Kháng thể

Kháng thể (Antibody, Ab), còn được gọi là immunoglobulin (Ig),^[1] là một protein lớn, hình chữ Y được hệ thống miễn dịch sử dụng để xác định và vô hiệu hóa các vật thể lạ như vi khuẩn và virus gây bệnh. Kháng thể nhận ra một phân tử đặc trưng duy nhất của mầm bệnh, được gọi là kháng nguyên.^[2]^[3] Mỗi đầu chữ "Y" của kháng thể chứa một paratope (tương tự như một ổ khóa) đặc hiệu cho một epitope cụ thể (tương tự như một khóa) trên một kháng nguyên, cho phép hai cấu trúc này liên kết với nhau một cách chính xác. Sử dụng cơ chế liên kết này, kháng thể có thể gắn thẻ vào vi khuẩn hoặc tế bào bị nhiễm để các bộ phận khác của hệ thống miễn dịch tấn công hoặc có thể vô hiệu hóa trực tiếp chúng (ví dụ: bằng cách ngăn chặn một phần của virus mà cần thiết cho sự tấn công cơ thể của nó).

Để cho phép hệ thống miễn dịch nhận ra hàng triệu kháng nguyên khác nhau, các vị trí liên kết kháng nguyên ở cả hai đầu của kháng thể có rất nhiều loại. Ngược lại, phần còn lại của kháng thể tương đối cố định. Thay đổi ở phần còn lại chỉ xảy ra trong một số biến thể xác định lớp hoặc isotype của kháng thể: IgA, IgD, IgE, IgG hoặc IgM. Vùng không đổi ở thân của kháng thể bao gồm các vị trí liên quan đến tương tác với các thành phần khác của hệ thống miễn dịch. Do đó, lớp xác định chức năng được kích hoạt bởi kháng thể sau khi liên kết với kháng nguyên, ngoài một số đặc điểm cấu trúc. Các kháng thể từ các lớp khác nhau cũng khác nhau về nơi chúng được giải phóng trong cơ thể và chúng sẽ được giải phóng ở giai đoạn nào của phản ứng miễn dịch.

Cùng với các tế bào B và T, kháng thể bao gồm phần quan trọng nhất của hệ thống miễn dịch thích ứng. Chúng xảy ra ở hai dạng: một dạng được gắn vào tế bào B và dạng còn lại, dạng hòa tan, không dính vào và được tìm thấy trong các chất lỏng ngoại bào như huyết tương. Ban đầu, tất cả các kháng thể ở dạng đầu tiên, được gắn vào bề mặt của tế bào B - những kháng thể này sau đó được gọi là thụ thể tế bào B (BCR). Sau khi một kháng nguyên liên kết với BCR, tế bào B sẽ kích hoạt để tăng sinh và biệt hóa thành một trong hai tế bào plasma, tế bào này tiết ra kháng thể hòa tan với cùng một paratope, hoặc tế bào B bộ nhớ, tồn tại trong cơ thể để cho phép miễn dịch lâu dài với kháng nguyên.^[4] Các kháng thể hòa tan được giải phóng vào máu và dịch mô, cũng như nhiều chất tiết. Bởi vì các chất lỏng được truyền thống gọi là humors, kháng thể miễn dịch qua trung gian đôi khi được gọi là, hoặc được coi là một phần của, miễn dịch dịch thể.^[5] Các đơn vị hình chữ Y hòa tan có thể xuất hiện riêng lẻ dưới dạng monome, hoặc trong phức hợp từ hai đến năm đơn vị.

Kháng thể là các glycoprotein thuộc siêu họ globulin miễn dịch. Thuật ngữ kháng thể và globulin miễn dịch thường được sử dụng thay thế cho nhau,^[1] mặc dù thuật ngữ 'kháng thể' đôi khi được dành cho dạng tiết ra, hòa tan, tức là loại trừ các thụ thể tế bào B.^[6]

Cấu trúc

Kháng thể là các protein khá nặng (~ 150 kDa) có kích thước khoảng 10 nm^[7] được sắp xếp thành ba vùng hình cầu gần như tạo thành hình chữ Y.

Ở người và hầu hết các loài động vật có vú, một đơn vị kháng thể bao gồm bốn chuỗi polypeptide; hai chuỗi nặng (H) giống hệt nhau và hai chuỗi nhẹ (L) giống hệt nhau được nối với nhau bằng liên kết disulfua.^[8] Mỗi chuỗi là một chuỗi các miền: các trình tự hơi giống nhau của khoảng 110 axit amin mỗi chuỗi. Các miền này thường được biểu diễn trong các giản đồ đơn giản dưới dạng hình chữ nhật. Chuỗi nhẹ bao gồm một miền biến đổi V_L và một miền không đổi C_L, trong khi chuỗi nặng chứa một miền biến đổi V_H và ba đến bốn miền không đổi C_H1, C_H2,...^[9]

Về mặt cấu trúc, một kháng thể cũng được phân chia thành hai đoạn liên kết kháng nguyên (Fab), chứa một vùng V_L, V_H, C_L, và C_H1 mỗi vùng, cũng như mảnh có thể kết tinh (Fc), tạo nên thân của hình dạng chữ Y.^[10] Ở giữa chúng là vùng bản lề của các chuỗi nặng, có tính linh hoạt cho phép các kháng thể liên kết với các cặp epitop ở các khoảng cách khác nhau, để tạo thành phức hợp (dimer, trimer, v.v.) và liên kết các phân tử kháng nguyên dễ dàng hơn.^[11]

Trong xét nghiệm điện di protein máu, các kháng thể chủ yếu di chuyển đến phần gamma globulin cuối cùng. Ngược lại, hầu hết các gamma-globulin là kháng thể, đó là lý do tại sao hai thuật ngữ này trong lịch sử được sử dụng như các từ đồng nghĩa, cũng như các ký hiệu Ig và γ. Việc dùng lẫn lộn hai thuật ngữ này không còn được sử dụng do sự tương ứng không chính xác và do nhầm lẫn với chuỗi γ nặng đặc trưng cho lớp kháng thể IgG.^[12]^[13]

