Capítulo 17: Respuesta inmunitaria

Los seres vivos son el hábitat ideal en el que pueden crecer otros organismos. Por lo tanto, no es sorprendente que los animales estén sujetos a infecciones por virus, bacterias, protistas, hongos y parásitos. Los vertebrados desarrollaron varios mecanismos que les permiten reconocer y destruir estos agentes infecciosos. Como resultado, dichos organismos son capaces de desarrollar inmunidad contra los patógenos invasores. Ésta deriva de las actividades combinadas de muchas células diferentes, algunas de las cuales vigilan el cuerpo mientras que otras se concentran en órganos linfoides, como la médula ósea, el timo, el bazo y los ganglios linfáticos (fig. 17.1). En conjunto, estas células dispersas y órganos discretos forman el sistema inmunitario del cuerpo.

Las células del sistema inmunitario participan en un tipo de detección molecular mediante el cual reconocen macromoléculas “ajenas”, es decir, aquellas cuya estructura es diferente a la de las macromoléculas normales del cuerpo. Si se identifica material extraño, el sistema inmunitario establece un ataque específico y concertado contra éste. Las armas del sistema inmunitario comprenden: (1) células que destruyen o ingieren a otras células infectadas o afectadas y (2) proteínas solubles que neutralizan, inmovilizan, aglutinan o destruyen patógenos. A su vez, los patógenos desarrollan de manera constante mecanismos para evitar la destrucción inmunitaria. El hecho de que los seres humanos sufran diversas enfermedades infecciosas crónicas (como el sida [causado por un virus], la tuberculosis [causada por una bacteria] y el paludismo [causado por un protozoario]) ilustra que el sistema inmunitario no siempre tiene éxito para combatir estos patógenos microscópicos. Dicho sistema también participa en la lucha del cuerpo contra el cáncer, pero el grado en el que puede reconocer y matar a las células cancerosas aún es motivo de controversia; en algunos casos puede establecer una respuesta inapropiada que ataca a los propios tejidos del cuerpo. Como se explica en la sección “Perspectiva humana” de la página 724, estos incidentes pueden precipitar una enfermedad grave.

Es imposible abarcar todo el tema de la inmunidad en un solo capítulo. Este apartado se enfoca en varios aspectos seleccionados que ilustran los principios de la biología celular y molecular explicados en capítulos previos. Sin embargo, antes es necesario examinar los fenómenos básicos de la respuesta corporal ante la presencia de un microbio intruso.

La superficie externa del cuerpo y los recubrimientos de sus trayectos internos establecen una excelente barrera contra la penetración de virus, bacterias y parásitos. Si se rompen estas superficies protectoras, se inicia una serie de respuestas inmunitarias que intentan contener y luego matar a los invasores. Tales respuestas pueden dividirse en dos categorías generales: innatas y adaptativas (o adquiridas). Ambas dependen de la capacidad del cuerpo para distinguir entre los materiales que deben estar ahí (p. ej., “propios”) y los que no deben hacerlo (p. ej., extraños o “ajenos”). También se pueden diferenciar dos categorías de patógenos: los que se encuentran sobre todo dentro de una célula hospedadora (todos los virus, algunas bacterias y ciertos parásitos protozoarios) y los que se hallan en primera instancia en compartimientos extracelulares del hospedador (la mayor parte de las bacterias y otros patógenos celulares). Han evolucionado distintos tipos de mecanismos inmunitarios para combatir estas dos clases de infecciones. En la figura 17.2 se muestran algunos de ellos.

Respuestas inmunitarias innatas

Las respuestas inmunitarias innatas son las que establece el cuerpo de inmediato sin necesidad de un contacto previo con el microbio. Por lo tanto, confieren una primera línea de defensa. Un microbio invasor casi siempre establece el contacto inicial con el sistema inmunitario innato cuando lo encuentra una célula fagocítica, como un macrófago o una célula dendrítica (fig. 17.10), cuya función es reconocer los objetos extraños y activar la alarma apropiada. En 1989 Charles Janeway Jr., de la Yale University, publicó una propuesta en la que abordaba la función del sistema inmunitario innato en la protección inmediata contra patógenos y en la estimulación de las células del sistema inmunitario adaptativo para actuar frente a la amenaza. En este apartado se considerará sólo el sistema inmunitario innato. Janeway propuso que las células de la inmunidad innata poseían diversos sensores microbianos que reconocían de manera directa algunas macromoléculas muy conservadas que intervenían de manera esencial en la propagación de virus o bacterias, pero que no eran producidos por células del organismo. El científico en cuestión denominó a tales sensores receptores de reconocimiento de patrones (o PPR, pattern recognition receptors). En los últimos 20 años se han identificado diversas familias de PPR, de las cuales la más importante es la de los receptores tipo Toll (TLR, Toll-like receptors) y es la única que se expondrá en este capítulo. El descubrimiento de tales receptores se produjo gracias a una serie de hechos interesantes e inesperados.

La mosca de la fruta Drosophila melanogaster es bien conocida por su estatus icónico en la genética y también por contribuciones fundamentales en el estudio de los procesos de desarrollo y de la neurobiología. Sin embargo, por ser un organismo invertebrado, Drosophila no se había considerado como un organismo candidato para descubrimientos importantes relacionados con las funciones del sistema inmunitario humano. No obstante, en 1996, Jules Hoffmann y colaboradores, en Francia, identificaron una mosca mutante muy susceptible de presentar micosis, como se advierte en la fotografía de la figura 17.3. La mosca de esta imagen no posee una proteína llamada Toll, que se había identificado con anterioridad como un elemento necesario para el desarrollo normal de la polaridad dorsoventral (“superior-inferior”) del embrión de la mosca. De hecho, el término “Toll” significa en alemán “misterioso”, que describe la imagen desordenada de los embriones que no poseían un gen Toll funcional. Además, observaron que la molécula en cuestión actuaba en las moscas por medio de una vía en la que intervenía el factor de transcripción NF-κB, el cual se sabía que actuaba de manera importante en la activación de una respuesta inmunitaria en vertebrados. Parecía que Toll tenía una función doble en las moscas; dirigía la polaridad embrionaria y actuaba como factor que inducía la inmunidad innata contra las infecciones.

