Cấu trúc của các Globulin miễn dịch

Các khía cạnh cơ bản về cấu trúc immunoglobulin sẽ được xem xét tại đây. Các thuật ngữ “immunoglobulin” và “antibody” thường được sử dụng thay thế cho nhau, mặc dù “immunoglobulin” được ưu tiên trong bài đánh giá này. Các thảo luận về di truyền immunoglobulin, phản ứng miễn dịch dịch thể, và sự phát triển của kháng thể đơn dòng điều trị được trình bày riêng:

Giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học năm 1972 đã được trao đồng thời cho Gerald M Edelman và Rodney R Porter “vì những khám phá của họ về cấu trúc hóa học của kháng thể” 1,2. Công trình của Porter đã sử dụng enzyme phân tách protein papain để xác định ba đoạn, hai đoạn nhỏ hơn và rất giống nhau, cả hai đều có khả năng kết hợp với kháng nguyên, và một mảnh lớn hơn thiếu khả năng này. Đóng góp của Edelman là việc chứng minh rằng các phân tử immunoglobulin, giống như hầu hết các protein hoạt động sinh học, được cấu tạo từ các cấu trúc chuỗi được giữ bằng liên kết lưu huỳnh và có thể được tách ra. Không có đoạn phân mảnh nào thu được giữ được tính phản ứng đặc hiệu của phân tử immunoglobulin nguyên vẹn. Kể từ đó, những tiến bộ đã đạt được trong việc hiểu các đặc điểm tinh vi của các miền khác nhau của các chuỗi riêng lẻ của phân tử immunoglobulin.

Tất cả các phân tử immunoglobulin, bất kể isotype nào, đều có chung cấu trúc cơ bản (hình 1) 3-5.

Điện di protein huyết tương cho ra các vùng albumin, alpha-1, alpha-2, beta và gamma. Hầu hết các phân tử immunoglobulin nằm ở vùng gamma (hình 3) 3. Biên độ và hình dạng của vùng gamma có thể chỉ ra tình trạng giảm gammaprotein máu (một đỉnh rộng với biên độ giảm) hoặc bệnh lý globulin đơn dòng (một đỉnh hẹp với biên độ tăng trông giống với đỉnh albumin) (hình 4).

Nephelometry là tiêu chuẩn vàng để đo IgG, IgA, IgM và IgD. IgE được đo bằng xét nghiệm miễn dịch. Các phạm vi bình thường khác nhau tùy theo tuổi bệnh nhân và giữa các phòng thí nghiệm khác nhau, và các bác sĩ lâm sàng nên dựa vào các phạm vi tham chiếu do cơ sở thực hiện cung cấp. (Xem “Đánh giá hệ thống miễn dịch trong phòng thí nghiệm”, phần ‘Đo mức độ kháng thể’.)

Vùng biến đổi bao gồm các khu vực siêu biến đổi và khu vực khung. Ở đầu amino của mỗi vùng biến đổi là một vùng siêu biến đổi, còn được gọi là vùng xác định bổ sung (CDR). Có các CDR cho cả chuỗi nhẹ và chuỗi nặng của một phân tử immunoglobulin nhất định. Mỗi chuỗi có ba CDR. Các CDR khác nhau của mỗi phân tử xen kẽ với các vùng khung, chiếm hơn 80 phần trăm diện tích biến đổi. Các CDR của chuỗi nặng và chuỗi nhẹ cấu thành một khe hở đóng vai trò là khu vực liên kết kháng nguyên. Do đó, các CDR xác định tính đặc hiệu kháng nguyên. Các CDR siêu biến đổi dimer hóa của một chuỗi nặng và một chuỗi nhẹ được gọi là đoạn Fv 16,17. (Xem ‘Idiotopes và idiotypes’ bên dưới >)

Một đẳng bào miễn dịch được xác định bởi các yếu tố kháng nguyên trong vùng hằng định của chuỗi nặng. Ngược lại, vùng biến đổi được mã hóa bởi các đoạn gen khác biệt với các đoạn mã hóa vùng hằng định và không được xem xét khi xác định đẳng bào miễn dịch.

Có năm loại đẳng bào: IgG (chuỗi nặng được gọi là gamma), IgA (alpha), IgM (mu), IgE (epsilon) và IgD (delta). Globulin miễn dịch là glycoprotein và do đó có thể hoạt động như kháng nguyên. Đặc tính này đã được sử dụng để xác định các loại đẳng bào miễn dịch khác nhau.

