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672 17.5 VÍAS EXPERIMENTALES El papel del complejo mayor de histocompatibilidad CAPÍTULO 17 La respuesta inmune...

672 17.5 VÍAS EXPERIMENTALES El papel del complejo mayor de histocompatibilidad CAPÍTULO 17 La respuesta inmune en la presentación de antígenos En 1973, Hugh McDevitt y sus colegas de la Fundación Scripps alelo H—2k (p. ej., cepas CBA/H, AKR y C3H /HeJ de ratones), en La Jolla, California, y en la Universidad de Stanford, demos- las células L fueron efectivamente lisadas. Sin embargo, las cé- traron que la susceptibilidad de los ratones a un patógeno par- lulas del bazo tomadas de ratones portadores de alelos H—2b o ticular depende del alelo presente en uno de los loci1 del MHC. H—2d en este locus no pudieron lisar los fibroblastos infectados. Encontraron que el virus de la coriomeningitis linfocítica (LCMV) (El 51Cr liberado es aproximadamente el mismo cuando se usan causa una infección cerebral letal en ratones que son homoci- fibroblastos no infectados en la prueba, como se muestra en la gotos o heterocigotos para el alelo H—2q pero que no causa columna derecha de la tabla 1.) infecciones en ratones que son homocigotos para el alelo H—2k Fue esencial mostrar que los resultados no eran peculiares en este locus. de los ratones que portaban alelos H—2k. Para hacer esta deter- Estos hallazgos llevaron a Rolf Zinkernagel y Peter Doherty, minación, Zinkernagel y Doherty probaron células de bazo acti- de la Universidad Nacional de Australia, a examinar el papel de vadas por LCMV de ratones H—2b contra varios tipos de células los linfocitos T citotóxicos (CTL) en el desarrollo de esta enfer- infectadas. Una vez más, los CTL solo lisarían células infectadas medad. Zinkernagel y Doherty diseñaron experimentos para que tuviesen el mismo genotipo H—2, en este caso H—2b. Estos correlacionar el nivel de actividad de los CTL con la gravedad estudios proporcionaron la primera evidencia de que las molé- de la enfermedad en ratones que tienen diferentes genotipos culas del MHC en la superficie de una célula infectada restringen MHC (o haplotipos, como se les llama). La actividad de los linfoci- sus interacciones con las células T. Se dice que la función de las tos T citotóxicos fue monitoreada usando el siguiente protocolo células T está restringida por MHC. experimental. Las monocapas de fibroblastos (células L) de un Estos y otros experimentos durante la década de 1970 es- ratón se cultivaron y, posteriormente, se infectaron con el virus tablecieron preguntas acerca del papel de las proteínas MHC en LCM. Los fibroblastos infectados fueron sobrecargados con una la función de las células inmunes. Mientras tanto, otra línea de preparación de células del bazo de un ratón que había sido in- investigación se centraba en el mecanismo mediante el cual las fectado con el virus LCM 7 días antes. Esperar 7 días da tiempo células T eran estimuladas por antígenos particulares. Los estu- al sistema inmune del animal a generar CTL contra las células dios indicaron que las células T responden al antígeno que está infectadas por virus. Los CTL se concentran en el bazo del ani- unido a la superficie de otras células. Se supuso que el antígeno mal infectado. Para monitorear la efectividad del ataque por los que se muestra simplemente se había unido a la superficie de la CTL en las células L cultivadas, las células L se marcaron con un célula presentadora de antígeno (APC) del medio extracelular. A radioisótopo de cromo (51Cr), el cual se usa como marcador de la mediados de la década de 1970 y principios de 1980, los estudios viabilidad celular: mientras una célula permanezca viva, el radio- de Alan Rosenthal en los NIH, Emil Unanue en la Universidad isótopo permanece dentro de ella. Si una célula debe ser lisada de Harvard y otros demostraron que el APC debía internalizar durante el experimento con un CTL, el 51Cr se libera en el medio. el antígeno y someterlo a algún tipo de procesamiento antes de Zinkernagel y Doherty encontraron que el nivel de actividad que pudiera estimular la proliferación de células T. La mayoría de CTL contra los fibroblastos cultivados, medido por la liberación estos estudios se llevó a cabo en cultivos celulares utilizando cé- 51 de Cr, dependía de los genotipos relativos de los fibroblastos y lulas T activadas por macrófagos que habían estado expuestos las células del bazo (véase tabla 1).2 Todos los fibroblastos utiliza- previamente a bacterias, virus u otro material extraño. dos para obtener la información que se muestra en la tabla 1 se Una de las maneras de distinguir entre el antígeno que sim- tomaron de una cepa endogámica de ratones que eran homo- plemente se une a la superficie de un APC y un antígeno que cigotos para el alelo H—2k en el locus H—2. Cuando las células ha sido procesado por actividades metabólicas es comparar los del bazo fueron preparadas a partir de ratones que tenían un eventos que pueden ocurrir a bajas temperaturas (p. ej., 4 ºC) donde los procesos metabólicos se bloquean con aquellos que TABLA 1 Actividad citotóxica de las células del bazo de varias ocurren a temperaturas corporales normales. En uno de estos cepas de ratones inyectados 7 días antes con virus LCM para experimentos anteriores, los macrófagos se incubaron con antí- monocapas de células L de ratón infectado por LCM o normal geno durante una hora a 4 o 37 ºC y luego se analizaron para C3H (H—2k) determinar su capacidad de estimular las células T preparadas a % 51Cr liberado partir de los ganglios linfáticos.3 A concentraciones más bajas de antígeno, los macrófagos fueron casi 10 veces más efectivos para Exp Cepa de ratón Tipo H–2 Infectado Normal estimular las células T a 37 ºC que a 4 ºC, lo que sugiere que el 1 CBA/H K 65.1± 3.3 17.2±0.7 procesamiento de antígenos requiere actividades metabólicas. El Balb/C d 17.9± 0.9 17.2± 0.6 tratamiento de las células con azida de sodio, un inhibidor de la CB57B1 d 22.7±1.4 19.8±0.9 citocromo oxidasa, también inhibió la aparición del antígeno en CBA/H3×C57B1 k/b 56.1±0.5 16.7±0.3 la superficie de las células T, lo que indica que la presentación del CB57Bl×Balb/C k/d 24.8± 2.4 19.8±0.9 antígeno requiere energía metabólica.4 nu/+o+ /+ 42.8±2.0 21.9±0.7 Diversos experimentos llevados a cabo por Kirk Ziegler y nu/un 23.3±0.6 20.0±1.4 Emil Unanue proporcionaron evidencia de que el procesamiento 2 CBA/H k 85.5±3.1 20.9±1.2 se producía cuando los antígenos extracelulares eran introdu- AKR k 71.2±1.6 18.6±1.2 cidos al macrófago mediante endocitosis y se liberaban en el DBA/2 d 24.5± 1.2 21.7±1.7 compartimiento lisosómico de la célula.5 Un enfoque para deter- 3 CBA/H k 77.9±2.7 25.7±1.3 minar si los lisosomas están involucrados en un proceso particu- C3H/HeJ k 77.8±0.8 24.5±1.5 lar es tratar las células con sustancias como cloruro de amonio o cloroquina, que interrumpen la actividad de la enzima lisosomal. Reimpreso con permiso de R. M. Zinkernagel y P. C. Doherty; Nature 248: Ambos agentes aumentan el pH del compartimiento lisosomal 701, 1974; copyright 1974, Nature by Nature Publishing Group. Reproducido con el permiso de Nature Publishing Group en el formato de que inactiva las hidrolasas ácidas (véase Sección 8.15). La tabla 2 reutilización en un libro/libro de texto a través de Copyright Clearance muestra los efectos de estos tratamientos sobre el procesamien- Center. to y la presentación del antígeno derivado de la bacteria Listeria TABLA 2 Inhibición de la presentación de antígeno con NH4Cl y