Vị trí liên kết kháng nguyên

Các miền biến đổi cũng có thể được gọi là miền F_V. Đó là tiểu vùng Fab liên kết với một kháng nguyên. Cụ thể hơn, mỗi vùng biến đổi chứa ba vùng siêu biến thiên - các axit amin ở đó thay đổi nhiều nhất từ kháng thể này sang kháng thể khác. Khi protein gấp lại, các vùng này tạo ra ba vòng gấp nếp β, khu trú gần nhau trên bề mặt của kháng thể. Các vòng này được gọi là vùng xác định mức độ bổ sung (complementary determining region - CDR), vì hình dạng của chúng bổ sung cho hình dạng của một kháng nguyên. Ba CDR từ mỗi chuỗi nặng và chuỗi nhẹ cùng nhau tạo thành vị trí liên kết kháng thể mà hình dạng của nó có thể là bất cứ thứ gì, từ một túi để kháng nguyên nhỏ hơn liên kết vào, cho đến phần nhô ra tạo thành rãnh trên một kháng nguyên lớn. Tuy nhiên, thông thường, chỉ có một số dư lượng chiếm phần lớn năng lượng liên kết.^[2]

Sự tồn tại của hai vị trí liên kết kháng thể giống hệt nhau cho phép các phân tử kháng thể liên kết mạnh mẽ với kháng nguyên đa hóa trị (các vị trí lặp lại như polysaccharide trong thành tế bào vi khuẩn, hoặc các vị trí khác cách xa nhau), cũng như tạo thành phức hợp kháng thể và phức hợp kháng nguyên-kháng thể lớn hơn.^[2] Kết quả liên kết chéo đóng một vai trò trong việc kích hoạt các bộ phận khác của hệ thống miễn dịch.

Cấu trúc của CDR đã được phân nhóm và phân loại bởi Chothia et al.^[14] và gần đây hơn của North et al.^[15] và Nikoloudis et al.^[16] Trong khuôn khổ của lý thuyết mạng lưới miễn dịch, CDR còn được gọi là các idiotype. Theo lý thuyết mạng lưới miễn dịch, hệ thống miễn dịch thích ứng được điều chỉnh bởi sự tương tác giữa các idiotype.

Vùng Fc

Vùng Fc (thân của hình chữ Y) bao gồm các miền không đổi từ các chuỗi nặng. Vai trò của nó là điều chỉnh hoạt động của tế bào miễn dịch: nó là nơi các phân tử phản ứng kích thích liên kết với, gây ra các hiệu ứng khác nhau sau khi vùng Fab của kháng thể liên kết với một kháng nguyên.^[2]^[11] Tế bào tác động (chẳng hạn như đại thực bào hoặc tế bào tiêu diệt tự nhiên) liên kết thông qua các thụ thể Fc (FcR) của chúng với vùng Fc của kháng thể, trong khi hệ thống bổ thể được kích hoạt bằng cách liên kết phức hợp protein C1q. IgG hoặc IgM có thể liên kết với C1q, nhưng IgA không thể, do đó IgA không hoạt hóa đường bổ thể cổ điển.^[17]

Một vai trò khác của vùng Fc là phân phối có chọn lọc các lớp kháng thể khác nhau trên toàn cơ thể. Đặc biệt, thụ thể Fc ở trẻ sơ sinh (FcRn) liên kết với vùng Fc của kháng thể IgG để vận chuyển nó qua nhau thai, từ mẹ sang thai nhi.

Các kháng thể là các glycoprotein,^[18] có nghĩa là chúng có các carbohydrate (glycans) được thêm vào các gốc axit amin còn lại.^[18]^[19] Các vị trí glycosyl hóa được giữ lại này xảy ra trong vùng Fc và ảnh hưởng đến tương tác với các phân tử tác động.^[18]^[20]

Cấu trúc protein

Đầu cuối N của mỗi chuỗi nằm ở đầu. Mỗi miền immunoglobulin có cấu trúc tương tự, đặc trưng của tất cả các thành viên của siêu họ immunoglobulin: nó bao gồm từ 7 (đối với vùng không đổi) đến 9 (đối với vùng thay đổi) các gấp nếp β, tạo thành hai tấm beta theo mô-típ chính của Hy Lạp. Các tấm này tạo ra hình dạng "bánh sandwich", gấp nếp immunoglobulin, được giữ chặt với nhau bằng liên kết disulfide.

Phức hợp kháng nguyên

Một số kháng thể tạo thành phức chất liên kết với nhiều phân tử kháng nguyên.

Các kháng thể tiết ra có thể xuất hiện dưới dạng một đơn vị hình chữ Y, một monomer. Tuy nhiên, một số lớp kháng thể cũng tạo ra dimer với hai đơn vị Ig (như với IgA), tetramer với bốn đơn vị Ig (như IgM của cá teleost), hoặc pentamer với năm đơn vị Ig (như IgM động vật có vú, mà đôi khi tạo ra cả hexamer, với sáu đơn vị).^[21]

Các kháng thể cũng tạo thành phức chất bằng cách liên kết với kháng nguyên: đây được gọi là phức hợp kháng nguyên-kháng thể hoặc phức hợp miễn dịch. Các kháng nguyên nhỏ có thể liên kết chéo hai kháng thể, cũng dẫn đến sự hình thành các chất dimers, trimers, tetrame, v.v. của kháng thể. Các kháng nguyên đa lượng (ví dụ, tế bào có nhiều biểu mô) có thể tạo phức hợp lớn hơn với kháng thể. Một ví dụ điển hình là sự kết tụ hoặc ngưng kết của các tế bào hồng cầu với kháng thể trong xét nghiệm Coombs để xác định nhóm máu: các khối lớn trở nên không hòa tan, dẫn đến kết tủa rõ ràng.