El descubrimiento del gen Toll como contribuyente importante al sistema de defensa de la mosca de la fruta permitió a Janeway y su colega Ruslan Medzhitov clonar y definir un homólogo humano de la proteína Toll. Además, observaron que la molécula equivalente que se encontraba en los humanos también actuaba por medio de la vía del NF-κB que inducía la expresión de diversas proteínas efectoras inmunológicas (llamadas citocinas). Sin embargo se desconocía la participación específica de la proteína Toll humana en la respuesta inmunitaria. Mientras tanto, Bruce Beutler y colaboradores, del Southwestern Medical Center de la University of Texas, buscaban genes de mamíferos que participaran en el reconocimiento de componentes bacterianos, en particular el que formaba parte de la membrana exterior de bacterias gramnegativas llamado lipopolisacárido (LPS). Observaron que una variedad de ratones que no reaccionaba a LPS no poseía un gen particular que codificaba un receptor de LPS. Como dato notable, dicho receptor era el mismo homólogo de Toll (TLR4) definido por Janeway y Medzhitov, lo cual permitió definir su participación como un sensor bacteriano específico. Como suele ocurrir, los humanos expresan como mínimo 10 TLR funcionales y todos son proteínas transmembrana que aparecen en diversos tipos de células. Los TLR pueden estar en la superficie celular (sitio en que interactúan con microorganismos extracelulares) o dentro de las membranas endosómicas/lisosómicas (donde actúan de forma recíproca con microorganismos ingeridos por endocitosis). En la familia de TLR humanos existen receptores que reconocen componentes lipopolisacáridos o peptidoglucanos de la pared celular bacteriana, la proteína flagelina que se encuentra en los flagelos bacterianos y los dinucleótidos CpG no metilados (característicos del DNA bacteriano). La figura 17.4 muestra un modelo de un TLR unido a su ligando de RNA bicatenario.

La activación de un TLR por una de estas moléculas derivadas de los patógenos inicia una cascada de señalización que puede conducir a diversas reacciones inmunitarias protectoras, incluida la activación de células del sistema inmunitario adaptativo (representado por la flecha verde horizontal en la figura 17.2). Por esta razón, varias compañías farmacéuticas trabajan con medicamentos que estimulan TLR con el objetivo de promover la reacción del organismo contra infecciones tenaces, como la causada por el virus de la hepatitis C. El imiquimod se aprobó en 1997 y se prescribe contra varios trastornos cutáneos, incluidas las verrugas genitales; más tarde se descubrió que actúa estimulando un TLR.

Las respuestas innatas a los patógenos invasores casi siempre se acompañan de un proceso de inflamación en el sitio de infección, donde ciertas células y proteínas plasmáticas salen de los vasos sanguíneos y entran a los tejidos afectados (pág. 255). Estos fenómenos se acompañan de eritema local, hinchazón y fiebre. La inflamación es un medio para concentrar los recursos defensivos del cuerpo en el sitio necesario; en esta etapa, las células fagocíticas migran hacia el sitio de infección como respuesta a sustancias (quimioatrayentes) liberadas en el sitio (pág. 377). Una vez ahí, las células reconocen, atrapan y destruyen al patógeno (fig. 17.2a). La inflamación es un arma de dos filos. Aunque protege al organismo contra patógenos invasores, si no termina de manera oportuna puede dañar los tejidos normales del cuerpo y causar enfermedad crónica. La regulación de la inflamación es un proceso complejo y mal comprendido que implica un equilibrio entre actividades proinflamatorias y antiinflamatorias.

Varios otros mecanismos también están encaminados a atacar patógenos extracelulares. Tanto las células epiteliales como los linfocitos secretan una variedad de péptidos antimicrobianos, llamados defensinas, que son capaces de unirse a virus, bacterias u hongos y causar su destrucción. La sangre también contiene un grupo de proteínas solubles llamado complemento, que se une a los patógenos extracelulares, lo que precipita su destrucción. En una de las vías del complemento, un ensamble activado de estas proteínas perfora la membrana plasmática de una célula bacteriana, lo que conduce a lisis y muerte celulares (fig. 17.2b).

Las respuestas innatas contra los patógenos intracelulares, como los virus, se dirigen sobre todo contra células que ya están infectadas. Las células afectadas por ciertos virus son reconocidas por un tipo de leucocito inespecífico llamado linfocito citolítico natural (NK, natural killer). Como su nombre indica, los NK pueden eliminar a las células infectadas (fig. 17.2c) o inducir su apoptosis (pág. 656). También aniquilan ciertos tipos de células cancerosas in vitro (fig. 17.5) y es posible que proporcionen un mecanismo para destruir tales células in vivo antes de que formen un tumor. Las células normales (p. ej., no infectadas y no malignas) tienen moléculas superficiales que las protegen del ataque de las células NK.

Otro tipo de respuesta antiviral innata se inicia dentro de las mismas células infectadas, las cuales producen proteínas llamadas interferones de tipo 1 (IFN-α e IFN-β) que se secretan hacia el espacio extracelular, donde se unen a la superficie de células no infectadas y las vuelven resistentes a infecciones sucesivas (fig. 17.2d). Los interferones cumplen esta tarea por varios medios, incluida la activación de una vía de transducción de señales que produce fosforilación y desactivación consecuente del factor de traducción eIF2 (pág. 469). Las células que experimentaron esta respuesta no pueden sintetizar las proteínas virales necesarias para la replicación del virus. El IFN-β también induce la síntesis de microRNA celulares dirigidos contra el genoma de RNA del virus en cuestión.

Los sistemas inmunitarios innato y adaptativo no funcionan de manera independiente, sino que trabajan en conjunto para destruir a los invasores externos. Un principio importante de la hipótesis original de Janeway (pág. 700) fue el hecho que las respuestas inmunitarias adaptativas dependieran de fenómenos previos concertados por células del sistema innato. Además, las mismas células fagocíticas y los NK que inician una respuesta innata inmediata también se encargan de comenzar la respuesta inmunitaria adaptativa, que es más lenta y específica. Como se revisa más adelante, son las células inespecíficas del sistema innato las que se encargan de activar sólo a aquellas células específicas del sistema adaptativo capaces de superar la amenaza particular a la que se enfrentan.

Respuestas inmunitarias adaptativas

A diferencia de las innatas, las respuestas inmunitarias adaptativas necesitan un periodo de espera durante el cual el sistema inmunitario prepara sus elementos para atacar a un agente extraño. A diferencia de las respuestas innatas, las adaptativas son muy específicas y pueden discriminar entre dos moléculas muy similares. Por ejemplo, la sangre de una persona que acaba de recuperarse del sarampión contiene anticuerpos que reaccionan contra el virus que causa dicha enfermedad, pero no contra un virus relacionado, como el que ocasiona parotiditis. A diferencia del sistema innato, el adaptativo además tiene “memoria”, lo cual casi siempre significa que la persona no sufrirá una reinfección por el mismo patógeno en su vida.

En tanto que todos los animales tienen algún tipo de inmunidad innata contra microbios y parásitos, se sabe que sólo los vertebrados establecen una reacción adaptativa. Hay dos grandes categorías de inmunidad adaptativa:

• Inmunidad humoral, que se establece mediante anticuerpos (fig. 17.2e,f), proteínas sanguíneas globulares de la superfamilia de las inmunoglobulinas (IgSF, immunoglobulin superfamily).

• Inmunidad mediada por células, que realizan algunas células (fig. 17.2g).

Ambos tipos de inmunidad adaptativa están mediados por linfocitos, que son leucocitos (glóbulos blancos) nucleados que circulan entre la sangre y los órganos linfoides. La inmunidad humoral depende de los linfocitos B (o células B) que, cuando se activan, se diferencian en células que secretan anticuerpos. Estos actúan sobre todo contra materiales ajenos que se sitúan fuera de las células del cuerpo. Tales moléculas incluyen a las toxinas y los componentes proteínicos y polisacáridos de las paredes celulares de las bacterias y las proteínas de las cubiertas virales. En algunos casos, los anticuerpos pueden unirse a una toxina bacteriana o a una partícula viral y prevenir su entrada a una célula hospedadora (fig. 17.2e). En otras ocasiones, los anticuerpos funcionan como “etiquetas moleculares” que se unen a un patógeno invasor y lo marcan para su destrucción. Las bacterias cubiertas de anticuerpos (fig. 17.2f) son ingeridas en poco tiempo por fagocitos errabundos o son destruidas por moléculas del complemento que se encuentran en la sangre. Los anticuerpos no son eficaces contra patógenos que se hallan dentro de las células y de ahí la necesidad de un segundo tipo de sistema de armamento. La inmunidad mediada por células está a cargo de los linfocitos T (o células T) que al activarse pueden reconocer y destruir en forma específica a una célula infectada (o ajena) (fig. 17.2g).

Los linfocitos B y los T provienen del mismo tipo de célula precursora (una célula madre hematopoyética) en la médula ósea, pero se diferencian al seguir vías diferentes en distintos órganos linfoides. La figura 17.6 presenta un resumen de las diversas vías de diferenciación de la célula madre hematopoyética. Los linfocitos B se diferencian en el hígado fetal o en la médula ósea del adulto, mientras que los linfocitos T lo hacen en el timo, un órgano localizado en el tórax que alcanza su mayor tamaño durante la infancia. A causa de estas diferencias, la inmunidad mediada por células y la humoral pueden disociarse en gran medida. Por ejemplo, es posible que los seres humanos sufran una rara enfermedad llamada agammaglobulinemia congénita, en la que hay deficiencia de anticuerpos humorales pero la inmunidad mediada por células se conserva normal.

Si una persona se infecta con un virus o se expone a un material extraño, poco después su sangre contendrá una elevada concentración de anticuerpos capaces de reaccionar contra la sustancia ajena, que se conoce como antígeno. La mayor parte de los antígenos son proteínas o polisacáridos, pero los lípidos y los ácidos nucleicos también pueden tener esta capacidad. ¿Cómo puede el cuerpo producir anticuerpos que reaccionan de manera específica contra un antígeno al cual se ha expuesto? En otras palabras, ¿de qué manera un antígeno induce una respuesta inmunitaria adaptativa? En el comienzo se pensó que de alguna forma los antígenos instruían a los linfocitos a producir anticuerpos complementarios. Se sugirió que un antígeno envolvía a una molécula de anticuerpo y la moldeaba hasta que ambos podían combinarse. En este modelo “instructivo”, el linfocito sólo obtiene su capacidad para producir un anticuerpo específico después de su contacto inicial con el antígeno. En 1955 Niels Jerne, un inmunólogo danés, propuso un mecanismo muy diferente; sugirió que el cuerpo produce pequeñas cantidades de anticuerpos con estructuras aleatorias en ausencia de cualquier antígeno. Como grupo, estos anticuerpos serían capaces de combinarse con cualquier tipo de antígeno al cual pudiera exponerse una persona. De acuerdo con el modelo de Jerne, cuando un sujeto entra en contacto con un antígeno, éste se combina con un anticuerpo específico, lo cual de alguna manera causa la producción posterior de este último. Por lo tanto, en el modelo de Jerne el antígeno selecciona los anticuerpos preexistentes capaces de unirse a él. En 1957, el inmunólogo australiano F. MacFarlane Burnet extendió el concepto de selección antigénica de los anticuerpos hasta un modelo comprensivo de la formación de anticuerpos. La teoría de selección clonal de Burnet obtuvo pronto una gran aceptación. La figura 17.7 muestra una sinopsis de los pasos que ocurren durante la selección clonal de los linfocitos B. Más adelante en el capítulo se presenta una descripción más detallada de estos fenómenos. La selección clonal de las células T se describe en la sección siguiente. Las principales características de la selección clonal de los linfocitos B son las siguientes:

1. Cada célula B se compromete a producir una especie de anticuerpo. Los linfocitos B surgen de una población de células progenitoras no diferenciadas e indistinguibles. Conforme se diferencian, se comprometen como resultado del reordenamiento de su DNA (fig. 17.18) para producir sólo una especie de molécula de anticuerpo (fig. 17.7, paso 1). Hay miles de distintos reordenamientos de DNA posibles, de tal manera que distintos linfocitos B producen diferentes anticuerpos. En consecuencia, aunque en el microscopio los linfocitos B maduros perecen idénticos, pueden distinguirse por los anticuerpos que producen.

2. Los linfocitos B se comprometen con la formación de anticuerpos en ausencia de antígenos. El repertorio básico de células productoras de anticuerpos que tendrá una persona durante toda su vida ya existe en los tejidos linfoides antes de la estimulación por un antígeno y es independiente de la presencia de materiales extraños. Cada célula B presenta su anticuerpo particular en su superficie, con la porción que reacciona con el antígeno dirigida hacia fuera. Como resultado, la célula está cubierta con receptores que pueden unirse de manera específica a antígenos con una estructura complementaria. Aunque la mayoría de las células linfoides nunca es necesaria durante la vida de un individuo, el sistema inmunitario está preparado para responder de inmediato a cualquier antígeno al que se exponga un sujeto. La presencia de células con distintos anticuerpos unidos a la membrana puede demostrarse de manera experimental, como se observa en la figura 17.8.

3. La producción de anticuerpos sigue a la selección de los linfocitos B por el antígeno. En la mayor parte de los casos, la activación de una célula B por un antígeno requiere la participación de las células T (que se explica en las págs. 709 y 723). Sin embargo, unos cuantos antígenos (como los polisacáridos presentes en las paredes celulares bacterianas) activan a los linfocitos B por sí mismos; las moléculas de este tipo se describen como antígenos independientes del timo. Por simplicidad, la descripción por ahora se limitará a un antígeno independiente del timo. Considérese que una persona se expusiera a Haemophilus influenzae tipo B, una bacteria encapsulada que puede ocasionar meningitis letal. La cápsula de estas bacterias contiene un polisacárido que puede unirse a una fracción diminuta de los linfocitos B del cuerpo (fig. 17.7, paso 2). Los linfocitos B que se adhieren al polisacárido contienen anticuerpos unidos a la membrana cuyo sitio de combinación les permite interactuar de manera específica con ese antígeno. De esta forma, un antígeno selecciona a los linfocitos que producen anticuerpos capaces de interactuar con él. La unión al antígeno activa al linfocito B e induce su proliferación (fig. 17.7, paso 3) para formar una población (o clon) de linfocitos, los cuales producen el mismo anticuerpo. Algunas de estas células activadas se diferencian en células plasmáticas de vida corta que secretan grandes cantidades de anticuerpos (fig. 17.7, paso 4). A diferencia de los precursores de células B (fig. 17.9a), las células plasmáticas tienen un retículo endoplásmico rugoso extenso, característico de las células especializadas en la síntesis y secreción de proteínas (fig. 17.9b).

4. La memoria inmunológica proporciona inmunidad a largo plazo. No todos los linfocitos B que se activan por antígenos se diferencian en células plasmáticas secretoras de anticuerpos. Algunos permanecen en los tejidos linfoides como células B de memoria (fig. 17.7, paso 5) que después pueden responder con rapidez si el antígeno aparece de nuevo en el cuerpo. Aunque los plasmocitos mueren después de que desaparece el estímulo antigénico, los linfocitos B de memoria pueden persistir durante la vida completa de una persona. Por ejemplo, se ha demostrado que los ancianos que sobrevivieron la pandemia de influenza de 1918 aún tenían linfocitos B circulantes que eran específicos para el patógeno al cual estuvieron expuestos 90 años antes. Al ser estimulados por el mismo antígeno, algunos de los linfocitos B de memoria proliferaron de forma rápida y se transformaron en células plasmáticas, lo cual generó una respuesta inmunitaria secundaria en cuestión de horas y no en los días necesarios para que se produzca la respuesta original (fig. 17.13).

5. La tolerancia inmunitaria impide la producción de autoanticuerpos. Como se discute más adelante, los genes que codifican anticuerpos se generan por un proceso en el que se combinan de manera aleatoria segmentos de DNA. Como resultado, siempre se forman genes que codifican anticuerpos que pueden reaccionar contra los propios tejidos del cuerpo, lo cual provocaría destrucción hística diseminada y enfermedad consecuente. Es obvio que el cuerpo debe prevenir la producción de tales proteínas, llamadas autoanticuerpos. Durante su desarrollo, muchos de los linfocitos B capaces de producir autoanticuerpos se destruyen o desactivan. En consecuencia, el cuerpo desarrolla tolerancia inmunológica hacia sí mismo. Como se explica en la sección “Perspectiva humana” de este capítulo (pág. 724), una falla en el estado de tolerancia puede conducir al desarrollo de enfermedades autoinmunitarias debilitantes.

Varios principios de la teoría de selección clonal pueden ilustrarse con una breve consideración del tema de la vacunación.

Vacunación

Edward Jenner practicó la medicina en áreas rurales de Inglaterra en una época en la que la viruela era una de las enfermedades más prevalentes y temidas. Con los años, notó que las mujeres que atendían a las vacas no sufrían los embates de la enfermedad. Jenner concluyó que, de alguna manera, las lecheras eran “inmunes” a la viruela porque se infectaban a una edad temprana con viruela vacuna, una patología innocua que contraían de las vacas. Este padecimiento produce vesículas que se parecen a las pústulas variolosas, pero que se localizan y desaparecen sin causar nada más que una cicatriz prominente en el sitio de la infección.

En 1796, Jenner realizó uno de los experimentos médicos más famosos (y riesgosos) de todos los tiempos. Primero, infectó a un niño de ocho años de edad con viruela vacuna y le dio tiempo para recuperarse. Seis semanas más tarde, el científico infectó de manera intencional al mismo niño con viruela mediante la inyección de pus proveniente de una lesión variolosa justo bajo la piel. El paciente no tuvo manifestaciones de la enfermedad. En unos cuantos años, miles de personas se habían vuelto inmunes a la viruela mediante la infección intencional con viruela vacuna. Este procedimiento se llamó vacunación, por la palabra latina vacca.

El experimento de Jenner tuvo éxito porque la respuesta inmunitaria generada contra el virus de la viruela vacuna fue eficaz contra el virus muy similar que produce la viruela. La mayor parte de las vacunas modernas contiene patógenos atenuados, que son capaces de estimular la inmunidad pero que se “incapacitaron” por medios genéticos para producir la enfermedad. En la actualidad la mayor parte de las vacunas son de células B, como la empleada para combatir el tétanos. Este trastorno se debe a la infección con la bacteria anaerobia de la tierra Clostridium tetani, que puede entrar al cuerpo mediante una herida punzante. Mientras crecen, las bacterias producen una neurotoxina potente que bloquea la transmisión a través de las sinapsis inhibidoras de las neuronas motoras, lo que induce una contracción muscular sostenida y asfixia. A los dos meses de edad, casi todos los lactantes están inmunizados contra el tétanos gracias a la inoculación con una versión modificada e innocua de la toxina del tétanos (llamada toxoide). El toxoide tetánico se une a la superficie de los linfocitos B, cuyas moléculas de anticuerpo unidas a la membrana tienen un sitio de unión complementario. Estas células B proliferan para formar un clon de células que produce anticuerpos capaces de unirse a la toxina tetánica real. Tal respuesta inicial se desvanece pronto, pero la persona conserva las células de memoria que responden con rapidez en caso de que la persona adquiriera una infección por C. tetani más adelante. A diferencia de la mayor parte de las inmunizaciones, la inmunidad contra la toxina tetánica no dura toda la vida y esa es la razón por la que las personas reciben refuerzos cada 10 años. El refuerzo contiene la proteína toxoide y estimula la producción de más células de memoria. ¿Qué sucede si una persona sufre una herida con potencial de ocasionar tétanos y no puede recordar si alguna vez le aplicaron un refuerzo? En estos casos, es posible administrarle al sujeto una inmunización pasiva, que consiste en anticuerpos que pueden unirse a la toxina tetánica. La inmunización pasiva sólo es eficaz durante un periodo corto y no protege al receptor contra una infección posterior.

Al igual que las células B, los linfocitos T están sujetos a un proceso de selección clonal. Los últimos poseen una proteína superficial llamada receptor de linfocito T (TCR, T-cell receptor), que les permite interactuar de manera específica con un antígeno particular. Al igual que las moléculas de anticuerpo que sirven como receptores en los linfocitos B, las proteínas que actúan como receptores de las células T conforman una gran población de moléculas con sitios de combinación de diferentes formas. Del mismo modo que una célula B produce sólo una especie de anticuerpo, cada célula T tiene sólo una especie de receptor de linfocito T. Se calcula que los adultos humanos alojan cerca de 10¹² linfocitos T que en conjunto exhiben más de 10⁷ receptores diferentes para antígenos.

Los linfocitos T son activados por fragmentos de antígenos que se exponen en las superficies de otras células, llamadas células presentadoras de antígenos (APC, antigen-presenting cells). Considérese lo que ocurriría si un virus infectara a células del hígado o de los riñones. Las células infectadas presentarían segmentos de las proteínas virales en su superficie (fig. 17.24), lo cual les permitiría unirse a un linfocito T con el receptor apropiado del linfocito T (cognado). Como resultado de esta presentación, el sistema inmunitario se alerta ante la entrada de un patógeno específico. El proceso de presentación de antígenos se explica con detalle más adelante en este capítulo (pág. 717) y también se revisa en la sección “Vías experimentales”.

Mientras que cualquier célula infectada puede servir como APC para activar a los linfocitos T, ciertos tipos de APC “profesionales” están especializadas para esta función. Las APC profesionales incluyen a las células dendríticas y a los macrófagos (fig. 17.10). La explicación se centra en las células dendríticas (DC, dendritic cells), descubiertas y caracterizadas por Ralph Steinman, de la Rockefeller University, a principios de la década de 1970 y a menudo descritas como “centinelas” del sistema inmunitario. Las células dendríticas obtuvieron este título porque “vigilan” los tejidos periféricos del cuerpo por donde es probable que entren los patógenos (como la piel y las vías respiratorias). Las células dendríticas están equipadas con una gran variedad de receptores capaces de reconocer virtualmente cualquier tipo de patógeno. Dicha propiedad hace a las DC un componente importante del sistema inmunitario innato (pág. 700). Como se revisa en los párrafos siguientes, las DC utilizan la información de los patógenos que ingieren para desencadenar una respuesta de las células apropiadas del sistema inmunitario adaptativo.

Cuando se presentan en los tejidos periféricos del cuerpo, DC inmaduras reconocen e ingieren microbios y otros materiales extraños mediante fagocitosis. Una vez que una célula dendrítica capta un microbio, debe procesarlo antes de poder presentar sus componentes a otra célula. Para el procesamiento antigénico son necesarios la fragmentación enzimática del material ingerido en el citoplasma y el desplazamiento de los fragmentos a la superficie celular (fig. 17.23). Las DC que tienen un antígeno procesado migran a los ganglios linfáticos cercanos, donde se diferencian en células presentadoras de antígenos maduras y entran en contacto con una gran reserva de linfocitos T, incluido un porcentaje diminuto cuyos receptores de célula T pueden unirse de manera específica con el antígeno ajeno procesado, lo cual activa a la célula T. En fecha reciente se visualizó este proceso dinámico de interacciones entre DC y células T en tejidos ganglionares vivos mediante imágenes microscópicas de células con marca fluorescente (fig. 17.11). En ausencia de un antígeno, una DC determinada puede interactuar en forma transitoria hasta con 500 a 5 000 linfocitos T distintos, permaneciendo en contacto sólo unos minutos con cada célula (como en la fig. 17.11). En cambio, cuando la célula dendrítica presenta un antígeno que el TCR de la célula T reconoce de manera específica, la interacción entre las células se mantiene durante horas y conduce a la activación de la célula T, como se demuestra por un aumento transitorio de la concentración de Ca²⁺ en el citosol.

Tras activarse, una célula T prolifera para formar un clon de linfocitos T con el mismo TCR. Se calcula que una sola célula T activada puede dividirse tres o cuatro veces cada 24 h durante varios días, lo que genera una enorme población de linfocitos T capaces de interactuar con el antígeno extraño. La proliferación masiva de linfocitos T específicos como respuesta a una infección se refleja muchas veces en el crecimiento de los ganglios linfáticos locales. Una vez que se elimina el antígeno extraño, la gran mayoría de la población extendida de linfocitos T muere por apoptosis y deja una población relativamente pequeña de linfocitos T de memoria, capaces de responder con rapidez en caso de un contacto futuro con el mismo patógeno.

A diferencia de los linfocitos B que secretan anticuerpos, los linfocitos T realizan su función mediante interacciones directas con otras células, incluidos los linfocitos B, otros linfocitos T y células blanco localizadas en todo el cuerpo. Esta interacción celular puede conducir a la activación, desactivación o muerte de la otra célula. Además del contacto directo, muchas interacciones de los linfocitos T son mediadas por mensajeros químicos muy activos llamados citocinas, que actúan en concentraciones muy bajas. Las citocinas son pequeñas proteínas producidas por una gran variedad de células e incluyen interferones (IFN), interleucinas (IL) y factores de necrosis tumoral (TNF, tumor necrosis factors). Las citocinas se unen a receptores específicos en la superficie de una célula diana, lo que genera una señal interna que altera la actividad de ésta. Como respuesta a una citocina, es posible que una célula se prepare para dividirse, se diferencie o secrete sus propias citocinas. Una familia de estas pequeñas moléculas, denominadas quimiocinas, actúa sobre todo como quimioatrayentes que estimulan la migración de linfocitos al tejido inflamado. Diferentes tipos de linfocitos y fagocitos tienen receptores para distintas quimiocinas, de manera que sus patrones de migración pueden controlarse por separado. El cuadro 17.1 presenta una lista de algunas de las citocinas mejor estudiadas.

Tres subclases mayores de linfocitos T pueden distinguirse por las proteínas localizadas en su superficie y sus funciones biológicas.

1. Los linfocitos T citotóxicos (CTL, cytotoxic T lymphocytes) monitorizan a las células del cuerpo para reconocer anomalías. En circunstancias comunes, las células sanas no sufren daño por los CTL, pero las células senescentes o infectadas, y tal vez las malignas, son atacadas y destruidas. Los CTL aniquilan células blanco porque inducen su apoptosis. Se han descubierto dos vías distintas para destruir células. En una, el CTL libera perforinas y granzimas al espacio entre las células. Las perforinas son proteínas que se ensamblan dentro de la membrana de la célula blanco para formar canales transmembranosos. Las granzimas son enzimas proteolíticas que entran por los canales de perforina y activan a las caspasas, que son las enzimas proteolíticas que inician la respuesta de apoptosis (pág. 656). En la otra vía, el CTL se une a un receptor en la superficie de la célula blanco, lo que activa una vía de suicidio en ésta, similar a la de la figura 15.39. Al destruir a las células infectadas, los CTL eliminan virus, bacterias, levaduras, protozoarios y parásitos después de que ingresaron a las células hospedadoras y ya no son accesibles a los anticuerpos circulantes. Los CTL tienen una proteína superficial llamada CD8 (designación de cúmulo 8) y se conocen como células CD8⁺.