cloroquina 673 10 mM NH4Cl 0.1 mM Cloroquina Prueba Control (%) Observado (%) Inhibición (%) Observado (%) Inhibición (%) 17.5 Vías experimentales Captación de antígeno 15 ± 1 13 ± 2 13 15 ± 2 0 Ingestión de antígeno 66 ± 12 63 ± 2 5 67 ± 6 −2 Catabolismo de antígeno 29 ± 4 13 ± 3 55 14 ± 6 52 Unión de células T-macrófago antes de la manipulación del antígeno 70 ± 7 26 ± 8 63 30 ± 8 57 después de la manipulación del antígeno 84 ± 8 70 ± 11 17 60 ± 10 24 Fuente: H. K. Ziegler y E. R. Unanue, Proc. Nat’l. Acad. Sci. U.S.A. 79:176, 1982. monocytogenes. Se puede ver en la tabla que ninguna de estas tadas por virus. El primer retrato tridimensional de una molécula sustancias afecta la captación (endocitosis) del antígeno, pero de MHC se publicó en 1987 y se basó en estudios de cristalo- ambas sustancias inhiben marcadamente el procesamiento del grafía de rayos X de Don Wiley y sus colegas de la Universidad antígeno y su capacidad para estimular la unión de las células T de Harvard.9 Los eventos que conducen a este descubrimiento al macrófago. Estos datos fueron los primeros en sugerir que la se analizan en la referencia 10. Las moléculas MHC de clase I fragmentación de los antígenos extracelulares por las proteasas consisten en 1) una cadena pesada que contiene tres dominios lisosómicas puede ser un paso esencial en la preparación de extracelulares (α1, α2 y α3) y un segmento de membrana única y antígenos extracelulares antes de la presentación. 2) una invariante de β2m polipéptido (véase figura 17-23). Wiley y Otros estudios continuaron implicando a las moléculas del sus colegas examinaron la estructura de la porción extracelular MHC en la interacción entre APC y células T. En una serie de (soluble) de la molécula MHC (α1, α2, α3 y β2m) después de elimi- experimentos, Ziegler y Unanue trataron macrófagos con anti- nar el anclaje transmembrana. En la FIGURA 1a) se muestra un cuerpos dirigidos contra proteínas MHC codificadas por el lo- modelo de cinta de la estructura observada, con la parte externa cus H—2. Descubrieron que estos anticuerpos no tenían ningún (portadora de antígeno) de la proteína construida a partir de los efecto sobre la captación o el catabolismo del antígeno,6 pero dominios α1 y α2. Se puede ver desde la parte superior de este inhibían notablemente que los macrófagos interactuaran con las modelo de cinta que las superficies inteRNA de estos dominios células T.7 La inhibición de la unión de las células T a los macrófa- forman las paredes de una ranura profunda de aproximadamente gos se obtuvo incluso cuando los macrófagos fueron expuestos 25 Å de largo y 10 Å de ancho. Este surco actúa como sitio de a los anticuerpos antes de la adición del antígeno. unión de los péptidos producidos por el procesamiento del antí- Las evidencias de estos y muchos otros estudios indicaron geno en el citoplasma. Como se muestra en la figura 1b, los lados que la interacción entre una célula T y un macrófago dependía del bolsillo de unión al antígeno están revestidos por hélices de del reconocimiento de dos componentes en la superficie de la los dominios α1 y α2, y el fondo del bolsillo está cubierto por célula presentadora de antígeno: el fragmento de antígeno que una lámina β que se extiende desde estos mismos dominios a se muestra y una molécula de MHC. Pero no había una imagen través de la línea media. Se cree que las hélices forman paredes clara de cómo se relacionaban el fragmento de antígeno y la laterales relativamente flexibles que permiten a los péptidos de molécula de MHC. Se consideraron dos posibles modelos de re- secuencia diferente unirse dentro de la ranura. conocimiento de antígenos. Según un modelo, las células T po- Los estudios cristalográficos de rayos X posteriores descri- seen dos receptores distintos, uno para el antígeno y otro para la bieron la manera en que los péptidos se colocan dentro del bol- proteína MHC. De acuerdo con el otro modelo, un único receptor sillo de unión al antígeno del MHC. En uno de estos estudios, se de células T reconoce simultáneamente tanto la proteína MHC determinó la disposición espacial de varios péptidos procesados como al antígeno peptídico en la superficie de APC. El equilibrio naturalmente situados dentro del bolsillo de unión a antígeno de de la opinión comenzó a cambiar a favor del modelo de un solo una molécula única de MHC de clase I (HLAB-27).11 Las columnas receptor cuando la evidencia empezó a apuntar a una asocia- vertebrales de todos los péptidos unidos a HLA-B27 comparten ción física entre las proteínas MHC y los antígenos exhibidos. una única conformación que se extiende a lo largo de la hen- En un estudio, por ejemplo, se demostró que el antígeno que didura de unión. Los extremos N y C de los péptidos están po- había sido procesado por las células T podía aislarse como un sicionados con precisión por numerosos enlaces de hidrógeno complejo con proteínas MHC.8 En este experimento, las células T en ambos extremos de la hendidura. Los enlaces de hidróge- cultivadas tomadas de ratones H—2k se incubaron con antígeno no unen el péptido a una serie de residuos conservados en la marcado radiactivamente durante 40 minutos. Después del pe- molécula de MHC que integran tanto los lados como la parte riodo de incubación, se preparó el antígeno procesado a partir inferior de la ranura de unión. de las células y se pasó a través de una columna que contenía En otro estudio clave, Ian Wilson y sus colegas del Instituto perlas recubiertas con anticuerpos dirigidos contra las proteínas de Investigación Scripps en La Jolla, California, informaron so- MHC. Cuando las cuentas se recubrieron con anticuerpos contra bre la estructura cristalográfica de rayos X de una proteína MHC la proteína H—2k, una molécula de MHC presente en las células clase I de ratón complejizada con dos péptidos de diferente lon- T, se adhirieron grandes cantidades de antígeno radiactivo a las gitud.12,13 La estructura general de la proteína MHC de ratón es cuentas, lo que indica la asociación del antígeno procesado con similar a la de la proteína MHC humana mostrada en la figura la proteína MHC. En cambio, si las cuentas estaban recubiertas 1a. En ambos casos, los péptidos se unen en una conformación con anticuerpos contra la proteína H—2b, una proteína MHC sin extendida en el interior de la ranura de unión de la molécula presencia en las células T, quedaba relativamente poco antígeno MHC (véase FIGURA 2). Esta conformación extendida permite radiactivo en la columna. numerosas interacciones entre las cadenas laterales de la mo- Después de estos primeros experimentos, los investigado- lécula de MHC y la cadena principal del péptido unido. Dado res volvieron su atención a la estructura atómica de las moléculas que el MHC interactúa más con la cadena principal del pépti- involucradas en las interacciones de las células T, que se en- do que con sus cadenas laterales, existen muy pocas restriccio- cuentran en el núcleo de la respuesta inmune. En lugar de utilizar nes sobre los residuos de aminoácidos particulares que pueden moléculas MHC de clase II en la superficie de los macrófagos, los estar presentes en varios sitios del bolsillo de unión. Como re- estudios estructurales examinaron las moléculas MHC de clase I sultado, cada molécula de MHC puede unirse a una diversidad del tipo que se encuentra en las superficies de las células infec- de péptidos antigénicos. (continúa)  674 1 2 CAPÍTULO 17 La respuesta inmune N N C C ß2m N 3 a) b) FIGURA 1 a) Representación esquemática de una