I Linfociti B: maturazione e produzione degli anticorpi

I linfociti B maturano nel midollo osseo producendo dei recettori di membrana che, una volta incontrato l’antigene, vengono secreti trasformandosi in anticorpi.

I linfociti B (o cellule B) sono le cellule protagoniste del sistema immunitario adattativo. Sono fondamentali per le difese immunitarie poichè producono vari anticorpi capaci di legare molecole estranee, chiamate antigeni. I linfociti B possono produrre un gran numero di anticorpi differenti grazie al complesso meccanismo di ricombinazione somatica dei geni per le catene immunoglobuliniche.

Linfocita B ed anticorpi nel torrente circolatorio
Figura 1 – Immagine di anticorpi e linfociti B all’interno del torrente circolatorio.

L’origine del sistema immunitario

I linfociti B sono cellule facenti parte del sistema immunitario acquisito e la loro produzione avviene nel midollo osseo.

Le cellule effettrici del sistema immunitario si generano nel midollo osseo da cellule staminali che, differenziandosi, producono diversi tipi cellulari. Una cellula staminale multipotente produce due linee di proliferazione, la linea mieloide e quella linfoide.

La linea mieloide produce cellule effettrici del sistema immunitario innato come fagociti, cellule dendritiche, leucociti ed anche eritrociti. Tali cellule effettrici utilizzano i recettori PRR (Pattern Recognition Receptors), che riconoscono i PAMPs, cioè i profili molecolari generici condivisi da un gran numero di patogeni. I PRR, al contrario di un anticorpo, non legano nessuna porzione specifica di un antigene. La linea linfoide, invece, produce cellule del sistema immunitario adattativo che è composto da linfociti T e B. Tuttavia, la linea linfoide produce anche le Natural Killer che svolgono funzioni simili ai linfociti T ma operano nella difesa immunitaria innata, perché utilizzano i PRR e non i recettori ricombinati leganti specifici antigeni.

La cellula staminale e la sua linea differenziati a nel midollo osseo
Figura 2 – Schematizzazione della linea di differenziamento di una cellula staminale ematopoietica.

I linfociti B sono deputati alla risposta immunitaria umorale, ovvero non prodotta da una componente cellulare ma da molecole, che in questo caso sono proteine. I linfociti B possono anche produrre citochine al fine di mobilitare cellule del sistema immunitario innato per uccidere le sostanze taggate dagli anticorpi.

Come i linfociti T, i linfociti B sono riconoscono elementi estranei all’organismo mediante recettori di membrana, chiamati BCR. Ogni linfocita B possiede un BCR diverso da quello di un altro linfocita B, e ciò gli permette di essere specifico per il riconoscimento di un particolare elemento estraneo. Dopo che i linfociti B vengono stimolati dall’antigene, passano 48-72h ad organizzarsi per avviare la produzione degli anticorpi. In queste ore il linfocita matura proliferando e differenziando in plasmacellula, cioè un linfocita B capace di esocitare i suoi BCR che, una volta in circolo, si trovano sotto forma di immunoglobuline, ovvero anticorpi

Meccanismo di riconoscimento dell’antigene
Figura 3 – Rappresentazione del processo di riconoscimento antigienico e dell’azione anticorpale.

Quest’ultimi legano l’elemento estraneo, impedendogli di replicarsi o di attaccarsi alle cellule dell’ospite, rendendolo inoffensivo e permettendo ai leucociti di uccidere il patogeno in modo più efficiente.

I recettori BCR

Le immunoglobuline sono composte da due catene pesanti e due catene leggere. Un’ulteriore classificazione della struttura degli anticorpi permette di suddividerlo in due porzioni, porzione costante e porzione variabile.

Rappresentazione dell’immunoglobulina
Figura 4 – Rappresentazione delle due suddivisioni di un anticorpo.

La porzione variabile, come suggerisce il nome, varia da anticorpo ad anticorpo. Questa variabilità è data dal processo di ricombinazione somatica che genera un numero ipoteticamente infinito di anticorpi.

La porzione costante invece non viene ricombinata. Nel genoma sono presenti più copie di uno stesso gene che codifica per la catena costante ed in base a quale viene espresso, si genera una specifica classe immunoglobulinica. Mentre la porzione variabile è deputata al legame con l’antigene, quella costante è libera. I vari macrofagi che pattugliano i tessuti, presentano nella membrana recettori che legano le porzioni costanti degli anticorpi. Una volta incontrata una cellula legata ad un anticorpo, capiranno mediante il legame recettore-porzione costante, non solo di trovarsi davanti ad un agente estraneo, ma in base alla classe immunoglobulinica, anche di che tipo di patogeno si tratta. Per esempio, le igE legano i parassiti pluricellulari, perciò un legame con la sua porzione costante attiverà processi di esocitosi di enzimi litici piuttosto che di fagocitosi.

