Introduzione
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La vita sul nostro pianeta ebbe inizio più di 3,5 miliardi di anni fa con lo sviluppo e la
proliferazione degli organismi monocellulari come: eubatteri ed archeobatteri. Intorno a
600 milioni di anni fa, in concomitanza a un incremento critico del livello di ossigeno
nell’atmosfera, cominciarono a formarsi gli organismi multicellulari (metazoi), seguito da
una consistente diversificazione dei metazoi in diverse specie in un periodo di tempo
relativamente breve (Cooper and Alder, 2006). Ancora prima dell’evoluzione di un sistema
immunitario adattativo furono acquisiti meccanismi innati di auto-difesa. Ogni organismo
multicellulare sembra avere un complesso sistema immunitario innato (Beutler, 2004).
Probabilmente il sistema immunitario adattativo emerse bruscamente nel cosiddetto “Big
Bang” immunologico (Fig. 1). I dettagli su come il “Big Bang” ebbe luogo sono ancora
tutt’oggi da chiarire (Kasahara et al., 2004), tuttavia, esso deve essersi verificato in tempi
estremamente brevi e due eventi simili sembrano aver avuto un ruolo chiave nella nascita
del sistema immunitario. Uno è stato probabilmente l’acquisizione di geni che attivano la
ricombinazione o geni RAG. Il secondo evento, che presumibilmente ebbe un ruolo di pari
importanza nell’emergenza del sistema immunitario adattativo, coinvolse due ondate di
ampia duplicazione genica che ebbero luogo in prossimità dell’origine dei vertebrati
(Kasahara et al., 1997). Il sistema immunitario dei vertebrati è unico, in quanto i recettori
per gli antigeni sono generati mediante un processo di ricombinazione somatica, durante
l’ontogenesi dei linfociti, da segmenti dei geni sparsi nel genoma. I recettori antigenici
appartengono alla superfamiglia delle immunoglobuline (IgSF) (Du Pasquier, 2001). Nei
Vertebrati il recettore per l’antigene risulta essere formato da due catene polipeptidiche, la
catena pesante (H) e la catena leggera (L) per gli anticorpi e, le catene α/β e γ/δ per il TcR
(Lefranc, 2001). Il TcR, recettore per l’antigene dei linfociti T, distribuito clonalmente sui
linfociti T CD4
+
e CD8
+
, è capace di riconoscere i complessi formati da frammenti
peptidici estranei e molecole MHC autologhe espressi sulle membrane delle APC. I domini
Ig non sono impiegati soltanto dal TcR, dal BcR (recettore delle cellule B) e dalle proteine
MHC ma anche da recettori delle cellule natural killer (NK), da recettori specifici sulle
cellule fagocitiche (Ig Fc) capaci di legare anticorpi complessati con i loro antigeni, da
recettori per le citochine, da “cell-adhesion molecules”, e da altre “cell-surface molecules”
che consentono ai linfociti T e B di interagire con le cellule che presentano l’antigene e con
le cellule infiammatorie (Cooper and Alder, 2006). I geni RAG (RAG 1 e RAG 2) mediano
la ricombinazione V(D)J nei linfociti e codificano per degli enzimi capaci di riconoscere
delle sequenze segnale di ricombinazione (RSS) al livello delle quali il DNA sarà tagliato.
