Antistoffer , immunoglobuliner er store kugleformede blodplasmaproteiner, der udskilles af plasmaceller i immunsystemet og tjener til at neutralisere patogene celler ( bakterier , svampe , flercellede parasitter ) og vira , såvel som proteingifte og nogle andre fremmede stoffer. Hvert antistof genkender et unikt element af patogenet, som er fraværende i selve kroppen - et antigen , og inden for et givet antigen - en bestemt del af det, en epitop . Ved at binde til antigener på overfladen af patogener kan antistoffer enten direkte neutralisere dem eller rekruttere andre komponenter i immunsystemet, såsom komplementsystemet og fagocytter , for at ødelægge fremmede celler eller virale partikler. Antistoffer er en væsentlig bestanddel af humoral specifik immunitet .
Antistoffer (immunoglobuliner) danner en protein-superfamilie . Antistofmolekylet har en Y-form, to identiske antigenbindingssteder er placeret i de to ender af molekylet, og den tredje ende kan være en af flere typer, afhængigt af det tildeles antistoffer til en eller anden klasse. Sammensætningen af et antistof omfatter i de fleste tilfælde to tunge kæder og to lette kæder . Hos pattedyr er der fem typer af tunge kæder - α, γ, δ, ε og μ, som svarer til fem isotyper (klasser) af antistoffer - IgA , IgG , IgD , IgE og IgM [1] . Antistoffer af hver isotype adskiller sig fra andre i funktioner og strukturelle træk. Den enorme variabilitet af antistoffer er tilvejebragt af omlejringer af de loci , der koder for tunge og lette kæder under V(D)J-rekombination .
Dannelsen af antistoffer, der genkender normale kropsproteiner ( autoantistoffer ), er grundlaget for udviklingen af autoimmune sygdomme , såsom systemisk lupus erythematosus , reumatoid arthritis og andre. Helt eller delvist fravær af antistoffer fører til udvikling af immundefekttilstande .
Immunoglobulin (antistof) molekyler er formet som bogstavet "Y" og består af to identiske lette og to identiske tunge polypeptidkæder forbundet med disulfidbindinger. Polypeptidkæderne i de "øvre" ender af "bogstavet Y" ender med aminogrupper og er antigenbindingssteder, "benet" - med carboxylgrupper [2] .
Opløselige og membranformer af antistoffer er kendte. Membranantistoffer findes på B-lymfocytter og kaldes B-cellereceptorer . Opløselige antistoffer er næsten identiske i struktur med membranen, forskellene vedrører kun den C-terminale (konstante) del. Et monomert immunoglobulinmolekyle har en molekylvægt på 150-170 kDa og består af fire polypeptidkæder : to lette eller L-kæder ( English Lite ) (masse 50-60 kDa) og to tunge eller H-kæder ( engelsk Heavy ) ) (masse 100-120 kDa), som er arrangeret symmetrisk og forbundet med disulfidbindinger . H- og L-kæderne er forbundet med en enkelt disulfidbinding placeret nær C-terminalen af den lette kæde, de resterende disulfidbindinger holder H-kæderne sammen. Sammensætningen af lette kæder omfatter to homologe segmenter ( domæner ) og tunge kæder - 4-5 domæner. Domæner består af cirka 110 aminosyrerester (a.a.) og har en lignende rumlig struktur, der er stabiliseret af en enkelt disulfidbinding, men deres funktioner er forskellige [3] . Disse domæner er såkaldte immunoglobulindomæner indeholdende et karakteristisk strukturelt motiv , kendt som immunoglobulinfolden, repræsenteret af to β-lag , der interagerer med hinanden via disulfidbindinger og elektrostatiske interaktioner, og danner noget som en sandwich [4] . Domæner interagerer med hinanden gennem hydrofobe interaktioner [5] .
N-termini af alle kæder er involveret i antigengenkendelse, det vil sige, at de danner to identiske antigenbindingssteder. En nøglerolle i processen med antigengenkendelse spilles af korrespondancen mellem strukturerne af antigenet (mere præcist, en del af antigenmolekylet - epitop ) og det antigengenkendende sted for antistoffet, eller paratopen , ifølge "nøglen" -lås"-princippet. Specificiteten af immunglobuliner bestemmes af aminosyresekvensen af antigengenkendelsesdomæner, som kaldes variable eller V-domæner (de kaldes også F V - regioner). Antigenbindingsstedet er dannet af V-domæner af tunge og lette kæder (henholdsvis VH- og VL - domæner ). Det er dannet af variable sløjfer af β-ark, hvoraf tre tilhører VL - domæner, og de resterende tre tilhører VH - domæner. Disse loops kaldes undertiden komplementaritetsbestemmende regioner ( CDR'er ) [ 6 . CDR'er er også kendt som hypervariable regioner. I et immunglobulinmolekyle er der normalt 3 hypervariable regioner, hvis position i kæden kan være forskellig. Derudover inkluderer hvert V-domæne 4 regioner med relativt konstant sammensætning (rammeregioner) [7] . Den ultrahøje variabilitet af CDR'er giver et stort udvalg af immunglobuliner [8] .
De resterende domæner af immunoglobulinmolekylet har en fast struktur, så de kaldes konstante eller C-domæner. L -kæden indeholder et C-domæne (betegnet CL ), og H-kæden indeholder 3 eller 4 domæner, som er betegnet CH 1, CH 2, CH 3, CH 4. C-domæner er ikke involveret i antigengenkendelse og er nødvendige for interaktion med immuncellereceptorer , aktivering af komplementsystemet og andre effektorfunktioner [3] .
Andelen af hypervariable positioner i V-domæner er lille sammenlignet med relativt invariable positioner og udgør 15-20% af alle aminosyrerester. Derudover viste V-domæner sig i udviklingen af hvirveldyr at være mere konserverede end konstante domæner, og deres konservatisme er forbundet med konstante regioner. Homologien af VL - domæner mellem tiger- og Galapagos-hajer er således omkring 75%, og mellem mennesker og hunde , omkring 50% [9] .
Et antistof kaldes monospecifikt , hvis det kun kan genkende ét antigen eller epitop, og bispecifikt, hvis det binder til to forskellige antigener eller to forskellige epitoper inden for ét antigen [10] . Nogle antistoffer kaldes polyvalente eller ikke-specifikke, hvis de genkender flere antigener [11] .
Under virkningen af proteaser spaltes immunoglobulinmolekyler i fragmenter, der har specielle navne. Så papain opdeler immunoglobulinmolekylet i tre fragmenter: to Fab -fragmenter (fra det engelske Fragment-antigenbinding ) og et Fc -fragment (fra det engelske Fragment cristallizable ). Fab-fragmenter indeholder V-domæner såvel som CL- og CH 1 - domæner, mens Fc indeholder de resterende C-domæner og disulfidbindinger, der forbinder dem. Pepsin skærer immunoglobulinmolekylet lidt anderledes og producerer et bivalent antigenbindende F(ab') 2 - fragment og et trunkeret Fc'-fragment [12] .
C-domæneregionen indeholder de fleste steder, der interagerer med cellereceptorer, såsom Fc-receptorer . Således indeholder Cγ2-domænet bindingssteder for komplementkomponenten C4b såvel som for FcyRI- og FcγRII-receptorerne. FcγRIII-bindingsstedet er lokaliseret i Cy3-domænet. Antistoffets opholdslængde i blodbanen afhænger af strukturen af CH 2 -domænet [8] . Mellem CH 1- og CH 2-domænerne er der en region, der er forskellig i længden i H-kæderne af forskellige isotyper og ikke er en del af domænerne. På grund af det høje prolinindhold er denne region meget fleksibel og omtales derfor også som hængselregionen. Det er i det, at stederne for spaltning af immunoglobuliner med proteaser er lokaliseret [13] .
Antistofmolekyler gennemgår glykosylering , det vil sige, at de er glykoproteiner . L-kæder er blottet for stabile glycosyleringssteder, og i H-kæder er de til stede i alle domæner, undtagen den variable (de fleste af dem er i CH 2 domænet). Der er flere N-glycosyleringssteder i antistoffer end O-glycosyleringssteder . Kulhydratkomponenten i antistoffer påvirker ikke deres specificitet, men glycosylering er nødvendig for at stabilisere de funktionelt vigtige egenskaber af molekylet, giver interaktion med lectiner , bestemmer karakteristikaene for katabolisme og de biologiske egenskaber af antistoffer. Kulhydratfragmenter i sammensætningen af antistoffer har oftest en basis af mannose- og chitobiose-rester [14] .
Tunge og lette kæder findes i flere varianter, der adskiller sig i struktur og funktion, og derfor opdeles antistoffer i klasser eller isotyper. Der er to typer L-kæder (κ og λ) og fem isotyper af H-kæder (μ, γ, α, δ og ε). Et immunoglobulinmolekyle kan kun indeholde H-kæder af én type. Der er fem hovedtyper af antistoffer hos pattedyr: IgM, IgG, IgA, IgD og IgE ( latinske bogstaver i navnene på antistofklasser svarer til græske bogstaver i betegnelsen af H-kædeisotyper). Immunglobuliner af IgG- og IgA-klasserne er opdelt i underklasser (undertyper), også afhængigt af H-kædernes karakteristika. Immunglobuliner af alle klasser kan tilhøre K- og L-typer, afhængig af tilstedeværelsen i deres sammensætning af L-kæder af henholdsvis κ- eller λ-typer [15] . Forskellige isotyper af H-kæder har et forskelligt antal C-domæner: γ-, α- og δ-kæder har hver 3 C-domæner, og μ- og ε-kæder indeholder hver 4 C-domæner [8] . Klasser af antistoffer adskiller sig også i graden af glycosylering, især antistoffer af IgG-klassen er de mindst glycosylerede [14] .
De vigtigste egenskaber for antistofklasser er anført i tabellen nedenfor [15] .
