Inmunoglobulina M

Inmunoglobulina M (IgM) es uno de varios isotipos de anticuerpos (también conocidos como inmunoglobulina) que producen los vertebrados. La IgM es el anticuerpo más grande y es el primer anticuerpo que aparece en la respuesta a la exposición inicial a un antígeno. Por eso también se le llama anticuerpo de fase aguda. En humanos y otros mamíferos estudiados, los plasmablastos que residen en el bazo son la principal fuente de producción de IgM específica.

Historia

En 1937, se observó un anticuerpo en caballos hiperinmunizados con polisacárido de neumococo que era mucho más grande que la típica γ-globulina de conejo, con un peso molecular de 990.000 daltons. De acuerdo con su mayor tamaño, el nuevo anticuerpo se denominó originalmente γ-macroglobulina y posteriormente se denominó IgM—M para “macro”. Los dominios V de la inmunoglobulina normal son muy heterogéneos, lo que refleja su papel en la protección contra una gran variedad de microbios infecciosos, y esta heterogeneidad impidió el análisis estructural detallado de la IgM. Posteriormente se descubrieron dos fuentes de IgM homogénea. En primer lugar, se reconoció que la proteína de alto peso molecular producida por algunos pacientes con mieloma múltiple era una γ-macroglobulina producida por un tumor y, debido a que el tumor es un clon, la IgM que produce es homogénea. En la década de 1960, se desarrollaron métodos para inducir tumores productores de inmunoglobulinas (plasmocitomas) en ratones, proporcionando así una fuente de inmunoglobulinas homogéneas de varios isotipos, incluida la IgM (revisada en). Más recientemente, la expresión de genes de inmunoglobulinas modificadas genéticamente en cultivos de tejidos se puede utilizar para producir IgM con alteraciones específicas y así identificar los requisitos moleculares de características de interés.

Estructura

Las inmunoglobulinas están compuestas de cadenas ligeras y cadenas pesadas. La cadena ligera (λ o κ) es una proteína de ~220 aminoácidos, compuesta de un dominio variable, VL (un segmento de aproximadamente 110 aminoácidos) y un dominio constante, CL (también de aproximadamente 110 aminoácidos de longitud). La cadena pesada µ de IgM es una proteína de ~576 aminoácidos e incluye un dominio variable (VH ~110 aminoácidos), cuatro dominios distintos de región constante (Cμ1, Cμ2, Cμ3, Cμ4, cada uno ~110 aminoácidos) y una “cola” de ~20 aminoácidos. La cadena pesada µ contiene oligosacáridos en cinco residuos de asparagina. Los oligosacáridos de la IgM humana y de ratón se han caracterizado parcialmente mediante una variedad de técnicas, que incluyen RMN, unión de lectinas, varios sistemas cromatográficos y sensibilidad enzimática (revisado en). La estructura de los oligosacáridos en cada sitio varía en detalle, y los oligosacáridos predominantes (biantenarios, triantenarios y altos en manosa) difieren entre los sitios.

La estructura multimérica de IgM se muestra esquemáticamente en la Figura 1. La Figura 1A muestra el "heterodímero" compuesto por una cadena ligera, denominada L, y una cadena pesada, denominada µ. Las cadenas pesada y ligera se mantienen unidas mediante enlaces disulfuro (representados como triángulos rojos) y mediante interacciones no covalentes.

La Figura 1B muestra dos unidades µL unidas por un enlace disulfuro en los dominios Cµ2; esta estructura (μL)2 a menudo se denomina “monómero” de IgM, ya que es análoga en algunos aspectos a la estructura de la inmunoglobulina G (IgG).

Sobre la base de su velocidad de sedimentación y su apariencia en micrografías electrónicas, se infirió que la IgM generalmente se presenta como un “pentámero”, es decir, un polímero compuesto de cinco “monómeros” [(μL)2]5, y originalmente era representado por los modelos en las Figuras 1C y 1D, con enlaces disulfuro entre los dominios Cμ3 y entre las piezas de la cola. También se muestra que la IgM pentamérica incluye una tercera proteína, la cadena J. La cadena J (J para unión) se descubrió como un componente unido covalentemente de IgA e IgM poliméricas. La cadena J es una proteína ácida pequeña (~137 aminoácidos). Como se muestra, la cadena J une dos cadenas µ mediante enlaces disulfuro que involucran cisteínas en los cordales.

Requisitos moleculares para formar IgM polimérica

Inicialmente se esperaba que la cadena J fuera importante para formar las inmunoglobulinas poliméricas y, de hecho, la polimerización de IgA depende en gran medida (pero no absolutamente) de la cadena J. Por el contrario, la IgM polimérica se forma eficazmente en ausencia de la cadena J.

