Антитело

Эта статья о классе белков. Для других видов использования см. Антитела (неоднозначности) .

Каждое антитело связывается со специфическим антигеном в очень специфическом взаимодействии, аналогичном блокировке и клавишу.

Антитело для ( AB ) или иммуноглобулин ( Ig ) представляет собой большой Y-образный белок, принадлежащий к суперсемейству иммуноглобулина , который используется иммунной системой идентификации и нейтрализации антигенов, таких как бактерии и вирусы , в том числе те, которые вызывают заболевание. Антитела могут распознавать практически любое размер антигена с разнообразными химическими композициями из молекул. Каждое антитело распознает один или несколько специфических антигенов . Антиген буквально означает «генератор антител», так как это присутствие антигена, который управляет образованием антиген-специфического антитела. Каждый кончик «y» антитела содержит паратоп , который специфически связывается с одним конкретным эпитопом на антигене, позволяя двум молекулам связываться с точностью. Используя этот механизм, антитела могут эффективно «пометить» микроб или инфицированную клетку для атаки других частями иммунной системы или могут напрямую нейтрализовать его (например, блокируя часть вируса, которая необходима для его инвазии).

Более узко, антитело ( AB ) может относиться к свободной (секретируемой) форме этих белков, в отличие от мембранной формы, обнаруженной в рецепторе В-клеток . Термин иммуноглобулин может обратиться к обеим формам. Поскольку они, как правило, говоря, один и тот же белок, термины часто рассматриваются как синонимичные.

Чтобы иммунная система распознавала миллионы различных антигенов, антигенсвязывающие сайты на обоих кончиках антитела имеют одинаково широкий спектр. Остальная часть структуры антител гораздо менее изменчива; У людей антитела встречаются в пяти классах , иногда называемых изотипами : IGA , IGD , IGE , IgG и IGM . Человеческие антитела IgG и IgA также разделены на дискретные подклассы (IgG1, IgG2, IgG3, IgG4; IgA1 и IgA2). Класс относится к функциям, вызванным антителом (также известным как эффекторные функции), в дополнение к некоторым другим структурным особенностям. Антитела из разных классов также различаются по тому, где они высвобождаются в организме и на какой стадии иммунного ответа. Между видами, в то время как классы и подклассы антител могут быть разделены (по крайней мере по названию), их функции и распределение по всему организму могут быть различными. Например, мышиная IgG1 ближе к человеческому IgG2, чем человеческий IgG1 с точки зрения его функции.

Термин гуморальный иммунитет часто рассматривается как синоним ответа антител, описывая функцию иммунной системы, которая существует в юморах организма (жидкости) в форме растворимых белков, в отличие от клеточного иммунитета , который обычно описывает ответы ( Т -клеток особенно цитотоксических Т -клеток). В целом, антитела считаются частью адаптивной иммунной системы , хотя эта классификация может стать сложной. Например, натуральный IGM, которые производятся клетками линии B-1, которые обладают свойствами, более похожими на врожденные иммунные клетки, чем адаптивные, относится к антителам к IgM, производимым независимо от иммунного ответа, который демонстрирует полиреактивность- они распознают несколько различных (не связанных) антигенов. Они могут работать с системой комплемента на самых ранних этапах иммунного ответа, чтобы помочь облегчить очистку антигена правонарушения и доставки полученных иммунных комплексов в лимфатические узлы или селезенку для инициации иммунного ответа. Следовательно, в этом качестве функция антител больше сродни врожденному иммунитету, чем адаптивным. Тем не менее, в целом антитела рассматриваются как часть адаптивной иммунной системы, поскольку они демонстрируют исключительную специфичность (за некоторым исключением), производятся посредством генетических перестроек (а не кодируются непосредственно в зародышевой линии ) и являются проявлением иммунологической памяти.

В ходе иммунного ответа В-клетки могут постепенно дифференцироваться в антитело-секретирующие клетки или в В-клетки памяти. Антитело-секретирующие клетки составляют плазмабласты и плазматические клетки , которые отличаются в основном по той степени, в которой они секретируют антитела, их срок службы, метаболические адаптации и поверхностные маркеры. Плазмабласты быстро пролиферируют, короткоживущие клетки, продуцируемые на ранних фазах иммунного ответа (классически описываемого как возникающие внефолликулярно, а не из зародышевого центра ), которые могут дальше дифференцироваться в плазматические клетки. Время от времени литература небрежна и часто описывает Plasmablasts как просто короткие плазматические клетки- формально это неверно. Плазматические клетки, напротив, не делятся (они терминально дифференцированы ) и полагаются на ниши выживания, включающие специфические типы клеток и цитокины для сохранения. Плазматические клетки будут выделять огромные количества антител независимо от того, присутствует ли их родственный антиген, гарантируя, что уровни антител к рассматриваемому антигену не падают до 0, при условии, что плазматические клетки остаются в живых. Однако скорость секреции антител может регулироваться, например, при наличии адъювантных молекул, которые стимулируют иммунный ответ, такие как TLR . лиганды Долгоживущие плазматические клетки могут жить потенциально всю жизнь организма. Классически, ниши выживания, в которых находятся долгоживущие плазматические клетки, находятся в костном мозге, Хотя нельзя предположить, что любая данная плазматическая клетка в костном мозге будет долгоживущей. Тем не менее, другая работа указывает на то, что ниши выживания могут быть легко установлены в тканях слизистой оболочки, хотя классы антител включают в себя другую иерархию от таковых в костном мозге. В-клетки также могут дифференцироваться в В-клетки памяти, которые могут сохраняться в течение десятилетий аналогично долгоживущим плазматическим клеткам. Эти клетки могут быть быстро напоминаны во вторичном иммунном ответе, перенесли классовое переключение, созревание аффинности и дифференцирование в клетки, секретирующие антител.