Ejendom | IgM | IgG | IgA | IgD | IgE |
---|---|---|---|---|---|
Molekylvægt, kDa | 950 | 150; undertype IgG3 - 165 | 150; dimer - 300 | 185 | 190 |
Antal monomerer | 5 | en | 1 eller 2 | en | en |
Valence | 5 | 2 | 2 eller 4 | 2 | 2 |
H-kæde isotype | μ | γ | α | δ | ε |
Antal C-domæner i H-kæden | fire | 3 | 3 | 3 | fire |
Antal disulfidbindinger mellem H-kæder | fire | 3-12 | 4 eller 5 | en | 3 |
Indhold i serum , mg/ml | 1.5 | 13-14 | 3.5 | 0,03 | 0,00002-0,0005 |
Halveringstid, dage | 5-10 | 23 (IgG3 - 7) | 6 | 3 | 2 |
Celler, der binder antistof gennem Fc-receptorer | — | Makrofager , monocytter , neutrofiler | Makrofager, monocytter, neutrofiler (svagt) | — | Mastceller , basofiler |
Funktioner | Membranreceptor , primær immunrespons | Sekundær immunrespons, beskyttelse mod bakterier og vira | Fremherskende i slimhindesekret | Membran receptor | Reains, beskyttelse mod parasitter |
Ud over klasserne af pattedyrantistoffer anført ovenfor, har nogle hvirveldyr andre klasser af antistoffer. For eksempel har benfisk en særlig klasse af IgT/Z-antistoffer, mens padder , krybdyr og fugle har immunglobuliner Y (IgY), som består af to tunge og to lette kæder og akkumuleres i store mængder i æggeblomme [16] . Bruskfisk og pattedyr fra kamelfamilien har antistoffer med tunge kæder , der mangler lette kæder. Brusk- og kamelkæde-antistoffer menes at være resultatet af konvergent evolution , og de optrådte i forbindelse med funktionelle træk. Omkring 50 % af antistofferne fra kameler og beslægtede arter er typiske firekædede pattedyrsantistoffer. Om der er dyr, der kun har tungkæde-antistoffer vides ikke [17] .
De vigtigste funktioner af antistoffer i immunsystemet omfatter:
Antistoffer, der binder til overfladen af en fremmed celle, aktiverer den første komponent af komplementkaskaden gennem deres Fc-regioner; denne måde til komplementaktivering kaldes den klassiske komplementaktiveringsvej [19] . Som et resultat kan en celle belagt med antistoffer dø på to måder. For det første markerer bindingen af antistoffer og komplementkomponenter til celleoverfladen den som et mål for destruktion af fagocytter, som tiltrækkes af cellen af nogle komponenter i komplementkaskaden. For det andet danner komplementkomponenter et membranangrebskompleks på celleoverfladen, som forårsager dets død som følge af lysis [20] .
For at modvirke multiplikationen af ekstracellulære patogener "limer" antistoffer patogene celler sammen, hvilket får dem til at agglutinere [21] . Da minimumsvalensen (det vil sige antallet af samtidigt bundne antigener) af et antistof er to, kan det binde to antigenmolekyler placeret på forskellige celler og derved forbinde dem. Ved at belægge overfladen af et patogen tiltrækker antistoffer effektorimmunceller til det ved hjælp af Fc-regioner. Celler, der genkender Fc-regionerne af antistoffer, har specialiserede Fc-receptorer (FcR'er), der kan binde til Fc-regionerne af IgA, IgG og IgE. Binding af en celles Fc-receptor med et antistof aktiverer den, som i fagocytter viser sig i lanceringen af fagocytose, i mastceller og neutrofiler - degranulering , naturlige dræbere - frigivelse af cytokiner og cytotoksiske molekyler , hvilket i sidste ende fører til til ødelæggelse af mikroorganismen . Aktivering af naturlige dræberceller med antistoffer udløser en mekanisme kendt som antistofafhængig cellemedieret cytotoksicitet [ ( ADCC ) . Denne mekanisme kan forklare effektiviteten af monoklonale antistoffer i behandlingen af cancer . Da Fc-receptorer kun er specifikke for antistoffer af en bestemt isotype, har immunsystemet tilstrækkelig fleksibilitet til at udløse en bestemt type immunrespons på et givet patogen [22] .
Hos mennesker og højere primater er såkaldte naturlige antistoffer til stede i blodplasmaet , som dannes uden forudgående infektion , vaccination eller anden eksponering. Takket være disse antistoffer kan komplementsystemet udløse lysis af mikroorganismeceller og indkapslede virusvirioner uden forudgående aktivering af adaptiv immunitet . Mange naturlige antistoffer er specifikke for disaccharidet galactose -α(1,3)-galactose (α-Gal), som er det terminale sukker i glycosylerede celleoverfladeproteiner. Produktionen af disse antistoffer udløses som reaktion på syntesen af α-Gal af symbiotiske tarmbakterier [23] . Xenotransplantatafstødning kan delvist forklares ved virkningen af modtagerens naturlige antistoffer, der angriber α-Gal i transplantatproteinerne [24] .
Aktiverede B-celler differentierer til antistof-udskillende plasmaceller, eller memory B-celler , som forbliver i kroppen i lang tid og lagrer hukommelsen af antigener, som kroppen tidligere har mødt [18] . I de prænatale og neonatale perioder kommer antistoffer ind i babyens krop fra moderen. Begyndelsen af selvantistofproduktion adskiller sig mellem antistofklasser og forekommer sædvanligvis i løbet af de første leveår [19] .
