Nifhmu l-Għażla taċ-Ċellola tal-Memorja B

Għal aktar informazzjoni:ali.ma@wecistanche.com

ASTRATT

Is-sistema immuni adattiva tal-mammiferi evolviet fuq miljuni ta’ snin biex saret difiża effettiva oerhört kontra antiġeni barranin. Ir-rispons umorali tas-sistema immuni adattiva toħloq ċelluli B tal-plażma umemorja Bċelloli, kull wieħed bl-għanijiet immunoloġiċi tiegħu. Il-proċess ta 'maturazzjoni tal-affinità huwa meqjus b'mod wiesa' bħala euristiku biex issolvi l-problema tal-ottimizzazzjoni globali tas-sejba ta 'ċelluli B b'affinità għolja għall-antiġen. Madankollu,memorja Bċellolijidhru li jintgħażlu apposta aktar kmieni fil-proċess tal-maturazzjoni tal-affinità u għandhom affinità aktar baxxa. Nipproponu li danċellula B tal-memorjaproċess ta 'għażla jista' jkun soluzzjoni approssimattiva għal żewġ problemi ta 'ottimizzazzjoni: ottimizzazzjoni għal affinità għal antiġeni simili fil-futur minkejja mutazzjonijiet jew differenzi żgħar oħra u ottimizzazzjoni biex tisħon tibda l-ġenerazzjoni ta' ċelluli B tal-plażma fil-futur. Aħna nużaw simulazzjonijiet biex nipprovdu evidenza għall-ipoteżijiet tagħna, filwaqt li nqisu data li turi li ċerti mutazzjonijiet taċ-ċelluli B huma aktar probabbli minn oħrajn. Is-sejbiet tagħna huma konsistenti maċ-ċelloli B tal-memorja li għandhom affinità għolja għal antiġeni mutati iżda ma jipprovdux evidenza qawwija liċelluli B tal-memorjase jkun aktar utli minn ċelluli B naive magħżula għaż-żrigħ taċ-ċentri ġerminali sekondarji.

Ikklikkja għal Cistanche NZ għall-memorja

1 Introduzzjoni

Is-sistema immunitarja hija sistema effettiva ta' mitigazzjoni tat-theddid li tuża diversi algoritmi ta' identifikazzjoni mgħallma. Filwaqt li s-sistema immuni intrinsika hija kapaċi tidentifika invażuri barranin, jew antiġeni, għandha timpenja s-sistema immuni adattiva biex toħloq rispons aktar massiv u speċifiku. Aspett ewlieni tar-rispons umorali tas-sistema immuni adattiva huwa t-taħriġ ta’ żewġ tipi ta’ ċelluli B permezz ta’ proċess imsejjaħ maturazzjoni ta’ affinità (AM): ċelluli B tal-plażma li jiġġeneraw antikorpi biex jidentifikaw l-antiġen attwali, uċelluli B tal-memorjali jintużaw f'reazzjonijiet immuni sussegwenti biex jiġu identifikati antiġeni simili fil-futur. Il-proċess AM huwa ferm mhux tas-soltu, peress li reġjun speċifiku tad-DNA fi ħdan iċ-ċelluli B parteċipanti jiġi mutat biex jiġġenera frieħ li jintgħażlu biex ikollhom affinità ogħla għall-antiġen inkwistjoni. Il-preservazzjoni tas-sekwenzi tad-DNA hija ġeneralment ta’ importanza kbira fil-biċċa l-kbira taċ-ċelloli, iżda r-reġjun tal-ġenoma li jiddefinixxi l-forma tar-riċettur taċ-ċelluli B għandu jiġi modifikat malajr biex ir-riċettur taċ-ċelluli B ikollu ċans li jsir aħjar biex jagħraf l-antiġen ta’ interess (Meyer-Hermann et al., 2012). Dawn il-mutazzjonijiet huma responsabbli għall-kapaċità inkredibbli taċ-ċelluli B li jirrikonoxxu prattikament kwalunkwe antiġen li huma ppreżentati, u jagħmlu s-sistema immuni adattiva tal-mammiferi waħda mis-sistemi ta 'identifikazzjoni tat-tagħlim l-aktar effettivi fid-dinja naturali.

Stephen Lindsly, Maya Gupta b, Cooper Stansbury, Indika Rajapakse

Dipartiment tal-Mediċina Komputali u Bijoinformatika, Università ta 'Michigan, Ann Arbor, l-Istati Uniti

b Google Research, Mountain View, CA, l-Istati Uniti

c Dipartiment tal-Matematika, Università ta’ Michigan, Ann Arbor, l-Istati Uniti

F'dan id-dokument, nikkunsidraw jekk iċ-ċellula B tal-plażma uċellula B tal-memorjaproċessi ta' ġenerazzjoni jistgħu jiġu interpretati bħala li qed jippruvaw jissodisfaw għanijiet speċifiċi, u jekk iva, nistgħu niddikjaraw dawn l-għanijiet b'mod preċiż? Aħna nissellfu ideat standard mit-tagħlim tal-magni, fejn huwa komuni li l-ewwel jiġi speċifikat oġġett matematiku ideali li jrid jiġi ottimizzat (bħall-minimizzazzjoni tar-rata ta 'żball mistennija ta' sistema ta 'identifikazzjoni mgħallma), imbagħad nipproponu algoritmi euristiċi li jottimizzaw bejn wieħed u ieħor dak l-objettiv matematiku. Bl-istess mod, aħna ipoteżi li minħabba pressjonijiet evoluzzjonarji, il-proċessi AM jaġixxu bħal euristiċi li bejn wieħed u ieħor jottimizzaw għal għanijiet immunoloġiċi idealizzati. Aħna ipotetizzaw x'jistgħu jkunu dawk l-għanijiet immunoloġiċi evoluzzjonarjament adattati, imbagħad inqabblu kemm ċelluli B differenti jissodisfaw dawn l-għanijiet meta jiffaċċjaw antiġeni mutati b'mod avversarju permezz ta' simulazzjonijiet. Dawn is-sejbiet iwassluna biex nipproponu ipoteżi ġodda dwar l-għanijiet impliċiti tat-taħriġ tas-sistema immuni taċ-ċelluli B naive biex isiruċelluli B tal-memorja.

L-ewwel, fit-Taqsima 2, aħna nirrevedu kif iċ-ċelluli B naive huma reklutati u mħarrġa biex isiru ċelluli B tal-plażma u nippreżentaw ipoteżi għall-għanijiet ta 'dan it-taħriġ matematikament. Fit-Taqsima 3, aħna nikkunsidraw l-għanijiet ta 'ottimizzazzjoni matematika tal-proċess ta' taħriġ aktar enigmatiku li jwassal għall-ġenerazzjoni ta 'ċelluli B tal-memorja. Aħna niddefinixxu t-taħriġ taċ-ċelluli B tal-plażma jew it-taħriġ taċ-ċelluli B tal-plażma bħala l-proċess tal-ġenerazzjoni ta 'ċelluli B tal-plażma minn ċelluli B naive matul AM. Bl-istess mod, aħna niddefinixxu t-taħriġ jew it-taħriġ taċ-ċelluli B tal-memorjaċelluli B tal-memorjabħala l-proċess li jiġġenera ċelluli B tal-memorja minn ċelluli B naive matul AM. Aħna nittestjaw l-ipoteżijiet tagħna permezz ta 'simulazzjonijiet fit-Taqsima 4 u nikkonkludu b'diskussjoni ta' mistoqsijiet miftuħa fit-Taqsima 5.

2. Taħriġ taċ-ċelluli tal-plażma B

Aħna nirrevedu l-proċess AM li jħarreġ ċelluli B naive biex isiru ċelluli B tal-plażma, imbagħad nikkunsidraw liema kriterji matematiċi seta' evolva t-taħriġ taċ-ċelluli B tal-plażma biex jottimizza.

2.1. Maturazzjoni ta' affinità taċ-ċelluli B tal-plażma

AM tibda billi tirrekluta ċelluli B naive b'xi affinità inizjali għall-antiġen għal organi limfoiddi sekondarji. Dawn iċ-ċelloli B naive, flimkien ma 'ċelluli T follicular helper (TFH) u ċelloli dendritiċi follikulari, jikkonċentraw fi strutturi temporanji magħrufa bħala ċentri ġerminali (Fig. 1A) (Meyer-Hermann et al., 2012; Tas et al., 2016). Iċ-ċentri ġerminali (GCs) jiżguraw li dawn iċ-ċelloli jkunu fil-qrib, u b'hekk jiffaċilitaw mutazzjoni rapida u evalwazzjoni tas-sekwenzi tar-riċetturi taċ-ċelluli B. Matul AM, iċ-ċelluli B huma evalwati minn ċelluli TFH għall-affinità tagħhom mal-antiġenu permezz tat-tul tal-interazzjoni bejniethom, ibbażata fuq il-preżentazzjoni tal-antiġeni miċ-ċelluli B (Mesin et al., 2016; Murphy and Weaver, 2016). Jekk l-affinità inizjali ta 'ċellula B hija għolja, tirċievi sinjal kimiku miċ-ċellula TFH biex timxi għal żona separata tal-GC u tipprolifera. Filwaqt li ċ-ċellula B qed tipprolifera, sezzjoni speċifika tal-ġenoma msejħa r-reġjun ipervarjabbli hija esposta għal enzima, cytidine deaminase indotta mill-attivazzjoni (AID) (Muramatsu et al., 2000; Bannard and Cyster, 2017). AID tista 'deaminate cytosine toħloq uracil, nukleotide li normalment ma jinstabx fid-DNA. L-operazzjoni li ssewwa dawn il-bidliet hija suxxettibbli għall-iżbalji, li twassal għal mutazzjonijiet fis-sekwenza tad-DNA (Martin et al., 2015).

Il-proċess ta 'deamination u mutazzjonijiet waqt it-tiswija jissejjaħ ipermutazzjoni somatika (SHM). Wara l-proliferazzjoni, iċ-ċelluli B jerġgħu lura fiż-żona tal-GC li fiha ċ-ċelluli TFH u jiġu evalwati mill-ġdid għall-affinità tagħhom lejn l-antiġen. Dan il-proċess iterattiv ta 'proliferazzjoni, mutazzjoni, u evalwazzjoni ta' affinità jkompli sakemm iċ-ċelluli B ikollhom affinità għolja biżżejjed għall-antiġen. F'dan il-punt, iċ-ċelluli B jiddifferenzjaw f'ċelluli B tal-plażma u jibdew jipproduċu antikorpi li jippermettu lis-sistema immunitarja teqred l-antiġen.

2.2. Maturazzjoni tal-affinità bħala Algoritmu

Aħna mudell AM fl-Algoritmu 1, li nużaw biex jissimulaw AM fl-esperimenti tagħna. Aħna nissimplifikaw ftit kwistjonijiet magħrufa jew inċerti dwar AM, dettaljati fis-SubTaqsima 2.3.

Kull sekwenza ta 'riċettur taċ-ċelluli B naive hija ġġenerata b'mod każwali minn taħlita kombinatorja tas-segmenti tal-ġeni V, D, J, u C tagħha, kif ukoll permezz ta' diversità tal-junctional bejn dawn is-segmenti (Sompayrac, 2019). Iċ-ċelluli B naive ikopru mill-inqas 100 miljun possibbiltajiet (Sompayrac, 2019). Iċ-ċelloli B naive reklutati għal ċentru ġerminali huma ċelloli li diġà għandhom xi affinità promettenti għall-antiġenu a. SHM imbagħad jibdel in-nukleotidi f'reġjun tas-sekwenza tad-DNA twila madwar 100 pari bażi (bp) li tikkontribwixxi għad-definizzjoni tal-istruttura tar-riċettur taċ-ċelluli B (Martin et al., 2015). Mutazzjonijiet fir-reġjun ipervarjabbli huma fuq skala ta '106 darbiet aktar probabbli minn mutazzjonijiet barra minn dan ir-reġjun (Martin et al., 2015). Mutazzjonijiet jistgħu jkunu tpartit, inserzjonijiet, u tħassir fi spazju kategoriku mmudellat bħala fA; T; C; G;£g100, fejn £ tikkonnota tħassir. Għandu jiġi nnutat li għalkemm l-ispazju kombinatorju ta 'mutazzjonijiet possibbli huwa kbir, ħafna mutazzjonijiet speċifiċi immedjatament iwasslu għal apoptożi. L-ottimizzazzjoni AM hija parallelizzata u mqassma fuq ċentri ġerminali G, li algoritmikament jistgħu jitqiesu bħala proċessuri paralleli G differenti. Aħna nimudellaw iċ-ċentri ġerminali differenti bħala li jaħdmu b'mod indipendenti, għalkemm jista 'jkun hemm sinjalar bijokimiku bejniethom. Fil-prattika, organiżmu jħarreġ għal antiġeni indipendenti multipli simultanjament, iżda għas-sempliċità, nikkunsidraw antiġen wieħed kull darba.

2.3. Simplifikazzjonijiet magħrufa tal-Algoritmu 1

Aħna ninnotaw li l-Algoritmu 1 jissimplifika ftit karatteristiċi magħrufa ta 'AM. Aħna nemmnu li dawn is-simplifikazzjonijiet huma minuri u li ma jaffettwawx il-konklużjonijiet ewlenin ta 'dan ix-xogħol.

Aħna nimudellaw l-algoritmu bħala T iterazzjonijiet diskreti iżda fil-prattika, AM huwa proċess kontinwu li huwa parzjalment limitat fiż-żmien minħabba t-tħassir tal-antiġenu u l-pressjonijiet esterni. Madankollu, sa fejn nafu aħna, m'hemmx limitu eżatt għan-numru ta 'diviżjonijiet li jistgħu jseħħu jew skeda ta' żmien eżatta li trid tiġi sodisfatta matul AM. Barra minn hekk, hemm ċans li s-sistema immuni ma ssibx soluzzjoni malajr biżżejjed, u tikkawża l-mewt tal-ospitant. Filwaqt li nagħrfu li dan iseħħ fis-sistema naturali, mhuwiex il-fokus tas-simulazzjoni tagħna. Għalhekk, nużaw numru fiss ta 'iterazzjonijiet bħala approssimazzjoni tal-limiti ta' żmien li tiffaċċja s-sistema immuni reali. Barra minn hekk, aħna nidentifikaw iċ-ċelluli B tal-ogħla affinità fl-aħħar tas-simulazzjoni tagħna bħala ċelluli B tal-plażma għas-sempliċità, iżda ċ-ċelluli B tal-plażma mhumiex magħżula simultanjament fl-aħħar ta 'AM u jista' ma jkollhomx l-ogħla affinità assoluta.

Qabel ma jibda SHM, il-popolazzjoni inizjali taċ-ċelluli B setgħet għaddiet minn proliferazzjoni mhux diretta, li jfisser li l-kampjun każwali inizjali jista 'jkun immudellat aħjar bħala gruppi każwali ta' ċelluli B. L-algoritmu 1 jippermetti liċ-ċentri ġerminali jikbru mingħajr limiti, għalkemm id-die-off ratata għandha t-tendenza li tillimita d-daqs tal-popolazzjoni fiċ-ċentri ġerminali. Fil-prattika, id-daqs taċ-ċentri ġerminali huwa wkoll limitat minn restrizzjonijiet ta 'volum fiżiku u restrizzjonijiet ta' riżorsi bijokimiċi, Aħna nużaw rata kostanti ta 'die-off. iżda hemm xi evidenza li l-probabbiltà ta' die-off tonqos hekk kif tiżdied l-affinità (Anderson et al, 2009). Aħna ninkludu verżjoni simplifikata ta 'din l-imġieba billi tippreġudika l-probabbiltajiet ta' mewt taċ-ċelluli B fiċ-ċentru ġerminali lejn ċelluli ta 'affinità aktar baxxa.

Iċ-ċelluli T ikejlu ċ-ċelluli B fil-qrib għall-affinità tagħhom, għalhekk hemm biss xi probabbiltà li ċellula B speċifika titkejjel l-affinità tagħha, u li l-probabbiltà li titkejjel l-affinità taċ-ċellula B hija maħsuba li hija funzjoni tal-organizzazzjoni spazjali (li hija indirettament affettwati minn affinità) u affinità diretta. L-affinità u l-prossimità spazjali ta 'ċellula B partikolari jinfluwenzaw il-probabbiltà tagħha li tintgħażel u tiġi indotta biex tipprolifera. Aħna ma nqisux l-organizzazzjoni spazjali bejn iċ-ċelloli TaH u ċ-ċelloli B b'mod espliċitu. Is-saħħa tas-sinjal tal-proliferazzjoni hija ġeneralment proporzjonali għall-affinità tal-Bcell, b'tali mod li Bcell b'affinità għolja huwa aktar probabbli li jipprolifera ħafna drabi qabel ma jirritorna għal iterazzjoni oħra ta 'evalwazzjoni tal-affinità (Mesin et al, 2016; De Silva and Klein, 2015). Simili għall-probabbiltà akbar ta 'mewt għal ċellula B ta' affinità baxxa, aħna nippreġudikaw l-għażla ta 'ċelluli B għall-proliferazzjoni lejn ċelluli B ta' affinità ogħla.

L-algoritmu 1 jista' jissimplifika żżejjed l-AM b'modi oħra wkoll li ma nkunux konxji bihom, jew li għadhom mhumiex magħrufa.

2.4. Iċ-ċelloli B tal-plażma huma maħluqa biex jottimizzaw l-affinità ta 'l-antiġeni minħabba żmien limitat

AM huwa proċess li ilu inkwadrat bħala s-sistema immunitarja li taġixxi bħala algoritmu ta 'ottimizzazzjoni globali li tipprova ssib ċellula B li tidentifika l-aħjar antiġen partikolari permezz ta' SHM (Theodosopoulos u Theodosopoulos, 2002). Jiġifieri, AM jaġixxi bħallikieku kien euristiku biex issolvi, fejn a huwa antiġen partikolari, b hija ċellula B mis-sett B taċ-ċelluli B kollha possibbli, u s hija l-funzjoni ta’ affinità li timmudella l-kwalità tal-lock- u l-interazzjoni fiżika u bijokimika ewlenija ta 'b u a. Innota li B huwa spazju kategoriku kbir ħafna definit mis-sekwenza tad-DNA ta 'tul varjabbli li tikkodifika r-riċettur taċ-ċellula B.

Madankollu, l-objettiv (1) ma jagħrafx il-fatt li ċellula B tal-plażma m'għandhiex għalfejn tkun taqbila perfetta mal-antiġen. Fil-fatt, jidher li hemm affinità suffiċjenti s tali li ladarba tintlaħaq affinità ta 's, iċ-ċellula B tiġi indotta tiddifferenzja f'ċellula B tal-plażma. Barra minn hekk, is-sistema immunitarja hija taħt pressjoni taż-żmien biex tipproduċi tali ċelluli B tal-plażma b'affinità għolja biżżejjed malajr kemm jista 'jkun.

Therefore, we propose that a more realistic model of what the plasma B cell generation process is optimizing should also depend on the sufficient affinity t>0, u s-sett mogħti 多. ta 'ċelluli B naive inizjali fiċ-ċentru ġerminali. Biex naqbdu l-pressjoni tal-ħin, aħna nimudellaw mutazzjonijiet probabilistiċi għal ċelluli B fiċ-ċentru ġerminali f'kull iterazzjoni ta 'ħin diskret. Minħabba ċellula B naive b E, ejja M(b)∈ tkun ċellula B każwali ġdida prodotta minn mutazzjoni każwali waħda ta' b. Ħalli M*(b)= M(M(..(M(b))..)) jindika ċ-ċellula B każwali ġġenerata wara mutazzjonijiet Krandom ta' b sabiex iċ-ċellula B każwali M(b) tista' tkun kwalunkwe miċ-ċelluli B li jistgħu jintlaħqu minn Kmutazzjonijiet M taċ-ċellula B inizjali b, bil-probabbiltajiet korrispondenti dipendenti fuq is-somma tal-probabbiltà tal-mogħdijiet ta 'mutazzjonijiet differenti li jistgħu jipproduċu M* (b) li jibda minn b.

Imbagħad aħna ipotetizzaw li l-proċess tal-għażla taċ-ċelluli B fil-plażma huwa ewristiku evolvit biex jimminimizza n-numru ta’ mutazzjonijiet K∈meħtieġ sabiex bħala medja K mutazzjonijiet każwali jipproduċu mill-inqas ċellula B waħda fiċ-ċentru ġerminali b’affinità suffiċjenti t għall-antiġen:

fejn EI.] hija l-operatur ta' aspettattiva standard (medja) li tikkonċerna r-riżultati possibbli tal-varjabbli każwali peżati bil-probabbiltajiet tagħhom. Dan l-għan huwa konsistenti mal-Algoritmu 1 tagħna.

Ovvjament, is-sistema immuni mhijiex entità senzjenti li tifformula b'mod espliċitu l-kriterji(2) u sussegwentement tidentifika euristiku biex tottimizzaha. Pjuttost, aħna ipoteżi li l-pressjonijiet evoluzzjonarji ġew magħżula għal proċess ta 'ġenerazzjoni ta' ċelluli B fil-plażma li jottimizza aħjar (2).

3. Taħriġ taċ-ċelluli tal-memorja B

Simili għaċ-ċelluli B tal-plażma, iċ-ċelluli B tal-memorja huma maħluqa fiċ-ċentru ġerminali, iżda hemm differenzi ewlenin fil-ġenerazzjoni ta 'dawn iż-żewġ tipi ta' ċelluli biex jintlaħqu l-għanijiet rispettivi tagħhom (Mesin et al, 2016; Weisel and Shlomchik, 2017; Suan et al,2017). L-ewwel nirrevedu kif jinħolqu ċ-ċelloli B tal-memorja, u mbagħad nikkunsidraw għal liema kriterji huma ottimizzati, b'mod analog għall-kriterji tagħna (2) għaċ-ċelloli B tal-plażma

3.1.Sfond dwar iċ-ċelloli B tal-memorja

Filwaqt li l-isem taċ-ċellula tal-memorja B jista 'jsejjaħ l-idea li ċ-ċellula B tal-memorja hija kopja fit-tul ta' ċellula B tal-plażma, il-verità hija aktar ikkumplikata. Iċ-ċelloli B tal-memorja ma jgħaddux mill-proċess AM kollu bħalma jagħmlu ċ-ċelloli B tal-plażma. Fil-fatt, iċ-ċelluli B tal-memorja huma kkaratterizzati mill-affinità relattivament baxxa tagħhom meta mqabbla maċ-ċelluli B tal-plażma, u tagħbija baxxa ta 'SHM (numru ta' mutazzjonijiet miġbura minn SHM) (Suan et al, 2017). Dan jimplika li filwaqt li ċ-ċelluli B tal-memorja għandhom inizjalment affinità għolja għal antiġen relattiv għar-repertorju taċ-ċelluli B naive, ma jgħaddux minn AM sal-punt taċ-ċelluli B tal-plażma, u għandhom it-tendenza li jkollhom affinità aktar baxxa għall-antiġen attwali minn ċelluli B tal-plażma.

Il-ġene BACH2 għandu rwol importanti fl-iżvilupp taċ-ċelloli B tal-memorja fiċ-ċentru ġerminali, u fid-divrenzjar eventwali tagħhom (Suan et al,2017: Shinnakasu et al,2016). BACH2 huwa inversament korrelatat mal-għajnuna li ċ-ċellula B tirċievi miċ-ċelluli Te, u l-interazzjonijiet dgħajfa li jirriżultaw maċ-ċelluli T jippermettu li l-espressjoni ta 'BACH2 tibqa' għolja. Kritikament,

ir-relazzjoni bejn l-espressjoni BACH2 u ċ-ċelluli Tp tippermetti xi għajnuna minn ċelluli T għas-sopravivenza taċ-ċelluli fiċ-ċentru ġerminali iżda tipprevjeni lill-prekursur taċ-ċelluli B milli jidħol fiż-żona fejn jipprolifera u jimmut permezz ta 'SHM. Dan iwassal għal tliet sottosettijiet ta' ċelluli B fiċ-ċentru ġerminali: (1) ċelluli B b'affinità għolja li huma magħżula minn ċelluli T biex jipproliferaw u jimmutaw permezz ta' SHM, u eventwalment iwasslu għal differenzjazzjoni taċ-ċelluli B fil-plażma, (2) affinità moderata B ċelluli (baxxi meta mqabbla mal-prekursuri taċ-ċelluli B tal-plażma, għolja meta mqabbla mal-medja taċ-ċellula B naive) li l-għażla tagħhom minn ċelluli Tw hija ttemprat minn BACH2, li twassal għal ċelluli B tal-memorja, u (3) ċelluli B b'affinità baxxa li jirċievu ftit jew xejn għajnuna minn ċelluli Tw li jwasslu għal apoptożi (Mesin et al,2020; Taylor et al,2015).

Iċ-ċelluli B tal-memorja huma simili għal ċelluli B naive f'termini tal-profili traskrizzjoni tagħhom, li jippermettilhom jiċċirkolaw liberament fl-organiżmu u jimmonitorjaw għal każijiet futuri ta 'antiġeni. Minkejja dawn ix-xebh, juru espressjoni żejda ta 'ġeni anti-apoptotic li jippermetti li ċ-ċellula B tal-memorja tgħix għal perjodi ta' żmien straordinarjament twal u għalhekk il-kapaċità li tirrikonoxxi l-antiġeni fil-futur (Suan et al.2017).

3.2. X'inhuma ċ-ċelloli B tal-memorja ottimizzati biex jagħmlu?

Jekk l-għan tas-sistema immunitarja kien memorizzazzjoni bir-rote tar-riċetturi taċ-ċelluli B ta 'l-ogħla affinità għall-antiġen attwali a, nistgħu nistennew li r-repertorju tar-riċetturi taċ-ċelluli B tal-memorja jkun kważi identiku għar-repertorju tar-riċetturi taċ-ċelluli B tal-plażma, iżda mhumiex. Wieħed jista’ alternattivament jistenna li l-AM jieħu vantaġġ mill-lussu ta’ żmien li għandu qabel ma jeħtieġ li ċ-ċelloli B tal-memorja jimmutaw aktar sabiex iċ-ċelloli B tal-memorja jista’ jkollhom affinità s(b, a) saħansitra ogħla għall-antiġen miċ-ċelloli B tal-plażma. , aktar ottimizzat (1). Dan ukoll ma jidhirx li hu l-każ. Filwaqt li dawn iż-żewġ għażliet għandhom ikunu bijoloġikament fattibbli, is-sistema immuni tagħmel xi ħaġa radikalment differenti biex toħloq ċelluli B tal-memorja: tagħżel ċelluli B tal-memorja aktar kmieni f'AM milli ċelluli B tal-plażma, u għalhekk iċ-ċelluli B tal-memorja bħala medja għandhom affinità aktar baxxa s(ba) minn ċelluli B tal-plażma.

Biex tispjega għaliex iċ-ċelluli B tal-memorja huma daqshekk ħżiena għall-antiġenu attwali a, nipproponu żewġ ipoteżi għall-funzjoni oġġettiva li ċ-ċelluli B tal-memorja jistgħu jkunu qed jippruvaw jottimizzaw b'mod ewristiku. Iż-żewġ ipoteżijiet tagħna jsegwu mir-rwol doppju taċ-ċelluli B tal-memorja (Dogan et al, 2009; Weisel and Shlomchik, 2017). L-ewwel, meta inkarnazzjonijiet futuri tal-attakk tal-antiġenu, iċ-ċelluli B tal-memorja jintużaw kif inhuma biex jiddifferenzjaw f'ċelluli B tal-plażma u jeqirdu l-antiġen mutat. It-tieni, iċ-ċelluli B tal-memorja jintużaw biex jisħnu jibdew it-taħriġ sekondarju ta 'AM taċ-ċelluli B tal-plażma. Fil-fatt, evidenza reċenti turi li porzjon kbir taċ-ċelluli B tal-plażma fir-rispons sekondarju huma ċelluli B tal-memorja mill-ewwel rispons, u xi ċelluli B tal-memorja jintużaw ukoll biex jinżergħu ċ-ċentri ġerminali ġodda biex jottimizzaw iċ-ċelluli B tal-plażma tar-rispons sekondarju ( Mesin et al,2020).

3.3. Taħriġ għal affinità għal antiġen mutat

Nipproponu li l-kwistjoni ewlenija għaċ-ċelloli B tal-memorja hija li l-istanza futura tal-antiġen li għandhom itaffu hija kważi ċertament mutazzjoni à tal-antiġen oriġinali a. Fiż-żmien li jinħolqu ċ-ċelluli B tal-memorja, l-antiġenu mutat futur a mhux magħruf, iżda nistgħu nikkaratterizzawh bħala antiġen A mutat b'mod każwali. F'dan id-dokument, nużaw in-notazzjoni standard tal-probabbiltà li ittra kapitali tindika varjabbli każwali, u l-ittra żgħira korrispondenti tagħha tindika r-realizzazzjoni ta 'dik il-varjabbli każwali. Pereżempju, jekk irrombla die b'sitt naħat, il-valur każwali Xe {1,2..6} jirreferi għar-romblu tad-die qabel ma tħares lejha għax f'dak il-punt tkun taf biss il-probabbiltà tas-sitt valuri tagħha, iżda darba. tara d-die roll, huwa valur deterministiku xE {1,2....,6}.

Ħalli A jkun antiġenu każwali miġbud minn xi distribuzzjoni ta' probabbiltà kondizzjonali PA~ja li tiddependi fuq l-antiġen attwali a, u timmudella l-probabbiltà ta' mutazzjonijiet futuri possibbli għal a u l-probabbiltà li tali mutazzjoni tiġi ppreżentata lill-organiżmu ospitanti fil-ħajja ta' ċelluli B tal-memorja magħżula matul ir-rispons immuni għal a. Jekk ċellula B tal-memorja waħda biss tkun meħtieġa għal rispons sekondarju, ġeneralizzazzjoni loġika ta '(1) tkun li tagħżel ċellula B tal-memorja li, bħala medja, ikollha affinità għolja għall-antiġen A mutat każwali.

Jekk il-mutazzjonijiet kollha ta 'l-antiġenu a huma ugwalment probabbli u l-punteġġ ta' affinità s kien funzjoni lineari sabiħa, allura s-soluzzjoni għal (3) tista 'tkun l-istess bħal (1). Iżda nistennew li jkun hemm asimetrija sostantiva fil-probabbiltà ta 'mutazzjoni ta' antiġeni differenti, għalhekk nistennew li s-soluzzjoni għal (3) tkun differenti mis-soluzzjoni għal (1). Dan huwa l-istess prinċipju bħal fil-kwotazzjoni famuża ta’ Wayne Gretzky dwar il-hockey, jien niskate fejn se jkun il-puck, mhux fejn kien

Fig. 2 turi l-kriterju f'(4), li turi li d-diversità fiċ-ċelluli B tal-memorja tgħin biex tkopri l-ispazju ta 'mutazzjonijiet probabbli tal-antiġen oriġinali a. Il-kriterju (4) jassumi għażla fissa ta 'N, imma jekk tista' wkoll tottimizza (4) għal N, allura dejjem tippreferi numru akbar N ta 'ċelluli B tal-memorja. Madankollu, hemm ukoll pressjoni 'l isfel fuq N minħabba r-riżorsi fiżiċi meħtieġa biex jinħażnu u jinżammu dawk iċ-ċelloli, u pressjoni tal-ħin qabel ma l-antiġen jitmermer 'il bogħod. Aħna nenfasizzaw mill-ġdid li aħna mhux hypothesizing li l-memorja B ċelluli nfushom jippruvaw jottimizzaw (4), aktar milli evoluzzjonarji pressjonijiet kienu jippreferu memorja B proċessi ta 'ġenerazzjoni taċ-ċelluli li ottimizzati (4).

3.4. Ottimizzazzjoni għat-taħriġ tal-bidu sħun għal antiġen mutat

Aħna ma jfissirx li jissuġġerixxu li l-memorja ċelluli B direttament jottimizzaw (5), iżda pjuttost li l-pressjonijiet evoluzzjonarji jista 'jkollhom preferuta memorja B ċelluli proċessi ta' għażla li jottimizzaw aħjar (5). L-għan (4) u l-għan (5) probabbilment se jkollhom soluzzjonijiet ottimali differenti skont il-probabbiltà ta’ mutazzjonijiet differenti tal-antiġenu u ċ-ċelluli B, għalkemm l-istess proċess ta’ għażla taċ-ċelluli B tal-memorja euristika jista’ jagħmel pjuttost tajjeb fiż-żewġ għanijiet. Għadu mhux magħruf kemm iċ-ċelluli B tal-memorja huma importanti għat-taħriġ taċ-ċelluli B tal-plażma b'rispons sekondarju f'ċentri ġerminali, iżda xi evidenza turi li ċ-ċentri ġerminali tar-rispons sekondarju huma magħmula minn aktar ċelluli B naive milli wieħed jista' jistenna (Mesin et al., 2020 ).

3.5. Għaliex iċ-ċelloli B tal-memorja mhumiex kopji taċ-ċelloli B tal-plażma?

Kemm (4) kif ukoll (5) jidhru li jeħtieġu għarfien tad-distribuzzjoni tal-probabbiltà PA~ ta' mutazzjonijiet differenti li l-antiġen jista' jgħaddi, u d-distribuzzjoni tal-probabbiltà PMK ðbÞ ta' ċellula B mutata wara mutazzjonijiet K. Madankollu, għal ħafna għażliet simmetriċi ta 'PA~ u PMK ðbÞ, id-distribuzzjonijiet eżatti jistgħu ma jimpurtax ħafna: is-sistema immunitarja tista' tikseb soluzzjoni approssimattiva tajba għal (4) u (5) billi sempliċement tagħmel kopji taċ-ċelluli B tal-memorja tal-plażma. Ċelloli B; ma jidhirx li hemm xi restrizzjoni bijokimika li tipprevjeni replikazzjoni eżatta. Madankollu, iċ-ċelloli B tal-memorja fil-fatt jidhru li huma magħżula b'mod differenti miċ-ċelloli B tal-plażma. Aħna nippreżentaw żewġ ipoteżijiet għaliex.

L-ewwel ipoteżi tagħna kienet diġà introdotta f'Sezzjoni 3.3 u Fig.2: minħabba li s-sistema immunitarja tasal tagħżel sett ta 'ċelluli B tal-memorja f'(4), iħallas li jkun hemm aktar diversità fiċ-ċelluli B tal-memorja milli wieħed iġib billi tikkopja l-plażma. Ċelloli B. Iċ-ċelloli B tal-plażma għandhom tendenza li jkunu inqas diversi minħabba li huma mħarrġa biex jottimizzaw (1), li anke b'diversi minimi lokali fil-forma ta 'sðb; aÞ se jillimitaw id-diversità tagħhom. Iċ-ċelloli B tal-memorja huma aktar diversi miċ-ċelloli B tal-plażma minħabba li jintgħażlu aktar kmieni fil-proċess ta 'maturazzjoni. Aħna nemmnu li din id-diversità hija importanti biex tiġi ottimizzata l-affinità mal-antiġen mutat skont (5) minħabba li l-funzjoni tal-affinità vera s hija funzjoni mhux lineari ħafna tas-sekwenzi tal-aċidu amminiku ta 'ċellula B b u antiġen a li jirriżultaw minn proprjetajiet bijokimiċi kumplessi u fiżiċi strutturi ta’ serratura u ċavetta (Carneiro u Stewart, 1994; Kilambi u Gray, 2017; Ambrosetti et al., 2020)

It-tieni ipoteżi tagħna hija li l-għan tal-bidu sħun (5) għaċ-ċentri ġerminali sekondarji mhuwiex ottimizzat tajjeb b'kopja tas-sett taċ-ċelluli B tal-plażma minħabba li hemm evidenza li l-probabbiltajiet PMjb tal-mutazzjonijiet każwali taċ-ċelluli B f'SHM huma asimmetriku: ċerti mutazzjonijiet taċ-ċelluli B huma ħafna aktar probabbli minn oħrajn. Dan jagħmel xi ċelluli B punt tat-tluq aktar flessibbli għal bidu sħun miċ-ċelluli B tal-plażma oriġinali, li jista 'jkollhom problemi biex jimmutaw biex jaqblu mal-antiġen il-ġdid. Evidenza għal PMjb asimmetriku hija li ħafna riċerkaturi nnutaw immirar preferenzjali AID ta 'motifi speċifiċi (Martin et al., 2015; Stavnezer, 2011; Chen and MacCarthy, 2017; Keim et al., 2013). Billi l-mutazzjonijiet, b'definizzjoni, jibdlu s-sekwenza speċifika li l-AID timmira, huwa raġonevoli li wieħed jiddeduċi li l-ewwel mutazzjoni ta 'dan il-post hija aktar faċli minn dawk futuri. Ladarba s-sekwenza tinbidel, AID huwa inqas probabbli li timmira dan il-post. B'mod ġenerali, l-immirar preferenzjali tal-AID jagħmilha aktar diffiċli għal dan ir-reġjun biex jimmut aktar jew ireġġa' lura għas-sekwenza oriġinali.

Din l-assimetrija fil-probabbiltà li tiċċaqlaq madwar l-ispazju taċ-ċelluli B kollha permezz ta’ mutazzjonijiet matul AM toħloq skonnessjoni bejn l-objettiv taċ-ċelluli B tal-plażma (1) u l-objettiv li tkun soluzzjoni tajba ta’ bidu sħun għat-taħriġ futur taċ-ċelluli B tal-plażma skont (5). ). Speċifikament, ċellula B tal-plażma setgħet għamlet ħafna mutazzjonijiet diffiċli biex ireġġgħu lura biex tottimizza (1) għall-antiġen attwali a. B'kuntrast, iċ-ċelluli B tal-memorja magħżula jidhru li mhumiex ottimizzati biżżejjed biex iwaħħlu l-antiġen attwali a, iżda aħna ipoteżi li jistgħu jimmodifikaw aktar faċilment f'rispons sekondarju AM biex joqogħdu aħjar l-antiġen każwali A ~. B'mod ġenerali, ninnotaw li kemm l-għanijiet (1), (4), u (5) jallinjaw jiddependi fuq is-simetrija ta 'PA~; PMjb, u n-nonlinearity ta' s.

4. Simulazzjonijiet

Aħna nużaw l-algoritmu AM (Algoritmu 1) biex jimmudellaw kif iċ-ċelluli B tal-plażma u ċ-ċelluli B tal-memorja huma mħarrġa u nuru permezz ta 'żewġ simulazzjonijiet li ċ-ċelluli B tal-memorja simulati huma aħjar miċ-ċelluli B simulati tal-plażma fl-ottimizzazzjoni tal-objettivi ipoteżiti tagħna (4) u ( 5), b'hekk tipprovdi evidenza li dawn l-għanijiet huma bijoloġikament raġonevoli. Aħna l-ewwel nuru l-mekkaniżmi tal-maturazzjoni tal-affinità f'reazzjonijiet immuni primarji simulati, imbagħad inqabblu kundizzjonijiet inizjali potenzjali differenti għal risponsi immuni sekondarji simulati.

Dawn is-simulazzjonijiet ma jagħtux kont għall-kwistjonijiet kollha tad-dinja reali li qed jilagħbu, bħal li mutazzjoni virali m'għandhiex tagħmel ħsara lill-funzjonalità tal-virus, u l-kwistjonijiet deskritti f'2.3. Minkejja dawn il-limitazzjonijiet, aħna nargumentaw li dawn is-simulazzjonijiet jaqbdu ħafna mill-kwistjonijiet ewlenin meħtieġa biex juru li l-għanijiet ipoteżiti tagħna huma konsistenti mad-differenza fit-taħriġ taċ-ċelluli B tal-plażma u tal-memorja. Kodiċi komplut għas-simulazzjonijiet tagħna se jkun disponibbli fuq talba.

4.1. Twaqqif ta' simulazzjoni

Is-simulazzjonijiet tagħna jsegwu l-Algoritmu 1 għall-proċess AM. Inizjalizzaw repertorju taċ-ċelluli B naive (10,000 ċelluli) b'riċetturi taċ-ċelluli B li huma rappreżentati minn sekwenza każwali ta' 10-50 aċidi amminiċi, fejn kull aċidu amminiku jinġibed b'mod uniformi fuq l-ispazju ta' 61 mhux. -stop codons (ħolqien ta 'distribuzzjoni mhux uniformi fuq l-aċidi amminiċi). Aħna nissimulaw l-antiġeni bħala sekwenzi derivati ​​minn sekwenzi antiġeniċi magħrufa ta 'ovalbumin tat-tiġieġ, ħalib bovin u qamħ (Honma et al. 1996; Liu and Sathe, 2018). Kull sekwenza antiġenika hija twila 17-il aċidu amminiku għall-konsistenza. Aħna nissimulaw il-metrika ta 'affinità bejn ċellula B u l-antiġen bl-użu tal-funzjoni standard ta' allinjament lokali MATLAB, li ssib l-allinjament ottimali bejn żewġ sekwenzi billi tuża l-matriċi BIOSUM50 u tirritorna punteġġ li jirrifletti kemm huma simili żewġ sekwenzi f'dan l-allinjament Henilkoff u Henikoff, 1992. Aħna nużaw dan il-punteġġ bħala kejl ta 'affinità bejn ir-riċettur taċ-ċelluli B u l-antiġen għas-sempliċità, iżda innota li hija biss approssimazzjoni approssimattiva tal-kompatibilità strutturali aktar kumplessa bejn ir-riċettur taċ-ċelluli B u antifona.

Mutazzjonijiet taċ-ċellula B matul AM huma mmudellati fl-ispazju tal-kodon, fejn kodoni tar-riċettur taċ-ċellula B huma sostitwiti b'waħda mill-61 possibbiltajiet tal-kodon. Filwaqt li SHM jibdel iċ-ċelluli B fuq livell ta 'nukleotidi wieħed, ix-xogħol fl-ispazju tal-kodon jipprevjeni l-kumplikazzjoni miżjuda tal-iffiltrar ta' sekwenzi ta 'riċetturi taċ-ċelluli B bla sens. Minbarra s-sostituzzjoni tal-kodoni, il-kodoni fis-sekwenzi tar-riċetturi taċ-ċelluli B jistgħu jiddaħħlu jew jitħassru. Inserzjonijiet u tħassir huma inqas probabbli li jseħħu minn skambju għal kodon ieħor, ibbażat fuq ir-rati ta 'kull tip ta' mutazzjoni osservata fil-bnedmin (Gibbs et al., 2003; 1000 Genomes Project Consortium et al., 2015; Zia and Moses, 2011). Il-kodoni li jiddefinixxu kull riċettur taċ-ċelluli B jintgħażlu biex jimmutaw bl-addoċċ, iżda nisimulaw il-kodoni li fihom C cytosines biex ikunu C + 1 darba aktar probabbli li jiġu mutati minn kodoni mingħajr ċitosina, li jirriflettu preġudizzji bijoloġiċi għal motivi ta 'sekwenza tan-nukleotidi (Martin et al. , 2015; Stavnezer, 2011; Chen u MacCarthy, 2017; Keim et al., 2013). Aħna nimponnu wkoll preġudizzju ta 'tranżizzjoni bejn il-kodoni, li jagħmlu xi tpartit aktar probabbli minn oħrajn ibbażati fuq matriċi ta' mutabbiltà derivata mill-matriċi BLOSUM50 (Henikoff u Henikoff, 1992; Veerassamy et al., 2003).

Għas-simulazzjoni inizjali tagħna ta’ rispons immuni primarju adattiv għal antiġen (rispons primarju), aħna nagħżlu b’mod każwali 50 ċellula B naive mir-repertorju taċ-ċelluli B mill-ewwel 1,000 mill-10,000 naive. Repertorju taċ-ċelluli B f'termini ta' affinità għall-imsemmi antiġen. Dan jirrifletti r-reklutaġġ ta 'ċelluli B naive b'xi affinità parzjali minn ċelloli TFH għal ċentri ġerminali (Mesin et al., 2016; Tas et al., 2016). Dawn il-50 ċellula B 'fundatur' huma mbagħad duplikati 20 darba biex jiffurmaw popolazzjoni taċ-ċentru ġerminali ta' ċellula 1,000, li tirrifletti l-perjodu ta' tkabbir tal-formazzjoni taċ-ċentru ġerminali (Amitai et al., 2017). Għal kull iterazzjoni tas-simulazzjoni, jintgħażlu 50 ċellula B għall-proliferazzjoni u 50 ċellula B jintgħażlu għat-tneħħija. Iċ-ċelluli B ta 'affinità ogħla għandhom probabbiltà ta' għażla ogħla għall-proliferazzjoni, filwaqt li ċelluli B ta 'affinità aktar baxxa għandhom probabbiltà ta' għażla ogħla għat-tneħħija. Iċ-ċelloli B magħżula għall-proliferazzjoni huma duplikati u mutati, li jissostitwixxu ċ-ċelloli B kollha magħżula matul din l-iterazzjoni. Dan il-proċess jimita l-apoptosi ta 'ċelluli B ta' affinità baxxa minn nuqqas ta 'għajnuna taċ-ċelluli TFH u proliferazzjoni ta' ċelluli B b'affinità għolja wara li jkunu magħżula minn ċelluli TFH. Dawn il-mutazzjonijiet għandhom il-possibbiltà li jżidu, jonqsu, jew ma jkollhom l-ebda effett fuq l-affinità tar-riċetturi taċ-ċelluli B. Aħna nimponu wkoll restrizzjonijiet li fuqhom jistgħu jseħħu mutazzjonijiet fuq iterazzjoni partikolari, li jissimulaw proċess ta 'għażla negattiv minħabba mutazzjonijiet ta' ħsara jew potenzjalment perikolużi. Dan il-proċess kollu jirrepeti aktar minn 100 iterazzjoni.

Bħala bażi għaż-żewġ Simulazzjonijiet 1 u 2, aħna estratt 50 ċellula matul l-ewwel nofs tas-simulazzjoni tar-rispons primarju tagħna bħala ċ-ċelluli B tal-memorja simulata Iċ-ċelluli jintgħażlu b'mod każwali mill-ogħla 25 perċentil taċ-ċelluli B taċ-ċentru ġerminali. 50 ċellula oħra huma magħżula fl-aħħar nett tar-rispons primarju biex jirrappreżentaw ċelluli B tal-plażma, fejn dawn iċ-ċelluli juru l-ogħla 50 punteġġ ta 'affinità għall-antiġen. Dan jirrifletti devjazzjoni żgħira mill-Algoritmu 1, peress li ma nafux il-limitu ta priori. Aħna nistabbilixxu t għar-rispons sekondarju bbażat fuq l-affinità taċ-ċelloli tal-plażma magħżula fl-aħħar tar-rispons primarju. Kif mistenni, iċ-ċelluli B tal-memorja simulata għandhom affinità ġenerali aktar baxxa għall-antiġen meta mqabbla maċ-ċelluli B tal-plażma, iżda ogħla mis-sett inizjali ta 'ċelluli B naive.

Il-mutazzjonijiet simulati tagħna tal-antiġen għar-rispons sekondarju huma derivati ​​minn skambju każwali uniformi ta' kwalunkwe kodon għal kwalunkwe ieħor (inkluż possibbilment innifsu, jiġifieri no-op), li joħloq distribuzzjoni mhux uniformi fuq l-aċidi amminiċi bħala xi aċidi amminiċi huma kkodifikati minn kodoni multipli. Mutazzjonijiet ta 'l-antiġen jistgħu jinkludu wkoll inserzjonijiet jew tħassir ta' kodon, bi probabbiltà ugwali għal kwalunkwe kodon.

4.2. Simulazzjoni 1:Affinità għal antiġen mutat

Infezzjoni sekondarja tista' tinvolvi antiġenu li jkun ġie mutat jew antiġenu li huwa simili għal patoġenu relatat. Aħna nissimulaw il-bidliet fl-antiġen mill-infezzjoni primarja għal dik sekondarja billi nikkawżaw mutazzjonijiet avversarji fis-sekwenza antiġenika tagħna. L-ewwel, niġġeneraw 1,000 mutazzjonijiet każwali uniformi tas-sekwenza tal-antiġen a. Il-mutazzjonijiet każwali jistgħu jkunu skambju ta 'kwalunkwe aċidu amminiku ma' kwalunkwe aċidu amminiku ieħor, inserzjoni ta 'kwalunkwe aċidu amminiku, jew tħassir ta' aċidu amminiku. Minn dawk il-mutazzjonijiet kandidati, inżommu dik li għandha l-inqas affinità medja (l-agħar każ) għas-sett ta '50 ċellula B tal-plażma mir-rispons primarju, biex nirriflettu li infezzjoni sekondarja potenzjalment perikoluża x'aktarx tkun minn mutazzjoni aktar ta' sfida. Aħna nirrepetu dan il-proċess każwali għal total ta' K darbiet biex nipproduċu antiġen b'mutazzjonijiet K. Aħna nieħdu dak l-antiġenu avversarju bħala r-realizzazzjoni tal-agħar każ ta' P; mill-mutazzjonijiet kandidati.

Aħna mbagħad nittestjaw il-popolazzjonijiet differenti taċ-ċelluli B bl-għan ipotetizzat ta' (4). Fig.3 turi l-affinità medja bejn antiġeni dejjem aktar mutati (ovalbumin tat-tiġieġ, ħalib tal-ifrat, u qamħ) b'mutazzjonijiet K=1.... 10 għal popolazzjonijiet ta 'ċelluli differenti fl-aħħar tar-rispons primarju kellu medja ta' aktar minn 100 ġirja indipendenti (Honma et al,1996; Liu and Sathe,2018). Fig 3 turi li ċ-ċelluli B simulati tal-plażma tagħna huma l-aħjar għażla biex timmassimizzaw(4) għal numru żgħir ta 'mutazzjonijiet avversarji, iċ-ċelluli B simulati tal-memorja tagħna huma l-aħjar għażla bejn ~2-6 mutazzjonijiet, u ċ-ċelluli B naive huma l-aħjar wara ħafna mutazzjonijiet (7 plus ). Is-simulazzjonijiet tagħna huma ssimplifikati wisq biex il-punti ta 'tranżizzjoni speċifiċi jkunu sinifikanti, iżda aħna nargumentaw li jipprovdu evidenza qawwija li ċ-ċelloli B tal-plażma x'aktarx mhumiex l-aħjar għall-identifikazzjoni ta' anti-ġeni sostanzjalment mutati. Dan jista' jissuġġerixxi wkoll li hemm xi reġjun fl-ispazju tal-mutazzjoni fejn iċ-ċelluli B tal-memorja huma aktar utli miċ-ċelluli B tal-plażma jew iċ-ċelluli B naive bħala kundizzjoni inizjali għal rispons sekondarju.

Aħna nipoteżi li l-fatt li ċ-ċelloli B tal-plażma mhux dejjem ikollhom l-ogħla affinità għal antiġeni mutati huwa mmexxi mid-diversità akbar taċ-ċelloli B tal-memorja u taċ-ċelloli B naive. Filwaqt li l-mutazzjonijiet iseħħu fl-ispazju tad-DNA, id-diversità rilevanti hija fl-ispazju fiżiku u bijokimiku mhux lineari li jirriżulta li jiddefinixxi l-affinità għall-antiġen. Il-kejl bejn wieħed u ieħor tad-diversità taċ-ċelluli B f'kull popolazzjoni bl-użu tas-similaritajiet BLOSUM f'kull sett juri differenzi sostanzjali ta' diversità, biċ-ċelluli B tal-plażma għandhom xebh medja fi ħdan is-sett ta' BLOSUM ta' 46, iċ-ċelluli B tal-memorja għandhom medja ħafna aktar baxxa fi ħdan is-sett. Xebh BLOSUM ta '~27, u ċ-ċelluli B naive li għandhom xebh BLOSUM saħansitra aktar baxx fi ħdan is-sett ta' ~9 (minn rispons primarju rappreżentattiv).

4.3. Simulazzjoni 2: Mutazzjonijiet meħtieġa għat-taħriġ taċ-ċelluli B fil-plażma b'rispons sekondarju

F'din is-simulazzjoni, inqabblu kemm it-tliet tipi ta 'ċelluli B jaħdmu tajjeb bħala żrieragħ għaċ-ċentru ġerminali tar-rispons sekondarju. Aħna nimitaw taħriġ ta 'rispons sekondarju ta' sett ġdid ta 'ċelluli B tal-plażma ottimizzati għal affinità għolja għal antiġen mutat (deskritt fis-Simulazzjoni 1). Aħna inizjalizzaw l-ottimizzazzjoni taċ-ċelluli B tal-plażma tar-rispons sekondarju b'waħda minn tliet għażliet: (i) iċ-ċelluli B tal-plażma N=50 ġġenerati fir-responsabbiltà primarja għall-antiġen oriġinali a, (ii) il-memorja N=50 Ċelloli B iġġenerati fir-responsabbiltà primarja għall-antiġen oriġinali a, jew (i)N=50 ċelluli B naive. Aħna timla ċ-ċentru ġerminali b'mod identiku għar-rispons primarju, billi nużaw it-tliet settijiet ta '50 ċelluli B bħala ċelloli fundaturi ġodda tagħna. Bħal fir-rispons primarju, iċ-ċelluli B naive huma każwali iżda magħżula biex ikollhom xi affinità inizjali għall-antiġen issa mutat biex jissimulaw ir-reklutaġġ għaċ-ċentru ġerminali. Kull wieħed minn dawn it-tliet ċentri ġerminali tar-rispons sekondarju jgħaddi minn AM b'mod identiku għar-rispons primarju.

Fig.4 huma eżempji rappreżentattivi ta 'simulazzjonijiet ta' rispons sekondarju multipli, minħabba l-istess rispons primarju u l-istess mutazzjonijiet K=1.....10 fuq l-antiġenu tal-ħalib bovin (Liu and Sathe, 2018) . Speċifikament, turi l-affinità medja taċ-ċelluli ta 'affinità ta' l-ogħla 0.05 fil-mija fuq 100 iterazzjoni f'risponsi sekondarji.Fig.4 jenfasizza li għal mutazzjoni ta 'antiġen waħda jew tnejn biss, iċ-ċelluli B tal-plażma għandhom it-tendenza li jkollhom l-ogħla affinità inizjali għall-antiġen mutat. Għal tliet mutazzjonijiet avversarji jew aktar, ċelluli B naive u tal-memorja huma kundizzjonijiet inizjali aħjar għar-rispons sekondarju miċ-ċelluli B tal-plażma tar-rispons primarju, u jilħqu affinità ta 't f'inqas iterazzjonijiet (Fig.4 u 5).Fig.4 twassal ukoll. kif iċ-ċelluli B naive tar-rispons sekondarju reklutati għandhom it-tendenza li jkollhom affinità inizjali ogħla għall-antiġen mutat minn jew iċ-ċelluli B tal-plażma tar-rispons primarju jew iċ-ċelluli B tal-memorja ladarba l-antiġen ikun ġie mutat biżżejjed. Dan kien mistenni, iżda konna sorpriżi b'kemm ftit mutazzjonijiet ħadu biex iċ-ċelluli B naive jkollhom l-ogħla affinità fl-ewwel iterazzjoni tar-rispons sekondarju. Jiġifieri. għal relattivament ftit mutazzjonijiet tal-kodon fl-antiġen il-ġdid, insibu evidenza empirika li ż-żerriegħa ta 'rispons sekondarju b'ċelluli B primarjament mir-repertorju naive hija strateġija vantaġġuża. Ma konniex kapaċi jissimulaw reġjun fl-ispazju ta 'mutazzjoni fejn iċ-ċelluli B tal-memorja mir-rispons primarju b'mod konsistenti kellhom l-ogħla affinità fl-ewwel iterazzjoni tar-rispons sekondarju, x'aktarx minħabba varjazzjoni konsiderevoli bejn risponsi sekondarji simulati.

Bl-istess mod, Fig. 5 turi n-numru medju ta 'iterazzjonijiet għal plażma, memorja, u ċelluli B naive biex jilħqu t simulazzjonijiet ta' rispons sekondarju ġenerali għat-tliet antiġeni kollha. In-numru ta' iterazzjoni, fejn jintlaħaq il-limitu t, huwa medjat fuq is-simulazzjonijiet kollha tar-rispons sekondarju għal 50 simulazzjoni indipendenti tar-responsabbiltà primarja għal kull antiġen. Għal darb'oħra, is-simulazzjonijiet tagħna ma wrewx reġjun ta 'spazju ta' mutazzjoni fejn iċ-ċelloli B tal-memorja kienu konsistentement l-aħjar kundizzjonijiet ta 'bidu sħun. Sibna li dan jippersisti f'diversi rfinar tas-simulazzjoni tagħna, li jissuġġerixxi li din is-sejba tista' ma tkunx artifatt ta' simulazzjoni oħxon wisq. Aħna nipoteżi li dan huwa dovut għall-għażla ta 'ċelluli B naive għaċ-ċentru ġerminali sekondarju li jkun preġudikat biex ikollu xi affinità inizjali għall-antiġen mutat (kif deskritt fis-simulazzjoni tar-rispons primarju). Jiġifieri, ċelluli B naive f'Fig. 4 jintgħażlu għal affinità inizjali għal a, filwaqt li ċelluli B tal-memorja u plażma derivati ​​minn ċelluli B naive jintgħażlu biex ikollhom xi affinità inizjali għall-antiġen oriġinali a (Fig.3). Inizjalment issuspettajna li l-preġudizzju ta 'affinità tagħna għall-għażla ta' ċelluli naive kien qawwi wisq, iżda kemm iċ-ċelluli B naive kif ukoll il-memorja huma rreklutati simultanjament f'ċentri ġerminali sekondarji reali biex ikollhom l-aħjar ċans li joħolqu ċelluli B ġodda tal-plażma. Fil-fatt, evidenza sperimentali reċenti tissuġġerixxi li ċ-ċentri ġerminali ta 'rispons sekondarju huma magħmula minn aktar ċelluli B naive milli kien maħsub qabel (Mesin et al, 2020). Huwa possibbli wkoll li hemm reġim ta 'mutazzjoni ta' antiġenu li għalih iċ-ċelluli B tal-memorja huma tabilħaqq aktar effettivi minn ċelluli B naive għal bidu sħun, iżda li s-simulazzjonijiet tagħna ma kinux realistiċi biżżejjed biex jaqbduh.

Aħna ninnotaw li s-simulazzjonijiet ta 'rispons sekondarju ħafna drabi jieħdu aktar minn 100 iterazzjoni biex jilħqu l-limitu ta' affinità t mis-simulazzjoni primarja korrispondenti tagħhom. Meta nikkalkulaw in-numru medju ta 'iterazzjonijiet biex jilħqu t f'Fg.5, aħna nissettjaw dawn il-każijiet għan-numru massimu ta' iterazzjoni ta '100. Aħna ipoteżi li dan il-fenomenu jseħħ minħabba li l-mutazzjonijiet avversarji ta' d jistgħu joħolqu problema aktar diffiċli għaċ-ċentru ġerminali simulat issolvi. Jiġifieri, il-mutazzjonijiet jistgħu jkunu preġudikati speċifikament lejn żoni dgħajfa potenzjali fl-ispazju tal-probabbiltà tal-mutazzjoni bħala riżultat tal-għanijiet tas-sopravivenza tal-antiġenu stess.

5. Konklużjonijiet u mistoqsijiet miftuħa

Aħna ipoteżijna li r-rwol doppju taċ-ċelloli B tal-memorja jista' jinqabad minn żewġ għanijiet(4) u (5) u li dawn l-għanijiet ma jkunux ottimizzati daqshekk tajjeb billi jiġu kkupjati ċelloli B tal-plażma li huma mħarrġa għal(1), minħabba tagħhom iwaħħal iżżejjed l-antiġen oriġinali. Is-simulazzjonijiet tagħna, filwaqt li huma limitati, jipprovdu evidenza qawwija li ċ-ċelluli B tal-plażma ma jottimizzawx(4)jew(5)ladarba l-antiġen għadda minn mutazzjonijiet avversarji suffiċjenti. Aħna nemmnu li din is-sotto-ottimalità taċ-ċelluli B tal-plażma kontra antiġeni mutati tipprovdi rwol għall-mekkaniżmi ta 'għażla differenti użati għaċ-ċelluli B tal-memorja.

Is-simulazzjonijiet tagħna juru firxa limitata ta' mutazzjonijiet tal-antiġeni li fuqhom iċ-ċelluli B simulati tal-memorja tagħna jistgħu jkunu ottimali; għal mutazzjonijiet sostanzjali, nuru li ċ-ċelluli B naive każwali jistgħu jaħdmu saħansitra aħjar. Bijoloġikament, din il-konklużjoni hija sostnuta minn sejbiet reċenti dwar risponsi immuni adattivi sekondarji, fejn iċ-ċelluli B naive jiffurmaw il-maġġoranza l-kbira taċ-ċelluli B f'ċentri ġerminali sekondarji (Mesin et al, 2020). Minflok, iċ-ċelluli B tal-memorja spiss jintużaw biex jiddifferenzjaw direttament f'ċelluli B tal-plażma, aktar milli jgħaddu minn aktar ipermutazzjoni somatika (Mesin et al, 2020). Iċ-ċelluli tal-plażma B huma soluzzjoni ta 'darba u huma tajbin ħafna għall-anti-ġen attwali ta' interess. Iċ-ċelloli B tal-memorja jipprovdu soluzzjoni aktar approssimattiva għall-antiġen attwali, li jinżamm fil-ġisem biex jagħraf antiġeni futuri b'karatteristiċi simili. Jekk antiġen tal-futur ikun tant differenti minn dak li kien iltaqgħet qabel mis-sistema immuni li l-ebda ċellula B tal-memorja ma tista 'tidentifikah, tiġi ffurmata soluzzjoni ġdida mill-bidu bl-użu ta' ċelluli B naive.

Iċ-ċelloli B tal-memorja għandhom żewġ rwoli, kemm jiddifferenzjaw f'ċelloli B tal-plażma kif ukoll jibdew mill-ġdid ċentri ġerminali, iżda dawn ir-rwoli jistgħu jkollhom sottopopolazzjonijiet distinti (Dogan et al.2009; Weisel and Shlomchik, 2017). Dawn is-sottopopolazzjonijiet distinti ta 'ċelluli B tal-memorja setgħu rriżultaw minn proċessi AM distinti, jew bidliet fil-proċess AM matul il-medda ta' żmien AM li aħna ma mmudellajniex b'mod espliċitu fl-Algoritmu 1 tagħna (Weisel et al, 2016). Għalhekk iż-żewġ għanijiet taċ-ċelluli B tal-memorja tagħna f'(4) u (5) jistgħu japplikaw għal popolazzjonijiet indipendenti taċ-ċelluli B tal-memorja. Hawnhekk investigajna mudell simplifikat, fejn iċ-ċelluli B tal-memorja kienu kkunsidrati bħala grupp unifikat. Madankollu, ma konniex kapaċi nuru permezz ta 'simulazzjonijiet reġim li fih iċ-ċelluli B tal-memorja kienu b'mod ċar aħjar minn ċelluli B naive sekondarji biex jerġgħu jibdew ir-rispons ġerminali sekondarju. Ir-riżultati tagħna jissuġġerixxu li dan il-kompitu ta 'inizjalizzazzjoni mill-ġdid jista' jkun rwol aktar dgħajjef jew rari taċ-ċelluli B tal-memorja. Dawn ir-riżultati jallinjaw ma 'evidenza sperimentali reċenti li ċ-ċelloli B tal-memorja nnutati bl-istess mod kienu inqas prevalenti f'ċentri ġerminali sekondarji milli kien preżunt qabel (Mesin et al., 2020). Madankollu, anki jekk iċ-ċelluli B tal-memorja mhux dejjem ikunu meħtieġa għar-rispons sekondarju, jista 'jkun li f'xi każijiet huma importanti ħafna għall-bidu sħun, li xorta jista' jeżerċita pressjoni evoluttiva fuq il-proċess tal-għażla tagħhom. Il-pressjonijiet evoluzzjonarji fuq l-għażla taċ-ċelluli B tal-memorja fin-natura mhumiex magħrufa iżda jistgħu jiġu eluċidati permezz tal-integrazzjoni ta 'simulazzjonijiet komputazzjonali u esperimenti bijoloġiċi. Il-monitoraġġ attiv tal-affinità taċ-ċelluli B waqt il-maturazzjoni tal-affinità, kif ukoll l-iskoperta ta 'meta u għaliex iċ-ċelluli GC B isiru ċelluli B tal-memorja, jistgħu jgħinu fl-iżvilupp ta' mudelli aktar preċiżi u kumplessi fil-futur.