molécula de MHC de clase I, en este caso la proteína humana HLA-A2. La molécula consta de dos subunidades: una cadena pesada formada por tres dominios (α1, α2 y α3) y una cadena de β2m. La porción de la cadena pesada que abarca la mem- brana se conectaría con el polipéptido en el sitio marcado C (para el extremo C). Los enlaces disulfuro se indican como dos esferas conectadas. La ranura de unión al péptido se muestra en la parte superior del dibujo, entre los segmentos helicoidales α de los dominios α1 y α2 de la cadena pesa- da. b) Representación esquemática del bolsillo de unión a péptido de la proteína MHC como se ve desde la parte superior de la molécula. La parte inferior del bolsillo está forrada con una capa β (flechas naranja-violeta) y las paredes con hélices (verde). El dominio α1 se muestra en naranja y ver- de claro; el dominio α2 se muestra en morado y verde oscuro. FUENTE: Pamela J. Bjorkman et al, Nature 329: 508, 509, 1987, Fig. 2a, 2b; reimpreso con permiso de Macmillan Publishers Ltd. Un complejo MHC-péptido que se proyecta desde la su- hipervariables se denominan regiones determinantes de la com- perficie de una célula infectada es solo la mitad de la historia plementariedad, o CDR, porque determinan las propiedades de del reconocimiento inmunológico; la otra mitad está representa- unión del TCR. Las CDR del TCR interactúan con las hélices α de da por el receptor de células T (TCR) que se proyecta desde la superficie de la célula T citotóxica. Ha sido evidente durante más de una década que un TCR puede reconocer de algún modo tan- to un MHC como su péptido contenido, pero la manera en que esto ocurre eludió a los investigadores debido a las dificultades en la preparación de cristales de proteína del TCR que eran ade- cuados para cristalografía de rayos X. Estas dificultades finalmen- te se superaron, y en 1996, los informes de ambos laboratorios Wiley y Wilson proporcionaron una imagen tridimensional de la interacción entre un MHC-péptido y TCR.14,15 La estructura gene- ral del complejo formado entre las dos proteínas se muestra en la FIGURA 3, donde las columnas principales de los polipéptidos se representan como tubos. La estructura que se muestra en la figura 3 representa las porciones de las proteínas que se proyectan entre un CTL y una célula hospedera infectada por un virus. La mitad inferior de la imagen muestra la estructura y orientación de la molécula MHC de clase I con el antígeno peptídico extendido (amarillo-verde) incrustado en el bolsillo de unión de la proteína. La mitad supe- a) b) rior de la imagen muestra la estructura y orientación del TCR. Como se indica en la figura 17-20b, un TCR consta de cadenas FIGURA 2 Modelos tridimensionales de un péptido (que se muestra en de polipéptidos α y β, cada cadena comprende una porción va- la estructura de esfera y bastón) unidos dentro del bolsillo de unión a antígeno de una proteína MHC de clase I de ratón (H¬2Kb). El péptido riable (V) y constante (C). Al igual que las inmunoglobulinas (véa- en a) consta de ocho residuos de aminoácidos; el péptido en b) está se figura 17-15), la porción variable de cada subunidad de TCR compuesto de nueve residuos. Se observa que los péptidos están ente- contiene regiones que son excepcionalmente variables (es decir, rrados profundamente dentro de la ranura de unión de la molécula hipervariables). Las regiones hipervariables forman bucles protu- MHC. berantes (véanse en la figura 3 los segmentos coloreados de los FUENTE: De Masazumi Matsumura, Daved H. Fremont, Per A. Peterson e dos polipéptidos de TCR) que se ajustan cómodamente sobre Ian A. Wilson, Science 257:932, 1992. © 1992. Reproducido con permiso el extremo externo del complejo de MHC-péptido. Las regiones de AAAS.  estudios recientes de estructuras adicionales de TCR-péptido- 675 MHC se puede encontrar en las referencias 17-19). Referencias 17.6 Linfocitos T: activación y mecanismo de acción Cβ Cα 1. Oldstone, M. B. A., et al. 1973. Histocompatibility-linked gene- tic control of disease susceptibility. J. Exp. Medicina. 137: 1201- 1212. 2. Zinkernagel, R. M. & Doherty, P. C. 1974. Restriction of in vitro T cell mediated cytotoxicity in lymphocytic choriomeningitis within a syngeneic or semiallogeneic system. Nature 248: 701- 702. 3. Waldron, J. A., et al. 1974. Antigen-induced proliferation of gui- nea pig lymphocytes in vitro: Functional aspects of antigen Vα Vβ handling by macrophages. J. Immunol. 112:746-755. 4. Wekerle, H., et al. 1972. Fractionation of antigen reactive cells on a cellular immunoadsorbant. Proc. Nat’l. Acad. Sci. U.S.A. 69:1620-1624. 5. Ziegler, K. & Unanue, E. R. 1982. Decrease in macrophage anti- gen catabolism caused by ammonia and chloroquine is asso- ciated with inhibition of antigen presentation to T cells. Proc. Nat’l. Acad. Sci. U.S.A. 79: 175-178. P8 6. Ziegler, K. y Unanue, E. R. 1981. Identification of a macrophage P1 α1 antigen-processing event required for I-region-restricted anti- gen presentation to T lymphocytes. J. Immunol. 127:1869-1875. α2 7. Ziegler, K. y Unanue, E. R. 1979. The specific binding of Listeria monocytogenes-immune T lymphocytes to macrophages. I. Quantitation and role of H-2 gene products. J. Exp. Medicina. 150:1142-1160. 8. Puri, J. y Lonai, P. 1980. Mechanism of antigen binding by T cells H-2 (I-A)-restricted binding of antigen plus Ia by helper β 2m cells. EUR. J. Immunol. 10:273-281. 9. Bjorkman, P.J., et al. 1987. Structure of the human class I histo- compatibility antigen, HLA-A2. Nature 329:506-512. 10. Bjorkman, P. J. 2006. Finding the groove. Nature Immunol. 7: α3 787-789. 11. Madden, D.R., et al. 1992. The three-dimensional structure of HLAB27 at 2.1 Å resolution suggests a general mechanism for tight peptide binding to MHC. Cell 70: 1035-1048. 12. Fremont, D. H., et al. 1992. Crystal structures of two viral pepti- des in complex with murine MHC class I H-2Kb. Science 257: FIGURA 3 Representación de la interacción entre un complejo MHC- 919-927. péptido (en la parte inferior) y un TCR (en la parte superior). Las regio- 13. Matsumura, M., et al. 1992. Emerging principles for the recog- nes hipervariables (CDR) del TCR se muestran como bucles de color nition of peptide antigens by MHC class I molecules. Science que forman la interfase entre las dos proteínas. El péptido unido (P1-P8) 257:927-934. se muestra en amarillo verdoso ya que está situado dentro de la ranura 14. Garcia, K. C., et al. 1996. An αβ T cell receptor structure at 2.5 de unión de la molécula MHC de clase I. Las cadenas principales peptí- Å and its orientation in the TCR-MHC complex. Science 274: dicas se representan como tubos. 209-219. FUENTE: K. Christopher Garcia et al., Cortesía de Ian Wilson, Science 15. Garboczi, D. N., et al. 1996. Structure of the complex between 274: 217, 1996, Fig. 9d, © 1996. Reimpreso con permiso de AAAS. human T-cell receptor, viral peptide and HLA-A2. Nature 384: 134-140. los dominios α1 y α2 del MHC, así como los residuos expuestos 16. Wilson, I. A. 1999. Class-conscious TCR? Science 286:1867- del péptido unido. Las CDR centrales del TCR, que exhiben la 1868. mayor variabilidad de secuencia, interactúan de forma reiterada 17. Marrack, P., et al. 2008. Evolutionarily conserved amino acids con el péptido unido situado centralmente, mientras que las CDR that control TCR-MHC interaction. Annu. Rev. Immunol. 26: 171- exteRNA, que tienen una secuencia menos variable, interactúan 203. más estrechamente con las hélices α del MHC.16 Debido a es- 18. Archbold, J. K., et al. 2008. T-cell allorecognition. Trends tas interacciones, el TCR cumple sus dos “responsabilidades” de Immunol. 