Un studiu dezvăluie modul în care centrele germinale produc constant anticorpi
Un nou studiu care urmărește mii de celule B în peste 100 de centre germinale la șoareci arată cum sistemul produce în mod constant anticorpi foarte eficienți.
Rezultatele contrazic ideile de lungă durată despre modul în care funcționează centrele germinale, dezvăluind că acestea sunt mult mai selective decât se credea anterior și contestând conceptul că îmbunătățirea anticorpilor este generată în principal de „explozile” rare de creștere ale celor mai de succes celule B. Această descoperire ar putea avea implicații pentru evoluția celulelor imune și, în cele din urmă, ar putea ghida proiectarea vaccinurilor împotriva patogenilor care se mută rapid, precum gripa. De asemenea, ar putea conduce la noi modalități de studiere a evoluției în sine.
Viziunea tradițională și mecanică asupra centrelor germinale le consideră ca pe niște mașini de selecție care sortează cei mai buni anticorpi. Însă, atunci când observi foarte atent, descoperi un proces care este aproape în întregime aleatoriu – puțin mai bun decât o aruncare de monedă – care se repetă de mai multe ori până când sistemul imunitar ajunge constant la răspunsul corect. Aceasta este mult mai asemănătoare cu modul în care operează evoluția decât cu modul în care funcționează o mașină.
Un nou model
În interiorul centrelor germinale, celulele B se mută rapid și concurează pentru a produce anticorpi care se leagă din ce în ce mai bine de patogeni. Aceasta pune celulele B sub o presiune intensă de a optimiza o trăsătură unică: afinitatea de legare, adică cât de bine recunoaște un anticorp ținta sa.
Cu toate acestea, modul în care reușesc să atingă acest obiectiv a rămas mult timp o întrebare deschisă. Deoarece celulele B slabe și cele puternice coexistă adesea în același centru germinal, oamenii de știință s-au întrebat mult timp dacă sistemul imunitar păstrează temporar celulele mai slabe în cazul în care acestea dobândesc ulterior mutații utile. Fenomenul „explozilor clonale”, în care descendenții unei singure celule B preiau rapid întregul centru germinal, este de asemenea puțin înțeles.
Pentru a investiga, echipa lui Victora a inginerat șoareci în care toate celulele B concurente au început cu aceeași secvență de anticorpi, permițându-le să repete un singur proces evolutiv în peste 100 de centre germinale simultan. „Am simplificat totul la esență”, spune el, „și am întrebat cât de repetabilă este exact secvența de mutații care duce la anticorpi mai puternici.”
Un cazino molecular
Odată ce fiecare dintre celulele B a fost pregătită cu aceeași secvență de anticorpi nemutați, echipa a declanșat formarea centrelor germinale prin imunizare. Apoi au urmărit sprintul rezultat către eficiența imunității folosind microscopie multiphoton și fotoactivare bazată pe laser, secvenționând mii de celule B individuale din 119 centre germinale. Cu aceste date, echipa a reușit să construiască un arbore genealogic detaliat care a mapat modul în care diferite linii de celule B s-au dezvoltat. De asemenea, au creat un dicționar de mutații, folosind Deep Mutational Scanning (DMS), o tehnică care leagă aproape fiecare schimbare posibilă a aminoacizilor de performanța anticorpului. Această avansare le-a permis să determine cum mutațiile afectează forța de legare și stabilitatea structurală doar citind secvența de ADN a unei celule.
„DMS a fost marele avans tehnologic aici”, spune primul autor, Ashni Vora. „Cu ajutorul acesteia, am putut determina afinitățile a mii de celule doar uitându-ne la secvența lor, fără a fi nevoie să producem un anticorp.”
Cercetătorii compară imaginea rezultată cu un joc de cazino. Urmărind evoluția unei singure celule B în interiorul unui centru germinal părea aproape aleatorie, cu unele celule care se extind rapid, altele dispărând și chiar mutații promițătoare care eșuează, ca și cum șansa ar dicta totul. Unele centre germinale au fost preluate de explozii clonale, în timp ce altele conțineau multe linii concurente fără un câștigător clar. Diferențele aveau puțin de-a face cu afinitatea sau meritul.
Însă echipa a descoperit că jocul din centrele germinale este trucat. Într-un cazino, casa câștigă întotdeauna nu din cauza șanselor oricărui joc individual, ci pentru că o ușoară părtinire statistică este încorporată în sistem și repetată de mii de ori. Centrele germinale par să funcționeze similar. Fiecare rundă de competiție celulară este doar ușor favorizată către celulele care poartă mutații benefice, iar șansa aleatoare înseamnă că adesea există puțină corelație între afinitate și succes. Dar, prin repetarea aceluiași proces zgomotos, aproape aleatoriu, de mai multe ori în multe centre germinale, sistemul imunitar produce în cele din urmă anticorpi mai puternici.
„Dacă vezi pe cineva câștigând la jackpot, s-ar putea să te întrebi cum câștigă cazinoul”, spune Victora. „Răspunsul este că cazinoul introduce o mică părtinire, astfel încât să câștigi și să pierzi, dar în medie, pierzi mai mult decât câștigi. Dacă sunt doar una sau două persoane care joacă, cazinoul ar putea pierde bani din cauza șansei aleatoare. Dar dacă sunt o mie de persoane care joacă, totul se va echilibra, iar casa câștigă. Asta este, în esență, cum funcționează centrele germinale.”
Echipa a descoperit, de asemenea, că sistemul imunitar favorizează mutațiile care sunt cele mai ușor de generat de către mecanismele celulare, mai degrabă decât mutațiile care ar produce cei mai puternici anticorpi. Urmărind liniile de celule B în timp, au arătat, de asemenea, că centrele germinale sunt mult mai selective decât se credea anterior, rapid eliminând celulele B inferioare.
Împreună, aceste descoperiri contrazic mai multe idei de lungă durată despre modul în care funcționează centrele germinale și pot oferi noi instrumente pentru dezvoltatorii de vaccinuri care speră să ghideze evoluția anticorpilor împotriva gripei și HIV.
„Ceea ce era odată speculație teoretică despre ce trebuie să se întâmple în centrul germinal, acum arătăm în acțiune – realitatea”, spune Victora.
În același timp, această lucrare ilustrează cum centrele germinale ar putea deveni un model puternic pentru studierea evoluției în general. Oamenii de știință s-au bazat mult timp pe bacteriile cultivate în laborator pe parcursul mai multor generații pentru a explora profunzimile biologiei evoluționiste și a determina cât de mult din evoluție este condus de șansa aleatoare. Clarificând regulile care guvernează centrele germinale, cercetătorii au dezvăluit de ce sistemul imunitar ar putea oferi o cale experimentală mai ușor de abordat: spre deosebire de evoluția bacteriană, care se concentrează pe adaptarea la multe strategii posibile de supraviețuire, celulele B vize
