[논문 리뷰] The weakest link bridging germinal center B cells and follicular dendritic cells limits antibody affinity maturation

Rajat Desikan, Rustom Antia외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 07.

T-cell and B-cell Immunology참고 문헌 132인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 항체 친화도의 상한선이 항원과의 상호작용만으로 결정되지 않고, 항원 수확 과정 중 생식센터 B 세포와 부비동 수상세포(Follicular Dendritic Cells, FDCs)를 연결하는 다단백질 복합체의 가장 약한 고리에서 기인한다고 제안한다. 이 가장 약한 고리를 강화함으로써(예: FcγRIIB-항체 상호작용), 친화도 숙성 과정을 향상시켜 항체의 기량 상한선을 높일 수 있다.

ABSTRACT

The affinity of antibodies (Abs) produced in vivo for their target antigens (Ags) is typically well below the maximum affinity possible. Nearly 25 years ago, Foote and Eisen explained how an 'affinity ceiling' could arise from constraints associated with the acquisition of soluble antigen by B cells. However, recent studies have shown that B cells in germinal centers (where Ab affinity maturation occurs) acquire Ag not in soluble form but presented as receptor-bound immune complexes on follicular dendritic cells (FDCs). How the affinity ceiling arises in such a scenario is unclear. Here, we argue that the ceiling arises from the weakest link of the chain of protein complexes that bridges B cells and FDCs and is broken during Ag acquisition. This hypothesis explains the affinity ceiling realized in vivo and suggests that strengthening the weakest link could raise the ceiling and improve Ab responses.

연구 동기 및 목표

• 장기간의 친화도 숙성에도 불구하고 실제로 관찰되는 항체 친화도가 이론적 최댓값보다 훨씬 낮게 멈추는 이유를 밝히는 것.
• 항원이 용해된 Ag가 아니라 부비동 수상세포(Follicular Dendritic Cells, FDCs)에 부착된 면역 복합체 형태로 제공된다는 현대 면역학적 이해와 함께, 고전적인 Foote-Eisen 모델의 친화도 상한선 이론을 통합하는 것.
• 생식센터 B 세포와 FDCs를 연결하는 다단백질 복합체의 가장 약한 고리를 기반으로 한 새로운 기전적 설명을 제안하는 것.
• 이 복합체의 가장 약한 고리를 강화함으로써 항체 친화도의 상한선을 높이고, 백신 및 면역요법 설계를 향상시킬 수 있는 전략을 제안하는 것.

제안 방법

• 항원 수확 과정을 B 세포와 FDCs를 연결하는 단백질 복합체의 사슬로 모델링하며, 각 복합체가 총 결합 에너지에 기여하도록 설정한다.
• 열역학적 자유 에너지(ΔG) 추정치를 사용해 사슬 내 각 고리의 강도를 정량화하며, 특히 BCR-Ag, Fc-FCγRIIB, 보조인자-C3d-CR2 상호작용에 중점을 둔다.
• DNA 또는 스테프티아비딘 터널을 통해 항원를 고정한 in vitro 실험에서, 고정 강도가 강한(PEG) 또는 유연한(PMS) 표면을 사용해 고리의 기계적 강도를 시뮬레이션한다.
• 항원 추출 과정에서 작용하는 기계적 힘의 영향을 이해하기 위해 '슬립 결합(slip bonds)'과 '캐치 결합(catch bonds)'의 개념을 적용한다.
• Fc 공 ingeneering이나 고친화도 IgG 아형의 사용을 통해 가장 약한 고리를 강화함으로써 상한선을 높일 수 있는 타겟팅된 간섭 전략을 제안한다.
• 수동 면역화 데이터를 바탕으로, FcγRIIB 결합 친화도가 향상된 항체를 투여할 경우 내재된 B 세포 선택이 향상되고 친화도 숙성 상한선이 높아질 수 있음을 시사한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 장기간의 친화도 숙성에도 불구하고 실제로 관찰되는 항체 친화도가 약 10^10–10^12 M⁻¹ 수준에서 멈추는 이유는 무엇인가?
• RQ2 항원 수확이 FDCs에 부착된 면역 복합체를 통해 이루어지기 때문에, 고전적 모델에서의 용해된 항원 흡수와 비교해 친화도 상한선의 기초가 어떻게 달라지는가?
• RQ3 항원이 FDCs에 부착된 면역 복합체 형태로 제시될 경우, 항체 친화도 숙성의 상한선은 무엇에 의해 결정되는가?
• RQ4 B 세포-FDC 항원 전달 사슬 내 특정 분자 고리를 강화함으로써 실험적으로 친화도 상한선을 높일 수 있는가?
• RQ5 기계적 힘과 결합 역학(예: 슬립 결합 대비 캐치 결합)은 항원 수확과 친화도 숙성의 제한 요소로 작용하는가?

주요 결과

• 체내에서의 친화도 상한선은 BCR-Ag 상호작용 자체에서 기인하는 것이 아니라, 생식센터 B 세포와 부비동 수상세포(Follicular Dendritic Cells, FDCs)를 연결하는 다단백질 복합체의 가장 약한 고리에서 기인한다.
• in vitro 실험 결과, FcγRIIB-항체 상호작용이 가장 약한 고리인 경우(예: 유연한 PMS 표면에서), B 세포는 전체 복합체를 내부화하며 친화도 구별 능력을 상실하고, 이로 인해 효과적인 상한선이 세포막 패치의 강도로 제한된다.
• DNA-스테프티아비딘 결합이 가장 약한 고리인 경우(예: 강한 PEG 표면에서), B 세포는 그 결합만 파손하며, 친화도 구별 능력을 유지하고 높은 친화도를 가진 B 세포가 선택된다.
• 가장 약한 고리를 강화함으로써(예: Fc 영역을 FcγRIIB 친화도 향상시키도록 유전자 공학 처리) 전체 친화도 상한선을 높일 수 있고, 항체 반응을 향상시킬 수 있다.
• FcγRIIB 결합 친화도가 향상된 항체를 수동 면역화로 투여할 경우, 내재된 B 세포 선택이 향상되고 친화도 숙성 상한선이 높아질 수 있다.
• FcγRIIB 또는 CR2의 임상적으로 관련된 다형성 변이가 관찰된 친화도 상한선의 차이와 관련이 있을 수 있으며, 이는 유전적 연관성 연구의 가능성을 시사한다.