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الصف الصف الثالث الثالث ختصص ختصص طبطب

Lecture 7Immunoglobulins

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Learning Objectives1. Describe the basic monomer structure of

immunoglobulins.2. Determine number of variable and constant regions of

the light chain and heavy chain.3. Define the term; paratope, Fc, Fab, Antigen binding site,

hinge region, constant, hyper variable region, CDRs,carbohydrate moiety, joining chains (J-chains), Secretory

component and domain.4. Describe the distinctive structural feature of each isotype

5. Define the terms affinity, and avidity.6. Explain the importance of identify the immunoglobulin

isotype in clinical applications.

The student should be able to:

1. Describe the basic monomer structure ofimmunoglobulins.

2. Determine number of variable and constant regions ofthe light chain and heavy chain.

3. Define the term; paratope, Fc, Fab, Antigen binding site,hinge region, constant, hyper variable region, CDRs,

carbohydrate moiety, joining chains (J-chains), Secretorycomponent and domain.

4. Describe the distinctive structural feature of each isotype5. Define the terms affinity, and avidity.

6. Explain the importance of identify the immunoglobulinisotype in clinical applications.

Plan d'apprentissageI. DEFINITION

II. STRUCTURE GENERALE DES IMMUNOGLOBULINES.NOMENCLATURE

III. STRUCTURE FINE DES CHAINES LEGERES ETLOURDES DES IMMUNOGLOBULINES.

IV. CARACTERISTIQUES DES DIFFERENTES CLASSESD'IMMUNOGLOBULINES

V. LES DIFFERENTS NIVEAUX D'HETEROGENEITE DESIMMUNOGLOBULINES

VI. RELATIONS ENTRE STRUCTURE ET ACTIVITE BIOLOGIQUE.

VII. GENES DES IMMUNOGLOBULINES

LES IMMUNOGLOBULINES

Emil Adolf von Behring 1901Les anti-toxin contre

Diphtherie et le Tetanos

1908Theorie de

La formation des anticorps

Paul Ehrlich

Production desAnticoprs Monoclonaux

Milstein Köhler 1975

I. DEFINITIONLes immunoglobulines (Ig) sont des GLYCOPROTÉINES douées d'activité anticorps (Ac) , c'est-à-dire capables de se lier spécifiquement à un déterminant antigénique unique, ou épitope.Elles sont présentes dans le plasma, les liquides extra-vasculaires et les sécrétions.

Elles sont produites par les lymphocytes B, mais seulement excrétées par leur descendanceplasmocytaire.

On retrouve les Ig principalementdans la fraction desGAMMAGLOBULINEs àl'électrophorèse des protéines

Un adulte possède à un instant donné environ 1020 molécules d'Ig, dont plus de 109 espècesmoléculaires différentes.

Ils remplissent leur rôle grâce à TROIS modes d'action:1. neutralisation des micro-organismes et de leurs toxines,2. opsonisation facilitant l'ingestion par les cellules phagocytaires (phagocytose)3. activation du complément conduisant à l'opsonisation et parfois la lyse des micro-organismes.

Elles sont produites par les lymphocytes B, mais seulement excrétées par leur descendanceplasmocytaire.

Les anticorps sont les médiateurs de l'immunité humorale, dont LES CIBLES sont extra-cellulaires.

II. STRUCTURE GENERALE DES IMMUNOGLOBULINES. NOMENCLATURE.

Toutes les Ig, en dépit de leur très grandehétérogénéité, sont bâties sur un modèle de basecommun, SYMÉTRIQUE, celui de l'IgG monomère quifut la première décrite. Elles comportent toutes 4chaînes polypeptidiques groupées en deux pairesidentiques de taille inégale:

1. d'une part 2 chaînes lourdes dites H, pour "heavy",2. d'autre part 2 chaînes légères dites L, pour "light",

1. Les chaînes légères sont communes à l'ensemble des classes d'Ig, mais on en distingue2 types antigéniquement différents: le type kappa (Ƙ) et le type lambda (λ).Dans une molécule donnée d'Ig les deux chaînes légères sont toujours du même type: il n'ya jamais de molécules hybrides.