Modalità di secrezione degli anticorpi

Gli anticorpi possono essere secreti secondo due modalità:

  • Timo dipendente
  • Timo indipendente

La risposta timo dipendente è coadiuvata dalla presenza dei linfociti T helper che comunicano con i linfociti B per attivare il loro differenziamento in plasmacellula. Si tratta di una risposta ad un antigene di origine proteica ed è localizzata nei linfonodi. Nei linfonodi avviene l’incontro tra un linfocita B, che ha incontrato un antigene, e un linfocita T helper specifico per lo stesso antigene. Quando entrambi vengono stimolati da un antigene dello stesso tipo producono molecole che le attraggono verso lo stesso spazio fisico. I linfociti T nell’area paracorticale vengono attivati e migrano verso la zona parafollicolare (zona del mantello) mentre i linfociti B dalla zona follicolare si spostano verso l’area parafollicolare, ai margini del follicolo. Quando si incontrano, i linfociti T helper producono molecole stimolatrici che inducono le cellule B a differenziare. Una volta attivati i linfociti B iniziano a differenziarsi in plasmacellule e a proliferare, per poi trasferirsi nuovamente all’interno del follicolo, formando il centro germinativo, cioè un luogo di attiva proliferazione.

Le plasmacellule prodotte si trasferiscono nella porzione midollare del linfonodo dove, più vicine alla via efferente del torrente circolatorio, rilasciano gli anticorpi in circolo.

Schematizzazione della struttura di un linfonodo
Figura 5 – Struttura di un linfonodo secondario.

La risposta timo indipendente, invece, non è coadiuvata dalla presenza dei linfociti T. Si tratta di una risposta immunitaria ad un antigene non proteico, (lipidico, glicosidico, nucleotidico) ed è collocata nei distretti tissutali o nelle mucose. Il linfocita B, attivato dal legame con l’antigene, capisce di trovarsi davanti un patogeno ma non riesce ad attivare la trascrizione genica necessaria alla proliferazione e al differenziamento. Saranno i recettori PRR, addizionandosi alla trasduzione del segnale del BCR, ad attivare la produzione delle plasmacellule ed il conseguente rilascio di anticorpi. Si tratta,  tuttavia, di una risposta meno efficace.

La ricombinazione degli anticorpi

I BCR si generano dai linfociti B mediante un’attenta ricombinazione che parte dai primi stadi del differenziamento delle cellule B e si protrae fino alla loro maturazione, che si completa quando il recettore viene correttamente prodotto. 

Tali eventi di ricombinazione avvengono soltanto nei linfociti T e B dato che solo loro trascrivono i geni per gli enzimi della ricombinazione.

Si tratta di una batteria di enzimi RAG, ovvero delle ricombinasi, trasferasi e nucleasi che, nel complesso, operano processi di taglio e cucito al DNA al fine di far avvicinare i geni per i BCR.

Infatti, i geni che codificano per le catene BCR nella linea germinale sono separati da altri segmenti genici e, per produrre un trascritto funzionale, è necessario unirli mediante processi di taglio e cucito. 

 I fattori che producono variabilità sono:

  • Riarrangiamento genico. Rappresenta il meccanismo di avvicinamento dei segmenti genici chiamati segmenti V (variable), D (diversity), J (Joining) e C (constant) di cui un essere umano ha più copie. Per esempio, della catena costante, si hanno 5 segmenti diversi ed in base a quale viene scelto, viene creata una classe immunoglobulinica tra le  igM, le igD, le igG, le igA e le igE.
  • Esclusione allelica. Gli alleli per le catene provengono sia dal padre che dalla madre e l’attivazione trascrizionale di uno prevede l’esclusione dell’altro.
  • Esclusione isotipica. Un esempio di questo processo sono le catene leggere del BCR, che possono essere prodotte da un segmento genico Kλ ma non da entrambe, perciò la trascrizione di uno inattiva la trascrizione dell’altro.

Il riarrangiamento genico

Il riarrangiamento genico è costituito da diversità combinatoriale, diversità giunzionale ed ipermutazione somatica.

La diversità combinatoriale è dovuta alla presenza di più copie dei 3 segmenti V , D e J e in base a quale copia viene scelta si generano combinazioni diverse. Si stima che la diversità combinatoriale produca 106 sequenze diverse, senza contare gli altri eventi che apportano diversità.

Figura 6 – Tabella del numero dei geni per le catene BCR.

La diversità giunzionale è dovuta all’imprecisione della ricombinasi nel tagliare il DNA che, aggiungendo o eliminando uno o più nucleotidi, cambia lo schema di lettura del trascritto e può portare all’introduzione di amminoacidi differenti nella traduzione. Inoltre, una DNA polimerasi che non necessita di un filamento guida per polimerizzare i nucleotidi, salda i segmenti tagliati inserendone a caso, producendo una giunzione composta da amminoacidi inseriti casualmente. L’ipermutazione somatica è quell’evento che porta alla maturazione dell’ anticorpo. Più volte l’organismo incontra un antigene, più il suo anticorpo lo legherà in modo efficiente. Questo si deve al fatto che, quando un linfocita prolifera e deve trascrivere i suoi BCR, la DNA polimerasi, deputata alla trascrizione, può produrre errori nell’aggiunta di un nucleotide. Aggiungendo un nucleotide diverso rispetto al filamento di partenza, viene prodotto un anticorpo con un amminoacido differente. Tuttavia, la mutazione può essere sia positiva che negativa. Quando è negativa, l’anticorpo è meno affine al legame con l’antigene e il linfocita B in questione viene mandato in apoptosi, poiché si tratta una mutazione sconveniente. Quando è positiva, la mutazione viene viceversa mantenuta, poiché l’anticorpo lega in modo più efficiente l’antigene. Una volta arrivato al linfonodo, l’antigene legherà più velocemente il linfocita B con il BCR mutato positivamente che, attivato, prolifera producendo anticorpi che legano l’antigene in modo più efficiente.

Linea germinativa delle catene immunoglobuliniche
Figura 7 – Schematizzazione della linea germinale dei geni BCR.

Da cellula staminale a linfociti B

La produzione dei BCR avviene contemporaneamente alla maturazione dei linfociti B. La cellula staminale che diventa linfocita B maturo, man mano che prolifera e si differenzia, matura i suoi recettori di superficie. La cellula staminale produce linfociti B piuttosto che altri tipi cellulari in base alla segnalazione delle citochine prodotte da cellule segnalatrici.

Un primo momento differenziativo della cellula staminale porta alla cellula progenitrice della linea linfoide (CLP). Successivamente la CLP prolifera e differenzia in linfocita pro-B che si prepara ad attivare i geni che codificano per gli enzimi che ricombinano le catene BCR.

Dopodiché viene prodotto il linfocita pre-B grande in cui si costruiscono le catene pesanti. Una volta terminata la produzione delle catene pesanti, vengono prodotte delle catene leggere surrogate per stabilizzare quelle pesanti.

Una volta costruite le catene pesanti, alcuni processi di controllo stabiliscono se tali catene sono funzionanti. Ad esempio, l’aggiunta stessa delle catene leggere surrogate è un checkpoint che permette alla cellula di capire se le catene pesanti prodotte siano capaci di legare le catene leggere che devono ancora essere ricombinate. Se le catene pesanti sono funzionanti e legano correttamente le catene surrogate, allora la cellula genera l’input per fermare la maturazione delle cateni pesanti. A questo punto, avviene la proliferazione del linfocita pre-B grande che diventa pre-B piccolo, poiché in attiva proliferazione. Si origina il linfocita B immaturo che, producendo le catene leggere, rimpiazza quelle surrogate e completa la produzione del BCR che in una risposta primaria è sempre una igM.

Il linfocita B, tuttavia, resta immaturo poiché la sua maturazione si completa solo se espone sia le igM che le igD.

Processo di maturazione dei linfociti B
Figura 8 – Schematizzazione del processo di maturazione degli anticorpi.

Per maturare e potersi dirigere ai linfonodi, il linfocita B affronta una serie di processi a selezione negativa ovvero, se non si genera un recettore in modo corretto, tutta la cellula va in apoptosi.

Un BCR, che lega il self saldamente, è destinato all’apoptosi come anche quello che non riconosce il self. 

I momenti di selezione positiva e negativa sono importantissimi alla maturazione dei linfociti. All’interno dei vari processi di maturazione ci sono dei checkpoint che la cellula utilizza per assicurarsi di star producendo un recettore funzionante. Grazie alla presenza dei linfociti B e di tutti i processi di maturazione e ricombinazione a cui esso va incontro, il nostro organismo è capace di fronteggiare agenti patogeni di tutte le specie, forme e dimensioni, permettendoci di sopravvivere. Un inadeguato funzionamento di tali cellule comporterebbe importanti compromissioni del nostro sistema immunitario ed una semplice influenza potrebbe risultare fatale.

Bibliografia:

  • Murphy K., Weaver C., Janeway’s Immunobiology, Garland Science, 9th ed. 2017

Fonti immagini:

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