Structure des Immunoglobulines

Chapitre 1 Structure des Immunoglobulines

Sous leur forme monomérique les Ig sont constituées de trois parties : deux sites de liaison de l’antigène nommés Fab (fragment antigen binding) reliés par un segment flexible, la région charnière, à une région constante Fc (fragment cristallisable) conférant les propriétés effectrices de la molécule (Figure 3). Le site de liaison de l’antigène diffère beaucoup entre toutes les Ig exprimées chez un individu et est appelé région variable.

1- Généralités

La structure des immunoglobulines a été élucidée avec le temps. A la fin des années 50, Porter décrivait les différents fragments composant cette molécule (Porter, 1959). Nous savons actuellement que chaque monomère d’Ig est composé de quatre chaînes polypeptidiques identiques deux à deux. On distingue d’une part deux chaînes lourdes IgH (H pour heavy) reliées entre elles par un ou plusieurs ponts disulfures et deux chaînes légères IgL (L pour light), chacune liée à une chaîne lourde par un pont disulfure. Les chaînes légères peuvent être de deux types, à savoir kappa (κ) ou lambda (λ). Il existe cinq classes de chaînes lourdes mu (µ), delta (δ), gamma (γ), epsilon (ε) et alpha (α) correspondant respectivement aux monomères d’IgM, IgD, IgG, IgE et IgA. Parmi les IgG on distingue plusieurs sous-classes chez la souris : IgG3, IgG1, IgG2b et IgG2a ou IgG2c selon les souches de souris. En effet, l’isotype IgG2a est notamment trouvé dans la souche BALB/c (ou d’autres souches d’haplotypes « a » alors que l’isotype IgG2c a été identifié dans des souches C57BL/6 (d’haplotypes « b ») (Morgado et al., 1989).

La plupart de ces isotypes sont retrouvés sous forme monomérique, sauf les IgM qui sont en générale sous forme pentamériques et les IgA associées en dimères. Les variations de séquences des chaînes lourdes sont à l’origine des différences de propriétés des classes d’Ig. Ces variations peuvent être de plusieurs types, tels que la longueur de la région constante, la longueur de la région charnière, le nombre et la position des ponts disulfures et les sites de glycosylation.

Toutes les chaînes lourdes sont exprimées à partir du locus IgH localisé sur le chromosome 12 chez la souris, alors que les chaînes légères sont produites à partir de deux loci, Igκ ou Igλ positionnés respectivement sur les chromosomes murins 6 et 16. Les chaînes légères sont composées de deux domaines, un variable (dVL) et un constant (CL) (Figure 4). Les chaînes lourdes ont un nombre différent de domaines selon les isotypes, mais sont constituées d’au moins un domaine variable (dVH) et de plusieurs domaines constants (CH).

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Figure 5. Structure génomique des loci codant le récepteur aux antigènes.

Les segments variables, de jonction, de diversité et constants sont indiqués par des rectangles. (A) Diagramme du locus de chaîne lourde d’immunoglobuline (IgH). (B) Diagramme du locus de chaîne légère kappa (Ig_κ). (C) Diagramme du locus de chaîne légère lambda (Ig_λ). Les segments à rayures indiquent la présence d’éléments non fonctionnels. Les régions régulatrices ne sont pas représentées. (Les schémas ne sont pas à l’échelle).

3,100 Kb 100 Kb

Jκ1 à Jκ5

3,2 Mb

Variable Jonction Constant

B ^Igκκ

C Ig_λλ

Gènes codants la région constante Gènes codants la région variable

2500 Kb 100 Kb 10 Kb 175 Kb

J558.. ..Q52.. ..7183 D_H DFL16.. ..DQ52 JH1 JH2 JH3 JH4

2,8 Mb

Variable

Distaux Proximaux ^{Diversité Jonction Constant}

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La région variable de l’Ig est constituée de l’association des domaines aminoterminaux variables des chaînes lourdes et légères (dVH + dVL). Ces domaines variables (dVH ou dVL) résultent de l’assemblage de différents segments. Le domaine VL est produit à partir de l’assemblagede segments dits variables (V) et de segments de jonctions (J). Le domaine variable de la chaîne lourde inclut un troisième segment de diversité (D). Une des particularités remarquables de notre système immunitaire est sa capacité à rassembler, par recombinaison, des éléments parfois distant de presque 3 mégabases (Mb). Ces segments semblent être associés de manière aléatoire parmi tous ceux composant chaque loci.

