Immunoglobulines:Structure et fonctions

Récepteur B (BCR)

B. ArnulfImmuno-hématologie,

Hôpital Saint Louis

Généralités sur les immunoglobulines

• Les immunoglobulines sont des glycoprotéines qui portent la fonction anticorps.

• Le terme Immunoglobuline = protéine• Le terme anticorps = fonction

• Une des propriétés essentielles des Immunoglobulines est l’hétérogénéité sur le plan biochimique et fonctionnelle nécessaire à la diversité de reconnaissance des multiples antigènes présents dans la nature.

Immunoglobuline ou anticorps

dans sérum, muqueuses, surface des lymphocytes Bprincipale Ig sérique: IgG

Sang : suspension de cellules dans le plasma

Plasma: Sels minéraux, glucides, lipides, acides aminés

Sérum: plasma dépourvu de fibrinogène après coagulationcontient des protéines dont les immunoglobulines et l’albumine

Adulte 70 Kg: production de 3g de gammaglobulines /j

2/3: IgA sécretées dans les muqueuses digestives et respiratoiressalive, larmes sécretion digestives, bronchiques et génitales, lait maternel

Alb

α1G

α2G

β1Gβ2GγG

Présence d’immunoglobulines

Distance de migration dans le champ électrique

Den

sité

optiq

ueProtides totaux = 75g/l

Alb = 50,8% (38,1 g/l)

αααα1G=3,1% (2,3 g/l)

αααα2G = 11,3% (8,6 g/l)

ββββ1G = 8,2% (6,1 g/l)

ββββ2G = 6,6% (4,9 g/)

γγγγG = 20% (15 g/l)

Electrophorèse normale des protéines du sérum

+-

Den

sité

optiq

ue Alb

αααα1Gαααα2G

Pic

ββββG

+-

Myélome multiple: Production Immunoglobuline monoclonale

Immunoglobuline monoclonale

1 2 3 4 5 6 n

3 3

3

3333

3333333

Ig3 Ig3Ig3 Ig3 Ig3Ig3Ig3Ig3

Ig monoclonales strictement identiques entre elles pui sque produites par des cellules ayant proliféré à partir d’un même clon e initial et donc génétiquement identiques entre elles

-Même charge électrique-Même migration électrophorétique-Mêmes déterminants antigéniques-Même fonction anticorps

s

ss

S S

SS

s s s s

s s s s

S

S

SS

sss

ss

ss

ss

s

ss

s

s s s s

Structure générale du monomère d’Ig

Structure générale du monomère d’Ig

- Réduction des ponts disulfures:

4 chaînes polypeptidiques identiques 2 à 2:2 Chaînes lourdes (40 à 70 kD selon la classe ou sous classe)2 chaînes légères (23 kD)

Les chaînes lourdes et légères sont liées par des ponts disulfuresdont le nombre et la position varient selon la classe et la sous classe

- Etude en microscopie électronique a montré une forme en Y avecflexibilité » variable au niveau de la charnière

Haptène divalent

Anticorps

Repliement de la chaîne d’aa aussi bien lourde que légère en domaine globulaire compacts formés de

- 110 aa- 2 couches de feuillets ββββ maintenus par un pont disulfure- portant une activité biologique particulière:

N Term = liaison Ag: domaine de reconnaissance

C Term: domaines activant les systèmes effecteursex: activation du complément,

des phagocytes….

Le Domaine « Immunoglobuline »

N-ter N-ter

C-ter

N-ter N-terN-ter N-ter

C-ter

Les domaines d’un monomère d’immunoglobuline

C-ter

N-ter N-ter

Domaine de reconnaissance spécifique de l’Ag

Domaines portantles propriétés effectricesde la classe d’Ig

Structure générale d’un monomère d’Ig

Site d’interaction avec les récepteurs

Fc

Sites de reconnaissance de l’antigène

Structure des IgG humaines normales

Fragments protéolytiques d’une Ig G

2 fragments identiques:∼½ Nterm de la chaîne lourde+ toute la chaîne légère

1 fragment: ∼ moitiés Ctermdes chaînes lourdes

Fragments

qui lient l’AG

(Fab)

Fragmentcristallisable Fc

FabFab

Fc

N term

C Term

Dualité fonctionnelle: Fonction de reconnaissance/fonctions effectrices

papaïne pepsineF(ab)’2

N term

C Term

1 seul fragmentBivalent liant l’AG

F(ab)’2

Fv

Les différentes classes d’Igs

IgG

IgA

IgD IgE

IgM

Molécule immunogéniqued’origine humaine (Ag)

AgLa souris produit des anticorpscontre les différents déterminants antigéniques: épitopes de la molécule

Diversité de reconnaissanceHétérogénéité sur le plan biochimique et fonctionnelle

Déterminants antigéniques des Immunoglobulines (Igs)

Déterminants antigéniques des Immunoglobulines (Igs)

• Les Isotypes définissent les classes et les sous-classes des Igs: elles correspondent aux parties constantes des chaines lourdes (γ, α, β, δ, εγ, α, β, δ, εγ, α, β, δ, εγ, α, β, δ, ε)

et des chaines légères (κ, λκ, λκ, λκ, λ)Les isotypes sont présents tous ensemble dans le sérum d’un individu normal. Ils sont identiques d’un individu à l’autre au sein d’une même espèce. Ils sont indépendants de la fonction anticorps

• Les allotypes : traduisent des différences dans la structure primaire des Igschez des individus de même espèce, pour une même classe et sous-classe

• Les idiotypes dépendent étroitement de la fonction anticorps de l’ Ig. Ils sont situés sur le domaine variable et les structures hypervariables des Igs (site anticorps)

IgAnticorps anti-Ig

Différence isotypique

Différence allotypique

Différence idiotypique

Epitopes linéaires (A) et conformationnels (B)

Réactivité croisée

Le même anticorps reconnaîtune séquence peptidique

partagée par deux protéinestrès différentes pour le reste

de leur structure

BA

•L’anticorps A reconnaît aussi bien la moléculesous forme linéaire que tridimensionnelle

•L’anticorps B ne reconnaît que la protéine en conformation tridimensionnelle

B

A

Variations de la structure des régions (domaines) variables= N-terminale

• Existence de 3 zones hypervariables(enchaînement des aa différent d’une Ig à une autre)= « régions déterminant la complémentarité avec l’Ag(CDR 1 à 3)»

Entre ces séquences, existe une charpenteimportante dans le maintien de la structure du domaine (FR1à 3)

Domaine variable de la chaîne lourde= VH

Domaine variable de la chaîne légère= VL

1

306090110

N-ter N-ter

C-ter

N-ter N-terN-ter N-ter

C-ter

L’étude cristallographique aux RX a montré un rapprochement dansl’espace des zones hypervariables des chaînes lourdes et légères.

• Relation structure/fonction:

VH VL

110Dom

aine

var

iabl

e de

la c

haîn

e lo

urde

= V

H

Dom

aine

var

iabl

e de

la c

haîn

e lé

gère

= V

L

1

30

60

90

- Délimitent un sillon où se fixe l’épitope= site Anticorps

- La variabilité de la structure primaire de ces zones détermine dans l’espaceune variabilité de forme et de surface de contact: complémentarité spécifiqued’un épitope.

- Chaîne lourde et légère nécessairesà l’activité anticorps

N term

CtermChaîne légère : - Domaine Cterm de 110 aa- 2 types de chaîne légère chez l’homme: kappa (k) et Lambda (l)- Une Ig portera toujours 2 κκκκ ou 2 λλλλ identiques- Dans le sérum 2/3 des Igs portent des κκκκ et 1/3 des λλλλ- Structure constante mais variations allotypiques (variation alléliqueau sein d’une même espèce)

Nterm Variations allotypiques KmCV

Kappa

Lambda

N-ter N-ter

C-ter

N-ter N-terN-ter N-ter

C-ter

Variations de la structure des régions constantes= C-terminale

Chaînes lourdes

- Selon les différences de séquence en aa entre les parties constantesdes chaînes lourdes on définit 5 classes d’Igs. Les Igs portent le nom de leur chaîne lourde.

γγγγ IgG avec 4 sous classes g1(IgG1), g2 (IgG2), g3 (IgG3), g4 (IgG4)

α α α α IgA avec 2 sous classes a1 (IgA1), a2 (IgA2)

µµµµ IgMδδδδ IgDεεεε IgE

- Les régions constantes sont formées de 3 ou 4 domaines selon la classe ou la sous classe.