Introduzione
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Tali geni sono espressi ed attivi solo nei linfociti immaturi appartenenti alla linea
differenziativa B e T. Si parla di ricombinazione V(D)J poiché ciascuna regione variabile
dei domini Ig è codificata da più di un segmento genico. Nel caso specifico degli anticorpi,
la regione V delle catene leggere è codificata da una sequenza di DNA assemblata da due
segmenti genici distinti in V e J (Joining), mentre la regione V delle catene pesanti è
codificata da una sequenza di DNA assemblata da tre segmenti genici, il segmento V,
segmento J e il segmento D (diversity). Il grande numero e l’unione combinatoria dei
segmenti genici V, J e D dà un contributo sostanziale alla diversità anticorpale. Le proteine
RAG, oltre a mediare il processo di ricombinazione sito specifica e a condividere
meccanismi simili con il processo d’integrazione ed escissione di elementi trasponibili,
sembrano anche avere l’abilità di trasporre segmenti contenenti sequenze segnale di
ricombinazione prodotti da un DNA target in vitro (Fugmann et al., 2000). Diversi studiosi
hanno ipotizzato che gli eventi, che probabilmente hanno catalizzato l’esplosione della
generazione di un’immunità combinatoria (Fig. 2), furono il trasferimento orizzontale di
geni da microbi e/o funghi, consentendo la ricombinazione sito-specifica del DNA. Poiché
i retrovirus sono largamente conosciuti per inserirsi nei cromosomi dei Mammiferi e
poiché residui di retrotrasposoni sono stati ritrovati nei genomi dei deuterostomi inferiori,
squali, tartarughe, polli nonché nei pesci Teleostei, essi potrebbero aver giocato un ruolo in
questa transizione. Tuttavia anche i trasposoni, capaci di modificare direttamente il DNA,
potrebbero aver avuto un ruolo nella generazione dell’immunità combinatoria (Craig,
1995; Finnegan, 1992). Thompson fu il primo a riconoscere che il cluster riguardante RAG
1 e RAG 2 somigliasse ad un trasposone separato, suggerendo un’origine trasposonica per
questi geni (Thompson, 1995). Probabilmente la nascita del sistema immunitario adattativo
avvenne quando un gene della superfamiglia Ig (IgSF), del tipo variabile (V), fu invaso da
un elemento trasponibile contenente geni RAG1 e RAG2 (Bernstein et al., 1996; Agrawal
et al., 1998). Questo evento innovativo, che aumentò grandemente la diversità del
recettore, deve essere stato cruciale per il sistema immunitario adattativo, anche se non fu
veramente l’elemento innescante. Ci sono alcuni membri della superfamiglia Ig degli
invertebrati che hanno caratteristiche dei geni V delle Ig o TcR, che potrebbero essere
connessi al gene ancestrale invaso dal trasposone (Van den berg et al., 2004). Membri delle
IgSF, che sono state identificate nel baco da seta, sembrano avere funzione d’immuno-
difesa. Un’altra interessante famiglia di diverse molecole IgSF, fibrinogen-related proteins
(FREPs), contenente domini Ig, è stata trovata nelle lumache.
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Queste FREP sono prodotte in risposta all’invasione parassitica e sono in grado di legare il
parassita invasore o i prodotti da esso derivati (Zhang et al., 2004). Ricerche sul sistema
immunitario degli invertebrati, come gli insetti, hanno dimostrato che essi hanno
sviluppato una serie di peptidi batterici come le difensine e cecropine, come parte di una
loro risposta innata ai batteri. (Bulet et al., 1999).
Abbreviazioni: Mya, milioni di anni; RAG, geni attivanti la ricombinazione.
Figura 1. Filogenesi dei Cordati e dei principali eventi nell’evoluzione del sistema immunitario adattativo (Flajnik
and Kasahara , 2010). Le molecole ristrette ai vertebrati mandibolati e non, sono indicate in verde e in blu. Le molecole
che emersero nello stadio degli invertebrati sono indicate in rosa. I geni RAG, indicati in viola, sono di origine virale o
batterica e sono anche presenti nel genoma dei ricci di mare e degli anfiossi. 1R e 2R indicano i due round di
duplicazione genomica. Sono controverse le ipotesi della collocazione del secondo round duplicazione genomica, se si è
verificato prima o dopo la divergenza dei vertebrati con mandibola o senza mandibola. Si pensa che un antenato della
maggior parte dei pesci con pinne raggiate, possa aver subito un ulteriore round di duplicazione genomica, indicato con
3R.
In aggiunta, peptidi antibatterici sono stati identificati in cellule ghiandolari della pelle
degli anfibi, dei Mammiferi e delle piante, riflettendo la natura universale dei meccanismi
di difesa.
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Studi sulla risposta immunitaria innata dei vertebrati hanno mostrato alcune analogie con il
sistema immunitario degli invertebrati. Gli insetti, infatti, sembrano avere sviluppato una
risposta infiammatoria acuta di tipo affine a quella riscontrata per i Mammiferi, ma scarse,
invece, sono le omologie per i fattori solubili, recettori e molecole regolatorie
nell’espressione dei geni. Sebbene le risposte antimicrobiche non siano uguali fra piante,
invertebrati e vertebrati, il punto convergente di molti studi è che la risposta innata dei
vertebrati assomiglia a un mosaico di differenti meccanismi immunitari degli invertebrati
contro i diversi patogeni (Salzet, 2001). La memoria specifica è tradizionalmente
considerata come una proprietà esclusiva del sistema immunitario adattativo dei vertebrati.
Sorprendentemente alcuni studi hanno fornito la prova dell’esistenza di una memoria
specifica negli invertebrati (Kurtz, 2004). Probabilmente la mancanza di un sistema
immunitario adattativo, ha fornito la spinta evolutiva che ha permesso agli invertebrati di
sviluppare una forma “alternativa” di difesa immunitaria specifica. Individui dei copepodi
Macrocyclops albidus, aumentano l’immunità contro uno specifico ceppo del cestode
parassita Schistocephalus soludis, dopo che essi sono stati esposti nel corso della loro vita
precedentemente al parassita (Kurtz and Franz, 2003). Nella pulce d’acqua Daphnia
magna, la prole esposta a un ceppo del micro parassita Pasteria ramosa mostra un
aumento della resistenza contro questo specifico ceppo ma non contro un secondo. In
aggiunta, un certo grado di immunità specifica è stata riscontrata anche per il calabrone
Bombus terrestris, che sviluppa una risposta specie-specifica contro due taxa strettamente
connessi al genere Paenibacillus (Sadd and Schmid-Hempel, 2006). In molte specie di
invertebrati sono state riscontrate cellule con capacità fagocitiche nonché analoghi
funzionali alle citochine infiammatorie dei Mammiferi, come ad esempio le molecole IL1 e
TNF (Beschin et al, 2001). La scoperta di citochine negli invertebrati solleva
un’importante questione: il sistema immunitario si sviluppò in modo convergente da
differenti sistemi ancestrali, mediante la diversificazione di un antenato comune, o da una
combinazione di entrambi i percorsi (Dzik, 2010)? Cellule con caratteristiche morfologiche
simili ai linfociti e molti dei meccanismi molecolari posseduti dai linfociti degli gnatostomi
sono stati trovati nelle lamprede e mixine, gli unici due rappresentanti viventi degli agnati
(Uinuk-Ool et al., 2002). Ciò suggerisce che i progenitori dei linfociti si svilupparono nei
Vertebrati basali o in un antico protocordato. Nella figura 2 possiamo notare uno schema
che mostra il momento della comparsa delle varie molecole e meccanismi coinvolti nel
sistema immunitario durante l’evoluzione degli animali.
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Il secondo elemento chiave che sembra avere avuto un ruolo nell’emergenza del sistema
immunitario adattativo, è la duplicazione genica. Ad oggi, è ancora oggetto di controversia
se, in effetti, tale duplicazione abbia coinvolto l’intero genoma. E’ chiaro, tuttavia, che la
duplicazione genica su larga scala e la successiva riorganizzazione degli esoni abbia
fornito le condizioni per l’emergenza di nuovi geni, alcuni dei quali hanno ruoli essenziali
per il sistema immunitario adattativo. La duplicazione cromosomica fu responsabile
dell’emergenza di paraloghi (geni generati in seguito a duplicazione genica) dell' MHC.
Alcuni studi condotti in Ciona intestinalis (urocordato) mostrano che esso ha singole copie
di un gene con caratteristiche di un precursore di paraloghi MHC multipli umani.
Probabilmente le duplicazioni cromosomiche sono state strumento non solo per
l’emergenza di regioni MHC, ma anche per la creazione di geni essenziali per il sistema
immunitario adattativo. Una delle ipotesi più popolari della duplicazione genomica risulta
essere l’ipotesi 2R (round), che postula la possibilità di due round di poliploidizzazione. Il
primo round di duplicazione dell’intero genoma dopo l’emergenza degli urocordati
(comune antenato di tutti i Vertebrati) e il secondo round, prima della radiazione dei
vertebrati mandibolati a partire da un comune antenato, dopo il loro distacco dai pesci privi
di mandibola (Wolfe, 2001; Furlong and Holland, 2002). In realtà è ancora controversa la
collocazione esatta del secondo round di duplicazione genica (Kasahara, 2007).
Sfortunatamente le informazioni relative alla filogenesi degli organi linfoidi sono ancora
poche. Durante l’evoluzione dei vertebrati, tuttavia, gli organi linfoidi primari apparvero
prima degli organi linfoidi secondari. Durante l’evoluzione e l’ontogenesi, i siti per la
differenziazione delle cellule B hanno avuto diverse ubicazioni, mentre, solo un sito è
presente per la differenziazione delle cellule T: il timo. Le cellule T furono i primi linfociti
ad acquisire recettori del tipo V(D)J, e il timo fu il primo organo linfoide a svilupparsi nei
Vertebrati in accordo, potenzialmente, con i recettori delle cellule T diversificati
somaticamente. Il timo è presente dai condroitti (pesci cartilaginei) in avanti, ma non è
stato trovato negli agnati, sebbene il programma genetico che specifica la distribuzione
delle cellule della cresta neurale, essenziale per la costruzione del timo, è condiviso tra
agnati e gnatostomi (Mayer et al., 2002). Gli agnati rappresentano i più primitivi Vertebrati
viventi che includono i Petromyzontiformes (lamprede) e Myxiniformes (mixine). Sebbene
le mixine manchino dei classici tessuti emopoietici, sono state identificate cellule simili ai
linfociti che sono particolarmente abbondanti nell’intestino, suggerendo che quest’organo
potrebbe funzionare come una milza primordiale (Zapata et al., 2000).
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Nelle lamprede, invece, cellule simili ai linfociti sono state ritrovate nell’epitelio
intestinale, nel pronefro e nelle gonadi, ma anatomicamente non è possibile distinguere dei
veri e propri organi linfoidi (Mayer et al., 2002). Nei pesci cartilaginei e pesci ossei, il
sistema immunitario adattativo presenta caratteristiche primordiali: la milza ed il timo sono
anatomicamente separati ed hanno una forma definita e le cellule linfoidi sono sparse
nell’intestino (Rombout, 1993a). Un alto grado di efficienza e sviluppo del sistema
immunitario adattativo, inizia ad essere raggiunto esclusivamente negli animali omeotermi,
anche se negli uccelli esso non è così specializzato. Essi possiedono, ad esempio, tre classi
di anticorpi che presentano un repertorio di specificità più bassa se confrontata a quella dei
Mammiferi. (Warr et al., 1995; Voss and Watt, 1977).
Figura 2. Cinetica generale dell’emergenza ed evoluzione di un sistema immunitario combinatorio. (Schluter et al 1999)
Il grafico mostra l’origine proposta dei cianobatteri viventi approssimativamente 3,5 miliardi di anni fa. Le frecce invece
indicano approssimativamente il tempo in cui sono apparsi i primi eucarioti e le divergenze tra animali e funghi e tra
protostomi e deuterostomi.; (a) formazione del sistema combinatorio; (b) rapida riorganizzazione evolutiva dalla forma
primordiale funzionale coinvolgente la conservazione di sequenze canoniche; (c) evoluzione di domini immunoglobulinici
ancora prima di 450 milioni di anni (0.45 Gy). La zona ombreggiata illustra il range dell’andamento dell’evoluzione di domini
distinti.
In definitiva, il sistema immunitario dei Vertebrati superiori caratterizzato dai loro
recettori, dalla superfamiglia delle immunoglobuline e dai linfociti e dal complesso
maggiore di istocompatibilità, si è sviluppato dalla linea evolutiva dell’immunità innata
che può essere tracciata indietro fino ai primi deuterostomi. Nel suo insieme, dunque, il
sistema immunitario può essere considerato come un complesso costituito da parti con
diverse età filogenetiche. (Murakami and Honjo, 1995) (Fig. 3).
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