Thụ thể tế bào B

Dạng liên kết màng của kháng thể có thể được gọi là globulin miễn dịch bề mặt (sIg) hoặc globulin miễn dịch màng (mIg). Nó là một phần của thụ thể tế bào B (BCR), cho phép tế bào B phát hiện khi nào có kháng nguyên cụ thể trong cơ thể và kích hoạt tế bào B.^[22] BCR bao gồm các kháng thể IgD hoặc IgM gắn trên bề mặt và các dị thể Ig-α và Ig-β liên kết, có khả năng truyền tín hiệu.^[23] Một tế bào B điển hình của con người sẽ có 50.000 đến 100.000 kháng thể gắn trên bề mặt của nó.^[23] Sau khi liên kết với kháng nguyên, chúng tụ lại thành các mảng lớn, đường kính có thể vượt quá 1 micromet, trên các bè lipid giúp cô lập BCR với hầu hết các thụ thể tín hiệu tế bào khác.^[23] Những mảng này có thể cải thiện hiệu quả của phản ứng miễn dịch tế bào.^[24] Ở người, bề mặt tế bào để trống xung quanh các thụ thể tế bào B trong phạm vi vài trăm nanomet,^[23], điều này càng giúp cô lập BCR khỏi các ảnh hưởng cạnh tranh.

Tính đặc hiệu của phản ứng kháng thể-kháng nguyên

Phân biệt giữa cái "ta" và cái "không ta" là tính chất cơ bản của hệ miễn dịch và do đó, là đối tượng nghiên cứu cơ bản của miễn dịch học. Hệ miễn dịch giúp cơ thể chống lại bệnh tật, điều này có vẻ không cần phải nhắc lại, nhưng điều đáng lưu ý là một chất không cần phải có khả năng gây bệnh, chỉ cần nó lạ đối với cơ thể là có thể kích thích hệ miễn dịch. Tính lạ này có khi vô hại nhưng cũng đôi khi lắm phiền hà, bởi lẽ để duy trì sự sống, sinh vật cần phải trao đổi vật chất (và năng lượng) với môi trường, phải tiếp xúc với những cái "lạ", "không ta" rồi thông qua quá trình đồng hóa để biến chúng thành cái "ta", "của ta". Cũng chính vì lý do này, chuột có thể sản xuất kháng thể chống lại sữa bò hay albumine người...

Isotype

Điều gây chú ý là khi gây đáp ứng miễn dịch ở chuột bằng albumine của 1 người, kháng thể sinh ra có tính đặc hiệu đối với albumine của bất cứ người nào, chứ không riêng gì của cá nhân người nói trên. Như vậy có một cái gì đó chung cho cả một loài. Nhà miễn dịch học người Pháp Jacques Oudin đã đề ra khái niệm isotype để chỉ đặc tính kháng nguyên chung của loài.

Isotype đã là trở ngại lớn cho huyết thanh liệu pháp (thí dụ dùng huyết thanh ngựa có chứa kháng thể kháng độc tố uốn ván để chữa bệnh uốn ván cho người), cách khắc phục là dùng công nghệ sản xuất các kháng thể đơn dòng.

Immunoglobulin người chia làm 5 isotype, sẽ được trình bày ở một phần sau. Đặc tính isotype kháng thể được quy định bởi cấu trúc thuộc phần hằng định của đại phân tử kháng thể (cụ thể là trên các domain C_H).

Allotype

Không hẳn là immunoglobulin lúc nào cũng được dung nạp ở một cá thể khác cùng loài, Oudin đề ra khái niệm allotype khi quan sát thấy một số thỏ lại sinh kháng thể chống chính các immunoglobulin thỏ. Allotype cũng thuộc phần hằng định của immunoglobulin.

Tuy nhiên, sự không tương hợp do allotype được biết đến nhiều nhất không phải là các immunoglobulin mà là các nhóm máu và hệ HLA.

Idiotype

Allotype là ranh giới giữa hai cá thể cùng loài. Đem một kháng thể thỏ kháng albumine người (sau đây gọi là anti-albumine hay Ig1) tiêm cho một con thỏ khác cùng nhóm allotype, người ta thấy con thỏ thứ 2 này lại sản xuất kháng thể Ig1 nói trên. Do những khác biệt về isotype và allotype đã được loại trừ (cùng loài, cùng loại), đối tượng của việc sinh miễn dịch này được kết luận là vùng đặc hiệu của kháng thể 1 kể trên. Cấu trúc tạo nên tính đặc hiệu với kháng nguyên đó được gọi là "đặc tính idiotype". Kháng thể anti-albumine gọi là idiotype, cũng chính Oudin đề nghị thuật ngữ này. Tuy nhiên idiotype đích danh chính là vùng biến thiên trên kháng thể (cũng như trên TCR) đặc hiệu với một kháng nguyên, còn vị trí liên kết với kháng nguyên gọi là paratope. Người ta đã thành công trong việc cắt các idiotype ra khỏi kháng thể, phục vụ nghiên cứu và phát hiện ra khái niệm "dãy (hay dòng thác) idiotype":

Đem một kháng nguyên X gây miễn dịch ở chuột A, người ta thu được kháng thể (idiotype) anti-X (tạm gọi là Ig1).
Lấy Ig1 tiêm cho chuột B (giống hệt về di truyền với chuột 1), kháng thể anti-anti-X được tạo ra (Ig2).
Người ta đã chứng minh được rằng trong cùng một cơ thể, khi tiếp xúc với 1 kháng nguyên X, không phải chỉ có 1 Ig1 (anti-X) được sản xuất, mà là một dãy những Ig như sau:
- Kháng nguyên (X) → Ig1 (anti-X) → Ig2 (anti-anti-X) → Ig3 (anti-anti-anti-X)...
- Ít nhất trong một số trường hợp, Ig3 rất giống (nếu không nói là giống hệt) Ig1 về khả năng nhận diện kháng nguyên X ở đầu dãy, như vậy, Ig2 có những cấu trúc gây đáp ứng tạo Ig3 đặc hiệu với X, người ta nói Ig2 hoạt động như một hình ảnh nội tại của kháng nguyên. Ig2 được ứng dụng như một vắc-xin (vắc-xin anti-idiotype).

Suy rộng ra, khi một trong muôn vàn những kháng nguyên "tiềm năng" của thế giới xung quanh xâm nhập cơ thể, hệ miễn dịch tạo ra một dãy, hay "mạng lưới" idiotype như cách dùng của Niels Jerne. Sự phân biệt giữa "ta" và "không ta" rất tinh tế, không phải là một sự phân biệt trắng đen hai nửa một cách đơn giản, mà là một hệ thống cân bằng động trường kỳ, vai trò gây đáp ứng miễn dịch của kháng nguyên là làm xáo trộn sự cân bằng đó.

