Appunti Immunologia

Scienze biologiche, Unibo FM

Immunologia introduzione

La patologia è la disciplina che si occupa dello studio delle malattie e delle loro basi eziopatologiche e fisiopatologiche. Ci occuperemo di identificare e chiarire le cause (eziologia), come l’agente patogeno in questione interagisce con il nostro organismo, i suoi meccanismi e quali sono le alterazioni morfologiche, molecolari e funzionali che verranno provocate. Le cause delle malattie possono essere genetiche (trasmissibili attraverso gameti), chimiche (sostanze ambientali o introdotte con alimenti), fisiche, biologiche (agenti patogeni), reazioni immunitarie (immunodeficienza, autoimmunità), ipossia (riduzione della pressione parziale di ossigeno).

Con diatesi si intende la predisposizione costituzionale di un individuo a sviluppare una malattia. La malattia è sempre il prodotto dell’interazione tra il soggetto e le sue caratteristiche, l’ambiente e le cause. Ogni stato di malattia raramente è il prodotto di un singolo agente causale. Più facilmente deriva da una moltitudine di fattori riguardanti sia l'agente che l'ospite, ovvero l'espressione combinata di caratteristiche legate alla costituzione genetica di un individuo e alle circostanze ambientali. Il tipico esempio di causa chiara e definita è quella dell’infezione batterica (batterio → ospite → infezione batterica).

Il batterio, però, interagisce con più soggetti ma non in tutti i casi causerà la malattia e non sempre gli effetti saranno gli stessi.

• Malattie monofattoriali o multifattoriali (causate da 1 o più fattori)
• Malattie idiopatiche (primitive o in cui la causa è ignota)
• Patologie ambientali (la causa è presente nell’ambiente esterno)
• Patologie professionali (l’ambiente esterno è legato all’ambiente di lavoro, esempio amianto)
• Patologie iatrogene (legate all’assunzione di un farmaco)

L’immunologia ha il ruolo di difendere l’organismo da agenti patogeni ed è la parte che si integra alla patologia, è stato selezionato nel corso dell’evoluzione. Il sistema immunitario è un insieme di organi, cellule e molecole deputate a una serie di compiti, il più importante dei quali è la difesa del nostro organismo da agenti patogeni (soprattutto infettivi) e potenzialmente dannosi. Questo sistema, con i complessi maggiori di istocompatibilità (ci permette di discriminare tra molecole estranee non-self e quelle self), determinano la nostra unicità e identità biologica di individui. Molti test sierologici, nonché i vaccini, si basano sulle reazioni tra antigene e anticorpo (apprese studiando il nostro sistema immunitario).

Tipi di immunità

Abbiamo due immunità:

• Innata o naturale (aspecifica)
• Adattativa o acquisita (specifica)

Queste due sono strettamente collegate e integrate fra loro. Alla base dell’immunità acquisita ci sono i linfociti B (immunità umorale, i linfociti B producono anticorpi o Ig) e T (immunità cellulo-mediata, distinguiamo i linfociti T helper e citotossici).

Malattie genetiche

Malattie genetiche: introduzione

1. Malattie genetiche: sono dovute ad alterazione del patrimonio genetico, dipendono dal DNA e si tramandano alle generazioni seguenti mediante i gameti. Sono malattie ereditarie, saranno presenti in tutte le cellule del nuovo organismo. Tra queste, distinguiamo quelle...
   • Con ampio effetto (dette “mendeliane”). Dovute a mutazioni di singoli geni (monogeniche).
   • Dovute ad alterazioni cromosomiche, le conseguenze saranno diverse perché sono coinvolte grandi porzioni genetiche.
   • Malattie multigeniche complesse e malattie che si trasmettono con eredità non mendeliana.
2. Malattie congenite: sono malattie che si manifestano alla nascita o in momenti successivi, non sono necessariamente malattie genetiche (e quindi ereditarie) ma possono anche essere dovute a errori avvenuti durante lo sviluppo embrionale o fetale.
3. Malattie ereditarie: sono malattie che si trasmettono da una generazione all’altra attraverso il patrimonio genetico alterato (gameti).
4. Familiarità: con questo termine si indica una predisposizione che sicuramente è legata a fattori genetici ma non è meglio caratterizzabile perché non ha quella chiarezza con cui identifichiamo una malattia genetica (in cui individuiamo gene alterato e malattia).

