background image

Dr Dhafer A. Alghezi

 

 

Lecture 4: Antigen recognition molecules 

 

1

 

 

Antigen recognition molecules 

The  recognition  of  foreign  antigens  is  the  hallmark  of  the  specific  adaptive  immune 
response.  Two  distinct  types  of  the  molecules  are  involved  in  these  processes, 
including immunoglobulins (Igs) and T-cell Ag-receptor (TCR). 

Diversity  and  heterogeneity  are  characteristic  features  of  these  molecules.  In  both 
cases, there is evidence of extensive gene-rearrangements which generate Igs or TCR 
capable of recognizing many different Antigens.  

A)  Immunoglobulins (Ig): 

Immunoglobulins,  also  known as  antibodies  (Ab)  are  group of glycoproteins  present 
in the serum or tissue fluids of all mammals, including human. They are produced by 
B-lymphocytes  when  the  host  in  contact  with  immunogenic  foreign  molecules 
(antigens).  They  act  as  a  critical  part  of  the  immune  response  by  specifically 
recognizing and binding to particular antigens, such as bacteria or viruses, and aiding 
in their destruction.  

Structure of Igs  

Five distinct classes of Ig molecules are recognized, namely IgG, IgM, IgA, IgD and 
IgE. Each molecule has two functional regions, a fragment of Ag-binding (Fab) and a 
fragment crystallizable region  (Fc) mediate so  called effector's functions. Fab region 
is a region of the antibody that binds to antigens. It is composed of one constant and 
one  variable  domain  of  each  of  the  heavy  and  the  light  chain.  Fab  region  contains 
variable sections that define the specific target that the antibody can bind. Fc region is 
a  tail  region  of  an  antibody  that  interacts  with  cell  surface  receptors  called  Fc 
receptors  and  some  proteins  of  the  complement  system  like  CIq.  Fc  region  of  all 
antibodies  in  a  class  are  the  same  for  each  species;  they  are  constant  rather  than 
variable.

  

The  class  and  subclass  of  the  Ig  molecule  are  determined  by  its  heavy  chain  type. 
Thus, the four human IgG (1, 2, 3&4) have heavy chain called gamma1, 2, 3&4, the 
two  human  IgA  (1&2)  have  heavy  chains  called  alpha  1&2.  but  none  have  been 
described for IgM (mu-chain), IgD (delta-chain) or IgE (epsilon-chain). 

All Igs are glycoproteins, but the carbohydrate content ranges from 2-3% for IgG, to 
12-14% for IgM, IgD & IgE. IgG is the major Ig in normal human serum, accounting 
for  70-75%  of  the  total  Ig-Pool,  followed  by  IgA  which  represents  15-20%  of  the 
human  serum  Ig-pool,  then  IgM  which  accounts  for  approximately  10%  of  the  Ig-
pool,  then  IgD  which  counts  for  less  than  1%  of  the  total  plasma  Ig  but  is  a  major 
component of the surface membrane of many B-cells. IgE, though scarce in serum, is 
found on the surface membrane of basophiles and mast cells in all individuals. 

The  basic  four  chain  model  for  Ig  molecule  is  based  on  two  distinct  types  of 
polypeptide  chain.  The  smaller  (light)  chain  is  common  to  all  classes  and  show  to 
exist in two distinct forms called kappa (κ) or lambda (λ), whereas, the larger (heavy) 
chain which is structurally distinct for each class or subclass and called gamma (γ) in 
IgG, alpha (α) in  IgA, Mu (μ) in  IgM, delta (δ) in  IgD, and epsilon (ε) in  IgE. Each 
chain  consists  of  two  parts,  the  N-terminal  of  the  chain  shows  much  sequence 


background image

Dr Dhafer A. Alghezi

 

 

Lecture 4: Antigen recognition molecules 

 

2

 

 

variability  and  known  as  variable  region  (V)  and  c-terminal  of  the  chain  which  is 
constant  and  called  constant  region  (C).  The  constant  portion  of  the  heavy  chain  is 
further divided into three structurally discrete regions:CH1, CH2, CH, these globular 
regions  stabilized  by  intrachain  disulphide  bound  and  are  referred  to  as  “Domains”. 
The  hinge  region  is  a  segment  of  heavy  chain  between  the  CH1  and  CH2-domains, 
flexibility in this area permits the two Ag-binding sites to operate independently. 