2. Los linfocitos T cooperadores (células T_H, helper T cells) activan a otras células inmunitarias en un ataque orquestado contra un patógeno específico. Se distinguen de los CTL por la presencia de la proteína CD4 en su superficie, en lugar de CD8.¹ Las células T_H se activan mediante las células presentadoras de antígenos profesionales, como las DC y los macrófagos, como se muestra en la figura 17.12. Este es uno de los primeros y más importantes pasos en la respuesta inmunitaria adaptativa. Casi todos los linfocitos B requieren la ayuda de las células T_H para poder madurar y diferenciarse en células plasmáticas secretoras de antígenos. Los linfocitos B se activan por interacción directa con una célula T_H que es específica para el mismo antígeno, como se muestra en la figura 17.12 (y con más detalle en la fig. 17.26). Por lo tanto, la formación de anticuerpos requiere la activación de células B y T capaces de interactuar de manera específica con el mismo antígeno. La importancia de las células T_H se torna evidente cuando se consideran los efectos devastadores que tiene el virus de la inmunodeficiencia humana (VIH), el causante del sida. Los linfocitos T_H son los principales blancos del VIH. La mayor parte de las personas infectadas por este virus permanece libre de síntomas mientras su cuenta de linfocitos T_H mantenga niveles relativamente altos, por arriba de 500 células/μl de sangre (la cuenta normal es mayor de 1 000 células/μl). Una vez que la cifra cae por debajo de unas 200 células/μl, la persona desarrolla el sida en su máxima expresión y se vuelve susceptible al ataque de patógenos virales y celulares.

3. Los linfocitos T reguladores (células T_Reg) son sobre todo células inhibidoras que suprimen la proliferación y las actividades de varios tipos de células inmunitarias. Virtualmente se han estudiado in vitro todas las actividades supresoras de las células T_Reg y por ello subsisten muchas dudas sobre la forma en que éstas operan en el organismo. Las células T_Reg se caracterizan por poseer marcadores de superficie CD4⁺ CD25⁺ que, según expertos, desempeñan funciones importantes para limitar la inflamación y conservar la autotolerancia inmunológica. Las células mencionadas realizan esta última actividad al impedir que CTL que poseen receptores autorreactivos ataquen las células propias del cuerpo. Las células T_Reg al parecer también protegen al feto del ataque inmunológico por parte de su madre, sin embargo también pueden ser nocivas para la salud, al evitar que el sistema inmunitario elimine células tumorales del organismo. La diferenciación de las células T_Reg necesita estimulación por parte de la citocina IL-2 e induce la expresión de un factor de transcripción fundamental FOXP3 en dichos leucocitos. Las mutaciones del gen FOXP3 ocasionan una enfermedad mortal (IPEX) que se caracteriza por autoinmunidad grave en neonatos. Se ha sospechado ampliamente que defectos en las células T_Reg intervienen de manera decisiva en el desarrollo de la mayoría de las enfermedades autoinmunitarias. Estudios de los linfocitos T_Reg han demostrado de forma directa que la homeostasis en el sistema inmunitario requiere un equilibrio estricto entre las influencias estimulantes y las inhibidoras.

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 (V_L), sólo un cuarto de cada cadena pesada no es constante (V_H) entre los distintos pacientes; los tres cuartos restantes de la cadena pesada (C_H) 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 C_H1, C_H2 y C_H3 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 (V_H o V_L) 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 Jκ_κ 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 V_H, 25 segmentos D_H y seis segmentos J_H funcionales. Dada la diversidad adicional que deriva de la variabilidad de la unión V_H–D_H y D_H–J_H, 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 C_H) 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 C_H 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 T_H durante su interacción con la célula B que produce la molécula de anticuerpo. Por ejemplo, una célula T_H 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 (T_H) por las APC profesionales

Los linfocitos T_H 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 T_H 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 T_H 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 T_H. 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 T_H. Por lo tanto, la necesidad de dos señales de activación de una célula T_H protege a las células normales del cuerpo de un ataque autoinmunitario por parte de las células T_h.

Antes de su interacción con una APC, una célula T_H 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 T_H 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 T_H hace que sinteticen y secreten citocinas (en particular IL-2). Las citocinas producidas por linfocitos T_H 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 T_H

Los linfocitos T_H 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 T_H con un TCR apropiado (cognado). El reconocimiento del fragmento peptídico por el TCR conduce a la activación de la célula T_H, la cual responde mediante activación de la célula B. Esta activación ocurre después de la transmisión de varias señales de la célula T_H 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 T_H, 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:

1. 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.

2. Activación de Ras, que deriva en la activación de la cascada de cinasas de MAP (pág. 640).

3. 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.

Los vertebrados son protegidos de las infecciones por reacciones inmunitarias mediadas por células que pueden distinguir entre materiales “propios” y moléculas “ajenas”. Las respuestas innatas son rápidas, pero carecen de especificidad, mientras que las reacciones inmunitarias adaptativas son muy específicas, pero requieren un periodo de espera de varios días. Las respuestas innatas las realizan las células fagocíticas vigilantes que portan receptores tipo Toll, moléculas que se encuentran en la sangre (complemento) y que pueden destruir células bacterianas, proteínas antivirales (interferones) y linfocitos citolíticos naturales que hacen que las células infectadas experimenten apoptosis. Se pueden distinguir dos amplias categorías de inmunidad adaptativa: (1) inmunidad humoral (sanguínea), mediada por anticuerpos que producen células derivadas de los linfocitos B (células B) y (2) inmunidad mediada por células, a cargo de los linfocitos T (células T). Los linfocitos B y los T derivan de la misma célula primordial, que también da origen a otros tipos de células sanguíneas (pág. 700).

Las células del sistema inmunitario se desarrollan por selección clonal. Durante su desarrollo, cada célula B se compromete con la producción de sólo una especie de molécula de anticuerpo, que al principio se presenta como un receptor de antígeno en la membrana plasmática de la célula. El compromiso de la célula B ocurre en ausencia de un antígeno, por lo que todo el repertorio de células productoras de anticuerpos está presente antes de la estimulación por moléculas antigénicas. Cuando una sustancia extraña aparece en el cuerpo, funciona como antígeno mediante la interacción con los linfocitos B que contienen anticuerpos unidos a su membrana capaces de unirse a esa sustancia. Las actividades de unión a antígenos de las células B inducen su proliferación y forman un clon de células que se diferencian en plasmocitos productores de anticuerpos. De esta manera, un antígeno selecciona a las células capaces de interactuar con él. Algunos de los linfocitos B seleccionados por el antígeno permanecen como células de memoria no diferenciadas que responden con rapidez si el antígeno ingresa al cuerpo de nueva cuenta. Los linfocitos B cuyos receptores de antígenos son capaces de reaccionar con los propios tejidos del cuerpo se desactivan o se eliminan, lo que hace que el cuerpo desarrolle tolerancia inmunitaria hacia sí mismo (pág. 704).

Los linfocitos T reconocen a los antígenos mediante sus receptores de células T (TCR). Dichas células pueden dividirse en tres subclases distintas: linfocitos T coadyuvantes (linfocitos T_H) que activan a las células B; linfocitos T citotóxicos (CTL) que destruyen células ajenas o infectadas, y linfocitos T reguladores (linfocitos T_Reg), que por lo general suprimen a otras células T. A diferencia de los linfocitos B que se activan por antígenos solubles intactos, las células T se activan por fragmentos de antígenos que se presentan en las superficies de otras células, las presentadoras de antígenos (APC). Aunque cualquier célula infectada puede activar un CTL, sólo las APC profesionales, como los macrófagos y las células dendríticas (que funcionan en la ingestión y procesamiento de antígenos), pueden activar a los linfocitos T_H. Los linfocitos T citotóxicos aniquilan a las células blanco mediante la secreción de proteínas, que hacen permeable la membrana de éstas e inducen su apoptosis (pág. 707).

Los anticuerpos son proteínas globulares llamadas inmunoglobulinas (Ig) que se forman con dos tipos de cadenas polipeptídicas: pesadas y ligeras. Los anticuerpos se dividen en varias clases (IgA, IgG, IgD, IgE e IgM), según su cadena pesada. Las cadenas pesadas y las ligeras consisten en (1) regiones constantes (C), que son aquellas cuya secuencia de aminoácidos es idéntica en todas las cadenas pesadas y las ligeras de una clase determinada, y (2) regiones variables (V), cuya secuencia varía de una especie de anticuerpo a otra. Las diferentes clases de anticuerpos aparecen en distintos momentos después de la exposición a un antígeno y tienen diversas funciones biológicas. La IgG es la forma predominante en la sangre. Cada molécula de IgG con forma de Y contiene dos cadenas pesadas idénticas y dos cadenas ligeras iguales. Los sitios para combinación con antígenos se forman por la relación de la región V de una cadena ligera con la región V de una cadena pesada. En las regiones variables se incluyen las regiones hipervariables que constituyen las paredes del sitio de combinación con antígenos (pág. 710).

Los receptores de antígenos de los linfocitos B y de las células T son codificados por genes producidos mediante recombinación del DNA. La región variable de una cadena ligera de Ig se forma a partir de dos segmentos de DNA (V y J) que se unen entre sí, mientras que cada región variable de una cadena pesada de Ig se compone de tres fragmentos unidos (V, J y D). La variabilidad es resultado de la unión de diferentes genes V con distintos genes J en diferentes células productoras de anticuerpos. Se logra una variabilidad aún mayor por la inserción enzimática de nucleótidos y la variación en el sitio de unión V-J. Se calcula que un individuo puede sintetizar más de 2 000 especies distintas de cadenas ligeras κ y 100 000 especies de cadenas pesadas, las cuales pueden combinarse al azar para formar más de 200 millones de anticuerpos. Se obtiene más diversidad aún en las células productoras de anticuerpos mediante la hipermutación somática, en la que los genes V reordenados experimentan una tasa de mutación mucho mayor a la del resto del genoma (pág. 713).

Las APC captan antígenos, los fragmentan en péptidos cortos y los combinan con proteínas codificadas por el complejo mayor de histocompatibilidad (MHC) para presentarlos a los linfocitos T. Las proteínas del MHC pueden subdividirse en dos clases: I y II. Las moléculas de MHC clase I presentan sobre todo péptidos derivados de proteínas citosólicas endógenas, incluidas las derivadas de un virus infectante. Casi todas las células del cuerpo pueden presentar péptidos a los linfocitos T citotóxicos mediante las moléculas de MHC clase I. Si el TCR de un CTL reconoce un péptido ajeno presentado por una célula, dicho linfocito se activa para destruir a la célula blanco. Las APC profesionales, que incluyen a los macrófagos y las células dendríticas, presentan péptidos combinados con las moléculas de MHC clase II. Los TCR de la superficie de los linfocitos T_H reconocen los complejos MHC-péptido de las células presentadoras de antígenos. Las células T coadyuvantes que se activan por antígenos presentados por una APC se relacionan luego con los linfocitos B y estimulan su activación. Los receptores de antígenos de estas células (BCR, que son inmunoglobulinas) reconocen al mismo antígeno. Los linfocitos T coadyuvantes estimulan a los linfocitos B mediante interacción directa y por secreción de citocinas. La activación de un linfocito T por un TCR conduce a la estimulación de cinasas de tirosina dentro de la célula, lo que a su vez provoca la activación de varias vías de señalización (incluidas Ras y la cascada de cinasa de MAP) y de la fosfolipasa C (pág. 716).