Các đẳng bào miễn dịch hơn nữa có thể được xác định là có chuỗi nhẹ kappa hoặc lambda. Danh pháp này quan trọng trong việc xác định và mô tả các kháng thể đơn dòng và protein myeloma. Ví dụ, tên đầy đủ của một globulin miễn dịch sẽ là IgG-kappa hoặc IgA-lambda. Mặc dù cấu trúc cơ bản là giống nhau đối với các loại đẳng bào khác nhau, nhưng có những đặc điểm có thể chỉ thuộc về một số loại đẳng bào chứ không phải tất cả (bảng 1) 21.

IgG là isotype duy nhất có thể vượt qua nhau thai, và điều này được thực hiện bằng cách liên kết với thụ thể Fc sơ sinh (table 1). IgG có bốn phân lớp, trong đó ký hiệu số cho biết nồng độ huyết thanh tương đối của chúng. Bốn phân lớp này chủ yếu được phân biệt bằng số lượng liên kết disulfide liên chuỗi trong vùng bản lề của chúng. Điều này cho phép các tính chất linh hoạt riêng biệt. Các phân lớp này cũng thể hiện sự khác biệt chức năng trong khả năng cố định bổ thể, khả năng liên kết với thụ thể Fc và khả năng vượt qua nhau thai. (Xem “Các phân lớp IgG: Tính chất vật lý, di truyền và chức năng sinh học”.)

IgM nằm trên bề mặt tế bào B liên kết phi cộng hóa trị với hai chuỗi bổ sung trên bề mặt tế bào B (Ig-alpha và Ig-beta). IgM gắn màng không thể gây ra truyền tín hiệu, mặc dù nó có thể làm điều đó thông qua sự liên kết với hai chuỗi này.

Một số gen Mendel mã hóa vùng hằng định của chuỗi nặng và chuỗi nhẹ khác nhau giữa các cá thể và được gọi là kiểu dị hợp (có nguồn gốc từ từ Hy Lạp “allos” nghĩa là “khác” hoặc “khác biệt”). Các yếu tố xác định kiểu dị hợp có thể được xác định bằng cách tiêm chủng cho một cá thể bằng các phân tử immunoglobulin từ một cá thể khác cùng loài.

Các kiểu dị hợp đã được mô tả cho chuỗi nặng IgG (tất cả bốn phân lớp) và IgA2 cũng như chuỗi nhẹ kappa. Danh pháp bao gồm một chữ cái viết hoa chỉ ra isotype, theo sau là số của phân lớp, sau đó là chữ “m” (viết tắt của “marker”), theo sau là một số trong ngoặc đơn, chỉ ra allele cụ thể. Do đó, ký hiệu G2m(4) chỉ kiểu dị hợp 4 cho phân lớp IgG2. Các axit amin xác định kiểu dị hợp được tìm thấy ở phần xa của vùng hằng định của chuỗi nặng và chuỗi nhẹ (hình 6) 22. Kiểu dị hợp đã được sử dụng trong xét nghiệm huyết thống 23.

Xác định trên một kháng nguyên mà kháng thể nhận biết được gọi là epitope. Phần siêu biến đổi của kháng thể liên kết với epitope được gọi là paratope. Với khả năng gần như vô hạn của các tính đặc hiệu kháng thể, một kháng thể chống lại một kháng nguyên nhất định sẽ có những thay đổi nhỏ về axit amin trong vùng siêu biến đổi (vùng Fv). Cấu hình “mới” này có thể được hệ miễn dịch coi là một kháng nguyên và được gọi là idiotope.

Tùy thuộc vào cấu hình của các thay đổi axit amin khác nhau trong vùng biến đổi, một kháng thể nhất định có thể có nhiều hơn một idiotope. Sự biểu hiện tập thể của các idiotopes này xác định idiotype của một kháng thể. Các chế phẩm anti-idiotype của globulin miễn dịch được tạo ra chống lại axit deoxyribonucleic (DNA) hoặc kháng thể kháng phospholipid cũng như các idiotype tổng hợp đã được nghiên cứu để điều trị lupus ban đỏ hệ thống (SLE) 24.

Người ta có thể tạo ra kháng thể anti-idiotype và kháng thể anti-anti-idiotype theo một chuỗi gần như không bao giờ kết thúc. Giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học năm 1984 được chia sẻ bởi Niels K Jerne, Georges JF Köhler và César Milstein. Jerne được công nhận vì lý thuyết của ông rằng “vào năm 1975, mô tả cách phản ứng miễn dịch được kiểm soát tinh vi và được xây dựng trên tiền đề rằng kháng thể tự chúng có thể hoạt động như kháng nguyên” 25.

