次级免疫应答时记忆B细胞遇克隆瓶颈 疫苗设计旧思路或要更改 ​

适应性免疫应答(adaptive immune response)是指体内抗原特异性T/B淋巴细胞接受抗原刺激后,自身活化、增殖、分化为效应细胞,产生一系列生物学效应的全过程。适应性免疫的一个最重要的特征就是免疫反应的效力随着反复接触抗原而显著增强,而这一点在由B细胞介导的体液免疫应答中表现的更为明显——第二次遇到同种抗原时产生的抗体比第一次遇到时产生的抗体数量更多、平均亲和力也更高【1】。这个特点被广泛应用于疫苗接种中,并且成为加强剂量以获得和维持保护所需的高血清抗体滴度这一策略的理论基础。
 
当B细胞接受抗原刺激后,便开始进行一系列的增殖和分化,形成可以分泌抗体的效应B细胞(也叫浆细胞,plasma cells,PC。在这个过程中,有一小部分B细胞成为记忆B细胞MBC,该细胞可以在体内抗原消失数月乃至数十年以后,仍保持对抗原的记忆。当同一种抗原再次进入机体时,MBC就会迅速增殖、分化,形成大量的PC,继而产生更强的特异性免疫反应,及时将抗原清除。
 
已有研究发现,在初级免疫应答的过程中,有一部分MBC在生发中心(germinal centers,GCs经历了体细胞高频突变(somatic hypermutation,SHM和亲和力成熟,这通常使得它们比未突变的前体具有更高的抗原亲和力,高亲和力与MBC分化为PC的高效率协同作用,共同产生典型的次级免疫应答的高滴度【2】
 
虽然研究人员们已经在群体水平上对MBC的形成和再激活进行了详细的研究,但是人们对于应答B细胞的克隆多样性,以及最终的PC细胞室的克隆多样性是如何受到从初级应答到次级应答的转变的影响的却知之甚少。阐明这些动态过程将有助于解释一些免疫现象,如免疫显性和“原始抗原效应(original antigenic sin)”,并且有助于我们了解,在早已对抗原免疫的情况下控制免疫反应的规则,例如流感。
 
与此同时,除了迅速分化为PC外,很多研究认为,部分MBC在次级免疫应答后能够重新进入GC应答,但是这些研究却忽略了原始B细胞对次级生发中心的相对贡献——它们可能与MBC克隆竞争,从而限制其在次级应答中的再转化能力。不得不说,深入了解控制记忆B细胞的GC再进入的规则,对于任何试图通过反复地将MBCs召回到连续的GC反应中以引起具有特定特性的B细胞克隆的扩增和高频突变的尝试都是很重要的,正如人们认为需要通过接种疫苗来产生针对流感和HIV的广义中和抗体(bNAbs)一样。
 
近日,来自美国洛克菲勒大学的Gabriel D. Victora教授团队在Cell上在线发表题为“Restricted Clonality and Limited Germinal CenterReentry Characterize Memory B Cell Reactivation by Boosting” 的文章,利用小鼠免疫加强模型,首次发现了次级免疫应答中记忆B细胞的克隆瓶颈,这个特征限制了初级应答产生的MBC克隆的多样性,并且发现,与之前的普遍认识不同,突变的MBC在次级发生中心内很少再转化,而进入次级发生中心的主要是从未进入过发生中心的原始B细胞。
 
为了研究B细胞次级免疫应答的克隆动力学,本文的研究人员用典型的鸡免疫球蛋白(CGG)为抗原,以明矾佐剂皮下注射小鼠右后脚垫进行免疫,在腘窝淋巴结处产生初级GC。30天后,当初级GC基本消退时,再用相同的蛋白-佐剂组合刺激同一只小鼠的对侧脚垫,以产生次级应答(回忆应答)(图1),以此创建了小鼠的体液免疫模型。
图1 免疫方案示意图
 
首先,本文研究人员检测了该模型中次级GC的克隆组成,结果显示早期次级GC的克隆多样性和SHM负荷与早期初级GC相似,而不是与最近产生的免疫记忆相似,从而表明在这种情况下,大量突变和扩增的MBC克隆的再次多样化并不是次级GC反应的主要特征。
 
随后,为了检测B细胞的动态过程,研究者使用AicdaCreERT2/+.Rosa26Confetti/Confetti(AID-Confetti)小鼠模型来映射初级反应过程中B细胞激活后的命运,该模型在给予他莫昔芬后,可以在表达AID(由Aicda编码)的B细胞中诱导“Brainbow”多色命运映射等位基因的重组,然后在二次免疫后跟踪标记细胞的命运(图2)。实验结果显示,虽然有一小部分MBC重新进入了次级GC,但是其中大部分还是那些从没进入过GC或没有克隆扩增的B细胞,并且之前进入过GC这样的“经历”也不足以确保MBC的克隆在与天然B细胞的克隆竞争时具有选择优势。这也是第一次明确地证实,次级GC主要是未突变B细胞克隆进行从头亲和力成熟的位置,而不是已经成熟的MBC重新多样化的场所。同时,本研究表明,MBC衍生的细胞可以转化为浆母细胞(PB),但这一点并不能用来解释MBC衍生的次级发生中心B细胞的低频率和低多样性现象,因为整个MBC衍生的次级应答都受到克隆限制。
图2
 
从初级应答中获得的数百个B细胞克隆与从MBC衍生的次级应答的低克隆性之间的对比表明,大量的初级克隆多样性并不能通过免疫增强而被有效利用,为了探索这种缺失的多样性的原因,研究人员使用了第二个实验系统——用小鼠适应型流感株PR8初次感染小鼠,然后用H1PR8重组蛋白辅以佐剂皮下注射以增强免疫。研究发现,记忆细胞的克隆大致可以分为两部分:一是由次级GC或PB/PC中的克隆组成的低克隆部分(“使用的”记忆细胞),另一个则是由次级应答未检测到的克隆组成的高度多样性部分(“未使用的”记忆细胞),分析结果表明,无论免疫启动的方式如何,进入过GC的B细胞再进入次级GC的能力的相对减小,以及浆母细胞内的克隆限制都是次级B细胞反应的共同特征,尽管存在一个克隆多样性且“未使用的”抗原特异性MBC群体,但这种限制仍然存在,这表明免疫的增强是将一个广泛的MBC群聚焦到一个狭窄的显性克隆群中的。而同源免疫增强反应产生的次级PB/PC源于对一小部分显性克隆的MBC的重复记忆,这些显性克隆通常来自高亲和力的种系前体,而不取决于这些MBC产生的时间。这也就解释了主要在初级应答早期阶段生成的具有克隆多样性的MBC群体产生克隆限制和亲和力成熟的次级应答的原因。同时也表明在免疫初级阶段,一个克隆对抗原的种系亲和力是决定该克隆能否通过同源抗原再免疫被有效召回的关键因素。
 
综上所述,本研究利用在不同解剖部位连续接触抗原的模型,揭示了记忆B细胞免疫应答的克隆组成的两个显著特征:其一,次级发生中心的B细胞不是主要由以前成熟的B细胞组成,而是几乎完全来自于没有初级应答经历的新前体;其二,只有少数记忆B细胞衍生的克隆在次级应答时重新进入发生中心或对浆母细胞/浆细胞室有实质性贡献,而大多数由初级免疫应答产生的多样性则变为IgM+且体细胞高频突变降低的记忆B细胞群而无法被检测(图3)这一发现意味着通过重复免疫将MBC招募到次级发生中心将是一个低效的过程,这将为疫苗的设计提供新的指导。更好地理解控制MBC生成和次级应答倾向的机制,将有助于我们设计免疫方法,以允许更多的MBC重新进入次级发生中心,增加连续亲和力成熟的概率,从而增强免疫应答反应。而克服MBC的克隆瓶颈将可以大大提高人们通过接种疫苗诱导非免疫显性表位抗体的能力,
图3
 
原文链接:
https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.11.032.
 
1. Gray, D.(1993). Immunological memory. Annu. Rev. Immunol. 11, 49–77.
2. Berek, C.,Jarvis, J.M., and Milstein, C. (1987). Activation of memory and virgin B cellclones in hyperimmune animals. Eur. J. Immunol. 17, 1121–1129.
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