29:220-226. reconocimiento: reconoce el péptido unido como un antígeno 19. Garcia, K. C., et al. 2009. The molecular basis of TCR germline extraño y el MHC como una proteína propia. (La información de bias for MHC is surprisingly simple. Nature Immunol. 10:143-147. te interactuar específicamente con un antígeno particular. Al 17.6%Linfocitos T: activación igual que las moléculas de anticuerpos que sirven como recepto- y mecanismo de acción res de células B, las proteínas que funcionan como receptores de células T existen como una gran población de moléculas con si- Al igual que las otras células, las células T también están sujetas tios de combinación diferentes. Del mismo modo que cada célula a un proceso de selección clonal. Estas poseen una proteína de B produce solo una especie de anticuerpo, cada célula T tiene una superficie celular, llamada receptor de células T, que les permi- sola especie de receptor. Se estima que los humanos adultos po-  12 676 seen aproximadamente 10 células T que, colectivamente, pre- taje diminuto cuyos receptores de células T pueden unirse espe- 7 sentan más de 10 receptores de antígenos distintos. cíficamente con el antígeno extraño procesado, que activa la cé- Las células T se activan mediante fragmentos de antígenos lula T. Este proceso dinámico de las interacciones de las DC-T se que se muestran en las superficies de otras células, llamadas cé- ha visualizado recientemente en los tejidos de los ganglios linfá- CAPÍTULO 17 La respuesta inmune lulas presentadoras de antígenos (APC). Considere lo que su- ticos vivos mediante imágenes microscópicas de las células mar- cedería si una célula hepática o renal se infectara con un virus. La cadas fluorescentemente (véase FIGURA 17-11). En ausencia de célula infectada mostraría partes de las proteínas virales en su antígeno, una DC determinada puede interactuar transitoriamen- superficie (véase figura 17-24), permitiendo que la célula infecta- te con hasta 500 a 5 000 células T diferentes, permaneciendo en da se una a una célula T con el receptor apropiado (análogo). contacto con cada célula durante solo unos minutos (como en la Como resultado de esta presentación, el sistema inmune se alerta figura 17-11). Por el contrario, cuando la DC muestra un antígeno ante la entrada de un patógeno específico. El proceso de presen- que es específicamente reconocido por el TCR de la célula T, la tación del antígeno se analiza más adelante en el capítulo (véase interacción entre las células dura un periodo de horas, lo que Sección 17-11) y también es el tema de Vías experimentales. lleva a la activación de la célula T, como lo demuestra un incre- 2+ Cualquier célula infectada puede servir como una APC para mento transitorio de la concentración de Ca citosólico. activar las células T, al igual que hay ciertos tipos de APC “profe- Una vez activada, una célula T prolifera para formar clonas de sionales” especializados para esta función. Las APC profesionales células T que tienen el mismo receptor de células T. Se estima que incluyen células dendríticas y macrófagos (véase FIGURA 17-10). una sola célula T activada puede dividirse de tres a cuatro veces Nos enfocaremos en las células dendríticas (DC), que fueron por día durante varios días, generando una tremenda población descubiertas y caracterizadas por Ralph Steinman de la Univer- de células T capaces de interactuar con el antígeno extraño. La sidad Rockefeller a principios de la década de 1970 y que a menu- proliferación masiva de linfocitos T específicos en respuesta a una do se describen como las “centinelas” del sistema inmunitario. Las infección a menudo se refleja en la ampliación de los ganglios células dendríticas se han ganado este título debido a que “vigilan” linfáticos locales. Una vez que se ha eliminado el antígeno extra- los tejidos periféricos del cuerpo donde es probable que entren los ño, la gran mayoría de la población de células T expandida muere patógenos (como la piel y las vías respiratorias). Las DC están por apoptosis, dejando atrás una población relativamente peque- equipadas con una amplia variedad de receptores capaces de reco- ña de células T de memoria capaces de responder de forma rápi- nocer virtualmente todo tipo de patógeno. Esta propiedad hace da en caso de contacto futuro con el mismo patógeno. que las DC sean un componente principal del sistema inmune A diferencia de las células B, que secretan anticuerpos, las innato (véase página 663). Como se analiza en los siguientes pá- células T realizan su función asignada a través de interacciones rrafos, las DC utilizan la información sobre los patógenos que in- directas con otras células, incluidas las células B, otras células T o gieren para iniciar una respuesta de las células apropiadas del células diana localizadas en todo el cuerpo. Esta interacción célu- sistema inmune adaptativo. la-célula puede conducir a la activación, inactivación o muerte de Cuando están presentes en los tejidos periféricos del cuerpo, una de estas. Además del contacto celular directo, muchas inte- las DC inmaduras reconocen e ingieren microbios y otros mate- racciones de células T están mediadas por mensajeros químicos riales extraños por fagocitosis. Una vez que un microbio es inter- altamente activos, llamados citocinas, que funcionan en concen- nalizado por una célula dendrítica, debe ser procesado antes de traciones muy bajas. Las citocinas son pequeñas proteínas secre- que sus componentes puedan ser presentados a otra célula. El tadas por una amplia variedad de células e incluyen interferones procesamiento del antígeno requiere que el material ingerido se (IFN), interleucinas (IL) y factores de necrosis tumoral (TNF). Las fragmente enzimáticamente en el citoplasma y los fragmentos citocinas se unen a receptores específicos en la superficie de una movidos a la superficie de la célula (véase figura 17-23). Las DC célula que responde generando una señal interna que altera su que tienen antígeno procesado migran a los ganglios linfáticos actividad. Al responder a una citocina, una célula puede prepa- cercanos donde se diferencian en células maduras presentadoras rarse para dividirse, experimentar diferenciación o secretar sus de antígeno. Una vez en un ganglio linfático, las DC entran en propias citocinas. Una familia de citocinas pequeñas, llamadas contacto con una gran cantidad de células T, incluido un porcen- quimiocinas, actúa de manera principal como quimioatrayentes a) b) FIGURA 17-10 Células presentadoras de antígeno (APC) profesionales. a) Micrografía electrónica de barrido coloreada de una célula de Kupffer (un tipo de macrófago) a medida que penetra en las aberturas del endotelio que recubre los vasos sinusoidales del hígado. Estas células son capaces de ingerir glóbulos rojos envejecidos y patógenos y acumularse en sitios de infección o lesión. b) SEM coloreado de una célula dendrítica. Estas células de forma irregular, que se caracterizan por largas proyecciones citoplasmáticas (o dendríticos), se concentran en los tejidos que recubren las superficies del cuerpo con el entorno externo. FUENTE: a) Cortesía de Thomas Deerinck, NCMIR, Universidad de California, San Diego; b) David Scharf/Photo Researchers, Inc.  677 FIGURA 17-11 Imágenes en vivo de DC y células T, y sus interacciones, dentro de un ganglio linfático. Las células T viajan de gan- glio linfático en ganglio linfático dentro del 17.6 Linfocitos T: activación y mecanismo de acción cuerpo. Cuando ingresan a un nodo linfático, migran dentro del tejido a medida que su su- perficie es barrida por DC individuales con las que entran en contacto. a) Varias células T marcadas fluorescentemente (teñidas de a) verde, tres de las cuales están indicadas por números etiquetados) se ven moviéndose dentro de un ganglio linfático y entrando en contacto con una DC individual (teñida de ro- jo e indicada por el asterisco) durante un pe- riodo de 2.5 minutos. b) La trayectoria toma- da por cada una de las tres células T numeradas y la DC marcada con asterisco mostrada en la parte a. c) Contactos dentro de un ganglio linfático entre una sola DC (verde) y varias células T (naranja) represen- tadas en tres dimensiones. Los contactos en- tre las células son dinámicos y cambian rápi- damente de tamaño durante un periodo de decenas de segundos. FUENTE: a, b) De Philippe Bousso y Ellen Robey, Nature Immunol. 