Ud over ovenstående funktioner i immunsystemet kan antistoffer udføre andre, ikke-kanoniske roller. I nogle antistoffer er sammensætningen af aminosyrerester i antigenbindingsstedet meget lig den i det aktive sted i nogle enzymer , så antistoffer kan katalysere visse kemiske reaktioner . Antistoffer med katalytisk aktivitet kaldes abzymer . Det er blevet vist, at syntesen af antistoffer med forskellig katalytisk aktivitet begynder ved immunisering med mellemprodukter af de tilsvarende reaktioner. Med hensyn til katalytisk aktivitet er abzymer imidlertid meget ringere end "ægte" enzymer. Hos mennesker, både under normale og patologiske tilstande , påvises ofte antistoffer med proteolytisk aktivitet , som spalter molekyler, der er specifikke for patogener. Proteolytiske antistoffer tilhører klasserne IgG, IgA og IgM. Nogle antistoffer af IgM- og IgG-klasserne kan dræbe mikroorganismeceller alene uden deltagelse af andre effektormekanismer, men mekanismen for deres virkning er kun kendt i få tilfælde. Det er især blevet vist, at inaktiverende IgM og IgG monoklonale antistoffer forårsager ændringer i genekspression og metabolisme i den patogene svamp Cryptococcus neoformans ved binding til overfladen af dens celler. Binding af antistoffer til overfladen af den patogene bakterie Borrelia burgdorferi forårsager poredannelse og celledød som følge af osmotisk shock . Nogle gange inaktiverer forskellige antistoffer et patogen ved synergistisk virkning uden involvering af yderligere effektorveje. Specifikke ikke-kanoniske funktioner er blevet beskrevet for antistoffer af IgA-klassen. De kan således mediere den transepiteliale transport af bakterier i musetarmen og regulere bakterielle metabolitters indtræden i værtsceller. Derudover kan antistoffer fungere som chaperoner og bærere af forskellige forbindelser i en sund krop [25] .
Stort set alle mikroorganismer kan fremkalde et immunrespons. Succesfuld genkendelse og ødelæggelse af patogener kræver en lang række antistoffer, der genkender forskellige antigener [26] . Ifølge nogle skøn dannes der 10 milliarder forskellige antistoffer i menneskekroppen, som hver genkender en unik epitop [27] . Selvom der produceres et stort antal antistoffer i hvert individ, er antallet af gener , der koder for dem, begrænset af genomets størrelse . Der er flere mekanismer, der gør det muligt for hvirveldyr at opnå et stort antal forskellige antistoffer fra et relativt lille antal gener [28] .
De regioner, der koder for komponenterne i antistoffer, er placeret på flere kromosomer hos mennesker . På kromosom 14 samles gener, der koder for varianter af den tunge kæde, lette kæder κ og λ kodes på kromosom 22 og 2 . De variable domæner dannet af både de lette og tunge kæderegioner adskiller sig mellem antistoffer dannet af forskellige plasmaceller. Forskelle mellem variable domæner påvirker tre sløjfer kendt som hypervariable regioner (HV-1, HV-2 og HV-3) eller komplementaritetsbestemmende regioner (CDR1, CDR2 og CDR3). Den tunge kæde- locus koder for 65 variable domæner med forskellige CDR'er. Kombinationen af hver af disse varianter inden for det lineære array af gener, der koder for andre tunge kædedomæner, giver et stort udvalg af antistoffer. Denne kombination opstår som et resultat af V(D)J-rekombination, hvis mekanisme er beskrevet nedenfor [29] .
Under processen med V(D)J-rekombination dannes en unik DNA -region, der koder for det variable domæne. Den variable region af en tung eller let kæde er kodet af et locus opdelt i flere fragmenter - subgener, som er betegnet V (fra engelsk variabel ), D (fra engelsk diversity ) og J (fra engelsk joining ) [28] . V-, D- og J-subgenerne koder for den variable region i den tunge kæde, mens den variable region i den lette kæde koder for undergenerne V og J. Hvert subgen er repræsenteret af flere varianter, der er arrangeret i tandem efter hinanden på kromosomet . I knoglemarven , under modningen af en B-celle , sker der omlejringer i dens loci, der koder for variable domæner, som et resultat af hvilke en variant af V-, D- og J-subgenerne forbliver i locuset, og de resterende varianter er permanent fjernet fra genomet. Da hvert subgen er til stede i flere varianter, vil deres kombinationer producere antistoffer med forskellige antigenspecificiteter. En vigtig rolle i V(D)J-rekombination spilles af RAG proteiner , som introducerer brud i visse områder, og i deres fravær er V(D)J-rekombination umulig [30] . Efter modning af et enkelt funktionelt gen, der koder for det variable domæne for de tunge og lette kæder i B-celle-genomet, ophører de resterende loci, der koder for de variable domæner med at blive udtrykt ( alleleksklusion ), således at hver B-celle kun kan producere antistoffer med én variabelt domæne [22] [31] .
Når først aktiveret af et antigen, prolifererer B-celler hurtigt . Parallelt med hyppige opdelinger i de loci, der koder for de hypervariable domæner af de tunge og lette kæder, observeres en øget frekvens af punktmutationer . Denne proces kaldes somatisk hypermutation . Somatisk hypermutation forekommer med en hastighed på cirka ét muteret variabelt domæne nukleotid pr. celledeling [32] . Som et resultat af denne proces vil datterceller som følge af deling producere antistoffer med lidt forskellige variable domæner. Somatisk hypermutation tjener således som en anden mekanisme til at øge diversiteten af antistoffer og påvirker affiniteten af antistoffer til antigenet [33] . Nogle mutationer reducerer affiniteten af et antistof til et bestemt antigen, mens andre tværtimod øges [34] . De B-celler, der udtrykker antistoffer med høj affinitet for antigenet, modtager stærke overlevelsessignaler under interaktion med andre celler og gennemgår ikke apoptose . Af denne grund vil B-celler, der koder for antistoffer med høj affinitet for antigenet, have en konkurrencefordel i forhold til B-celler, der koder for antistoffer med lavere affinitet, og affiniteten for antigenet vil stige med hver B-celledeling. En gradvis stigning i antigenaffinitet og selektion af B-celler med den bedste affinitet sker med deltagelse af T-hjælpere efter V(D)J-rekombination [35] .
Skiftende klasser af antistoffer sker efter aktiveringen af B-cellen og gør det muligt for den at producere antistoffer af forskellige klasser (IgA, IgE eller IgG) [30] . Forskelle mellem antistoffer af forskellige klasser er forbundet med C-domæner i den tunge kæde. Til at begynde med producerer naive B-celler kun eller IgD-overfladeimmunoglobuliner med samme antigene specificitet. Fordi hver isotype er forbundet med en specifik funktion, skal en plasmacelle, når den først er aktiveret, producere IgG-, IgA- eller IgE-antistoffer for effektivt at modvirke patogenet. Gennem klasseskift kan forskellige datterceller afledt af den samme B-celle producere antistoffer af forskellige isotyper. Under klasseskift sker der kun ændringer i C-domænerne i den tunge kæde. Derfor kan efterkommerne af en B-celle producere antistoffer af forskellige klasser, men med samme antigene specificitet. Klasseskift sker under påvirkning af visse cytokiner [36] .
Under klasseskift forekommer der omlejringer i locuset, der koder for tunge kæder. Processen kræver konserverede nukleotidmotiver , kendt som S-sites (fra den engelske switch ), som er placeret over hvert locus, der koder for tunge kæder (de eneste undtagelser er δ-typer). Yderligere laver specielle enzymer to brud i DNA på to S-steder [37] [38] . Som et resultat fjernes fragmentet mellem de to brud, og dobbeltstrengsbruddet i den konstante region repareres ved hjælp af en ikke-homolog endeforbindelse [39] .
Antistoffer udskilles af en særlig type B-celler - plasmaceller. Som de fleste udskilte proteiner syntetiseres immunoglobulin tunge og lette kæder af ribosomer placeret på det ru endoplasmatiske reticulum (ER). Under syntese kommer den resulterende polypeptidkæde ind i ER-lumen, hvor den gennemgår glycosylering. Korrekt foldning af tunge kæder og binding til lette kæder for at danne antistoffer reguleres af EPR-chaperoner såsom calnexin og BiP . De binder til nyligt syntetiserede immunoglobulinpolypeptider og beskytter dem mod nedbrydning, så længe de antager den korrekte struktur. Også i ER-lumen er antistoffet samlet på grund af dannelsen af disulfidbindinger mellem tunge og lette kæder. Efter samling frigives antistofmolekyler fra chaperoner og kommer ind i Golgi-apparatet , hvor deres kulhydratrester gennemgår yderligere behandling. Vesikler indeholdende modne antistoffer knopper fra Golgi-apparatet og smelter sammen med cellemembranen, hvorefter membranformerne af antistoffer forbliver forankret i cellemembranen, og frie antistoffer kommer ind i det intercellulære rum [40] .
Efterhånden som B-celler modnes i knoglemarven, gennemgår immunglobulinekspression en række ændringer. De tidligste celler i B-celle-linjen, præ-B-cellerne, syntetiserer kun membranbundne former af tunge kæder af μ-klassen. Disse kæder danner et kompleks med proteiner kaldet surrogat-lette kæder og danner en præ-B-cellereceptor , hvoraf en lille del blotlægges på overfladen af B-cellen. Umodne og modne B-celler syntetiserer lette kæder af κ- og λ-klasserne, som, når de kombineres med tunge kæder af μ-klassen, danner IgM-antistoffer. Modne B-celler udtrykker membranformer af IgM og IgD, som fungerer som receptorer, der genkender antigener og udløser B-celleaktivering. Præ-B-celle-receptorer og B-celle-receptorer er ikke-kovalent forbundet med integriner , hvis signalfunktioner er nødvendige for ekspressionen af overfladeformer af IgM og IgD [41] .