PORTER et EDELMAN.1972

2. Les chaînes lourdes sont au contraire spécifiques pour chaque classe d'Ig: CINQ ISOTYPES(gamma [ɣ], alpha [α], mu [μ], delta [δ] et epsilon [ε]) définissent respectivement les 5 CLASSESD'IG: IgG, IgA, IgM, IgD et IgE. Tous les individus les possèdent dans leur sérum

III. STRUCTURE FINE DES CHAINES LEGERES ET LOURDES DES IMMUNOGLOBULINES.

1. CHAÎNES LÉGÈRES.Elles comportent une portion variable et une constante.Dans la région variable (VL), il existait TROISSÉQUENCES de cinq à dix résidus où la variabilitéétait maximum. CDR pour "complementarydetermining region« responsable decomplémentarité dans l'espace

Pour les immunoglobulines, LA VARIABILITÉ est la condition sine qua non de LA FONCTION,c'est-à-dire de la reconnaissance de l'antigène qui peut être multiple

2. CHAÎNES LOURDES.Elle est constituée de DEUX PARTIES franchement inégales:Elle est constituée de DEUX PARTIES franchement inégales:

Ils sont constitués de TROIS SEGMENTS SUCCESSIFSEntre le premier et le second segment de la région constante se trouve la RÉGIONCHARNIÈRE.B. le 1/4 du côté N-terminal est TRÈS VARIABLE d'une séquence à l'autre. C'est la régionvariable ou VH, qui tout comme son homologue VL possède également TROIS RÉGIONSHYPERvariables ou CDR

A. Les 3/4 du côté C-terminale ont une compositionrelativement INVARIANTE: c'est la région constante,

LE SITE ANTICORPS, ou PARATOPE, d'une Ig est constitué de l'associationdes régions VH et VL, et plus particulièrement des différents CDR(théorie du site partagé)

1. LES PARTIES VARIABLES sont le support del'activité anticorps, et une Ig monomère peutainsi lier deux épitopes,

2. alors que LA PARTIE CONSTANTE est lesupport des propriétés biologiques des Ig.

L'Ig présente une DUALITÉ STRUCTURALE qui explique sa DUALITÉ FONCTIONNELLE:Elle possède1. deux EXTRÉMITÉS VARIABLES identiques et

propres à chaque Ig, et2. une PORTION CONSTANTE définissant CINQ classes

principales: IgG, IgA, IgM, IgD et IgE, parordre de concentration sérique décroissant.

1. LES PARTIES VARIABLES sont le support del'activité anticorps, et une Ig monomère peutainsi lier deux épitopes,

2. alors que LA PARTIE CONSTANTE est lesupport des propriétés biologiques des Ig.

1. Sous forme libre en solution, dans le sang et les liquides extra-vasculaires, elle est connuedepuis longtemps sous le vocable d'anticorps.

2. Ancrée à la membrane du lymphocyte B elle y est connue sous le nom d'Ig membranaire, ety participe à la formation du récepteur du lymphocyte B pour l'antigène (ou BCR pour"B cell receptor").

De plus, LA RECONNAISSANCE de l'antigène par les LB se fait selon DEUX MODALITÉS.

IV. CARACTERISTIQUES DES DIFFERENTES CLASSES D'IMMUNOGLOBULINES

1. IgG Elle représente plus des trois quarts des Ig sériques, elles sont

1. OPSONISANTS,2. FIXANT LE COMPLÉMENT et3. NEUTRALISANT les toxines bactériennes et les virus

Il existe QUATRE SOUS-CLASSES = isotypes. : IgG1, IgG2, IgG3 et IgG4(ɣ1, ɣ2, ɣ3 et ɣ4) qui présentent des propriétés biologiques spécifiques:1. les IgG4 n'activent pas le complément à la différence des trois autres,2. la fixation aux différents Fcɣ récepteurs est variable selon les sous-classes: IgG3 pour l’ADCC

2. LES IgM. Les IgM existent sous DEUX formes moléculaires :1. PENTAmère sérique2. MONOmère à la surface du LB où sa fonction est celle de

récepteur de l'antigène.la plus volumineuse des Ig sériques ce qui expliquequ’elle est majoritairement (80 à 90 %) intra-vasculaire.La chaîne lourde µ possède un domaine constant supplémentairepar rapport à la chaîne lourde ɣ: elle a donc un domaine variableet 4 domaines constants. Contrairement aux IgG il n'existe pas derégion charnière individualisée dans la chaîne lourde µ.

chaîne J (pour "joining"), dont l'unique fonction est d'assurer la POLYMÉRISATION des Ig.

