ポリクローナルB細胞応答

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、これら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固定されている場合があり、その場合は受容体として機能します。また、血液中に分泌される場合もあり、これは可溶性抗体として知られています。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。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個のアミノ酸）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として分類されていませんが、主要組織適合性複合体（MHC）分子と複合体を形成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します。^{[注5 ] [ 10 ]}パラトープと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、他のタイプのリガンド（少なくともある程度の特異性と強度で受容体と結合する原子、イオン、または分子）のペアリングと似たような、さまざまな非共有結合によって誘導されます。結合の特異性は、厳密な鍵と鍵穴型の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します。^{[ 11 ]}

B細胞によるエピトープの特異的認識

左の図では、エピトープを構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おり、つまり、それらが連続しているように示されています。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。この認識方法は、ペプチドが小さい場合（約 6 ～ 8 アミノ酸長）にのみ可能であり、^{[ 1 ]} T 細胞（T リンパ球）によって利用されます。

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無傷のタンパク質を認識します。^{[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、アミノ酸のループの一部がタンパク質の内部に位置し、それらを挟むセグメントが表面に位置することがあります。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のみと接触します。表面のアミノ酸は、実際にはタンパク質の一次構造では不連続である可能性がありますが、複雑なタンパク質の折り畳みパターンにより隣接します（隣の図を参照）。このようなエピトープは立体構造エピトープとして知られており、線状エピトープよりも長い傾向があります（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産生された抗体は、病原体タンパク質の同じ立体構造エピトープに結合します。^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

特定の抗原が対応するBCR分子と結合すると、MHC-II分子の産生が増加します。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細胞内に取り込まれる場合には同じことが起こらないため、重要な意味を持ちます。ピノサイトーシスでは、抗原は周囲の液体とともに小さな小胞としてB細胞に「飲み込まれる」のです。^{[ 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、それに対する抗体の産生にはつながりません。

抗原を認識すると、マクロファージやBリンパ球などの抗原提示細胞は、食作用と呼ばれるプロセスによって抗原を完全に取り込みます。取り込まれた粒子は、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、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（より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、リソソームに存在する主要組織適合性複合体クラスII（ MHCクラスII ）分子と複合体を形成します。この抗原の「処理」方法は、細胞内で生成された異常タンパク質（例えば、ウイルス感染の影響下や腫瘍細胞内）をMHCクラスI分子と複合体を形成する内因性または細胞質経路^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}とは対照的に、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います。 

エンドサイトーシス処理の別の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還元された後（結合に水素原子を付加して切断した後） 、全体としてMHC-II分子に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複合体の露出した領域を分解する。^{[ 19 ]}

処理された抗原（ペプチド）がMHC分子と複合体を形成した後、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（展開）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エピトープ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分子と複合体を形成した異なるペプチドを提示する可能性があります。^{[ 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表面のエピトープ結合MHC II分子を認識し、「活性化」される。この活性化により、これらのT細胞は増殖し、Th1細胞またはTh2細胞に分化する。_[ 16 _] [ 21 ^{]これにより、自身の}生存を促進する可溶性化学シグナルが産生される。しかし、これらの細胞が担うもう一つの重要な機能は、B細胞と直接物理的に接触することによってB細胞を刺激することである。^{[ 10 ]}

Tヘルパー細胞の完全な刺激には、抗原提示細胞上に存在するB7分子がT細胞表面（T細胞受容体のすぐ近く）に存在するCD28分子と結合することが必要である。 ^{[ 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回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のと同じ相互作用がB細胞も刺激するため、共刺激という用語が用いられる。このメカニズム全体により、活性化されたT細胞は、 「共刺激」する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ことが保証される。B細胞は、直接的な共刺激とは別に、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によってパラクリン的に刺激される。これらの因子は通常、新たに活性化されたTヘルパー細胞によって産生される。^{[ 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と抗原処理の開始ステップは起こらなかった。

ナイーブ（または未経験）B細胞とは、特異的なエピトープに一度も遭遇したことのないクローンに属する細胞である。対照的に、メモリーB細胞とは、活性化されたナイーブB細胞またはメモリーB細胞から生じる細胞である。ナイーブB細胞またはメモリーB細胞の活性化に続いて、その特定のB細胞が多数増殖し、その子孫のほとんどが最終的に形質B細胞に分化する。^{[注8 ]}残りはメモリーB細胞として生存する。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な抗原に遭遇して形質細胞を生じ、少数のメモリー細胞を残すとき、これは一次免疫応答として知られている。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において、頻繁な（ 2回の細胞分裂ごとに1回） ^{[ 8 ]}変異を起こす可能性がある。これらの頻繁な変異は体細胞超変異と呼ばれる。このような変異はそれぞれ、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します。新しく作られたパラトープの中には、同じエピトープにより強く結合するものがあり（その結果、それらを持つクローンが選択されます）、これは親和性成熟として知られています。^{[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します。エピトープ構造の変異は、通常、病原体の抗原をコードする遺伝子の変異によっても生じます。したがって、体細胞超変異は、B細胞受容体と可溶性抗体が、その後の抗原との遭遇において、変化したエピトープの抗原認識能力をより包括的にするだけでなく、最初に増殖を誘導した抗原に対する特異性も高めます。記憶細胞が抗原によって刺激されて形質細胞を産生し（クローンの一次応答と同様）、その過程でさらに多くの記憶細胞を残す場合、これは二次免疫応答として知られています。^{[ 21 ]}これは、形質細胞数の増加と抗体産生速度の加速、そしてより長い持続期間につながります。二次応答の一部として産生される記憶B細胞は、親和性成熟により、対応する抗原をより速く認識し、より強く結合します（つまり、結合親和性が向上します）。クローンによって産生される可溶性抗体は、抗原結合において同様の増強を示します。^{[ 21 ]}

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。体は多数の潜在的な病原体に対応できるように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のうち、任意のエピトープに反応できるB細胞（ナイーブまたは記憶）はほぼ常に少なくとも1つ存在しますが、まったく同じものはほとんどありません。しかし、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 ]}このようなエピトープに対する特異性が同一の細胞群はクローンとして知られており、共通の「母」細胞から派生しています。すべての「娘」B細胞は、エピトープ特異性において元の「母」細胞と一致し、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しているため、モノクローナル抗体です。多クローン性反応とは、複数のB細胞のクローンが同じ抗原に反応する反応のことである。

単一の抗原は、複数の重複する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でき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、形質細胞クローンの大きなコロニーを生成し、それぞれのコロニーは、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だけでなく、異なるクローンに属するB細胞が同じエピトープに反応することもある。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る。このような場合、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する。^{[ 1 ]}

特定の抗原決定基に強く結合するクローンは、リンパ節などの様々なリンパ組織の濾胞の胚中心でさらに増殖するように選択される可能性が高い。これは自然選択と似ている。クローンは、遭遇した病原体の抗原決定基を攻撃する適応度（結合の強さ）に基づいて選択される。^{[ 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めぐって互いに競合しなければならないことである。

多様な病原体が存在し、その多くが絶えず変異しているにもかかわらず、大多数の人が感染症にかからないのは驚くべきことである。したがって、健康を維持するには、存在する可能性のあるすべての病原体（提示または産生する抗原）を体が認識する必要がある。これは、それぞれが特定の抗原決定基を認識して抗体を産生することで反応する、非常に大きな（約 10 ⁹個）B細胞クローンのプールを維持することによって達成される。しかし、どの時点においても、実際に特定の抗原決定基に反応するクローンはごくわずかである。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種類の異なる抗原決定基が認識される可能性がある。^{[ 21 ]}さらに、生涯において、個人が抗体を産生する必要がある抗原の数は、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構成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変化をもたらす可能性があります。免疫系が他のエピトープがどのようなものか「記憶」していれば、抗原と病原体は依然として認識され、体の免疫応答の対象となります。このように、ポリクローナル応答は認識可能な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。タンパク質上に存在するエピトープも、この過程で変化する可能性がある。このような変化したエピトープは、免疫系を刺激するはずだった変化していないエピトープに特異的な抗体との結合力が弱くなる。これは残念なことである。なぜなら、体細胞超突然変異によって、変化したエピトープに十分に強く結合して中和できる可溶性抗体を産生できるクローンが生じるからである。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結合力の弱い抗体によって増殖が許されないナイーブ細胞から構成される。この理論は、原罪抗原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、HIVウイルスに対する免疫応答において特に顕著である。 ^{[ 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せられるのではなく、むしろ、経験のある記憶細胞が「初心者」のナイーブ細胞よりも優位に立つ免疫応答によって、ポリクローナル応答の現象に対して課せられるのである。

自己免疫疾患では、免疫系が体内の特定の固有分子を誤って異物（自己抗原）と認識し、それらに対する免疫応答を起こします。これらの固有分子は体の正常な部分として常に体内に存在するため、それらに対する攻撃は時間とともに強くなる可能性があります（二次免疫応答に似ています）。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した抗原を表面に発現します。これには2つの結果が考えられます。1つ目は、生物が自己抗原として免れること、2つ目は、生物に対して産生された抗体が模倣された固有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持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、自己抗原（体の固有分子）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、構造的に同一の免疫グロブリン分子であり、同一のエピトープ特異性（すべて同じエピトープに同じ親和性で結合する）を持つ。一方、ポリクローナル抗体は同じエピトープに対して様々な親和性を持つ。モノクローナル抗体は通常、自然免疫応答では産生されず、多発性骨髄腫などの疾患状態、または特殊な実験室技術によってのみ産生される。その特異性から、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作用する）の存在を定量化または検出するため、および個々の細胞（例えば、がん細胞）を標的とするために、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（ウェスタンブロット法や免疫蛍光法を参照）や治療法、特にがんや自己免疫成分を伴う疾患の治療に利用されている。しかし、自然界におけるほぼすべての応答は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産はそれほど単純ではない。^{[ 8 ]}