Immunology · 5.1
抗原受容体とその形成
Antigen receptors and their formation
- タグ
- W6Lecture / 講義
🧠 中心の謎：わずか19,000〜20,000個のヒトタンパク質コード遺伝子から、どうやって10¹⁰種類もの異なる抗原を認識できるのか。 答えは「遺伝子そのものを増やす」のではなく「限られた遺伝子断片（V・D・J）を体細胞レベルCellular細胞レベル（Cellular）Cellular（細胞レベル）で組み合わせ直す（体細胞組換え、somatic recombination）」こと。利根川進Susumu Tonegawa利根川進（Susumu Tonegawa）Susumu Tonegawa（利根川進）はこの原理の発見で1987年ノーベル生理学・医学賞を受賞した。BCR（B細胞受容体）とTCR（T細胞受容体T-cell receptor (TCR)T細胞受容体（T-cell receptor (TCR)）T-cell receptor (TCR)（T細胞受容体））は構造も遺伝子形成の仕組みも並行しているが、シグナル伝達複合体や活性化の場は異なる。
抗原特異的受容体 vs 非特異的受容体
| 分類 | 受容体 |
|---|---|
| 抗原特異的antigen-specific抗原特異的（antigen-specific）antigen-specific（抗原特異的） | BCR（抗体）、TCR |
| 非特異的 | パターン認識受容体pattern recognition receptor, PRRパターン認識受容体（pattern recognition receptor, PRR）pattern recognition receptor, PRR（パターン認識受容体）、Fc受容体、補体受容体complement receptor補体受容体（complement receptor）complement receptor（補体受容体）（オプソニンopsoninオプソニン（opsonin）opsonin（オプソニン）受容体） |
BCR/抗体の構造
免疫グロブリンは重鎖heavy chain重鎖（heavy chain）heavy chain（重鎖）・軽鎖からなり、免疫グロブリンスーパーファミリーimmunoglobulin superfamily, IgSF免疫グロブリンスーパーファミリー（immunoglobulin superfamily, IgSF）immunoglobulin superfamily, IgSF（免疫グロブリンスーパーファミリー）——抗原受容体antigen receptor抗原受容体（antigen receptor）antigen receptor（抗原受容体）・共受容体co-receptor共受容体（co-receptor）co-receptor（共受容体）・共刺激costimulation共刺激（costimulation）costimulation（共刺激）分子・接着分子adhesion molecules接着分子（adhesion molecules）adhesion molecules（接着分子）などが共有する構造ドメインTAD/PRD/DBD/NLS/TET/CTD構造ドメイン（TAD/PRD/DBD/NLS/TET/CTD）TAD/PRD/DBD/NLS/TET/CTD（構造ドメイン）——に属する。
💡 6つのCDR（相補性complementation相補性（complementation）complementation（相補性）決定領域）が抗原結合ポケットを作る。 可変領域variable region可変領域（variable region）variable region（可変領域）の中でも特に多様性の高い部分を超可変領域hypervariable region, HV超可変領域（hypervariable region, HV）hypervariable region, HV（超可変領域）＝CDR（complementarity-determining region）と呼ぶ。重鎖heavy chain重鎖（heavy chain）heavy chain（重鎖）・軽鎖それぞれに3つずつ、計6つのCDRが組み合わさって実際の抗原結合部位antigen-binding site抗原結合部位（antigen-binding site）antigen-binding site（抗原結合部位）を形成する。
イディオタイプ・アイソタイプ・アロタイプ
| 用語 | 定義 | 臨床的意義 |
|---|---|---|
| イディオタイプidiotypeイディオタイプ（idiotype）idiotype（イディオタイプ） | 可変領域variable region可変領域（variable region）variable region（可変領域）（VH・VL）に固有のアミノ酸配列amino-acid sequenceアミノ酸配列（amino-acid sequence）amino-acid sequence（アミノ酸配列）＝抗原結合部位antigen-binding site抗原結合部位（antigen-binding site）antigen-binding site（抗原結合部位）（パラトープparatopeパラトープ（paratope）paratope（パラトープ）、paratope）そのものの抗原性antigenicity抗原性（antigenicity）antigenicity（抗原性）；個々のイディオトープidiotopeイディオトープ（idiotope）idiotope（イディオトープ）の総和field potential総和（field potential）field potential（総和） | ワクチン設計、B細胞由来腫瘍の標的 |
