Kháng thể

Cấu trúc điển hình

Phân tử kháng thể cấu tạo từ 4 chuỗi polypeptide, gồm hai chuỗi nặng (H, heavy, tiếng Anh, màu tím trong hình 3) giống hệt nhau và hai chuỗi nhẹ (L, light, tiếng Anh, màu xanh lá trong hình 3) cũng giống hệt nhau. Có hai loại chuỗi nhẹ κ (kappa) và λ (lambda), do đó hai chuỗi nhẹ của mỗi phân tử immunoglobulin chỉ có thể cùng là κ hoặc cùng là λ. Các chuỗi của immunoglobulin liên kết với nhau bởi các cầu nối disulfide và có độ đàn hồi nhất định (hình 2 và 3). Một phần cấu trúc của các chuỗi thì cố định nhưng phần đầu của hai "cánh tay" chữ Y thì rất biến thiên giữa các kháng thể khác nhau, để tạo nên các vị trí kết hợp có khả năng phản ứng đặc hiệu với các kháng nguyên tương ứng, điều này tương tự như một enzyme tiếp xúc với cơ chất của nó. Có thể tạm so sánh sự đặc hiệu của phản ứng kháng thể-kháng nguyên với ổ khóa và chìa khóa.

Các domain hằng định

Các domain hằng định (C, constant, tiếng Anh) đặc trưng bởi các chuỗi amino acide khá giống nhau giữa các kháng thể. Domain hằng định của chuỗi nhẹ ký hiệu là CL. Các chuỗi nặng chứa 3 hoặc 4 domain hằng định, tùy theo lớp kháng thể CH1, CH2, CH3 và CH4.
Các domain hằng định không có vai trò nhận diện kháng nguyên, chúng làm nhiệm vụ cầu nối với các tế bào miễn dịch cũng như các bổ thể. Do đó, phần "chân" của chữ Y còn được gọi là Fc (tức là phần hoạt động sinh học của kháng thể F: fragment, c: cristallisable)

Các domain biến thiên

Mỗi immunoglobulin có 4 domain biến thiên (V, variable, tiếng Anh) ở đầu tận hai "cánh tay" của chữ Y. Sự kết hợp giữa 1 domain biến thiên trên chuỗi nặng (VH) và 1 domain biến thiên trên chuỗi nhẹ (VL) tạo nên vị trí nhận diện kháng nguyên (còn gọi là paratope). Như vậy, mỗi immunoglobulin có hai vị trí gắn kháng nguyên. Hai vị trí này giống nhau như đúc, qua đó một kháng thể có thể gắn được với 2 kháng nguyên giống nhau. Hai "cánh tay" của chữ Y còn gọi là Fab (tức là phần nhận biết kháng nguyên, F: fragment, ab: antigen binding). Domain kháng nguyên nơi gắn vào kháng thể gọi là epitope.
Các domain sở dĩ gọi là biến thiên vì chúng khác nhau rất nhiều giữa các kháng thể. Chính sự biến thiên đa dạng này giúp cho hệ thống các kháng thể nhận biết được nhiều loại tác nhân gây bệnh khác nhau. Cơ chế tạo nên sự biến thiên này sẽ được đề cập ở những phần sau.

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 CH).

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.

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.

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.

Hoạt hóa bổ 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 VL và các aa từ 96 - 110 bởi 5 gene JL. Chỉ 1 gene Cκ mã hóa cho phần hằng định của chuỗi nhẹ này. Như vậy, sự tổ hợp ngẫu nhiên của một gene VLκ với một gene JLκ 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 VL và các gene JL. 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.

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 CL 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

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.