2- Le locus de chaîne lourde IgH

Le locus des chaînes lourdes situé sur la partie télomérique du chromosome 12 de la souris s’étend sur environ 2,8 Mb. A ce jour, les données de la littérature estiment que ce locus est composé d’environ 180 à 210 segments pouvant participer à la composition de la chaîne lourde (Figure 5A). Ce nombre peut varier en fonction de la souche murine étudiée. Parmi ces éléments, le nombre de segments variables (VH) est estimé à 160 dont une centaine sont fonctionnels ; on compte environ 20 segments de diversité (DH) (dont 10 fonctionnels) et 4 segments de jonction (JH), qui sont tous fonctionnels. Enfin, on trouve également 8 segments constants (IgHC) codant les différents isotypes de chaîne lourde (Chowdhury and Sen, 2004; Bossen et al., 2012). Les segments VH sont regroupés dans 15 familles réparties sur la majorité du locus. On distingue les segments variables dits « distaux» situés en 5’ du locus des segments plus en aval, i.e à proximité des segments de diversité, dits « proximaux». Près de la moitié des segments VH sont des membres de la famille J558, située essentiellement dans la partie distale. Plus en 3’ on trouve d’autres familles de segments VH telle que la famille 7183 dont le VH81X est le dernier segment fonctionnel. Les segments de diversité sont regroupés en 4 familles (DFL16, DSP2, DST4 et DQ52) (Lefranc et al., 2009). Les segments constants sont constitués de plusieurs exons pouvant coder les domaines dits « constants » des chaînes lourdes et dont le nombre est différent selon l’isotype. On trouve également des exons codant la région charnière, les régions intracytoplasmiques et transmembranaires.

3- Les loci de chaînes légères

a. Le locus kappa (Ig_κ)

Le locus kappa a une taille légèrement supérieure à celle du locus de chaîne lourde à savoir 3,2 Mb (Figure 5B). Il n’est constitué que d’un seul segment constant (Ig_κC), 5 segments de jonction (IgκJ) dont 4 fonctionnels et plus de 160 segments variables (IgκV) (80 fonctionnels) (Schlissel, 2004).

Figure 6. Exemple de l’impact de la maturation d’affinité sur la structure et la dynamique d’un anticorps.

Dans cet exemple, les anticorps anti-MPTS 6C8, 8B10, 6C6 sont des anticorps produits après la SHM. La structure et surtout la dynamique des anticorps sont affectées par la SHM permettant d’optimiser la reconnaissance antigénique. (MPTS : 8-methoxypyrene-1,3,6-trisulfonate ; SHM : somatic hypermutation). (Adapté de Adhikary et al., 2015).

Figure 7. Position et « constance » des acides aminés dans les domaines variables des immunoglobulines.

La constance des acides aminés est définie comme la fréquence des acides aminés les plus utilisés divisée par le nombre d’acides aminés utilisés à cette position. Les barres noires

indiquent la position des CDR. (CDR : complementary determining region). (Adapté de

Lara-Ochoa et al., 1994).

Figure 8. Organisation spatiale des régions CDR.

Schéma représentant la superposition de la structure 3D d’anticorps anti-MPTS après maturation d’affinité. Les régions charnières sont superposables. C’est au niveau des boucles des CDR que l’on trouve la plus grande variabilité. Les étoiles représentent les boucles de CDR.

(MPTS : 8-methoxypyrene-1,3,6-trisulfonate ; CDR : complementary determining region). (Adapté de Adhikary et al., 2015).

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b. Le locus lambda (Ig_λ)

Le locus lambda est beaucoup moins conséquent, il ne fait que 200 kilobases (kb) et son organisation est différente des loci décrits précédemment. Il existe deux groupes de gènes V-J-C (Variable-Jonction-Constant) (Figure 5C). Le premier est constitué de deux segments variable (V2 et V3) associés à un segment de jonction (J2) puis à un segment constant (C2). Le second groupe contient un segment variable (V1) suivi des segments de jonction et constant J3C3 puis des segments J1C1 (Bossen et al., 2012). On trouve également entre ces régions des segments non fonctionnels, tels que 2 segments de jonctions et un segment constant.

Chez la souris, les chaînes légères codées par le locus lambda sont très peu représentées dans la constitution des anticorps. En effet, 95% des anticorps sériques sont de type _κ.

4- Les régions hypervariables et diversité antigénique

Le BCR se met en place suite à un processus complexe de recombinaisons somatiques permettant d’associer les différents segments composant les régions variables. Cette variabilité est complétée par un autre processus, l’hypermutation somatique (SHM), permettant d’améliorer l’affinité des anticorps vis à vis de l’antigène cible (Figure 6). L’ensemble de ces processus permettrait, en théorie, la génération d’un répertoire immense comprenant plus de 10¹⁵ Ig. Sur l’ensemble de la région variable d’un anticorps (VH et VL associés) la variabilité n’est pas distribuée équitablement. En effet, au niveau de ces régions variables, l’antigène va être reconnu mais la spécificité antigénique repose sur une structure complémentaire de celle de l’antigène, les CDR (Complementary Determining Regions). Les CDR sont en réalité des régions hypervariables au nombre de trois pour chaque segment variable (VH ou VL) et parmi lesquelles se trouvent des régions « charpentes » présentant moins de variabilité (Figure 7) (Lara-Ochoa et al., 1994). L’association d’une chaîne lourde et d’une chaîne légère permet le rassemblement des CDR de chaque domaine. Bien que légèrement éloignées sur la séquence, ces régions hypervariables se retrouvent être très proches spatialement après le repliement protéique afin de former le site d’interaction avec l’antigène (Figure 8) (Adhikary et al., 2015).

La mise en place de la réaction immunitaire nécessite que la cellule s’engage dans un certain nombre d’évènements strictement contrôlés. En effet, les locus des gènes d’Ig en l’état (en configuration germinale) ne permettent pas la production de protéines fonctionnelles. C’est seulement au cours de l’ontogénie B que vont s’opérer des modifications géniques. Ces processus se produisent à des temps différents du développement B. Le premier a lieu au cours de la phase précoce au sein de la moelle osseuse. Il consiste en un rapprochement d’un segment de chaque type (Variable, Diversité et Jonction) pour former un unique segment VDJ pour la chaîne lourde ou VJ pour la chaîne légère (Figure 9). Les autres processus ont lieu au cours de la phase tardive du développement dans les organes lymphoïdes secondaires. L’un, nommé CSR (pour Class

Figure 9. Principe de la recombinaison VDJ au locus IgH lors de la phase précoce de l’ontogénie B dans la moelle osseuse.

δ

μ γ3 γ1 γ2b γ2a ε α

5’ 3’

Gènes codants la région constante Gènes codants la région variable

Segments V Segments D Segments J

5’ 3’ 5’ 3’

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Switch Recombination), permet de changer l’isotype de l’immunoglobuline synthétisée par une recombinaison de classe au sein des gènes constants (Figure 10B), l’autre processus étant la SHM évoquée précédemment (Figure 10A).

Figure 10. Profil d'hypermutation somatique et schéma de la recombinaison de classe au cours de la phase tardive du développement

A. Le profil et la fréquence de mutations au locus _κ et IgH sont indiqués sur ce dessin (violet).

Les mutations s’accumulent de 100 à 200 pb en aval du site d’initiation de la transcription jusqu’à environ 2 kpb après le site d’initiation. B. La recombinaison a lieu entre deux régions

switch, ici les régions _µ et _γ1. AID (vert) crée des lésions au niveau des régions switch. Ces

lésions nécessitent la transcription germinale (GLT) des régions switch devant être réarrangées. Ces lésions vont induire la formation de cassures doubles brins, puis la formation d’une jonction entre les deux régions switch. Le fragment d’ADN situé entre ces deux régions switch est éliminé sous forme d’un épisome. Après la commutation de classe, un ARN

messager est initié à partir du promoteur V (γ1 ARNm). La flèche indique le site d’initiation de la

transcription. L :leader ; V(D)J : région variable V ; SR :région swicth ; 3’RR : Région Régulatrice en 3’ ; MAR : Matrix Attachment Region. (Extrait de Peled et al., 2008).

B'

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