Immunoglobulin là glycoprotein. Glycosyl hóa các phân tử immunoglobulin, có thể là liên kết N hoặc liên kết O, đóng vai trò quan trọng trong chức năng của chúng. Các vị trí glycosyl hóa khác nhau giữa các isotype immunoglobulin khác nhau.

1. The Nobel Prize. The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1972: Press Release. https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1972/press.html (Accessed on October 18, 2018).
2. The Nobel Prize. The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1972: Speedread. https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1972/speedread.html (Accessed on October 18, 2018).
3. EDELMAN GM, BENACERRAF B. On structural and functional relations between antibodies and proteins of the gamma-system. Proc Natl Acad Sci U S A 1962; 48:1035.
4. Porter RR. Structural studies of immunoglobulins. Science 1973; 180:713.
5. Edelman GM, Cunningham BA, Gall WE, et al. The covalent structure of an entire gammaG immunoglobulin molecule. Proc Natl Acad Sci U S A 1969; 63:78.
6. Frangione B, Prelli F, Mihaesco C, Franklin EC. Interchain and intrachain disulfide bridges of a human immunoglobulin M: detection of a unique fragment. Proc Natl Acad Sci U S A 1971; 68:1547.
7. Liu H, May K. Disulfide bond structures of IgG molecules: structural variations, chemical modifications and possible impacts to stability and biological function. MAbs 2012; 4:17.
8. Alter G, Ottenhoff THM, Joosten SA. Antibody glycosylation in inflammation, disease and vaccination. Semin Immunol 2018; 39:102.
9. Max EE, Korsmeyer SJ. Human J chain gene. Structure and expression in B lymphoid cells. J Exp Med 1985; 161:832.
10. Johansen FE, Braathen R, Brandtzaeg P. Role of J chain in secretory immunoglobulin formation. Scand J Immunol 2000; 52:240.
11. Kaetzel CS, Robinson JK, Chintalacharuvu KR, et al. The polymeric immunoglobulin receptor (secretory component) mediates transport of immune complexes across epithelial cells: a local defense function for IgA. Proc Natl Acad Sci U S A 1991; 88:8796.
12. Braathen R, Sandvik A, Berntzen G, et al. Identification of a polymeric Ig receptor binding phage-displayed peptide that exploits epithelial transcytosis without dimeric IgA competition. J Biol Chem 2006; 281:7075.
13. Poljak RJ, Amzel LM, Phizackerley RP. Studies on the three-dimensional structure of immunoglobulins. Prog Biophys Mol Biol 1976; 31:67.
14. Feige MJ, Hendershot LM, Buchner J. How antibodies fold. Trends Biochem Sci 2010; 35:189.
15. Pan S, Manabe N, Yamaguchi Y. 3D Structures of IgA, IgM, and Components. Int J Mol Sci 2021; 22.
16. Capra JD, Edmundson AB. The antibody combining site. Sci Am 1977; 236:50.
17. Sela-Culang I, Kunik V, Ofran Y. The structural basis of antibody-antigen recognition. Front Immunol 2013; 4:302.
18. Poljak RJ, Amzel LM, Chen BL, et al. Structure and specificity of antibody molecules. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 1975; 272:43.
19. Smith TW, Butler VP Jr, Haber E, et al. Treatment of life-threatening digitalis intoxication with digoxin-specific Fab antibody fragments: experience in 26 cases. N Engl J Med 1982; 307:1357.
20. Yang C, Gao X, Gong R. Engineering of Fc Fragments with Optimized Physicochemical Properties Implying Improvement of Clinical Potentials for Fc-Based Therapeutics. Front Immunol 2017; 8:1860.
21. Bengtén E, Wilson M, Miller N, et al. Immunoglobulin isotypes: structure, function, and genetics. Curr Top Microbiol Immunol 2000; 248:189.
22. Jefferis R, Lefranc MP. Human immunoglobulin allotypes: possible implications for immunogenicity. MAbs 2009; 1:332.
23. Schanfield MS. Application of immunoglobulin heavy chain (GM, AM) and light chain (KM) allotypes to cases of disputed paternity. Exp Clin Immunogenet 1989; 6:112.
24. Zandman-Goddard G, Blank M, Shoenfeld Y. Intravenous immunoglobulins in systemic lupus erythematosus: from the bench to the bedside. Lupus 2009; 18:884.
