18.4: В-лімфоцити та антитіла

Цілі навчання

• Опишіть виробництво та дозрівання В-клітин
• Порівняйте структуру В-клітинних рецепторів і Т-клітинних рецепторів
• Порівняйте Т-залежну та Т-незалежну активацію В-клітин
• Порівняйте первинні та вторинні реакції антитіл

Гуморальний імунітет відноситься до механізмів адаптаційного імунного захисту, які опосередковані антитілами, що секретуються В-лімфоцитами, або В-клітинами. Цей розділ буде присвячений В-клітинам та обговоренню їх виробництва та дозрівання, рецепторів та механізмів активації.

B Виробництво та дозрівання клітин

Як і Т-клітини, В-клітини утворюються з мультипотентних гемопоетичних стовбурових клітин (HSC) в кістковому мозку і йдуть шляхом через лімфоїдні стовбурові клітини і лімфобласт (див. Рис. На відміну від Т-клітин, однак, лімфобласти, призначені стати В-клітинами, не залишають кісткового мозку і подорожують до вилочкової залози для дозрівання. Швидше за все, можливі В-клітини продовжують дозрівати в кістковому мозку.

Першим етапом дозрівання В-клітин є оцінка функціональності їх антигензв'язуючих рецепторів. Це відбувається шляхом позитивного відбору В-клітин з нормальними функціональними рецепторами. Потім використовується механізм негативного відбору для усунення самореагуючих В-клітин і мінімізації ризику аутоімунітету. Негативний відбір самореагуючих В-клітин може включати ліквідацію шляхом апоптозу, редагування або модифікації рецепторів, щоб вони більше не були самореактивними або індукцією анергії в В-клітині. Незрілі В-клітини, які проходять виділення в кістковому мозку, потім подорожують до селезенина для своїх завершальних етапів дозрівання. Там вони стають наївними зрілими В-клітинами, тобто зрілими В-клітинами, які ще не активовані.

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Порівняйте дозрівання В-клітин з дозріванням Т-клітин.

В-клітинні рецептори

Як і Т-клітини, В-клітини мають антиген-специфічні рецептори з різноманітними особливостями. Хоча вони покладаються на Т-клітини для оптимальної роботи, В-клітини можуть бути активовані без допомоги Т-клітин. В-клітинні рецептори (BCRs) для наївних зрілих В-клітин - це мембранно-зв'язані мономерні форми IgD та IgM. Вони мають дві однакові важкі ланцюга і дві однакові легкі ланцюга, з'єднані дисульфідними зв'язками в основну «Y» форму (рис.\(\PageIndex{1}\)). Стовбур Y-образної молекули, постійна область двох важких ланцюгів, охоплює В-клітинну мембрану. Два антигензв'язуючі ділянки, що піддаються зовнішньому впливу В-клітини, беруть участь у зв'язуванні специфічних епітопів збудника для ініціювання процесу активації. Підраховано, що кожна наївна зріла В-клітина має понад 100 000 BCRs на своїй мембрані, і кожна з цих BCRs має ідентичну специфіку зв'язування епітопу.

Для того, щоб бути готовим реагувати на широкий спектр мікробних епітопів, В-клітини, як Т-клітини, використовують генетичну перестановку сотень генних сегментів, щоб забезпечити необхідну різноманітність рецепторів специфіки. Змінна область важкого ланцюга BCR складається з сегментів V, D та J, подібних до β ланцюга TCR. Змінна область легкого ланцюга BCR складається з сегментів V і J, аналогічних ланцюгу α TCR. Генетична перебудова всіх можливих комбінацій V-J-D (важкий ланцюг) і V-J (легкий ланцюг) забезпечує мільйони унікальних антигензв'язуючих сайтів для BCR і для антитіл, що виділяються після активації.

Однією з важливих відмінностей між BCR та TCR є те, як вони можуть взаємодіяти з антигенними епітопами. У той час як TCR можуть взаємодіяти лише з антигенними епітопами, які представлені в антигензв'язуючій щілині MHC I або MHC II, БЦР не вимагають презентації антигену з MHC; вони можуть взаємодіяти з епітопами на вільних антигенах або з епітопами, що відображаються на поверхні інтактних патогенів. Ще одна важлива відмінність полягає в тому, що TCR розпізнають лише епітопи білка, тоді як BCRs можуть розпізнавати епітопи, пов'язані з різними молекулярними класами (наприклад, білки, полісахариди, ліпополісахариди).

Активація В-клітин відбувається за допомогою різних механізмів в залежності від молекулярного класу антигену. Активація В-клітини білковим антигеном вимагає, щоб В-клітина функціонувала як APC, представляючи епітопи білка з MHC II для допоміжних Т-клітин. Через свою залежність від Т-клітин для активації В-клітин білкові антигени класифікуються як Т-залежні антигени. На відміну від цього, полісахариди, ліпополісахариди та інші небілкові антигени вважаються Т-незалежними антигенами, оскільки вони можуть активувати В-клітини без обробки антигену та представлення Т-клітинам.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): В-клітинні рецептори вбудовані в мембрани В-клітин. Змінні області всіх рецепторів на одній клітині пов'язують один і той же специфічний антиген.

Вправа\(\PageIndex{2}\)

1. Які типи молекул служать BCR?
2. Які відмінності між TCR та BCRs щодо розпізнавання антигенів?
3. Які класи молекул є Т-залежними антигенами, а які - Т-незалежними антигенами?

Т-клітинна незалежна активація В-клітин

Активація В-клітин без взаємодії допоміжних Т-клітин називається Т-клітинно-незалежною активацією і відбувається, коли BCRs взаємодіють з Т-незалежними антигенами. Т-незалежні антигени (наприклад, полісахаридні капсули, ліпополісахарид) мають в своїй структурі повторювані одиниці епітопу, і це повторення дозволяє здійснювати перехресний зв'язок декількох BCR, забезпечуючи перший сигнал для активації (рис.\(\PageIndex{2}\)). Оскільки Т-клітини не беруть участі, другий сигнал повинен надходити з інших джерел, таких як взаємодія toll-подібних рецепторів з PAMP або взаємодія з факторами з системи комплементу.

Після активації В-клітини вона зазнає клональної проліферації, а дочірні клітини диференціюються на плазматичні клітини. Плазматичні клітини - це фабрики антитіл, які виділяють велику кількість антитіл. Після диференціювання поверхневі BCRs зникають, а плазматична клітина виділяє пентамерні молекули IgM, які мають ту ж антигенну специфічність, що і BCRs (рис.\(\PageIndex{2}\)).

Незалежна від Т-клітин відповідь короткочасна і не призводить до вироблення В-клітин пам'яті. Таким чином, це не призведе до вторинної відповіді на подальше вплив Т-незалежних антигенів.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Т-незалежні антигени мають повторювані епітопи, які можуть індукувати розпізнавання та активацію В-клітин без участі Т-клітин. Другий сигнал, такий як взаємодія TLR з PAMP (не показаний), також необхідний для активації В-осередку. Після активації В-клітина проліферує і диференціюється в плазматичні клітини, що секретують антитіла.

Вправа\(\PageIndex{3}\)

1. Які два сигнали необхідні для незалежної активації В-клітин Т-клітин?
2. Яка функція плазматичної клітини?

Т-клітинно-залежна активація В-клітин

Т-клітинно-залежна активація В-клітин є більш складною, ніж Т-клітинна незалежна активація, але результуюча імунна відповідь сильніше і розвиває пам'ять. Т-клітинно-залежна активація може відбуватися або у відповідь на антигени вільного білка, або на білкові антигени, пов'язані з інтактним збудником. Взаємодія між БЦР на наївній зрілій В-клітині та антигеном вільного білка стимулюють інтерналізацію антигену, тоді як взаємодія з антигенами, пов'язаними з інтактним збудником, ініціює вилучення антигену з збудника перед інтерналізацією. Після інтерналізації всередині В-клітини білковий антиген обробляється і представлений MHC II. Представлений антиген потім розпізнається хелперними Т-клітинами, специфічними для того ж антигену. TCR помічника Т-клітини розпізнає чужорідний антиген, а молекула CD4 Т-клітини взаємодіє з MHC II на В-клітині. Координація між В-клітинами та допоміжними Т-клітинами, специфічними для того ж антигену, називається пов'язаним розпізнаванням.

Після активації зв'язаним розпізнаванням клітини T _H 2 виробляють і виділяють цитокіни, які активують В-клітину і викликають проліферацію в клональні дочірні клітини. Після декількох раундів проліферації додаткові цитокіни, що надаються клітинами T _H 2, стимулюють диференціацію активованих клонів В-клітин в клітини пам'яті В, які швидко реагують на подальше вплив того ж білкового епітопу, і плазматичних клітин, які втрачають свої мембранні БКР і спочатку виділяють пентамерний IgM (рис.\(\PageIndex{3}\)).

Після початкової секреції IgM цитокіни, що секретуються клітинами T _H 2, стимулюють плазматичні клітини перейти від виробництва IgM до виробництва IgG, IgA або IgE. Цей процес, який називається перемиканням класів або перемиканням ізотипів, дозволяє клітинам плазми, клонованим з тієї ж активованої В-клітини, виробляти різні класи антитіл з однаковою специфічністю епітопу. Перемикання класів здійснюється шляхом генетичної перебудови генних сегментів, що кодують константну область, яка визначає клас антитіл. Змінна область не змінюється, тому новий клас антитіл зберігає початкову специфічність епітопу.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): У Т-клітинної активації В-клітин В-клітина розпізнає та інтерналізує антиген і представляє його помічнику Т-клітині, специфічній для того ж антигену. Т-клітина взаємодіє з антигеном, представленим В-клітиною, яка активує Т-клітину і стимулює вивільнення цитокінів, які потім активують В-клітину. Активація В-клітини запускає проліферацію і диференціювання на В-клітини і плазматичні клітини.

Вправа\(\PageIndex{4}\)

1. Які кроки необхідні для Т-клітинної активації В-клітин?
2. Що таке перемикання класу антитіл і чому це важливо?

Первинні та вторинні відповіді

Т-клітинна активація В-клітин відіграє важливу роль як у первинній, так і у вторинній реакціях, пов'язаних з адаптивним імунітетом. При першому впливі білкового антигену відбувається реакція Т-клітинного первинного антитіла. Початковою стадією первинної відповіді є період відставання, або латентний період, приблизно 10 днів, протягом якого антитіла не можуть бути виявлені в сироватці крові. Цей період відставання - це час, необхідний для всіх етапів первинної відповіді, включаючи наївне зв'язування зрілих В-клітин антигену з BCRS, обробку та презентацію антигену, активацію допоміжних Т-клітин, активацію В-клітин та клональну проліферацію. Кінець періоду відставання характеризується підвищенням рівня IgM в сироватці крові, оскільки клітини T _H 2 стимулюють диференціювання В-клітин в плазматичні клітини. Рівні IgM досягають свого піку приблизно через 14 днів після первинного впливу антигену; приблизно в цей же час T _H 2 стимулює перемикання класу антитіл, а рівень IgM в сироватці крові починає знижуватися. Тим часом рівні IgG збільшуються, поки вони не досягнуть піку близько трьох тижнів у первинній відповіді (рис.\(\PageIndex{4}\)).

Під час первинної відповіді деякі клоновані В-клітини диференціюються на клітини пам'яті B, запрограмовані реагувати на наступні експозиції. Ця вторинна реакція відбувається швидше і насильно, ніж первинна реакція. Період відставання скорочується всього до декількох днів і вироблення IgG значно вище, ніж спостерігається при первинній відповіді (рис.\(\PageIndex{4}\)). Крім того, антитіла, що виробляються під час вторинної відповіді, є більш ефективними і зв'язуються з більш високою спорідненістю з цільовими епітопами. Плазмові клітини, що виробляються під час вторинних реакцій, живуть довше, ніж ті, що виробляються під час первинної відповіді, тому рівні специфічних антитіл залишаються підвищеними протягом більш тривалого періоду часу.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Порівняно з первинною реакцією, вторинна реакція антитіл відбувається швидше і виробляє рівні антитіл, які є вищими та більш стійкими. Вторинна відповідь здебільшого включає IgG.

Вправа\(\PageIndex{5}\)

1. Які події відбуваються в період відставання відповіді первинних антитіл?
2. Чому рівень антитіл довше залишається підвищеним під час реакції вторинних антитіл?

Ключові поняття та резюме

• В-лімфоцити або В-клітини виробляють антитіла, які беруть участь в гуморальному імунітеті В-клітини виробляються в кістковому мозку, де відбуваються початкові стадії дозрівання, і подорожують до селезінки для завершальних етапів дозрівання в наївні зрілі В-клітини.
• В-клітинні рецептори (BCRs) - це мембранно-зв'язані мономерні форми IgD та IgM, які пов'язують специфічні епітопи антигену з їх Fab антиген-зв'язуючими областями. Різноманітність специфічності зв'язування антигенів створюється генетичною перебудовою сегментів V, D та J, подібною до механізму, що використовується для різноманітності TCR.
• Білкові антигени називаються Т-залежними антигенами, оскільки вони можуть активувати В-клітини лише при взаємодії Т-клітин хелперів. Інші класи молекул не вимагають Т-клітинної співпраці і називаються Т-незалежними антигенами.
• Т-клітинна незалежна активація В-клітин передбачає перехресне зчеплення БЦР повторюваними епітопами небілкового антигену. Він характеризується виробленням IgM плазматичними клітинами і не виробляє В-клітини пам'яті.
• Т-клітинна активація В-клітин включає переробку та представлення білкових антигенів Т-клітинам хелперів, активацію В-клітин цитокінами, що виділяються з активованих клітин T _H 2, і плазматичними клітинами, які виробляють різні класи антитіл в результаті класу перемикання. Також виробляються осередки пам'яті В.
• Вторинне вплив Т-залежних антигенів призводить до вторинної відповіді антитіл, ініційованої В-клітинами пам'яті. Вторинна реакція розвивається швидше і виробляє більш високий і стійкий рівень антитіл з більш високою спорідненістю до специфічного антигену.