La composizione e la struttura degli anticorpi
L’identificazione degli anticorpi come proteine nella frazione gamma globulina del siero è avvenuta durante i primi tre decenni del ventesimo secolo. Le indagini che hanno portato a queste conclusioni sono derivate dai tentativi di fornire un prodotto migliore per la sieroterapia dei pazienti con malattie infettive.
Negli anni 1890, fu introdotto il trattamento anticorpale delle malattie infettive, e nei primi decenni del ventesimo secolo, la sieroterapia divenne il trattamento di scelta per i pazienti infettati da microrganismi come C. diphtheriae, C. tetani, S. pneumoniae, Neisseria meningitidis, Haemophilus influenzae, e Streptococco gruppo A (Casadevall, 1996). Il capitolo 3 racconta lo sviluppo della sieroterapia per la difterite e il tetano. Gli anticorpi usati in queste terapie erano inizialmente derivati da cavalli iniettati con gli agenti patogeni bersaglio e/o le loro tossine. Oggi sappiamo che l’iniezione di siero estraneo (di cavallo) in un essere umano può provocare la produzione di anticorpi diretti contro le proteine del siero estraneo. Questi anticorpi appena formati possono indurre la loro patologia unica caratterizzata da febbre, eruzioni cutanee, dolori articolari, anomalie cardiache e malfunzionamento renale. Questa costellazione di sintomi è chiamata malattia da siero ed è dovuta alla formazione di complessi antigene (siero di cavallo)-anticorpo (anticorpi umani) (Capitolo 33). Questi complessi sono di conseguenza intrappolati nei piccoli vasi sanguigni dove attivano una risposta infiammatoria.
I tentativi di aumentare la potenza degli anticorpi di cavallo contro S. pneumoniae e contemporaneamente diminuire l’incidenza o la gravità della malattia da siero e altre reazioni avverse hanno portato a nuove informazioni sulla composizione degli anticorpi. In particolare, Oswald Avery (1877-1955) ha dimostrato che l’attività anticorpale contro lo S. pneumoniae è contenuta nella frazione globulinica del siero.
Avery, nato a Halifax, Nova Scotia, si trasferì con la sua famiglia a New York all’età di 10 anni. Ha ricevuto il suo MD dalla Columbia University e ha perseguito una carriera di ricerca principalmente presso il Rockefeller Institute of Medical Research (più tardi la Rockefeller University). Anche se ha iniziato la sua carriera come immunochimico, Avery e i suoi colleghi, Colin MacLeod e Maclyn McCarty, hanno creato il campo della biologia molecolare quando hanno dimostrato, nel 1944, che l’informazione genetica è composta da DNA.
Avery ha frazionato il siero di cavallo tramite il trattamento con varie concentrazioni di solfato di ammonio, un metodo comunemente usato per precipitare le proteine dal siero. Ha valutato questi precipitati in modo funzionale iniettandoli in topi che erano stati inoculati con una dose letale di S. pneumoniae. Le frazioni che precipitavano con il 38-42% di solfato di ammonio fornivano la maggiore protezione. Questa frazione era nota per contenere globuline e per escludere albumina ed euglobuline. La frazione di globulina era anche la più attiva nei test di agglutinazione e precipitazione in vitro (Avery, 1915).
Risultati simili a quelli di Avery furono ottenuti da altri ricercatori nei 20 anni successivi (Chickering, 1915; Fenton, 1931b). Questi studi confermarono che gli anticorpi sono globuline del siero con un peso molecolare simile alle altre globuline. Di conseguenza, Michael Heidelberger concluse nel 1937 che “è generalmente accettato che gli anticorpi sono proteine del siero modificate” (Heidelberger e Pedersen, 1937).
Heidelberger (1888-1991), un chimico organico, ha studiato alla Columbia University e al Politecnico federale di Zurigo. Ha concentrato la sua ricerca sull’isolamento e la caratterizzazione dei polisaccaridi di S. pneumoniae e lo sviluppo di tecniche per la misurazione delle interazioni antigene-anticorpo. Heidelberger ha condotto studi approfonditi per determinare i metodi ottimali per la precipitazione dell’antigene da parte dell’anticorpo; questi studi hanno costituito la base per il test quantitativo della precipitina. Sulla base dei suoi studi sul legame degli anticorpi, Heidelberger è spesso accreditato come il padre del campo dell’immunochimica quantitativa.
A metà degli anni ’30, l’identificazione e la caratterizzazione delle proteine del sangue era un nuovo eccitante campo di studio. Arne Tiselius (1902-1971) si formò all’Università di Uppsala, Svezia, in chimica. Inizialmente lavorò con Theodor Svedberg (1884-1971), che usava l’ultracentrifugazione per separare i colloidi, comprese le proteine. Svedberg si rese conto che le proteine potevano anche essere separate dai modelli di migrazione in un campo elettrico, e suggerì a Tiselius di concentrarsi sullo sviluppo della tecnologia per questo nuovo campo. Nel 1930, Tiselius descrisse la separazione elettroforetica delle proteine e ricevette la sua laurea in scienze basata su questo lavoro.
Tiselius (1937a,b) separò il siero per elettroforesi e dimostrò quattro componenti con diverse cariche elettriche. Questi componenti furono identificati come albumina e tre frazioni di globulina: alfa, beta e gamma (Figura 11.2). Sulla base di questa caratterizzazione delle proteine del siero, Tiselius ricevette il premio Nobel per la chimica nel 1948 “per le sue ricerche sull’elettroforesi e l’analisi dell’assorbimento, specialmente per le sue scoperte sulla natura complessa delle proteine del siero.”
Figura 11.2. Modelli elettroforetici del siero di un coniglio iniettato con albumina d’uovo contenente anticorpi specifici per l’ovoalbumina. Il siero potrebbe essere separato in quattro frazioni basate sulla mobilità elettroforetica: albumina, alfa globuline, beta globuline e gamma globuline.
Da Tiselius e Kabat (1939).
Elvin Kabat (1914-2000) entrò nel laboratorio di Tiselius dopo aver ottenuto il suo dottorato di ricerca per il lavoro svolto nel laboratorio di Heidelberger. Kabat, ha ricevuto la sua formazione universitaria al City College di New York e ha completato il suo dottorato alla Columbia University. La tesi di dottorato di Kabat si è concentrata sulla risposta anticorpale ai polisaccaridi dello pneumococco. Egli dimostrò che l’anticorpo che agglutinava lo S. pneumoniae poteva anche precipitare il polisaccaride isolato dal batterio (Heidelberger e Kabat, 1936). Quando arrivò a Uppsala, in Svezia, per lavorare nel laboratorio di Tiselius, Kabat portò un campione di siero di cavallo che conteneva anticorpi ai polisaccaridi dello pneumococco. Tiselius e Kabat analizzarono questo siero con l’elettroforesi e dimostrarono che la maggior parte dell’attività anticorpale migrava con la frazione di gamma globulina (Tiselius e Kabat, 1939).
Nei 15 anni successivi molti altri immunochimici caratterizzarono le molecole di anticorpi, e fu raggiunto un consenso generale sul fatto che essi sono un componente principale della frazione di gamma globulina del siero. Questa comprensione ha posto le basi per il successivo grande progresso nel campo, portando ad un’analisi dettagliata della struttura molecolare degli anticorpi e allo sviluppo del modello a quattro catene (Figura 11.1). Questi studi hanno fornito intuizioni sulla relazione tra la struttura e le funzioni biologiche della molecola.