La forma predominante de IgM humana y de ratón es el pentámero. A modo de comparación, la estructura de la IgM de las ranas (Xenopus) es predominantemente hexamérica, la IgM de los peces óseos es predominantemente tetramérica y la IgM de los peces cartilaginosos (principalmente tiburones) es predominantemente pentamérica. Aunque la forma pentamérica predomina en ratones y humanos, también se ha observado la forma hexamérica. Estudios posteriores que utilizaron sistemas de expresión de ADN recombinante indicaron que un hexámero es una forma principal de IgM de ratón cuando la IgM se produce en condiciones en las que se impide la incorporación de la cadena J, ya sea produciendo IgM en células que carecen de la cadena J o produciendo IgM. con una cadena pesada µ que carece de cisteína en el cordal. En resumen, la IgM hexamérica nunca contiene la cadena J; La IgM pentamérica se puede formar de manera que incluya o no la cadena J.

Una diferencia importante entre las cadenas pesadas µ y γ es la disponibilidad de cisteínas para formar enlaces disulfuro entre cadenas pesadas. En el caso de la cadena pesada γ, los únicos enlaces entre γ están formados por cisteínas en la bisagra y, en consecuencia, cada cadena γ se une sólo a otra cadena γ. Por el contrario, los dominios Cμ2 y Cμ3 y el cordal incluyen cada uno una cisteína que forma un enlace disulfuro con otra cadena μ. Las cisteínas en los dominios Cμ2 median la formación de IgM monomérica (μL)2. El cordal junto con la cisteína incluida es necesario y suficiente para la formación de inmunoglobulinas poliméricas. Es decir, la eliminación del cordal de la cadena pesada µ impide la formación de IgM polimérica. Por el contrario, las células que expresan una cadena pesada γ que se ha modificado para incluir la cola producen IgG polimérica.

El papel de la cisteína en el dominio Cμ3 es más sutil. Las Figuras 1C y 1D representan posibles modelos para IgM pentamérica. En estos modelos, se prevé que cada cadena µ se una a otras dos cadenas µ. Sin embargo, ninguno de los modelos por sí solo puede explicar completamente la estructura de la IgM polimérica. Por ejemplo, el modelo de la Figura 1C predice que el enlace disulfuro entre los dominios Cμ2 es esencial para producir IgM polimérica con enlaces disulfuro. El modelo de la Figura 1D predice que el enlace disulfuro entre los dominios Cμ3 es esencial. Aún se puede producir IgM polimérica con enlaces disulfuro si cualquiera de las tres cisteínas está ausente. En el contexto de modelos en los que cada cadena µ interactúa solo con otras dos cadenas µ, estos resultados sugieren que algunas moléculas son como la Figura 1C y otras como la Figura 1D. Sin embargo, la disponibilidad de tres cisteínas para el enlace entre cadenas µ sugiere que cada una de las cadenas µ podría unirse a otras tres cadenas µ, como se ilustra en la Figura 2. En el mismo espíritu, la Figura 2C presenta un modelo para un pentámero que contiene una cadena J que refleja evidencia de que la cadena J une cadenas µ que no están unidas a otras cadenas µ por las cisteínas en los dominios Cµ3. Estos y otros modelos, tanto regulares como irregulares, se analizan en otra parte.

La IgM pentamérica normalmente se representa como si contuviera una única cadena J por polímero, pero en realidad las mediciones de la estequiometría de la cadena J han oscilado entre una molécula J por polímero y tres moléculas J por polímero. El amplio rango podría deberse a problemas técnicos, como un radiomarcado incompleto o una cuantificación imprecisa de una línea de Ouchterlony. Sin embargo, la variación también podría deberse a la heterogeneidad en las preparaciones de IgM, es decir, las diversas preparaciones podrían haber diferido sustancialmente en su contenido de polímeros que contienen J y deficientes en J.

Estructura terciaria y cuaternaria de la región constante µ

Los dominios C2, C3 y C4tp individuales se generaron de forma independiente en E. coli y luego se estudiaron utilizando una variedad de enfoques, incluida la velocidad de sedimentación, la cristalografía de rayos X y la espectroscopia de RMN, para obtener información sobre la estructura tridimensional detallada. de la cadena. Los dominios de la cadena pesada, como los de otras inmunoglobulinas, tienen láminas superpuestas distintivas de siete hebras, que están estabilizadas por enlaces disulfuro dentro del dominio. En general, la región constante de IgM tiene una forma "parecida a un hongo". forma, con los dominios C2-C3 formando un disco similar a la cabeza del hongo y los dominios C4tp sobresaliendo como un tallo corto.

Función

La IgM interactúa con varias otras moléculas fisiológicas:

1. IgM puede vincular el componente de complemento C1 y activar la vía clásica, lo que conduce a la osonización de antígenos y citolisis.
2. El IgM se une al receptor de poliinmunoglobulina (pIgR) en un proceso que lleva el IgM a superficies mucosas, como el lúmen intestinal y a la leche materna. Esta unión depende de la cadena J.
3. Se han detectado otros dos receptores Fc que unen IgM—Fcα/μ-R y Fcμ-R. Fcα/μ-R, como pIgR, une IgM polimérico e IgA. Fcα/μ-R puede mediar endocitosis, y su expresión en el intestino sugiere un papel en la inmunidad mucosa. Fcμ-R (antes conocido como Toso/Faim3) se une exclusivamente a IgM y puede mediar la absorción celular del antígeno conjugado por IgM. La inactivación de los genes correspondientes en ratones nocivos produce un fenotipo, pero las funciones fisiológicas de estos receptores siguen siendo inciertas

Regulación de la respuesta inmune

Las inmunoglobulinas específicas que se inyectan en animales junto con su antígeno pueden influir en la respuesta de los anticuerpos a este mismo antígeno. Los anticuerpos endógenos producidos después de una inmunización primaria también pueden afectar la respuesta de los anticuerpos a una inmunización de refuerzo, lo que sugiere que se producen efectos similares durante las condiciones fisiológicas. Los efectos "regulatorios" pueden ser positivos o negativos. Es decir, dependiendo del tipo de antígeno y del isotipo del anticuerpo, el efecto puede ser la supresión o la mejora de la respuesta del anticuerpo. Estos efectos quedan bien ilustrados por experimentos que implican la inmunización con eritrocitos (glóbulos rojos) xenogénicos (extraños). Por ejemplo, cuando se administra IgG junto con eritrocitos xenógenos, esta combinación provoca una supresión casi completa de la respuesta de anticuerpos específicos de los eritrocitos. Este efecto se utiliza clínicamente para evitar que las madres Rh negativas se inmunicen contra los eritrocitos fetales Rh positivos, y su uso ha disminuido drásticamente la incidencia de enfermedad hemolítica en los recién nacidos. A diferencia del efecto de la IgG, la IgM específica de antígeno puede potenciar considerablemente la respuesta de los anticuerpos, especialmente en el caso de antígenos grandes. Por lo tanto, cuando se inyecta IgM específica para eritrocitos en animales (incluidos humanos) junto con eritrocitos, se induce una respuesta de anticuerpos contra los eritrocitos mucho más fuerte que cuando los eritrocitos se administran solos. Varias líneas de evidencia indican que la capacidad de la IgM para activar el complemento es necesaria para su efecto potenciador. Es decir, la mejora mediada por IgM no ocurre en animales en los que se ha agotado el componente C3 del complemento, ni en animales mutantes que carecen de los receptores 1 y 2 del complemento. De manera similar, la IgM mutante que no puede activar el complemento no mejora la respuesta inmune. Una posible explicación para la mejora mediada por IgM es que los linfocitos B capturan complejos IgM-antígeno-complemento y transportan los complejos a áreas del bazo donde se generan respuestas inmunitarias eficientes. Debido a que la IgM se produce temprano en una respuesta inmune, esto podría ser importante en el inicio de las respuestas de anticuerpos.

Síntesis

En las células de la línea germinal (espermatozoides y óvulos), los genes que eventualmente codificarán las inmunoglobulinas no se encuentran en una forma funcional (ver recombinación V(D)J). En el caso de la cadena pesada, tres segmentos de la línea germinal denominados V, D y J se ligan entre sí y se unen al ADN que codifica la región constante de la cadena pesada µ. Al principio de la ontogenia, las células B expresan las cadenas pesadas µ y δ; La coexpresión de estas dos cadenas pesadas, cada una con el mismo dominio V, depende de un empalme alternativo y de sitios alternativos de adición de poli-A. La expresión de los otros isotipos (γ, ε y α) se ve afectada por otro tipo de reordenamiento del ADN, un proceso llamado cambio de clase de inmunoglobulina.

Importancia clínica

La IgM es la primera inmunoglobulina expresada en el feto humano (alrededor de las 20 semanas) y filogenéticamente el anticuerpo más temprano en desarrollarse.

Los anticuerpos IgM aparecen temprano en el curso de una infección y generalmente reaparecen, en menor medida, después de una exposición adicional. Los anticuerpos IgM no atraviesan la placenta humana (solo el isotipo IgG).

Estas dos propiedades biológicas de la IgM la hacen útil en el diagnóstico de enfermedades infecciosas. La demostración de anticuerpos IgM en el suero de un paciente indica una infección reciente, o en el suero de un recién nacido indica una infección intrauterina (por ejemplo, síndrome de rubéola congénita).

El desarrollo de IgM anti-donante después del trasplante de órganos no está asociado con el rechazo del injerto, pero puede tener un efecto protector.

A menudo se encuentra que la IgM en suero normal se une a antígenos específicos, incluso en ausencia de inmunización previa. Por este motivo, a veces se ha denominado a la IgM un “anticuerpo natural”. Este fenómeno se debe probablemente a la gran avidez de la IgM que le permite unirse de forma detectable incluso a antígenos de reacción cruzada débil que se producen de forma natural. Por ejemplo, los anticuerpos IgM que se unen a los antígenos A y B de los glóbulos rojos podrían formarse en las primeras etapas de la vida como resultado de la exposición a sustancias similares a A y B que están presentes en bacterias o quizás también en materiales vegetales.

Los anticuerpos IgM son los principales responsables de la aglomeración (aglutinación) de los glóbulos rojos si el receptor de una transfusión de sangre recibe sangre que no es compatible con su tipo de sangre.

Una mutación de la cadena mu dentro de la IgM causa agammaglobulinemia autosómica recesiva.

La presencia de IgM o, raramente, IgG es uno de los criterios obligados para el diagnóstico del síndrome de Schnitzler.