
ポリクローナルB細胞応答は、哺乳類の適応免疫系が示す自然な免疫応答様式である。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する。[ 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、排除または効果的に中和されて、病原体による潜在的な損傷を軽減します。このように認識される物質は抗原と呼ばれます。免疫系は抗原に対して複数の方法で反応しますが、この反応の重要な特徴は、 B細胞(またはBリンパ球)による抗体の産生であり、これには体液性免疫と呼ばれる免疫系の一部が関与しています。抗体は可溶性であり、病原体とB細胞が直接接触しなくても機能します。
抗原は大きく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、多くの場合、多くの異なるB細胞による同一の抗原に対する多くの異なる抗体の産生が関与します。「ポリクローナル」という用語は、多くのを意味する「ポリ」と、芽または小枝を意味するギリシャ語の「クローン」に由来しています。 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]クローンとは、共通の「母細胞」から生じた細胞群です。このようにポリクローナル応答で産生される抗体は、ポリクローナル抗体として知られています。これらの異種ポリクローナル抗体は、同一分子で単一のエピトープのみに反応する、つまりより特異的な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の結果として特定の自己免疫疾患を発症する可能性も高くなります。
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[注 1 ] [ 6 ]と呼ばれ、病原体が影響を及ぼす生物は生物学的宿主と呼ばれます。病原体が定着[コロニー化]と呼ばれる段階で定着すると[ 7 ]、感染[7]を引き起こし、[ 7 ]、宿主に直接、または毒素と呼ばれる有害物質を産生することで害を及ぼします。[ 7 ]その結果、肺炎やジフテリアなどの感染症に特徴的な様々な症状や徴候が現れます。
様々な感染症への対策は、特に感受性のある生物、そして一般的には種全体の生存にとって非常に重要です。宿主は、病原体とその毒素を排除するか、それらを機能不全にすることでこれを実現します。感染から体を守ることを専門とする様々な細胞、組織、器官の集合体は、免疫系として知られています。免疫系は、侵入した病原体と特定の白血球との直接接触(細胞性免疫と呼ばれる免疫系の一部)を通じて、あるいは、産生された物質が産生場所から離れた場所に移動し、病原細胞や毒素を「探し出し」、特異的に[注 2 ]結合して中和する(免疫系の体液性免疫の一部)ことで、これを実現します。このような物質は可溶性抗体として知られ、感染症への対策において重要な役割を果たします。[注 3 ] [ 8 ]
抗体は、病原体から宿主を守る上で様々な機能を果たします。これらの機能を担う可溶性の抗体は、白血球の一種である形質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。これは一連のプロセスです。その主なステップは以下のとおりです。[ 9 ]

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。つまり、病原体はその分子を表面に発現させたり、周囲(体液)に放出したりします。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結合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。その代わりに、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、主要組織適合遺伝子複合体(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、分子)の結合と同様に、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様々なセグメントが連続的に共線的であること、つまり連続的に並んでいることが示されています。しかし、ここで議論している状況(すなわち、B細胞による抗原認識)においては、この説明はあまりにも単純すぎます。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(線状)にあるため、連続エピトープまたは線状エピトープと呼ばれます。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)によって利用されます。
しかし、メモリー/ナイーブB細胞は、病原体表面にあるタンパク質をそのまま認識する。[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、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、複雑なタンパク質折り畳みパターンにより並置される(隣の図に示すように)。このようなエピトープは高次構造エピトープと呼ばれ、線状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産生される抗体は、病原体タンパク質上の同じ高次構造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過程によって内部化される場合には起こらないため、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呼ばれ、B細胞の活性化やそれに続く抗体の産生にはつながりません。
マクロファージや関連細胞は、病原体を認識するために異なるメカニズムを用いています。これらの受容体は、侵入した病原体に存在する、宿主細胞には存在しない可能性の高い特定のモチーフを認識します。このような繰り返しモチーフは、マクロファージが発現する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、多種多様な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。

マクロファージやBリンパ球などの抗原提示細胞は、抗原を認識すると、貪食と呼ばれる過程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、リソソーム内に存在する主要組織適合抗原複合体クラスII(MHCクラスII)分子と複合体を形成します。この抗原を「処理」する方法は、抗原処理の外因性またはエンドサイトーシス経路と呼ばれ、内因性または細胞質経路[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]では、細胞内(例えば、ウイルス感染の影響下または腫瘍細胞内)で産生された異常タンパク質がMHCクラスI分子と複合体を形成します。
エンドサイトーシスによるプロセシング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といった特定のタンパク質は、変性しジスルフィド結合が還元された後(ジスルフィド結合を水素原子で切断) 、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分子と複合化した後、両者は一緒に細胞膜へ移行し、そこで 白血球の一種であるCD4+(ヘルパーT細胞)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、ヘルパーT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分子と複合化した異なるペプチドを提示することもあります。[ 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型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、 Th 1細胞またはTh 2細胞へと分化します。[ 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産生します。しかし、T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で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との間の二次的な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」と呼ばれる。このメカニズム全体を通して、活性化T細胞は、「共刺激」するTヘルパー細胞のT細胞受容体が認識す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、直接的な共刺激とは別に、インターロイキン2、4、5、6などの特定の成長因子によって傍分泌的に刺激される。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、メモリー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形質B細胞に分化し、[注 8 ]残りはメモリーB細胞として生存します。そのため、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形質細胞を生じ、少数のメモリー細胞も残す場合、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の変異を頻繁に(2回の細胞分裂に1回)受ける可能性があります[ 8 ] 。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もあり(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、体細胞超突然変異により、B細胞受容体と可溶性抗体は、最初に増殖を誘発した抗原に対する特異性を高めることとは別に、その後の抗原との遭遇において、変化したエピトープに対する抗原認識能力をより包括的にすることができる。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います。[ 21 ]これは、より多くの形質細胞とより速い抗体産生速度をもたらし、より長い期間持続する。二次応答の一部として産生されたメモリー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、より高い結合親和性)。クローンによって産生された可溶性抗体も同様に抗原結合性が向上した。[ 21 ]
免疫応答は本質的にポリクローナルです。これは、各クローンが特定のエピトープに対する抗体産生に特化していること、そして各抗原が複数のエピトープを含み、それぞれのエピトープが複数のB細胞クローンによって認識されるからです。無数の抗原や複数の構成エピトープに反応するためには、免疫系は全体として非常に多くのエピトープを認識する能力、すなわちB細胞クローンの多様性が不可欠です。
メモリー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 ]そのため、免疫系が反応できるあらゆるエピトープに反応できるB細胞(ナイーブB細胞またはメモリーB細胞)がほぼ常に少なくとも1つ存在しますが、全く同じものはほとんどありません。しかし、1つの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 ]このように、エピトープに対して同一の特異性を持つ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、全体的な反応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形成します。各クローンは、各エピトープに対して毎秒最大1000個の抗体分子を分泌することができます。[ 21 ]
異なるB細胞が同一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細胞も同一のエピトープに反応する可能性がある。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-パラトープ対に対する結合親和性は異なり、ある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 ]
特定のエピトープ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において、さらなる増殖の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います。クローンは、遭遇した病原体のエピトープを攻撃する適応度(結合強度)に基づいて選択されます。[ 23 ] この類似性をさらに強めるのは、Bリンパ球が胚中心における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ということです。
病原体は多種多様で、その多くは絶えず変異しているにもかかわらず、大多数の人が感染していないというのは驚くべきことです。したがって、健康を維持するためには、体が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産生する抗原)を認識する必要があります。これは、非常に大きな(約10 9)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ます。各クローンは特定のエピトープを認識し、それに対する抗体を産生することで反応します。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す。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種類の異なるエピトープが認識されます。[ 21 ]さらに、生涯を通じて、体が認識して反応できる抗原の数と比較すると、通常、非常に少数の抗原に対する抗体産生が必要になります。[ 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の構造を「記憶」していれば、抗原と病原体は依然として認識され、体の免疫反応の対象となります。このように、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、変化していないエピトープに特異的な抗体と、それほど強く結合しない。これは残念なことである。なぜなら、体細胞超突然変異によって、変化したエピトープに十分熱心に結合して中和す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、以前に刺激を受けたクローンによって産生される結合力が弱い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、特にインフルエンザ、デング熱、HIVウイルスに対する免疫応答で作用する。[ 25 ]しかし、この制限はポリクローナル反応の現象によって課せられるものではなく、むしろ「初心者」のナイーブ細胞に対して経験豊富な記憶細胞に有利な免疫反応によって課せられるもので ある。
自己免疫において、免疫系は体内の特定の天然分子を異物(自己抗原)と誤認し、それら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構成要素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(二次免疫反応に類似)。さらに、多くの生物は分子擬態を示し、宿主タンパク質と抗原的に類似した抗原を表面に提示します。これには2つの結果が考えられます。1つは、生物が自己抗原として扱われるのを免れること、もう1つは、その生物に対して産生された抗体が、擬態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様々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(体内の天然分子)に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(全て同じエピトープに同じ親和性で結合する)を有する。一方、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示す。通常、モノクローナル抗体は自然免疫反応では産生されず、多発性骨髄腫などの病態において、あるいは特殊な実験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、(モノクローナル抗体の抗原となる)物質の存在を定量化または検出するため、また個々の細胞(癌細胞など)を標的とするために使用される。モノクローナル抗体は、様々な診断法(ウェスタンブロット法や免疫蛍光法を参照)や治療、特に癌や自己免疫性疾患の治療に利用されている。しかし、自然界のほぼすべての反応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産生は容易ではない。[ 8 ]
血液中に感染を阻止できる中和物質が存在するという最初の証拠は、1890年にエミール・フォン・ベーリングと北里柴三郎がジフテリアに有効な血清を開発した時に現れました。彼らは、ジフテリアに対する免疫を獲得した動物から採取した血清を、ジフテリアに罹患した動物に移植することで、この血清を感染動物に投与しました。こうして、この血清を投与することで感染動物を治癒させることができました。ベーリングはこの功績により1901年にノーベル賞を受賞しました。 [ 28 ]
しかし当時、血液中の何がこの防御作用をもたらすのか、その化学的性質は正確には解明されていませんでした。その後数十年を経て、防御血清は毒素を中和・沈殿させ、細菌を凝集させることが明らかになりました。これら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、沈降素、凝集素と名付けられました。[ 17 ]これら3つの物質が1つの実体(ガンマグロブリン)であることは、1939年にエルヴィン・A・カバットによって実証されました。その前年、カバットは馬血清の超遠心分離法を用いて抗体の不均一性を実証していました。[ 29 ]
この時まで、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上で競合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の博士論文で、血漿B細胞が抗体産生に特に関与していることが示されました。[ 31 ]リンパ球が細胞性および体液性免疫応答の両方を媒介する役割は、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 ]
免疫系が認識できる抗原の多様性を説明するため、パウル・エールリッヒは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産生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年間証明されることはなく、抗体が抗原を包み込む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反論されました。 [ 17 ]しかし、1950年代後半、3人の科学者、イェールネ、タルメージ、そしてバーネット(この理論を大幅に修正した)の研究によってクローン選択理論が提唱されました。この理論は、病原体を中和できる特定の受容体が膜結合型ではなく可溶性であることを除き、エールリッヒの仮説のすべての要素を証明しました。[ 17 ] [ 30 ]
クローン選択理論は、グスタフ・ノッサール卿が各B細胞が常に1つの抗体しか産生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の役割が実証されました。[ 30 ]
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