4:581, 2003. Reimpreso con permiso de Macmillan Publishers Ltd.; c) De Mark J. Miller et al., Cortesía de Michael D. Cahalan, Proc. Nat’l. Acad. Sci. U.S.A. 101:1002, 2004 © 2004, National Academy of Sciences, U.S.A. b) c) que estimulan la migración de los linfocitos al tejido inflamado. brana. Las granzimas son enzimas proteolíticas que entran en Diferentes tipos de linfocitos y fagocitos poseen receptores para los canales de perforina y activan las caspasas, que son las distintas quimiocinas, por lo que sus patrones de migración pue- enzimas proteolíticas que inician la respuesta apoptótica (véa- den controlarse por separado. Una lista de algunas de las citoci- se Sección 15.17). En la vía alternativa, el CTL se une a un nas mejor estudiadas se incluye en la tabla 17-1. receptor en la superficie celular blanco, activando una vía sui- Tres subclases principales de células T se pueden distinguir cida en la célula blanco similar a la observada en la figura por las proteínas en sus superficies y sus funciones biológicas. 15-39. Al matar las células infectadas, los CTL eliminan los virus, las bacterias, las levaduras, los protozoos y los parásitos 1. Los linfocitos T citotóxicos (CTL) examinan las células del después de que han llegado a las células del huésped y ya no cuerpo en busca de anomalías. En circunstancias normales, son accesibles a los anticuerpos circulantes. Los CTL poseen los CTL no dañan las células sanas, pero las células envejeci- una proteína de superficie llamada CD8 (denominación de + das o infectadas, y posiblemente algunas células malignas, grupo 8) y son referidas a las células CD8. son atacadas y asesinadas. Los CTL matan las células diana 2. Los linfocitos T cooperadores (células TH) activan otras célu- induciéndolas a sufrir apoptosis. Se han descrito dos vías dis- las inmunes en un ataque orquestado contra un patógeno es- tintas de destrucción de células. En una vía, el CTL libera per- pecífico. Se distinguen de los CTL por la presencia de la pro- 1 forinas y granzimas en un espacio cerrado entre las células. teína CD4 en su superficie en lugar de CD8. Las células TH Las perforinas son proteínas que se ensamblan dentro de la son activadas por células presentadoras de antígenos profe- membrana de la célula diana para formar canales transmem- sionales, tales como células dendríticas y macrófagos, como se muestra en la figura 17-12. Este es uno de los primeros y más TABLA 17-1 Citocinas seleccionadas importantes pasos para iniciar una respuesta inmune adapta- tiva. Casi todas las células B requieren la ayuda de células TH Citocina Fuente Funciones principales antes de que puedan madurar y diferenciarse en células plas- IL-1 Diverso Induce la inflamación, estimula la prolife- máticas secretoras de anticuerpos. Las células B se activan por ración de las células TH interacción directa con una célula TH que es específica para el IL-2 Células TH Estimula la proliferación de las células T mismo antígeno, como se muestra en la FIGURA 17-12 (y con y las células B IL-4 Células T Induce el cambio de clase IgM a IgG en 1 Existen tres subpoblaciones principales de células T cooperadoras, células las células B, suprime la acción infla- TH1, TH2 y TH17, que pueden distinguirse por las citocinas que secretan. matoria de las citocinas Todas estas células T cooperadoras estimulan las células B para producir anti- IL-5 Células TH Estimula la diferenciación de las células B cuerpos, pero cada una tiene una función única. Las células TH1 producen IL-10 Células T, ma- Inhibe la función de los macrófagos, su- IFN-γ, que protege al cuerpo activando los macrófagos para matar los patóge- crófagos prime la acción de las citocinas infla- nos intracelulares que puedan albergar (véase Sección 9.15). Las células TH2 matorias producen IL-4, que moviliza mastocitos, basófilos y eosinófilos para proteger IFN-γ Células TH, Induce la expresión de MHC en APC, ac- contra los patógenos extracelulares, especialmente los gusanos parásitos. Las CTL tiva las células NK células TH17 producen IL-17, que se cree estimula las células epiteliales para reclutar fagocitos y así prevenir la entrada de bacterias y hongos extracelula- TNF-α Diversa Induce inflamación, activa la producción res en el cuerpo. Las células TH17 también están implicadas en el desarrollo de NO en macrófagos de enfermedades autoinmunes. Los tres subtipos de células TH se diferencian GM-CSF Células TH, Estimula el crecimiento y la proliferación de un precursor común después de la estimulación por diferentes citocinas y CTL de granulocitos y macrófagos se definen por la presencia de diferentes factores de transcripción “maestros” (véase Sección 12.11).  678 más detalle en la figura 17-26). Por tanto, la formación de an- pias células del cuerpo. Las TReg también parecen proteger a ticuerpos requiere la activación tanto de células T como de un feto del ataque inmunológico de la madre embarazada. Por células B capaces de interactuar específicamente con el mis- otro lado, estas mismas células pueden ser perjudiciales para mo antígeno. La importancia de las células TH se hace eviden- nuestra salud al evitar que el sistema inmune libere al cuerpo CAPÍTULO 17 La respuesta inmune te cuando se consideran los efectos devastadores provocados de las células tumorales. La diferenciación de las células TReg por el VIH, el virus que causa el sida. Las células TH son los requiere estimulación por la citocina IL-2 y conduce a la ex- principales blancos de este virus. La mayoría de las personas presión por las células de un factor clave de transcripción, infectadas por el mismo permanecen libres de síntomas, FOXP3. Las mutaciones en el gen FOXP3 provocan una enfer- siempre y cuando su recuento de células TH permanezca rela- medad mortal (IPEX), que se caracteriza por una autoinmuni- tivamente alto, por encima de 500 células/µL de sangre (el dad grave en niños recién nacidos. Se sospecha ampliamente recuento normal es superior a 1 000 células/µL). Una vez que que los defectos en las células TReg desempeñan un papel cla- el recuento desciende a menos de 200 células/µL, una perso- ve en el desarrollo de la mayoría de las enfermedades autoin- na desarrolla sida en toda regla y se vuelve propensa al ataque munes. Los estudios de este tipo de célula han proporcionado de patógenos virales y celulares. una demostración directa de que la homeostasis en el sistema 3. Los linfocitos T reguladores (células TReg) son principalmente inmune requiere un estrecho equilibrio entre las influencias células inhibidoras que suprimen la proliferación y las activi- estimuladoras e inhibitorias. dades de varios tipos de células inmunes. Casi todas las acti- vidades supresoras de las células TReg se han estudiado in vi- REPASO tro, por lo cual no queda claro cómo funcionan en el cuerpo. 