Антитела занимают центральное место в иммунной защите, вызванных большинством вакцин и инфекций (хотя другие компоненты иммунной системы, безусловно, участвуют, и для некоторых заболеваний значительно важнее, чем антитела при создании иммунного ответа, например, герпесо -зостера ). Прочная защита от инфекций, вызванных данным микробом, то есть способностью микроба входить в организм и начинает воспроизводить (не обязательно вызывать заболевание) - зависит от устойчивой продукции большого количества антител, что означает, что эффективные вакцины в идеале выявляют. Постоянный высокий уровень антител, который опирается на долгоживущие плазматические клетки. В то же время многие микробы медицинского значения имеют способность мутировать, чтобы избежать антител, вызванных предыдущими инфекциями, и долгоживущие плазматические клетки не могут подвергаться созреванию аффинности или переключению класса. Это компенсируется через В -клетки памяти: новые варианты микроба, которые по -прежнему сохраняют структурные особенности ранее встречающихся антигенов, могут вызывать ответы В -клеток памяти, которые адаптируются к этим изменениям. Было высказано предположение, что долгоживущие плазматические клетки секретируют рецепторы В-клеток с более высокой аффинностью, чем на поверхностях В-клеток памяти, но результаты не совсем согласованы по этому вопросу.

Structure

Schematic structure of an antibody: two heavy chains (blue, yellow) and the two light chains (green, pink). The antigen binding site is circled.

A more accurate depiction of an antibody (3D structure at RCSB PDB). Glycans in the Fc region are shown in black.

Antibodies are heavy (~150 kDa) proteins of about 10 nm in size, arranged in three globular regions that roughly form a Y shape.

In humans and most other mammals, an antibody unit consists of four polypeptide chains; two identical heavy chains and two identical light chains connected by disulfide bonds. Each chain is a series of domains: somewhat similar sequences of about 110 amino acids each. These domains are usually represented in simplified schematics as rectangles. Light chains consist of one variable domain V_L and one constant domain C_L, while heavy chains contain one variable domain V_H and three to four constant domains C_H1, C_H2, ...

Structurally an antibody is also partitioned into two antigen-binding fragments (Fab), containing one V_L, V_H, C_L, and C_H1 domain each, as well as the crystallisable fragment (Fc), forming the trunk of the Y shape. In between them is a hinge region of the heavy chains, whose flexibility allows antibodies to bind to pairs of epitopes at various distances, to form complexes (dimers, trimers, etc.), and to bind effector molecules more easily.

In an electrophoresis test of blood proteins, antibodies mostly migrate to the last, gamma globulin fraction. Conversely, most gamma-globulins are antibodies, which is why the two terms were historically used as synonyms, as were the symbols Ig and γ. This variant terminology fell out of use due to the correspondence being inexact and due to confusion with γ (gamma) heavy chains which characterize the IgG class of antibodies.

Antigen-binding site

The variable domains can also be referred to as the F_V region. It is the subregion of Fab that binds to an antigen. More specifically, each variable domain contains three hypervariable regions – the amino acids seen there vary the most from antibody to antibody. When the protein folds, these regions give rise to three loops of β-strands, localized near one another on the surface of the antibody. These loops are referred to as the complementarity-determining regions (CDRs), since their shape complements that of an antigen. Three CDRs from each of the heavy and light chains together form an antibody-binding site whose shape can be anything from a pocket to which a smaller antigen binds, to a larger surface, to a protrusion that sticks out into a groove in an antigen. Typically though, only a few residues contribute to most of the binding energy.

The existence of two identical antibody-binding sites allows antibody molecules to bind strongly to multivalent antigen (repeating sites such as polysaccharides in bacterial cell walls, or other sites at some distance apart), as well as to form antibody complexes and larger antigen-antibody complexes.

The structures of CDRs have been clustered and classified by Chothia et al. and more recently by North et al. and Nikoloudis et al. However, describing an antibody's binding site using only one single static structure limits the understanding and characterization of the antibody's function and properties. To improve antibody structure prediction and to take the strongly correlated CDR loop and interface movements into account, antibody paratopes should be described as interconverting states in solution with varying probabilities.

In the framework of the immune network theory, CDRs are also called idiotypes. According to immune network theory, the adaptive immune system is regulated by interactions between idiotypes.

Fc region

Main article: Fragment crystallizable region

The Fc region (the trunk of the Y shape) is composed of constant domains from the heavy chains. Its role is in modulating immune cell activity: it is where effector molecules bind to, triggering various effects after the antibody Fab region binds to an antigen. Effector cells (such as macrophages or natural killer cells) bind via their Fc receptors (FcR) to the Fc region of an antibody, while the complement system is activated by binding the C1q protein complex. IgG or IgM can bind to C1q, but IgA cannot, therefore IgA does not activate the classical complement pathway.

Another role of the Fc region is to selectively distribute different antibody classes across the body. In particular, the neonatal Fc receptor (FcRn) binds to the Fc region of IgG antibodies to transport it across the placenta, from the mother to the fetus. In addition to this, binding to FcRn endows IgG with an exceptionally long half-life relative to other plasma proteins of 3-4 weeks. IgG3 in most cases (depending on allotype) has mutations at the FcRn binding site which lower affinity for FcRn, which are thought to have evolved to limit the highly inflammatory effects of this subclass.

Antibodies are glycoproteins, that is, they have carbohydrates (glycans) added to conserved amino acid residues. These conserved glycosylation sites occur in the Fc region and influence interactions with effector molecules.

Protein structure

The N-terminus of each chain is situated at the tip. Each immunoglobulin domain has a similar structure, characteristic of all the members of the immunoglobulin superfamily: it is composed of between 7 (for constant domains) and 9 (for variable domains) β-strands, forming two beta sheets in a Greek key motif. The sheets create a "sandwich" shape, the immunoglobulin fold, held together by a disulfide bond.

Antibody complexes

Some antibodies form complexes that bind to multiple antigen molecules.

Secreted antibodies can occur as a single Y-shaped unit, a monomer. However, some antibody classes also form dimers with two Ig units (as with IgA), tetramers with four Ig units (like teleost fish IgM), or pentamers with five Ig units (like shark IgW or mammalian IgM, which occasionally forms hexamers as well, with six units). IgG can also form hexamers, though no J chain is required. IgA tetramers and pentamers have also been reported.

Antibodies also form complexes by binding to antigen: this is called an antigen-antibody complex or immune complex. Small antigens can cross-link two antibodies, also leading to the formation of antibody dimers, trimers, tetramers, etc. Multivalent antigens (e.g., cells with multiple epitopes) can form larger complexes with antibodies. An extreme example is the clumping, or agglutination, of red blood cells with antibodies in blood typing to determine blood groups: the large clumps become insoluble, leading to visually apparent precipitation.