Når B-celler aktiveres af antigener og andre stimuli, bliver de til antistof-udskillende plasmaceller. I overgangen til plasmaceller stiger andelen af udskilte immunoglobuliner i sammenligning med membranceller dramatisk. Derudover sker der samtidig antistofklasseskift, og cellen holder op med at syntetisere IgM og IgD, men begynder at udskille IgA, IgE eller IgG [42] .
Adaptiv immunitet og antistoffer udviklede sig i hvirveldyr for cirka 500 millioner år siden [43] . De ældste klasser af antistoffer er sandsynligvis IgM og IgD, og IgD-antistoffer, som findes i næsten alle hvirveldyr, selv bruskfisk, betragtes som den ældste klasse af antistoffer (bruskfisk IgD-antistoffer betegnes nogle gange IgW; W svarer til græsk bogstavet ω ). Der er dog også hvirveldyr, der har mistet IgD , såsom fugle og flere pattedyrarter . Samtidig er IgA-, IgE- og IgG-klasserne typiske for pattedyr ikke til stede i alle grupper af hvirveldyr. Især knoglefisk mangler IgA, IgE og IgD, men der er en ekstra klasse af IgT (eller IgZ) antistoffer, som andre hvirveldyr mangler. Antistoffer IgT (T svarer til det græske bogstav τ ) beskytter sandsynligvis slimhinderne hos fisk [44] . Usædvanlige klasser af antistoffer findes også i andre hvirveldyr, såsom antistoffer med tunge kæder i bruskfisk og kamelider, såvel som IgY i padder, krybdyr og fugle [16] [17] .
For at bruge antistoffer i medicin og bioteknologi er det nødvendigt at kende deres struktur i høj opløsning . Oplysninger om strukturen af antistoffer anvendes i vid udstrækning til proteinudvikling af antistoffer, modifikation af deres evne til at binde antigener og identifikation af individuelle antistofepitoper. En af de metoder, der i vid udstrækning anvendes til at bestemme strukturerne af antistoffer, er røntgendiffraktionsanalyse , dog er krystalliseringen af antistoffer en meget lang og besværlig proces, derfor er forudsigelsen af antistofstrukturer ved hjælp af beregningsmetoder udbredt. Forudsigelsen giver dog ikke præcise oplysninger om strukturen. Computermodellering af variable domænestrukturer kan udføres ved hjælp af programmerne Web Antibody Modeling (WAM) [45] og Prediction of Immunoglobulin Structure (PIGS) [46] . Strukturen af variable domæner kan også forudsiges ved hjælp af Rosetta-tjenesten, hvor ved hjælp af specielle metoder, længden af loops svarende til CDR'er minimeres under forudsigelse, positionen af lette og tunge kæder i forhold til hinanden optimeres, og modeller er bygget, der forudsiger docking af antistoffer med deres unikke antigener [47] . Der er flere programmer, der udfører computerstøttet design af antistoffer baseret på resultaterne af bioinformatiske undersøgelser af CDR'er [48] [49] [50] .
En af de mest effektive metoder til at identificere peptider og proteiner, herunder antistoffer, er væskekromatografi forbundet med tandem massespektrometri [51] . High-throughput metoder til sekventering af aminosyresekvenser antistoffer kræver særlige beregningsmæssige tilgange til dataanalyse , herunder de novo sekventering fra massespektrometridata [52] såvel som tilgange til at søge i databaser indeholdende proteinsekvenser [53] [54] . Af særlig betydning for aminosyresekventering er haglgeværmetoden, hvis dækning øges ved fragmentering ved CID/HCD/ETD-metoder [55] . Der er metoder til bestemmelse af aminosyresekvenser, som kræver sekvenser af lignende proteiner [56] eller en kendt genomsekvens [57] . Moderne sekventeringsteknikker kan samle proteinsekvenser med høj kvalitet ved at kombinere de novo peptidsekventering , intensitet og positionssikkerhedsscore opnået fra databasehomologsøgninger [58] .
Påvisning og bestemmelse af koncentrationen af specifikke antistoffer i blodet er en ret almindelig metode til medicinsk diagnose [59] . For eksempel bestemmes tilstedeværelsen i kroppen af Epstein-Barr-virus eller bakterien Borrelia burgdorferi , som forårsager Lyme-sygdom , af titeren af antistoffer mod dem. Hvis de tilsvarende antistoffer ikke kunne påvises, så har patienten enten aldrig stødt på disse patogener eller har mødt dem i meget lang tid, og de plasmaceller, der producerer antistoffer mod dem, er allerede forsvundet [60] .
I klinisk immunologi er en patients antistofprofil karakteriseret ved at bestemme koncentrationerne af antistoffer af forskellige klasser ved hjælp af nefelometri [61] . En stigning i nogle klasser af antistoffer kan være nyttig til at identificere årsagerne til leverskade , når en nøjagtig diagnose ikke kan etableres. Et øget indhold af IgA indikerer således alkoholisk skrumpelever , en stigning i niveauet af IgM taler til fordel for viral hepatitis og primær skrumpelever, og niveauet af IgG stiger ved viral hepatitis, autoimmune sygdomme og skrumpelever [62 ] .