All  light  chains  have  one  variable  and  one  constant  region.  Whereas,  gamma  chain, 
delta-chain ands alpha chain consist of three domains and the mu and epsilon chains 
of IgM and IgA have an extra constant region domain. IgA and IgM have additional 
peptide chain, the J (joining) chain, thought to assist the processes of polymerization. 

 If j-chains are not freely available, there is evidence that hexameric IgM becomes the 
preferred form. Secretary IgA made up of two units of IgA, one secretary component 
and  one  j-chain.  Secretary  component  is  not  synthesized  by  plasma  cells  but  by 
epithelial  cells.  Bound  secretary  component  facilitates  the  transport  of  S-IgA  into 
secretions, as well as protecting it from proteolytic attack. 

 

 

 

Properties of Igs: The table below shows the properties of Igs  

Properties 

IgG 

IgM 

IgA 

IgE 

IgD 

%in serum 

75 

15 

0.004 

0.2 

M.W (X1000) 

160 

900 

170-400 

190 

180 

Half life 

23 

2.5 

Molecular form 

Monomer  Pentamer  Monomer 

or dimer 

Monomer  Monomer 

Subclasses 


background image

Dr Dhafer A. Alghezi

 

 

Lecture 4: Antigen recognition molecules 

 

3

 

 

H chain 

γ 

μ 

α 

ε 

δ 

J chain 

Secretory piece 

Complement fixation 

++ 

Crosses placenta 

Mediates allergy 

Opsonization 

Binds  to  Fc  receptor  in 
NK  cells  or  phagocytes 
(ADCC) 

Ag receptor on B cells 

± 

 

Interaction of antibodies with antigens: 

The  binding  of  Ag  to  Ab  involves  the  formation  of  multiple  non-covalent  bounds 
between the Ag and amino acids of the binding site. The attractive forces (hydrogen 
and  electrostatic  bounds,  Van  der  Waals  and  hydrophobic  forces)  are  weak  by 
comparison with covalent bounds. However, the large number of interaction results in 
a large total binding energy. 

The  strength  of  a  non-covalent  bond  is  critically  dependent  on  the  distance  between 
the interacting groups and in order for epitope and an Ab-combing site (paratope) to 
combine,  there  must  be  suitable  atomic  groupings  on  both  parts  (Ag  &  Ab)  and  the 
shape of the combining site must fit the epitope. The steric repulsive forces come into 
play  since  it  is  inversely  proportional  to  the  distance  between  the  electron  clouds. 
These forces that determining the specificity of the Ab for a particular Ag. 

The strength of the single bond between Ag and Ab is known as the Ab-affinity, it is 
the  sum  of  the  attractive  and  repulsive  forces,  whereas  the  overall  strength  of 
interaction  between  the  Ab  and  Ag  indicates  Ab-avidity.  The  avidity  is  likely  to  be 
more relevant than affinity, as naturally occurring Ags are multivalent. When some of 
the epitopes of an Ag are shared by another Ag then a proportion of the Abs directed 
to that Ag and this phenomenon is termed cross-reactivity. 

Function of the antibodies:  

Major functions of the antibodies are: 

1.  Neutralization of infectivity: 

 Antibodies  are  secreted  into  the  blood  and  mucosa,  where  they  can  block  the 
infectivity  of  pathogens  (bacteria,  viruses,  parasites  and  fungi),  inactivate  or 
neutralize foreign substances such toxins.  Neutralization generally occurs as a  result 
of interfering with an organism’s attachment to host tissues.  


background image

Dr Dhafer A. Alghezi

 

 

Lecture 4: Antigen recognition molecules 

 

4

 

 

some antibodies have been shown to  inhibit infectivity by binding to  organisms  and 
causing  them  to  aggregate.  Aggregation  or  agglutination  by  IgA  may  allow  more 
efficient  entrapment  of  bacteria  in  mucous  and  subsequent  clearance  by  peristalsis. 
Although  aggregation  is  more  likely  to  occur  with  polymeric  IgA  and  IgM,  some 
neutralizing  IgG  antibodies  can  aggregate  polio  virus  and  reduce  the  infectivity.  
Similarly, Antibodies against HIV-1 gp120 interfere with binding of gp120 to CD4. 

