ポリクローナルB細胞応答

ポリクローナルB細胞応答は、哺乳類の適応免疫系によって示される免疫応答の自然なモードです。単一の抗原がエピトープと呼ばれる重複部分を介して複数のB細胞クローンによって認識され、攻撃されることを保証します。^{[1] [2]}

通常の免疫反応の過程では、病原体（細菌など）の一部が免疫系によって異物（非自己）として認識され、潜在的な損傷を軽減するために排除または効果的に中和されます。このように認識可能な物質は抗原と呼ばれます。免疫系は抗原に対してさまざまな方法で反応する可能性がありますが、この反応の重要な特徴は、体液性免疫と呼ばれる免疫系の一部が関与する B 細胞（または B リンパ球）による抗体の産生です。抗体は可溶性であり、機能するために病原体と B 細胞との直接的な細胞間接触を必要としません。

抗原は大きくて複雑な物質である場合があり、単一の抗体は抗原上の小さな特定の領域にしか結合できません。したがって、効果的な免疫応答には、同じ抗原に対して多くの異なる B 細胞による多くの異なる抗体の生成が含まれることがよくあります。したがって、「ポリクローナル」という用語は、多くのを意味するpolyと、新芽または小枝を意味するギリシャ語klōnに由来しています。^{[3] [4] [5]}クローンは、共通の「母」細胞から発生する細胞群です。このようにポリクローナル応答で生成される抗体は、ポリクローナル抗体として知られています。異種ポリクローナル抗体は、同一であり、単一のエピトープにのみ反応する、つまりより特異的である モノクローナル抗体分子とは異なります。

ポリクローナル反応は免疫系に利点をもたらし、特に病原体に対する反応の可能性を高めますが、宿主内で生成される天然分子に対する免疫系の反応から生じる特定の自己免疫疾患を発症する可能性も高まります。

ある生物から別の生物に伝染する病気は感染症と呼ばれ、原因となる生物学的因子は病原体と呼ばれます。病原体が体内に取り込まれる過程は接種と呼ばれ、^{[注 1] [6]}影響を受ける生物は生物学的宿主と呼ばれます。病原体がコロニー形成と呼ばれる段階で定着すると、^[7]感染を引き起こし、^[7]結果として宿主に直接害を及ぼしたり、毒素と呼ばれる有害物質を産生して害を及ぼしたりします。^{[7]その結果、}肺炎やジフテリアなどの感染症に特徴的なさまざまな症状や徴候が現れます。

さまざまな感染症に対抗することは、特に感受性のある生物、そして一般的には種の生存にとって非常に重要です。これは、宿主が病原体とその毒素を排除するか、それらを機能しないようにすることで達成されます。感染から体を守ることに特化したさまざまな細胞、組織、器官の集まりは、免疫システムとして知られています。免疫システムは、細胞性免疫と呼ばれる免疫システムの腕を伴う特定の白血球と侵入病原体との直接接触を通じて、または、生成された場所から離れた場所に移動し、病原細胞と毒素を「探し」、それらと特異的に^{[注 2]}結合し、その過程でそれらを中和する物質を生成することによってこれを実現します。これは、免疫システムの体液性腕として知られています。このような物質は可溶性抗体として知られ、感染に対抗する上で重要な機能を果たします。 ^{[注 3] [8]}

• 白血球（WBC）の種類
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  好中球
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  好酸球
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  好塩基球
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  リンパ球
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  単球
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  マクロファージ

抗体は、病原体から宿主を守るために様々な機能を果たします。これらの機能を果たす可溶性抗体は、白血球の一種である血漿B細胞によって産生されます。この産生は厳密に制御されており、活性化T細胞（別の種類の白血球）によるB細胞の活性化を必要とします。これは連続的な手順です。関連する主な手順は次のとおりです。^[9]

• 病原体の特異的または非特異的認識（抗原による）と、それに続く B 細胞またはマクロファージによる貪食。これにより、B 細胞は部分的にのみ活性化されます。
• 抗原処理。
• 抗原提示。
• 抗原提示細胞によるTヘルパー細胞の活性化。
• 活性化されたT 細胞による B 細胞の共刺激により、 B 細胞が完全に活性化されます。
• B細胞の増殖^[注4]により可溶性抗体が産生される。