Udviklingen af autoimmune sygdomme er forbundet med dannelsen af antistoffer, der genkender selve organismens epitoper (autoantistoffer). De kan påvises med en blodprøve. Antistoffer, der virker mod erytrocyt -overfladeantigener, forårsager hæmolytisk anæmi og kan påvises ved hjælp af Coombs-testen . Coombs-reaktionen udføres også ved screening for antistoffer i blodtransfusioner og hos gravide kvinder [63] .
Princippet om interaktion mellem antigener og antistoffer bruges af immundiagnostiske metoder såsom enzymimmunoassay , immunfluorescensanalyse , Western blot , immundiffusion , immunoelektroforese og magnetisk immunoassay . Mærkning af antistoffer med en radioaktiv isotop af fluor 18 F gør det muligt at bruge dem til visualisering af kræftsvulster ved hjælp af positronemissionstomografi [64] .
Monoklonale antistoffer bruges til at behandle leddegigt [65] , multipel sklerose [66] , psoriasis [67] og mange kræftformer, herunder non-Hodgkins lymfomer [68] , tyktarmskræft , hoved- og halskræft og brystkræft [69] .
Mange immundefekter, såsom Brutons sygdom og hypogammaglobulinæmi , er forbundet med et fuldstændigt eller delvist fravær af antistoffer [70] . Patienter, der lider af disse sygdomme, forsynes med passiv immunitet ved kunstig administration af antistoffer [71] .
Hos mennesker er et antigen kendt som Rh-faktoren (Rh) til stede på røde blodlegemer. Under fødslen eller komplikationer under graviditeten kan fosterets blod komme ind i moderens blodbane, og hvis barnet er Rh-positivt, og moderen er negativ, dannes der antistoffer mod Rh-faktoren i moderens krop. I efterfølgende graviditeter med et Rh-positivt foster kan de angribe det, hvilket fører til hæmolytisk gulsot hos den nyfødte [72] . For at forhindre forekomsten af Rh-konflikt injiceres Rh-negative kvinder, der er gravide med et Rh-positivt foster, kunstigt med antistoffer mod Rh-faktoren (Rh (D)-immunoglobulin ). Introduktionen af Rho(D)-immunoglobulin skal ske, før den føtale Rh-faktor aktiverer maternelle B-celler og udløser et adaptivt immunrespons og dannelsen af hukommelses -B-celler [73] .
Antistoffer, der er specifikke for et givet antigen, kan opnås ved at indføre et antigen i et pattedyr (mus, rotte , kanin , ged , får , hest ) og derefter isolere et stort antal antistoffer fra det. Blod isoleret fra et immuniseret dyr indeholder polyklonale antistoffer , dvs. flere forskellige antistoffer, der er specifikke for det samme antigen. Polyklonale antistoffer kan også opnås ved at injicere antigenet i æggeblommen på et hønseæg under udvikling [ 76] . For at opnå antistoffer, der genkender en strengt defineret epitop i sammensætningen af et antigen, isoleres plasmaceller, der udskiller antistoffer mod antigenet, fra dyret og udødeliggøres ved at fusionere dem med cancerceller . Celler opnået ved fusion af plasmaceller med kræftceller kaldes hybridomer , og de udskiller konstant de ønskede antistoffer og formerer sig i cellekultur. Fra enkelte hybridomer opnås identiske antistoffer, kaldet monoklonale [77] . Polyklonale og monoklonale antistoffer renses ofte ved hjælp af protein A/G eller affinitetskromatografi [78] .
Oprensede antistoffer har fundet mange anvendelser i forskningsprocessen. Antistoffer mod mange antigener kan købes fra kommercielle virksomheder. I forskning er antistoffer mest almindeligt anvendt til at lokalisere cellulære og ekstracellulære proteiner. De bruges også i flowcytometri til at adskille celler baseret på hvilke proteiner de udtrykker [79] . Antistoffer bruges til at adskille proteiner og deres associerede molekyler fra resten af cellelysatet ved immunpræcipitation [80] for at identificere proteiner adskilt ved gelelektroforese ved hjælp af Western blot [81] . Antistoffer danner grundlaget for immunfluorescens og immunhistokemi , som studerer ekspression og lokalisering af proteiner af interesse i celler og væv [79] [82] . Antistoffer kan bruges til at påvise og vurdere koncentrationen af proteiner, især ved hjælp af enzymimmunoassay og ELISpot-metoden [83] [84] .
På trods af adskillige anvendelser er det ret besværligt at arbejde med antistoffer, da resultatet af eksperimentet er påvirket af mange faktorer, der skal kontrolleres, især som påvirker graden af affinitet af antistoffet til antigenet pH , opløsningsmiddel, vævstilstand og andre. Der har været mange forsøg på at forbedre den måde, forskere validerer antistoffer på [85] [86] . Forskere, der arbejder med antistoffer, skal omhyggeligt registrere de eksperimentelle forhold, så de kan reproduceres af andre videnskabsmænd [87] .