-Les domaines constants portent les propriétés effectrices (autres que la liaison à l ’Ag) de la molécule d’Ig

Propriétés effectrices des parties constantes des chaînes lourdes

- Traversée du placenta : IgG- Activation du complément : IgG1-2-3 et IgM- Liaison aux différents récepteurs pour le Fcsur différentes cellules: IgG, IgA, IgE

- Contrôle du catabolisme

V C

N term C termLiaison Ag propriétés

effectrices1 γγγγ2 αααα3 µµµµ… δδδδ

εεεεn

Même reconnaissance antigénique par des classes différentes (aux propriétés effectrices différentes):Commutation de classe cf cours suivantIntérêt dans la diversité des propriétés des anticorps

Fonctions des IgA

Transcytose des IgA:

Nécessite la formation d’IgA sécretoires

Transcytose

Transcytose des IgA: formation des IgA secrétoires

Transcytose des IgA: formation des IgA secrétoires

Pièce secrétoireChaine J

Spécificité tissulaire des Immunoglobulines

Fonctions des immunoglobulines

-Fonctions du domaine variable: liaison à l’Ag• Neutralise les toxines bactériennes• Inhibe l’adhérence des bactéries aux surfaces cellulaires (ex : épithélium des muqueuses)• Bloque la fixation des virus sur leur récepteur• Reconnaissance Ag � réponse immunitaire adaptative

-Fonctions des domaines constants• Catabolisme (1/2 vie)• Traversée du placenta : Fc des IgG• Trancytose des IgA• Opsonisation � phagocytose par Macrophage et Granulocyte• ADCC (cellules NK)• Activation complément (voies classique)• Dégranulation des mastocytes et basophiles

Fonctions « effectrices »: partie constante

• Opsonisation: favorise la phagocytose (IgG)

• Activation de la voie classique du complément (IgG1-2-3 et IgM)

BFc

FcγRIFcγRII, FcγRIII

BFc

FcγRIFcγRII, FcγRIII

Fc

AgPar ex à la surface d’une mb cellulaire

C1q

Fab

C1r C1s

Fc

AgPar ex à la surface d’une mb cellulaire

C1q

Fab

C1r C1s

• Cytotoxicité dépendante des Anticorps (ADCC)

Fc

Fab

Fab

Fc Récepteurs

Cytotoxicité

Fc Récepteurs

Cellules NKMonocytes/MacrophagesPolynucléaires

Récepteurs au fragment Fc des immunoglobulines

R FCγγγγRI FCγγγγRII A FCγγγγRII B FCγγγγRII C FCγγγγRIIIA FCγγγγRIIIB FcεεεεRI FCααααR

IsotypeIg

IgG1 et 3> 2,4

IgG1 et 3> 2,4

IgG IgG1 et 3> 2,4

IgG1 et 3> 2,4

IgG IgE IgA

Affinité +++ +/++ +/++ +/++ +/++ +/++ +++ +++

Fonction Activation Inhibition Activation Activation

cellules MonocytesMacrophagesNeutrophilesEosinophiles

plaquettes

Lympho. B

MacroNeutroEosino

PlaquettesCelldendrit.

Lympho. NK

MacroNeutroEosino

Celldendrit.

Neutrophiles

Baso.Masto .

MonoMacroNeutroEosino

7 à 15 1,5 à 4,5 0,5 à 2,5

3 2,5½ vie (j) 21 6 5

½ vie longue des IgG (sauf IgG3)=intérêt dans la substitution chez les patients déficitaires en IgG

caractéristiques des Immunoglobulines

Immunité muqueuses

(IgG 1, 2, 3, 4)

(IgA 1, 2)

[g/L] ½ vie (j)

1,5

traces

12

0,05

3,5

5

23

3

2

6

caractéristiques des Immunoglobulines

plasmocyteprécurseur B lymphocyte B «naïf»

follicule lymphoïde

moelle osseuse

mutations somatiquescommutation isotypique

(antigène, lymphocytes T)

B mémoire

réarrangementdes gènes des Ig

plasmoblaste

Plasmocyte à IgM

Différenciation des lymphocytes B

Lymphopo ïèse B

PlasmocyteCellule

souche

Pro-B Pré-B B immature B mature

IgM IgM IgD

Moelle osseuse Périphérie

Maturation initiale des lymphocytes B

Acquisition de la diversité de reconnaissance pour l ’antigène

Gènes pour les Igs: Chaîne lourde: chr. 14Chaîne Kappa: chr. 2Chaîne Lambda: chr. 22

• Sur chaque chromosome:Gène pour partie VGène pour partie C

Information génétique:

• Nombre important de gènes

• Insuffisant pour expliquer la diversité du répertoire ≈ 108 Ags

Réarrangement des gènes de la chaîne lourde µ

plasmocyteprécurseur B lymphocyte B «naïf»

follicule lymphoïde

moelle osseuse

mutations somatiquescommutation isotypique

(antigène, lymphocytes T)

B mémoire

réarrangementdes gènes des Ig

plasmoblaste

Plasmocyte à IgM

Ag Rappel Ag

Nom

bre

de ly

mph

ocyt

es s

péci

fique

s de

l’an

tigèn

e

Expansionclonale

Contractionclonale

Réponses anamnestiques :plus rapidesplus intensesplus durablesplus diversifiéesplus affines (lymphocytes B) P

roduction d’IgMP

roduction d’IgG

Réponse primaire

Réponse secondaire

mutations somatiques

Antigéne, lymphocytes T

plasmocyteprécurseur B lymphocyte B «naïf»

follicule lymphoïde

moelle osseuse

B mémoire plasmoblaste

commutation isotypique

Réarrangement gènes Ig

précurseur B lymphocyte Pro B

moelle osseuse

Réarrangement des gènes des Ig

µ CIg

lymphocyte Pré B lymphocyte B immature

Pré BCR

lymphocyte B mature

périphérie

IgM

IgM IgD

CD34 CD34, CD19, CD10 CD19, CD20

E2A PAX5

précurseur B lymphocyte Pro B

moelle osseuse

Réarrangement des gènes des Ig

µ CIg

lymphocyte Pré B lymphocyte B immature

Pré BCR

lymphocyte B mature

périphérie

IgM

IgM IgD

CD34 CD34, CD19, CD10 CD19, CD20

E2A PAX5

lymphocyte B naïf

IgM IgD

IgM

IgG

IgA

lymphocyte B mémoire

Le récepteur B pour l’antigène (BCR)

Igαααα (CD79a)

Igββββ (CD79b)

ITAMITAM

Le récepteur B pour l’antigène (BCR)

Lyn

Fyn

PLC-γγγγ

Ras, Raf, MEKK1

Ca++Calmoduline Calcineurine

NFAT

JNK

AP-1 NFκκκκB Activation B

Blk

Transduction du signal par le BCR

SykBTK

BLNK

Igαααα (CD79a)

Igββββ (CD79b)

ITAMITAM

Aggregats

Lyn

FynPLC-γγγγ

Ras, Raf, MEKK1

CD21

Activation B

Blk

Transduction du signal par le BCR

Syk

CD19CD81

C3d

PI3K/AKT

Complément

Fyn

Blk Lyn

ITIM

SHIP

Inhibition B

PI3K/AKT

FcRγγγγIIB

Transduction du signal par le BCR

Igαααα (CD79a)

Igββββ (CD79b)

ITAM

Différenciation

Fyn

Blk Lyn

CD40/CD40LBAFF/BLYSCytokines

Chimiokines

Cooperation B/TCommutation isotypiqueProliférationMigration

précurseur B lymphocyte Pro B

moelle osseuse

Réarrangement des gènes des Ig

µ CIg

lymphocyte Pré B lymphocyte B immature

Pré BCR

lymphocyte B mature

périphérie

IgM

IgM IgD

CD34 CD34, CD19, CD10 CD19, CD20

Agammaglobulinémie liée à l ’X (Bruton=Btk)BLNK

Déficit combinésévère

Rag -/-…..

Mutation de Cµ

Déficit commun variable (DICV)

Tissus

MicrobesBactéries, virusparasites, champignons

AgressionPlaie, effractionInflammation

Macrophage

Polynucléaire N

Lymphocytes T

NK

Immunité Innée Immunité adaptative

Périphérie Organes lymphoï desGanglion

Monocyte

Lymphocyte B

Plasmocyte

CD4 CD8

Réponse immunitaire

Cellulaire

HumoraleCellule Dendritique

Phagocytose Migration

Complément

thymusLymphocyte T

Ganglion lymphatique

Tissu ou organeinfecté

Lymphocyte Bnaïf

plasmocyte

T, B mémoire

Cellule Dendritique

Antigène B

T

B

T

Anticorps

T

T effecteurcytotoxique

sang

T

T

ActivationDifférenciation

Recirculation

Réponse immunitaire

Fonctions des immunoglobulines

Fonctions du domaine variable: liaison à l’AgNeutralise les toxines bactériennesInhibe l’adhérence des bactéries aux surfaces cellulaires (ex : épithélium des muqueuses)Bloque la fixation des virus sur leur récepteurReconnaissance Ag � réponse immunitaire adaptative(diversité)

-Fonctions des domaines constantsCatabolisme (1/2 vie)Traversée du placenta : Fc des IgGTrancytose des IgAOpsonisation � phagocytose par Macrophage et GranulocyteADCC (cellules NK)Activation complément( voies classique et alterne)Dégranulation des mastocytes et basophiles

s ss

SSS

S

ss

ss

ss

ss

SS SS

ss

ss

ss

ss

ss

ss

s

Hybridome