоном Марраком . [86] Следующее важное достижение произошло в 1940-х годах, когда Лайнус Полинг подтвердил теорию «замка и ключа», предложенную Эрлихом , показав, что взаимодействия между антителами и антигенами зависят больше от их формы, чем от их химического состава. [87] В 1948 году Астрид Фагреус обнаружила, что В-клетки в форме плазматических клеток ответственны за выработку антител. [88]
Дальнейшая работа была сосредоточена на характеристике структур белков антител. Большим достижением в этих структурных исследованиях стало открытие в начале 1960-х годов Джеральдом Эдельманом и Джозефом Галли легкой цепи антитела [89] и осознание того, что этот белок аналогичен белку Бенс-Джонса, описанному в 1845 году Генри Бенсом. Джонс . [90] Эдельман далее обнаружил, что антитела состоят из тяжелых и легких цепей, связанных дисульфидными связями . Примерно в то же время Родни Портер охарактеризовал области IgG , связывающие антитела (Fab) и хвост антитела (Fc) . [91] Вместе эти ученые установили структуру и полную аминокислотную последовательность IgG, за что они были совместно награждены Нобелевской премией по физиологии и медицине 1972 года . [91] Fv-фрагмент был получен и охарактеризован Дэвидом Гиволом. [92] Хотя большинство этих ранних исследований было сосредоточено на IgM и IgG, в 1960-х годах были идентифицированы и другие изотипы иммуноглобулинов: Томас Томази обнаружил секреторные антитела ( IgA ); [93] Дэвид С. Роу и Джон Л. Фэйи обнаружили IgD; [94] и Кимисигэ Ишизака и Теруко Ишизака обнаружили IgE и показали, что это класс антител, участвующих в аллергических реакциях. [95] В знаковой серии экспериментов, начавшихся в 1976 году, Сусуму Тонегава показал, что генетический материал может перестраиваться, образуя огромное количество доступных антител. [96]
Обнаружение определенных антител является очень распространенной формой медицинской диагностики , и от этих методов зависят такие приложения, как серология . [97] Например, в биохимических анализах для диагностики заболеваний [98] по крови оценивают титр антител, направленных против вируса Эпштейна-Барра или болезни Лайма . Если этих антител нет, то либо человек не инфицирован, либо заражение произошло очень давно , и В-клетки, вырабатывающие эти специфические антитела, естественным образом распались.
В клинической иммунологии уровни отдельных классов иммуноглобулинов измеряются методом нефелометрии (или турбидиметрии ) для характеристики профиля антител у пациента. [99] Повышение уровня иммуноглобулинов разных классов иногда полезно для определения причины поражения печени у пациентов, у которых диагноз неясен. [1] Например, повышенный уровень IgA указывает на алкогольный цирроз печени , повышенный уровень IgM указывает на вирусный гепатит и первичный билиарный цирроз печени , а уровень IgG повышен на вирусный гепатит, аутоиммунный гепатит и цирроз печени.
Аутоиммунные расстройства часто можно связать с антителами, которые связывают собственные эпитопы организма ; многие из них можно обнаружить с помощью анализов крови . Антитела, направленные против поверхностных антигенов эритроцитов при иммуноопосредованной гемолитической анемии , выявляются с помощью теста Кумбса . [100] Тест Кумбса также используется для скрининга антител при подготовке к переливанию крови , а также для скрининга антител у женщин в дородовом периоде . [100]
Практически для диагностики инфекционных заболеваний применяют несколько методов иммунодиагностики, основанных на обнаружении комплекса антиген-антитело, например ИФА , иммунофлюоресценция , вестерн-блоттинг , иммунодиффузия , иммуноэлектрофорез , магнитный иммуноанализ . [101] Антитела, вырабатываемые против хорионического гонадотропина человека , используются в безрецептурных тестах на беременность.