| アイソタイプisotypeアイソタイプ（isotype）isotype（アイソタイプ） | 定常領域の構造差異による分類（IgG・IgM・IgA・IgD・IgE） | 抗体のエフェクター機能effector functionエフェクター機能（effector function）effector function（エフェクター機能）を規定 |
| アロタイプallotypeアロタイプ（allotype）allotype（アロタイプ） | 同一アイソタイプisotypeアイソタイプ（isotype）isotype（アイソタイプ）内の対立opposition対立（opposition）opposition（対立）遺伝子（アレル）による定常領域のわずかなアミノ酸差（遺伝的多型genetic polymorphism遺伝的多型（genetic polymorphism）genetic polymorphism（遺伝的多型）が原因） | 抗原結合・エフェクター機能effector functionエフェクター機能（effector function）effector function（エフェクター機能）には影響しない（機能的に無意味）；骨髄移植Bone-marrow transplantation骨髄移植（Bone-marrow transplantation）Bone-marrow transplantation（骨髄移植）のモニタリング・親子鑑定paternity test親子鑑定（paternity test）paternity test（親子鑑定）に応用 |
BCR複合体とシグナル伝達
成熟B細胞表面の膜型IgM（およびIgD）は、Igα・Igβ（CD79a/b）という不変鎖invariant chain不変鎖（invariant chain）invariant chain（不変鎖）と会合し、その細胞質尾部cytoplasmic tail細胞質尾部（cytoplasmic tail）cytoplasmic tail（細胞質尾部）にあるITAM（免疫受容体チロシン活性化モチーフ）がシグナル伝達を媒介する。1つのB細胞は複数の抗体を発現しうるが、すべて同一の特異性をもつ。
BCR共受容体複合体
| 複合体 | 効果 |
|---|---|
| CD21（CR2）-C3b/C3d + BCR/CD19/CD81 | 活性化（B細胞活性化を強化する共刺激costimulation共刺激（costimulation）costimulation（共刺激）） |
| FcγRIIb + 抗原（ITIM経由） | 抑制 |
| CD22（シアル酸sialic acidシアル酸（sialic acid）sialic acid（シアル酸）を認識、ITIM経由） | 抑制 |
💡 膜（脂質）ラフトmembrane/lipid raftラフト（membrane/lipid raft）membrane/lipid raft（ラフト）はBCRシグナル伝達の「仮設ステージStageステージ（Stage）Stage（ステージ）」。 静止状態では受容体・シグナル分子は膜上に散在しているが、活性化に伴いラフトmembrane/lipid raftラフト（membrane/lipid raft）membrane/lipid raft（ラフト）へ再局在relocalization再局在（relocalization）relocalization（再局在）し、シグナロソームsignalosomeシグナロソーム（signalosome）signalosome（シグナロソーム）を形成して特殊な生化学的機能を発揮する。
BCRシグナル伝達カスケード
flowchart TD
A["抗原による架橋（crosslinking）"]
A --> B["Fyn・Lyn（Srcファミリーキナーゼ）活性化"]
B --> C["Igα/Ig<span class='jp-term jp-term-diagram' title='beta chain'>β鎖</span>のITAMリン酸化"]
C --> D["Syk（チロシンキナーゼ）の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='docking'>ドッキング</span>"]
D --> E["Grb2・PLC活性化"]
E --> F["DAG/IP3・MAPK経路活性化"]
F --> G["PKC活性化、細胞内Ca²⁺上昇"]
G --> H["転写因子の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='nuclear translocation'>核内移行</span>"]TCR複合体
T細胞上に発現し、αβ型またはγδ型のヘテロ二量体heterodimerヘテロ二量体（heterodimer）heterodimer（ヘテロ二量体）（8本のポリペプチド鎖からなる複合体）を形成する。CD3複合体（εγ・εδヘテロ二量体heterodimerヘテロ二量体（heterodimer）heterodimer（ヘテロ二量体）＋ζζホモ二量体homodimerホモ二量体（homodimer）homodimer（ホモ二量体））と会合し、MHC-ペプチド複合体を認識する。
