Inmunoglobulina M

La inmunoglobulina M (IgM) es uno de los varios isotipos de anticuerpos (también conocidos como inmunoglobulina) que son producidos por 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. En el caso de los humanos y otros mamíferos que han sido estudiados, el bazo, donde residen los plasmablastos responsables de la producción de anticuerpos, es el sitio principal de producción de IgM específica.

Historia

El estudio de la IgM comenzó con el informe en 1937 de que los caballos hiperinmunizados con polisacárido de neumococo producían un anticuerpo mucho más grande que el típico conejo γ-globulina, con un peso molecular de 990.000 dalton. De acuerdo con su gran tamaño, el nuevo anticuerpo se denominó originalmente γ-macroglobulina, y luego en la terminología posterior como IgM-M para «macro». Los dominios V de la inmunoglobulina normal son muy heterogéneos, lo que refleja su papel en la protección contra la gran variedad de microbios infecciosos, y esta heterogeneidad impidió el análisis estructural detallado de la IgM. Posteriormente se descubrieron dos fuentes de IgM homogéneas. En primer lugar, se reconoció que la proteína de alto peso molecular producida por algunos pacientes con mieloma múltiple era una macroglobulina producida por un tumor γ, y ahora sabemos que, 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 inmunoglobulina (plasmocitomas) en ratones, proporcionando así una fuente de inmunoglobulinas homogéneas de varios isotipos, incluyendo la IgM (revisado en). Más recientemente, la expresión de los genes de inmunoglobulinas manipuladas en el cultivo de tejidos puede utilizarse para producir IgM con alternancias específicas y, por lo tanto, para identificar los requisitos moleculares de las características de interés.

Estructura

Las inmunoglobulinas incluyen 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 largo). La µ cadena pesada de IgM es una proteína de ~576 aminoácidos, e incluye un dominio variable (VH ~110 aminoácidos), cuatro dominios de región constante distintos (Cµ1, Cµ2, Cµ3, Cµ4, cada uno de ~110 aminoácidos) y un «colector» de ~20 aminoácidos. La cadena pesada µ lleva oligosacáridos en cinco residuos de asparagina. Los oligosacáridos en la IgM de los ratones y los humanos se han caracterizado parcialmente mediante diversas técnicas, entre ellas la resonancia magnética nuclear (RMN), la unión de lectinas, diversos sistemas cromatográficos y la sensibilidad enzimática (examinada en). La estructura de los oligosacáridos en cada sitio varía en detalle, y los oligosacáridos predominantes -biantenarios, triantenarios y de alta manosa- difieren entre los sitios.

La estructura multimérica de la 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 pesadas y ligeras se mantienen unidas tanto por enlaces disulfuro (representados como triángulos rojos) como por interacciones no covalentes.

En la figura 1B se muestran dos unidades µL unidas por un enlace disulfuro en los dominios Cµ2; esta estructura (µL)2 se suele denominar «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 aparición en las micrografías de electrones, se dedujo que la IgM es principalmente un «pentamer», es decir, un polímero compuesto de cinco «monómeros» [(µL)2]5, y que originalmente se describió en los modelos de las figuras 1C y 1D, con enlaces disulfuro entre los dominios Cµ3 y entre las piezas de la cola. También se muestra que el IgM pentamérico incluye una tercera proteína, la cadena J. La cadena J (J de unión) fue descubierta como un componente covalentemente unido del IgA e IgM polimérico. La cadena J es una pequeña (~137 aminoácidos), proteína ácida. Como se muestra, la cadena J se une a dos cadenas µ mediante enlaces disulfuro que involucran cisteínas en los colectores.