Malattie genetiche monogeniche mendeliane

Le mutazioni interessano un singolo gene sugli autosomi o sui cromosomi sessuali X e Y. Le malattie dovute a mutazioni autosomiche possono essere dominanti (è sufficiente la mutazione di un solo allele perché la malattia si manifesti) o recessive (è necessario che entrambi gli alleli siano mutati perché la malattia si manifesti). Nel caso della codominanza entrambi gli alleli contribuiscono al fenotipo (complesso maggiore di istocompatibilità, gruppi sanguigni). Parliamo di pleiotropismo quando un singolo gene mutato può dare origine a molti effetti. I cromosomi sessuali (XX femmine e XY maschi) seguono le leggi di Mendel.

Mutazioni puntiformi

Cosa succede quando uno dei due cromosomi presenta l’alterazione di un gene? Se l’alterazione interessa una sola coppia di basi abbiamo delle mutazioni puntiformi. Possono verificarsi durante la replicazione o riparazione del DNA o in alternativa in seguito all’esposizione ad agenti chimici o fisici. Possono, in alternativa, insorgere spontaneamente per tautomeria cheto-enolica (trasformazione spontanea della timina chetonica in una forma enolica che lega G invece che A) o per deaminazione o depurinazione. Le conseguenze possono essere:

• Nessuna nel caso in cui la sostituzione non provochi un cambiamento dell’aa corrispondente;
• Si può avere un cambiamento dell’aa sintetizzato (anemia falciforme → GAG diventa GTG e invece dell’acido glutammico si sintetizza valina e otteniamo emoglobina difettosa) (mutazione missense);
• Può essere prodotto un codone di stop che fa terminare la catena in maniera prematura, destinandola alla degradazione (mutazione non-sense);
• È prodotto un cambiamento dovuto all’introduzione o rimozione di un sito di splicing;
• Mutazioni frameshift, che derivano da inserzioni o delezioni e alterano la sequenza di lettura, ottenendo un prodotto proteico diverso.

Modalità di trasmissione

Nelle malattie monogeniche mendeliane abbiamo una serie di patologie che possono manifestarsi con penetranza (capacità di esprimersi fenotipicamente in una popolazione) ed espressività (gravità delle manifestazioni patologiche) variabile. La mutazione ovviamente deve essere compatibile con la vita altrimenti provoca la morte embrionale (letale) o consente la sopravvivenza ma non la maturità sessuale (subletale).

1. Autosomica dominante: la malattia è dovuta ad una alterazione di un gene dominante e si manifesta in eterozigosi, in maschi e femmine indifferentemente. Penetranza ed espressività sono variabili. Solitamente il gene mutato è difettoso e porta alla mancanza della proteina o alla produzione di una proteina alterata.
2. Autosomica recessiva: è la categoria più numerosa. La malattia si manifesta in omozigosi (entrambi alleli mutati). Penetranza spesso completa e le caratteristiche della malattia uniformi. La malattia riguarda spesso proteine enzimatiche che alterano il metabolismo.
3. Legate all’X o diaginiche: i geni interessati sono sul cromosoma X e sono quasi tutti recessivi (raramente dominanti). Il maschio è emizigote per i geni presenti sul cromosoma X; non li trasmette ai figli maschi, mentre le figlie sono portatrici. Nelle femmine si esprime in omozigosi, ma a causa del meccanismo dell'inattivazione del cromosoma X ci possono essere delle varianti (nelle cellule somatiche l’X inattivato è scelto a caso, se vengono prevalentemente inattivati quelli che portano il gene mutato allora difficilmente osserveremo una piena espressione fenotipica della malattia).

Malattie legate all’X

Partiamo dall’emizigosi del maschio: se il gene è portato nell’X, nella femmina non c’è alcuna differenza rispetto a tutti gli altri geni (ha due copie) mentre nel maschio è diverso (ha un solo X). Se il maschio eredita l’X malato dalla madre, basterà questo perché si manifesti la malattia. Le donne sono anche protette da un’altra cosa, ovvero dal processo di inattivazione dell’X (lyonizzazione dell’X).