病原体は、「認識可能な」抗原として機能するタンパク質を合成します。病原体はその分子を表面に発現するか、周囲（体液）に放出します。これらの物質が認識可能なのは、抗体と呼ばれる特定の宿主タンパク質に非常に特異的かつある程度強く結合するためです。同じ抗体は免疫系の細胞の表面に定着して受容体として機能するか、または可溶性抗体として血液中に分泌されます。分子レベルでは、タンパク質は比較的大きいため、全体として認識することはできませんが、代わりにエピトープと呼ばれるセグメントが認識されます。^[1]エピトープは抗体分子の非常に小さな領域（15〜22アミノ酸）と接触します。この領域はパラトープとして知られています。^[1]免疫系では、膜結合抗体はB細胞受容体（BCR）です。また、T細胞受容体は生化学的には抗体に分類されないが、主要組織適合性複合体（MHC）分子と複合したエピトープに特異的に結合するという点で、同様の機能を果たす。^{[注 5] [10]}パラトープとそれに対応する抗原との結合は、その構造上非常に特異的であり、他の種類のリガンド（少なくともある程度の特異性と強度で受容体に結合する原子、イオン、または分子）のペアリングと異なり、さまざまな非共有結合によって誘導される。結合の特異性は、堅固な鍵と鍵穴のような相互作用から生じるのではなく、パラトープとエピトープの両方が互いの存在下でわずかな構造変化を起こすことを必要とする。^[11]

左の図では、エピトープを形成するさまざまなセグメントが連続的に共線的であることが示されています。つまり、それらは連続的であることを示しています。しかし、ここで議論されている状況（つまり、B細胞による抗原認識）では、この説明は単純すぎます。このようなエピトープは、その上のすべてのアミノ酸が同じ配列（線）にあるため、連続エピトープまたは線状エピトープとして知られています。この認識モードは、ペプチドが小さい（約6〜8アミノ酸長）場合にのみ可能であり、^[1] T細胞（Tリンパ球）によって使用されます。

しかし、B 記憶細胞/ナイーブ細胞は、病原体表面に存在する完全なタンパク質を認識する。^{[注 6]}この場合、タンパク質の三次構造は非常に大きく折り畳まれているため、一部のアミノ酸ループはタンパク質の内部に位置し、それらを挟むセグメントは表面に位置する可能性がある。B 細胞受容体のパラトープは、タンパク質の表面にあるアミノ酸とのみ接触する。表面アミノ酸は、タンパク質の一次構造では実際には不連続である可能性があるが、複雑なタンパク質の折り畳みパターンにより並置される (隣の図を参照)。このようなエピトープは、コンフォメーションエピトープとして知られ、線形エピトープよりも長くなる傾向がある (15～22 アミノ酸残基)。^[1] 同様に、同じクローンに属する形質細胞によって生成される抗体は、病原体タンパク質上の同じコンフォメーション エピトープに結合する。^{[12] [13] [14] [15]}

特定の抗原が対応するBCR分子に結合すると、MHC-II分子の産生が増加する。これは、同じ抗原がピノサイトーシスと呼ばれる比較的非特異的なプロセスによって内部化される場合には同じことは起こらないため、重要である。ピノサイトーシスでは、抗原が周囲の液体とともに小さな小胞としてB細胞に「飲まれる」。^{[16]したがって、このような抗原は}非特異的抗原として知られており、B細胞の活性化やそれに続く抗体の産生にはつながらない。

マクロファージおよび関連細胞は、病原体を認識するために異なるメカニズムを採用しています。それらの受容体は、侵入した病原体に存在する特定のモチーフを認識しますが、これらのモチーフは宿主細胞には存在しない可能性が非常に高いです。このような繰り返しモチーフは、マクロファージによって発現されるToll様受容体（TLR）などのパターン認識受容体（PRR）によって認識されます。 ^{[1] [17]同じ受容体が、非常に異なる}微生物の表面に存在する特定のモチーフに結合する可能性があるため、この認識モードは比較的非特異的であり、自然免疫応答を構成します。

抗原を認識した後、マクロファージやBリンパ球などの抗原提示細胞は、貪食と呼ばれるプロセスによって抗原を完全に貪食します。貪食された粒子は、周囲の物質とともにエンドサイトーシス小胞（ファゴソーム）を形成し、これがリソソームと融合します。リソソーム内では、抗原はプロテアーゼ（大きなタンパク質を分解する酵素）によってペプチドと呼ばれる小さな断片に分解されます。個々のペプチドは、リソソームにある主要組織適合抗原複合体クラスII（ MHCクラスII）分子と複合化されます。抗原を「処理」するこの方法は、抗原処理の外因性またはエンドサイトーシス経路として知られており、内因性または細胞質経路^{[17] [18] [19]}では、細胞内で生成された異常なタンパク質（たとえば、ウイルス感染の影響下または腫瘍細胞内）がMHCクラスI分子と複合化されます。

エンドサイトーシス処理の代替経路も実証されており、フィブリノーゲンやミオグロビンなどの特定のタンパク質は、変性してジスルフィド結合が減少（水素 原子を追加することで結合を切断）した後、MHC-II分子に全体として結合することができる。その後、プロテアーゼがタンパク質-MHC II複合体の露出領域を分解する。^[19]

処理された抗原（ペプチド）がMHC分子と複合化された後、両者は一緒に細胞膜に移動し、そこでCD4+（Tヘルパー細胞）（ 白血球の一種）によって認識される複合体として提示（精製）されます。 ^{[注 7] [20]これは}抗原提示として知られています。しかし、消化前にB細胞によって認識されるエピトープ（立体構造エピトープ）は、Tヘルパー細胞に提示されるものと同じではない可能性があります。さらに、B細胞は異なるMHC-II分子と複合化された異なるペプチドを提示する場合があります。^[16]

CD4+細胞は、T細胞受容体-CD3複合体を介して抗原提示細胞の表面にあるエピトープ結合MHC II分子を認識し、「活性化」されます。この活性化により、これらのT細胞は増殖し、 T _h 1細胞またはT _h 2細胞に分化します。^{[16] [21]これにより、T細胞は自身の生存を促進する可溶性の化学シグナルを生成します。しかし、T細胞が実行するもう1つの重要な機能は、B細胞と}直接物理的に接触してB細胞を刺激することです。^[10]

T ヘルパー細胞を完全に刺激するには、抗原提示細胞上に存在するB7分子がT 細胞表面（T 細胞受容体に近接）に存在するCD28分子と結合する必要がある。 ^[10]同様に、T 細胞表面に存在する CD40 リガンドまたは CD154 ( CD40L ) とB 細胞表面に存在するCD40との間の 2 番目の相互作用も必要である。 ^[21] T ヘルパー細胞を刺激する同じ相互作用が B 細胞も刺激するため、共刺激という用語が使われる。全体的なメカニズムにより、活性化 T 細胞は、「共刺激」T ヘルパー細胞の T 細胞受容体によって認識されるのと同じエピトープを含む抗原を認識する B 細胞のみを刺激する。B 細胞は、直接の共刺激とは別に、特定の成長因子、すなわちインターロイキン 2、4、5 、 および6によって傍分泌的に刺激される。これらの因子は通常、新しく活性化された T ヘルパー細胞によって生成される。^[22]しかし、この活性化は、記憶B細胞またはナイーブB細胞自体に存在するB細胞受容体が対応するエピトープに結合した後にのみ起こり、それがなければ貪食作用と抗原処理の開始段階は起こらないであろう。

ナイーブ（または未経験）B細胞は、それが特異的なエピトープに遭遇したことのないクローンに属するB細胞です。対照的に、メモリーB細胞は、活性化されたナイーブまたはメモリーB細胞から派生したB細胞です。ナイーブまたはメモリーB細胞が活性化されると、その特定のB細胞が多種多様な増殖を起こし、その子孫のほとんどは最終的にプラズマB細胞に分化します。^{[注 8]}残りはメモリーB細胞として生存します。したがって、特定のクローンに属するナイーブ細胞が特異的抗原に遭遇してプラズマ細胞を生じ、メモリー細胞もいくつか残る場合、これは一次免疫応答として知られています。このクローンの増殖の過程で、B細胞受容体遺伝子は、抗体のパラトープをコードする遺伝子で頻繁（細胞分裂2回につき1回） ^{[8] な} 変異を起こす可能性があります。これらの頻繁な変異は、体細胞超変異と呼ばれています。このような突然変異はそれぞれ、パラトープのエピトープ結合能力をわずかに変化させ、その過程でB細胞の新しいクローンを作り出す。新しく作られたパラトープの中には、同じエピトープにさらに強く結合するものがあり（それを持つクローンの選択につながる）、これは親和性成熟として知られている。^{[注 9] [8] [21]}他のパラトープは、増殖を刺激した元のエピトープとはわずかに異なるエピトープによりよく結合する。エピトープ構造の変異はまた、通常、その抗原をコードする病原体の遺伝子の変異によっても生成される。したがって、体細胞超突然変異は、最初に増殖を誘発した抗原に対するより高い特異性を付与することとは別に、その後の抗原との遭遇において、B細胞受容体および可溶性抗体を、変化したエピトープに対する抗原認識能力においてより包括的にする。記憶細胞が抗原によって刺激されて形質細胞を生成し（クローンの一次反応と同様に）、その過程でさらに多くの記憶細胞を残す場合、これは二次免疫反応として知られており、^[21]形質細胞の数が増え、抗体産生の速度が速くなり、それがより長い期間持続する。二次反応の一部として生成された記憶B細胞は、対応する抗原をより速く認識し、親和性成熟によりより強く結合する（すなわち、結合親和性が高くなる）。クローンによって生成された可溶性抗体は、抗原結合において同様の増強を示す。^[21]

それぞれのクローンは特定のエピトープに対する抗体を生成することに多少特化しており、またそれぞれの抗原には複数のエピトープが含まれており、そのそれぞれが複数の B 細胞クローンによって認識されるため、反応は本質的にポリクローナルです。無数の抗原や複数の構成エピトープに反応できるようにするには、免疫系には非常に多くのエピトープを認識する能力が必要であり、つまり、B 細胞クローンの多様性が極めて高くなければなりません。

記憶 B細胞とナイーブ B 細胞は通常、比較的少数しか存在しません。体は多数の潜在的病原体に反応する必要があるため、幅広い特異性を持つ B 細胞のプールを維持しています。^[17]その結果、免疫系が反応できるすべてのエピトープに対して反応できる B 細胞 (ナイーブまたは記憶) がほぼ常に少なくとも 1 つ存在しますが、完全に重複するものはほとんどありません。ただし、単一の B 細胞が結合できる抗原に遭遇すると、非常に急速に増殖することができます。^[21]エピトープに対して同一の特異性を持つこのような細胞群はクローンと呼ばれ、共通の「母」細胞から派生します。すべての「娘」B 細胞は、元の「母」細胞とエピトープ特異性において一致し、同一のパラトープを持つ抗体を分泌します。これらの抗体は、同じ親細胞のクローンから派生するため、モノクローナル抗体と呼ばれます。ポリクローナル反応とは、複数の B 細胞のクローンが同じ抗原に反応する反応です。

単一の抗原は、複数の重なり合うエピトープの配列と考えることができます。多くのユニークなB細胞クローンが個々のエピトープに結合する可能性があります。これにより、全体的な応答の多様性がさらに高まります。^[3]これらのB細胞はすべて活性化され、プラズマ細胞クローンの大きなコロニーを形成し、各クローンは1秒間に各エピトープに対して最大1000個の抗体分子を分泌することができます。^[21]

異なるB細胞が同じ抗原上の異なるエピトープに反応することに加えて、異なるクローンに属するB細胞も同じエピトープに反応できる場合があります。多くの異なるB細胞によって攻撃されるエピトープは、免疫原性が高いと言われています。これらの場合、それぞれのエピトープ-パラトープペアの結合親和性は異なり、一部のB細胞クローンはエピトープに強く結合する抗体を産生し、他のクローンは弱く結合する抗体を産生します。^[1]

特定のエピトープに強力に結合するクローンほど、リンパ節などのさまざまなリンパ組織の濾胞の胚中心でさらに増殖するために選択される可能性が高くなります。これは自然選択と似ており、クローンは遭遇した病原体のエピトープ（結合の強さ）を攻撃する適応度に応じて選択されます。^[23] この類似性をさらに強固にしているのは、Bリンパ球が胚中心での生存を促進するシグナルを求めて互いに競争しなければならないことです。

病原体は多種多様で、その多くは絶えず変異しているが、大多数の人が感染していないのは驚くべきことである。したがって、健康を維持するためには、存在する可能性のあるすべての病原体（それらが提示または生成する抗原）を体が認識する必要がある。これは、B細胞の非常に大きな（約10 ⁹）クローンのプールを維持することによって達成され、各クローンは特定のエピトープを認識して抗体を生成することで反応する。しかし、特定のエピトープに対して実際に受容性を維持しているクローンは、どの時点でもごくわずかである。したがって、すべてのB細胞クローンを合わせると、約10 ^{7 の}異なるエピトープが認識される。^[21]さらに、生涯で個人が抗体を生成する必要があるのは、体が認識して反応できる抗原の数に比べて、ごくわずかである。^[21]

抗原がその構造の複数の要素によって認識される場合、免疫系によって「見逃される」可能性は低くなります。^{[注 10]}病原体の突然変異は、抗原、ひいてはエピトープの構造の修正につながる可能性があります。免疫系が他のエピトープがどのように見えるかを「記憶」している場合、抗原と生物は依然として認識され、体の免疫反応の対象となります。したがって、ポリクローナル反応は認識できる病原体の範囲を広げます。^[24]

多くのウイルスは頻繁に突然変異を起こし、その結果、重要なタンパク質のアミノ酸組成が変化する。タンパク質上に位置するエピトープも、その過程で変化する可能性がある。このように変化したエピトープは、免疫系を刺激する未変化のエピトープに特異的な抗体とあまり強く結合しない。これは残念なことである。なぜなら、体細胞超突然変異は、変化したエピトープを中和するのに十分なほど熱心に結合した可溶性抗体を産生できるクローンを生み出すからである。しかし、これらのクローンは、以前に刺激されたクローンによって産生された弱い結合抗体によって増殖できないナイーブ細胞で構成される。この教義は、原初抗原罪として知られている。^{[21]この現象は、}インフルエンザ、デング熱、およびHIVウイルスに対する免疫応答で特に作用する。 ^[25]ただし、この制限はポリクローナル応答の現象によって課されるのではなく、むしろ、経験豊富な記憶細胞を「初心者」のナイーブ細胞に対して優位にする免疫応答によって、この現象に対して課される。

自己免疫では、免疫系が体内の特定の天然分子を誤って異物（自己抗原）と認識し、それに対して免疫反応を起こします。これらの天然分子は、体の正常な部分として、自然に常に体内に存在するため、それらに対する攻撃は時間の経過とともに強くなる可能性があります（二次免疫反応に似ています）。さらに、多くの生物は分子模倣​​を示し、宿主タンパク質と抗原的に類似する抗原を表面に示します。これにより、2つの結果が発生する可能性があります。1つは、生物が自己抗原として免れることです。2つ目は、それに対して生成された抗体が、模倣された天然タンパク質にも結合することです。抗体は、補体活性化や抗体依存性細胞傷害などのさまざまなメカニズムを活性化することにより、自己抗原とそれらを保有する組織を攻撃します。したがって、抗体の特異性の範囲が広いほど、どちらかが自己抗原（体の天然分子）に対して反応する可能性が高くなります。^{[26] [27]}

モノクローナル抗体は、同じエピトープ特異性（すべてが同じエピトープに同じ親和性で結合する）を持つ構造的に同一の免疫グロブリン分子である。これに対し、ポリクローナル抗体は、同じエピトープに対して異なる親和性を持つ。通常、モノクローナル抗体は自然免疫反応では生成されず、多発性骨髄腫などの病的状態、または特殊な実験技術によってのみ生成される。その特異性のため、モノクローナル抗体は、物質（モノクローナル抗体の抗原として機能する）の存在を定量化または検出するため、および個々の細胞（癌細胞など）を標的とする特定の用途で使用される。モノクローナル抗体は、さまざまな診断法（ウエスタンブロット法および免疫蛍光法を参照）および治療（特に癌および自己免疫成分を伴う疾患）で使用されている。しかし、自然界の反応はほぼすべてポリクローナルであるため、非常に有用なモノクローナル抗体の生成はそれほど簡単ではない。^[8]

感染に対抗できる中和物質が血液中に存在するという最初の証拠は、1890年にエミール・フォン・ベーリングが北里柴三郎とともにジフテリアに有効な血清を開発した時に得られた。彼らはジフテリアに対して免疫のある動物から作った血清をジフテリアに罹った動物に移植することでこれを実現した。こうして血清を移植すると感染した動物を治癒することができた。ベーリングはこの研究により1901年にノーベル賞を受賞した。 ^[28]

しかし、この時点では、血液中の何がこの保護を与えるのかという化学的性質は正確にはわかっていませんでした。その後数十年で、保護血清は毒素を中和して沈殿させ、細菌を凝集させることができることが示されました。これらすべての機能はすべて血清中の異なる物質に起因し、それぞれ抗毒素、沈殿素、凝集素と名付けられました。^[17] 3つの物質すべてが1つの実体（ガンマグロブリン）であることは、1939年にエルビン・A・カバットによって実証されました。その前年、カバットは馬の血清の超遠心分離研究を通じて抗体の不均一性を実証していました。^[29]

これまで、細胞性免疫と体液性免疫は、効果的な免疫反応を説明するために対立する理論と考えられていましたが、前者は高度な技術の欠如のために遅れをとっていました。^{[17]細胞性免疫は、1942年に}メリル・チェイスが白血球を移すことで豚の間で結核に対する免疫を移すことに成功したときに、その認識と研究に弾みがつきました。 ^{[17] [30]}

その後、1948年にアストリッド・ファグラエウス博士が博士論文で、血漿B細胞が抗体産生に特に関与していることを示しました。^[31]細胞性および体液性反応の両方を媒介するリンパ球の役割は、1959年にジェームズ・ゴーワンズによって実証されました。^[30]

免疫システムが認識できる抗原の範囲が広いことを説明するため、ポール・エーリッヒは1900 年に、既存の「側鎖受容体」が特定の病原体に結合し、この相互作用によって受容体を呈する細胞が増殖し、同じ受容体のコピーをさらに生成するという仮説を立てました。選択理論と呼ばれるこの理論は、その後 50 年間証明されず、抗体が抗原の周囲に折り畳まれることで有効な構造をとるという考えに基づくいくつかの指導理論によって異議が唱えられました。 ^{[17]しかし、1950 年代後半に、3 人の科学者 (}ジャーン、タルメージ、バーネット(理論を大幅に修正))の研究によってクローン選択理論が生まれ、この理論はエーリッヒの仮説のすべての要素を証明しましたが、病原体を中和できる特定の受容体は可溶性であり膜結合型ではないという点が証明されました。^{[17] [30]}

クローン選択理論は、グスタフ・ノッサル卿が各B細胞が常に1つの抗体しか生成しないことを示したことで正しいことが証明されました。^[32]

1974年、ロルフ・ジンカーナゲルとピーター・C・ドハティによって抗原提示におけるMHCの役割が実証された。^[30]

• ポリクローナル抗体
• 抗原処理
• 抗血清、毒物による中毒の治療に使用されるポリクローナル抗体製剤

• ゴールドスビー、リチャード; キント、TJ; オズボーン、BA; ジャニス・クビー (2003)。免疫学 (第 5 版)。ニューヨーク: WH フリーマン アンド カンパニー。ISBN 978-0-7167-4947-9。
• キシヤマ、ジェフリー L. (2006) [1997]。「免疫系の障害 (第 3 章)」。スティーブン J. マクフィー、ウィリアム F. ガノン (編)。疾患の病態生理学: 臨床医学入門(第 5 版)。ランゲ メディカル ブックス/マグロウヒル。pp. 32–58。ISBN 978-0-07-110523-1。
• ネアーン、ロデリック (2004) [1954]。「免疫学 (第 8 章)」。Geo F. Brooks、Janet S. Butel、Stephen A. Morse (編)。Jawetz 、Melnick、Adelberg の Medical Microbiology (第 23 版国際版)。Lange publications/McGraw-Hill。pp. 133–135、138–139。ISBN 978-0-07-123983-7。

• 免疫システム入門