Antistofmimetika er organiske forbindelser , der ligesom antistoffer specifikt kan binde antigener. Som regel er antistofmimetika kunstige peptider med en masse på 3 til 20 kDa. Nogle gange fungerer nukleinsyrer og små molekyler som antistofmimetika, men de kan ikke være kunstige antistoffer, antistoffragmenter eller deres kovalent forbundne kombinationer. I modsætning til antistoffer har deres mimetika generelt bedre opløselighed, bedre vævsgennemtrængning, større stabilitet over for temperatur og enzymer og er billigere end rigtige antistoffer. Nogle antistofmimetika, såsom Affimer og DARPin , er registreret til brug i forskning, terapeutiske og diagnostiske applikationer [88] .
Udtrykket "antistof" ( tysk: Antikörper ) optræder først i Paul Ehrlichs skrifter . Især udtrykket " Antikörper " kan findes i afslutningen af hans artikel "An Experimental Study of Immunity", som udkom i oktober 1891. Dette arbejde siger, at "hvis to stoffer forårsager frigivelse af to forskellige Antikörper, så er de også forskellige." Begrebet Antikörper fandt dog ikke fat i starten, og flere andre udtryk blev foreslået for antistoffer: Immunkörper, Amboceptor, Zwischenkörper, substans sensibilisatrice, copula, Desmon, philocytase, fixateur og Immunisin [89] .
Studiet af antistoffer begyndte i 1890, da Kitasato Shibasaburo og Emil Adolf von Behring beskrev virkningerne af antistoffer mod difteri og stivkrampetoksin [90] . Shibasaburo udviklede teorien om humoral immunitet og foreslog, at der er en vis mediator i blodserumet, som kan interagere med fremmede antigener [91] . Baseret på Sibasaburos ideer fremsatte Paul Ehrlich i 1897 teorien om sidekæder , og forklarede principperne for interaktionen mellem antistoffer og antigener. Han foreslog, at receptorer ("sidekæder") på celleoverfladen specifikt kan interagere med toksiner ifølge "nøglelås"-princippet, og interaktionen mellem receptoren og toksinet udløser produktionen af antistoffer [92] . Andre forskere har foreslået, at antistoffer bevæger sig frit gennem blodbanen. I 1904 foreslog Almroth Wright , at antistoffer dækker overfladen af bakterieceller og dirigerer dem til fagocytose og ødelæggelse; denne proces er nu kendt som opsonisering [93] .
I 1920'erne var Michael Heidelberg og Oswald Avery i stand til at observere, at antigener kan udfældes af antistoffer og viste, at antistoffer er proteinholdige [94] . Biokemiske træk ved interaktionen mellem antistoffer og antigener blev undersøgt i detaljer i slutningen af 1930'erne af John Marrak [95] . I 1937 blev immunglobuliner som en slags proteiner identificeret ved gelelektroforese i fraktionerne af γ- og β-globuliner af blodserum [90] . I 1940'erne bekræftede Linus Pauling Ehrlichs hypotese om lås-og-nøgle-interaktionen mellem antigener og antistoffer og viste, at interaktionen mellem et antistof og et antigen afhænger mere af antigenets rumlige konfiguration end af dets kemiske sammensætning [96] . I 1948 viste Astrid Fagreus, at antistoffer udskilles af plasmaceller, en type B-lymfocyt [97] .
Yderligere forskning var koncentreret om at studere strukturen af antistoffer. I begyndelsen af 1960'erne beskrev Gerald Edelman og Joseph Galli antistoffets lette kæde [98] og viste, at den lette kæde er Bence Jones-proteinet , som blev beskrevet af Henry Bence Jones i 1845 [99] . Senere viste Edelman, at antistoffer består af to tunge og to lette kæder holdt sammen af disulfidbindinger. Omkring samme tid beskrev Rodney Porter Fab- og Fc-regionerne i IgG-molekyler [100] . Sammen beskrev disse forskere strukturen og den komplette aminosyresekvens af IgG, som de blev tildelt Nobelprisen i fysiologi eller medicin for i 1972 [100] . Fv-fragmentet blev renset op og beskrevet af David Givol [101] . Tidlig antistofforskning fokuserede på IgG og IgM, og nye immunoglobulinisotyper blev identificeret i 1960'erne. Thomas Tomashi beskrev udskilte IgA-antistoffer [102] , David Rove og John Fey opdagede IgD [103] , og Kimishige Ishizaka og Teruko Ishizaka opdagede IgE og fandt ud af, at disse antistoffer er involveret i udviklingen af allergiske reaktioner [104 ] . I 1976 påbegyndte Suzumi Tonegawa en række eksperimenter, der viste, at generne, der koder for antistoffer, gennemgår omarrangementer, der skaber et stort udvalg af antistoffer [105] . I 1987 modtog Tonegawa Nobelprisen i fysiologi eller medicin for at opdage mekanismerne bag antistofdiversitet [106] .
I 1970'erne, som et resultat af at studere homogene tumorantigener, blev hybridomteknologi udviklet, takket være hvilken det blev muligt at opnå monoklonale antistoffer med en given specificitet [3] .
Ordbøger og encyklopædier | |
---|---|
I bibliografiske kataloger |
Antistoffer | |
---|---|
Vilkår | |
Antistof klasser |
Lymfocyt adaptivt immunsystem og komplement | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Lymfoid |
| ||||||||
Lymfocytter | |||||||||
Stoffer |