• Normalmente, la donna ha 2 loci (uno di derivazione materna e uno di derivazione paterna) per ogni gene legato al cromosoma X. Uno dei due X presenti nelle cellule somatiche viene inattivato casualmente nelle fasi embrionali precoci (ottenendo il corpo di Barr). Può essere che una donna abbia entrambi i cromosomi X mutanti, tuttavia i fenomeni possono essere attenuati grazie all’inattivazione di una delle due X.
• Esempio: emofilia, malattia ereditaria trasmessa attraverso l’X. È un gene recessivo ma che si trova nell’X: i maschi che lo ereditano sono direttamente malati (per via della mancanza del secondo X). Nella femmina portatrice del gene alterato, il disturbo non si manifesta per il fenomeno di inattivazione cromosomica. Anche la donna, in teoria (evento rarissimo perché solitamente la lyonizzazione di un X impedisce la sua estrinsecazione), può essere emofilica qualora sia figlia di un emofilico e di una donna portatrice.
• Le donne eterozigoti per l'emofilia o per la distrofia muscolare (altra malattia legata al cromosoma X) sono in genere asintomatiche, ma talvolta mostrano, rispettivamente, una certa tendenza all'emorragia o alla debolezza muscolare. In questo caso (se si manifestano questi problemi) significa che è stato prevalentemente inattivato il cromosoma X sano (lyonizzazione sbilanciata) che permette una certa espressione fenotipica della malattia, ma comunque in forma molto più blanda e benigna. Secondo l'ipotesi di Lyon, l'inattivazione del cromosoma X è un evento casuale: in ogni persona, si verifica l'inattivazione del 50% dei cromosomi X materni e del 50% di quelli paterni. Tuttavia, poiché questo processo casuale segue una curva di distribuzione normale, in alcune femmine potrà essere inattivata, in uno specifico tessuto, la maggior parte di cromosomi X di origine materna, mentre in altri soggetti potranno essere inattivati quelli di origine paterna. Se in un qualche tessuto, quasi tutte le cellule avessero l'allele normale inattivato, in quell'individuo femmina si avrebbe una malattia simile a quella del maschio emizigote affetto. Le femmine di mammifero diventano quindi un mosaico. Solo in caso di assenza del secondo cromosoma X (cariotipo X0) in presenza di un gene alterato si avrà la manifestazione della malattia con la stessa gravità di un soggetto maschile.
• Anche la distrofia muscolare segue la stessa modalità di trasmissione (maschio che eredita X è sempre malato, per la donna ci sono tante sfumature). Nonostante il gene coinvolto sia sempre lo stesso, possiamo avere una diversa gravità della malattia perché la mutazione si verifica in un punto diverso del gene, provocando quindi effetti diversi. Nella distrofia muscolare di Duchenne, il gene può venir mutato in modo da non riuscire più a produrre la proteina distrofina (fondamentale per la contrazione muscolare, la sua mancanza comporta la progressiva perdita della motilità in età molto precoce). Esiste una forma più leggera che prende il nome di forma di Becker: la mutazione in questo caso permette una minima produzione di distrofina (si trasmette nello stesso modo, ecc.), assicurando una qualità di vita migliore. Ciò è permesso dal fatto che la mutazione si trova su geni diversi (se le mutazioni avvengono su geni diversi gli effetti saranno diversi).

Altre malattie genetiche

Anemia falciforme

L’anemia falciforme è una mutazione puntiforme autosomica recessiva che avviene nella catena beta dell’emoglobina: la valina viene sostituita con acido glutammico. L’Hb instabile precipita all’interno degli eritrociti, dandogli questa forma alterata a falce. Queste cellule modificate vengono recepite come dannose e vengono eliminate prima del tempo. Abbiamo un’anemia emolitica, ovvero c’è poco ossigeno ed emoglobina.

Ipercolesterolemia familiare

L’ipercolesterolemia familiare è una malattia autosomica dominante che riguarda il gene codificante per il recettore delle LDL (lipoproteine ad elevata densità, ovvero elevato contenuto di colesterolo). Non dobbiamo avere troppo colesterolo, e quindi troppe LDL, nelle arterie perché altrimenti si deposita e ciò causa aterosclerosi. Quando la mutazione genica colpisce geni diversi possono verificarsi 900 alterazioni diverse: tutte comportano danni con meccanismi diversi (assenza di recettore, cattivo funzionamento) ma che comportano a livelli sanguigni di LDL elevati. La mancanza del recettore implica che il colesterolo presente nelle LDL non venga recuperato dalle cellule (normalmente il colesterolo entra nelle cellule attraverso il recettore e viene utilizzato per le funzioni cellulari) e resti in circolo: il livello di colesterolo aumenta, finisce per accumularsi nella tonaca intima e provoca aterosclerosi.