⭐ MHC拘束性restrictive拘束性（restrictive）restrictive（拘束性）——T細胞は「自己MHCに載った抗原」しか認識できない。 ZinkernagelとDoherty（1996年ノーベル賞）の実験が示した通り、T細胞は提示細胞上のMHCを「自己」として認識する必要がある。CD4・CD8のMHC結合部位はいずれも免疫グロブリン様ドメインIg-like domain免疫グロブリン様ドメイン（Ig-like domain）Ig-like domain（免疫グロブリン様ドメイン）内に存在する。
免疫学的シナプス
flowchart TD
A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='pre-activation state'>前活性化状態</span>"]
A --> B["pMHC-TCRが<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cSMAC'>中心性超分子活性化クラスター</span>に集積"]
B --> C["周辺をpSMACが取り囲む"]
C --> D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='actin cytoskeleton'>アクチン細胞骨格</span>再構成を介しMLRが側方移動しcSMACへ集まる"]TCRシグナル伝達カスケード
flowchart TD
A["TCRとCD4/CD8の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='coligation'>共連結</span>"]
A --> B["Fyn・p56lck（リンパ球特異的チロシンキナーゼ、Lck）活性化"]
B --> C["CD45（チロシンホスファターゼ）による調節"]
C --> D["ITAMリン酸化 → ZAP70（チロシンキナーゼ）動員"]
D --> E["LAT（T細胞活性化の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='linker'>リンカー</span>）リン酸化"]
E --> F["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='phosphatidylinositol'>ホスファチジルイノシトール</span>経路 → 細胞内Ca²⁺上昇"]
F --> G["NFAT（活性化T細胞核<span class='jp-term jp-term-diagram' title='intrinsic factor'>内因子</span>）の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='nuclear translocation'>核内移行</span>"]
G --> H["IL-2遺伝子の活性化"]⚠️ スーパー抗原superantigenスーパー抗原（superantigen）superantigen（スーパー抗原）はTCR可変部（Vβ）とMHC-IIのα鎖alpha chainα鎖（alpha chain）alpha chain（α鎖）を、通常の抗原結合溝peptide-binding groove抗原結合溝（peptide-binding groove）peptide-binding groove（抗原結合溝）の外側で直接架橋cross-bridge直接架橋（cross-bridge）cross-bridge（直接架橋）する。 これにより多クローン性polyclonal多クローン性（polyclonal）polyclonal（多クローン性）T細胞活性化が起こる——例：黄色ブドウ球菌のエンテロトキシンenterotoxinエンテロトキシン（enterotoxin）enterotoxin（エンテロトキシン）A・B・C、化膿レンサ球菌Streptococcus pyogenes化膿レンサ球菌（Streptococcus pyogenes）Streptococcus pyogenes（化膿レンサ球菌）のA・B・C毒素（発赤毒素erythrogenic toxin発赤毒素（erythrogenic toxin）erythrogenic toxin（発赤毒素）、erythrogenic toxin）。特定の抗原を認識しないはずのT細胞まで無差別に活性化する点が、通常の抗原認識と根本的に異なる。
BCRとTCRの共通点
いずれも可変領域variable region可変領域（variable region）variable region（可変領域）（V）・定常領域（C）・膜貫通領域transmembrane region膜貫通領域（transmembrane region）transmembrane region（膜貫通領域）・細胞質尾部cytoplasmic tail細胞質尾部（cytoplasmic tail）cytoplasmic tail（細胞質尾部）という共通構造をもつ。ただしBCRは膜結合型membrane-bound膜結合型（membrane-bound）membrane-bound（膜結合型）・可溶型（分泌型抗体）の両方をとりうるのに対し、TCRは膜結合型membrane-bound膜結合型（membrane-bound）membrane-bound（膜結合型）のみ。
抗原受容体遺伝子の再構成
生殖細胞系列のIg・TCR遺伝子は、すべての細胞で空間的に離れた複数のDNA断片として存在し、発生中のリンパ球でのみ組み合わされる。
遺伝子座の構成
| 遺伝子 | 染色体 | 断片の種類 |
|---|---|---|
| Ig重鎖heavy chain重鎖（heavy chain）heavy chain（重鎖） | 第14染色体 | V, D, J |
| Igκ軽鎖 | 第2染色体 | V, J（D断片なし） |
| Igλ軽鎖 | 第22染色体 | V, J（D断片なし） |
| TCR β鎖beta chainβ鎖（beta chain）beta chain（β鎖） | 第7染色体 | V, D, J |
| TCR α・δ鎖 | 第14染色体 | V, J（α）／V, D, J（δ） |
| TCR γ鎖gamma chainγ鎖（gamma chain）gamma chain（γ鎖） | 第7染色体 | V, J |
D断片をもつのは重鎖heavy chain重鎖（heavy chain）heavy chain（重鎖）とTCR β鎖beta chainβ鎖（beta chain）beta chain（β鎖）のみ。
V(D)J組換えの機構
flowchart TD
A["①組換えシナプス形成<br>ランダムに選ばれたV・D・J断片が近接"]
A --> B["RAG1/RAG2複合体がRSS（組換え<span class='jp-term jp-term-diagram' title='signal sequence'>シグナル配列</span>）を認識<br>ヘプタマー・ノナマー＋12/23bp<span class='jp-term jp-term-diagram' title='spacer'>スペーサー</span>"]
B --> C["②<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cleavage'>切断</span><br>RAG1が一本鎖にニックを入れ共有結合ヘアピンを形成"]
C --> D["③<span class='jp-term jp-term-diagram' title='hairpin opening (V(D)J recombination)'>ヘアピン開裂</span>・末端修飾<br>Artemis<span class='jp-term jp-term-diagram' title='endonuclease'>エンドヌクレアーゼ</span>がヘアピンを開く<br>TdTがP-ヌクレオチドをランダムに付加"]
D --> E["④結合<br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='non-homologous end joining (NHEJ)'>非相同末端結合</span>でコード末端・シグナル末端を連結"]💡 接合部多様性junctional diversity接合部多様性（junctional diversity）junctional diversity（接合部多様性）は「不正確さ」自体が多様性の源泉になる好例。 V・D・J断片の結合部でヌクレオチドの付加・除去が起こると、新規のヌクレオチド配列・アミノ酸配列amino-acid sequenceアミノ酸配列（amino-acid sequence）amino-acid sequence（アミノ酸配列）が生まれる。TdT（末端デオキシヌクレオチジルnucleotidylヌクレオチジル（nucleotidyl）nucleotidyl（ヌクレオチジル）トランスフェラーゼ）は鋳型なしで最大20塩基のパリンドロームpalindromeパリンドローム（palindrome）palindrome（パリンドローム）配列（P-ヌクレオチド）をランダムに付加し、その後DNAポリメラーゼが不適合部位を鋳型依存的に埋める——「ランダムに壊してから修復する」ことで、生殖細胞系列にない配列を作り出す。
抗原受容体多様性を生む5つの機構
- 生殖細胞系列多様性germline diversity生殖細胞系列多様性（germline diversity）germline diversity（生殖細胞系列多様性）：多数のV・D・J遺伝子断片そのものの存在
- 体細胞組換え（somatic recombination）：重鎖heavy chain重鎖（heavy chain）heavy chain（重鎖）のVDJ組換え、軽鎖のVJ組換え
- 接合部多様性junctional diversity接合部多様性（junctional diversity）junctional diversity（接合部多様性）：TdTによるヌクレオチド付加
- 受容体編集receptor editing受容体編集（receptor editing）receptor editing（受容体編集）・改訂
- 体細胞高頻度変異somatic hypermutation体細胞高頻度変異（somatic hypermutation）somatic hypermutation（体細胞高頻度変異）：抗原に出会った後のさらなる多様化
⭐ 対立遺伝子排除allelic exclusion対立遺伝子排除（allelic exclusion）allelic exclusion（対立遺伝子排除）が「1つのリンパ球＝1つの特異性」を保証する。 B・T細胞では、両親由来parent-of-origin親由来（parent-of-origin）parent-of-origin（親由来）の対立opposition対立（opposition）opposition（対立）遺伝子のうち片方だけが発現する（どちらが選ばれるかはランダム）。これにより発現される免疫グロブリン／TCRは母方・父方どちらか一方（または両鎖が異なる親由来parent-of-origin親由来（parent-of-origin）parent-of-origin（親由来））由来となるが、1つの細胞が示す抗原特異性antigen specificity抗原特異性（antigen specificity）antigen specificity（抗原特異性）は常に1つだけに保たれる。この現象はB細胞・T細胞にのみ見られる。
B細胞の発生段階
flowchart TD
A["リンパ系幹細胞（骨髄、抗原非依存的）"]
A --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='precursor B cell'>前駆B細胞</span>（Pro-B cell）<br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='heavy chain'>重鎖</span>のVDJ再構成"]
B --> C["前B細胞（Pre-B cell）<br>軽鎖のVJ再構成"]
C --> D["未成熟B細胞（Immature B cell）<br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='receptor editing'>受容体編集</span>＝中枢性トレランス"]
D --> E["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='naive B cell'>ナイーブB細胞</span>（Naive B cell）<br>IgM・IgDの同時発現（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='alternative splicing'>選択的スプライシング</span>）"]
E --> F["成熟B細胞（Mature B cell、末梢、抗原依存的）"]クラススイッチと体細胞高頻度変異
| 現象 | 内容 |
|---|---|
| クラススイッチisotype switching (class switching)クラススイッチ（isotype switching (class switching)）isotype switching (class switching)（クラススイッチ） | T細胞依存性T-cell dependentT細胞依存性（T-cell dependent）T-cell dependent（T細胞依存性）・サイトカイン制御性。活性化B細胞でAID（活性化誘導性inducibility誘導性（inducibility）inducibility（誘導性）シチジンデアミナーゼcytidine deaminaseシチジンデアミナーゼ（cytidine deaminase）cytidine deaminase（シチジンデアミナーゼ）、activation-induced deaminase）が定常領域の組換えを誘導する |
| 体細胞高頻度変異somatic hypermutation体細胞高頻度変異（somatic hypermutation）somatic hypermutation（体細胞高頻度変異）／親和性成熟affinity maturation親和性成熟（affinity maturation）affinity maturation（親和性成熟） | AIDがV遺伝子の変異を開始（変異率が通常の約1000倍に上昇）。リンパ節の胚中心germinal center胚中心（germinal center）germinal center（胚中心）で、高親和性high affinity高親和性（high affinity）high affinity（高親和性）クローンが正の選択positive selection正の選択（positive selection）positive selection（正の選択）を受け増殖する |
💡 胚中心germinal center胚中心（germinal center）germinal center（胚中心）は「抗体の品質管理quality control品質管理（quality control）quality control（品質管理）工場factories工場（factories）factories（工場）」。 体細胞高頻度変異somatic hypermutation体細胞高頻度変異（somatic hypermutation）somatic hypermutation（体細胞高頻度変異）でランダムに変異したB細胞クローンのうち、抗原への親和性が高いものだけが胚中心反応germinal center reaction胚中心反応（germinal center reaction）germinal center reaction（胚中心反応）で 陽性 selection を受けてクローン増殖する——ダーウィン的な選択が抗体レベルで起きている。
T細胞依存性抗原 vs 非依存性抗原
| T細胞非依存性抗原T-cell independent antigenT細胞非依存性抗原（T-cell independent antigen）T-cell independent antigen（T細胞非依存性抗原）（TI） | T細胞依存性T-cell dependentT細胞依存性（T-cell dependent）T-cell dependent（T細胞依存性）抗原（TD） | |
|---|---|---|
| 抗原の種類 | 糖質・脂質・核酸 | タンパク質・ペプチド |
| 抗体 | 低親和性low affinity低親和性（low affinity）low affinity（低親和性）IgM | 高親和性high affinity高親和性（high affinity）high affinity（高親和性）IgG・IgA・IgE |
| クラススイッチisotype switching (class switching)クラススイッチ（isotype switching (class switching)）isotype switching (class switching)（クラススイッチ） | なし | あり |
| 親和性成熟affinity maturation親和性成熟（affinity maturation）affinity maturation（親和性成熟） | なし | あり |
| 記憶細胞 | 短命 | 長命 |
まとめ
- 抗原受容体antigen receptor抗原受容体（antigen receptor）antigen receptor（抗原受容体）の多様性は遺伝子数の増加ではなく、V・D・J遺伝子断片の体細胞組換え（Tonegawa、1987年ノーベル賞）による「組み合わせの多様性」から生まれる。
- BCRは6つのCDR（重鎖heavy chain重鎖（heavy chain）heavy chain（重鎖）・軽鎖各3つ）で抗原結合部位antigen-binding site抗原結合部位（antigen-binding site）antigen-binding site（抗原結合部位）を形成し、イディオタイプidiotypeイディオタイプ（idiotype）idiotype（イディオタイプ）・アイソタイプisotypeアイソタイプ（isotype）isotype（アイソタイプ）・アロタイプallotypeアロタイプ（allotype）allotype（アロタイプ）という3層の分類をもつ。Igα/Igβ（CD79a/b）とCD21/CD19/CD81（活性化）・FcγRIIb/CD22（抑制、いずれもITIM経由）が共受容体co-receptor共受容体（co-receptor）co-receptor（共受容体）として働く。
- TCRはCD3複合体と会合しMHC拘束性restrictive拘束性（restrictive）restrictive（拘束性）認識を行い、免疫学的シナプスimmunological synapse免疫学的シナプス（immunological synapse）immunological synapse（免疫学的シナプス）を形成してLck→ZAP70→LAT→NFAT→IL-2という経路で活性化する。
- V(D)J組換えはRAG1/RAG2によるRSS認識・切断・Artemisによるヘアピン開裂hairpin opening (V(D)J recombination)ヘアピン開裂（hairpin opening (V(D)J recombination)）hairpin opening (V(D)J recombination)（ヘアピン開裂）・TdTによる接合部多様性junctional diversity接合部多様性（junctional diversity）junctional diversity（接合部多様性）付加という4段階で進み、対立遺伝子排除allelic exclusion対立遺伝子排除（allelic exclusion）allelic exclusion（対立遺伝子排除）により1細胞1特異性が保証される。
- クラススイッチisotype switching (class switching)クラススイッチ（isotype switching (class switching)）isotype switching (class switching)（クラススイッチ）と体細胞高頻度変異somatic hypermutation体細胞高頻度変異（somatic hypermutation）somatic hypermutation（体細胞高頻度変異）はいずれもAID依存性で、胚中心germinal center胚中心（germinal center）germinal center（胚中心）での親和性成熟affinity maturation親和性成熟（affinity maturation）affinity maturation（親和性成熟）がT細胞依存性T-cell dependentT細胞依存性（T-cell dependent）T-cell dependent（T細胞依存性）抗原（高親和性high affinity高親和性（high affinity）high affinity（高親和性）・長命記憶）とT細胞非依存性抗原T-cell independent antigenT細胞非依存性抗原（T-cell independent antigen）T-cell independent antigen（T細胞非依存性抗原）（低親和性low affinity低親和性（low affinity）low affinity（低親和性）・短命）の違いを生む。