+++
Estructura modular de los anticuerpos
++
Los anticuerpos son proteínas producidas por los linfocitos B y sus descendientes (células plasmáticas). Las primeras células incorporan anticuerpos en su membrana plasmática, donde sirven como receptores de antígenos, mientras que las segundas secretan estas proteínas a la sangre u otros líquidos corporales, donde sirven como un arsenal molecular en la guerra del cuerpo contra los patógenos invasores. La interacción entre los anticuerpos sanguíneos y los antígenos en la superficie de un virus o célula bacteriana puede neutralizar la capacidad del patógeno para infectar una célula hospedadora y facilitar la ingestión y la destrucción del microbio por parte de los fagocitos móviles. El sistema inmunitario produce millones de distintas moléculas de anticuerpos que, en conjunto, pueden unirse a cualquier sustancia ajena a la que se exponga el cuerpo. Aunque el sistema inmunitario muestra gran diversidad mediante los anticuerpos que produce, una sola de estas moléculas puede interactuar con sólo una o unas cuantas estructuras antigénicas relacionadas.
++
Los anticuerpos son proteínas globulares llamadas inmunoglobulinas; éstas se forman con dos tipos de polipéptidos, las cadenas pesadas más grandes (con una masa molecular de 50 000 a 70 000 daltones [Da]) y las cadenas ligeras más pequeñas (cuya masa molecular es de 23 000 Da). Los dos tipos de cadenas están unidos entre sí en pares mediante enlaces disulfuro. Se han identificado cinco clases distintas de inmunoglobulinas (IgA, IgD, IgE, IgG e IgM), que aparecen en momentos diversos después de la exposición a una sustancia extraña y tienen distintas funciones biológicas (cuadro 17.2). Las IgM son los primeros anticuerpos secretados por los linfocitos B después de la estimulación por un antígeno y aparecen en la sangre después de un intervalo de unos cuantos días (fig. 17.13). Dichos anticuerpos poseen una vida media relativamente corta (de cinco días) y su aparición va seguida de la secreción de IgG e IgE, que tienen una vida más prolongada. Las IgG son los anticuerpos que predominan en la sangre y la linfa durante una respuesta secundaria a la mayoría de los antígenos (fig. 17.13). Las moléculas de IgE son producidas en grandes cantidades en reacción a muchas parasitosis. Dichas moléculas también muestran gran afinidad para unirse a la superficie de células cebadas; ello induce la liberación de histamina, lo cual ocasiona inflamación y manifestaciones de alergia. IgA es el anticuerpo predominante en las secreciones de los aparatos respiratorio, digestivo y urogenital y protege sus recubrimientos mucosos, de la intervención de patógenos. No hay certeza de la función de IgD.
++
++
++
Existen dos tipos de cadenas ligeras, las kappa (κ) y las lambda (λ), ambas presentes en las inmunoglobulinas de las cinco clases. En cambio, cada clase de inmunoglobulina tiene una cadena pesada única que define a la clase (cuadro 17.2).2 La descripción actual se enfoca sobre todo en la estructura de las IgG. Una molécula de IgG está formada por dos cadenas ligeras y dos cadenas pesadas idénticas dispuestas en una molécula con forma de Y, como se muestra en la figura 17.14a y se describe a continuación.
++
++
Para determinar las bases de la especificidad de los anticuerpos, primero fue necesario identificar la secuencia de aminoácidos de varios anticuerpos específicos. En condiciones normales, el primer paso de la identificación de la secuencia de aminoácidos consiste en purificar la proteína particular a estudiar. Sin embargo, en condiciones normales es imposible obtener una preparación purificada de un anticuerpo específico de la sangre porque cada persona produce una gran cantidad de moléculas de anticuerpos distintos con estructuras demasiado similares para separarlas unas de otras. El problema se resolvió al descubrir que la sangre de pacientes que sufren un tipo de cáncer linfoide llamado mieloma múltiple contenía elevadas cifras de una sola molécula de anticuerpo.
++
Como se describe en el capítulo 16, el cáncer es una enfermedad monoclonal, es decir, que las células de un tumor provienen de la proliferación de una sola célula anormal. Puesto que, en condiciones normales, un linfocito sólo produce una especie única de anticuerpo, un paciente con mieloma múltiple libera grandes cantidades del anticuerpo específico que sintetiza la célula particular que se tornó maligna. Un sujeto genera una especie muy abundante de anticuerpo y otros individuos anticuerpos diferentes. Como resultado, los investigadores lograron purificar cantidades considerables de varios anticuerpos a partir de muchos pacientes y comparar su secuencia de aminoácidos. Pronto se reveló un patrón importante. Se observó que la mitad de cada cadena ligera κ tenía una secuencia constante de aminoácidos a lo largo de las cadenas de igual nombre, en tanto que la otra mitad variaba de un paciente a otro. Una comparación similar de secuencias de aminoácidos de muchas cadenas λ de distintos pacientes reveló que éstas también tienen una sección con una secuencia constante y otra que varía de una inmunoglobulina a otra. Las cadenas pesadas de la IgG purificada también poseen una porción variable (V) y otra constante (C). La figura 17.14b presenta un esquema de la estructura de estas moléculas de IgG.
++
Se observó además que, mientras casi la mitad de cada cadena ligera tiene una región variable (VL), sólo un cuarto de cada cadena pesada no es constante (VH) entre los distintos pacientes; los tres cuartos restantes de la cadena pesada (CH) son constantes en todas las IgG. La porción invariable de la cadena pesada puede dividirse en tres secciones de longitud similar que son homólogas entre sí. A estas unidades homólogas de Ig se les denomina CH1, CH2 y CH3 en la figura 17.14b. Al parecer, las tres secciones de la parte C de la cadena pesada de la IgG (así como las de las cadenas pesadas de las otras clases de Ig y las porciones C de las cadenas ligeras κ y λ) surgieron durante la evolución por duplicación de un gen ancestral que codificaba una unidad de Ig de unos 110 aminoácidos. También se cree que las regiones variables (VH o VL) surgieron durante la evolución a partir de la misma unidad Ig ancestral. El análisis estructural indica que cada una de las unidades Ig homólogas de una cadena pesada o una ligera se pliega de manera independiente para formar un dominio compacto que se mantiene unido mediante un enlace disulfuro (fig. 17.15). En una molécula intacta de IgG, cada dominio de la cadena ligera se relaciona con un dominio de la cadena pesada, como se muestra en la figura 17.14a,b. El análisis genético indica que cada dominio es codificado por su propio exón.
++
++
La especificidad de un anticuerpo depende de los aminoácidos de los sitios que se combinan con el antígeno, ubicados en los extremos de cada uno de sus brazos (fig. 17.14). Los dos sitios de combinación de una sola molécula de IgG son idénticos y cada uno se forma por la relación de la porción variable de una cadena ligera con la sección variable de una cadena pesada (fig. 17.14). El ensamble de anticuerpos con distintas combinaciones de cadenas ligeras y pesadas permite que una persona produzca una notoria variedad de anticuerpos a partir de una cantidad modesta de polipéptidos diferentes (pág. 715).
++
Una mirada más cercana a los polipéptidos de las inmunoglobulinas revela que las porciones variables de las cadenas pesadas y de las ligeras contienen subregiones que son muy variables, o hipervariables, de un anticuerpo a otro (marcadas como Hv en la fig. 17.15). Las cadenas ligeras y las pesadas contienen tres segmentos hipervariables que se aglomeran en los extremos de cada brazo de la molécula de anticuerpo. Como pudiera esperarse, las regiones hipervariables tienen una función importante en la formación de la estructura del sitio para combinación con un antígeno, cuya forma puede variar desde una hendidura profunda hasta una fisura angosta o un saco relativamente plano. Las variaciones de la secuencia de aminoácidos de las regiones hipervariables explican la gran diversidad de la especificidad de los anticuerpos, lo que permite a estas moléculas unirse a antígenos de todas las formas concebibles.
++
El sitio de combinación de un anticuerpo tiene una estructura estereoquímica complementaria con una porción particular del antígeno, llamado epítopo (o determinante antigénico). A causa de su ajuste preciso, los anticuerpos y los antígenos forman complejos estables, aunque se unen sólo mediante fuerzas covalentes que son muy débiles si se los considera en forma individual. La figura 17.16 muestra la interacción exacta entre un antígeno particular y un anticuerpo, demostrada por cristalografía por rayos X. Las dos regiones de bisagra dentro de la molécula (fig. 17.14) proporcionan la flexibilidad necesaria para que el anticuerpo se una a dos moléculas de antígeno separadas o a una sola molécula con dos epítopos idénticos.
++
++
En tanto que las porciones hipervariables de las cadenas ligeras y de las pesadas determinan la especificidad del sitio de combinación de un anticuerpo, las partes restantes de los dominios variables suministran un andamiaje que mantiene la estructura general del sitio de combinación. Las porciones constantes de las moléculas de anticuerpo también son relevantes. Las diferentes clases de anticuerpos (IgA, IgD, IgE, IgG e IgM) tienen cadenas pesadas distintas cuyas regiones constantes difieren de manera considerable en cuanto a su longitud y secuencia. Estas disimilitudes permiten a anticuerpos de varias clases realizar distintas funciones biológicas (efectoras). Por ejemplo, las cadenas pesadas de una molécula de IgM se unen y activan a una de las proteínas del sistema del complemento, lo cual conduce a la lisis de las bacterias a las que se unen dichos anticuerpos. Las cadenas pesadas de las moléculas IgE tienen una función importante en las reacciones alérgicas porque se unen a receptores específicos en las superficies de los mastocitos, lo que activa la liberación de histamina. En cambio, las cadenas pesadas de una molécula de IgG se unen de manera específica a los receptores de superficie de macrófagos y neutrófilos, lo que induce a estas células fagocíticas a ingerir la partícula a la que están unidos dichos anticuerpos. Las cadenas pesadas de las moléculas de IgG también son importantes para permitir que estos anticuerpos pasen de los vasos sanguíneos de una madre a los de su feto durante el embarazo. Aunque esto proporciona al embrión y al recién nacido inmunidad pasiva contra organismos infecciosos, también puede precipitar un trastorno que pone en riesgo la vida llamado eritroblastosis fetal. Para que ocurra este trastorno, una madre Rh− debe haber dado a luz a un hijo con fenotipo Rh+ (genotipo Rh+/Rh–) en un embarazo previo. Por lo general, la madre se expone al antígeno fetal Rh+ durante el parto del primer hijo, el cual no se ve afectado. Sin embargo, si la madre tuviera un segundo embarazo con un producto Rh+, los anticuerpos presentes en su corriente sanguínea pueden entrar a la circulación fetal y destruir los eritrocitos del embrión. Los productos con este trastorno deben recibir una transfusión de sangre antes de nacer (en el útero) o después del parto, lo cual elimina de su sangre los anticuerpos recibidos de su madre.
+++
Reestructuraciones del DNA que producen genes que codifican receptores de antígenos de linfocitos B y T
++
Como ya se explicó, cada molécula de IgG está formada por dos cadenas ligeras (L, light) y dos pesadas (H, heavy). Ambos tipos de polipéptidos consisten en dos partes reconocibles; una porción variable (V), cuya secuencia de aminoácidos difiere de una especie de anticuerpo a otra, y una región constante (C), cuya secuencia de aminoácidos es idéntica en todas las cadenas H o L de la misma clase. ¿Cuál es la base genética para la síntesis de polipéptidos con una combinación de secuencias de aminoácidos compartidas y únicas?
++
En 1965, William Dreyer, del California Institute of Technology, y J. Claude Bennett de la University of Alabama, presentaron la hipótesis de “dos genes–un polipéptido” para explicar la estructura de los anticuerpos. En esencia, Dreyer y Bennett propusieron que cada cadena de un anticuerpo está codificada por dos genes separados (denominados C y V) que de alguna manera se combinan para formar un “gen” continuo que codifica una sola cadena ligera o pesada. En 1976, Susumu Tonegawa (que trabajaba en un instituto de investigación en Basilea, Suiza) proporcionó evidencia clara a favor de la hipótesis del reordenamiento del DNA. En la figura 17.17 se muestra el esbozo básico del experimento, en el cual Tonegawa y col. compararon la longitud del DNA entre las secuencias de nucleótidos que codifican las porciones C y V de una cadena específica de anticuerpo en dos tipos distintos de células de ratón: células embrionarias tempranas y células de mieloma maligno productoras de anticuerpos. Los segmentos de DNA que codificaban las porciones C y V del anticuerpo se separaron en notorio grado en el DNA embrionario, pero se mantuvieron muy cercanas entre sí en el DNA obtenido de las células del mieloma productoras de anticuerpos (fig. 17.17). Tales observaciones sugirieron que los segmentos de DNA que codifican las partes de los anticuerpos se reajustaban durante la formación de las células productoras de dichas moléculas.
++
++
Investigaciones posteriores revelaron el reordenamiento preciso de las secuencias de DNA que dan origen a los genes de anticuerpos. Para simplificar la explicación, se consideran sólo las secuencias de DNA que intervienen en la formación de las cadenas ligeras κ humanas, que se localizan en el cromosoma 2. La organización de las secuencias en el DNA de la línea germinal (p. ej., el DNA de un espermatozoide o un óvulo) que participan en la formación de las cadenas ligeras κ humanas se muestra en la línea superior (paso 1) de la figura 17.18. En este caso, varios genes Vκ diferentes se localizan en una serie lineal y están separados de un solo gen Cκ por cierta distancia. El análisis de secuencia de nucleótidos de estos genes V indicó que son más cortos de lo necesario para codificar la región V de la cadena ligera κ. La razón quedó clara cuando se identificó la secuencia de otros segmentos de la región. El segmento de nucleótidos que codifica los 13 aminoácidos en el extremo carboxilo de una región V (denominado segmento J) se localiza a cierta distancia del resto de la secuencia del gen Vκ. Como se muestra en la figura 17.18, hay cinco segmentos Jκ distintos de secuencia de nucleótidos relacionada dispuestos en tándem. El cúmulo de segmentos Jκ está separado del gen Cκ por un fragmento adicional de más de 2 000 nucleótidos. Como se ilustra en la figura 17.18 (pasos 2 y 3), un gen V kappa completo se forma cuando un gen Vκ específico se une a uno de los segmentos Jκ con el DNA intermedio escindido. Este proceso lo cataliza un complejo proteínico llamado recombinasa V(D)J. Como se indica en la figura 17.18, la secuencia del gen Vκ generada por este reordenamiento de DNA aún está separado del gen Cκ por más de 2 000 nucleótidos. No ocurre un nuevo reordenamiento del DNA en el ensamble del gen κ antes de la transcripción; toda la región genética se transcribe en un gran transcrito primario (paso 4) de la cual se cortan los intrones mediante corte y empalme del RNA (paso 5).
++
++
El reordenamiento comienza cuando se hacen cortes en la cadena doble en el DNA entre un gen V y uno J. Los cortes se catalizan por un par de proteínas llamadas RAG1 y RAG2 que son parte de la recombinasa V(D)J. Luego, los cuatro extremos libres producidos se unen de tal forma que los segmentos codificadores V y J se unen para formar un exón que codifica la región variable de la cadena polipeptídica, mientras que los dos extremos del DNA intermedio se unen para crear una pequeña pieza circular de DNA que se desplaza del cromosoma (fig. 17.18, paso 3). La unión de los extremos rotos de DNA se realiza por el mismo proceso básico que se emplea para reparar las roturas en la cadena de DNA que se muestra en la figura 13.28.
++
El reordenamiento de las secuencias de DNA para Ig tiene notables consecuencias para un linfocito. Una vez que una secuencia Vκ específica se une a una secuencia Jκ determinada, esa célula no puede sintetizar ninguna otra especie de cadena κ. Se calcula que el DNA de las células germinales humanas contiene cerca de 40 genes Vκ funcionales. Por lo tanto, si se asume que cualquier secuencia V puede unirse a cualquier secuencia J, se espera que una persona pueda sintetizar cerca de 200 cadenas κ diferentes (cinco segmentos Jκκ 40 genes Vκ). Sin embargo, ésta no es la única fuente de diversidad entre estos polipéptidos. El sitio en el cual se une una secuencia J a una secuencia V puede variar un poco de un reordenamiento a otro, de manera que los mismos genes Vκ y Jκ pueden unirse en dos células diferentes para producir cadenas ligeras κ con distintas secuencias de aminoácidos. Se obtiene aún más variabilidad por la enzima desoxinucleotidil-transferasa, que inserta nucleótidos en los sitios de rotura de la cadena. Estas fuentes de variabilidad adicional incrementan la diversidad de las cadenas κ 10 veces más, lo que eleva el número por lo menos a 2 000 especies. El sitio en el que se unen las secuencias V y J es parte de una de las regiones hipervariables de cada polipéptido del anticuerpo (fig. 17.15). Por lo tanto, diferencias sutiles en un sitio de unión pueden tener efectos considerables en la interacción anticuerpo-antígeno.
++
La revisión se ha limitado a las cadenas ligeras κ por razones de sencillez. Se producen tipos similares de reordenamientos del DNA durante el compromiso de una célula con la síntesis de una cadena ligera λ particular y una cadena pesada específica. Mientras que las regiones variables de las cadenas ligeras se forman con dos segmentos distintos (V y J), las regiones variables de las cadenas pesadas se forman con tres segmentos diferentes (V, D y J) por reordenamientos similares. Antes del reordenamiento del DNA del locus de la cadena ligera se produce el mismo fenómeno en el locus de la cadena pesada.
++
El genoma humano contiene 51 segmentos VH, 25 segmentos DH y seis segmentos JH funcionales. Dada la diversidad adicional que deriva de la variabilidad de la unión VH–DH y DH–JH, una persona puede sintetizar por lo menos 100 000 cadenas pesadas diferentes. Los TCR también consisten en un tipo de cadena pesada y ligera, cuyas regiones variables se forman por un proceso similar de recombinación del DNA.
++
La formación de genes de anticuerpos mediante la reestructuración del DNA ilustra el potencial del genoma para participar en actividades dinámicas. A causa de este mecanismo de reordenamiento, unas cuantas secuencias de DNA presentes en la línea germinal pueden dar origen a una diversidad notable de productos génicos. Como se explicó antes, una persona sintetiza cerca de 2 000 especies diferentes de cadenas ligeras κ y 100 000 especies distintas de cadenas pesadas. Si cualquier cadena ligera κ puede combinarse con cualquiera pesada, una persona puede producir en teoría hasta más de 200 millones de especies de anticuerpos distintos a partir de unos cuantos cientos de elementos genéticos presentes en la línea germinal.3
++
Ya se describió cómo surge la diversidad de anticuerpos de: (1) la presencia de múltiples exones V, J y D en el DNA de la línea germinal, (2) la variabilidad de la unión entre V-J y V-D-J y (3) la inserción enzimática de nucleótidos. Un mecanismo adicional para generar la diversidad de anticuerpos, conocido como hipermutación somática, ocurre mucho después que se completa la recombinación del DNA. Cuando se reintroduce un antígeno específico en un animal después de cierto periodo, los anticuerpos producidos durante la respuesta secundaria tienen mucho mayor afinidad por su ligando que los generados durante la respuesta primaria. El aumento de afinidad se debe a pequeños cambios en la secuencia de aminoácidos de las regiones variables de las cadenas ligeras y pesadas del anticuerpo. Estos cambios en la secuencia son causados por mutaciones en los genes que codifican tales polipéptidos. Se calcula que los elementos reordenados del DNA que codifican las regiones V de los anticuerpos tienen una tasa de mutación 105 veces mayor que la de otros locus genéticos en la misma célula. Incluidos en el mecanismo responsable de este mayor nivel de mutación de la región V están (1) una enzima conocida como citosina desaminasa inducida por activación (AID, activation-induced cytosine deaminase), que transforma dichas bases nitrogenadas del DNA en residuos de uracilo (lo cual ocasiona apareamientos erróneos U:G y mutaciones ulteriores durante la reparación de DNA) y (2) una o más DNA polimerasas translesionales (pág. 569) que tienden a producir errores cuando se copia o repara DNA que contiene uracilos. Las personas que portan mutaciones en la AID y son incapaces de generar hipermutación somática se ven agobiadas por infecciones y a menudo mueren a edad temprana.
++
La hipermutación somática genera cambios aleatorios en las regiones V de los genes de Ig. Los linfocitos B cuyos genes producen moléculas de Ig con mayor afinidad por los antígenos se eligen de manera preferencial después de una nueva exposición a éstos. Las células seleccionadas proliferan para formar clones que se someten a rondas adicionales de mutación somática y selección, mientras que las células no seleccionadas que expresan inmunoglobulinas de baja afinidad sufren apoptosis. De esta manera, la respuesta de los anticuerpos a infecciones recurrentes o crónicas mejora mucho con el tiempo.
++
Una vez que una célula B se compromete a formar un anticuerpo específico, puede cambiar la clase de Ig que produce (p. ej., de IgM a IgG) mediante el cambio de la cadena pesada producida en la célula. Este proceso, conocido como cambio de clase, ocurre sin modificar el sitio de combinación de los anticuerpos sintetizados. Hay que recordar que hay cinco tipos diferentes de cadenas pesadas que se distinguen por sus regiones constantes. Los genes que codifican las regiones constantes de las cadenas pesadas (porciones CH) se aglomeran en un complejo, como se muestra en la figura 17.19. El cambio de clase se logra mediante el movimiento de un gen CH diferente al lado del gen VDJ que se había formado antes por el reordenamiento del DNA. El cambio de clase está bajo la dirección de citocinas secretadas por los linfocitos TH durante su interacción con la célula B que produce la molécula de anticuerpo. Por ejemplo, una célula TH que secreta IFN-λ induce un cambio en la célula B adyacente, de su síntesis inicial de IgM a la producción de una de las clases de IgG (fig. 17.13). El cambio de clase permite que un linaje de células B continúe la síntesis de anticuerpos con la misma especificidad, pero con distintas funciones efectoras (pág. 712).
++
+++
Complejos de receptores de antígenos unidos a la membrana
++
El reconocimiento de antígenos por los linfocitos B y T ocurre en la superficie celular. Un receptor de antígenos en una célula B (un receptor de las células B [BCR, B-cell receptor]) consiste en una inmunoglobulina unida a la membrana que se adhiere de manera selectiva a una porción de un antígeno intacto (p. ej., el epítopo) (fig. 17.20a). En cambio, el TCR (fig. 17.20b) reconoce y se une a un pequeño fragmento de un antígeno, casi siempre un péptido de unos siete a 25 aminoácidos de largo, que se mantiene en la superficie de otra célula (como se describe más adelante). Ambos tipos de receptores de antígenos son parte de grandes complejos proteínicos unidos a la membrana que incluyen proteínas invariables, como se muestra en la figura 17.20. Los polipéptidos invariables relacionados con los BCR y los TCR tienen una función clave en la transmisión de señales hacia el interior que inducen cambios en la actividad de los linfocitos B o T.
++
++
Cada subunidad de un TCR contiene dos dominios similares a Ig, lo que indica que comparten un ancestro común con los BCR. Al igual que las cadenas pesadas y las ligeras de las inmunoglobulinas, uno de los dominios similares a Ig de cada subunidad de un TCR tiene una secuencia de aminoácidos variable; el otro dominio tiene una secuencia aminoacídica constante (fig. 17.20). Estudios realizados con cristalografía por rayos X han demostrado que los dos tipos de receptores de antígenos también comparten una forma tridimensional similar.
+++
Complejo mayor de histocompatibilidad
++
Durante la primera parte del siglo xx, investigadores clínicos descubrieron que podía transfundirse sangre de una persona a otra, siempre que el grupo sanguíneo ABO de ambos individuos fuera compatible. El éxito de la transfusión condujo a la proposición de que también podía injertarse piel de un individuo en otro. Esta idea se probó durante la Segunda Guerra Mundial, cuando se intentó realizar injertos cutáneos en pilotos y otros militares que habían sufrido quemaduras graves. Los implantes se rechazaron de manera pronta y completa. Después de la guerra, los investigadores se dieron a la tarea de conocer la base del rechazo del tejido. Se descubrió que la piel podía trasplantarse con éxito entre ratones de la misma cepa endogámica, pero que los implantes entre roedores de distintas cepas se rechazaban. Los ratones de la misma cepa endogámica son como gemelos idénticos y tienen el mismo material genético. Estudios posteriores revelaron que los genes que regulan el rechazo de tejidos trasplantados se aglomeraban en una región del genoma que se denominó complejo mayor de histocompatibilidad (MHC, major histocompatibility complex). Se han caracterizado cerca de 20 genes distintos del MHC, la mayoría de los cuales son muy polimórficos: se identifican más de 7 000 alelos distintos de los genes del MHC (p. ej., HLA), muchos más que en cualquier otro locus del genoma humano. Por lo tanto, es muy improbable que dos individuos en una población tengan la misma combinación de alelos del MHC. Ésta es la razón por la que es tan probable que los órganos trasplantados se rechacen y por la que los pacientes deben recibir fármacos, como la ciclosporina A, para suprimir al sistema inmunitario después del trasplante. Dicho medicamento es un péptido cíclico producido por un hongo de tierra e inhibe una fosfatasa particular en la vía de señalización que conduce a la producción de las citocinas necesarias para la activación de los linfocitos T. Aunque estos fármacos ayudan a prevenir el rechazo de injertos, tornan a los individuos susceptibles a las infecciones oportunistas, por ejemplo las que afectan a las personas con enfermedades por inmunodeficiencia como el sida.
++
Es evidente que las proteínas codificadas por el MHC no evolucionaron para prevenir el trasplante indiscriminado de órganos, lo cual conduce a la pregunta sobre su función normal. Mucho después de su descubrimiento como antígenos de trasplante, se demostró que las proteínas del MHC participan en la presentación de antígenos. Algunos de los experimentos clave que condujeron a la comprensión actual de dicha función se explican en la sección “Vías experimentales” al final de este capítulo.
++
Ya se mencionó que los linfocitos T se activan por un antígeno que antes se dividió en pequeños péptidos y que se presenta en la superficie de una APC. Estos pequeños fragmentos de antígeno se mantienen en la superficie de las APC sujetos por las proteínas del MHC. Cada especie de molécula del MHC puede unirse a una gran cantidad de péptidos distintos que comparten rasgos estructurales que les permiten ajustarse en su sitio de unión (fig. 17.24). Por ejemplo, todos los péptidos capaces de unirse a una proteína codificada por un alelo del MHC particular, como HLA-B8, pueden contener un aminoácido específico en cierta posición, lo cual les permite ajustarse en el surco de unión para el péptido.
++
En virtud de que cada individuo expresa varias proteínas del MHC distintas (como en la fig. 17.21a), y que cada variante de dicho complejo puede unirse con una gran cantidad de péptidos diferentes (como en la fig. 17.21b), una célula dendrítica o un macrófago deben ser capaces de presentar una gran variedad de péptidos. Al mismo tiempo, no todas las personas son capaces de presentar todos los péptidos posibles en forma eficaz, lo cual se considera un factor importante para establecer las diferencias de susceptibilidad en una población a distintas enfermedades infecciosas, incluido el sida. Por ejemplo, el alelo HLA-B*35 se relaciona con una progresión rápida a sida declarado, y el alelo HLA-DRB1*1302 se vincula con resistencia a cierto tipo de paludismo e infección por hepatitis B. Los alelos del MHC presentes en una determinada población han sido moldeados por selección natural. Las personas con alelos del MHC más adecuados para presentar péptidos de un agente infeccioso particular tienen mayor probabilidad de sobrevivir a una infección por ese patógeno. Por el contrario, los individuos que carecen de estos alelos tienen mayor probabilidad de morir sin transmitirlos a sus descendientes. Como resultado, las poblaciones tienden a ser más resistentes a las enfermedades a las que se expusieron sus ancestros. Esto podría explicar por qué las poblaciones nativas norteamericanas fueron devastadas por ciertas patologías, como el sarampión (que sólo produce síntomas leves en personas con ancestros europeos).
++
++
Todo el proceso de la inmunidad mediada por linfocitos T se basa en que los pequeños péptidos derivados de las proteínas de un patógeno tienen estructura diferente respecto de los que provienen de las proteínas del hospedador. Por consiguiente, uno o más péptidos mantenidos en la superficie de una APC sirven como una pequeña representación del patógeno, proporcionando a las células del sistema inmunitario un “vistazo” del tipo de patógeno que está oculto dentro del citoplasma de la célula infectada. Casi todas las células del cuerpo pueden funcionar como APC. La mayor parte presenta el antígeno como una actividad incidental que alerta al sistema inmunitario sobre la presencia de un patógeno, pero algunas APC profesionales (p. ej., células dendríticas, macrófagos y células B) se especializan en esta función, como se explica más adelante en este capítulo.
++
Para que un linfocito T interactúe con una APC, sus TCR se acoplan con las moléculas del MHC que se proyectan en la superficie de la célula presentadora de antígenos (fig. 17.22). Esta interacción pone al TCR de un linfocito T en una orientación que le permite reconocer el péptido específico presentado dentro de una hendidura de una molécula de MHC. La interacción entre las proteínas del complejo mayor de histocompatibilidad y los TCR se fortalece por los contactos adicionales que se forman entre los componentes de la superficie celular, como ocurre entre las moléculas CD4 o CD8 en una célula T y las proteínas MHC en una APC (fig. 17.22). Esta región especializada que se desarrolla ante un linfocito T y una APC se conoce como sinapsis inmunitaria.
++
Las proteínas del MHC pueden subdividirse en dos grupos principales, moléculas MHC clase I y de clase II. Las primeras consisten en una cadena polipeptídica codificada por un alelo del MHC (conocido como la cadena pesada) relacionado en forma no covalente con un polipéptido no MHC denominado microglobulina β2 (fig. 1, pág. 729). Las diferencias en la secuencia de aminoácidos de la cadena pesada son las causantes de los drásticos cambios en la forma de la hendidura de unión a péptidos de la molécula. Las moléculas de MHC clase II también consisten en un heterodímero, pero ambas subunidades están codificadas por alelos del MHC. Ambas clases de moléculas de MHC, así como la microglobulina β2, contienen dominios similares a Ig y, por lo tanto, son miembros de la superfamilia de las inmunoglobulinas. En tanto que la mayoría de las células del cuerpo expresa moléculas de MHC clase I en su superficie, las MHC clase II lo hacen sobre todo en las APC profesionales.
++
++
Los dos tipos de moléculas de MHC presentan antígenos provenientes de distintos sitios de una célula, aunque pueden ocurrir superposiciones. Las moléculas de MHC clase I son las principales encargadas de presentar antígenos que se originan en el citosol de una célula, esto es, proteínas endógenas. En cambio, las moléculas MHC clase II presentan sobre todo fragmentos de antígenos exógenos que ingresan a las células por fagocitosis. Las vías propuestas por las cuales estas dos clases de moléculas de MHC captan y presentan sus fragmentos de antígeno en la membrana plasmática se describen a continuación y se muestran en la figura 17.23.
++
Procesamiento de complejos péptido-MHC clase I (fig. 17.23a). Los antígenos localizados en el citosol de una APC se degradan hasta pequeños péptidos por la acción de proteasas que forman parte de los proteasomas celulares (pág. 541). Estas enzimas dividen proteínas citosólicas en fragmentos de unos ocho a 10 residuos de largo, adecuados para unirse a una hendidura de una molécula de MHC clase I (fig. 17.24a). Luego, los péptidos se transportan a través la membrana del retículo endoplásmico rugoso y hacia la luz de éste mediante una proteína dimérica llamada TAP (fig. 17.23a). Una vez dentro del retículo endoplásmico, el péptido puede unirse a una molécula de MHC clase I recién sintetizada, que es una proteína integral de la membrana del retículo endoplásmico (ER, endoplasmic reticulum). El complejo MHC-péptido se mueve por la vía biosintética (fig. 8.2b) hasta llegar a la membrana plasmática, donde se presenta el péptido.
Procesamiento de los complejos péptido-MHC clase II (fig. 17.23b). Las moléculas de MHC clase II también se sintetizan como proteínas de membrana del retículo endoplásmico rugoso (RER, rough endoplasmic reticulum), pero se unen de manera no covalente a una proteína llamada Ii, que bloquea el sitio de unión a péptidos de la molécula de MHC (fig. 17.23b). Después de su síntesis, el complejo MHC clase II-Ii sale del retículo endoplásmico por la vía biosintética, guiado por secuencias directrices localizadas dentro del dominio citoplásmico de Ii. Se cree que las moléculas de MHC de las clases I y II se separan unas de otras en la red trans del aparato Golgi (TGN, trans Golgi network), que es el compartimiento principal de clasificación en la vía biosintética (pág. 298). Un complejo péptido-MHC clase I se dirige a la superficie celular, en tanto que otro complejo Ii-MHC clase II se transporta al interior de una vesícula de transporte que se fusiona con un lisosoma. Ahí, la proteína Ii es digerida por proteasas ácidas y queda sólo un pequeño fragmento (CLIP) que queda dentro del surco de unión a péptidos. Más adelante hay un intercambio de CLIP con uno de los péptidos producidos por la digestión de los antígenos que se llevaron al interior de la célula por endocitosis (fig. 17.23b).4 Después, el complejo péptido-MHC clase II se traslada a la membrana plasmática, donde se presenta (como se muestra en la figura 17.24b).
++
++
++
Una vez en la superficie de una APC, las moléculas de MHC dirigen la interacción de la célula con los distintos tipos de linfocitos T (fig. 17.22). Los CTL reconocen su antígeno cuando está relacionado con una molécula de MHC clase I; se dice que están restringidos al MHC clase I. En circunstancias normales, las células del cuerpo que entran en contacto con los CTL presentan fragmentos de sus propias proteínas normales unidas a moléculas de MHC clase I. Las células normales que presentan fragmentos de proteínas sin alteraciones son ignoradas por los linfocitos T, puesto que los CTL capaces de unirse con gran afinidad con péptidos derivados de las proteínas celulares normales se eliminan durante su desarrollo en el timo. En cambio, cuando una célula está infectada, presenta fragmentos de las proteínas virales unidos a moléculas de MHC clase I. Estas células son reconocidas por CTL que tienen TCR cuyos sitios de unión son complementarios con los péptidos virales y las células infectadas se destruyen. Es probable que la presentación de un solo péptido ajeno en la superficie de una célula sea suficiente para suscitar el ataque de un CTL. Como virtualmente todas las células del cuerpo expresan moléculas de MHC clase I en su superficie, los CTL pueden combatir una infección sin importar el tipo de tejido afectado. Dichos linfocitos también reconocen y destruyen células que presentan proteínas anormales (mutadas) en su superficie, lo cual participa en la eliminación de células tumorales capaces de poner en riesgo la vida.
++
A diferencia de los CTL, los linfocitos T coadyuvantes reconocen a su antígeno cuando éste se encuentra unido a moléculas de MHC clase II; se dice que están restringidos al MHC clase II. Como consecuencia, dichos leucocitos se activan sobre todo por medio de antígenos exógenos (p. ej., extracelulares) (fig. 17.23b), como los que forman parte de las paredes celulares de las bacterias o sus toxinas. Las moléculas de MHC clase II se encuentran en particular en los linfocitos B, las células dendríticas y los macrófagos. Éstas son las células linfoides que ingieren materiales extraños extracelulares y presentan fragmentos de éstos a los linfocitos T cooperadores. Cuando estos últimos se activan de dicha manera, pueden estimular a los linfocitos B para producir anticuerpos solubles, que se unen a antígenos exógenos siempre que se localicen en el cuerpo.
+++
Distinción entre lo propio y lo ajeno
++
Los linfocitos T obtienen su identidad en el timo. Cuando una célula germinal migra de la médula ósea a dicho órgano, carece de proteínas superficiales que medien la función de célula T, en especial los TCR. Los linfocitos T proliferan en el timo para generar una población de precursores de los mismos. Después, cada una de estas células se somete a recombinaciones de DNA que le permiten producir un TCR específico. Luego, tales células se someten a un proceso complejo de detección en el timo en el que se seleccionan las células con receptores de linfocitos T potencialmente útiles (fig. 17.25). Estudios sugieren que las células epiteliales del timo producen pequeñas cantidades de una gran variedad de proteínas que en condiciones normales se limitan a otros tejidos en el cuerpo. La producción de estos antígenos histoespecíficos está bajo el control de un regulador de transcripción especial (llamado AIRE) que se encuentra sólo en el timo. Según este modelo, dicho órgano recrea un ambiente en el cual los linfocitos T en desarrollo pueden obtener muestras de proteínas que contienen una enorme variedad de los epítopos únicos del cuerpo. Los linfocitos T cuyos TCR tengan gran afinidad por los péptidos derivados de las propias proteínas corporales se destruyen (fig. 17.25a). Este proceso de selección negativa reduce en gran medida la probabilidad de que el sistema inmunitario ataque los tejidos propios del cuerpo. Las personas que carecen de un gen AIRE funcional sufren una enfermedad autoinmunitaria grave (llamada APECED), en la que muchos órganos experimentan ataques inmunitarios.
++
++
La generación de linfocitos T requiere más que selección negativa. Cuando un TCR interactúa con una proteína ajena en la superficie de una APC, debe reconocer tanto al péptido como a la molécula de MHC que lo sostiene (pág. 728). Por consiguiente, las células cuyos TCR no reconocen a las moléculas de MHC propias tienen poco valor. El sistema inmunitario detecta tales células al requerir que los linfocitos T reconozcan con baja afinidad a complejos MHC propio-péptido propio. Los linfocitos T cuyos TCR son incapaces de reconocer los complejos MHC propios mueren dentro del timo por falta de señales de crecimiento, un proceso denominado “muerte por abandono” (fig. 17.25b). En cambio, los linfocitos T cuyos TCR muestran un reconocimiento débil (baja afinidad) hacia los complejos que incluyen moléculas propias y MHC se estimulan para que permanezcan vivos, pero no se activan (fig. 17.25c). Este proceso de supervivencia selectiva se conoce como selección positiva. Se calcula que menos de 5% de las células T tímicas sobreviven estos eventos de escrutinio.5
++
Se piensa que las células que reconocen moléculas de MHC clase I se convierten en linfocitos T citotóxicos (CD4− CD8+), y las que identifican moléculas de MHC clase II se convierten en linfocitos T cooperadores (CD4+CD8−). Estos dos tipos de leucocitos salen del timo y circulan durante lapsos prolongados por la sangre y la linfa. En esta etapa se describen como linfocitos T vírgenes (naïve) porque aún no han entrado en contacto con el antígeno específico con el que puede unirse su TCR. A medida que pasan por los tejidos linfoides, dichos linfocitos entran en contacto con varias células que mantienen su supervivencia en un estado de reposo o inducen su activación.
++
Conforme se filtran a través de los ganglios linfáticos y otros tejidos, los linfocitos T exploran las superficies de las células en busca de un péptido inapropiado unido a una molécula de MHC. Los linfocitos T CD4+ se activan por un péptido ajeno unido a una molécula de MHC clase II, mientras que los linfocitos T CD8+ se activan con proteínas extrañas unidas a una molécula de MHC de clase I. Los linfocitos T CD8+ también responden con intensidad a las células que tienen moléculas de MHC ajenas, como las células de un órgano trasplantado de un donador no compatible. En este último caso, inician un amplio ataque contra las células del injerto, lo cual puede producir el rechazo del órgano. En condiciones fisiológicas normales, se impide la activación de los linfocitos autorreactivos (p. ej., linfocitos capaces de reaccionar contra los tejidos propios del cuerpo) mediante varios mecanismos poco comprendidos que operan fuera del timo, en los tejidos periféricos. Como se expone en la sección “Perspectiva humana”, la transgresión de tales mecanismos de tolerancia periférica culmina en la generación de autoanticuerpos y células T autorreactivas capaces de originar daño hístico crónico.
+++
Los linfocitos se activan por señales en la superficie celular
++
Los linfocitos se comunican con otras células mediante matrices de proteínas de la superficie celular. Como se explicó antes, la activación de un linfocito T requiere la interacción entre su TCR y un complejo péptido-MHC localizado en la superficie de otra célula. Dicha interacción brinda especificidad, la cual asegura sólo la inducción de los linfocitos T que puedan unirse al antígeno. La activación también requiere una segunda indicación, llamada señal coestimuladora, que proviene de un segundo tipo de receptor en la superficie de una célula T. Dicho receptor es distinto y está separado del TCR. A diferencia de este último, el receptor que emite la señal coestimuladora no es específico para un antígeno particular y no necesita unirse a una molécula de MHC. De estas interacciones, la más estudiada es la que sucede entre los linfocitos T cooperadores y las células presentadoras de antígenos profesionales (p. ej., células dendríticas y macrófagos).
+++
Activación de los linfocitos T cooperadores (TH) por las APC profesionales
++
Los linfocitos TH reconocen fragmentos de antígenos que se alojan en la hendidura de unión de las moléculas de MHC clase II localizadas en la superficie de las células dendríticas y los macrófagos. Una señal coestimuladora llega a la célula TH como resultado de la interacción entre una proteína, conocida como CD28, localizada en su superficie y un miembro de la familia B7 de proteínas ubicado en el exterior de la APC (fig. 17.26a). Después que la célula presentadora fagocita el antígeno y lo expone, aparece la proteína B7 en la superficie de ésta. Si la célula TH no recibe esta segunda señal de la APC, en lugar de activarse se vuelve no reactiva (anérgica) o se destina a la apoptosis (se elimina). Como las APC profesionales son las únicas células capaces de emitir una señal coestimuladora, sólo ellas pueden iniciar una respuesta de los linfocitos TH. Como resultado, las células normales del cuerpo que tienen proteínas capaces de combinarse con los TCR de un linfocito T no pueden activar a las células TH. Por lo tanto, la necesidad de dos señales de activación de una célula TH protege a las células normales del cuerpo de un ataque autoinmunitario por parte de las células Th.
++
++
Antes de su interacción con una APC, una célula TH puede describirse como una célula en reposo, es decir, que se retiró del ciclo celular (una célula en G0, pág. 574). Una vez que recibe la doble señal de activación, una célula TH se estimula para reingresar a la fase G1 del ciclo celular y al final pasar por la fase S hasta experimentar mitosis. Por lo tanto, la interacción de los linfocitos T con un antígeno específico induce la proliferación (expansión clonal) de las células capaces de responder a ese antígeno. Además de inducir la división celular, la activación de una célula TH hace que sinteticen y secreten citocinas (en particular IL-2). Las citocinas producidas por linfocitos TH activados actúan sobre ellos mismos y otras células del sistema inmunitario (incluidas las células B y los macrófagos). El cuadro 17.1 muestra la fuente y la función de varias citocinas.
++
En este capítulo se revisó cómo las respuestas inmunitarias son estimuladas por ligandos que activan las vías de señalización de los receptores. Sin embargo, muchos de estos fenómenos también dependen de estímulos inhibidores, de tal manera que la respuesta final de la célula depende del equilibrio entre las influencias positivas y las negativas. Por ejemplo, la interacción entre CD28 y una proteína B7 emite una señal positiva para la célula T, lo cual conduce a su activación y hace que se desplace una proteína llamada CTLA4 de las membranas intracelulares a la superficie celular. La estructura de CTLA4 es semejante a la de CD28 y también interactúa con proteínas B7 de las APC. Sin embargo, a diferencia de la interacción de CD28-B7, el contacto entre CTLA4 y B7 culmina en la inhibición de la respuesta de los linfocitos T y no en su activación. Se piensa que CTLA4 participa en la conservación de la tolerancia de linfocitos T periféricos. La necesidad de equilibrio entre la activación y la inhibición es más evidente en ratones que se modificaron mediante ingeniería genética para que no tuvieran el gen que codifica CTLA4. Estos animales mueren como consecuencia de una proliferación masiva de linfocitos T. Como se hace notar en la página 726, en fecha reciente se dio uso clínico al conocimiento sobre la función de CTLA4.
+++
Activación de linfocitos B por linfocitos TH
++
Los linfocitos TH se unen a células B cuyos receptores reconocen al mismo antígeno. Al principio, éste se une a la inmunoglobulina (BCR) localizada en la superficie de las células B. Los antígenos captados por estas últimas pueden ser proteínas solubles del medio extracelular o péptidos unidos a la membrana plasmática de otras células. En el segundo caso, la célula B obtiene el antígeno extendiéndose sobre la superficie externa de la célula blanco y reuniendo los complejos BCR-antígeno en una masa central. Luego, el antígeno unido se introduce a la célula B, donde se procesa por medios enzimáticos y sus fragmentos se presentan combinados con moléculas de MHC clase II (fig. 17.26b). El linfocito B que mostró péptidos antigénicos recluta a una célula TH con un TCR apropiado (cognado). El reconocimiento del fragmento peptídico por el TCR conduce a la activación de la célula TH, la cual responde mediante activación de la célula B. Esta activación ocurre después de la transmisión de varias señales de la célula TH a la célula B. Algunas de estas señales se transfieren en forma directa de una superficie celular a la otra mediante la interacción entre proteínas complementarias, como CD40 y el ligando de CD40 (CD40L) (fig. 17.26b). La unión de CD40 y CD40L genera señales que ayudan a la célula B a pasar del estado G0 al ciclo celular. Otras señales se transmiten por citocinas liberadas por la célula T hacia el espacio que la separa de la célula B cercana. Este proceso es parecido a la forma en que los neurotransmisores actúan a través de una sinapsis neural (pág. 169). Las citocinas que liberan los linfocitos T hacia la “sinapsis inmunitaria” incluyen IL-4, IL-5, IL-6 e IL-10. Se cree que la interleucina 4 estimula a la célula B para cambiar de la producción de la clase IgM a la clase IgG o IgE. Otras citocinas inducen la proliferación, la diferenciación y las actividades secretoras de los linfocitos B.
+++
Vías de transducción de señales en la activación de linfocitos
++
En el capítulo 15 se explica la manera en que las hormonas, los factores de crecimiento y otros mensajeros químicos se unen a receptores en las superficies externas de las células blanco, para iniciar un proceso de transducción de señales que transfiere información a los compartimientos internos de la célula. En ese capítulo se explica el modo en el que una gran variedad de moléculas mensajeras extracelulares transmite información por unas cuantas vías de transducción de señales. La estimulación de los linfocitos ocurre por un mecanismo similar y emplea muchos de los mismos componentes utilizados por las hormonas y los factores de crecimiento que actúan sobre otros tipos de células.
++
Cuando una célula T es activada por una célula dendrítica, una célula B o un linfocito TH, las señales se transmiten de la membrana plasmática al citoplasma mediante tirosinas cinasas, similares a las señales descritas en el capítulo 15 para la insulina y los factores de crecimiento. A diferencia de los receptores para las moléculas mencionadas (pág. 638), los receptores de antígenos de los linfocitos carecen de actividad inherente de tirosina cinasa. En lugar de ello, la unión de los receptores de antígenos a sus ligandos induce el reclutamiento de moléculas citoplásmicas de tirosina cinasa hacia la superficie interna de la membrana plasmática. Se cree que este proceso se facilita por el movimiento de receptores activados hacia las balsas lipídicas (pág. 139). Se han referido tirosinas cinasas distintas en la transducción de señales durante la activación de los linfocitos, incluidos miembros de las familias Src y Tec. Src fue la primera tirosina cinasa en identificarse y es el producto del primer oncogén causante de cáncer que se descubrió (pág. 696).
++
La activación de estas enzimas inicia una cascada de eventos y la activación de muchas vías de transducción de señales, incluidas las siguientes:
++
Activación de la fosfolipasa C, que da origen a la formación de trifosfato de inositol y diacilglicerol. Como se explica en la página 630, el trifosfato de inositol causa un aumento marcado de los niveles de Ca2+ citosólico, mientras que el diacilglicerol estimula la cinasa de proteína C.
Activación de Ras, que deriva en la activación de la cascada de cinasas de MAP (pág. 640).
Activación de PI3K, que cataliza la formación de mensajeros lipídicos unidos con la membrana que tienen diversas funciones en la célula (pág. 645).
++
La transmisión de señales por estas vías diversas y otras más conduce a la activación de varios factores de transcripción (p. ej., NF-κB y NFAT) así como a la transcripción resultante de docenas de genes que no se expresan en los linfocitos B o T en reposo.
++
Como se mencionó antes, una de las respuestas más importantes de un linfocito activado es la producción y secreción de citocinas, algunas de las cuales pueden actuar de nueva cuenta sobre la célula que las liberó. Al igual que otras señales extracelulares, las citocinas se unen a receptores ubicados en la superficie de las células blanco, lo que genera señales citoplásmicas que actúan en varios blancos intracelulares. Las citocinas usan una vía nueva de transducción de señales conocida como vía JAK-STAT, que opera sin la participación de segundos mensajeros. La porción “JAK” del nombre es un acrónimo para cinasas de Jano, una familia de tirosinas cinasas citoplásmicas cuyos miembros se activan después de la unión de una citocina a un receptor en la superficie celular. (Jano era un dios romano de dos caras que protegía las entradas y las puertas.) STAT es el acrónimo de “transductores de señales y activadores de la transcripción” (signal transducers and activators of transcription), una familia de factores de transcripción que se activan cuando uno de sus residuos de tirosina se fosforila por efecto de una JAK (fig. 15.19c). Una vez fosforiladas, las moléculas STAT interactúan para formar dímeros que se trasladan del citoplasma al núcleo, donde se unen a secuencias específicas de DNA, como un elemento de respuesta estimulado por interferón (ISRE, interferon-stimulated response element). Estas moléculas se encuentran en las regiones reguladoras de alrededor de una docena de genes que se activan cuando la célula se expone a interferón α (IFN-α).
++
Como sucede con las hormonas y los factores de crecimiento que se describieron en el capítulo 15, la respuesta específica de una célula depende del receptor de citocina particular que participe y de las JAK y los STAT específicos que se encuentren en esa célula. Por ejemplo, ya se mencionó que IL-4 induce el cambio de clase de inmunoglobulina presente en los linfocitos B. Esta respuesta sigue a la fosforilación inducida por IL-4 del factor de transcripción STAT6, que se halla en el citoplasma de los linfocitos B activados. La resistencia a las infecciones virales inducida por interferones (pág. 703) está mediada por la fosforilación de STAT1. La adición de grupos fosfato a otras moléculas STAT puede inducir que la célula blanco continúe con el ciclo celular.
++
REVISIÓN
Dibuje la estructura básica de una molécula de IgG unida al epítopo de un antígeno. Señale las cadenas pesadas y las ligeras; las regiones variables y las constantes de cada cadena, y las regiones que contienen las secuencias hipervariables.
Dibuje la organización básica de los genes de la línea germinal que participan en la codificación de las cadenas ligeras y las pesadas de una molécula de IgG. ¿En qué difiere de su disposición en el genoma de una célula productora de anticuerpos?, ¿qué pasos suceden para producir esta recombinación de DNA?
Mencione tres mecanismos que contribuyan a la variabilidad en las regiones V de las cadenas de los anticuerpos.
Compare y analice la estructura de los receptores de antígenos en los linfocitos B y los T.
Describa los pasos del procesamiento de un antígeno citosólico en una APC. ¿Cuál es la función de las proteínas del MHC en este proceso?
Mencione las similitudes y las diferencias de las funciones de una molécula de MHC clase I y una de clase II. ¿Qué tipos de APC utiliza cada MHC y qué tipos de células las reconocen?
Describa los pasos comprendidos entre la etapa en que un macrófago ingiere una bacteria y la fase en la que las células plasmáticas producen anticuerpos que se unen a la bacteria y neutralizan su capacidad infecciosa.
++
PERSPECTIVA HUMANA Enfermedades autoinmunitarias
El sistema inmunitario requiere interacciones complejas y muy específicas entre muchos tipos diferentes de células y moléculas. Deben ocurrir muchos fenómenos para que pueda iniciarse una respuesta inmunitaria humoral o una mediada por células, lo cual hace a estos procesos susceptibles de interrupción en varias etapas por interferencia de muchos factores. Entre los diversos tipos de disfunciones inmunitarias figuran las enfermedades autoinmunitarias, que se producen cuando el cuerpo establece una respuesta inmunitaria contra una parte de sí mismo. Se han caracterizado más de 80 de estos padecimientos que afectan a casi 5% de la población.
Como la especificidad de los receptores de antígenos de los linfocitos T y de los B se establece por un proceso de recombinación génica aleatoria, es inevitable que algunos miembros de estas poblaciones celulares tengan receptores dirigidos contra las propias proteínas del cuerpo (antígenos propios). Los linfocitos que se unen a los antígenos propios con gran afinidad tienden a eliminarse de la población linfocitaria, lo que torna al sistema inmunitario tolerante a sí mismo. Sin embargo, algunos de los linfocitos autorreactivos generados en el timo y la médula ósea escapan de los procesos de selección negativa del cuerpo, lo que les confiere el potencial para atacar tejidos normales del cuerpo. En individuos sanos es fácil demostrar la presencia de linfocitos B y T capaces de reaccionar contra los tejidos del cuerpo. Por ejemplo, cuando se aíslan linfocitos T de la sangre y se tratan in vitro con una proteína propia normal, junto con la citocina IL-2, es probable que una pequeña cantidad de células de la población prolifere para formar un clon que reacciona con el antígeno propio. De igual manera, si se inyectan animales de laboratorio con una proteína propia purificada junto con un coadyuvante, que es una sustancia inespecífica que intensifica la respuesta al antígeno inyectado, los organismos establecen una respuesta inmunitaria contra los tejidos en los que se encuentra esa proteína. En circunstancias normales, los linfocitos B y los T capaces de reaccionar contra antígenos propios se inhiben mediante linfocitos TReg para antígenos específicos (pág. 710) o mediante otros mecanismos supresores. Cuando estos métodos fallan, una persona puede sufrir una enfermedad autoinmunitaria, incluidas las que se describen a continuación.
La esclerosis múltiple (MS, multiple sclerosis) es una enfermedad inflamatoria crónica que casi siempre afecta a adultos jóvenes, causando daño neurológico grave y a menudo progresivo. La MS se debe al ataque por células inmunitarias y anticuerpos contra la vaina de mielina que rodea los axones de las células nerviosas (pág. 167). Estas envolturas forman la sustancia blanca del sistema nervioso central. La desmielinización de los nervios ocasionada por este ataque inmunitario interfiere con la transmisión de impulsos nerviosos a lo largo de los axones, lo que disminuye la función visual, causa problemas para la coordinación motora y ocasiona alteraciones en la sensibilidad. Una enfermedad similar a la esclerosis múltiple, llamada encefalomielitis alérgica experimental, puede inducirse en animales de laboratorio mediante la inyección de proteína básica de mielina, un componente principal de la membrana plasmática de las células de Schwann. Sin embargo, se han planteado dudas en cuanto a la validez de este modelo y otros modelos murinos de enfermedades autoinmunitarias de humanos, porque los agentes que han sido eficaces para tratar a los ratones afectados, no generan una situación equivalente en relación con el tratamiento eficaz en humanos.
La diabetes tipo 1 (T1D, type 1 diabetes) surge por lo general en niños y es consecuencia de la destrucción autoinmunitaria de las células β productoras de insulina del páncreas. La eliminación de éstas es mediada por linfocitos T autorreactivos, cuya proliferación puede ser estimulada por una infección viral. En la actualidad, los enfermos de T1D reciben dosis diarias de insulina. La hormona les permite sobrevivir, pero ellos aún presentan enfermedades degenerativas de los riñones, el bazo y la retina. En forma típica, los pacientes poseen una fracción importante de sus células β pancreáticas, (por ejemplo 10 a 20%) para la fecha en que se les diagnostica la enfermedad. Se espera que se creen nuevos tratamientos para frenar la desaparición de tales células y quizá incluso aumentar el número de ellas en el páncreas. Como ocurre con MS, a menudo se utiliza un modelo murino para estudiar la T1D, llamado ratones diabéticos no obesos (NOD, non-obese diabetic) para valorar fármacos en estudios preclínicos.
La enfermedad de Graves y la tiroiditis son anomalías autoinmunitarias de la tiroides que producen síntomas muy distintos. En la primera, el blanco del ataque inmunitario es el receptor para hormona estimulante de la tiroides (TSH, thyroid-stimulating hormone) en la superficie de las células tiroideas que en condiciones normales se une con la TSH proveniente de la hipófisis. En los sujetos con esta anomalía, los autoanticuerpos se unen al receptor de TSH, lo que causa estimulación prolongada de las células tiroideas y produce hipertiroidismo (aumento de las concentraciones sanguíneas de hormonas tiroideas). La tiroiditis (o tiroiditis de Hashimoto) es consecuencia del ataque inmunitario contra una o más de las proteínas comunes de las células tiroideas, incluida la tiroglobulina. La destrucción resultante de la glándula tiroides da origen al hipotiroidismo (disminución de las concentraciones sanguíneas de hormonas tiroideas).
La artritis reumatoide afecta a casi 1% de la población y se caracteriza por la destrucción progresiva de las articulaciones por una cascada de respuestas inflamatorias. En una articulación normal, la membrana que recubre la cavidad sinovial sólo tiene una capa de grosor. En las personas con artritis reumatoide, esta membrana se inflama y engruesa por la infiltración de células inmunitarias autoreactivas y autoanticuerpos en la articulación. Con el tiempo el cartílago se sustituye por tejido fibroso, lo cual causa inmovilización de la articulación.
El lupus eritematoso sistémico (SLE, systemic lupus erythematosus) deriva su nombre (“lobo rojo”) del exantema que aparece en las mejillas de los pacientes durante las etapas iniciales de evolución (fig. 1). A diferencia de las otras enfermedades autoinmunitarias descritas antes, el SLE pocas veces se limita a un órgano particular. En cambio, ataca tejidos de todo el cuerpo, incluido el sistema nervioso central, los riñones y el corazón. El suero de los pacientes con SLE contiene anticuerpos dirigidos contra varios componentes que se encuentran en los núcleos de las células, incluidas ribonucleoproteínas pequeñas nucleares (snRNP, small nuclear ribonucleoproteins), proteínas de los centrómeros de los cromosomas y, notablemente, el DNA bicatenario. Estudios recientes sugieren que se produce autoinmunidad cuando TLR que por lo general reconocen al DNA y al RNA microbianos (pág. 702) se une por error a macromoléculas informativas del propio organismo. La incidencia de SLE es muy alta entre mujeres en edad reproductiva, lo que sugiere cierta participación de las hormonas femeninas en el inicio de la enfermedad.
Las enfermedades intestinales inflamatorias (IBD, inflammatory bowel diseases) como la enfermedad de Crohn y la colitis ulcerativa se caracterizan por inflamación dolorosa de los intestinos. Los datos acumulados sugieren que estos cuadros son consecuencia de la respuesta inapropiada por parte del sistema inmunitario a las bacterias comensales normales que viven en el aparato digestivo. Estudios de asociación del genoma completo (pág. 418) han vinculado más de 50 loci genéticos con susceptibilidad a las enfermedades en cuestión.
No todos los miembros de la población tienen la misma susceptibilidad para desarrollar alguna de estas anomalías autoinmunitarias. La mayor parte de estos trastornos son mucho más frecuentes en ciertas familias que en la población general, lo que indica un fuerte componente genético en su desarrollo. Aunque se ha demostrado que distintos genes incrementan la susceptibilidad a las enfermedades autoinmunitarias, los que codifican los polipéptidos del MHC clase II son los que tienen un vínculo más notorio. Por ejemplo, las personas que heredan ciertos alelos del locus MHC son muy susceptibles a desarrollar diabetes tipo 1. Se cree que las células que tienen moléculas de MHC codificadas por el alelo susceptible pueden unirse a algún péptido particular que estimula la formación de autoanticuerpos contra las células β secretoras de insulina del páncreas. Otros loci relacionados con un mayor riesgo de desarrollar enfermedades autoinmunitarias incluyen genes que codifican proteínas que intervienen en las vías de señalización de los linfocitos T, como la proteína tirosina fosfatasa PTPN22 y los genes que codifican algunas citocinas proinflamatorias o sus receptores.
Puede ser necesaria la presencia de alelos de alto riesgo para que una persona desarrolle ciertas enfermedades autoinmunitarias, pero no constituye el único factor contribuyente. Estudios de gemelos idénticos indican que si uno de ellos experimenta una enfermedad autoinmunitaria, la posibilidad de que la presente el otro gemelo varía de 95 a 75%, y no es 100% como se esperaría si los elementos genéticos constituyeran el único elemento contribuyente. La identificación de los factores ambientales o epigenéticos específicos (pág. 509) que contribuyen a la génesis de tales enfermedades ha sido más elusiva que la detección de los genes predisponentes.
El gran progreso que ocurrió en los últimos 20 años en el conocimiento de las bases celulares y moleculares de la inmunidad ha permitido el desarrollo de nuevos tratamientos para varias enfermedades autoinmunitarias. Dichas terapias se han probado en modelos animales (p. ej., organismos en los que pueden inducirse afecciones similares a las del hombre) y su seguridad y eficacia se han determinado en ensayos clínicos en humanos, que incluyen:
Tratamiento con agentes inmunosupresores, como la ciclosporina A o el micofenolato de mofetilo, que bloquean la respuesta inmunitaria. Los corticoesteroides, como la prednisona, también se administran en lapsos breves. Puesto que la acción de estos es inespecífica, inhiben todos los tipos de respuestas inmunitarias y en consecuencia tornan al paciente susceptible de presentar infecciones peligrosas.
Restaurar la tolerancia inmunológica a los autoantígenos de modo que el organismo deje de producir autoanticuerpos y linfocitos T autorreactivos. De todas las estrategias expuestas en esta sección, ella constituye la única que presenta aspectos promisorios en cuanto a la posibilidad de contar con un tratamiento antígeno-específico dirigido a una población determinada de células inmunitarias autoreactivas; todos los demás métodos ejercen una influencia inespecífica en el sistema inmunitario. Una forma de inducir tolerancia ante antígenos específicos es administrar péptidos (llamados APL) parecidos a los que se generarían de los antígenos propios causantes de la enfermedad. Se espera que tales APL se unan a los TCR en forma no óptima, lo que bloquearía la activación de los linfocitos T y reduciría la secreción de citocinas inflamatorias (p. ej., TNF-α e IFN-α). Un fármaco de este tipo (acetato de glatirámero) consiste en una mezcla de péptidos sintéticos con una estructura parecida a la de la proteína básica de la mielina. Este medicamento aún es el único producto con especificidad de antígenos para enfermedades autoinmunitarias que se ha aprobado en Estados Unidos hasta la fecha, pero varios tipos similares de “vacunas” peptídicas se están estudiando en ensayos clínicos. El producto en cuestión puede aminorar la frecuencia de recidivas en sujetos con esclerosis múltiple, pero no detiene la evolución de la enfermedad y puede ocasionar graves efectos alérgicos secundarios. Otra estrategia para inducir la tolerancia inmunológica a proteínas derivadas de mielina en individuos con esclerosis múltiple consiste en aislar linfocitos T autorreactivos del paciente, multiplicarlos en cultivo, prepararlos para que sean incapaces de replicarse e inyectarlos al paciente, con el fin de inducir una reacción inmunitaria contra las células reintroducidas y otras células autorreactivas presentes en el organismo. En el año 2011 se comenzaron estudios de fase III con esta vacuna contra linfocitos T, que es específica para cada paciente. Otra forma de inducir tolerancia inmunológica es administrar una versión modificada de la proteína CTLA4, que se une a la proteína coestimuladora B7 en la superficie de las APC e inhibe la capacidad de tales células para activar los linfocitos T autorreactivos. El abatacept, que actúa de esta manera, está aprobado para pacientes con artritis reumatoide. Muchos investigadores creen que la mejor estrategia a largo plazo para restablecer la tolerancia a un antígeno específico es tratar a una persona con sus propios linfocitos TReg. En esta estrategia, los linfocitos TReg deseados se aíslan de la sangre del paciente, se permite que proliferen de manera extensa in vitro y luego se reinyectan al paciente en un intento por suprimir las células inmunitarias autorreactivas específicas que realizan el ataque inmunitario. Se han iniciado varios estudios clínicos con transferencia de linfocitos TReg en pacientes que experimentan complicaciones biológicas después de un trasplante de órgano.
Bloqueo del efecto de las citocinas proinflamatorias, que están entre los agentes que generan mayor destrucción de tejidos en muchas enfermedades autoinmunitarias. Los ejemplos mejor estudiados de tal estrategia incluyen la producción de anticuerpos (p. ej., infliximab, certolizumab pegol, golimumab y adalimumab) y una proteína de fusión obtenida por bioingeniería (etanercept) que actúa contra el TNF-α, una citocina proinflamatoria. En Estados Unidos se ha aprobado el uso de tales productos para tratar la artritis reumatoide y pueden generar efectos curativos impresionantes en muchos enfermos. Al mismo tiempo, bloquear la acción del TNF-α incrementa el peligro de desarrollar infecciones (incluida la tuberculosis) y linfoma. La interleucina-1 es otra citocina proinflamatoria fundamental. En la actualidad se encuentran en fase de investigación diversos inhibidores de dicha molécula. Desde hace más de 10 años se ha utilizado el fármaco anakinra, que incluye una proteína obtenida por bioingeniería que bloquea la actividad de la IL-1 al unirse a su receptor, para el tratamiento de la artritis reumatoide. De forma similar, un anticuerpo monoclonal humano (ustekinumab) dirigido contra IL-12 y IL-23 ha tenido eficacia contra la enfermedad de Crohn y la psoriasis.
Tratamiento con citocinas. En la actualidad, el tratamiento prescrito más a menudo para la esclerosis múltiple es una de varias citocinas IFN-β aprobadas, las cuales reducen el avance de la enfermedad en un promedio de 35%. El IFN-β tiene muchas actividades y se debate su mecanismo de acción preciso.
Tratamiento con agentes que destruyen los linfocitos B o bloquean su activación. En términos generales, se piensa que las enfermedades autoinmunitarias son consecuencia de la disfunción de linfocitos T, en particular los cooperadores, pero hay abundantes pruebas de que los linfocitos B autorreactivos intervienen en formas diversas. Además de generar anticuerpos, los linfocitos B también actúan como APC para linfocitos T antígeno-específicos y secretan diversas citocinas. La importancia de los linfocitos B en trastornos autoinmunitarios se ha confirmado en estudios en humanos con dos anticuerpos monoclonales (rituximab y ofatumumab) que se unen a linfocitos B y los destruyen. El primer fármaco se utilizó para el tratamiento inocuo y satisfactorio del linfoma (pág. 688) antes de que se probara en personas con artritis reumatoide y esclerosis múltiple, situaciones en que resultó ser muy eficaz. Un hecho notable es que a pesar de que estos productos basados en anticuerpos virtualmente agotan los linfocitos B circulantes de la sangre durante varios meses, no menoscaban la capacidad del paciente para inducir respuestas inmunitarias contra agentes infecciosos. En el año 2011 en Estados Unidos se aprobó el uso de un anticuerpo (belimumab) que inhibe de manera indirecta la producción de linfocitos B para el tratamiento de lupus eritematoso sistémico y fue el primer fármaco aprobado para tratar esta enfermedad en 50 años. El producto en cuestión dirige su acción a la proteína BLyS, que estimula la proliferación y la diferenciación de linfocitos B y brinda beneficio a un segmento de la población de pacientes con SLE.
Inhibición del desplazamiento de células inmunitarias autorreactivas a áreas de inflamación. El primer elemento eficaz basado en este concepto y aprobado en Estados Unidos por la Administración de Fármacos y Alimentos (FDA, Food and Drug Administration) fue un anticuerpo monoclonal (natalizumab) orientado contra la subunidad α4 de integrina presente en la superficie de linfocitos T activados. Con dicho preparado se pretende evitar que las células T crucen la barrera hematoencefálica (pág. 262) y que ataquen las vainas de mielina del sistema nervioso central en sujetos con esclerosis múltiple (MS, multiple sclerosis). Subsiste preocupación con cualquier tipo de inmunoterapia de que el tratamiento interfiera con la capacidad del organismo para defenderse de infecciones; tal problema se pudo advertir cuando dicho fármaco se retiró de manera temporal del mercado en 2005, después de que muchos pacientes desarrollaron una grave infección viral cerebral (llamada PML). En la actualidad se administra ampliamente el natalizumab para tratar la esclerosis múltiple, aunque persiste un pequeño riesgo de contraer PML. En 2010, en Estados Unidos la FDA aprobó el uso del primer fármaco de administración oral contra la esclerosis múltiple (llamado fingolimod), con base en su capacidad de aminorar la frecuencia de recidivas y frenar la evolución de la enfermedad. A diferencia del natalizumab, el fingolimod también bloquea la migración de linfocitos T pero lo hace por un mecanismo por completo diferente. El fingolimod es un compuesto sintético de bajo peso molecular que una vez fosforilado en el organismo se une a los receptores de esfingosina 1-fosfato en la superficie de los linfocitos T, provocando que los receptores sean internalizados por endocitosis. Las células que no poseen los receptores superficiales no pueden responder a su ligando normal, lo cual induciría su migración fuera del timo y los ganglios linfáticos y su paso al torrente sanguíneo, sitio en el cual podrían llegar al sistema nervioso central. En la actualidad están en las últimas fases de estudio clínico otros fármacos administrados por vía oral contra la MS.
Trasplante de células madre hematopoyéticas (pág. 20) del propio paciente (autólogo) o de un donador con gran histocompatibilidad (alogénico). La técnica en cuestión puede ocasionar complicaciones mortales y por ello podría servir como tratamiento sólo en pacientes con enfermedades autoinmunitarias graves y debilitantes. Sin embargo, a diferencia de los fármacos descritos, las personas que reciben trasplantes comienzan el resto de su vida con un sistema inmunitario muy alterado y la posibilidad de que esta enfermedad sea curada del todo. Se calcula que, en promedio, 33% de las personas que reciben trasplantes presenta mejoría extraordinaria a largo plazo con esta técnica, y otro 33% no adquiere beneficio alguno. No se han dilucidado las razones de esta diferencia tan notable en la respuesta.
++
++
VÍAS EXPERIMENTALES Función del complejo mayor de histocompatibilidad en la presentación de antígenos
En 1973, Hugh McDevitt y colaboradores, de la Scripps Foundation en La Jolla, California, y de la Stanford University, demostraron que la susceptibilidad de los ratones a un patógeno particular depende del alelo presente en uno de los locus del MHC.1 Encontraron que el virus de la coriomeningitis linfocítica (LCMV; lymphocytic choriomeningitis virus) causa una infección cerebral letal en los ratones que son homocigotos o heterocigotos para el alelo H-2q, pero no en homocigotos para el alelo H-2k en este locus.
Tales hallazgos condujeron a Rolf Zinkernagel y Peter Doherty, de la Australian National University, a examinar la participación de los CTL en el desarrollo de esta enfermedad. Dichos investigadores planearon experimentos para relacionar el nivel de actividad de los CTL con la gravedad de la enfermedad en ratones con distintos genotipos de MHC (o haplotipos, como se los denomina). Se vigiló la actividad de los CTL con el protocolo experimental siguiente. Se cultivaron capas individuales de fibroblastos (células L) de un ratón y luego se infectaron con el LCMV. Después, los fibroblastos infectados se recubrieron con una preparación de células esplénicas de un ratón que se habían infectado con el mismo virus siete días antes. Este periodo dio tiempo al sistema inmunitario del animal para generar CTL contra las células infectadas con el virus. Los CTL se concentraron en el bazo del animal infectado. Para vigilar la eficacia del ataque de los CTL en las células L cultivadas, primero se marcaron éstas con un radioisótopo de cromo (51Cr) que se usa como marcador de la viabilidad celular: mientras la célula está viva, el radioisótopo permanece dentro de ella. En caso que una célula se destruyera por acción de un CTL durante el experimento, el 51Cr se liberaría al medio.
Zinkernagel y Doherty encontraron que el nivel de actividad de los CTL contra los fibroblastos cultivados (medida por la liberación de 51Cr), dependía de los genotipos relativos de los fibroblastos y las células esplénicas (cuadro 1).2 Todos los fibroblastos empleados para obtener los datos mostrados en el cuadro 1 se obtuvieron de una cepa endogámica de ratones homocigotos para el alelo H-2k en el locus H-2. Cuando se prepararon las células esplénicas de ratones con un alelo H-2k (p. ej., cepas de ratones CBA/H, AKR y C3H/HeJ), las células L se destruyeron. Sin embargo, las células esplénicas tomadas de ratones que tenían alelos H-2b o H-2d en este locus no pudieron destruir a los fibroblastos infectados. (El 51Cr liberado es casi el mismo cuando se emplean fibroblastos no infectados en la prueba, como se muestra en la columna derecha del cuadro 1.)
Fue indispensable demostrar que los resultados no fueron peculiares de los ratones que tenían alelos H-2k. Para hacer esta determinación, Zinkernagel y Doherty probaron células esplénicas activadas con LCMV de ratones H-2b contra varios tipos de células infectadas. De nueva cuenta, los CTL sólo pudieron destruir a las células afectadas con el mismo genotipo H-2, en este caso H-2b. Tales estudios proporcionaron la primera evidencia de que las moléculas de MHC en la superficie de una célula infectada limitan sus interacciones con los linfocitos T. Se dice que la función de éstos la restringe el MHC.
Estos y otros experimentos realizados durante el decenio de 1970 llevaron a formular preguntas sobre la participación de las proteínas del MHC en la función de las células inmunitarias. Mientras tanto, otra línea de investigación se enfocó en el mecanismo por el cual los linfocitos T se estimulan a través de antígenos particulares. Los ensayos indicaron que los linfocitos T responden al antígeno unido a la superficie de otras células. Se presumió que el antígeno presentado estaba tan sólo unido a la superficie de la APC proveniente del medio extracelular. A mediados del decenio de 1970 y principio de la década de 1980, los estudios de Alan Rosenthal, de los NIH y de Emil Unanue, de la Harvard University, entre otros, demostraron que las APC tienen que interiorizar el antígeno y someterlo a algún tipo de procesamiento para que puedan estimular la proliferación de linfocitos T. La mayor parte de estos análisis se realizó en cultivos celulares con linfocitos T activados por macrófagos que se habían expuesto a bacterias, virus u otro material ajeno.
Una de las formas de distinguir entre un antígeno que tan sólo está unido a la superficie de una APC y uno que se procesó por actividad metabólica consiste en comparar los fenómenos que pueden ocurrir a bajas temperaturas (p. ej., 4°C), en las que se bloquean los procesos metabólicos con los fenómenos que ocurren en temperaturas corporales normales. En uno de estos experimentos iniciales se incubaron macrófagos con antígeno durante 1 h a 4°C o 37°C, y luego se probó su capacidad para estimular a los linfocitos T preparados a partir de ganglios linfáticos.3 En presencia de concentraciones bajas de antígenos, los macrófagos tenían una eficacia casi 10 veces mayor para estimular a los linfocitos T a 37°C en comparación con 4°C, lo que sugiere que la presentación del antígeno requiere energía metabólica. El tratamiento de las células con azida de sodio, un inhibidor de la oxidasa de citocromo, también impidió la aparición del antígeno en la superficie de los linfocitos T, lo que indica que la presentación del primero requiere energía metabólica.4
Experimentos posteriores realizados por Kirk Ziegler y Emil Unanue proveyeron evidencia de que se producía un secuestro de los antígenos extracelulares, los cuales se llevaban al interior del macrófago por endocitosis para liberarlos en el compartimiento lisosómico de la célula.5 Una forma de averiguar si los lisosomas participan en un proceso particular consiste en tratar a las células con sustancias, como el cloruro de amonio o cloroquina, que interrumpen la actividad enzimática lisosómica. Estos dos agentes elevan el pH del compartimiento lisosómico, lo cual desactiva a las hidrolasas ácidas (pág. 304). El cuadro 2 muestra los efectos de estos tratamientos en el procesamiento y la presentación del antígeno derivado de la bacteria Listeria monocytogenes. En el cuadro se muestra que ninguna de estas sustancias afectó la captación (endocitosis) del antígeno, sino que ambas inhibieron el procesamiento de éste y su capacidad para estimular la unión de los linfocitos T al macrófago. Tales datos fueron de los primeros en sugerir que la fragmentación de los antígenos extracelulares por las proteasas lisosómicas puede ser un paso esencial en la preparación de éstos antes de la presentación.
Otros estudios también refirieron a las moléculas del MHC en la interacción entre las APC y los linfocitos T. En una serie de experimentos, Ziegler y Unanue trataron a los macrófagos con anticuerpos dirigidos contra las proteínas del MHC codificadas por el locus H-2. Encontraron que estos anticuerpos no tenían efecto en la captación o el catabolismo del antígeno,6 pero impedían que los macrófagos interactuaran con los linfocitos T.7 La inhibición de la unión de los linfocitos T a los macrófagos se producía aun cuando éstos se exponían a los anticuerpos antes de agregar el antígeno.
Las evidencias de estos y muchos otros estudios indicaron que la interacción entre una célula T y un macrófago dependía del reconocimiento de dos componentes en la superficie de la APC: el fragmento de antígeno que se mostraba y una molécula de MHC. Sin embargo, no había una imagen clara de la forma en que dichas moléculas se relacionaban. Se consideraron dos modelos probables de reconocimiento de antígenos. De acuerdo con uno, los linfocitos T tienen dos receptores distintos, uno para el antígeno y otro para la proteína del MHC. De acuerdo con el otro modelo, un solo receptor de la célula T reconoce la proteína del MHC y al péptido antigénico en la superficie de la APC al mismo tiempo. El consenso comenzó a inclinarse en favor del modelo de un solo receptor cuando la evidencia empezó a señalar una relación física entre las proteínas del MHC y los antígenos presentados. Por ejemplo, en un estudio se demostró que el antígeno que habían procesado los linfocitos T podía aislarse como un complejo con proteínas del MHC.8 En este experimento, los linfocitos T cultivados tomados de ratones H-2k se incubaron durante 40 min con un antígeno marcado con radiactividad. Después del periodo de incubación, se preparó el antígeno procesado a partir de las células y se pasó por una columna que contenía cuentas cubiertas con anticuerpos dirigidos contra las proteínas del MHC. Cuando las cuentas se cubrieron con anticuerpos dirigidos contra la proteína H-2k (una molécula de MHC presente en los linfocitos T), las grandes cantidades de antígeno radiactivo adherido a las cuentas indicaron la relación del antígeno procesado con la proteína MHC. Si las cuentas se cubrían con anticuerpos contra la proteína H-2b (una proteína del MHC ausente en los linfocitos T), la columna quedaba con una cantidad relativamente baja de radiactividad.
Después de estos experimentos tempranos, los investigadores se enfocaron en la estructura atómica de las moléculas que intervienen en las interacciones de los linfocitos T, lo cual constituye el punto central de la respuesta inmunitaria. En lugar de utilizar moléculas de MHC clase II en las superficies de los macrófagos, los estudios estructurales habían examinado moléculas de MHC clase I del tipo que se encuentra en la superficie de las células infectadas con virus. El primer retrato tridimensional de una molécula de MHC se publicó en 1987 y se basó en estudios cristalográficos con rayos X realizados por Don Wiley y col., de la Harvard University.9 Los sucesos que llevaron a este descubrimiento se exponen en la referencia10. Las moléculas de MHC clase I consisten en (1) una cadena pesada con tres dominios extracelulares (α1, α2 y α3) y un solo segmento que cruza la membrana y (2) un polipéptido invariable β2m (fig. 17.23). Wiley y col. examinaron la estructura de la porción extracelular (soluble) de la molécula de MHC (α1, α2, α3 y β2m) después de retirar el ancla transmembranosa. La figura 1a muestra un modelo de listones de la estructura observada, con la porción externa (con el antígeno) de la proteína formada por los dominios α1 y α2. En la parte superior de este modelo puede verse que las superficies internas de estos dominios forman las paredes de una hendidura profunda de unos 25 Å de largo y 10 Å de ancho. Ésta es la hendidura que actúa como sitio de unión para los péptidos producidos por el procesamiento de antígenos en el citoplasma. Como se muestra en la figura 1b, los lados del saco de unión al antígeno están recubiertos por hélices α de los dominios α1 y α2, y el fondo de la hendidura está recubierto con la lámina β que se extiende desde estos mismos dominios a través de la línea media. Se cree que las hélices forman paredes laterales relativamente flexibles que permiten que péptidos con secuencias diferentes se unan en la hendidura.
Estudios cristalográficos con rayos X subsiguientes describieron la manera en que se sitúan los péptidos dentro del saco de unión del MHC. En uno de estos análisis se identificó la disposición espacial de varios péptidos procesados en forma natural situados dentro del saco para unión de antígenos de una sola molécula de MHC clase I (HLA-B27).11 Las columnas de todos los péptidos unidos a HLA-B27 comparten una sola conformación extendida que recorre toda la longitud de la hendidura de unión. Las terminaciones N y C de los péptidos tienen una posición precisa, mantenida por numerosos enlaces de hidrógeno en ambos extremos de la hendidura. Los enlaces de hidrógeno unen el péptido a varios de los residuos conservados en la molécula de MHC que son parte de ambos lados y del fondo de la hendidura de unión.
En otro estudio fundamental, Ian Wilson y col., del Scripps Research Institute en La Jolla, California, informaron sobre la estructura cristalográfica de una proteína de MHC clase I de ratón vinculada con dos péptidos de longitud diferente.12,13 La estructura general de la proteína MHC de ratón es similar a la humana, que se muestra en la figura 1a. En ambos casos, los péptidos están unidos en su conformación extendida en la profundidad de la hendidura de unión de la molécula de MHC (fig. 2). Esta conformación extendida permite muchas interacciones entre las cadenas laterales de la molécula de MHC y la columna del péptido unido. Como el MHC interactúa principalmente con la columna del péptido en lugar de con sus cadenas laterales, hay muy pocas restricciones en los residuos de aminoácidos particulares que pueden encontrarse en varios sitios del saco de unión. Como resultado, cada molécula de MHC puede unirse a un arreglo diverso de péptidos antigénicos.
Un complejo MHC-péptido que sobresale de la superficie de una célula infectada sólo representa la mitad del reconocimiento inmunitario; la otra mitad está representada por el TCR que sobresale de la superficie de una célula T citotóxica. Durante más de un decenio ha sido evidente que un TCR puede reconocer de alguna manera un MHC y su péptido contenido, pero la manera en que esto ocurría permanecía incierta para los investigadores por las dificultades para preparar cristales de TCR adecuados para su análisis mediante cristalografía por rayos X. Al final, estas dificultades se resolvieron y, en 1996, los laboratorios Wiley y Wilson publicaron documentos en los que presentaban un retrato tridimensional de la interacción entre un complejo péptido-MHC y un TCR.14,15 La estructura general del complejo formado entre las dos proteínas se muestra en la figura 3, en la que las columnas de los polipéptidos se presentan como tubos.
La estructura que se muestra en dicha figura presenta las porciones de las proteínas que se proyectan entre un CTL y una célula hospedadora infectada por un virus. La mitad inferior de la imagen muestra la estructura y la orientación de la molécula de MHC clase I con un antígeno peptídico extendido (amarillo-verde) incrustado en el saco de unión de la proteína. La mitad superior de la imagen muestra la estructura y la orientación del TCR. Como se indica en la figura 17.20b, un TCR consiste en cadenas polipeptídicas α y β, cada una formada por una porción variable (V) y una constante (C). Al igual que las inmunoglobulinas (fig. 17.15), la porción variable de cada subunidad del TCR contiene regiones que son muy variables (hipervariables); éstas forman las asas sobresalientes (mostradas como segmentos coloreados de los dos polipéptidos del TCR en la fig. 3) que se ajustan sobre el extremo exterior del complejo MHC-péptido. Las áreas hipervariables se conocen como regiones determinantes de la complementariedad (CDR, complementarity-determining regions) porque establecen las propiedades de unión del TCR. Dichas regiones interactúan con las hélices α de los dominios α1 y α2 del MHC, así como los residuos expuestos del péptido unido. Las CDR centrales del TCR, que tienen la mayor variabilidad de secuencia, interactúan sobre todo con el péptido unido situado en el centro, mientras que las CDR externas, que tienen secuencias menos variables, lo hacen más con las hélices α del MHC.16 A causa de estas interacciones, el TCR cumple sus dos “responsabilidades” de reconocimiento: reconoce al péptido unido como antígeno ajeno y al MHC como proteína propia (se puede encontrar información sobre estudios recientes de las estructuras adicionales TCR-péptido-MHC en las referencias 17 a 19).
Referencias Oldstone, M. B. A., et al. 1973. Histocompatibility-linked genetic control of disease susceptibility. J. Exp. Med. 137:1201–1212.
Zinkernagel, R. M. & Doherty, P. C. 1974. Restriction of in vitro T cell-mediated cytotoxicity in lymphocytic choriomeningitis within a syngeneic or semiallogeneic system. Nature 248:701–702.
Waldron, J. A., et al. 1974. Antigen-induced proliferation of guinea pig lymphocytes in vitro: Functional aspects of antigen handling by macrophages. J. Immunol. 112:746–755.
Wekerle, H., et al. 1972. Fractionation of antigen reactive cells on a cellular immunoadsorbant. Proc. Nat’l. Acad. Sci. U.S. A. 69:1620–1624.
Ziegler, K. & Unanue, E. R. 1982. Decrease in macrophage antigen catabolism caused by ammonia and chloroquine is associated with inhibition of antigen presentation to T cells. Proc. Nat’l. Acad. Sci. U.S. A. 79:175–178.
Ziegler, K. & Unanue, E. R. 1981. Identification of a macrophage antigen-processing event required for I-region-restricted antigen presentation to T lymphocytes. J. Immunol. 127:1869–1875.
Ziegler, K. & Unanue, E. R. 1979. The specific binding of Listeria monocytogenes-immune T lymphocytes to macrophages. I. Quantitation and role of H-2 gene products. J. Exp. Med. 150:1142–1160.
Puri, J. & Lonai, P. 1980. Mechanism of antigen binding by T cells H-2 (I-A)-restricted binding of antigen plus Ia by helper cells. Eur. J. Immunol. 10:273–281.
Bjorkman, P. J., et al. 1987. Structure of the human class I histocompatibility antigen, HLA-A2. Nature 329:506–512.
Bjorkman, P. J. 2006. Finding the groove. Nature Immunol. 7:787–789.
Madden, D. R., et al. 1992. The three-dimensional structure of HLA-B27 at 2.1 Å resolution suggests a general mechanism for tight peptide binding to MHC. Cell 70:1035–1048.
Fremont, D. H., et al. 1992. Crystal structures of two viral peptides in complex with murine MHC class I H-2Kb. Science 257:919–927.
Matsumura, M., et al. 1992. Emerging principles for the recognition of peptide antigens by MHC class I molecules. Science 257:927–934.
Garcia, K. C., et al. 1996. An αβ T cell receptor structure at 2.5 Å and its orientation in the TCR–MHC complex. Science 274:209–219.
Garboczi, D. N., et al. 1996. Structure of the complex between human T-cell receptor, viral peptide and HLA-A2. Nature 384:134–140.
Wilson, I. A. 1999. Class-conscious TCR? Science 286:1867–1868.
Marrack, P., et al. 2008. Evolutionarily conserved amino acids that control TCR–MHC interaction. Annu. Rev. Immunol. 26:171–203.
Archbold, J. K., et al. 2008. T-cell allorecognition. Trends Immunol. 29:220–226.
Garcia, K. C., et al. 2009. The molecular basis of TCR germline bias for MHC is surprisingly simple. Nature Immunol. 10:143–147.
++
++
++
++
++
+
++
++
++
++