第4章 抗原提示のしくみ

前章の復習

 第3章ではB細胞と抗体について述べた. BCR (B細胞レセプター)は細胞の“目”として機能し,二つの部位で構成されている.―つは認識部位(H鎖タンパク質とL鎖タンパク質から構成される)で,もう一つはシグナル伝達部位(Igaとlgβという二つの異なるタンパク質で構成される)である.認識部位をコードする遺伝子は,遺伝子セグメントの組合わせによって最終的に決定される.その結果,おそらくこの世に存在するあらゆる有機分子を認識できるほどの多様なレセプターをもったB細胞の集団がっくり出される.これらのレセプターが何か見つけたというシグナルを細胞内の核に伝えるためには,多数の分子が集まってクラスター化(架橋)される必要がある.この架橋によって,H鎖と結合しているIga, Igβというシグナル伝達タンパク質が寄り集まる.こうして十分なだけのiga, igpがクラスターを形成し,酵素活性化の閾隹にまで到達すると,“レセプター作動中”というシグナルがB細胞の核に送られるのである.
 ナイーブB細胞の活性化には二つの“鍵”が必要である.1番目の鍵はBCRの架橋であり,それに加えて2番目の鍵としで補助刺激”が必要である.この2番目の鍵はたいていの場合ヘルパーT細胞から供給されており,B細胞とヘルパーT細胞が接触する際に,ヘルパーT細胞表面のCD40Lと,B細胞表面のCD40が結合することで成立している.B細胞はT細胞の助けがなくても活性化することができる.このT細胞非依存的活性化が起こるためにまず必要なことは,多数のBCRが架橋されることである.この活性化は,普通,侵入者の細胞表面がBCRの結合する抗原(対応抗原)の多数のコピーで構成されているときに起こる.多くのBCRが架橋されることはT細胞非依存的なナイーブB細胞の活性化にとって必要ではあるが,それだけでは十分でない.次に補助刺激シグナルが必要である.この補助刺激ぱ危険シグナル”の形をとり,このシグナルは感染の危機が確かに存在することを知らせるものである.B細胞の活性化には二つの鍵が必要であることが,B細胞が不適切に活性化されることを防ぐ確実な安全装置となっている.
 lgMは,B細胞が初めて出会った病原体に反応して産生する最初の抗体である.しかし,B細胞が成熟するにつれて,異なるクラスの抗体, IgG, IgA, IgEが産生できるようになる.このクラススイッチは抗体の抗原結合(Fab)領域そのものは変えない.したがって抗体は,クラススイッチを起こした後も前と同じ抗原を認識する.クラススイッチによって変化するのはH鎖のFc領域である.このFc領域は抗体がどのように機能するかを決定する領域であるが,どの機能が最適なのかは侵入者の種類によって異なってくる.ここで重要なことは,クラススイッチが起こる際,B細胞の周囲にどのサイトカインが存在するかによって,どのクラスにスイッチされるかが決まるということだ.適切な部位に適切なサイトカインが産生されることによって,侵入者の性質に応じた適切なクラスの抗体がつくられるようになっているのである.
 B細胞の成熟過程で起こるもう一つの変化は体細胞高頻度突然変異である.抗体のFc領域を変化させるクラススイッチとは対照的に,体細胞高頻度突然変異は抗体のFab領域を変化させる.抗原との親和性が高いBCRをもつB細胞のほうが増殖しやすいので,体細胞高頻度突然変異によって抗原との親和性が増加したBCRをもつB細胞が最も増えていく.その結果,体細胞高頻度突然変異によって未成熟なBCRが変化し,侵入者と強固に結合できるようになったB細胞が選ばれて増殖し,蓄積されていくことになる.このようにしてアップグレードされだ’B細胞は,特に記憶細胞として役に立つ.なぜなら,親和性成熟したBCRは感受性が高いため,侵入者が再び侵入したとき,その数が少なくても早期に再活性化することができるからである.
 重要なのは,B細胞はT細胞の助けがあってもなくても活性化できるが,どちらの方法で活性化したかで後に起こることが大きく変わるということである.T細胞非依存的に活性化されると,たいていの場合,19Mが産生される.対照的に,T細胞依存的な活性化では親和性成熟したfgG, IgA, IgEが産生される.この違いの理由の一つは,クラススイッチも体細胞高頻度突然変異も,B細胞上のCD40が活性化ヘルパーT細胞表面のCD40Lと連結しなければ起こらないためである.
 B細胞は成熟する際,短命な形質細胞として多量の抗体を産生するか,あるいは長命な記憶B細胞として待機するかを決めなければならない.記憶B細胞は同一の病原体が再び攻撃してきたときに,私たちを守る抗体をつくる責任者である.

 免疫系の基本となるすべての概念の中で,最も精密で,ある意味最も意外なものが抗原提示(antigen presentation)である.それは,ある細胞がタンパク質の断片を別の細胞に提示するというものである.抗原提示は獲得免疫系の中心となる機能で,T細胞に抗原を提示する細胞,すなわち抗原提示細胞(antigen presenting cell; APC)が重要な役割を果たしている.まずは抗原提示細胞が実際に抗原を提示する“掲示板”である,クラスTとクラスUのMHC分子から概説する.