Los requerimientos moleculares para formar la IgM polimérica

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

La forma predominante de IgM humana y de ratón es el pentamer. A modo de comparación, la IgM de la rana (Xenopus) es predominantemente hexámera, la IgM del pez óseo es predominantemente tetrámera, y la IgM del pez cartilaginoso (tiburón) es predominantemente pentamérica. A pesar del predominio del pentamer en las IgM de los ratones y los humanos, era evidente que estas IgM también podían existir como hexámero. Estudios posteriores que utilizaron sistemas de expresión de ADN recombinante indicaron que el hexámero es una forma importante de IgM de ratón, cuando el 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 la cisteína en el cordón umbilical. En resumen, el IgM hexamérico nunca contiene cadena J; el IgM pentamérico puede formarse 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 de disulfuro entre las 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 la pieza de cola incluyen cada uno una cisteína que forma un enlace disulfuro con otra cadena µ. Las cisteínas de los dominios Cµ2 median la formación de IgM monomérica (µL)2. La pieza de cola junto con la cisteína incluida es necesaria y suficiente para la formación de inmunoglobulinas poliméricas. Es decir, al eliminar la pieza de cola de la cadena pesada µ se evita la formación de IgM polimérica. Por el contrario, las células que expresan una cadena pesada γ que ha sido modificada para incluir el cordón producen IgG polimérica.

El papel de la cisteína en el dominio Cµ3 es más sutil. Las figuras 1C y 1D representan posibles modelos para la IgM pentamérica. En estos modelos se prevé que cada cadena µ se una a otras dos cadenas µ. Sin embargo, ninguno de los dos modelos por sí solo puede explicar completamente la estructura del IgM polimérico. Por ejemplo, el modelo de la figura 1C predice que el enlace de disulfuro entre los dominios Cµ2 es esencial para hacer IgM polimérico unido al disulfuro. El modelo de la Figura 1D predice que el enlace de disulfuro entre los dominios Cµ3 es esencial. De hecho, la IgM polimérica ligada al disulfuro todavía puede hacerse si cualquiera de las tres cisteínas está ausente. En el contexto de los modelos en los que cada cadena µ interactúa con sólo 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 las 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 el pentamer que contiene la cadena J que refleja la evidencia de que la cadena J se une a las cadenas µ que no son unidas a otras cadenas µ por las cisteínas en los dominios Cµ3. Estos y otros modelos, tanto los regulares como los irregulares, se discuten en otra parte.

El IgM pentamérico se representa típicamente como conteniendo una sola cadena J por polímero, pero en realidad las medidas de la estequiometría de la cadena J han variado desde una molécula J por polímero hasta tres moléculas J por polímero. Este amplio rango puede deberse a problemas técnicos, como el radiomarcado incompleto o la cuantificación imprecisa de una línea de Ouchterlony. Sin embargo, la variación también podría deberse a la heterogeneidad de los preparados de IgM, es decir, los diversos preparados podrían haber diferido sustancialmente en su contenido de polímeros que contienen J y que son deficientes en J.

La estructura terciaria y cuaternaria de la región constante µ

Para comprender la detallada estructura tridimensional de la cadena µ, los dominios individuales Cµ2, Cµ3 y Cµ4tp se produjeron por separado en E. coli y luego se analizaron por una variedad de métodos, incluyendo la velocidad de sedimentación, la cristalografía de rayos X y la espectroscopia de RMN. Como en el caso de otras inmunoglobulinas, los dominios de la cadena pesada µ tienen las características superpuestas β- hojas que comprenden siete cadenas, estabilizadas por los enlaces de disulfuro intradominio. En general, la región constante de IgM tiene una estructura «similar a la de un hongo», donde los dominios Cµ2-Cµ3 son un disco análogo a la cabeza del hongo y los dominios Cµ4tp sobresalen como un tallo corto.

Función

La IgM interactúa con varias otras moléculas fisiológicas:

1. La IgM puede unirse al componente C1 del complemento y activar la vía clásica, llevando a la opsonización de los antígenos y a la citólisis.
2. La IgM se une al receptor de polinmunoglobulina (pIgR) en un proceso que lleva la IgM a las superficies de la mucosa, como el lumen intestinal y a la leche materna. Esta unión depende de la cadena J.
3. Otros dos receptores Fc que se unen a IgM-Fcα/µ-R y Fcµ-R — han sido detectados. Fcα/µ-R, como el pIgR, se une a la IgM polimérica y a la IgA. Fcα/µ-R puede mediar la endocitosis, y su expresión en el intestino sugiere un papel en la inmunidad de la mucosa. El Fcµ-R (antes conocido como Toso/Faim3) se une exclusivamente a la IgM y puede mediar la captación celular del antígeno conjugado con la IgM. La inactivación de los genes correspondientes en ratones knock-out produce un fenotipo, pero las funciones fisiológicas de estos receptores son todavía inciertas

Regulación de la respuesta inmune

Las inmunoglobulinas específicas que se inyectan en los 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 a la respuesta de los anticuerpos a una inmunización de refuerzo, lo que sugiere que se producen efectos similares durante las condiciones fisiológicas. Los efectos «reguladores» pueden ser positivos o negativos. Es decir, dependiendo del tipo de antígeno y del isotipo del anticuerpo, el efecto puede ser la supresión o el aumento de la respuesta de los anticuerpos. Esos efectos quedan bien ilustrados por los experimentos de inmunización con eritrocitos (glóbulos rojos) xenógenos (extraños). Por ejemplo, cuando se administra la IgG junto con eritrocitos xenógenos, esta combinación causa 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 Rh positivos del feto, y su uso ha disminuido drásticamente la incidencia de la enfermedad hemolítica del recién nacido. A diferencia del efecto de la IgG, la IgM específica de los antígenos puede mejorar enormemente la respuesta de los anticuerpos, especialmente en el caso de antígenos grandes. Así pues, cuando se inyecta en animales (incluidos los seres humanos) junto con eritrocitos una IgM específica para los eritrocitos, se induce una respuesta de anticuerpos mucho más fuerte a los eritrocitos que cuando éstos se administran solos. Varias líneas de pruebas indican que la capacidad de la IgM para activar el complemento es necesaria para su efecto potenciador. Es decir, la mejora mediada por la IgM no se produce en los animales que se han agotado para el componente C3 del complemento, ni en los animales mutantes que carecen de los receptores del complemento 1 y 2. Del mismo modo, la IgM mutante que no puede activar el complemento no mejora la respuesta inmunológica. Una posible explicación para la mejora mediada por IgM es que los linfocitos B capturan los complejos de antígeno-complemento IgM y los transportan a zonas del bazo donde se generan respuestas inmunológicas eficientes. Debido a que la IgM se produce al principio de una respuesta inmunológica, esto podría ser importante en el inicio de las respuestas de los anticuerpos.

Síntesis

En las células de la línea germinal (espermatozoides y óvulos) los genes que eventualmente codificarán las inmunoglobulinas no están en una forma funcional (véase recombinación V(D)J). En el caso de la cadena pesada, tres segmentos de la línea germinal, denominados V, D y J, están ligados entre sí y unidos 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 del empalme alternativo y de los sitios alternativos de adición de poli-A. La expresión de los otros isotipos (γ, ε y α) se efectúa mediante 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 20 semanas) y filogenéticamente el primer anticuerpo en desarrollarse.

Los anticuerpos IgM aparecen al principio del curso de una infección y suelen reaparecer, en menor medida, después de una exposición posterior. Los anticuerpos IgM no atraviesan la placenta humana (sólo 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, el síndrome de rubéola congénita).

El desarrollo de IgM anti-donantes después de un 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 el suero normal se une a antígenos específicos, incluso en ausencia de una inmunización previa. Por esta razón la IgM ha sido llamada a veces un «anticuerpo natural». Este fenómeno se debe probablemente a la alta avidez de 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 pueden formarse en las primeras etapas de la vida como resultado de la exposición a sustancias de tipo A y B que están presentes en las bacterias o quizás también en los materiales vegetales.

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

Vídeos

Referencias

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