1. ¿Cómo revela una célula infectada en el cuerpo su condición Las células TReg se caracterizan por la posesión de marcadores a una célula T? ¿Cuál es la respuesta de la célula T? + + de superficie CD4 CD25 y se cree que desempeñan un papel 2. ¿Qué es un APC? ¿Qué tipos de células pueden actuar como importante en la limitación de la inflamación y el manteni- APC? miento de la auto-tolerancia inmunológica. Las células TReg 3. Compare y contraste las propiedades y funciones de una cé- realizan esta última actividad mediante la supresión de los lula TH y una CTL. Una célula TH y una célula TReg. CTL que llevan a los receptores autorreactivos a atacar las pro- Antígeno 17.7%La estructura modular de los + Antígeno procesado Receptor de célula T (TCR) anticuerpos dentro de macrófagos Los anticuerpos son proteínas producidas por las células B y sus y porciones descendientes (células plasmáticas). Las células B incorporan mo- mostradas en la léculas de anticuerpos en su membrana plasmática, donde sirven superficie celular Macrófago Célula T como receptores de antígenos, mientras que las células plasmáti- (o célula dendrítica) Macrófago cooperadora cas secretan estas proteínas en la sangre u otros fluidos corpora- 2 1 les, donde sirven como un arsenal molecular en la guerra del cuer- Receptor de antígeno (anticuerpo po en contra los patógenos invasores. La interacción entre los unido a la membrana) anticuerpos formados en la sangre y las moléculas en la superficie Citocinas de un virus o célula bacteriana puede neutralizar la capacidad del p.ej., IL-4, IL-5 patógeno de infectar una célula hospedera y facilitar la ingestión y e IL-6 destrucción del patógeno por parte de los fagocitos errantes. El sistema inmune produce millones de moléculas de anticuerpos Proliferación de diferentes que, en conjunto, pueden unirse a cualquier tipo de células B activadas sustancia extraña a la que el cuerpo pueda estar expuesto. Aunque el sistema inmunitario muestra una gran diversidad a través de los Célula B Célula anticuerpos que produce, una sola molécula de anticuerpo puede 3 cooperadora interactuar con una o pocas estructuras antigénicas estrechamente T activada relacionadas. 4 Los anticuerpos son proteínas globulares llamadas inmunoglo- bulinas. Las inmunoglobulinas están compuestas de dos tipos de Células plasmáticas cadenas de polipéptidos, cadenas pesadas más grandes (masa secretoras molecular de 50 000 a 70 000 daltones) y cadenas ligeras más 5 pequeñas (masa molecular de 23 000 daltones). Los dos tipos de cadenas están vinculados entre sí en pares por enlaces disulfuro. Cinco clases diferentes de inmunoglobulinas (IgA, IgD, IgE, IgG e FIGURA 17-12 Dibujo esquemático altamente simplificado que muestra IgM) han sido identificadas. Las diferentes inmunoglobulinas el papel de las células TH en la formación de anticuerpos. En la etapa 1, aparecen en distintos momentos después de la exposición a una el macrófago interactúa con el antígeno complejo. El antígeno se introdu- sustancia extraña y tienen diferentes funciones biológicas (véase ce en el macrófago y se divide en fragmentos, que se muestran en la su- perficie de la célula. En la etapa 2, el macrófago interactúa con una célula tabla 17-2). Las moléculas de IgM son los primeros anticuerpos TH cuyo TCR está unido a uno de los fragmentos de antígeno mostrados secretados por las células B después de la estimulación por un (la proteína de membrana verde es una molécula de MHC, Sección 17.5). antígeno, que aparecen en la sangre después de un retraso de Esta interacción activa la célula T. En la etapa 3, la célula TH activada inter- unos pocos días (véase FIGURA 17-13). Las moléculas de IgM tie- actúa con una célula B cuyo receptor de antígeno está unido a un antíge- nen una vida media relativamente corta (un promedio de 5 días) no soluble intacto. La activación de las células B es estimulada por las ci- y su aparición es seguida por la secreción de IgG de vida media tocinas (p. ej., IL-4, IL-5 e IL-6) liberadas por la célula TH en el espacio que la separa de la célula B adyacente. La interacción con la célula TH activa la larga y/o moléculas de IgE. Las moléculas de IgG son los anticuer- célula B, haciendo que prolifere (etapa 4). La progenie de la célula B acti- pos predominantes en la sangre y la linfa durante una respuesta vada se diferencia en células plasmáticas que sintetizan anticuerpos que secundaria a la mayoría de los antígenos (véase figura 17-13). Las pueden unirse al antígeno (etapa 5). moléculas de IgE se producen a altos niveles en respuesta a mu- TABLA 17-2 Clases de inmunoglobulina humana 104 Respuesta Respuesta 679 Nivel de anticuerpo en la sangre primaria secundaria Cadena Cadena Masa mo- 3 Clases pesada ligera lecular (kDa) Propiedades 10 2 17.7 La estructura modular de los anticuerpos IgA α κoλ 360-720 Presente en lágrimas, 10 moco nasal, leche ma- terna, secreciones in- 101 lgM lgG testinales IgD δ κoλ 160 Presente en las membra- 100 nas plasmáticas de cé- lulas B; función incierta 0 IgE ∈ κoλ 190 Se une a los mastocitos, 1 2 3 1 2 liberando histamina Tiempo (semanas) responsable de las re- acciones alérgicas Estímulo inicial Estímulo secundario IgG γ κoλ 150 Anticuerpos solubles na- con antígeno con el mismo antígeno cidos en sangre prima- FIGURA 17-13 Respuestas primarias y secundarias de anticuerpos. Una ria, cruza la placenta respuesta primaria, que es provocada por una exposición inicial a un antí- IgM μ κoλ 950 Presente en membranas geno, esto conlleva primero a la producción de moléculas de anticuerpos plasmáticas de células IgM solubles, seguido de la producción de moléculas de anticuerpos IgG B; media la respuesta solubles. Cuando el antígeno se reintroduce en un momento posterior, se inmune inicial; activa inicia una respuesta secundaria. En contraste con la respuesta primaria, la complemento de exter- respuesta secundaria comienza con la producción de moléculas IgG (así minio de bacterias como IgM), lo que conduce a un nivel de anticuerpos mucho más alto en la sangre y se produce casi sin demora. chas infecciones parasitarias. Las moléculas de IgE también se car cantidades sustanciales de varios anticuerpos de varios pa- unen con alta afinidad a la superficie de los mastocitos, lo que cientes y comparar sus secuencias de aminoácidos. Pronto se re- desencadena la liberación de histamina, que causa inflamación y veló un patrón importante. Se encontró que la mitad de cada síntomas de alergia. La IgA es el anticuerpo predominante en las cadena ligera kappa tiene una secuencia constante de aminoáci- secreciones de los tractos respiratorio, digestivo y urogenital y dos entre todas las cadenas kappa, mientras que la otra mitad actúa para proteger estos revestimientos de la mucosa de los pa- varía de paciente a paciente. Una comparación similar de las se- tógenos. La función de IgD no ha sido esclarecida. cuencias de aminoácidos de varias cadenas lambda de diferentes Hay dos tipos de cadenas ligeras, cadenas kappa (κ) y cadenas pacientes reveló que también consisten en una sección de secuen- lambda ((), ambas presentes en las cinco clases de inmunoglobu- cia constante y una sección cuya secuencia varía de una inmuno- linas. En contraste, cada clase de inmunoglobulina tiene una