Mẹo nhớ (không chính thức): idio=riêng, tự mình → idiotype: cấu trúc riêng biệt trên phần biến thiên của mỗi immunoglobuline hay TCR, đặc hiệu cho một epitope kháng nguyên nhất định.

Tự kháng thể

Đầu thế kỷ 20, Paul Ehrlich đưa ra khái niệm horror autotoxicus (tạm dịch "tính tự độc đáng sợ"), cho rằng hệ miễn dịch không tạo ra kháng thể chống lại các thành phần của chính cơ thể, vì điều này sẽ dẫn đến tự hủy diệt. Quan niệm này được chấp nhận rộng rãi suốt gần trọn thế kỷ cho đến khi khái niệm "mạng lưới kháng thể" ra đời. Đầu thập niên 1980, người ta khám phá ra các tự kháng thể hình thành tự phát với số lượng ít, thường đặc hiệu với nhiều kháng nguyên của cơ thể nên gọi là đa đặc hiệu. Các tự kháng thể này khá lành, không gây phản ứng hủy diệt như các tự kháng thể trong các bệnh tự miễn, khi cơ chế điều hòa miễn dịch bị qua mặt.

Tính đặc hiệu của phản ứng kháng thể-kháng nguyên

Cũng chính Erhlich, vào đầu thế kỷ 20, đã đề xuất rằng các kháng thể được sản xuất sẵn trong cơ thể, độc lập với mọi kích thích từ bên ngoài. Vai trò của kháng nguyên là đẩy mạnh sự sản xuất kháng thể đặc hiệu tương ứng.

Mô hình của Erhlich đã được chứng minh là đúng mặc dù ở thời của ông người ta chưa phân biệt được hai loại lympho B và lympho T. Cơ thể đã chuẩn bị sẵn kháng thể cho hầu như mọi "kẻ xâm nhập" tiềm năng.

Trong quá trình phát triển và biệt hóa các tế bào lympho B, có sự tái tổ hợp các gene mã hóa immunoglobulin. Trong mỗi tế bào lympho B, tổ hợp gene của phần biến thiên chỉ xảy ra 1 lần sẽ giữ nguyên đến hết đời sống của tế bào đó. Nếu vượt qua được các cơ chế chọn lọc, lympho B sẽ tiếp tục sống:

Lympho B sẽ tồn tại ở dạng naive cho đến khi gặp kháng nguyên tương ứng.
Nếu không gặp kháng nguyên, lympho B hoạt động cầm chừng dưới dạng naive đến hết đời của nó.
Khi gặp kháng nguyên đặc hiệu, với sự trợ giúp của lympho TH1 qua các cytokine, lympho B sẽ phân chia thành dòng, một số biệt hóa thành tương bào nhằm sản xuất kháng thể hàng loạt, một số lympho B khác sẽ trở thành tế bào lympho B ghi nhớ và tiếp tục phân bào, duy trì sự tồn tại của dòng tế bào đó trong cơ thể. Nếu nhiễm kháng nguyên đó một lần nữa, các tế bào B ghi nhớ sẽ đáp ứng nhanh hơn dạng näive. Ưu điểm này của đáp ứng miễn dịch đặc hiệu là nguyên tắc của việc ngừa bệnh bằng vắc-xin.

Trong các immunoglobulin mà cơ thể có thể tạo ra, có những phân tử rất giống với nhau. Khi một kháng nguyên tiếp xúc với hệ miễn dịch, các dòng kháng thể tương tự đều được kích thích với những mức độ khác nhau, trong đó dòng đặc hiệu chính danh là đáp ứng mạnh nhất, nổi bật nhất.

Ái lực của kháng thể với kháng nguyên

Liên kết giữa kháng thể và kháng nguyên, tương tự như giữa enzyme và cơ chất, có tính thuận nghịch. Liên kết mạnh hay yếu tùy vào số lượng liên kết và độ đặc hiệu giữa vùng nhận diện kháng nguyên trên kháng thể và cấu trúc epitope tương ứng.

Ái lực của kháng thể đối với kháng nguyên là hợp lực của các lực liên kết yếu không đồng hóa trị (liên kết hydro, lực van der Waals và các liên kết ion...). Các lực liên kết yếu này chỉ có tác dụng trong một bán kính nhỏ, do đó sự đặc hiệu (hay tính chất bổ sung) trong cấu trúc không gian 3 chiều của 2 vùng phân tử có vai trò quyết định đối với ái lực của kháng thể với kháng nguyên.

Như vậy, một kháng nguyên có thể được nhận diện bởi nhiều kháng thể với độ đặc hiệu khác nhau, dòng kháng thể nào phù hợp nhất về cấu trúc 3 chiều với epitope sẽ được khuếch trương mạnh nhất.

Các lớp kháng thể (hay isotype)

Các kháng thể được phân thành 5 lớp hay isotype, tùy theo cấu tạo của các domain hằng định của các chuỗi nặng: các chuỗi γ, α, μ, ε và δ lần lượt tương ứng với các immunoglobulin (Ig) thuộc các lớp IgG, IgA, IgM, IgE et IgD (xem bảng 1).

Ngoài ra, các dị biệt tinh tế hơn cũng tồn tại bên trong một số lớp immunoglobulin. Ở người, có bốn loại IgG (IgG1, IgG2, IgG3 và IgG4) và hai loại IgA (IgA1 và IgA2).

Để tiêu diệt tác nhân gây bệnh bị gắn kháng thể, nhiều bạch cầu sử dụng các FcR (thụ thể của Fc, R: receptor) bề mặt tương ứng với từng lớp IgG, IgA, IgM, IgE và IgD.

Thông thường một tế bào B sản xuất đồng thời nhiều lớp kháng thể: chúng khác nhau ở phần C các chuỗi nặng nhưng giống hệt nhau ở tính đặc hiệu với một kháng nguyên.

Các tác nhân gây bệnh là muôn hình vạn trạng, do đó số lượng các kháng nguyên mà cơ thể có thể gặp phải là rất lớn. Mỗi lympho B lại chỉ có thể sản xuất một loại kháng thể đặc hiệu đối với 1 epitope kháng nguyên nhất định, do đó cần phải có hàng nhiều triệu lympho B khác nhau. Số lượng này vượt quá số lượng gene của con người. Vậy cách hiểu cổ xưa về một gene sản xuất một kháng thể không còn đứng vững. Năm 1976, Susumu Tonegawa đã khám phá rằng cơ thể dùng cơ chế tái tổ hợp gene để tạo ra số kháng thể đặc hiệu khổng lồ nói trên. Tonegawa đã được trao giải Nobel về Y học và Sinh lý học năm 1987 cho khám phá này. Quá trình tái tổ hợp gene để sản xuất kháng thể sẽ được trình bày ở một phần sau.

	IgG	IgA	IgM	IgE	IgD
Vị trí chủ yếu	Máu	Niêm nhầy Các dịch tiết	Lympho B Máu	Bạch cầu ái kiềm Tế bào mast	Lympho B
Tỷ lệ	70% đến 75%	15% đến 20% các kháng thể trong huyết thanh	10%	< 1%	< 1%
"Hóa trị"¹	2	2 - 4	2 - 10	2	2
Vai trò	Trung hòa các độc tố, vi khuẩn và virus	Ngưng tụ, trung hòa các vi khuẩn, virus	Ngưng tụ, con đường cổ điển của bổ thể	Dị ứng, trung hòa các ký sinh trùng	Hoạt hóa các tế bào lympho B

Bảng 1: Tóm tắt tính chất của các lớp (isotype) immunoglobulin khác nhau.

IgG

IgG là loại immunoglobulin monomer (mono=1), là kháng thể phổ biến nhất trong máu, sữa non và các dịch mô. Đây là isotype duy nhất có thể xuyên qua nhau thai, qua đó bảo vệ con trong những tuần lễ đầu đời sau khi sinh khi hệ miễn dịch của trẻ chưa phát triển. Vai trò chính của IgG là hoạt hóa bổ thể và opsonine hóa. Có 4 thứ lớp: IgG1 (66%), IgG2 (23%), IgG3 (7%) và IgG4 (4%) trong đó IgG4 không có chức năng hoạt hóa bổ thể.

IgA

IgA chiếm khoảng 15 - 20% các immunoglobulin trong máu, nó chủ yếu được tiết tại các mô niêm nhầy (chẳng hạn trong ống tiêu hóa và hệ hô hấp). Nó còn được tiết trong sữa non, nước mắt và nước miếng nước bọt. Lớp immunoglobulin này chống lại (bằng cách trung hòa) các tác nhân gây bệnh tại những nơi chúng được tiết ra. Nó không hoạt hóa bổ thể, khả năng opsonise hóa cũng rất yếu. Có hai dạng IgA là IgA1 (90%) và IgA2 (10%). Khác với IgA1, các chuỗi nặng và nhẹ của IgA2 không nối với nhau bằng các cầu disulfide mà bằng các liên kết không đồng hóa trị. IgA2 có ít trong huyết thanh, nhưng nhiều trong các dịch tiết.

Trong các dịch tiết, IgA có dạng dimer (di=2), nối với nhau bằng hai chuỗi phụ. Thứ nhất là một chuỗi J (join - nối; không phải là các gene J của immunoglobulin), một polypeptide có khối lượng phân tử 1,5 kDa, giàu cysteine và khác biệt hoàn toàn với các chuỗi immunoglobulin khác. Thứ hai là một chuỗi polypeptide có tên secretory component cùng có khối lượng phân tử 1,5 kDa, do các tế bào biểu mô tiết ra. IgA còn tồn tại dưới dạng trimer (tri = 3) và tetramer (tetra = 4).

IgM

IgM tạo nên các polymer (poly = đa, nhiều) do các immunoglobulin liên kết với nhau bằng các cầu nối đồng hóa trị disulfide, thường là với dạng pentamer (penta = 5) hoặc hexamer (hexa = 6). Khối lượng phân tử của nó khá lớn, xấp xỉ 900 kDa. Chuỗi J thường thấy gắn với nhiều pentamer, trong khi các hexamer lại không chứa chuỗi J do cấu trúc không gian không phù hợp. Do mỗi monomer có hai vị trí gắn kháng nguyên, một pentamer IgM có 10 vị trí gắn kháng nguyên, tuy vậy nó không thể gắn cùng lúc 10 antigen vì chúng cản trở lẫn nhau. Vì là một phân tử lớn, IgM không có khả năng xuyên thấm, nó chỉ tồn tại với lượng rất nhỏ trong dịch kẽ. IgM chủ yếu ở trong huyết tương, chuỗi J rất cần cho dạng xuất tiết. Nhờ tính chất polymer, IgM rất "háu" kháng nguyên và rất hiệu quả trong việc hoạt hóa bổ thể. Nó còn được gọi là các "kháng thể tự nhiên" vì lưu hành trong máu ngay cả khi không có bằng chứng về sự tiếp xúc với kháng nguyên.

Ở các tế bào dòng mầm, segment gene mã hóa vùng μ hằng định của chuỗi nặng được giải mã trước các segment khác. Do đó, IgM là immunoglobulin đầu tiên được sản xuất bởi tế bào B trưởng thành.

IgE

IgE là loại immunoglobulin monomer trong đó carbonhydrate chiếm tỷ lệ khá lớn. Khối lượng phân tử của IgE là 190 kDa. IgE có trên màng bào tương của bạch cầu ái kiềm và tế bào mast ở mô liên kết. IgE giữ một vai trò trong phản ứng quá mẫn cấp cũng như trong cơ chế miễn dịch chống ký sinh trùng. Kháng thể loại IgE cũng có trong các dịch tiết, không hoạt hóa bổ thể và là loại immunoglobulin dễ bị hủy bởi nhiệt.

