La composition et la structure des anticorps
L’identification des anticorps en tant que protéines dans la fraction gamma-globuline du sérum s’est produite au cours des trois premières décennies du vingtième siècle. Les investigations qui ont conduit à ces conclusions ont résulté des tentatives de fournir un meilleur produit pour la sérothérapie des patients atteints de maladies infectieuses.
Dans les années 1890, le traitement par anticorps des maladies infectieuses a été introduit, et dès les premières décennies du vingtième siècle, la sérothérapie est devenue le traitement de choix pour les patients infectés par des micro-organismes tels que C. diphtheriae, C. tetani, S. pneumoniae, Neisseria meningitidis, Haemophilus influenzae, et les streptocoques du groupe A (Casadevall, 1996). Le chapitre 3 retrace le développement de la sérothérapie pour la diphtérie et le tétanos. Les anticorps utilisés dans ces thérapies étaient initialement dérivés de chevaux auxquels on avait injecté les agents pathogènes cibles et/ou leurs toxines. Nous savons aujourd’hui que l’injection d’un sérum étranger (de cheval) à un humain peut entraîner la production d’anticorps dirigés contre ces protéines sériques étrangères. Ces anticorps nouvellement formés peuvent induire une pathologie unique caractérisée par de la fièvre, une éruption cutanée, des douleurs articulaires, des anomalies cardiaques et un dysfonctionnement rénal. Cette constellation de symptômes est appelée maladie sérique et est due à la formation de complexes antigène (sérum de cheval)-anticorps (anticorps humains) (chapitre 33). Ces complexes sont par conséquent piégés dans les petits vaisseaux sanguins où ils activent une réponse inflammatoire.
Les tentatives d’améliorer la puissance des anticorps de cheval contre S. pneumoniae tout en diminuant simultanément l’incidence ou la gravité de la maladie sérique et d’autres réactions indésirables ont conduit à de nouvelles informations sur la composition des anticorps. Plus précisément, Oswald Avery (1877-1955) a démontré que l’activité des anticorps contre S. pneumoniae est contenue dans la fraction globuline du sérum.
Avery, né à Halifax, en Nouvelle-Écosse, déménage avec sa famille à New York à l’âge de 10 ans. Il a obtenu son doctorat en médecine à l’Université Columbia et a poursuivi une carrière de chercheur principalement à l’Institut Rockefeller de recherche médicale (plus tard l’Université Rockefeller). Bien qu’il ait commencé sa carrière en tant qu’immunochimiste, Avery et ses collègues, Colin MacLeod et Maclyn McCarty, ont créé le domaine de la biologie moléculaire lorsqu’ils ont démontré, en 1944, que l’information génétique est composée d’ADN.
Avery a fractionné le sérum de cheval par traitement avec différentes concentrations de sulfate d’ammonium, une méthode couramment utilisée pour précipiter les protéines du sérum. Il a évalué ces précipités sur le plan fonctionnel en les injectant à des souris qui avaient été inoculées avec une dose létale de S. pneumoniae. Les fractions qui ont précipité avec 38-42% de sulfate d’ammonium ont fourni la plus grande protection. Cette fraction était connue pour contenir des globulines et exclure l’albumine et les euglobulines. La fraction de globuline était également la plus active dans les essais d’agglutination et de précipitation in vitro (Avery, 1915).
Des résultats similaires à ceux d’Avery ont été obtenus par d’autres chercheurs au cours des 20 années suivantes (Chickering, 1915 ; Fenton, 1931b). Ces études ont confirmé que les anticorps sont des globulines sériques ayant un poids moléculaire similaire à celui des autres globulines. En conséquence, Michael Heidelberger a conclu en 1937 qu' »il est généralement admis que les anticorps sont des protéines sériques modifiées » (Heidelberger et Pedersen, 1937).
Heidelberger (1888-1991), chimiste organique, a fait ses études à l’Université Columbia et à l’Institut polytechnique fédéral de Zurich. Il a concentré ses recherches sur l’isolement et la caractérisation des polysaccharides de S. pneumoniae et sur le développement de techniques de mesure des interactions antigène-anticorps. Heidelberger a réalisé des études approfondies pour déterminer les méthodes optimales de précipitation de l’antigène par les anticorps ; ces études ont constitué la base du test quantitatif de précipitation. Sur la base de ses études sur la liaison des anticorps, Heidelberger est souvent considéré comme le père du domaine de l’immunochimie quantitative.
Au milieu des années 1930, l’identification et la caractérisation des protéines sanguines constituaient un nouveau domaine d’étude passionnant. Arne Tiselius (1902-1971) a suivi une formation en chimie à l’université d’Uppsala, en Suède. Il a d’abord travaillé avec Theodor Svedberg (1884-1971), qui utilisait l’ultracentrifugation pour séparer les colloïdes, dont les protéines. Svedberg s’est rendu compte que les protéines pouvaient également être séparées par des schémas de migration dans un champ électrique, et il a suggéré à Tiselius de se concentrer sur le développement de la technologie pour ce nouveau domaine. En 1930, Tiselius a décrit la séparation électrophorétique des protéines et a reçu son diplôme de docteur en sciences sur la base de ce travail.
Tiselius (1937a,b) a séparé le sérum par électrophorèse et a démontré quatre composants avec des charges électriques différentes. Ces composants ont été identifiés comme étant l’albumine et trois fractions de globulines : alpha, bêta et gamma (figure 11.2). Sur la base de cette caractérisation des protéines sériques, Tiselius a reçu le prix Nobel de chimie en 1948 » pour ses recherches sur l’électrophorèse et l’analyse par adsorption, en particulier pour ses découvertes concernant la nature complexe des protéines sériques. «
Figure 11.2. Schémas électrophorétiques du sérum d’un lapin auquel on a injecté de l’albumine d’œuf contenant des anticorps spécifiques de l’ovalbumine. Le sérum a pu être séparé en quatre fractions basées sur la mobilité électrophorétique : albumine, alpha-globulines, bêta-globulines et gamma-globulines.
D’après Tiselius et Kabat (1939).
Elvin Kabat (1914-2000) a rejoint le laboratoire de Tiselius après avoir obtenu son doctorat pour des travaux effectués dans le laboratoire de Heidelberger. Kabat, a reçu son éducation de premier cycle au City College de New York et a complété son doctorat à l’Université Columbia. La thèse de doctorat de M. Kabat portait sur la réponse des anticorps aux polysaccharides du pneumocoque. Il a démontré que l’anticorps qui agglutinait S. pneumoniae pouvait également précipiter le polysaccharide isolé de la bactérie (Heidelberger et Kabat, 1936). Lorsqu’il est arrivé à Uppsala, en Suède, pour travailler dans le laboratoire de Tiselius, Kabat a apporté un échantillon du sérum de cheval qui contenait des anticorps contre les polysaccharides du pneumocoque. Tiselius et Kabat ont analysé ce sérum par électrophorèse et ont démontré que la plupart de l’activité des anticorps migrait avec la fraction gamma globuline (Tiselius et Kabat, 1939).
Au cours des 15 années suivantes, plusieurs autres immunochimistes ont caractérisé les molécules d’anticorps, et un consensus général a été atteint sur le fait qu’elles sont un composant majeur de la fraction gamma globuline du sérum. Cette compréhension a ouvert la voie à la prochaine avancée majeure dans le domaine, qui a conduit à une analyse détaillée de la structure moléculaire des anticorps et au développement du modèle à quatre chaînes (figure 11.1). Ces études ont permis de mieux comprendre la relation entre la structure et les fonctions biologiques de la molécule.