ca- globulina a la siguiente. Las cadenas pesadas de IgG purificadas 2 dena pesada única que define esa clase (véase tabla 17-2). Nos también contienen una porción variable (V) y una constante (C). enfocaremos principalmente en la estructura de las IgG. Una mo- En la figura 17-14b) se muestra una estructura esquemática de lécula de IgG está compuesta de dos cadenas ligeras idénticas y una de estas moléculas de IgG. dos cadenas pesadas idénticas dispuestas para formar una molé- Se descubrió además que, mientras que aproximadamente la cula en forma de Y, como se muestra en la FIGURA 17-14a) y se mitad de cada cadena ligera consta de una región variable (VL), describe a continuación. solo un cuarto de cada cadena pesada es variable (VH) entre dife- Para determinar la base de la especificidad del anticuerpo, rentes pacientes; los tres cuartos restantes de la cadena pesada primero fue necesario determinar la secuencia de aminoácidos de (CH) son constantes para todas las IgG. La porción constante de varios anticuerpos específicos. Normalmente, el primer paso en la la cadena pesada se puede dividir en tres secciones de aproxima- secuenciación de aminoácidos es purificar la proteína particular damente la misma longitud que son claramente homólogas entre que se va a estudiar. Sin embargo, en condiciones normales, es sí. Estas unidades homólogas de Ig se designan CH1, CH2 y CH3 en imposible obtener una preparación purificada de un anticuerpo la figura 17-14b). Parece que las tres secciones de la parte C de la específico de la sangre porque cada persona produce una gran cadena pesada de IgG (así como las de las cadenas pesadas de las cantidad de moléculas de anticuerpos diferentes que son de es- otras clases de Ig y las porciones C de las cadenas ligeras kappa y tructura demasiado similar para separarse una de la otra. El pro- lambda) surgieron durante la evolución por la duplicación de un blema se resolvió cuando se descubrió que la sangre de pacientes gen ancestral que codifica para una unidad de Ig de aproximada- que padecían un tipo de cáncer linfoide llamado mieloma múltiple mente 110 aminoácidos. También se cree que las regiones varia- contenía grandes cantidades de molécula de anticuerpo única. bles (VH o VL) han surgido de la evolución de la misma unidad de Como se describe en el capítulo 16, el cáncer es una enferme- Ig ancestral. El análisis estructural indica que cada una de las dad monoclonal; es decir, las células de un tumor surgen de la unidades de Ig homólogas de una cadena ligera o pesada se pliega proliferación de una sola célula errática. Debido a que un solo independientemente para formar un dominio compacto que se linfocito normalmente produce una sola especie de anticuerpo, un mantiene unido mediante un enlace disulfuro (véase figura 17- paciente con mieloma múltiple produce grandes cantidades del 15). En una molécula de IgG intacta, cada dominio de cadena li- anticuerpo específico que es sintetizado por la célula particular gera se asocia con un dominio de cadena pesada como se muestra que se volvió maligna. Un paciente produce una especie de anti- en la figura 17-14a, b). El análisis genético indica que cada domi- cuerpo muy abundante y otros pacientes producen diferentes nio está codificado por su propio exón. anticuerpos. Como resultado, los investigadores pudieron purifi- La especificidad de un anticuerpo está determinada por los aminoácidos de los sitios de combinación de antígeno en los ex- 2 Los humanos actualmente producen cuatro cadenas pesadas relacionadas tremos de cada brazo de la molécula de anticuerpo en forma de como parte de sus moléculas IgG (formando IgG1, IgG2, IgG3 e IgG4) y dos Y (véase figura 17-14). Los dos sitios de combinación de una sola cadenas pesadas relacionadas como parte de sus moléculas IgA (formando molécula de IgG son idénticos, y cada uno se forma por la asocia- IgA1 e IgA2)(véase figura 17.19). Estas diferencias no serán mencionadas en ción de la porción variable de una cadena ligera con la parte va- el siguiente análisis. riable de una cadena pesada (véase figura 17-14). El ensamblaje  680 Fragmentos Fab VL VL Cadena VH pesada S S Cadena S CAPÍTULO 17 La respuesta inmune CH1 S ligera S S S S S S S S VL S S S S S S S S S S VH CL VH Región de la bisagra S S S S CH2 Fragmento Fc CH3 S S S S a) b) FIGURA 17-14 Estructura del anticuerpo. a) Modelo de relleno espacial de una molécula de IgG. La molécula contiene cuatro cadenas polipeptídicas: dos cadenas ligeras idénticas y dos cadenas pesadas idénticas. Una de las cadenas pesadas se muestra en naranja, la otra en rosa, mientras que ambas cadenas ligeras se muestran en amarillo. Los dominios de cada cadena (dos para la cadena ligera y cuatro para la cadena pesada) son evidentes. b) Modelo esquemático que muestra la estructura de dominio de una molécula de IgG. La estructura terciaria de cada dominio Ig se mantiene mediante un enlace disulfuro. Los dominios que comprenden una región constante de la cadena polipeptídica se indican mediante la letra C; los dominios que com- prenden una región variable se indican mediante la letra V. Cada cadena pesada contiene tres regiones CH (CH1, CH2, CH3) y una región VH en el extremo N-terminal del polipéptido. Cada cadena ligera contiene una región CL y una región VL en su extremo N-terminal. Las regiones variables de cada cadena ligera y pesada forman un sitio de combinación de antígeno. Cada molécula de IgG en forma de Y contiene dos sitios idénticos de combinación de antí- genos. Cada molécula de IgG puede fragmentarse mediante un tratamiento proteolítico suave en dos fragmentos Fab que contienen los sitios de unión al antígeno y un fragmento de Fc, como se indica. FUENTE: a) Cortesía de David Goodsell/RSCB PDB, 2001. de anticuerpos de diferentes combinaciones de cadenas ligeras y anticuerpos (IgA, IgD, IgE, IgG e IgM) tienen distintas cadenas pesadas permite a una persona producir una tremenda variedad pesadas, cuyas regiones constantes difieren considerablemente en de anticuerpos a partir de un número modesto de diferentes po- longitud y secuencia. Estas diferencias permiten a los anticuerpos lipéptidos (véase Sección 17.8). de diversas clases llevar a cabo diferentes funciones biológicas Una mirada más cercana a los polipéptidos de las inmunoglo- (efectoras). Por ejemplo, las cadenas pesadas de una molécula de bulinas revela que las porciones variables de las cadenas pesadas IgM se unen y activan una de las proteínas del sistema del comple- y ligeras contienen subregiones que son especialmente variables, mento, lo que conduce a la lisis de las células bacterianas a las que o hipervariables, de un anticuerpo a otro (marcado Hv en la FIGU- están unidas las moléculas de IgM. Las cadenas pesadas de molé- RA 17-15). Las cadenas ligera y pesada contienen tres tramos hi- culas de IgE desempeñan un papel importante en las reacciones pervariables que se agrupan en los extremos de cada brazo en la alérgicas uniéndose a receptores específicos en la superficie de los molécula de anticuerpo. Como podría esperarse, las regiones hi- mastocitos, lo que desencadena la liberación de histamina. Por el pervariables desempeñan un papel destacado en la formación de contrario, las cadenas pesadas de una molécula de IgG se unen la estructura del sitio de combinación del antígeno, que puede cambiar desde una hendidura profunda hasta una ranura estrecha NH2 Hv o una bolsa relativamente plana. Las variaciones en la secuencia de aminoácidos de las regiones hipervariables explican