IgD

IgD là loại immunoglobulin monomer chiếm chưa đầy 1% trên màng tế bào lympho B. Chức năng của IgD chưa được hiểu biết đầy đủ, nó thường biểu hiện đồng thời với IgM và được xem như một chỉ dấu (marker) của tế bào B trưởng thành nhưng chưa tiếp xúc kháng nguyên. Có lẽ nó tham gia vào cơ chế biệt hóa của tế bào B thành tương bào và tế bào B ghi nhớ.

Vai trò của kháng thể

Trong một đáp ứng miễn dịch, kháng thể có 3 chức năng chính: gắn với kháng nguyên, kích hoạt hệ thống bổ thể và huy động các tế bào miễn dịch.

Liên kết với kháng nguyên

Hình 4: Các độc tố của vi khuẩn bên cạnh một tế bào cơ thể.

Các immunoglobulin có khả năng nhận diện và gắn một cách đặc hiệu với 1 kháng nguyên tương ứng nhờ các domain biến thiên. Một thí dụ để miêu tả lợi ích của kháng thể là trong phản ứng chống độc tố vi khuẩn. Kháng thể gắn với và qua đó trung hòa độc tố, ngăn ngừa sự bám dính của các độc tố trên lên các thụ thể tế bào. Như vậy, các tế bào cơ thể tránh được các rối loạn do các độc tố đó gây ra (hình 4 và 5).

Tương tự như vậy, nhiều virus và vi khuẩn chỉ gây bệnh khi bám được vào các tế bào cơ thể. Vi khuẩn sử dụng các phân tử bám dính là adhesine, còn virus sở hữu các protein cố định trên lớp vỏ ngoài. Các kháng thể kháng-adhesine và kháng-proteine capside virus sẽ ngăn chặn các vi sinh vật này gắn vào các tế bào đích của chúng.

Hoạt hóa bổ thể

Hình 5: Các độc tố trên bị trung hòa bởi kháng thể.

Một trong những cơ chế bảo vệ cơ thể của kháng thể là việc hoạt hóa dòng thác bổ thể. Bổ thể là tập hợp các protein huyết tương khi được hoạt hóa sẽ tiêu diệt các vi khuẩn xâm hại bằng cách (1) đục các lỗ thủng trên vi khuẩn, (2) tạo điều kiện cho hiện tượng thực bào, (3) thanh lọc các phức hợp miễn dịch và (4) phóng thích các phân tử hóa hướng động.

Hoạt hóa các tế bào miễn dịch

Sau khi gắn vào kháng nguyên ở đầu biến thiên (Fab), kháng thể có thể liên kết với các tế bào miễn dịch ở đầu hằng định (Fc). Những tương tác này có tầm quan trọng đặc biệt trong đáp ứng miễn dịch. Như vậy, các kháng thể gắn với một vi khuẩn có thể liên kết với một đại thực bào và khởi động hiện tượng thực bào. Các tế bào lympho NK (Natural Killer) có thể thực hiện chức năng độc tế bào và ly giải các vi khuẩn bị opsonine hóa bởi các kháng thể.

Sự tổng hợp immunoglobulin

Hệ miễn dịch người có khả năng sản xuất ra trên 10¹² loại kháng thể đặc hiệu khác nhau. Trong khi những kết quả nghiên cứu mới nhất cho thấy genome người chỉ có khoảng 3*10⁵ gene, như vậy một kháng thể không thể chỉ là sản phẩm của một gene duy nhất.

Đại cương

Có nhiều gene mã hóa cho phần biến thiên (V) của immunoglobulin, chúng tái tổ hợp với nhau một cách ngẫu nhiên để tạo ra số sản phẩm lớn hơn nhiều so với số gen vốn có. Trong mỗi tế bào lympho B, chỉ một tổ hợp duy nhất của mỗi chuỗi (nặng và nhẹ) được thành lập và không thay đổi suốt cuộc đời nó.

Tổ chức, tái tổ hợp và giải mã các gene chuỗi nặng

Phần hằng định (C) của chuỗi nặng được mã hóa bởi một trong số 9 gene tùy theo lớp (isotype) kháng thể: µ cho IgM; γ1 - 4 cho IgG1 - IgG4; α1 và α2 cho IgA1 và IgA2; δ cho IgD và ε cho IgE.

Các gene mã hóa chuỗi nặng của immunoglobulin nằm trên nhiễm sắc thể 14. Ở những tế bào mầm (non), chúng sắp xếp thành 4 vùng tách biệt: các amino acide (aa) 1 - 95 của phần biến thiên (V) được mã hóa bởi chừng 51 gene V; tiếp theo, các aa 96 - 101 do khoảng 27 gene D mã hóa (D:diversity - "phong phú"); cuối cùng, các aa 102 - 110 được mã hóa bởi 6 gene J (J: junction - "chỗ nối").

Mỗi gene V đều có một chuỗi L (leader - dẫn lối). Trong quá trình trưởng thành của tế bào lympho B, một gene D sẽ liên kết với một gen J bằng cách cắt bỏ đoạn DNA trung gian giữa chúng. Đoạn DJ mới thành lập cùng với gene Cμ (hằng định) được dịch mã thành mRNA, cho ra một protein DJ-Cμ tạm thời.

Sau đó, một gene V cùng với đoạn L tương ứng của nó được gắn vào đoạn DJ kể trên (tái tổ hợp VDJ). Gen VDJ mới tổ hợp và gene Cμ được giải mã tạo ra protein VDJ-Cμ. Chuỗi L sau đó được cắt ra, protein lúc này chính là chuỗi nặng của immunoglobulin IgM.

Vậy riêng các gene trên NST 14 đã có khả năng tạo ra 8262 chuỗi nặng khác nhau (51V × 27D × 6J).

Tổ chức, tái tổ hợp và giải mã các gene chuỗi nhẹ kappa

Các gene của chuỗi nhẹ κ (kappa) thuộc nhiễm sắc thể 2. Tại phần biến thiên (V), các amino acide (aa) 1 - 95 được mã hóa bởi 40 gene V_L và các aa từ 96 - 110 bởi 5 gene J_L. Chỉ 1 gene Cκ mã hóa cho phần hằng định của chuỗi nhẹ này. Như vậy, sự tổ hợp ngẫu nhiên của một gene V_Lκ với một gene J_Lκ có thể tạo ra 200 chuỗi nhẹ κ khác nhau (40 × 5).

Tổ chức, tái tổ hợp và giải mã các gene chuỗi nhẹ lambda

Các gene của chuỗi nhẹ λ (lambda) thuộc nhiễm sắc thể 22. Tương tự chuỗi nhẹ κ, phần biến thiên (V) của chuỗi nhẹ λ cũng được mã hóa bởi các gene V_L và các gene J_L. Số lượng các gene chưa được thống kê đầy đủ, ngoài ra còn có nhiều gene Cλ có đoạn gene L đi trước. Ước tính, tổ hợp các gene λ có thể tạo ra 116 chuỗi nhẹ λ khác nhau.

Điều hòa sản xuất kháng thể

Sự tái tổ hợp các gene V, D và J trong các chuỗi nặng và chuỗi nhẹ chịu sự điều hòa của các gene chức năng khác trong nhân tế bào, trong đó đặc biệt quan trọng là các gene RAG1 và 2 (recombinatioin activating gene) trên nhiễm sắc thể 11 ^[1]. Nếu các gene này bị rối loạn, các immunoglobulin cũng như các thụ thể kháng nguyên tế bào T (TCR) bị rối loạn trầm trọng (bệnh suy giảm miễn dịch trầm trọng bẩm sinh SCID - severe congenital immunodeficiency disease).

Trong trường hợp bình thường, sự tái tổ hợp gene các chuỗi nặng có thể tạo ra 2,6 × 10⁶ immunoglobulin khác nhau (8262H × (200Lκ + 116Lλ)).

Tuy nhiên, số loại kháng thể có thể tạo ra theo lý thuyết có thể cao hơn 10¹²^[2], nhờ các cơ chế bổ sung sau:

Các đột biến sinh dưỡng trong quá trình trưởng thành (trước khi có sự tổ hợp gene) của tế bào lympho.
Những lỗi trong quá trình tổ hợp gene V, D, J.
Các đột biến sinh dưỡng xảy ra trong quá trình tổ hợp gene.

Sự chuyển lớp isotype

Nếu như sự đặc hiệu đối với kháng nguyên được quy định trên Fab của kháng thể một khi đã hình thành sẽ không thay đổi suốt đời sống của tế bào lympho thì phần Fc lại có khả năng thay đổi để thích ứng với chức năng của phân tử immunoglobulin. Sự thay đổi này bắt nguồn từ các gene C_L và được gọi là sự chuyển lớp isotype.

Các kháng thể (immunoglobulin) đầu tiên do lymphocyte B sản xuất thuộc lớp IgM. Trong quá trình trưởng thành, chuỗi VDJ tổ hợp có thể liên kết với các gene C khác. Trước mỗi gene C đều có 1 chuỗi S (switch - chuyển) có chức năng điều khiển sự tái tổ hợp giữa VDJ và C thông qua việc liên kết với các chuỗi S tương đồng khác. Những chuỗi C nằm giữa chuỗi VDJ và gene C mới gắn sẽ bị cắt bỏ.

Kháng thể đơn dòng và đa dòng

Hình 6: Kháng thể đơn dòng, liên kết với một epitope đặc hiệu.

Hình 7: Các kháng thể đa dòng, mỗi kháng thể liên kết với một epitope khác nhau.

Một tác nhân gây bệnh (vi khuẩn, virus, v.v.) được hệ miễn dịch nhận diện như là các kháng nguyên. Thông thường, một kháng nguyên có thể gồm nhiều epitope khác nhau.

Kháng thể đơn dòng

Các kháng thể đơn dòng chỉ nhận biết một epitope trên một kháng nguyên cho sẵn (hình 6). Theo định nghĩa, tất cả các kháng thể đơn dòng cùng một dòng thì giống hệt nhau và được sản xuất bởi cùng một dòng tương bào.

Kháng thể đơn dòng được sử dụng rộng rãi trong sinh học và y học, chúng vừa là phương tiện chẩn đoán, vừa là công cụ điều trị. Thí dụ, chúng được ứng dụng trong một phương pháp phát hiện có thai được sử dụng phổ biến hiện nay.

Trước đây, việc sản xuất kháng thể đơn dòng in vitro rất khó khăn do đời sống ngắn ngủi của các tương bào. Kháng thể chỉ thu được in vivo bằng cách tiêm một kháng nguyên cụ thể vào một động vật rồi chiết lấy kháng thể trong máu. Phương pháp này rất tốn kém nhưng chỉ thu được lượng kháng thể rất ít, không thuần nhất và bị ô nhiễm.

Một tiến bộ to lớn đã đạt được cuối những năm 1970 bởi Cesar Milstein và Georges Köhler với kỹ thuật hybridoma (tế bào lai giữa 1 lympho B có khả năng sản xuất kháng thể với 1 tế bào ung thư có đời sống khá dài).

Kháng thể đa dòng

Các kháng thể đa dòng là một tập hợp các kháng thể đặc hiệu với các epitope khác nhau trên một kháng nguyên cho trước (xem hình 7). Trong đáp ứng miễn dịch, cơ thể tổng hợp nhiều kháng thể tương ứng với các epitope của cùng một kháng nguyên: đáp ứng như vậy gọi là đa dòng.