Новая химия диоксаборолана позволяет маркировать антитела радиоактивным фторидом ( 18 F ), что позволяет проводить позитронно-эмиссионную томографию (ПЭТ) для визуализации рака . [102]
Таргетная терапия моноклональными антителами используется для лечения таких заболеваний, как ревматоидный артрит , [103] рассеянный склероз , [104] псориаз , [105] и многие формы рака , включая неходжкинскую лимфому , [106] колоректальный рак , рак головы и шеи и рак молочной железы . [107]
Некоторые иммунные дефициты, такие как Х-сцепленная агаммаглобулинемия и гипогаммаглобулинемия , приводят к частичному или полному отсутствию антител. [108] Эти заболевания часто лечат путем индукции кратковременной формы иммунитета , называемой пассивным иммунитетом . Пассивный иммунитет достигается за счет переноса пораженному индивидууму готовых антител в виде сыворотки человека или животного , пула иммуноглобулинов или моноклональных антител . [109]
Резус-фактор , также известный как антиген Rh D, представляет собой антиген, обнаруженный в эритроцитах ; У резус-положительных (Rh+) людей этот антиген присутствует в эритроцитах, а у резус-отрицательных (Rh-) — нет. Во время нормальных родов , родовой травмы или осложнений во время беременности кровь плода может попасть в организм матери. В случае резус-несовместимости матери и ребенка последующее смешение крови может повысить чувствительность резус-матери к резус-антигену в клетках крови резус-ребенка, подвергая оставшуюся часть беременности и любые последующие беременности риску гемолитического развития . заболевание новорожденного . [110]
Антитела к иммуноглобулину Rho(D) специфичны к антигену RhD человека. [111] Анти-RhD-антитела вводятся как часть схемы пренатального лечения для предотвращения сенсибилизации, которая может возникнуть, когда у резус-отрицательной матери имеется резус-положительный плод. Лечение матери анти-RhD-антителами до и сразу после травмы и родов уничтожает резус-антиген в организме матери у плода. Это происходит до того, как антиген сможет стимулировать материнские В-клетки «запоминать» резус-антиген путем генерации В-клеток памяти. Следовательно, ее гуморальная иммунная система не будет вырабатывать антирезус-антитела и не будет атаковать резус-антигены нынешнего или последующих детей. Лечение иммуноглобулином Rho(D) предотвращает сенсибилизацию, которая может привести к резус-заболеванию , но не предотвращает и не лечит само основное заболевание. [111]
Специфические антитела производятся путем инъекции антигена млекопитающему , такому как мышь , крыса , кролик , коза , овца или лошадь, в больших количествах антител. Кровь, выделенная от этих животных, содержит в сыворотке поликлональные антитела — несколько антител, которые связываются с одним и тем же антигеном , которые теперь можно назвать антисывороткой . Антигены также вводят цыплятам для образования поликлональных антител в яичном желтке . [112] Чтобы получить антитело, специфичное к одному эпитопу антигена, у животного выделяют лимфоциты , секретирующие антитела, и иммортализуют их путем слияния с линией раковых клеток. Слитые клетки называются гибридомами , они будут постоянно расти и секретировать антитела в культуре. Отдельные клетки гибридомы выделяют путем клонирования в разведении для создания клонов клеток , которые продуцируют одно и то же антитело; эти антитела называются моноклональными антителами . [113] Поликлональные и моноклональные антитела часто очищают с использованием белка A/G или антиген-аффинной хроматографии . [114]
В исследованиях очищенные антитела используются во многих областях. Антитела для исследовательских целей можно найти непосредственно у поставщиков антител или с помощью специализированной поисковой системы. Исследовательские антитела чаще всего используются для идентификации и локализации внутриклеточных и внеклеточных белков. Антитела используются в проточной цитометрии для дифференциации типов клеток по белкам, которые они экспрессируют; разные типы клеток экспрессируют на своей поверхности разные комбинации кластеров дифференцировочных молекул и продуцируют разные внутриклеточные и секретируемые белки. [115] Они также используются в иммунопреципитации для отделения белков и всего, что с ними связано (коиммунопреципитация) от других молекул в клеточном лизате , [116] в вестерн-блот -анализе для идентификации белков, разделенных электрофорезом , [ 117] и в иммуногистохимии. или иммунофлуоресценция для изучения экспрессии белков в срезах тканей или для определения местоположения белков внутри клеток с помощью микроскопа . [115] [118] Белки также можно обнаружить и количественно оценить с помощью антител, используя методы ELISA и ELISpot . [119] [120]
Антитела, используемые в исследованиях, являются одними из самых мощных, но наиболее проблематичных реагентов с огромным количеством факторов, которые необходимо контролировать в любом эксперименте, включая перекрестную реактивность или распознавание антителом нескольких эпитопов и аффинность, которая может широко варьироваться в зависимости от экспериментальных условий, таких как такие как pH, растворитель, состояние ткани и т. д. Было предпринято множество попыток улучшить как способы проверки исследователями антител [121] [122] , так и способы, с помощью которых они сообщают об антителах. Исследователи, использующие антитела в своей работе, должны правильно их записывать, чтобы их исследования были воспроизводимыми (и, следовательно, проверенными и квалифицированными другими исследователями). Менее половины исследовательских антител, упомянутых в научных статьях, можно легко идентифицировать. [123] Статьи, опубликованные в журнале F1000 в 2014 и 2015 годах, предоставляют исследователям руководство по отчетности об использовании антител в исследованиях. [124] [125] Статья RRID опубликована совместно в 4 журналах, внедривших стандарт RRIDs для цитирования исследовательских ресурсов, в котором используются данные с сайта Antiteregistry.org в качестве источника идентификаторов антител [126] (см. также группу Force11) . [127] ).
Области антител можно использовать для дальнейших биомедицинских исследований, выступая в качестве ориентира для лекарств, чтобы достичь своей цели. Некоторые приложения включают использование бактериальных плазмид для маркировки плазмид Fc-участком антитела, таких как плазмида pFUSE-Fc.
Существует несколько способов получения антител, включая методы in vivo, такие как иммунизация животных, и различные подходы in vitro, такие как метод фагового дисплея. [128] Традиционно большинство антител продуцируются линиями гибридомных клеток путем иммортализации клеток, продуцирующих антитела, путем химически индуцированного слияния с клетками миеломы . В некоторых случаях дополнительные слияния с другими линиями образовывали « триомы » и « квадромы ». Производственный процесс должен быть надлежащим образом описан и валидирован. Валидационные исследования должны, как минимум, включать:
Важность антител в здравоохранении и биотехнологической промышленности требует знания их структуры с высоким разрешением . Эта информация используется для белковой инженерии , изменения аффинности связывания антигена и идентификации эпитопа данного антитела. Рентгеновская кристаллография является одним из широко используемых методов определения структур антител. Однако кристаллизация антитела часто является трудоемким и трудоемким процессом. Вычислительные подходы обеспечивают более дешевую и быструю альтернативу кристаллографии, но их результаты более двусмысленны, поскольку они не создают эмпирических структур. Онлайн-веб-серверы, такие как Web Antibody Modeling (WAM) [129] и Prediction of Immunoglobulin Structure (PIGS) [130], позволяют проводить компьютерное моделирование вариабельных областей антител. Rosetta Antibody — это новый сервер прогнозирования структуры FV-области антитела , который включает в себя сложные методы минимизации петель CDR и оптимизации относительной ориентации легких и тяжелых цепей, а также модели гомологии , которые предсказывают успешную стыковку антител с их уникальным антигеном. [131] Однако описание сайта связывания антитела с использованием только одной статической структуры ограничивает понимание и характеристику функции и свойств антитела. Чтобы улучшить прогнозирование структуры антител и принять во внимание сильно коррелированные движения петли CDR и интерфейса, паратопы антител должны быть описаны как взаимопревращающиеся состояния в растворе с различными вероятностями. [26]
Возможность описания антитела посредством аффинности связывания с антигеном дополняется информацией о структуре антитела и аминокислотных последовательностях для целей патентной формулы. [132] Было представлено несколько методов компьютерного проектирования антител, основанных на структурных биоинформатических исследованиях CDR антител. [133] [134] [135]
Существует множество методов, используемых для секвенирования антитела, включая деградацию по Эдману , кДНК и т. д.; хотя одним из наиболее распространенных современных способов идентификации пептидов/белков является жидкостная хроматография в сочетании с тандемной масс-спектрометрией (ЖХ-МС/МС). [136] Методы секвенирования больших объемов антител требуют вычислительных подходов для анализа данных, включая секвенирование de novo непосредственно из тандемных масс-спектров [137] и методы поиска в базе данных, которые используют существующие базы данных последовательностей белков . [138] [139] Многие версии дробового секвенирования белков способны расширить охват за счет использования методов фрагментации CID/HCD/ETD [140] и других методов, и они достигли существенного прогресса в попытках полностью секвенировать белки , особенно антитела. Другие методы предполагают существование сходных белков, [141] известную последовательность генома , [142] или комбинированные подходы «сверху вниз» и «снизу вверх». [143] Современные технологии позволяют собирать белковые последовательности с высокой точностью путем интеграции пептидов секвенирования de novo , интенсивности и показателей позиционной достоверности из базы данных и поиска гомологии . [144]
Миметики антител — это органические соединения, такие как антитела, которые могут специфически связывать антигены. Они состоят из искусственных пептидов или белков или молекул нуклеиновых кислот на основе аптамеров с молярной массой примерно от 3 до 20 кДа . Фрагменты антител, такие как Fab и нанотела , не считаются миметиками антител . Общими преимуществами по сравнению с антителами являются лучшая растворимость, проникновение в ткани, устойчивость к нагреванию и ферментам , а также сравнительно низкие производственные затраты. Миметики антител разрабатываются и коммерциализируются в качестве исследовательских, диагностических и терапевтических средств. [145]
BAU (единица связывания антител, часто BAU/мл) — это единица измерения , определенная ВОЗ для сравнения анализов , выявляющих один и тот же класс иммуноглобулинов с одинаковой специфичностью. [146] [147] [148]
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )