INFECTIOUS DISEASE

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IMMUNOLOGIE – CHAPITRE QUATRE
IMMUNOGLOBULINES - STRUCTURE ET FONCTION
 

Gene Mayer, Ph.D.
Emertius Professor of Pathology, Microbiology and Immunology
University of South Carolina

Denis Hudrisier, Ph.D.
Centre national de la recherche scientifique (CNRS) · Institute of Pharmacology and Structural Biology
Université de Toulouse

 

EM PORTUGUES - PORTUGUESE

Logo image © Jeffrey Nelson, Rush University, Chicago, Illinois  and The MicrobeLibrary

OBJECTIFS DU COURS
Discuter les propriétés générales de toutes les immunoglobulines
Décrire la structure des immunoglobulines
Relier la structure des immunoglobulines à leur fonction
Définir les régions hypervariables et les régions assurant l’ossature des immunoglobulines
Définir les classes et sous-classes, types et sous-types des immunoglobulines
Décrire les structures et les fonctions des différentes classes d’immunoglobulines
 

Figure 1 Séparation éléctrophorétique des protéines du serum

I. DEFINITION

Immunoglobuline (Ig)
Les immunoglobulines sont des glycoprotéines qui sont produites par les plasmocytes en réponse à un immunogène et qui fonctionnent comme des anticorps. Les immunoglobulines tirent leur nom de la découverte qu’elles migrent avec les protéines globulaires lorsqu’un sérum immun (contenant des anticorps) est placé dans un champ électrique (Figure 1).

II. FONCTIONS GENERALES DES IMMUNOGLOBULINES

A. Liaison à l’antigène
Les immunoglobulines se lient de façon spécifique à un ou plusieurs antigènes apparentés. Chaque immunoglobuline se lie en fait à un déterminant antigénique spécifique. La liaison à l’antigène est la première fonction des anticorps qui, en tant que telle, peut assurer une protection de l’hôte. La valence de l’anticorps fait référence au nombre de déterminants antigéniques que chaque molécule individuelle d’anticorps peut lier. La valence de tous les anticorps est d’au moins deux et peut être supérieure dans certains cas.

B. Fonctions effectrices
Souvent, la liaison de l’anticorps à l’antigène ne conduit à aucun effet biologique direct. Les effets biologiques importants des anticorps sont plutôt la conséquence de fonctions effectrices secondaires. Les immunoglobulines possèdent des fonctions effectrices variées. En général, pour qu’une fonction effectrice soit mise en œuvre, il faut que l’anticorps se lie à l’antigène. Les immunoglobulines ne présentent pas toutes l’ensemble des fonctions effectrices.
Les fonctions effectrices incluent:

1. Fixation du complément. Cela conduit à la lyse des cellules et au relâchement de molécules biologiquement actives (voir chapitre deux).

2. Liaison à des types cellulaires variés. Les phagocytes, les lymphocytes, les plaquettes, les mastocytes, les basophiles possèdent des récepteurs pour les immunoglobulines. Cette liaison peut conduire les cellules à s’activer et à mettre en œuvre des fonctions effectrices. Certaines immunoglobulines peuvent aussi se lier à des récepteurs sur les trophoblastes du placenta, ce qui conduit à leur passage au travers de la barrière placentaire. En conséquence, les anticorps maternel transférés assurent l’immunité du fœtus et du nouveau-né.
 

 

MOTS-CLES
Immunoglobuline
Valence
Chaîne lourde
Chaîne légère
Région variable
Région constante
Région charnière
Domaine
Région hypervariable
Région « Framework » (ossature)
Groupes & sous-groupes
Fab & Fc, F(ab')2
Type & sous-type
Classe & sous-classe
Opsonine
Chaîne J
Pièce sécrétoire
 

   Figure 2A Structure de base des immunoglobulines

  Figure 2B
Cliquer sur l’image à gauche pour une démonstration animée de la structure des anticorps Requiert le  Plug-In Chime. Obtenez Chime here.  Developed by Eric Martz. Development supported by the Divisio.

   Figure 2C Représentation en ruban de la première structure intacte d’anticorps jamais cristallisée (IgG2A). Harris, L. J., Larson, S. B., Hasel, K. W., Day, J., Greenwood, A., McPherson, A. Nature 1992, 360, 369-372. © 2000  Antibody Resource Page

  Figure 2D
L’anticorps en rotation  Jose Saldanha,  Humanization by Design  © 2000,  Antibody Resource Page

III. STRUCTURE DE BASE DES IMMUNOGLOBULINES

La structure de base des immunoglobulines est illustrée dans la Figure 2. Bien que différentes immunoglobulines puissent présenter des variations structurales, elles sont toutes construites sur la même unité de base.

A. Chaînes lourdes et légères
Toutes les immunoglobulines ont une unité de base formée d’une structure comprenant quatre chaînes. Elles sont ainsi composées de deux chaînes légères (L) identiques (23kD) et de deux chaînes lourdes (H) identiques (50-70kD).

B. Ponts disulfures

1. Ponts disulfures inter-chaînes. Les chaînes lourdes et légères, d’une part, et les deux chaînes lourdes, d’autre part, sont maintenues ensemble par des ponts-disulfures inter-chaînes ainsi que des liaisons non-covalentes. Le nombre de ponts disulfures inter-chaînes varie en fonction des molécules d’immunoglobulines.

2. Ponts disulfures intra-chaînes. On trouve également des ponts disulfures intra-chaîne au sein de chaque chaîne polypeptidique.

C. Régions Variables (V) et Constantes (C)
Lorsque l’on compare les séquences en acides aminés de nombreuses chaînes légères et chaînes lourdes différentes, il apparaît qu’à la fois les chaînes lourdes et les chaînes légères peuvent être divisées en deux régions basées sur la variabilité des séquences. Ce sont:

1. Pour la chaîne légère : les régions VL (110 acides aminés) et CL (110 acides aminés)

2. Pour la chaîne lourde : les régions VH (110 acides aminés) et CH (330-440 acides aminés)

D. Région charnière
C’est la région au niveau de laquelle les bras de la structure d’anticorps sont en forme de Y. Cette région est appelée « charnière » car c’est à ce niveau que la molécule présente un certain degré de flexibilité.

E. Domaines
Les images de la structure tridimensionnelle de la molécule d’immunoglobuline montrent que la structure est plus complexe que comme représenté dans la figure 2A. En effet, elle est plutôt structurée en régions globulaires, chacune d’entre elles contenant un pont disulfure intra-chaîne (figure 2B-D). Ces régions sont appelées domaines.

1. Domaines de la chaîne légère : VL et CL

2. Domaines de la chaîne lourde VH, CH1 à CH3 (eventuellement CH4)

F. Oligosaccharides
Des motifs oligosaccharidiques sont attachés au domaine CH2 de la plupart des immunoglobulines. Dans certains cas, ces oligosaccharides peuvent aussi être attachés sur d’autres parties de la molécule.

 

IV. STRUCTURE DE LA REGION VARIABLE

A. Région hypervariable (HVR) ou complementarity determining regions (CDR)
La comparaison des séquences en acides aminés de régions variables de nombreuses immunoglobulines montre que l’essentiel de la diversité réside dans trois zones hypervariables (ou complementarity determining region, c’est à dire des régions déterminant la complémentarité, sous entendu avec l’antigène) comme illustré dans la Figure 3. Des anticorps de spécificité antigénique différente (c’est à dire des sites de liaison différents à l’antigène) auront des régions hypervariables différentes alors que des anticorps de spécificité rigoureusement équivalente auront des régions hypervariables identiques (les CDR forment en fait le site de liaison de l’anticorps à l’antigène). Les régions hypervariables sont trouvées à la fois sur les chaînes légères et les chaînes lourdes.

B. Régions assurant l’ossature (Framework)
Les régions placées entre les régions hypervariables au sein des domaines variables assurent d’ossature (ou le squelette) (ou « framework », figure 3) de l’immunoglobuline. En se basant sur les similarités et les différences entre les régions« Framework » des domaines variables des chaînes lourdes et légères, il est possible de définir des groupes et des sous-groupes de chaînes lourdes et légères. Ce sont les produits de gènes codant pour différentes régions variables.
 

 

   Figure 3 Structure de la région assurant l’ossature du domaine variable

Cliquer sur l’image à gauche pour voir une structure moléculaire en rotation d’un fragment Fab lié à un peptide de l’hémagglutinine du virus de la grippe. Requiert le  Plug-In Chime. Obtenez Chime  here)

Cliquer sur l’image à gauche pour voir les détails de l’interaction d’un anticorps monoclonal de souris avec de lysozyme de blanc d’œuf de poule . Requiert le  Plug-In Chime. Obtenez Chime here)

Les fragments d’immunoglobulines générés par protéolyse se sont révélés très utiles pour comprendre les relations structure/fonction des immunoglobulines.

A. Fragment Fab
La digestion par la papaïne casse la molécule d’immunoglobuline au niveau de la région charnière avant le pont disulfure inter-chaîne (Figure 4). Cela conduit à la formation de deux fragments identiques qui contiennent une chaîne légère et les domaines VH et CH1 d’une chaîne lourde.

Liaison à l’antigène. Ces fragments ont été appelés Fab car ils contiennent les sites de liaison à l’antigène de l’anticorps. Chaque fragment Fab est monovalent alors que la molécule d’origine est divalente. Le site de liaison de l’anticorps est créé par la mise en commun des domaines VH et VL. Des combinaisons de différents domaines VH et VL conduit à des anticorps qui peuvent se lier à des déterminants antigéniques différents.

B. Fragment Fc
La digestion par la papaïne génère aussi un fragment qui contient le reste des deux chaînes lourdes contenant chacune les domaines CH2 et CH3. Ce fragment a été appelé Fc car il cristallisait facilement.
 

Fonctions effectrices : les fonctions effectrices des immunoglobulines sont essentiellement portées par cette partie de la molécule. Des fonctions différentes sont portées par différents domaines du fragment Fc (figure 5). Normalement, le fait qu’un anticorps puisse exercer une fonction dépend de sa fixation préalable à l’antigène ; il y a néanmoins des exceptions à cette règle.

C. Fragment F(ab')2
Le traitement des immunoglobulines à la pepsine conduit à un clivage de la chaîne lourde après le pont disulfure localisé entre les deux chaînes lourdes, ce qui conduit à la formation d’un fragment contenant les deux sites de liaison à l’antigène (figure 6). Ce fragment a été appelé F(ab')2 car il est divalent. La région Fc de la molécule est digérée en courts peptides suite au traitement à la pepsine. Le fragment F(ab')2 se lie à l’antigène mais ne porte pas les fonctions de l’anticorps.
 

 

VI. CLASSE, SOUS-CLASSES, TYPES ET SOUS-TYPES DES IMMUNOGLOBULINES HUMAINES

A. Classes d’immunoglobulines
Les immunoglobulines peuvent être divisées en cinq classes différentes selon les séquences en acides aminés des régions constantes des chaînes lourdes. Toutes les immunoglobulines, au sein d’une classe donnée, auront des régions constantes de chaînes lourdes très similaires. Ces classes différentes peuvent être détectées par des études de séquençage ou, plus communément, par des tests sérologiques (c’est à dire utilisant des anticorps dirigés contre ces différences).

1. IgG : chaîne lourde « Gamma »

2. IgM : chaîne lourde « Mu »

3. IgA : chaîne lourde « Alpha »

4. IgD : chaîne lourde « Delta »

5. IgE : chaîne lourde « Epsilon »

B. Sous-classe d’immunoglobulines
Les classes d’immunoglobulines peuvent être subdivisées en sous-classe en fonction de légères différences en acides aminés présentes dans la région constante des chaînes lourdes. Toutes les immunoglobulines, au sein d’une sous-classe donnée, auront des régions constantes de chaînes lourdes très similaires. De nouveau, ces différences peuvent être mises en évidence par des moyens sérologiques.

1. Sous-classes d’IgG

a) IgG1 : chaîne lourde Gamma 1

b) IgG2 : chaîne lourde Gamma 2

c) IgG3 : chaîne lourde Gamma 3

d) IgG4 : chaîne lourde Gamma 4

2. Sous-classes d’IgA

a) IgA1 : chaîne lourde Alpha 1

b) IgA2 : chaîne lourde Alpha 2
 

C. Types d’immunoglobulines
Les immunoglobulines peuvent aussi être classées en types en fonction de la chaîne légère dont elles disposent. Les types de chaînes légères sont basés sur des différences dans la séquence des acides aminés de la région constante. Là encore, ces différences peuvent être mises en évidence par des moyens sérologiques. On distingue :

1. Chaînes légères de type Kappa 

 

2. Chaînes légères de type Lambda

 

D. Sous-types d’immunoglobulines
Les chaînes légères peuvent également être subdivisées en sous-types en fonction de différences légères dans la séquence en acides aminés des régions constantes de la chaîne légère au sein d’un type donné.

 

1. Sous-types Lambda

a) Lambda 1 

 

b) Lambda 2 

 

c) Lambda 3 

 

d) Lambda 4 

 

E. Nomenclature
Les immunoglobulines sont dénommées sur la base de leur classe, ou de leur sous-classe de chaîne lourde et sur leur type, ou sous-type de chaîne légère. En absence de précision, il faut admettre que toutes les classes, sous-classe, types ou sous-types sont présents dans un échantillon biologique. IgG signifie que toutes les sous-classes d’IgG et tous les types sont présents dans une échantillon biologique.

 

F. Hétérogénéité
Les immunoglobulines, prises en tant que population de molécules, sont normalement très hétérogènes car elles sont composées non seulement de différentes classes et sous-classes de molécules chacune composée de types et de sous-types de chaînes légères différentes mai aussi car elles peuvent avoir des propriétés de liaison à des antigènes différents du fait de la diversité des régions V_H et V_L.

 

A. IgG

1. Structure
Les structures des sous-classes d’IgG sont présentées dans la Figure 7. Toutes les IgG sont des monomères (immunoglobulines 7S). Les sous-classes diffèrent par le nombre de ponts disulfures et la longueur de la région charnière.

2. Propriétés
La classe d’anticorps IgG présente l’ensemble des fonctions qui peuvent être réalisées par des molécules d’immunoglobulines.

a) Les IgG sont les immunoglobulines majoritaires dans le sérum : 75% des immunoglobulines sériques sont des IgG

b) Les IgG sont les immunoglobulines majoritaires dans l’espace extravasculaire

c) Transfert placentaire : l’IgG est la seule classe d’immunoglobulines pouvant traverser la barrière placentaire. Le transfert est possible grâce à un récepteur pour la région Fc des IgG exprimé par les cellules placentaires. Toutes les sous-classes ne sont pas transférées de façon équivalent : les IgG2 ne sont pas bien transportées.

d) Fixation du complément : toutes les sous-classes d’IgG ne fixent pas le complément : c’est le cas de l’IgG4

e) Liaison aux cellules : les macrophages, monocytes, neutrophiles et certains lymphocytes possèdent des récepteurs pour la partie Fc des IgG. Toutes les sous-classes ne se fixent pas bien; les IgG2 et IgG4 ne se lient pas bien aux récepteurs Fc. Une des conséquences de la liaison des immunoglobulines aux récepteurs Fc présents sur les neutrophiles, monocytes et macrophages est que ces cellules peuvent internaliser l’antigène plus efficacement : l’anticorps a sensibilisé l’antigène à l’internalisation par les phagocytes. Le terme opsonine est utilisé pour décrire des substances qui augmentent la phagocytose. Les IgG sont donc de bonnes opsonines. La liaison des IgG sur les récepteurs Fc présents sur d’autres types cellulaires conduit à l’activation d’autres fonctions que la phagocytose sur ces cellules.

 

  Figure 9 Structure d’une IgM de surface

Figure 10 Le récepteur à l’antigène des cellules B (B cell antigen receptor ; BcR)

B. IgM

1. Structure
La structure des IgM est présentée figure 8. Les IgM existent normalement sous la forme de pentamères (immunoglobulines 19S) mais peuvent aussi exister sous la forme de monomères. Dans leur forme pentamérique, toutes les chaînes lourdes et toutes les chaînes légères sont identiques. La valence des IgM pentamériques est donc théoriquement de 10. Les IgM ont un domaine surnuméraire sur la chaîne mu (nommé CH4) et sont associées de façon covalente, par un pont disulfure, à une autre protéine appelée chaîne J.