25. The Nobel Prize. The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1984: Speedread: Creating supply and demand. https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1984/speedread.html (Accessed on October 18, 2018).
26. Mimura Y, Sondermann P, Ghirlando R, et al. Role of oligosaccharide residues of IgG1-Fc in Fc gamma RIIb binding. J Biol Chem 2001; 276:45539.
27. Mimura Y, Church S, Ghirlando R, et al. The influence of glycosylation on the thermal stability and effector function expression of human IgG1-Fc: properties of a series of truncated glycoforms. Mol Immunol 2000; 37:697.
28. Li T, DiLillo DJ, Bournazos S, et al. Modulating IgG effector function by Fc glycan engineering. Proc Natl Acad Sci U S A 2017; 114:3485.
29. Kanda Y, Yamada T, Mori K, et al. Comparison of biological activity among nonfucosylated therapeutic IgG1 antibodies with three different N-linked Fc oligosaccharides: the high-mannose, hybrid, and complex types. Glycobiology 2007; 17:104.
30. Mimura Y, Ashton PR, Takahashi N, et al. Contrasting glycosylation profiles between Fab and Fc of a human IgG protein studied by electrospray ionization mass spectrometry. J Immunol Methods 2007; 326:116.
31. van de Bovenkamp FS, Hafkenscheid L, Rispens T, Rombouts Y. The Emerging Importance of IgG Fab Glycosylation in Immunity. J Immunol 2016; 196:1435.
32. Kaneko Y, Nimmerjahn F, Ravetch JV. Anti-inflammatory activity of immunoglobulin G resulting from Fc sialylation. Science 2006; 313:670.
33. Schwab I, Biburger M, Krönke G, et al. IVIg-mediated amelioration of ITP in mice is dependent on sialic acid and SIGNR1. Eur J Immunol 2012; 42:826.
34. Mimura Y, Mimura-Kimura Y, Saldova R, et al. Enhanced Immunomodulatory Effect of Intravenous Immunoglobulin by Fc Galactosylation and Nonfucosylation. Front Immunol 2022; 13:818382.
35. Ash MK, Bhimalli PP, Cho BK, et al. Bulk IgG glycosylation predicts COVID-19 severity and vaccine antibody response. Cell Rep 2022; 41:111799.
36. Long F, Xiao C, Cui H, et al. The impact of immunoglobulin G N-glycosylation level on COVID-19 outcome: evidence from a Mendelian randomization study. Front Immunol 2023; 14:1217444.
37. Biermann MH, Griffante G, Podolska MJ, et al. Sweet but dangerous – the role of immunoglobulin G glycosylation in autoimmunity and inflammation. Lupus 2016; 25:934.
38. Pagan JD, Kitaoka M, Anthony RM. Engineered Sialylation of Pathogenic Antibodies In Vivo Attenuates Autoimmune Disease. Cell 2018; 172:564.
39. Steffen U, Koeleman CA, Sokolova MV, et al. IgA subclasses have different effector functions associated with distinct glycosylation profiles. Nat Commun 2020; 11:120.
40. Royle L, Roos A, Harvey DJ, et al. Secretory IgA N- and O-glycans provide a link between the innate and adaptive immune systems. J Biol Chem 2003; 278:20140.
41. Nakajima A, Vogelzang A, Maruya M, et al. IgA regulates the composition and metabolic function of gut microbiota by promoting symbiosis between bacteria. J Exp Med 2018; 215:2019.
42. Lai KN, Tang SC, Schena FP, et al. IgA nephropathy. Nat Rev Dis Primers 2016; 2:16001.
43. Moh ES, Lin CH, Thaysen-Andersen M, Packer NH. Site-Specific N-Glycosylation of Recombinant Pentameric and Hexameric Human IgM. J Am Soc Mass Spectrom 2016; 27:1143.
44. Haslund-Gourley BS, Woloszczuk K, Hou J, et al. IgM N-glycosylation correlates with COVID-19 severity and rate of complement deposition. Nat Commun 2024; 15:404.
45. de Wolff JF, Dickinson SJ, Smith AC, et al. Abnormal IgD and IgA1 O-glycosylation in hyperimmunoglobulinaemia D and periodic fever syndrome. Clin Exp Med 2009; 9:291.
46. Smith AC, de Wolff JF, Molyneux K, et al. O-glycosylation of serum IgD in IgA nephropathy. J Am Soc Nephrol 2006; 17:1192.
47. Shade KC, Conroy ME, Washburn N, et al. Sialylation of immunoglobulin E is a determinant of allergic pathogenicity. Nature 2020; 582:265.