Malattie genetiche legate ad alterazioni cromosomiche

Qui parliamo di quantitativi di DNA coinvolti e mutati diversi, ovvero tanto DNA, 2-4 mln di bp. I cromosomi vengono classificati in base alla loro dimensione e in base alla posizione del centromero (metacentrico, submetacentrico e acrocentrico). Tuttavia, questa distinzione non basta visto che se ci si fermasse qua alcune o molte coppie di cromosomi sembrerebbero uguali. Il bandeggio ci permette di distinguere realmente un cromosoma dall’altro; ci permette di discriminare le regioni ricche di AT da quelle di GC. Ogni cromosoma è formato da 2 cromatidi, ciascuno con telomeri. Dobbiamo fare la distinzione tra autosomi e cromosomi sessuali. Le alterazioni che li possono riguardare sono essenzialmente di due tipi: numeriche e strutturali. Solitamente abbiamo un’alterazione numerica dei cromosomi, le alterazioni strutturali sono meno frequenti.

Alterazioni numeriche

Cosa determina la comparsa di queste alterazioni? Le cause tendenzialmente sono ritardo anafasico e non disgiunzione. Tendenzialmente portano ad avere un cromosoma in più (trisomia) o uno in meno (monosomia). Queste alterazioni, però, possono verificarsi (più raramente) nelle primissime divisioni mitotiche dopo la fecondazione dell’ovocita (sia nei cromosomi sessuali che negli autosomi, anche se più di rado). In questo caso, non avremo tutte le cellule mutate ma avremo un mosaico: questa condizione è detta mosaicismo.

Mitosi → moltiplicazione patrimonio genico, poi divisione, il corredo cromosomico resta diploide; Meiosi → duplicazione, due divisioni successive, ottengo corredo aploide.

Meccanismi che portano alle alterazioni numeriche

• Ritardo anafasico: consiste nella mancata incorporazione di un cromosoma o di un cromatidio in uno dei due nuclei delle cellule figlie (tipo i cromatidi vanno entrambi nella stessa cellula). È dovuto a una ritardata migrazione del cromosoma con perdita del cromosoma stesso.
• Non disgiunzione: consiste nella mancata separazione dei cromosomi omologhi (meiosi I) o mancata separazione dei cromatidi fratelli (meiosi II o mitosi, primissime fasi). Può avvenire quindi sia in fase di riduzione meiotica (sia alla I che alla II divisione) che in postzigosi, con conseguenze diverse.

Mosaicismo

Consiste nella presenza contemporanea di due o più linee cellulari, differenti per numero o per struttura dei cromosomi, che discendono da una comune cellula zigote. Sono dovute in genere a non disgiunzione nelle prime divisioni mitotiche (in postzigosi). Alcune volte si trovano individui che presentano sia una linea cellulare normale che quella con aberrazione cromosomica. Nella vasta maggioranza dei casi di mosaicismo la linea cellulare anomala presenta un’anomalia di numero. Mosaici con riarrangiamento strutturale invece sono estremamente rari (le alterazioni strutturali spesso non sono compatibili con la vita). Il grado con il quale un individuo è clinicamente affetto potrebbe dipendere dalla percentuale di cellule con cariotipo anomalo nei vari tessuti. In pratica, una linea cellulare presenta un’alterazione di numero e una invece no. Più del 50% degli aborti spontanei è legato alla presenza di anomalie cromosomiche:

• Alterazioni di numero → monoploidia, poliploidia (triploidia), monosomia, nullisomia, trisomia.
• Alterazioni strutturali → traslocazioni bilanciate e non bilanciate, traslocazione robertsoniane (due cromosomi acrocentrici non omologhi si rompono al centromero, le braccia si uniscono attorno a un singolo centromero: le due braccia lunghe formano un prodotto e le due corte ne formano un altro che andrà perso), isocromosomi, delezioni, inversioni, cromosomi ad anello.

Esempio di alterazione numerica degli autosomi: Sindrome di Down

La sindrome di Down (trisomia 21) è la più comune tra le malattie cromosomiche e una delle principali cause di ritardo mentale.

• 95% deriva da non disgiunzione meiotica (> frequenza con > età materna)
• 4% deriva da traslocazione Robertsoniana
• 1% mosaicismo da non disgiunzione durante l’embriogenesi

La Sindrome di Down è associata ad alterazioni fenotipiche caratteristiche tra cui rima palpebrale mongolica, fessure palpebrali oblique, viso rotondo, profilo piatto.