LES PREMIERS ANTICORPS qui apparaissent après une primo-immunisation sont de classeIgM. Ils cèdent généralement la place aux anticorps de classe IgG, plus abondants et plusdurables

La forme particulière de cette molécule d'IgM, hérissée de 10 Fab, lui confère1. un remarquable POUVOIR AGGLUTINANT, de loin supérieur à celui des IgG.2. De même, son POUVOIR LYTIQUE, lié l'activation du complément, est TRÈS PUISSANT.

Reponse primaire Reponse Secondaire

Dans certaines circonstances les anticorps restent toute la vie de classe IgM: c'est le cas desagglutinines naturelles anti-A et anti-B du système des groupes sanguins ABO, et plusgénéralement des antigènes THYMO-INDÉPENDANTS.

La connaissance de ce CHANGEMENT DE CLASSE, appelé aussi commutation isotypiqueou "switch" en anglais a des implications diagnostiques(ex: Rubéole chez la femme enceinte

3. L'IgA.on distingue DEUX compartiments, distinctement cloisonnés: lecompartiment SYSTÉMIQUE ou sérique et le compartiment MUQUEUX.

Elle constitue la deuxième classe d'Ig sérique après les IgG, puisqu'ellereprésente environ 10 % du total des Ig avec un taux moyen de 2 à 3 g/L.

1. L'IgA sérique.

On connaît deux sous-classes d'IgA: l'IgA1 et l'IgA2.Dans le sérum l'IgA1 est l'isotype de loin majoritaire (80 %), ce qui n'est plus le cas au niveaumuqueux.

.

2. L'IgA sécrétoire ou exocrine.C'est l'Ig principale des sécrétions salivaires, lacrymales, nasales, bronchiques, gastro-intestinales et mammaires. Elle est synthétisée par les nombreux plasmocytes présents dans leschorions des muqueuses où les plasmocytes à IgA prédominent

Pièce sécrétoire

Chaîne JPM : 400.000

Constante desédimentation = 11S

.C'est l'Ig principale des sécrétions salivaires, lacrymales, nasales, bronchiques, gastro-intestinales et mammaires. Elle est synthétisée par les nombreux plasmocytes présents dans leschorions des muqueuses où les plasmocytes à IgA prédominent

La structure de l'IgA sécrétoire DIFFÈRE de celle de l'IgA sérique. Elle est eneffet constituée de DEUX monomères d'IgA reliés par une chaîne J etcomporte le composant sécrétoire ou pièce sécrétoire, synthétisée par lescellules épithélialesl'IgA est incapable d'activer le complément par sa voie d'activation classique, ce qui au niveaumuqueux est une adaptation bénéfique aux conditions de travail de l'IgA sécrétoire.

4. L'IgDSon taux physiologique sérique est très faible: 300 fois moins que l'IgG.La chaîne lourde δ, qui n'a pourtant que 03 domaines constants, et parune région charnière longue.C'est au niveau cellulaire que cette classe d'Ig paraît jouer un rôlefondamental. On la retrouve fréquemment à la surface deslymphocytes B en association avec des IgM monomères. Elles ont lamême région variable VH et la même chaîne légère,

5. L'IgE

L'IgE est la moins abondante des Ig: chez l'adulte, son taux physiologique est100 000 fois moindre que l’IgG (100 à 200 unités internationales). Ceci ,et pourtant c'est sans doute la classe d'Ig qui intéresse le plus lesAllergologues.

L'IgE est la moins abondante des Ig: chez l'adulte, son taux physiologique est100 000 fois moindre que l’IgG (100 à 200 unités internationales). Ceci ,et pourtant c'est sans doute la classe d'Ig qui intéresse le plus lesAllergologues.Après interactions de leur fragment constant avec un récepteur de faibleaffinité (CD23), présent sur des cellules cytotoxiques (polynucléaireséosinophiles, lymphocytes), elle participe à L'ÉLIMINATION DES PARASITES.

Malgré leur très faible concentration sérique, les IgE jouent un rôle considérable dans lesmanifestations d'HYPERSENSIBILITÉ IMMÉDIATE, telles que l'asthme.la structure est celle d'un monomère avec 2 chaînes lourdes ε et deux chaînes légères.Tout comme la chaîne µ la chaîne lourde ε possède 4 domaines constants

1. Propriétés de l’IgE

La propriété la plus intéressante de l'IgE est certainement sa CYTOPHILIE par le biais de sonfragment Fc. Cette fixation cellulaire est sous la dépendance de récepteurs spécifiques pour leFc des IgE

Sa demi-vie est très brève: 2,5 jours dans le sérum, donc la plus brève de toutes les Ig.

fixée aux mastocytes et aux polynucléaires basophiles: une demi-vie de plusieurs semaines,voire de plusieurs mois

L'IgE ne fixe pas le complément par la voie classique.L'IgE ne traverse pas le placenta.

2.Récepteurs pour le Fc des IgE (Fc1R) On en connaît deux types principaux;a. FcεRIa. FcεRIC'est un récepteur de FORTE affinité présent sur les polynucléaires basophiles,éosinophiles, les mastocytes et les cellules de Langerhans.

b. FcεRIILe récepteur de type II est dit de FAIBLE affinité. Il est également désigné sous le nom deCD23, il est présent sur divers types cellulaires en particulier les monocytes/macrophages,les éosinophiles , les mastocytes, les basophiles, les lymphocytes T et B, les cellules deLangerhans.

3- Régulation de la synthèse de l'IgECette réponse IgE est hautement T-dépendante et qu'il existe une franche dissociation entre laréponse classique de type IgG et celle de type IgE ;

Histaminecytokines

V. LES DIFFERENTS NIVEAUX D'HETEROGENEITE DES IMMUNOGLOBULINESNous avons vu que les Ig étaient une famille très hétérogènes. L'Ig est, comme toute protéine,antigénique et constituée de différents épitopes. Selon la nature et l'expression de ces MOTIFSANTIGÉNIQUES on peut classer les différents niveaux hétérogénéité en TROIS types:1. L'ISOTYPIE: Les isotypes sont constitués de motifs antigéniques rencontres chez tous lesindividus d'UNE MÊME ESPÈCE. localisés sur les domaines constants des chaînes lourdes etlégères. 9 isotypes pour la chaines lourde et deux isotypes de chaînes légères : Ƙ et λ2. L'ALLOTYPIE: au sein d'une espèce, chez un certain nombre d'individus donnés, et non cheztous, définissant des sous-groupes de population (contenus dans certains sérums humains)3. L'IDIOTYPIE: Les idiotopes sont des épitopes portés par le fragment Fv (VH-VL) des Ig. Ilspeuvent être ou non associés au paratope. L'ensemble des idiotopes d'une molécule d'Ig formeson idiotype.

3. L'IDIOTYPIE: Les idiotopes sont des épitopes portés par le fragment Fv (VH-VL) des Ig. Ilspeuvent être ou non associés au paratope. L'ensemble des idiotopes d'une molécule d'Ig formeson idiotype.

2. PROPRIÉTÉS PORTÉES PAR LE FRAGMENT « Fc ».Le fragment Fc est dénué de toute activité anticorps mais est le support de plusieursactivités biologiques qui confèrent à l'Ig son caractère BIFONCTIONNELLE: liaison del'antigène PUIS propriétés effectrices.Ces propriétés résultent de l'existence de sites de LIAISON SPÉCIFIQUES sur lesdomaines constants pour de molécules, SOLUBLES (complément) ou MEMBRANAIRES (RFc).1. Traversée du placenta: Seules les IgG traversent le placenta, assurant le transfert del'immunité humorale de la mère à l'enfant (Ité passive)2. Traversée des muqueuses: les IgA sécrétoire du chorion muqueux sous-jacent vers lalumière (intestinale, pulmonaire, etc...) où elle est l'isotype majeur de protection.3. Fixation du complément : Seules les IgM et les IgG (sauf les IgG4) lorsque les sitesanticorps ont été activés par liaison à leur antigène spécifique. (IgM>>>>>IgG3 > IgG1 >IgG2.)3. Fixation du complément : Seules les IgM et les IgG (sauf les IgG4) lorsque les sitesanticorps ont été activés par liaison à leur antigène spécifique. (IgM>>>>>IgG3 > IgG1 >IgG2.)