MHCクラスT分子

 現在,MHCクラスIおよびMHCクラスUの分子構造は詳細に解明されてきており,これらの分子がどのような形をしているかよくわかっている.クラス1分子には結合溝か存在するが,この結合溝は両端が閉じられており,提示するタンパク質断片(ペプチド)が溝の範囲内に収まるようになっている(いうなれば“ホットドッグのパノ,図1.9参照).実際に,クラスエ分子に捕捉されているペプチドの配列を調べてみたところ,そのほとんどがアミノ酸8〜月刊分の長さだった.これらのペプチドは両端の部分がアンカーのように溝にm定されており,長さの違いは中央付近でペプチドがばみ出しているかどうかである.
 ヒトでは,MHCはHLA(ヒト白血球抗原; human leucocyte antigen)とよけれ,6番染色体土に三つのMHCクラスIの遺伝子をもっている(HLAぺ, HLA一召,みU卜C).ヒトの6番染色体は2本あるため(父親山来と母親山来), MHCクテスIの遺伝子は合計六つあることになる.それぞれのHLAクラスIタンパク質は,β2ミクログロブリンというもう一つのタンパク質と二量体を形成して,完全なクラス1分子となる.ヒトでは,VAクラスIタンパク質をコードする遺伝子に多くの少しずつ異なった型が存在する.たとえば, HLAぺ遺伝子には少なくとも480の, HLA-召遺伝子には800の, HLAで遺伝子には260の変異型がそれぞれ存在する.これら三つの遺伝子にコードされたタンパク質はすべてほとんど同じ形をしており,数個のアミノ酸が異なるだけである.このような多くの型をもつ分子を“多型”というが, HLAクラスIタンパク質はまさにこれに当てはまる.それとは対照的にβ2ミクログロブリンタンパク質の遺伝子はすべてのヒトで同じである.
 MHCクラス1分子は多型であるがゆえにそれぞれ異なったペプチド結合部位を備えている.そのため,両端に異なる種類のアミノ酸をもつペプチドを提示することができる.たとえば,あるMHCクラス1分子は一方の端に疎水性アミノ酸をもつペプチドと結合するが,他のMHC分子ではこのアンカー部分に塩基性アミノ酸がある方が結合しやすくなっている.ヒトは最大6種類の異なったクラスT分子を発現する可能性があるため,これらのクラス1分子をすべて用いれば多様なペプチドを提示できる.さらにMHCクラス1分子は,ペプチド両端にどのようなアミノ酸があるかで結合するかとうかを決めているので,ペプチド中央部にどのアミノ酘があるかはさほど影響を与えない.以上.のように, MHCクラスエ分子は多くの異なるペプチドと結合し提示できる夙 これらのペプチドは結合溝の両端に位置する特定のアミノ酸と適合している.

MHCクラスU分子

 クラスIと同様に, MHCクラス訌分子(ヒト6番染色体の/りLA~D領域にある遺伝子にコードされている)も広い多型性をもち.ヒトでは多くの異なった型のクラスn分子が存在する.しかしながら, MHCクラス1分子とは異なり, MHCクラスu分子の結合溝は両端が開いているため,ペプチドは溝からはみ出して結合することができる.このことから予測できるように,クラスH分子と結合するペプチドはクラス1分子の結合溝を占めるペプチドより長く,13〜25アミノ酸ほどの長さがある.さらに クラスH分子の結合溝では,ペプチドのアンカー固定に重要なアミノ酸はクラス1分子のように溝の両端に存在するのではなく,溝に沿って存在している.

MHCクラスT分子による抗原提示

 MHCクラス1分子は細胞内で加工されたタンパク質断片を細胞上で提示する掲示板である.これらのタンパク質には酵素や構造タンパク質のような通常の細胞夕ンパク質もあれば,細胞に感染したウイルスや他の病原体の遺伝子にコードされていたタンパク質もある.いずれも細胞の“内在性”タンパク質である.ウイルスは感染した宿主細胞のタンパク質合成機構を利用して,自分の遺伝子から自分のウイルスタンパク質を産生する.このようなウイルス由来のタンパク質も,通常の細胞タンパク質とともにMHCクラスT分子によって提示される.要するに, MHCクラス1という掲示板は,細胞内でつくられたすべてのタンパク質の見本を展示しているのである.ヒトの体にあるほとんどすべての細胞は,数こそさまざまだが,細胞上.にMHCクラス1分子を発現している.キラーT細胞はMHCクラスIによって提示されたタンパク質断片を監視している.ほとんどすべての細胞は,ウイルスや他の病原体が細胞内に侵入しているかどうか,それによって破壊されているかとうかをキラーT細胞に検査し判断してもらえるような“開かれた本”である.ここで重要なことは,しばらくの間細胞表面に提示された後. MHC掲示板は新しく取り替えられるということである.つまり, MHCクラスIの情報は常に最新のものとなっている.
 内在性タンパク質が処理されMHCクラス1分子に搭載される方法は,非常に巧妙なものだ.細胞質でタンパク質が翻訳されるとき,ときに誤りが生じる.このような誤りによって,正常に折りたたまれない欠陥品のタンパク質が産生される.加えて,タンパク質は正常な状態でも損耗による損傷を受ける.したがって,細胞内が欠陥品のタンパク質で満たされないようにするために,古いタンパク質や不要になったタンパク質は細胞質にあるタンパク質破壊用の“装置”に投入される.この装置は本材チップを製造する“チッパー(粉砕機厂のような機能をもっている.これらのタンパク質チッパーはプロテアソーム(proteasome)とよばれ,タンパク質を小さな断片(ペプチド)にまで破砕する.これらのペプチドのほとんどはさらにアミノ酸にまで分解され,新しいタンパク質をつくる原料として再利用される.しかし,プロテアソームでっくられたペプチドの中には,牲異的な輸送タンパク質(TAP1とTAP2)によって,小胞体とよばれる袋状の細胞内小器官の内部に運び込まれるものもある。
 ひとたび小胞体内に運び込まれれば,これらのペプチドのうちいくつかは,MHCクラスエ分子の溝に搭載されるために選び出される.ここで“選び出される”と言ったのは,前述したようにすべてのペプチドが溝に適合するわけではないからである.まず,選び出されるペプチドは適切な長さ,つまりアミノ酸9佃分でなければならない.さらにペプチド両端のアミノ酸はMHCクラス1分子の溝の両端にあるアンカー固定用のアミノ酸とうまく合わなければならない.当然ながら,すべての“チップ’ペプチドがこれらの特性をもっているわけではないので,使えないペプチドは分解されるか,小胞体から細胞質へと送り返されることになる.一度MHCクラスIに搭載されたペプチドは提示されるために細胞表面へと送り出される.このように, MHCクラスバこよる提示には三つの主要な段階がある.第一段絽はプロテアブームによるペプチドの生成.第二段階はTAPトランスポーターによるペプチドの小胞体への輸送,そして第三段階けMHCクラス]:分子の溝への結合である.
 肝細胞や心筋細胞のような“通常の”細胞では,プロテアソームの主要な機能は欠陥タンパク質を処理することである.これらの細胞内チッパーはタンパク質を切り刻むのにそれほど特別な方法を用いているわけではない.単にぶつ切りにするだけだ.その結果,いくつかのペプチドはMHCによる提示に適したものになるが,ほとんどのペプチドはそうはならない.対照的に抗原提示に特化しかマクロファージのような細胞では,この“チップ製造”がランダムに行われることはない. たとえば, IFN-yがマクロファージ表面のレセプターに結合すると, LMP2,LMP7,LMP10(別名MECL1)という3種類のタンパク質の発現が増加する.これらのタンパク質は通常のプロテアソーム装置の一部を構成する別のタンパク質と置き換わる.置き換わった結果,“カスタマイズ”されたプロテアソームは,疎水性あるいは塩基性アミノ酸の次の部位でタンパク質を切断するようになる.なぜそのように切るのかというと,TAPトランスポーターもMHCクラス1分子も両方とも疎水性か塩基性のC末端をもつペプチドを好むからである.このように,抗原提示細胞においては,通常のプロテアソームがオーダーメードのペプチドをつくり出すよう匸改造され,それによってMHCクラスHこよる抗原提示の効率を上げているのである.
 プロテアソームは特定のサイズのペプチドをつくっているわけではない.そして, MHCクラスIによる提示に必要なアミノ酸は9個程度である.このことから,長過ぎたり短過ぎたりした無駄なペプチドが小胞体にあふれてしまうのではないかと思うかもしれない.しかしそうはならない.というのは,TAPトランスポーターはアミノ酸8〜↓5個分の長さをもつペプチドと最も親和性が高いからである.したがって, TAPトランスポーターはプロテアソームがつくったペプチドをふるい分け,C末端の種類が正しく,音切な長さのペプチドを選んでいる.選別されたペプチドは小胞体に輸送され,そこで,過剰なアミノ酸を酵素によってN末端から削り取られ, MHCクラスT分子に結合するサイズに調整される.
 この“切り刻んで提示する”システムの重要な点は,プロテアソームで切り刻まれるタンパク質は新しく合成された欠陥タンパク質だということである.つまり,ほとんどのタンパク質は産生された直後にMHCクラスIで提示される.タンパク質が古くなって損耗する前に切り刻まれて提示されるということは,免疫系が感染に対して迅速に対応できるということである.