B cell receptors

Main article: B-cell receptor

The membrane-bound form of an antibody may be called a surface immunoglobulin (sIg) or a membrane immunoglobulin (mIg). It is part of the B cell receptor (BCR), which allows a B cell to detect when a specific antigen is present in the body and triggers B cell activation. The BCR is composed of surface-bound IgD or IgM antibodies and associated Ig-α and Ig-β heterodimers, which are capable of signal transduction. A typical human B cell will have 50,000 to 100,000 antibodies bound to its surface. Upon antigen binding, they cluster in large patches, which can exceed 1 micrometer in diameter, on lipid rafts that isolate the BCRs from most other cell signaling receptors. These patches may improve the efficiency of the cellular immune response. In humans, the cell surface is bare around the B cell receptors for several hundred nanometers, which further isolates the BCRs from competing influences.

Classes

Antibodies can come in different varieties known as isotypes or classes. In humans there are five antibody classes known as IgA, IgD, IgE, IgG, and IgM, which are further subdivided into subclasses such as IgA1, IgA2. The prefix "Ig" stands for immunoglobulin, while the suffix denotes the type of heavy chain the antibody contains: the heavy chain types α (alpha), γ (gamma), δ (delta), ε (epsilon), μ (mu) give rise to IgA, IgG, IgD, IgE, IgM, respectively. The distinctive features of each class are determined by the part of the heavy chain within the hinge and Fc region.

The classes differ in their biological properties, functional locations and ability to deal with different antigens, as depicted in the table. For example, IgE antibodies are responsible for an allergic response consisting of histamine release from mast cells, often a sole contributor to asthma (though other pathways exist as do exist symptoms very similar to yet not technically asthma). The antibody's variable region binds to allergic antigen, for example house dust mite particles, while its Fc region (in the ε heavy chains) binds to Fc receptor ε on a mast cell, triggering its degranulation: the release of molecules stored in its granules.

Antibody isotypes of humans

Class	Subclasses	Description
IgA	2	Found in mucosal areas, such as the gut, respiratory tract and urogenital tract, and prevents colonization by pathogens. Also found in saliva, tears, and breast milk.
IgD	1	Functions mainly as an antigen receptor on B cells that have not been exposed to antigens. It has been shown to activate basophils and mast cells to produce antimicrobial factors.
IgE	1	Binds to allergens and triggers histamine release from mast cells and basophils, and is involved in allergy. Humans and other animals evolved IgE to protect against parasitic worms, though in the present, IgE is primarily related to allergies and asthma.
IgG	4	In its four forms, provides the majority of antibody-based immunity against invading pathogens. The only antibody capable of crossing the placenta to give passive immunity to the fetus.
IgM	1	Expressed on the surface of B cells (monomer) and in a secreted form (pentamer) with very high avidity. Eliminates pathogens in the early stages of B cell-mediated (humoral) immunity before there is sufficient IgG.

The antibody isotype of a B cell changes during cell development and activation. Immature B cells, which have never been exposed to an antigen, express only the IgM isotype in a cell surface bound form. The B lymphocyte, in this ready-to-respond form, is known as a "naive B lymphocyte." The naive B lymphocyte expresses both surface IgM and IgD. The co-expression of both of these immunoglobulin isotypes renders the B cell ready to respond to antigen. B cell activation follows engagement of the cell-bound antibody molecule with an antigen, causing the cell to divide and differentiate into an antibody-producing cell called a plasma cell. In this activated form, the B cell starts to produce antibody in a secreted form rather than a membrane-bound form. Some daughter cells of the activated B cells undergo isotype switching, a mechanism that causes the production of antibodies to change from IgM or IgD to the other antibody isotypes, IgE, IgA, or IgG, that have defined roles in the immune system.

Light chain types

Further information: Immunoglobulin light chain

In mammals there are two types of immunoglobulin light chain, which are called lambda (λ) and kappa (κ). However, there is no known functional difference between them, and both can occur with any of the five major types of heavy chains. Each antibody contains two identical light chains: both κ or both λ. Proportions of κ and λ types vary by species and can be used to detect abnormal proliferation of B cell clones. Other types of light chains, such as the iota (ι) chain, are found in other vertebrates like sharks (Chondrichthyes) and bony fishes (Teleostei).

In non-mammalian animals

In most placental mammals, the structure of antibodies is generally the same. Jawed fish appear to be the most primitive animals that are able to make antibodies similar to those of mammals, although many features of their adaptive immunity appeared somewhat earlier.

Cartilaginous fish (such as sharks) produce heavy-chain-only antibodies (i.e., lacking light chains) which moreover feature longer chain pentamers (with five constant units per molecule). Camelids (such as camels, llamas, alpacas) are also notable for producing heavy-chain-only antibodies.

Antibody classes not found in mammals

Class	Types	Description
IgY		Found in birds and reptiles; related to mammalian IgG.
IgW		Found in sharks and skates; related to mammalian IgD.
IgT/Z		Found in teleost fish

Antibody–antigen interactions

The antibody's paratope interacts with the antigen's epitope. An antigen usually contains different epitopes along its surface arranged discontinuously, and dominant epitopes on a given antigen are called determinants.

Antibody and antigen interact by spatial complementarity (lock and key). The molecular forces involved in the Fab-epitope interaction are weak and non-specific – for example electrostatic forces, hydrogen bonds, hydrophobic interactions, and van der Waals forces. This means binding between antibody and antigen is reversible, and the antibody's affinity towards an antigen is relative rather than absolute. Relatively weak binding also means it is possible for an antibody to cross-react with different antigens of different relative affinities.

Function

Further information: Immune system

1. Antibodies (A) and pathogens (B) free roam in the blood.
2. The antibodies bind to pathogens, and can do so in different formations such as:
   1. opsonization,
   2. neutralisation, and
   3. agglutination.
3. A phagocyte (C) approaches the pathogen, and the Fc region (D) of the antibody binds to one of the Fc receptors (E) of the phagocyte.
4. Phagocytosis occurs as the pathogen is ingested.

The main categories of antibody action include the following:

• Neutralisation, in which neutralizing antibodies block parts of the surface of a bacterial cell or virion to render its attack ineffective
• Agglutination, in which antibodies "glue together" foreign cells into clumps that are attractive targets for phagocytosis
• Precipitation, in which antibodies "glue together" serum-soluble antigens, forcing them to precipitate out of solution in clumps that are attractive targets for phagocytosis
• Complement activation (fixation), in which antibodies that are latched onto a foreign cell encourage complement to attack it with a membrane attack complex, which leads to the following:
  • Lysis of the foreign cell
  • Encouragement of inflammation by chemotactically attracting inflammatory cells

More indirectly, an antibody can signal immune cells to present antibody fragments to T cells, or downregulate other immune cells to avoid autoimmunity.

Activated B cells differentiate into either antibody-producing cells called plasma cells that secrete soluble antibody or memory cells that survive in the body for years afterward in order to allow the immune system to remember an antigen and respond faster upon future exposures.

At the prenatal and neonatal stages of life, the presence of antibodies is provided by passive immunization from the mother. Early endogenous antibody production varies for different kinds of antibodies, and usually appear within the first years of life. Since antibodies exist freely in the bloodstream, they are said to be part of the humoral immune system. Circulating antibodies are produced by clonal B cells that specifically respond to only one antigen (an example is a virus capsid protein fragment). Antibodies contribute to immunity in three ways: They prevent pathogens from entering or damaging cells by binding to them; they stimulate removal of pathogens by macrophages and other cells by coating the pathogen; and they trigger destruction of pathogens by stimulating other immune responses such as the complement pathway. Antibodies will also trigger vasoactive amine degranulation to contribute to immunity against certain types of antigens (helminths, allergens).

The secreted mammalian IgM has five Ig units. Each Ig unit (labeled 1) has two epitope binding Fab regions, so IgM is capable of binding up to 10 epitopes.

Activation of complement

Antibodies that bind to surface antigens (for example, on bacteria) will attract the first component of the complement cascade with their Fc region and initiate activation of the "classical" complement system. This results in the killing of bacteria in two ways. First, the binding of the antibody and complement molecules marks the microbe for ingestion by phagocytes in a process called opsonization; these phagocytes are attracted by certain complement molecules generated in the complement cascade. Second, some complement system components form a membrane attack complex to assist antibodies to kill the bacterium directly (bacteriolysis).

Activation of effector cells

To combat pathogens that replicate outside cells, antibodies bind to pathogens to link them together, causing them to agglutinate. Since an antibody has at least two paratopes, it can bind more than one antigen by binding identical epitopes carried on the surfaces of these antigens. By coating the pathogen, antibodies stimulate effector functions against the pathogen in cells that recognize their Fc region.

Those cells that recognize coated pathogens have Fc receptors, which, as the name suggests, interact with the Fc region of IgA, IgG, and IgE antibodies. The engagement of a particular antibody with the Fc receptor on a particular cell triggers an effector function of that cell; phagocytes will phagocytose, mast cells and neutrophils will degranulate, natural killer cells will release cytokines and cytotoxic molecules; that will ultimately result in destruction of the invading microbe. The activation of natural killer cells by antibodies initiates a cytotoxic mechanism known as antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity (ADCC) – this process may explain the efficacy of monoclonal antibodies used in biological therapies against cancer. The Fc receptors are isotype-specific, which gives greater flexibility to the immune system, invoking only the appropriate immune mechanisms for distinct pathogens.

Natural antibodies

Humans and higher primates also produce "natural antibodies" that are present in serum before viral infection. Natural antibodies have been defined as antibodies that are produced without any previous infection, vaccination, other foreign antigen exposure or passive immunization. These antibodies can activate the classical complement pathway leading to lysis of enveloped virus particles long before the adaptive immune response is activated. Many natural antibodies are directed against the disaccharide galactose α(1,3)-galactose (α-Gal), which is found as a terminal sugar on glycosylated cell surface proteins, and generated in response to production of this sugar by bacteria contained in the human gut. Rejection of xenotransplantated organs is thought to be, in part, the result of natural antibodies circulating in the serum of the recipient binding to α-Gal antigens expressed on the donor tissue.

Immunoglobulin diversity

Virtually all microbes can trigger an antibody response. Successful recognition and eradication of many different types of microbes requires diversity among antibodies; their amino acid composition varies allowing them to interact with many different antigens. It has been estimated that humans generate about 10 billion different antibodies, each capable of binding a distinct epitope of an antigen. Although a huge repertoire of different antibodies is generated in a single individual, the number of genes available to make these proteins is limited by the size of the human genome. Several complex genetic mechanisms have evolved that allow vertebrate B cells to generate a diverse pool of antibodies from a relatively small number of antibody genes.

Domain variability

The complementarity determining regions of the heavy chain are shown in red (PDB: 1IGT​)

The chromosomal region that encodes an antibody is large and contains several distinct gene loci for each domain of the antibody—the chromosome region containing heavy chain genes (IGH@) is found on chromosome 14, and the loci containing lambda and kappa light chain genes (IGL@ and IGK@) are found on chromosomes 22 and 2 in humans. One of these domains is called the variable domain, which is present in each heavy and light chain of every antibody, but can differ in different antibodies generated from distinct B cells. Differences between the variable domains are located on three loops known as hypervariable regions (HV-1, HV-2 and HV-3) or complementarity-determining regions (CDR1, CDR2 and CDR3). CDRs are supported within the variable domains by conserved framework regions. The heavy chain locus contains about 65 different variable domain genes that all differ in their CDRs. Combining these genes with an array of genes for other domains of the antibody generates a large cavalry of antibodies with a high degree of variability. This combination is called V(D)J recombination discussed below.

V(D)J recombination

Further information: V(D)J recombination

Simplified overview of V(D)J recombination of immunoglobulin heavy chains

Somatic recombination of immunoglobulins, also known as V(D)J recombination, involves the generation of a unique immunoglobulin variable region. The variable region of each immunoglobulin heavy or light chain is encoded in several pieces—known as gene segments (subgenes). These segments are called variable (V), diversity (D) and joining (J) segments. V, D and J segments are found in Ig heavy chains, but only V and J segments are found in Ig light chains. Multiple copies of the V, D and J gene segments exist, and are tandemly arranged in the genomes of mammals. In the bone marrow, each developing B cell will assemble an immunoglobulin variable region by randomly selecting and combining one V, one D and one J gene segment (or one V and one J segment in the light chain). As there are multiple copies of each type of gene segment, and different combinations of gene segments can be used to generate each immunoglobulin variable region, this process generates a huge number of antibodies, each with different paratopes, and thus different antigen specificities. The rearrangement of several subgenes (i.e. V2 family) for lambda light chain immunoglobulin is coupled with the activation of microRNA miR-650, which further influences biology of B-cells.

RAG proteins play an important role with V(D)J recombination in cutting DNA at a particular region. Without the presence of these proteins, V(D)J recombination would not occur.

After a B cell produces a functional immunoglobulin gene during V(D)J recombination, it cannot express any other variable region (a process known as allelic exclusion) thus each B cell can produce antibodies containing only one kind of variable chain.

Somatic hypermutation and affinity maturation

Further information: Somatic hypermutation and Affinity maturation

Following activation with antigen, B cells begin to proliferate rapidly. In these rapidly dividing cells, the genes encoding the variable domains of the heavy and light chains undergo a high rate of point mutation, by a process called somatic hypermutation (SHM). SHM results in approximately one nucleotide change per variable gene, per cell division. As a consequence, any daughter B cells will acquire slight amino acid differences in the variable domains of their antibody chains.

This serves to increase the diversity of the antibody pool and impacts the antibody's antigen-binding affinity. Some point mutations will result in the production of antibodies that have a weaker interaction (low affinity) with their antigen than the original antibody, and some mutations will generate antibodies with a stronger interaction (high affinity). B cells that express high affinity antibodies on their surface will receive a strong survival signal during interactions with other cells, whereas those with low affinity antibodies will not, and will die by apoptosis. Thus, B cells expressing antibodies with a higher affinity for the antigen will outcompete those with weaker affinities for function and survival allowing the average affinity of antibodies to increase over time. The process of generating antibodies with increased binding affinities is called affinity maturation. Affinity maturation occurs in mature B cells after V(D)J recombination, and is dependent on help from helper T cells.

Class switching

Mechanism of class switch recombination that allows isotype switching in activated B cells

Isotype or class switching is a biological process occurring after activation of the B cell, which allows the cell to produce different classes of antibody (IgA, IgE, or IgG). The different classes of antibody, and thus effector functions, are defined by the constant (C) regions of the immunoglobulin heavy chain. Initially, naive B cells express only cell-surface IgM and IgD with identical antigen binding regions. Each isotype is adapted for a distinct function; therefore, after activation, an antibody with an IgG, IgA, or IgE effector function might be required to effectively eliminate an antigen. Class switching allows different daughter cells from the same activated B cell to produce antibodies of different isotypes. Only the constant region of the antibody heavy chain changes during class switching; the variable regions, and therefore antigen specificity, remain unchanged. Thus the progeny of a single B cell can produce antibodies, all specific for the same antigen, but with the ability to produce the effector function appropriate for each antigenic challenge. Class switching is triggered by cytokines; the isotype generated depends on which cytokines are present in the B cell environment.

Class switching occurs in the heavy chain gene locus by a mechanism called class switch recombination (CSR). This mechanism relies on conserved nucleotide motifs, called switch (S) regions, found in DNA upstream of each constant region gene (except in the δ-chain). The DNA strand is broken by the activity of a series of enzymes at two selected S-regions. The variable domain exon is rejoined through a process called non-homologous end joining (NHEJ) to the desired constant region (γ, α or ε). This process results in an immunoglobulin gene that encodes an antibody of a different isotype.

Specificity designations

An antibody can be called monospecific if it has specificity for a single antigen or epitope, or bispecific if it has affinity for two different antigens or two different epitopes on the same antigen. A group of antibodies can be called polyvalent (or unspecific) if they have affinity for various antigens or microorganisms. Intravenous immunoglobulin, if not otherwise noted, consists of a variety of different IgG (polyclonal IgG). In contrast, monoclonal antibodies are identical antibodies produced by a single B cell.

Asymmetrical antibodies

Heterodimeric antibodies, which are also asymmetrical antibodies, allow for greater flexibility and new formats for attaching a variety of drugs to the antibody arms. One of the general formats for a heterodimeric antibody is the "knobs-into-holes" format. This format is specific to the heavy chain part of the constant region in antibodies. The "knobs" part is engineered by replacing a small amino acid with a larger one. It fits into the "hole", which is engineered by replacing a large amino acid with a smaller one. What connects the "knobs" to the "holes" are the disulfide bonds between each chain. The "knobs-into-holes" shape facilitates antibody dependent cell mediated cytotoxicity. Single-chain variable fragments (scFv) are connected to the variable domain of the heavy and light chain via a short linker peptide. The linker is rich in glycine, which gives it more flexibility, and serine/threonine, which gives it specificity. Two different scFv fragments can be connected together, via a hinge region, to the constant domain of the heavy chain or the constant domain of the light chain. This gives the antibody bispecificity, allowing for the binding specificities of two different antigens. The "knobs-into-holes" format enhances heterodimer formation but does not suppress homodimer formation.

To further improve the function of heterodimeric antibodies, many scientists are looking towards artificial constructs. Artificial antibodies are largely diverse protein motifs that use the functional strategy of the antibody molecule, but are not limited by the loop and framework structural constraints of the natural antibody. Being able to control the combinational design of the sequence and three-dimensional space could transcend the natural design and allow for the attachment of different combinations of drugs to the arms.

Heterodimeric antibodies have a greater range in shapes they can take and the drugs that are attached to the arms do not have to be the same on each arm, allowing for different combinations of drugs to be used in cancer treatment. Pharmaceuticals are able to produce highly functional bispecific, and even multispecific, antibodies. The degree to which they can function is impressive given that such a change of shape from the natural form should lead to decreased functionality.

Межхромосомная ДНК -транспозиция

Диверсификация антител обычно происходит благодаря соматической гипермутации, переключению классов и созреванию аффинности, нацеленного на локусы гена BCR, но иногда были задокументированы более нетрадиционные формы диверсификации. Например, в случае малярии, вызванной Plasmodium falciparum , кто был инфицирован некоторые антитела от тех , Полем Это представляет собой форму межхромосомной транспозиции. LAIR1 обычно связывает коллаген, но может распознавать повторяющиеся вкрапленные семейства членов семейства полипептидов (рифин), которые высоко экспрессируются на поверхности красных кровяных клеток P. falciparum . Фактически, эти антитела подвергались созреванию аффинности, которое усилило сродство к рифину, но отменило сродство к коллагеном. Эти «LAIR1-содержащие» антитела были обнаружены в 5-10% доноров из Танзании и Мали, хотя и не у европейских доноров. Однако европейские доноры действительно показали 100-1000 нуклеотидных растяжений внутри локтевых суставов. Это конкретное явление может быть специфичным для малярии, так как известно, что инфекция индуцирует нестабильность генома.

История

См. Также: История иммунологии

Первое использование термина «антитело» произошло в тексте Пола Эрлиха . Термин Антикерпер (немецкое слово для антитела ) появляется в заключении его статьи «Экспериментальные исследования по иммунитету», опубликованную в октябре 1891 года, в которой говорится, что «если два вещества приводят к двум разным антикёрперу , то они сами должны быть разными ". Однако этот термин не был принят немедленно, и было предложено несколько других условий для антитела; К ним относятся Immunkörper , Amboceptor , Zwischenkörper , Sensibilisatrice, Sensibilisatrice , Copula , Desmon , филоцитаза , фиксатор и иммунизин . Слово антитело имеет формальную аналогию с словом антитоксин и аналогичную концепцию с Immunkörper ( иммунное тело на английском языке). Таким образом, исходная конструкция слова содержит логический недостаток; Антитоксин - это то, что направлено на токсин, в то время как антитело - это тело, направленное против чего -то.

Ангел Запада (2008) Джулиана Восс-Андреа -это скульптура, основанная на структуре антител, опубликованной Э. Падланом. Создан для кампуса Флоридского исследовательского института Скриппса , Антитело помещается в кольцо, ссылаясь на Леонардо да Винчи, витрувский человек таким образом, подчеркивая сходство антитела и человеческого тела.

Изучение антител началось в 1890 году, когда Эмиль фон Беринг и Китасато Шибасабуро описали активность антител против дифтерии и токсинов из столбцов . Фон Беринг и Китасато выдвинули теорию гуморального иммунитета , предлагая, чтобы посредник в сыворотке мог реагировать с иностранным антигеном. Его идея побудила Пола Эрлиха предложить теорию боковой цепи для взаимодействия антител и антигена в 1897 году, когда он предположил, что рецепторы (описанные как «боковые цепи») на поверхности клеток могут специфично связываться с токсинами -в «блокировке и ключ «взаимодействие-и что эта реакция связывания является пусканием для производства антител. Другие исследователи полагали, что антитела существуют свободно в крови, и в 1904 году Алмрот Райт предположил, что растворимые антитела покрывают бактерии , чтобы пометить их для фагоцитоза и убийства; процесс, который он назвал опсонинизацией .

Майкл Хейдельбергер

В 1920 -х годах Майкл Хейдельбергер и Освальд Эйвери заметили, что антигены могут быть ускорены антителами, и продолжали показать, что антитела изготовлены из белка. Биохимические свойства антиген-антитело-связывающих взаимодействий были более подробно изучены в конце 1930-х годов Джоном Марраком . Следующий крупный прогресс был в 1940-х годах, когда Линус Полинг подтвердил теорию с блокировкой и ключом, предложенную Эрлихом , показав, что взаимодействие между антителами и антигенами больше зависит от их формы, чем их химического состава. В 1948 году Астрид Фагреус обнаружила, что В -клетки в виде плазматических клеток были ответственны за генерирование антител.

Дальнейшая работа сосредоточена на характеристике структур белков антител. Основным прогрессом в этих структурных исследованиях было открытие в начале 1960 -х годов Джеральдом Эдельманом антител и Джозефом Галли из легкой цепи , и их осознание того, что этот белок такой же, как белок Бенс-Джонса, описанный в 1845 году Генри Бенсом Джонсом . Далее Эдельман обнаружил, что антитела состоят из тяжелых и легких цепочек, связанных с дисульфидной связью . Примерно в то же время области антител связывания (FAB) и хвоста антител (FC) IgG были охарактеризованы Родни Портер . Вместе эти ученые вывели структуру и полную аминокислотную последовательность IgG, подвиг, за который они были совместно награждены Нобелевской премией 1972 года по физиологии или медицине . Фрагмент FV был подготовлен и охарактеризован Дэвидом Гиволом. В то время как большинство из этих ранних исследований были сосредоточены на IGM и IgG, другие изотипы иммуноглобулина были идентифицированы в 1960 -х годах: Томас Томаси обнаружил секреторное антитело ( IGA ); Дэвид С. Роу и Джон Л. Фахи обнаружили IGD; и Kimishige Ishizaka и Teruko Ishizaka обнаружили IgE и показали, что это был класс антител, участвующих в аллергических реакциях. В ориентирной серии экспериментов, начиная с 1976 года, Сусуму Tonegawa показал, что генетический материал может изменить себя, образуя обширный массив доступных антител.

Медицинские заявки

Диагноз заболевания

Обнаружение конкретных антител является очень распространенной формой медицинской диагностики , а приложения, такие как серология, зависят от этих методов. Например, в биохимических анализах диагностики заболеваний, Титр вируса антител, направленных против Эпштейна-Барра или болезни Лайма , оценивается от крови. Если эти антитела не присутствуют, либо человека не заражен, либо инфекция произошла очень давно, и В -клетки, генерирующие эти специфические антитела, естественным образом распадались.

В клинической иммунологии уровни отдельных классов иммуноглобулинов измеряются нефелометрией (или турбидиметрией ) для характеристики профиля антитела пациента. Повышение в разных классах иммуноглобулинов иногда полезны при определении причины повреждения печени у пациентов, для которых диагноз неясен. Например, повышенный IgA указывает на алкогольный цирроз , повышенный IGM указывает на вирусный гепатит и первичный билиарный цирроз , в то время как IgG повышается при вирусном гепатите, аутоиммунном гепатите и циррозе.

Аутоиммунные расстройства организма часто можно проследить до антител, которые связывают собственные эпитопы ; Многие могут быть обнаружены с помощью анализов крови . Антитела, направленные против антигенов поверхности эритроцитов клетки при иммунной опосредованной гемолитической анемии , обнаруживаются с помощью теста COOMBS . Тест Coombs также используется для скрининга антител при препарате переливания крови , а также для скрининга антител у дородовых женщин.

Практически несколько иммунодиагностических методов, основанных на обнаружении сложных антиген-антител, используются для диагностики инфекционных заболеваний, например, ELISA , иммунофлуоресценции , вестерн-блоттинга , иммунодиффузии , иммуноэлектрофоры и магнитного иммуноанализа . Антитела, выращенные против хорионического гонадотропина человека , используются в чрезмерных тестах на беременность.

Новая химия диоксаборолана обеспечивает радиоактивный фторид ( ¹⁸ F ) Маркировка антител, которые позволяют создавать позитронно -эмиссионную томографию (PET) визуализации рака .

Терапия заболевания

Целевая моноклональная терапия антител используется для лечения таких заболеваний, как ревматоидный артрит , рассеянный склероз , псориаз , и многие формы рака , включая неходжкинскую лимфому , Рак колоректального рака , рак головы и шеи и рак молочной железы .

Некоторые иммунные недостатки, такие как X-связанная агаммаглобулинемия и гипогаммаглобулинемия , приводят к частичному или полному отсутствию антител. Эти заболевания часто лечат путем вызывания кратковременной формы иммунитета, называемой пассивным иммунитетом . Пассивный иммунитет достигается за счет переноса готовых антител в форме сыворотки человека или животных , объединенных иммуноглобулиновых или моноклональных антител к пораженному человеку.

Пренатальная терапия

Фактор RH , также известный как антиген RH D, является антигеном, обнаруженным на эритроцитах ; Люди, которые являются RH-положительными (RH+), имеют этот антиген на своих эритроцитах, а у людей, отрицательные (RH-) нет. Во время нормальных родов , травмы родов или осложнений во время беременности кровь от плода может войти в систему матери. В случае иннозованного RH мать и ребенка, косвенное смешение крови может сенсибилизировать RH-мать к антигену RH на клетках крови ребенка RH+, положив оставшуюся часть беременности , и любые последующие беременности, подверженные риску гемолитического Болезнь новорожденного .

Антитела к иммунному глобулину Rho (D) специфичны для антигена RHD человека. Антитела против RHD вводится в рамках пренатального режима лечения , чтобы предотвратить сенсибилизацию, которая может возникнуть, когда у мать-негативной, негативной, имеет RH-положительный плод. Лечение матери с антителами против RHD до и сразу после травмы и доставки разрушает антиген RH в системе матери у плода. Это происходит до того, как антиген может стимулировать материнские В -клетки, чтобы «запомнить» антиген RH, генерируя В -клетки памяти. Следовательно, ее гуморальная иммунная система не будет производить антитела против RH и не будет атаковать антигены RH текущих или последующих детей. Обработка RHO (D) иммунороко -глобулина предотвращает сенсибилизацию, которая может привести к заболеванию RH , но не предотвращает и не лечит саму заболевание.

Исследовательские приложения

Иммунофлуоресцентное изображение эукариотического цитоскелета . Микротрубочки , показанные зеленым, отмечены антителом, конъюгированным с зеленой флуоресцентной молекулой, FITC .

Специфические антитела продуцируются путем инъекции антигена в млекопитающее , например , мышь , крыса , кролика , коза , овец или лошадь для больших количеств антител. Кровь, выделенная от этих животных, содержит поликлональные антитела - мультипликационные антитела, которые связываются с одним и тем же антигеном - в сыворотке , которую теперь можно назвать антисыворотой . Антигены также вводят в цыплята для генерации поликлональных антител в яичном желтке . Для получения антитела, специфичного для одного эпитопа антигена, антитело, секретирующие лимфоциты , выделяются из животного и иммортизируются путем слития раковой клеточной линии. Переплаченные клетки называются гибридомами и будут постоянно расти и секретировать антитела в культуре. Одиночные клетки гибридомы выделяются путем клонирования разведения , чтобы генерировать клеточные клоны , которые продуцируют одно и то же антитело; Эти антитела называются моноклональными антителами . Поликлональные и моноклональные антитела часто очищают с использованием белкового A/G или антиген-аффинной хроматографии .

В исследованиях очищенные антитела используются во многих применениях. Антитела для исследований можно найти непосредственно от поставщиков антител или с помощью специализированной поисковой системы. Исследовательские антитела чаще всего используются для идентификации и размещения внутриклеточных и внеклеточных белков. Антитела используются в проточной цитометрии, чтобы дифференцировать типы клеток с помощью белков, которые они экспрессируют; Различные типы клеток экспрессируют различные комбинации кластера молекул дифференцировки на их поверхности и продуцируют различные внутриклеточные и секретируемые белки. Они также используются в иммунопреципитации для разделения белков и всего, что связано с ними (коиммунопреципитация) от других молекул в клеточном лизате , В вестерн -блот -анализе для идентификации белков, разделенных электрофорезом , и в иммуногистохимии или иммунофлуоресценции для изучения экспрессии белка в срезах ткани или для размещения белков в клетках с помощью микроскопа . Белки также могут быть обнаружены и количественно определены с помощью антител, используя ELISA и Elispot . методы

Антитела, используемые в исследованиях, являются одними из наиболее мощных, но наиболее проблематичных реагентов с огромным количеством факторов, которые должны контролироваться в любом эксперименте, включая перекрестную реакционную способность, или антитела, распознавая множественные эпитопы и сродство, которые могут широко варьироваться в зависимости от таких условий, как экспериментальные условия. Поскольку pH, растворитель, состояние ткани и т. Д. и способы, которыми они сообщают об антителах. Исследователи, использующие антитела в своей работе, должны правильно их записывать, чтобы позволить их исследованию воспроизводимым (и, следовательно, протестированы и квалифицированы другими исследователями). Менее половины исследовательских антител, упомянутых в академических работах, можно легко идентифицировать. Документы, опубликованные в F1000 в 2014 и 2015 годах, предоставляют исследователям руководство по сообщению об использовании исследовательских антител. RRID Gape, опубликованная в 4 журналах, которые внедрили стандарт RRIDS для цитирования исследований, который привлекает данные AntobodyRegyS.org в качестве источника идентификаторов антител (См. Также Group at Force11 ).

Области антител могут быть использованы для дальнейших биомедицинских исследований, выступая в качестве руководства для лекарств для достижения своей цели. Несколько применений включают в себя использование бактериальных плазмид для помещения плазмид с областью FC антитела, такого как Pfuse-Fc плазмида .

Правила

Производство и тестирование

Существует несколько способов получить антитела, в том числе методы in vivo, такие как иммунизация животных и различные подходы in vitro, такие как метод дисплея фага. Традиционно, большинство антител продуцируются гибридными клеточными линиями посредством иммортализации антитело-продуцирующих клеток путем химически индуцированного слияния с клетками миеломы . В некоторых случаях дополнительные слияния с другими линиями создали « триомы » и « Quadromes ». Процесс производства должен быть надлежащим образом описан и подтвержден. Валидационные исследования должны, по крайней мере, включать в себя:

• Демонстрация того, что процесс способен производить в хорошем качестве (процесс должен быть подтвержден)
• Эффективность примеси очистки антител (все должны быть и вирус устранены)
• Характеристика очищенного антитела ( физико -химическая характеристика, иммунологические свойства, биологическая активность, загрязнители, ...)
• Определение исследований клиренса вируса

Перед клиническими испытаниями

• Тестирование безопасности продукта: бесплодия ( бактерии и грибки ), тестирование in vitro и in vivo на случайные вирусы, тестирование мышиного ретровируса ..., данные о безопасности продукта, необходимые до начала технико-экономических испытаний в серьезных или непосредственных опасных для жизни условиях, он служит Оценить опасный потенциал продукта.
• Тестирование технико -экономического обоснования: это пилотные исследования, цели которых включают, среди прочего, ранняя характеристика безопасности и первоначальное доказательство концепции в небольшой конкретной популяции пациентов (in vitro или in vivo тестирование).

Доклинические исследования

• Тестирование перекрестной реактивности антител: выделить нежелательные взаимодействия (токсичность) антител с ранее охарактеризованными тканями. Это исследование может быть выполнено in vitro (реакционная способность антитела или иммуноконъюгата должна быть определена с помощью быстромороженных тканей для взрослых) или in vivo (с присвоениями на животных).
• Доклиническая фармакология и тестирование токсичности : доклиническое испытание на безопасность антител предназначено для выявления возможной токсичности у людей, для оценки вероятности и тяжести потенциальных побочных эффектов у людей и выявления безопасной начальной дозы и эскалации дозы, когда это возможно.
• Исследования токсичности животных: тестирование острой токсичности , тестирование на токсичность повторных доз, долгосрочное тестирование на токсичность
• Фармакокинетика и тестирование фармакодинамики : использование для определения клинических доз, активности антител, оценка потенциальных клинических эффектов

Прогноз структуры и конструкция вычислительных антител

Важность антител в здравоохранении и биотехнологической промышленности требует знаний о своих структурах в высоком разрешении . Эта информация используется для белковой инженерии , модификации аффинности связывания антигена и идентификации эпитопа данного антитела. Рентгеновская кристаллография является одним из часто используемых методов для определения структур антител. Тем не менее, кристаллизация антитела часто бывает трудоемким и трудоемким. Вычислительные подходы обеспечивают более дешевую и более быструю альтернативу кристаллографии, но их результаты более двусмысленны, поскольку они не производят эмпирические структуры. Онлайн -веб -серверы, такие как моделирование веб -антител (WAM) и прогнозирование структуры иммуноглобулина (свиней) Включить вычислительное моделирование областей переменных антител. Антитело Rosetta - это новый _{F -области} прогнозирования структуры структуры сервер антитела , который включает в себя сложные методы для минимизации петлей CDR и оптимизации относительной ориентации световых и тяжелых цепей, а также гомологических моделей, которые предсказывают успешную стыковку антител с их уникальным антигеном. Однако описание сайта связывания антитела с использованием только одной единственной статической структуры ограничивает понимание и характеристику функции и свойств антитела. Чтобы улучшить прогнозирование структуры антител и принять во внимание тесно коррелированную цикл CDR и раздела движения раздела, паратопы антител должны быть описаны как межконвертирующие состояния в растворе с различными вероятностями.

Способность описывать антитело посредством сродства связывания с антигеном дополняется информацией о структуре антител и аминокислотных последовательностях с целью претензий по патентам. Было представлено несколько методов для вычислительной конструкции антител на основе структурных исследований биоинформатики CDR.

Существует множество методов, используемых для последовательности антитела, включая деградацию Эдмана , кДНК и т. Д.; Хотя одним из наиболее распространенных современных применений для идентификации пептида/белка является жидкая хроматография в сочетании с тандемной масс-спектрометрией (LC-MS/MS). Методы секвенирования антител высокого объема требуют вычислительных подходов для анализа данных, включая секвенирование DE novo непосредственно из тандемных масс -спектра и методы поиска в базе данных, которые используют существующие базы данных последовательностей белка . Многие версии секвенирования белка дробовика способны увеличить охват, используя CID/HCD/ETD Методы фрагментации и другие методы, и они достигли существенного прогресса в попытке полностью последовательно последовательно белков , особенно антител. Другие методы предполагали существование подобных белков, известная последовательность генома , или объединенные подходы сверху вниз и снизу вверх. Текущие технологии способны собирать белковые последовательности с высокой точностью путем интеграции De novo секвенирования пептидов , интенсивности и показателей по позициям в поисках базы данных и гомологии .

Антитело миметическое

Миметики антитела являются органическими соединениями, такими как антитела, которые могут специфически связывать антигены. Они состоят из искусственных пептидов или белков или молекул нуклеиновой кислоты на основе аптамеров с молярной массой от 3 до 20 кДа . Фрагменты антител, такие как FAB и нанободии, не рассматриваются как миметика антитела . Общие преимущества перед антителами являются лучшая растворимость, проникновение тканей, стабильность в направлении тепла и ферментов , а также сравнительно низкие затраты на производство. Миметики антитела разрабатываются и коммерциализируются в качестве исследований, диагностических и терапевтических агентов.

Блок связывания антител

BAU (единица связывания антител, часто как BAU/мл) - это единица измерения, определяемая ВОЗ для сравнения анализов, обнаруживающих один и тот же класс иммуноглобулинов с той же специфичностью.

Смотрите также

• Аффиман
• Антимитохондриальные антитела
• Антиядерные антитела
• Антитело миметическое
• Аптамер
• Молозиво
• Элиза
• Гуморальный иммунитет
• Иммунология
• Иммунодепрессивный препарат
• Внутривенное иммуноглобулин (IVIG)
• Магнитный иммуноанализ
• Микроантитела
• Моноклональное антитело
• Нейтрализующее антитело
• Оптимизируйте лиганд
• Вторичные антитела
• Однодоменное антитело
• Спектроскопия наклона
• Санзуальная
• Синтетическое антитело
• Вестерн -блот нормализация

Внешние ссылки

• Страница/функции иммуноглобулина Майка в Кембриджском университете
• Антитела в качестве молекулы PDB месяца Обсуждение структуры антител в банк данных белка RCSB
• Сто лет истории терапии антител и применения антител при лечении заболеваний в Оксфордском университете
• Как лимфоциты продуцируют антитела из клеток живыми!