4. Fixation aux récepteurs des Fc (FcR)

Ces récepteurs, exprimés variablement à lasurface de différents types cellulaires,On distingue des récepteurs de FORTEAFFINITÉ, appelés de type I et des récepteursde FAIBLE affinité.

Activation du complémentpar la voie classique

Fragment Fc

Cytotoxicité à médiation cellulairedépendante des Ac : ADCC

Opsonisation

Transfert placentaire

VI. RELATIONS ENTRE STRUCTURE ET ACTIVITE BIOLOGIQUE.1. PROPRIÉTÉS PORTÉES PAR LE FRAGMENT « Fab » DES Ig: LE SITE ANTICORPS.

Les deux chaînes légères et lourdes PARTICIPENT activement à la constitution du site anticorps.

Les expériences de clivage enzymatique faites sur l'IgG montrent bien que le SITE ANTICORPSest localisé du côté amino-terminal des deux chaînes.Le caractère SYMÉTRIQUE de la molécule: les deux sites anticorps (paratopes) sont IDENTIQUES;

L'ENSEMBLE DES SITES ANTICORPS d’un individu, constitueson RÉPERTOIRE B, lui permettant de reconnaître lesdéterminants antigéniques correspondants.La taille du paratope lui permet de se combiner à un épitopesucré de 5 à 6 oses, ou protidique de 10 à 15 acides aminés.

Le contact entre le site anticorps (paratope) et le déterminantantigénique (épitope) qui fait intervenir des phénomènes decomplémentarité spatiale.

La liaison antigène-anticorps est une liaison non-covalente,Le contact entre le site anticorps (paratope) et le déterminantantigénique (épitope) qui fait intervenir des phénomènes decomplémentarité spatiale.La liaison antigène-anticorps est RÉVERSIBLE.

Lorsque l'on s'intéresse aux molécules entières d'Ig d'un sérum polyclonal, on parle d'AVIDITÉ,eu égard aux nombreux couples épitopes-paratopes différents mis en jeu, susceptibles de créerun effet synergique sur la liaison à l'antigène

Le changement d'un seul acide aminé au sein du paratopeaffecte L'AFFINITÉ; Ce mécanisme est mis à profit par lesystème immunitaire pour augmenter l'affinité des anticorpsaprès une stimulation antigénique (maturation d'affinité parhypermutations somatiques).

Réaction croisée

20 à 30 % des protéines synthétisées par le plasmocyte sont des chaînes H et L d’Ig.

Assemblage

Glycosylation

Sécrétion par pinocytose inverseVésicule de sécrétion

Appareil de golgiGlycosilation

VII. GENES DES IMMUNOGLOBULINES

1. ASPECTS BIOCHIMIQUES

BIOSYNTHESE DES IMMUNOGLOBULINESBIOSYNTHESE DES IMMUNOGLOBULINES

Les ARNm (H+L) quittent le noyau, se lient aupolyribosomes.

Traduction des ARNm, les chaînes H et L en cours desynthèse pénètrent dans le RER grâce au peptidesignal riche en acides aminés hydrophobes.

Excision de la séquence signal

Assemblage

Traduction de la chaînelourde

Traduction de lachaîne légère

RER

Assemblage

Peptidesignal

VII. GENES DES IMMUNOGLOBULINES

La synthèse des Ig est assurée par les LB et leur descendance plasmocytaire.la spécificité idiotypique, portée par les parties variables des chaînes d'Ig, reste rigoureusementla même pour les diverses Ig de surface d'un lymphocyte donné

1. ASPECTS BIOCHIMIQUESLa synthèse des Ig obéit aux règles générales de la synthèse des protéines ; des ARN messagers(les uns CODANT pour les chaînes lourdes traduits en 60 secondes; les autres plus courts codantpour les chaînes légères achevés en 30 secondes); s'y ASSEMBLENT, y cheminent et transitentnécessairement par le corps de Golgi. Les Ig achevées quittent le plasmocyte par un processusde PINOCYTOSE INVERSE environ 20 minutes après leur naissance.En ce qui concerne les Ig POLYMÈRES (IgM, IgA sécrétoire) l'assemblage des sous-unitésse fait essentiellement à la phase finale, juste au moment du franchissement de la membraneplasmique.La chaîne J, elle-même synthétisée par le plasmocyte, joue un rôle dans cette polymérisation.