MHCクラスU分子による抗原提示

 MHCクラスエ分子がキラーT細胞ロタンパク質断片を提示するように設計されている一方で,MHCクラス且分子はヘルパーT細胞仁ペプチドを提示する。そして,MBCクラスエ分子がほとんどすべての細胞心発現しているのとは対照的に,MHCクラス豆分子は免疫担当細胞匚しか発現していない.これには理由がある.というのは,クラス1分子は細胞の六部でつくられたタンパク質を専門に提示するが,これがあらゆる細胞にあるため,キラーT細胞は体中のほとんどの細胞に感染が起きていないかどうかを調べることができる.一方,クラスH分子は細胞の外部の出来事を掲示する掲小板としてヘルパーT細胞に危険を告げる機能を果たしている.したがって,この機能を果たすには,体のさまざまな環境から試料を巣めるのに十分なだけの細胞が存在すればよく,必要なクラス皿発現細胞は比較的少数で済む.
 MHCクラス皿分子は二つのタンパク質(a鎖,β鎖)で構成され,細胞質でつくられた後に小胞体に送られて,そこでインバリアント鎖(invariant chain)という3番目のタンパク質が結合する.このインバリアント鎖タンパク質にはいくつかの機能がある.一つは, MHCクラス且分子のペプチド結合溝を塞いで,小胞体内にある抗原以外のペプチドが結合しないよう匚することである.これは重要な機能である.なぜなら,小胞体の内部は, MHCクラス1分子に搭載されるためにプロテアソームで処理された内在性ペプチドで満たされているからである.これらのペプチドがクラスH分子に搭載されてしまうと, MHCのクラスIとクラス且分子が細胞内部でつくられた同一のペプチドを提示することになる. MHCクラス皿分子の目的は細胞の外部にある抗原を提示することにあるので,インバリアント鎖は“不適切な相手(内在性ペプチド厂が小胞体で間違ってMHCクラスHに拾われてしまうことがないように“付き添ぐという重要な機能を果たしている.
 インバリアント鎖の二つめの機能は。MHCクラスH分子を案内し,ゴルジ体を通過させ,細胞質匚あるエンドソーム(endosome)という特別な小胞に駐留に甘ることである。MHCクラスH分子がペプチドを搭載する場所はエンドソームの内部である.しかしここで注意しなければならないのは,生物学者はよくわからないものに“−ソーム”という“体”を意味する接尾辞を付けてよぶということである.エンドソームも例外ではなく,その内部で何か起きているのか正確にはわかっていない.
 現在考えられているのは以下のような過程である(図4.2). MHCクラスH分子が小胞体からエンドソームに移動している間,細胞外にあったタンパク質はファゴソーム(食胞)へと取込まれ,細胞内に輸送される.このファゴソームはエンドソームと融合し,エンドソーム内の酵素がファゴソームが運び込んだ外来性タンパク質をペプチドにまで切り刻んで分解する.この問,エンドソーム内の酵素はインバリアント鎖も分解するが,実際にMHCペプチド結合溝を守っている部分だけは残す.不思議なことに外来性タンパク質とインバリアント鎖はエンドソーム内の酵素によってばらばらに分解されるが, MHCクラスH分子そのものは無傷のまま残る.これはおそらく, MHC分子が巧妙に折りだたまれているため酵素がその切断箇所に到達できないからだと推測される.その一方で, HLA-DMという細胞夕ンパク質がエンドソームに到達し,インバリアント鎖のうち分解されずに残っていた部分(CLIPとよばれる)をペプチド結合溝から離す.これによってMHCクラスH分子のペプチド結合溝か露出し,外来性のペプチドが搭載できるようになる.最終的に,MHC−ペプチド複合体は提示されるため細胞表面へと輸送される.
 以上の過程はおおむね当たっていると思われるが,詳細は依然として曖昧である.しかし重要な点は,抗原の結合部位と輸送過程がMHCのクラスIとクラスnとて別々になっていることである.このように結合部位と輸送過程が分かれているため,クラス1掲示板が細胞内で何か起きているかをキラーT細胞に知らせる一方で.クラスII掲示板が細胞外で起きていることをヘルパーT細胞に伝えることができるのである.
 このようなクラスI経路とクラスII経路の分離ぱ原則”だが,ある実験条件下では,細胞外から取込まれた抗原もMHCクラス1分子によって提示されることがある.このような例外的なクラスIによる抗原提示をクロスプレゼンテーション(cross-presentation)という.現在のところ,クロスプレゼンテーションの基となるしくみは明らかになっていない.そして,通常の環境下でクロスプレゼンテーションが起こることが,ヒトの免疫系の重要な特徴なのかどうかもわかっていない。

抗原提示細胞

 キラーT細胞にせよヘルパーT細胞にせよ,機能するためには活性化されなければならない.活性化が起こるためには,T細胞は他の細胞表面でMHC分子によって提示された対応抗原を認識しなければならない.しかしそれだけでは十分ではない.2番目の補助刺激シグナルも受取らなければならないのである.ある種の細胞だけが, MHCのクラスIとクラスUの両方の分子による提示と補助刺激を行う両方の機能を備えている.これらを専門的抗原提示細胞という.
 抗原提示細胞の仕事はキラーT細胞とヘルパーT細胞を活性化することなので,これらの細胞は本来なら“T細胞活性化細胞”と名付けられるべきであった.そうすれば“通常の”細胞,つまりT細胞を活性化することはないが, MHCクラス1分子によって細胞内の抗原をキラーT細胞に提示して危険を知らせる糾胞と混同することは避けられただろう.どうしても混乱してしまうが,とにかく覚えておかなければならないことは,“抗原提示細胞”とはT細胞の活性化に必要なMHCと補助刺激分子を高いレベルで供給することのできる特別な細胞だということである.
 補助刺激シグナルはたいていの場合,抗原提示細胞表面のB7というタンパク質がT細胞表面のCD28というタンパク質に“差し込まれで伝達される。
 三つの型の抗原提示細胞が同定されている。それは。活性化樹状細乃牝活性化マクロファージ,そして活性化B細胞である。おもしろいことに これらの細汲ヘすべて骨髄で生まれ,体内のさまざまな部位匚移動する白血球であ収抗煙提示細胞として穢能するためには活性化される必要がある。新たな血液糾胞は絶えずつくられているので,抗原提示細胞も必要なだけ補給される。

活性化樹状細胞

 樹状細胞(dendritic cell; DC)は特徴的なヒトデのような形状をしており,経細胞の突起を表現するときに使われる“樹状”という言葉から名付けられた.ほんの少し前まで,この細胞は単なる珍しい細胞だと考えられていた.しかし現在では,すべての抗原提示細胞の中で樹状細胞か最も重要な細胞だとされている.なぜなら,楔状紅胞はナイーブT細胞(naive T cell)を活性化することで免疫応答を開始できるからである.以下にその働きを説明しよう.
 最初に記述された樹状細胞は匕トデのような形をしたラングルハンス細胞(Langerhans cell)で,皮膚のすぐ下の組織で発見された.しかし,それ以来,樹状縱胞は全身でくまなく見つかっている.現在では,樹状細胞か上皮細胞の障壁の下にあって,感染防御の最前線を担う j‘歩jl酊の役割を果たす細胞であることが明らかになっている.正常な組織(感染していない組織)では,樹状細胞はワインの味を検査する“ワインディスクご’のように振舞う.樹状細胞は1時間当たり自分の約4倍の量の卻|胞外液を取込むことができるが,普段は単に少量をそのまま口に含んでは吐き出しているだけである.この“休止”状態では,樹状細胞の表面にはある程度のB7分子と比較的少数のMHC分子しか発現していない.休止状態の樹状細胞は効果的な抗原提示をすることができないが,その理由は,T細胞,とりわけナイーブT細胞の活性化には強力な補助刺激とMHC−ペプチド複合体によるTCR(T細胞レセプター)の架橋が必要だからである.
 微生物の侵入があり,樹状細胞が常駐している部位が感染の戦場となったとき,樹状細胞ぱ活性化”される.現在,樹状細胞を活性化できるシグナルは2種類同定されている.一つめのシグナルは侵人者と戦っている他の免疫担当細胞や,そこで死んだ細胞から発せられるものである.たとえば,好中球もマクロファージもともに侵入者を破壊しようとするときは腫瘍壊死因子(TNF)を放出する.このサイトカインは樹状細胞を活性化できる.さらに,侵入者に殺された細胞が放出する化学物質も樹状細胞を活性化できる.
 抗原提示細胞を活性化する二つめのシグナルは,多くの侵入者に特徴的に存在する分子の“パターン”を認識する細胞レセプターによってもたらされる.この“パターン認識レセプタJ’で最もよく知られているのは町11様レセプター(Toll-like receptor; TLR) であり,今のところ,11の匕卜TLRが発見されている.このTLRのうちいくつかは樹状細胞の細胞上に発現して,細胞外にある侵入者に応答している.他のTLRは樹状細胞の内部にあって,すでに細胞内に入り込んだ侵入者を検知している.
 細胞外の侵入者を認識するTLRの一つにTLR4がある. TLR4は,樹状細胞やマクロファージが多くの隷[菌の細胞壁成分であるLPS(リポ多糖)の存在を検知するレセプターである. TLR4は抗原提示細胞の細胞膜に固定されており,細胞の外側を向いて周囲の細菌侵入者を検知している.
 侵入者が貪食されると,それらはファゴリソソームに送られ,そこで徐々に破壊される.この破壊の間に侵人者の“被覆”がはぎ取られ,その内部が明らかにされる.いくつかのTLR(TLR7,TLR9など)はこれらのファゴリソソームの膜に位置し,ウイルスや貪食された細菌の存在を細胞に知らせるために,ファゴリソソームの内腔を向いたパターン認識レセプターとして機能している. TLR7はインフルエンザウイルスやHIV-1のようなウイルス山来の一本鎖RNAを検知し, TLR9は甘菌や単純ヘルペスウイルス(HSV)由来の二本鎖DNAを認識する.
 TLRによって認識される分子パターンには二つの重要な特徴がある.一つめの特徴は,TLRは侵入者匚広《共通して存在する分子パターンを認識するのであって,ある侵入者だけにしか存在しない分子パターンを認識するわけではないということである.たとえばLPSは,多くの異なったグラム陰性菌に共通して存在する細胞壁成分であり,一本鎖RNAは多くのウイルスにみられる,したがってTLR4は,LPSをもつ多くのグラム陰性菌の侵入を検知することができるし,TLR7は一本鎖RNAの形で自らの遺伝|青報を持込むウイルスであれば多くの異なるウイルスの攻撃を細胞に知らせることができる.このように個々の侵入者に特異的に応答するBCRやTCRとは対照的にそれぞれが多くの異なる病原体を同定できるという点で,パターン認識レセプターぱ経済的”である.
 TCRに認識される分子パターンがもつ二つめの果要な特徴は.その分子パタ-ンが病原体の構造にとって非常に重茹であるため,病原体はTLRによる探知を逃れるためにその分子バターンを変異させることが簡単匚はできないということである.たとえば, TLR4はLPSを認識するが,LPSはグラム陰性菌の細胞壁を構成する分子として欠かせないものだ.したがって,TLR4に探知されないようにLPSを変異させようとしても,その細菌は大きなトラブルを抱えることになるだけだろう.

移動する樹状細飽

 樹状細胞は,感染箇所のサイトカイン,死んだ細胞が出す化学物質,パターン認識レセプターからのシグナルによって活性化されると,“ワインテイスター”のような通常の状態が劇的に変化する.活性化された樹状細胞ぱ含んでは吐き出ずことをやめ,取込んだものを“飲込び’ようになる.典型的な場合,樹状細胞は侵入者の攻撃が始まってから約6時間は感染組織にとどまって抗原を集める.その後,食作用を停止した活性化樹状細胞は,感染箇所を離れ,リンパ系を通って最も近いリンパ節に入る(図4.4).この“活性化されると移動する”能力が樹状抗原提示細胞を特別な存在にしている.
 休止状態の樹状細胞内部には多数のMHcクラスU分子が存在している.休止状態の樹状細胞が活性化し,免疫学的な“成熟”を始めると,これらの“蓄積されだMHcクラス11は感染箇所で集めた抗原を搭載しはじめる.そして,通常約1日かけてリンパ節にたどり着く樹状細胞は,これらの抗原を搭載したMHcクラスn分子を細胞表面に掲げる.リンパ節にたどり着くまでの間に,樹状細胞ではMHcクラス1分子の発現も増加している.したがって,その樹状細胞が感染箇所でウイルスに感染していれば,リンパ節に着いたときにウイルスのタンパク質断片をMHcクラス1掲示板で提示することになる.最後に,樹状細胞は移動の間にB7補助刺激タンパク質の産生を増加させる.このように,リンパ節に到着したとき,成熟した楔状細胞はナイーブT細胞を活性化させるために必要なすべてのもの,つまり,適切なペプチドを搭載したMHcのクラスIおよびクラスn分子,多量のB7タンパク質を備えていることになる.
 組織では広く抗原を“採集(サンプリング)”している樹状細胞が,リンパ節への移動を始めるど採集”を停止するのはなぜだろうか.樹状細胞ぱ’最前線”で起こっていることを“スナップ写真・’に撮り,それをナイーブT細胞が集まっているリンパ節に運ぶ.そこで,樹状細胞は`‘スナップ写真に写っている”侵入者を認識するTcRをもつナイーブT細胞を活性化する. TNFのようなサイトカインが樹状細胞をリンパ節に移動させるという事実もまた非常に合理的である.結局のところ,感染との戦いが続くかぎり,樹状細胞は成熟し,リンパ節に移動して抗原を提示するのである.
 一度リンパ節に到達した樹状細胞はわずか1週間ほどしか生存しない.これだけ短命なことは一見奇妙に感じられる.成熟した樹状細胞か,対応抗原を求めてリンパ節を巡回しているj‘正当な”ナイーブT細胞と遭遇する時間は長く取れない.しかし,抗原提示期間が短いことが,常に最新のスナップ写真を提示できる保証になっているのだ.
 樹状細胞は活性化された後,移動を始める前に特別なサイトカイン(ケモカイン)を産生する.そのサイトカインは白血球の一つである単球を血中から組織へと移動させ,樹状細胞へと分化させる.つまり,活性化した樹状細胞は自分の代わりを集めてくることができる.新しく集められた樹状郭|胞は,感染箇所の戦いが続く間,最新のスナップ写真をリンパ節に届け続けるのである.
 樹状細胞か短命なことにはもう一つの理由がある.教師が生徒を教育するときは,教師ぱj釣り合いの取れた応答”の原則に従っている.たとえば,生徒がうっかり宿題を忘れたときに1ヵ月の停学を命じるようなことはしない.そのような小さな違反にはより穏便な方法を採るだろう.同じように,免疫応答を感染の深刻さに比例させることは重要である.幸運なことに,免疫系はこのことを念頭につくられていて,樹状却|胞が短命なことで釣り合いの取れた応答が可能になっている.それを説明しよう.
 微生物の攻撃の際,活性化されるT細胞の数は,近くのリンパ節に“感染発生”というニュースを運んでくる成熟樹状細胞の数に依存している.たとえば微生物の攻撃が弱い場合,そこで戦っているマクロファージからは比較的少量のサイトカインしか産生されず,抗原という積み荷を積んだ樹状細胞も少ししか送り出されない.そして,一度リンパ節にたどり着いた樹状細胞は短期間しか生きられず,限られた数のT細胞だけしか活性化されないが,それでも侵入してきた少数の微生物に対処するのに十分なのである.一方で,感染が深刻な場合は大量のサイトカインが産生され,多数の樹状細胞が活性化されて近くのリンパ節に移動してくる.そしてさらに多数の樹状細胞か血液中から召集され,多数のT細胞が活性化される.樹状細胞は短命なため,そのときにリンパ節に存在する樹状細胞の数は感染箇所の現在の状態を反映し,免疫応答の大きさは感染の深刻さに比例することになるはずだ.
 このように,楔状抗原提示細胞は組織から抗原を勺采集する”歩哨のような細胞であり,もし侵入者があれば,楔状細胞は活性化されて近くのリンパ節へと移動する.そこで楔状細胞は,感染箇所で集めてきた抗原をナイーブT細胞に提示することで獲得免疫応答を開始する.活性化された樹状細胞が短命であり,その入れ替わりが速いことは,これらの細胞がリンパ節に持込むスナップ写真が常に最新のものであることを保証している.さらに,組織からリンパ節に送り出された樹状細胞の数と,血液中から朧充された樹状細胞の数は,侵入,者による攻撃の深刻さに依存している.その結果,免疫系は感染がもたらした危険度匚士ヒ例しか免疫応答を開始できる.これほど巧妙なシステムがあるだろうか.
 樹状細胞は自然免疫系を構成する細胞に分類されるが,それは,樹状細胞がもつレセプターが“組込み式の変化しない”もので, BCRやTCRのように順応性に富んだものではないからである.しかし,以上の説明から,樹状細胞が実際は自然免疫系と獲得免疫系をつなぐ橋として機能していることが理解できると思う.

活性化マクロファージ

 マクロファージもまた,外界に露出している身体部位の警備をしている歩哨のような細胞である.マクロファージは非常に順応性のある細胞で,周囲の微小環境からのシグナルに応じて,ごみ収集人,抗原提示細胞,あるいは残忍な殺し屋として機能することができる.休止状態では,マクロファージは掃除をすることには優れているが,抗原提示に関してはあまり有能ではない.それは,マクロファージが抗原提示細胞として機能するために十分なMHCと補助刺激分子を発現するのは,IFNつのようなサイトカインか,あるいは自身がもつパターン認識レセプター(TLRなど)で侵入病原体を検知することによって活性化された後のことだからである.
 したがって,マクロファージが樹状細胞と同じように効率的に抗原提示ができるのは,提示すべき何らかの危険があるときだけだ.しかし,樹状細胞は細胞を殺さないということと,マクロファージはリンパ節へと移動しないということを理解しておくのは重要である.実際に,樹状細胞は武器をもたない“報道写真家”のような細胞で,戦場の写真を撮ってそれを報道するために戦場を去るようなことをしている.対照的にマクロファージは戦場にとどまって戦い続ける重装備の兵士のような細胞である.マクロファージは侵入者に対する初期防御の主要な担い手の一つである.しかし,マクロファージは運動性を欠いているため,ナイーブT細胞の存在するリンパ節には移動できない.それなら,活性化マクロファージが抗原提示において優れている点は何だろうか.以下がその答えだ.
 樹状細胞によって活性化されたT細胞はリンパ節を出て血流に乗って循環し,戦いを助けるために感染の場に入っていく.しかし,これらの活性化されたT細胞は継続的な再刺激を受けなければならない.この再刺激が途切れると,これらのT細胞は侵入者の撃退に成功したと判断し,休止状態に戻るか,仕事がなくて死ぬ.そこに活性化マクロファージが現れ,活性化されたT細胞を活性化状態で侵入者撃退に参加させ続けるための‘淞油所”として機能する.このように,成熟樹状細胞はナイー・ブT細胞を活性化するが,活性化マクロファージはおもに,化されたT細胞を再刺激する機能をもつのである.

活牲化B細胞

 3番目の専門的抗原提示細胞は活性化B細胞である.ナイーブB細胞は抗原提示においてそれほど優れているわけではない.なぜなら, MHCクラスn分子がわずかしか発現しておらず,B7タンパク質はほとんど発現していないからだ.しかし,B細胞は一度活性化されると, MHCクラスH分子とBフタンパク質の細胞表面における発現量が劇的に増加する.その結果,活性化されたB細胞は,ヘルパーT細胞のための抗原提示細胞として機能できるようになる.B細胞は感染の初期段階では抗原提示細胞として用いられない.というのは,感染初期段階でのB細胞はナイーブなままの状態であり,まだ活性化されていないからである.しかし,感染の後期段階,あるいは再感染のときは活性化されたB細胞による抗原提示が重要な役割を果たす.実際に,B細胞は他の抗原提示細胞より優れた点が一つある.それは,B細胞は提示のための抗原を集約できるということである.その方法を説明しよう.
 BcRに対応抗原が結合した後,抗原が結合したBcR複合体全体が糾|胞表面を離れて細胞内に引っ張り込まれる.そこで抗原が処理され, MHCクラス11分子に搭載されて,抗原提示のために再び細胞表面へと輸送される。
 BCRは抗原との親和性が高いので,ヘルパーT細胞に提示するための抗原を取り集める“磁石”として作用する。ヘルパーT細胞を活性化するためには,抗原提示によって一定数以上のTCRを架橋しなければならない。このため,抗原が比較的少ない状況でヘルパーT細胞を活性化する場合,B細胞は他の抗原提示細胞より100〜10,000倍は優れていると薇定されている。さらにB細胞による抗原提示は非常に迅速である。抗原がBCRに捉えられてからMHCクラスH分子によって細胞表面に提示されるまで30分もかからない。
 以上をまとめると,侵入者と最初に出会ったとき,その侵入者を認識できるB細胞はすべてナイーブB細胞である。そのため,その段階匚おける抗原提示細胞として重要なのは活性化楔状細胞である。やがて免疫応答が活発になると,その最前線では。活性化マクロファージが戦闘中のT細胞に抗原刺激を与え,その活性化状態を維持する。後に同じ侵入者か再び感染した場合は,最初の戦いから生き残っている活性化された記憶B細胞か最も重要な抗原提示細胞となる。なぜならこのB細胞は,提示するための抗原がわずかしかなくても,それを取り集めることで獲得免疫応答を迅速に始動させることができるからである。

非古典的MHC分子と脂質の提示

 クラスIとクラスHのMHC分子ぱ古典的な”MHC分子とよばれている.古典的なMHC分子があるということは,“非古典的な”MHC分子もあるということだ.非古典的MHC分子の中で最もよく研究されているのはCD1ファミリーのタンパク質である.これらの非古典的MHC分子は,一つの長いH鎖タンパク質がβ2ミクログロブリンと二量体を形成している点でMHCクラス1分子と似ている.しかし,古典的MHC分子が短いペプチドと結合するのに適した結合溝をもっているのとは対照的に非古典的MHC分子であるCD1は脂質と結合できるような結合溝を進化させてきた. CDl分子は細胞内のさまざまな部分から脂質を採集し,それらの脂質分子を抗原提示細胞の表面に提示してT細胞を活性化することができる.そのため,ちょうどMHCクラス1分子が細胞内タンパク質をT細胞に提示して検査させているように非古典的MHC分子は細胞内の脂質成分をT細胞に提示して検査させる機能を果たしていると考えられている.
 免疫学におけるあらゆる規則にも例外がある.“T細胞はMHCのクラスTとクラスUによって提示されたタンパク質断片を認識するだけだ”という規則もあるが,脂質がCD1によってキラーT細胞に提示されるというのは,この規則の例外である.しかし現在のところ,生体防御において, CD1による脂質の提示がどの程度重要なのかは明らかになっていない.たとえば,結核菌が産生する脂質を認識するキラーT細胞は結核患者から分離される.しかし,これらのキラーT細胞が結核を防ぐうえでどのように重要なのかは不明なのである.実際,結核菌に対する主要な防御は自然免疫系だと信じられている.現在のところ,侵入者に対する防御においてT細胞による脂質の認識がどの程度重要性をもっているかは不明なので,“T細胞はタンパク質由来の抗原を認識するだけだ’という規則はそのままにしてもよいだろう.しかし, CI)1で提示される脂質についての研究がさらに進めば,この規則は変わるかもしれない.

MHCクラスT分子による抗原提示の論理

 抗原提示がいかに巧妙なシステムかということを本当に理解するためには,その基本となっている論理について少しばかり考えてみる必要がある.まずはじめに次のような疑問がある.“なぜ,わざわざMHCに提示させるのだろうか. BCRと同じように, TCRが直接抗原を認識するようにはできないのだろうかMHCにはクラスTとクラスUがあるため,これらの疑問は二つに分けて考えるほうがよい.一つずつ説明しよう.
 まず,クラスIによって抗原を提示する理由の一つは,キラーT細胞の注意を,血液中や絽織中に存在するウイルスや他の病原体ではなく,感染細胞そのものに集中させることである.病原体が細胞外にいる場合は,抗体が病原体をオプソニン化して食細胞に破壊させたり,病原体に結合することで感染を阻止することができる.それぞれの形質細胞は毎秒約2000個もの抗体を産生しているので,抗体は細胞外にある侵入者を非常に効果的に退治する“安価な”武器であるといえる.しかし,微生物が一度細胞内に入ってしまえば,抗体は手出しができなくなる.こうなった場合に,感染細胞を特異的に破壊するためにつくられた高価な”武器であるキラーT細胞が必要になる.キラーT細胞が活動を始めるためには,感染細胞がMHCクラス1分子によって提示された内在性抗原を認識することが必要だ.このことによって,キラーT細胞が細胞外にいる侵入者を追いかけて時間を浪費しないようになっている.このような細胞外の侵入者は,安価な抗体によって処理する方がずっと効果的だからだ.
 さらに,提示されてない抗原がT細胞に細胞傷害開始のシグナルを直接送ることは非常に危険である.非感染細胞の表面に死んだウイルスの欠片がたまたま付着していたとしよう.キラーT細胞がこの提示されていない抗原を認識して,この“罪のない通りすがりの人”である細胞を殺すようなことになったら,それは恐ろしいことだ.このようなことが起きてはならない.
 クラスIによる抗原提示が重要であることにはもう一つの理由がある.病原体が感染した細胞でつくられるタンパク質のばとんとは細胞内部にとどまっていて,細胞表面には出てこようとしない.そのため,クラスエによって提示されなければ.多《の病原体感染細胞は検知されないままである.事実,MHCクラス:にこよる提示の大事な点け,細胞内に侵入した痼原体のあらゆるタンパク質が断片化され,MHCクラスJ1分子匚よってキラーT細胞に提示されるということである.
 最後に, BCRは断片化されていない“天然の”抗原を認識するため,B細胞はT細胞と比べて実際のところ不利である.ほとんどのタンパク質は正しく機能するために折りだたまれた構造をしている.その結果, BCRが認識するであろう標的(エピトープ)の多くは,折りたたみ構造の内側に位置することで外から認識できなくなっている.対照的に タンパク質が小片になるまで刻まれてMHCクラスエ分子で提示されたときは,エピトープはキラーT細胞の目から隠れようがない.
 このようにMHCクラスIによる抗原提示の論理は理解しやすいが,なぜMHC分子には多型が存在するのだろうか.ヒトには多くの多型があり,私たちのほとんどは六つの異なったMHCクラスI遺伝子を受け継いでいる.これは少し多すぎないだろうか.なぜすべてのヒトが同一のMHCクラス1分子を発現していないのだろうか.
 すべてのヒトがMHCクラスI遺伝子を一つしかもっておらず,そのために誰もが同じMHCクラスT分子を発現していると考えてみよう.その場合,あるウイルスが変異を起こして,その一つしかないMHCクラス1分子に結合するペプチドを失ってしまったらどうなるだろうか.そのウイルスはきっとすべての人類を滅ぼしてしまうだろう.なぜなら,そのウイルスに感染した細胞を破壊するために活性化されるキラーT細胞ができないからだ. MHC分子が多型性をもつことで,ずる賢い病原体に攻撃されても少なくとも一部の人々は生き残る機会があることになる.
 もっと個別のレベルでいえば,私たちそれぞれが異なるMHCクラス1分子を最大六つまで“所有”している可能性があるため,どのような病原体のタンパク質断片でも適合できるMHCクラス1分子を少なくとも一つはもっている可能性が大きくなる.実際に,最大六つの異なるMHCクラス1分子を受け継いでいるエイズ患者の生存率は,五つ以下のクラス1分子しか受け継いでいないエイズ患者の生存率よりも有意に高い.ここで考えられるのは,エイズウイルスは変異しやすいため,多くの異なるクラスエ分子があった方が,変異したウイルス由来のタンパク質を提示できる可能性が高くなるということである.

MHCクラスU分子による抗原提示の論理

 MHCクラスIによる抗原提示には深い理由があることがわかった.では, MHCクラスUによる抗原提示はどうだろうか.一見すると,この抗原提示細胞によるクラスIとクラスHの“重複提示”は複雑すぎるように思える.しかし,多くの病原体は,ヒトの細胞の中ではなく細胞外の組織や血中で盛んに増殖しながら生きるということを考慮しなければならない.もし,抗原提示細胞か細胞内の病原体がつくったタンパク質しか提示できないのであれば,最も有害な病原体の情報の多くは,リンパ節の司令塔には届けられないだろう. MHCクラスH分子を用いて感染箇所の周囲全体から採集した情報を提示することで,ヘルパーT細胞はあらゆる型の侵入者の情報を入手できるようになるのだ.
 ヘルパーT細胞は,提示されない抗原は認識できないのだろうか.ヘルパーT細胞は細胞傷害を行う細胞ではないので,感染のない細胞が巻き添えになって殺される心配はない.ただ,安全上の問題はまだ存在している.抗原提示細胞は.感染の戦いが続いているとき匚効率的に抗原を提示するだけであり,ヘルパーT細胞は自分白身のタンパク質には反応しないよう教育されている.したがって,ヘルパーT細胞と抗原提示細胞の両方は,病原体の佞入があって初めてヘルパーT細胞か活性化されるということ匚¨同意”していなければならない.ヘルパーT総胞は提示された抗原しか認識しない,という条件がついていることで,たった一つの細胞が誤って致命的な獲得免疫応答をひき起こしたりしないよう匚なっているのである.
 また,クラスT分子と同様に クラスU分子もタンパク質の断片を提示する.その結果,抗原提示の開にT痢胞が“見る”ことができる標的の数は,そのタンパク質が折りたたまれた状態で見ることができる標的よりばるかに多い.T細胞の標的が増えれば,多《の異なるヘルパ・一T細胞,すなわち,侵入者の抗原を構成する多《の異なるエピトープをそれぞれ認識するレセプターをもっかヘルパーT細胞が活性化され,より強く,より多様な免疫応答が誘導されることになる.

MHCタンパク質と臓器移植

 抗原提示における“本来の”役割に加えて, MHC分子は臓器移植,組織移植においても重要である.移植の研究は1930年代にマウスの腫蕩に関する実験で始まった.当時,腫蕩を誘導する通常の方法は,何かの恐ろしい薬品をマウスの皮膚に塗りつけることであり,実際に腫蕩ができるまで長い時間待たなければならなかった.腫毎をつくり出すのがあまりにも困難だったため,生物学者たちは,マウスの死んだ後も腫瘍細胞を生きたまま維持して研究したいと考えた.いくつかの腫瘍細胞を他の健康なマウスに注入してみると,そのマウス内で腫瘍細胞は増殖を続けた.しかし,観察の結果,腫瘍細胞の移植が成功するのは近親交配を続けてきたマウス同士だけであることがわかった.さらに近親交配を続けると,移植後の生着率がさらに上がった.このことがきっかけで多くの近交系マウス系統がっくられ,現在でも研究に使用されている.すべてのマウスが実質上同一の遺伝子をもつ系統を樹立するには,近親交配を2年以上繰返し続けなければならない.
 近交系マウスが得られると,1匹のマウスからもう1匹のマウスへ,腫傷細胞ではなく正常な組織を移植する研究も始まった.間もなく,皮膚の小片を1匹からもう1匹に移植する際,両者が同一の近交系マウスである場合に限り移植した皮膚は正常な状態を保ち増殖を続けることが明らかになった.対照的に,近交系ではないマウス問で同じ実験をすると,移植した皮膚の小片は数時間で白っぽくなり(血流が絶たれたことを示唆している),例外なく死んでしまった.免疫学者たちは,この即時的な移植片拒否反応は何らかの遺伝上の不適合性が原囚だと考えた.なぜなら,同一の遺伝子をもつ近交系マウスではこのような拒絶反応は起こらなかったからである.この組織適合性(histocompatibility)に関与する遺伝子を同定するために免疫学者たちは2,3の遺伝子だけが異なるマウス系統を樹立し,どの遺伝子が組織移植の不適合性に関与しているかを調べ続けた.その結果,マウス17番染色体上に複合体を形成する遺伝子が同定され,その遺伝子は主要組織適介遺伝子複合体(MHC; major histocompatibility complex)とよばれるようになった.
 このように抗原提示について説明した際のMHC分子とは,まさに移植臓器の即時拒絶反応の原囚となる分子だったのである.キラーT細胞ぱ外来性の”MHC分子に対して特に感受性が高く,それを発現している細胞を見つけると攻撃して殺してしまうのである.キラーT細胞の格好の標的は,移植された臓器にある血管細胞である.キラーT細胞は血管を破壊することで移植臓器への血流を遮断し,死に至らしめる.このような理由で,外科医たちは同一のMHCをもつドナーとレシピエントの組合わせで臓器移植手術を行いたいと考えるのである.しかし,そのような組合わせを見つけることは困難である.事実,ある患者が自分とは無関係の↓000万人が提供した臓器から自分のMHCクラスTとMHCクラスHの両方と正確に一致する臓器を探すとして仏それが見つかる確率はわずかに50%である.このようにMHC分子の多様性は,生体を新たな侵入者から守るためには非常に重要だが,臓器移植においては深刻な問題の原因にもなっている.

ま と め

 MHC分子による抗原提示は,免疫系が直面する多くの問題を解決する巧妙な方法である. MHCクラス1分子による抗原提示は,キラーT細胞が感染細胞に標的を絞り,非感染細胞が誤って殺されないようにし厂ずる賢い病原体が自己のタンパク質を維持したまま細胞内に潜伏できないようにする方法である。タンパク質の断片をMHCで提示することは,キラーT細胞とヘルパーT細胞が認識することができる抗原の数と種類を大きく増加させる。なぜなら,折りたたまれたタンパク質の中に隠れていたエピトープがタンパク質の断片化によって外部に現れ,認識されるようになるからである.MHC分子には多型が存在するため,どんな病原体に由来するタンパク質断片であっても,それを提示できるMHC分子をもっているヒトが少なくとも数人は存在するだろう.最後に,そしてこれがおそらく最も重要だが,ヘルパーT細胞もキラーT細胞も,抗原提示細胞によって提示された対応抗原を認識して初めて活性化される.この“活性化には抗原提示が必要だ”というンステムが,複数の細胞の相互作用によって初めて獲得免疫系が発動されるという二重鍵の安全装置となっているのである.
 以上の説明で,抗原が提示されるしくみ, MHCクラスT分子とMHCクラスU分子による抗原提示がなぜ巧妙なシステムといえるのかが理解できたと思う.次は,提示された抗原を“受取る”細胞,つまり,ヘルパーT細胞とキラーT細胞に注目していきたい.

第4章 抗原提示のしくみ