la gran di- Unión disulfuro Hv versidad de especificidad del anticuerpo, permitiendo que estas moléculas se unan a antígenos de todas las formas imaginables. Hv El sitio de combinación de un anticuerpo tiene una estructura estereoquímica complementaria a una porción particular del an- COOH tígeno, que se denomina epítopo (o determinante antigénico). Debido a su estrecho ajuste, los anticuerpos y antígenos forman complejos estables, a pesar de que están unidos solo por fuerzas no covalentes que individualmente son bastante débiles. La inte- racción precisa entre un antígeno particular y un anticuerpo, se- Dominio CL Dominio VL gún se determina por cristalografía de rayos X, se muestra en la FIGURA 17-16. Las dos regiones de las bisagras dentro de la molé- FIGURA 17-15 Dominios de anticuerpo. Ilustración esquemática de una cula (véase figura 17-14) proporcionan la flexibilidad necesaria cadena ligera lambda sintetizada por células de un paciente con mieloma para que el anticuerpo se una a dos moléculas de antígeno sepa- múltiple. El polipéptido se somete a plegamiento de modo que las porcio- radas o a una sola molécula con dos epítopos idénticos. nes constantes y variables están presentes en dominios separados. Las Mientras que las porciones hipervariables de cadenas ligeras y flechas gruesas representan hebras β, que se ensamblan en láminas β. Cada dominio tiene dos láminas β, que se distinguen por los colores rojo pesadas determinan la especificidad del sitio de combinación de y naranja. Los tres segmentos hipervariables (Hv) de la cadena están pre- un anticuerpo, las porciones restantes de los dominios variables sentes como bucles en un extremo del dominio variable, que forma parte proporcionan un soporte que mantiene la estructura general del del sitio de combinación del antígeno en el anticuerpo. sitio de combinación. Las porciones constantes de las moléculas FUENTE: Reimpreso (adaptado) con permiso de Schiffer et al; Biochemistry de anticuerpos también son importantes. Las diferentes clases de 12:4628, 1973. Copyright 1973. American Chemical Society.  cadenas H o L de la misma clase. ¿Cuál es la base genética para 681 la síntesis de polipéptidos que tienen una combinación de se- cuencias de aminoácidos únicas y compartidas? En 1965, William Dreyer, del Instituto de Tecnología de 17.8 Reordenamientos de DNA que producen genes que codifican receptores de los antígenos de células B y T California y J. Claude Bennett, de la Universidad de Alabama, pre- sentaron la hipótesis de “dos genes-un polipéptido” para explicar la estructura del anticuerpo. En esencia, Dreyer y Bennett propu- sieron que cada cadena de anticuerpo está codificada por dos ge- nes separados, un gen C y un gen V, que de alguna manera se combinan para formar un “gen” continuo que codifica una única cadena ligera o pesada. En 1976, Susumu Tonegawa, que trabajaba en un instituto de investigación en Basilea, Suiza, proporcionó pruebas claras a favor de la hipótesis de reordenamiento del DNA. El esquema básico del experimento se muestra en la FIGURA 17-17. En este experimento, Tonegawa y sus colegas compararon la lon- gitud del DNA entre las secuencias de nucleótidos que codificaron las porciones C y V de una cadena de anticuerpo específica en dos tipos diferentes de células de ratón: células embrionarias tempra- nas y células de mieloma malignas productoras de anticuerpos. Los segmentos de DNA que codifican las porciones C y V del anticuerpo se separaron ampliamente en DNA embrionario, pero FIGURA 17-16 Interacción antígeno-anticuerpo. Modelo de llenado de espacio basado en cristalografía de rayos X de un complejo entre porcio- estaban muy cerca el uno del otro en el DNA obtenido de células nes de lisozima (verde) y porciones Fab de tres moléculas de anticuerpo de mieloma productoras de anticuerpos (véase figura 17-17). diferentes (véase la figura 17-14). La cadena pesada del anticuerpo es na- Estos hallazgos sugieren fuertemente que los segmentos de DNA ranja; la cadena ligera es amarilla. Tenga en cuenta que cada fragmento que codifican las partes de las moléculas de anticuerpo se reorga- Fab reconoce una porción diferente de la proteína lisozima. nizaron durante la formación de las células productoras de anti- FUENTE: Cortesía de David Goodsell/RCSB/PDB, 2001. cuerpos. La investigación posterior reveló la disposición precisa de las secuencias de DNA que dan lugar a genes de anticuerpos. Para específicamente a los receptores de superficie de macrófagos y simplificar la explicación, consideraremos solo las secuencias de neutrófilos, induciendo a estas células fagocíticas a ingerir la par- DNA involucradas en la formación de cadenas ligeras kappa hu- tícula a la que están unidos los anticuerpos. Las cadenas pesadas manas, que se encuentran en el cromosoma 2. La organización de de moléculas de IgG también son importantes para permitir que secuencias en el DNA de la línea germinal (es decir, el DNA de esta clase de anticuerpos pase de los vasos sanguíneos de una ma- un espermatozoide o huevo) que están involucrados en la forma- dre a los de su feto durante el embarazo. Si bien esto proporciona ción de cadenas ligeras kappa humanas se muestra en la línea al feto y al neonato inmunidad pasiva frente a organismos infec- superior (etapa 1) de la FIGURA 17-18. En este caso, una variedad ciosos, puede causar una afección potencialmente mortal llamada de genes Vk diferentes se localizan en una matriz lineal y se sepa- eritroblastosis fetal. Para que esta condición ocurra, una madre ran de un único gen Ck a cierta distancia. El análisis de la secuen- – Rh (que carece de la proteína Rh en sus glóbulos rojos) debe ha- cia de nucleótidos de estos genes V indicó que son más cortos que + + – ber dado a luz un niño con un fenotipo Rh (genotipo Rh /Rh ) los requeridos para codificar la región V de la cadena ligera ka- durante un embarazo anterior. La madre generalmente está ex- ppa. La razón quedó clara cuando se secuenciaron otros segmen- + puestas al antígeno fetal Rh durante el parto del primer hijo, que tos de la región. El tramo de nucleótidos que codifica los 13 ami- no está afectado. Sin embargo, si la madre tiene un segundo em- noácidos en el extremo carboxilo de una región V está situado a + barazo Rh , los anticuerpos presentes en su torrente sanguíneo cierta distancia del resto de la secuencia del gen V. Esta pequeña pueden ingresar a la circulación fetal y destruir los glóbulos rojos porción que codifica el extremo carboxilo de la región V se deno- del feto. Los bebés con esta condición reciben una transfusión de mina segmento J. Como se muestra en la figura 17-18, hay cinco sangre, ya sea antes (intrauterina) o después del nacimiento, que segmentos Jk distintos de secuencia de nucleótidos relacionados limpia la sangre de los anticuerpos maternos. dispuestos en tándem. El grupo de segmentos Jk está separado del gen Ck por un tramo adicional de más de 2 000 nucleótidos. REPASO Se forma un gen kappa V completo, como se muestra en la figura 1. Dibuje la estructura básica de una molécula de IgG unida a un 17-18 (etapas 2-3), ya que un gen Vk específico se une a uno de los epítopo de un antígeno. Señale las cadenas pesada y ligera; segmentos Jk con el DNA intervenido escindido. Este proceso es las regiones variables y constantes de cada cadena, y las re- catalizado por un complejo proteico llamado V(D)J recombinasa. giones que contendrían secuencias hipervariables. Como se indica en la figura 17-18, la secuencia del gen Vk gene-