2.  Phagocytosis: 

Antibodies  facilitate  phagocytosis  of  foreign  substances  by  a  process  called 
opsonization.  The  internalization  and  degradation  of  antibody-coated  pathogens  by 
macrophages and neutrophils via FcRs (Fc receptors are protein molecules present on 
the  surfaces  of  macrophages  and  neutrophils  which  can  bind  the  constant  region  of 
immunoglobulin molecules) is a critical antibody function for clearance of pathogens 
in vivo.   

The  binding  of  phagocyte  Fc  receptors  with  several  antibody  molecules  complexed 
with  the  same  target  initiates  a  signal  transduction  pathway  that  results  in  the 
phagocytosis  of  the  antigen-antibody  complex.  Inside  the  phagocyte,  the  pathogen 
becomes  the  target  of  various  destructive  processes  that  include  oxidative  damage, 
enzymatic digestion, membrane disrupting effects of antibacterial peptides etc. 

 

3.  Antibody-dependent cellular cytotoxicity (ADCC): 

Antibodies  have  shown  anti-microbial  activity  either  directly  or  through  interactions 
with  FcRs  or complement.  ADCC occurs when  antibody forms a bridge  between  an 
infected target cells (virus infected cells of the host) and an FcR-bearing effector cell, 
particularly  natural  killer  (NK)  cells.  The  result  of  this  three-way  interaction  is  the 
death of the target cell, either by lysis or apoptosis. 


background image

Dr Dhafer A. Alghezi

 

 

Lecture 4: Antigen recognition molecules 

 

5

 

 

 

4.  Complement-mediated lysis of pathogens or of infected cells:  Antibodies 

activate the complement system to destroy bacterial cells by lysis 

Antibodies (IgM and most IgG subclasses) activate the complement system which can 
result  in  the  lysis  of  organisms  or  of  infected  cells.  An  important  byproduct  of  the 
complement cascade is C3b, which is a protein fragment that can bind nonspecifically 
to  cell  and  Ag-Ab  complexes.  Many  cell  types,  for  example,  red  blood  cells  or 
macrophages have receptors for C3b and so bind cells or complexes to which C3b has 
adhered. 

Binding of Ag-Ab complexes by the C3b receptors of an RBC allows it to deliver the 
complexes  to  liver  or  spleen  where  resident  macrophages  remove  them  without 
destroying  red  blood  cell.  In  addition,  organisms  or  Ag-Ab  complexes  bound  by 
complement  can  be  internalized  by  phagocytic  cells,  with  the  resultant  clearance. 
Internalization through complement receptors on antigen-presenting cells (APCs) can 
also result in the processing of antigen for presentation to T lymphocytes. 

 

5.  Transcytosis, mucosal immunity & neonatal immunity 

Some  antibodies  can  move  across  epithelial  layers  (depends  on  the  property  of  the 
constant region of that antibody molecule) via a process called transcytosis. IgA is the 
major immunoglobulin that undergoes transcytosis and is available in secretory form 
(sIgA) in the mucosal surfaces of respiratory, gastrointestinal and urogenital tracts. 

 

In  mammalian  species  including  humans,  most  subclasses  of  IgG  can  cross  the 
placental  barrier  (since  maternal  and  fetal  circulatory  system  are  separate)  thus 
conferring  sample  of  mother’s  repertoire  of  antibody  to  the  developing  fetus  as 
protective  endowment  against  pathogens.  This  passive  immunization  of  developing 
fetus occurs during the third trimester of gestation.   

 

 


background image

Dr Dhafer A. Alghezi

 

 

Lecture 4: Antigen recognition molecules 

 

6

 

 

Type of Antibody Major Function (s) 

IgG 

Opsonization,  Complement  Activation,  Antibody  dependent  cell  mediated 

cytotoxicity, Neonatal immunity, Feedback inhibition of B cells 

IgA 

Mucosal Immunity 

IgM 

Naive B cell antigen receptor, complement activation 

IgD 

Naïve B cell receptor 

IgE 

Defense against helminthic parasites, immediate hypersensitivity   

 

diversity:

-

Generation of Ab

 

Abs  are  remarkably  diverse  and  provide  enough  different  combining  sites  to 
recognize  the  millions  of  antigenic  shapes  in  the  environment.  In  fact,  we  produce 
more types of Ab than there are genes in our genome. All these diversities generated 
by: 

•  Multiple  V-region  genes  in  the  germ  line;  i.e  many  gene  coding  for  the 

variable (V) region. 

•  Somatic  recombination  between  elements  forming  a  V-region  gene.  i.e  a 

number of gene segments could recombine to give a complete V-gene. 

•  Gene  conversion;  a  panel  of  pseudo  genes  can  also  be  used  to  alter  the 

sequences within the variable region. 

•  Nucleotide addition; during cutting and joining of the DNA extra nucleotides 

may be inserted. 

•  Somatic mutation; so the relatively few genes give rise to many mutated genes 

during the lifetime of the individual. 

 

Mammals  may  use  all  five  mechanisms  to  generate  diversity  and  another 

possible  mechanism  like  recombinational  inaccuracies  and  assorted  heavy  and  light 
chain.  In  humans  the  genes  encoding  kappa  and  lambda  light  chains  are  found  on 
chromosomes 2 and 22 respectively whereas, the heavy chain gene locus is found on 
chromosome 14. the genes for isotypic variants are gamma 1,2,3&4 , mu, alpha1&2, 
delta, epsilon, kabba and lambda-chain genes, all present in human geneome (Isotypic 
varation).  Thus,  isotypic  variation  is  present  in  the  germ  line  of  all  members  of  a 
species,  producing  the  heavy  and  light  chains  and  the  V-region  framework 
(Subgroups).  Allotypic  variation  is  interspecies  allelic  variability.  Allotypes  occur 
mostly as variants of heavy chain constant regions. It is not found in all people and is 
therefore an allotype.  

 

The idiotypic variation refers to the diversity at the Ag-binding site (paratope) 

and in particular relates to the hyper variable segments. These determine the binding 
specificity of the Ag-binding site. The hyper variable regions are sometimes referred 
to as complementarity determining region (CDRs).  


background image

Dr Dhafer A. Alghezi

 

 

Lecture 4: Antigen recognition molecules 

 

7

 

 

 Immunoglobulin gene recombination: 

 

Light  chain  genes  recombine  V  and  J  segments  to  make  a  gene  for  the  VL 

domain. Whereas, heavy chain genes recombine V, D and J gene segments to make a 
gene for the VH domain. 
Several Vk-genes on the germ line DNA (V1-Vn) and Jk segment (Jk1-Jk5) and only 
one constant-region  (k-gene).  But  in  the lambda-gene a set  of V-genes  (v1-Vn), just 
one J-gene and seven C-genes. Rearrangement of the V and J genes recombined with 
–region to form light chain. 

 

Also  in  the  heavy  chain  region  the  variable  region  encoded  by  V  and  J 

segments  genes  and  a  third  gene  segment,  the  D  (diversity)-segment  gene.  The  D  is 
highly variable both in number and sequence of base paired. 

 

VH (V1-Vn), DH (D1-D30), J (J1-J6). More than one D-segment may join to 

form an enlarged D-region. Eighty seven VH segments are found on chromosome 14, 
of  which  at  least  32  are  pseudo  genes.  The  recombination  of  V,D,J  segments  in  the 
heavy chain is largely responsible for the variability of CDRs. The place at which V 
& J segment gene join may vary slightly and these slight variations in the position of 
recombination generate additional diversity. 
Somatic mutation:- 

 

The Ig heavy and light chain genes undergo structural modifications after Ag-

stimulation.  There  is  some  evidence  that  V-region  is  particularly  mutable.  The 
somatic  mutation  occurs  in  germinal  centers  to  produce  a  higher-affinity  Ab.  This 
process called affinity maturation. So the potential for increased diversity multiplies at 
each step of Ig-production. 

 

 

 

2. T cell antigen Receptor (TCR): 

  

 




رفعت المحاضرة من قبل: Ali Ahmed
المشاهدات: لقد قام 4 أعضاء و 117 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل