Гуморальный иммунитет делится на клеточные В-клеточные ответы и ответы антител на уровне белка.  Высокопроизводительное секвенирование расширило наше понимание как этих фундаментальных аспектов иммунологии В-клеток, так и аспектов, относящихся к биотехнологии вакцин и анализа антител.  Масс-спектрометрия высокого разрешения (МС) позволила получить первоначальное представление о репертуаре антител.

 Гуморальный иммунный ответ обеспечивается двумя взаимозависимыми сторонами: клеточный гуморальный иммунитет с помощью В-клеток и их рецепторов (BCR) и гуморальный иммунитет на уровне белка, обеспечиваемый гликопротеинами, называемыми антителами (рисунок 1, ключевая фигура).  Комбинированные объекты BCR и антител называются иммуноглобулинами (Ig).  BCR представляют собой Ig, прикрепленные к мембране В-клеток, тогда как антитела представляют секретируемую форму Ig.

Протеомика снизу вверх позволяет молекулярное описание разнообразия репертуара антител (Ab-seq) в отношении здоровья, болезней и инфекций, лекарственной терапии и вакцинации.  Вкратце, В-клетки выделяют (например, с помощью антиген-специфической проточной цитометрии) из подходящих донорских образцов (например, крови, участков слизистой оболочки, таких как кишечник и легкие) и секвенируют (BCR-seq) для создания рецептора В-клеток (BCR  ) база данных последовательностей (БД).  Антитела выделяют, необязательно подвергают обработке, включающей фрагментацию Fab / Fc, ферментативно расщепляют до пептидов и подвергают жидкостной хроматографии (ЖХ) и тандемной масс-спектрометрии (МС / МС).

Совместная работа В-клеток и антител

Репертуар BCR определяется как набор уникальных BCR, обнаруженных в клетках линии B-клеток у данного человека, от про-B-клеток до терминально дифференцированных плазматических клеток (линия B2) или клеток B1 (линия B1 клеток).  По оценкам, взрослый человек поддерживает 108-1010 различных BCR в любой момент времени (общее количество B-клеток: 1011-1012).  Соответственно, репертуар антител определяется как совокупность белков антител, секретируемых с отдельными последовательностями, у данного индивидуума (его размер с точки зрения уникального клонального происхождения неизвестен и является основным предметом обсуждения).  Таким образом, по определению, репертуар антител является подмножеством репертуара BCR и варьируется в зависимости от динамики репертуара B-клеток и периода полужизни антител.

ASC включают плазмобласты и плазматические клетки, которые принадлежат к поздним стадиям онтогенеза В-клеток, а также клетки, продуцирующие «естественные антитела».  ASC синтезируют и секретируют несколько тысяч антител в секунду.  Скорость секреции может варьироваться в пределах 3–4 порядков.  Репертуар антител в основном разделен на отдел слизистой оболочки (например, кишечник, легкие) и системный (сывороточный) отдел.  В слизистой оболочке IgA (в основном IgA2) обычно является наиболее распространенным изотипом антител.  Однако IgA несколько реже, чем IgG, в моче, желчи, генитальном и бронхоальвеолярном секрете.  IgD можно обнаружить в носовых, слюнных, слезных и бронхоальвеолярных секретах, тогда как IgE можно измерить в назальных, бронхоальвеолярных и кишечных секретах, по крайней мере, при наличии аллергии.  Сыворотка здоровых доноров-людей преимущественно содержит три изотипа антител: IgG (~ 85%), IgA (7-15%, в основном IgA1) и IgM (~ 5%), а IgD и IgE присутствуют только в низких концентрациях (~  1%).  Период полураспада молекул антител в сыворотке составляет менее 3 недель.

Структура и функция антител

Комбинаторная перестройка сегментов генов V, (D) и J, тяжелых и легких цепей иммуноглобулинов (Ig) (VH, VL), соматическая гипермутация, а также переключение классов изотипа могут создать теоретический репертуар наивных антител> 1014  различные Igs (VH / VL, ~ 110 аминокислот в длину).  Область с наибольшим разнообразием и вариабельностью в последовательности VH и VL Ig — это соответствующая определяющая комплементарность область (CDR) 3 (CDRH3: ~ 8–20 аминокислот).  Другие области, такие как каркасные области молекулы Ig, содержат большие участки консервативных (очень похожих) подпоследовательностей, которые, как недавно было обнаружено, дополнительно диверсифицируются SNP, которые были связаны с болезнью и связыванием антигена, добавляя дополнительный уровень  сложности).  Распознавание антитело-антиген в основном опосредуется CDRH3 (VH-CDR3).

Современные знания и пробелы в знаниях в области биологии репертуара антител

Текущие пробелы в знаниях в области биологии репертуара антител, которые могут быть устранены с помощью масс-спектрометрического (МС) анализа последовательностей антител (Ab-seq), включают надежные статистические данные о клональном разнообразии и частоте (объем, VH – VL, антиген-специфический), а также степень  перекрытия геномного и протеомного репертуаров.

Основная функция антител в контексте гуморального иммунного ответа сыворотки и слизистых оболочек — это распознавание антигена, которое также способствует множеству эффекторных функций, таких как опсонизация для зависимой от антител цитотоксичности, нейтрализация мишени и регуляция кишечной микробиоты.  Вместе эти функции обеспечивают иммунологическую защиту (например, ответы на вакцины), их использование в моноклональных антителах (mAb) и сывороточную терапию инфекции, рака и аутоиммунитета, а также использование антител.  в качестве биосенсоров для медицинской диагностики ,например, тесты на антитела к ВИЧ и тяжелому острому респираторному синдрому, коронавирусу 2 (SARS-CoV-2).

  Репертуар адаптивных иммунных рецепторов (AIRR). Секвенирование на основе ДНК / РНК (AIRR-seq) теперь позволяет исследователям глубже исследовать разнообразие последовательностей BCR.  Эти исследования BCR AIRR-seq (далее BCR-seq) привели к беспрецедентному пониманию биологии B-клеток с точки зрения разнообразия последовательностей и динамики в популяциях B-клеток и иммунных состояниях, повторяя принципы адаптивного иммунитета, постулированные Бернетом полвека.  назад.  BCR-seq также способствовал прогрессу в разработке терапевтических антител и вакцин.

Хотя успехи в геномном анализе разнообразия BCR были многочисленными, разнообразие последовательностей и антиген-специфическая динамика слизистых оболочек и репертуар серологических антител остаются малоизученными.  В самом деле, хотя паттерны связывания антигена и эпитопа репертуаров антител можно оценить довольно простым способом с помощью протеомики пептидного массива и микрофлюидики, эти технологии не разрешают аминокислотную последовательность связывающих веществ и, таким образом, не подходят для профилирования (  антиген-специфическое) разнообразие последовательностей репертуаров антител.