Tham khảo

Jeremy Berg, John Tymocsko, Lubert Stryer, Biochemistry, W.H. Freeman and Company, New York, 2002. ISBN 0-7167-4684-0
Neil Campbell, Jane Reece, Biologie, De Boeck, 1995. ISBN 2-8041-2084-8
Charles Janeway, Paul Travers, Immunobiology, Garland Publishing, New York and London, 2001. ISBN 0-8153-3642-X

Xem thêm

Tham khảo

^ ^a ^b Rhoades RA, Pflanzer RG (2002). Human Physiology (ấn bản thứ 5). Thomson Learning. tr. 584. ISBN 978-0-534-42174-8.
^ ^a ^b ^c ^d Janeway, Charles (2001). Immunobiology (ấn bản thứ 5). Garland Publishing. ISBN 978-0-8153-3642-6.
^ Litman GW, Rast JP, Shamblott MJ, Haire RN, Hulst M, Roess W, Litman RT, Hinds-Frey KR, Zilch A, Amemiya CT (tháng 1 năm 1993). “Phylogenetic diversification of immunoglobulin genes and the antibody repertoire”. Molecular Biology and Evolution. 10 (1): 60–72. doi:10.1093/oxfordjournals.molbev.a040000. PMID 8450761.
^ Borghesi L, Milcarek C (2006). “From B cell to plasma cell: regulation of V(D)J recombination and antibody secretion”. Immunologic Research. 36 (1–3): 27–32. doi:10.1385/IR:36:1:27. PMID 17337763.
^ Pier GB, Lyczak JB, Wetzler LM (2004). Immunology, Infection, and Immunity. ASM Press. ISBN 978-1-55581-246-1.
^ “MeSH Browser – Immunoglobulins”. meshb.nlm.nih.gov. Truy cập ngày 25 tháng 10 năm 2020.
^ Reth M (tháng 8 năm 2013). “Matching cellular dimensions with molecular sizes” (PDF). Nature Immunology. 14 (8): 765–7. doi:10.1038/ni.2621. PMID 23867923. Bản gốc (PDF) lưu trữ ngày 2 tháng 5 năm 2018. Truy cập ngày 20 tháng 8 năm 2021.
^ Woof JM, Burton DR (tháng 2 năm 2004). “Human antibody-Fc receptor interactions illuminated by crystal structures”. Nature Reviews. Immunology. 4 (2): 89–99. doi:10.1038/nri1266. PMID 15040582.
^ Barclay AN (tháng 8 năm 2003). “Membrane proteins with immunoglobulin-like domains—a master superfamily of interaction molecules”. Seminars in Immunology. 15 (4): 215–23. doi:10.1016/S1044-5323(03)00047-2. PMID 14690046.
^ Putnam FW, Liu YS, Low TL (tháng 4 năm 1979). “Primary structure of a human IgA1 immunoglobulin. IV. Streptococcal IgA1 protease, digestion, Fab and Fc fragments, and the complete amino acid sequence of the alpha 1 heavy chain”. The Journal of Biological Chemistry. 254 (8): 2865–74. doi:10.1016/S0021-9258(17)30153-9. PMID 107164.
^ ^a ^b Delves, Peter J; Martin, Seamus J; Burton, Dennis R; Roitt, Ivan M (2017). Roitt's essential immunology (bằng tiếng Anh) (ấn bản thứ 13). Chichester, West Sussex. ISBN 978-1-118-41577-1. OCLC 949912256.
^ “MeSH Browser – gamma-Globulins”. meshb.nlm.nih.gov. Truy cập ngày 18 tháng 10 năm 2020.
^ “Recommendations for the nomenclature of human immunoglobulins”. Journal of Immunology. 108 (6): 1733–4. tháng 6 năm 1972. PMID 5031329.
^ Al-Lazikani B, Lesk AM, Chothia C (tháng 11 năm 1997). “Standard conformations for the canonical structures of immunoglobulins”. Journal of Molecular Biology. 273 (4): 927–48. doi:10.1006/jmbi.1997.1354. PMID 9367782.
^ North B, Lehmann A, Dunbrack RL (tháng 2 năm 2011). “A new clustering of antibody CDR loop conformations”. Journal of Molecular Biology. 406 (2): 228–56. doi:10.1016/j.jmb.2010.10.030. PMC 3065967. PMID 21035459.
^ Nikoloudis D, Pitts JE, Saldanha JW (2014). “A complete, multi-level conformational clustering of antibody complementarity-determining regions”. PeerJ. 2 (e456): e456. doi:10.7717/peerj.456. PMC 4103072. PMID 25071986.
^ Woof JM, Russell RW (2011). “Structure and function relationships in IgA”. Mucosal Immunology. 4 (6): 590–597. doi:10.1038/mi.2011.39. PMID 21937984.
^ ^a ^b ^c Maverakis E, Kim K, Shimoda M, Gershwin ME, Patel F, Wilken R, Raychaudhuri S, Ruhaak LR, Lebrilla CB (tháng 2 năm 2015). “Glycans in the immune system and The Altered Glycan Theory of Autoimmunity: a critical review”. Journal of Autoimmunity. 57 (6): 1–13. doi:10.1016/j.jaut.2014.12.002. PMC 4340844. PMID 25578468.
^ Mattu TS, Pleass RJ, Willis AC, Kilian M, Wormald MR, Lellouch AC, Rudd PM, Woof JM, Dwek RA (tháng 1 năm 1998). “The glycosylation and structure of human serum IgA1, Fab, and Fc regions and the role of N-glycosylation on Fcα receptor interactions”. The Journal of Biological Chemistry. 273 (4): 2260–72. doi:10.1074/jbc.273.4.2260. PMID 9442070.
^ Cobb BA (tháng 3 năm 2020). “The history of IgG glycosylation and where we are now”. Glycobiology. 30 (4): 202–213. doi:10.1093/glycob/cwz065. PMC 7109348. PMID 31504525.
^ Roux KH (tháng 10 năm 1999). “Immunoglobulin structure and function as revealed by electron microscopy”. International Archives of Allergy and Immunology. 120 (2): 85–99. doi:10.1159/000024226. PMID 10545762.
^ Parker DC (1993). “T cell-dependent B cell activation”. Annual Review of Immunology. 11 (1): 331–60. doi:10.1146/annurev.iy.11.040193.001555. PMID 8476565.
^ ^a ^b ^c ^d Maxwell Myer, Wintrobe (2004). Greer, John G.; Foerster, John; Lukens, John N; Rodgers, George M; Paraskevas, Frixos (biên tập). Wintrobe's clinical hematology (ấn bản thứ 11). Hagerstown, MD: Lippincott Williams & Wilkins. tr. 453–456. ISBN 978-0-7817-3650-3.
^ Tolar P, Sohn HW, Pierce SK (tháng 2 năm 2008). “Viewing the antigen-induced initiation of B-cell activation in living cells”. Immunological Reviews. 221 (1): 64–76. doi:10.1111/j.1600-065X.2008.00583.x. PMID 18275475.