2. Propriétés

a) L’IgM est la troisième immunoglobuline en termes d’abondance dans le sérum.

b) L’IgM est la première immunoglobuline à être produite par le fœtus ainsi que la première immunoglobuline produite par les lymphocytes B « naïfs » après qu’ils aient été stimulés par l’antigène.

c) Grâce à sa structure pentamérique, l’IgM fixe bien le complément. Les IgM sont des anticorps très efficaces pour lyser les micro-organismes.

d) Toujours grâce à sa structure pentamérique, l’IgM est aussi un bon anticorps agglutinant. Ainsi les IgM sont de bons anticorps pour agglutiner les micro-organismes ce qui conduit à leur élimination par le corps.

e) Les IgM se fixent à certaines cellules par le biais de récepteurs Fc.

f) Immunoglobuline de surface des cellules B
L’IgM de surface se présente sous la forme d’un monomère, sans chaîne J mais possède une extension de 20 acides aminés supplémentaires à son extrémité C-terminale permettant l’ancrage à la membrane (Figure 9). L’IgM de surface est le récepteur à l’antigène des lymphocytes B. L’IgM de surface est associée à deux protéines de la membrane des cellules B appelées Ig-alpha et Ig-beta comme indiqué dans la Figure 10. Ces protéines assurent la transduction du signal car la queue cytoplasmique de l’IgM de surface est trop courte pour transduire les signaux. La liaison de l’antigène à l’immunoglobuline de surface est requise pour que la transduction du signal par les chaînes Ig-alpha et Ig-beta ait lieu. Dans le cas des antigènes T-indépendants, la liaison de l’antigène à l’immunoglobuline de surface est suffisante pour permettre l’activation de la cellule B et sa différenciation en plasmocyte sécréteur d’anticorps. Par contre, dans le cas des antigènes T-dépendants, un second signal apporté par les lymphocytes T auxiliaires est nécessaire pour que les cellules B soient activées.
 

  
Figure 11 Structure d’une IgA

 Figure 12   Origine des IgA solubles

C. IgA

1. Structure
Les IgA trouvées dans le sérum sont monomériques mais celles présentes dans les sécrétions sont sous la forme de dimères comme présenté dans la Figure 11. Sous la forme dimérique, l’IgA est associée à une chaîne J.

L’IgA trouvée dans les sécrétions est également associée à une autre molécule : la pièce sécrétoire ou chaîne T ; l’IgA présente dans les sécrétion (ou sIgA) est parfois appelée immunoglobuline 11S. Contrairement au reste des IgA qui sont produites dans les plasmocytes, la pièce sécrétoire est produite dans les cellules épithéliales et est ajoutée à l’IgA lorsque celle-ci passe dans les sécrétions. (Figure 12). La pièce sécrétoire facilite le transport de l’IgA au travers de la muqueuse et protège également l’IgA de la dégradation dans les sécrétions.

2. Propriétés

a) L’IgA est la seconde immunoglobuline en abondance dans le sérum.

b) L’IgA est la principale immunoglobuline retrouvée dans les sécrétions, larmes, salive, colostrum, mucus. De par sa présence dans les sécrétions, l’IgA sécrétée est important dans l’immunité locale (mucosale).

c) Normalement les IgA ne fixent pas le complément sauf si elles sont sous forme agrégée.

d) L’IgA peut se lier à certaines cellules comme les neutrophiles et certains lymphocytes.
 

D. IgD

1. Structure
La structure de l’IgD est présentée dans la Figure 13. L’IgD n’existe que sous la forme de monomère.

2. Propriétés

a) L’IgD est retrouvée à de bas niveau dans le sérum; son rôle dans le sérum n’est pas clair.

b) L’IgD est principalement retrouvée à la surface des cellules B où elle agit comme récepteur pour l’antigène. L’IgD de surface possède des acides aminés supplémentaires à son extrémité C-terminale permettant un ancrage à la membrane. Elle est associée aux chaînes Ig-alpha et Ig-beta chains.

c) L’IgD de se fixe pas au complément.

 

E. IgE

1. Structure

La structure des IgE est présentée dans la Figure 14. L’IgE existe sous la forme de monomère et possède un domaine supplémentaire dans la région constante..

2. Propriétés

a) L’IgE est l’immunoglobuline la moins abondante dans le sérum car elle se lie fortement à des récepteurs Fc présents sur les basophiles et les mastocytes avant même d’interagir avec l’antigène.

b) Les IgE sont impliquées dans les réactions allergiques. L’implication des IgE dans les réponses allergiques résulte de leur liaison aux mastocytes et aux basophiles. La liaison des allergènes aux IgE présents sur ces cellules conduit au relâchement de divers médiateurs pharmacologiques qui sont responsables des symptômes allergiques.

c) Les IgE jouent aussi un rôle dans les maladies parasitaires dues à des helminthes. Dans la mesure où les niveaux d’IgE augmentent au cours des maladies parasitaires, ce dosage est utile pour diagnostiquer ce type d’infections. Les éosinophiles possèdent des récepteurs Fc pour les IgE et la liaison des éosinophiles aux helminthes recouverts d’IgE conduit à l’élimination du parasite.

d) Les IgE ne fixent pas le complément.
 

 

Implication DES CLASSES D’Immunoglobulines HUMAINES EN CLINIQUE

Adapté de:F.T. Fischbach in "A Manual of Laboratory Diagnostic Tests," 2nd Ed., J.B. Lippincott Co., Philadelphia, PA, 1984.

IgG

1. Les IgG sont augmentées dans les situations suivantes:

a) Infections granulomateuses chroniques
b) Infections de tout types
c) Hyper-immunisation
d) Maladies du foie
e) Malnutrition (sévère)
f) Dysprotéinémie
g) Pathologies associées aux granulomes liés aux réactions d’hypersensibilité, maladies dermatologiques, myélomes à IgG.
h) Polyarthrite rhumatoïde

2. Les IgG sont diminuées dans les situations suivantes:

a) Agammaglobulinémie
b) Aplasie lymphoïde
c) Déficit en IgG, déficience en IgA
d) Myélomes à IgA
e) Protéinémie de Bence Jones
f) Leucémie lymphoblastoïde chronique.

IgM

1. Les IgM sont augmentées dans les situations suivantes (chez l’adulte):

a) Macoglobulinémie de Waldenström's
b) Trypanosomiasie
c) Actinomycoses
d) Maladie de Carrión (bartonelloses)
e) Malaria
f) Mononucléose infectieuse
g) Lupus érythémateux disséminé

h) Polyarthrite rhumatoïde
I) Dysgammaglobulinémie (certain cas)

Note: Chez le nouveau-né, un niveau d’IgM supérieur à 20 ng/dl est indicateur d’une stimulation intra-utérine du système immunitaire par le virus de la rubéole, le cytomégalovirus, la syphilis ou la toxoplasmose. 

2. Les IgM sont diminuées dans les situations suivantes:

a) Agammaglobulinémie
b) Maladies lymphoprolifératives (certain cas)
c) Aplasie lymphoïde
d) Myélomes à IgG et à IgA
e) Dysgammaglobulinémie
f) Leucémie lymphoblastique chronique

IgA

1. Les IgA sont augmentées dans les situations suivantes:

a) Syndrome de Wiskott-Aldrich
b) Cirrhoses du foie (dans la plupart des cas)
c) Certain stades de pathologies auto-immunes comme la polyarthrite rhumatoïde et le lupus érythémateux disséminé.
d) Infections chronique ne résultant pas de déficits immunologiques.
e) Myélomes à IgA

2. Les IgA sont diminuées dans les situations suivantes:

a) Ataxia telangiectasia héréditaire
b) Déficits immunologiques (par exemple : dysgammaglobulinémie, agammaglobulinémies acquises et congénitales, hypo-gammaglobulinémies)
c) Syndrome de malabsorption
d) Aplasie lymphoïde
e) Myélome à IgG
f) Leucémie lymphoblastique aigüe
g) Leucémie lymphoblastique chronique

IgD

1. Les IgD sont augmentées dans les situations suivantes:

a) Infections chroniques
b) Myélomes à IgD

IgE

1. Les IgE sont augmentées dans les situations suivantes:

a) Maladies atopiques de la peau et maladies de peau comme l’eczéma.

b) Hay fever

c) Asthme
d) Choc anaphylactique
e) Myélome à IgE

2. Les IgE sont diminuées dans les situations suivantes:

a) Agammaglobulinémie congénitale
b) Hypogammaglobulinémie due à des défauts métaboliques ou de synthèse des immunoglobulines. 

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