En ce qui concerne les Ig POLYMÈRES (IgM, IgA sécrétoire) l'assemblage des sous-unitésse fait essentiellement à la phase finale, juste au moment du franchissement de la membraneplasmique.La chaîne J, elle-même synthétisée par le plasmocyte, joue un rôle dans cette polymérisation.

2. ASPECTS GÉNÉTIQUES.

Susumu Tonegawa

1987

Susumu Tonegawa

2. ASPECTS GÉNÉTIQUES.Le nombre de structures différentes que le système immunitaire est appelé àreconnaître est EXTRÊMEMENT ÉLEVÉ.Pour la réponse humorale: un clone est d'environ 103 cellules, donc les 1011 lymphocytes Bsont capables de produire 108 molécules d'anticorps différentes. (le nombre de gènes 5. 104)LA DIVERSITÉ des anticorps reposait sur des mécanismes de RECOMBINAISONS GÉNÉTIQUESentre fragments géniques. Le postulat n'est plus la correspondance entre une chaîne protéiqueet un gène, mais entre un DOMAINE d'Ig et un gène.Chaque domaine (VH, VL, Cμ, Cɣ, Cα, etc...) est codé par un fragment génique. Ces fragmentssont éloignés et non transcrits dans l'ADN génomique.Uniquement dans le LB qui se différencie ces gènes vont être rapprochés (RÉARRANGÉS) pourêtre transcrits et formés un ARN messager primaire.

Chaque domaine (VH, VL, Cμ, Cɣ, Cα, etc...) est codé par un fragment génique. Ces fragmentssont éloignés et non transcrits dans l'ADN génomique.Uniquement dans le LB qui se différencie ces gènes vont être rapprochés (RÉARRANGÉS) pourêtre transcrits et formés un ARN messager primaire.

un rapide calcul montre qu'avec environ 50 gènes VH, 30 gènes D et 6 gènes J on a 9000 possibilités pour la région VH. Lemême calcul pour les chaînes K (34 VK et 5 JK) retrouve 170 possibilités et donc 1,53-106 possibilités d'appariementchaîne lourde/chaîne 1.(en plus de un facteur 100 que la diversité jonctionnelle )= 109

Au stade de lymphocyte B mature STIMULÉ par son antigène spécifique: LES MUTATIONSSOMATIQUES sur les régions V des Ig au cours des mitoses consécutives à l'expansion clonale.Ces mutations entraînent surtout une MATURATION D'AFFINITÉ des anticorps (voir coursLB).

C. MÉCANISME DU "SWITCH"

C. MÉCANISME DU "SWITCH"Une fois obtenus, les réarrangements fonctionnels d'une chaîne lourde (VDJ) et d'une chaînelégère (VJ), dont l'association définit UNE SPÉCIFICITÉ ANTICORPS (un clone lymphocytaire).Cependant, le gène réarrangé VDJ a la possibilité de s'apparier avec différents gènes codantpour les parties constantes.

Chaque gène est PRÉCÉDÉ d'une séquence dite "Switch" ou de commutation quipermet à l'ensemble VDJ de "s'accrocher" à un gène C différent.

Après STIMULATION PAR L'ANTIGÈNE, le lymphocyte B qui exprime une IgMmembranaire peut se différencier en plasmocyte sécréteur d'IgG, d'IgA ou d'IgECette commutation, ou "switch" aboutit à la production d'anticorps qui conserve leurspécificité anticorps (même VDJ) associée à des propriétés effectrices variables avec lesdifférents isotypes.

B. Les contacts cellulaires entre le lymphocyte B par le CD40 et le lymphocyte T par CD40L

Cette commutation, ou "switch" aboutit à la production d'anticorps qui conserve leurspécificité anticorps (même VDJ) associée à des propriétés effectrices variables avec lesdifférents isotypes.

A. Les cytokines agissent en stimulant ou en réprimant les régions S.1. l'IL-4 favorise la synthèse de l'IgE et de l'IgG4,2. le TGFβ stimule la synthèse d'IgA.

Les lymphocytes T jouent un rôle important dans la commutation, grâce aux: