Les lymphocytes B

Les lymphocytes B (LB) ou cellule B, dont la lettre « B » provient de la « Bourse de Fabrice » (organe d’oiseaux dans lequel les LB arrivent à maturité), arrivent à maturité, chez l’Homme, dans la moelle osseuse. Ils sont responsables de la réponse immunitaire humorale spécifique grâce aux anticorps qu’ils produisent et qui serviront à la reconnaissance spécifique et à la destruction de l’agent pathogène.

Les lymphocytes B jouent également le rôle de cellules présentatrices d’antigènes.

Plan:
I) Les immunoglobulines de l’immunité : BCR et anticorps

1) Caractéristiques structurales des immunoglobulines

a) Constitution des chaînes lourdes et des chaînes légères
b) Digestion enzymatique des immunoglobulines

2) Les différents isotypes des immunoglobulines

3) Caractéristiques des BCR

a) Caractéristiques générales
b) Le dimère Igα-Igβ

4) Caractéristiques des anticorps

5) La recombinaison VDJ : expression du BCR et des anticorps

a) Caractéristiques des gènes codant le BCR et les anticorps
b) Mécanisme général de la recombinaison VDJ
c) Les différentes étapes de la recombinaison VDJ

II) Conséquence de l’activation du BCR

1) Hypermutation somatique
2) Commutation de classe

a) Les lymphocytes B matures naïfs
b) Principe de la commutation de classe

III) Diversité des immunoglobulines

I) Les immunoglobulines de l’immunité : BCR et anticorps

Les immunoglobulines sont des protéines présentent sous forme membranaire (BCR) et sous forme soluble (anticorps).

1) Caractéristiques structurales des immunoglobulines

Les BCR et les anticorps sont des hétéro-tétramères extrêmement polymorphique au sein de l’individu, qui sont constitués de deux chaînes lourdes H (pour Heavy) et deux chaînes légères L (pour Light) liées entre elles de manière covalente par des ponts disulfures. Les deux chaînes H et les deux chaînes L sont respectivement identiques entre elles. Chacune de ces quatre chaînes sera caractérisée par une région variable V (extrémité N-terminale) qui est le site de liaison à l’antigène, et par une région constante C (extrémité C-terminale).

L'anticorps : chaîne lourde et chaîne légère

a) Constitution des chaînes lourdes et des chaînes légères

Les chaînes légères sont constituées de deux régions :

- Une région variable VL (pour « Variable domain from Light chain »), elle-même constituée par 3 régions hypervariables HV1, HV2, HV3.

- Une région constante CL (pour « Constant domain from Light chain ») d’un domaine immunoglobuline.

Il existe 2 types de chaînes L : κ et λ qui diffèrent par leur région constante.

Les chaînes lourdes sont constituées de deux régions :

- Une région variable VH (pour « Variable domain from Heavy chain »), elle-même constituée par 3 régions hypervariables HV1, HV2, HV3.

- Une région constante CH (pour « Constant domain from Heavy chain ») d’un certain nombre de domaines immunoglobulines suivant l’isotype considéré : 3 pour les IgG, IgA et IgD et 4 pours les IgM et IgE.

Les BCR et les anticorps ont une forme de « Y », et possèdent ainsi deux sites de liaison à l’antigène. Ces sites de liaison à l’antigène sont constitués par l’association des 3 régions hypervariables de la chaîne H (HV1, HV2 et HV3) aux 3 régions hypervariables de la chaîne L (HV1, HV2 et HV3). Les régions hypervariables prennent également l’appellation de CDR (pour « Complementary Determining Region ») et sont séparées par des régions dites « framework » qui permettent un maintient en place de la structure.

b) Digestion enzymatique des immunoglobulines

Les BCR et les anticorps peuvent également être caractérisés par des fragments fonctionnels qui sont déterminés suite à une digestion enzymatique par la papaïne ou la pepsine.

- La papaïne entraîne la formation de 2 fragments Fab qui contiennent chacun un site de liaison à l’antigène, et d’un fragment Fc (pour Fragment cristallisable) qui correspond à la partie constante du de ces immunoglobulines.

- La pepsine entraîne la formation d’un fragment F(ab)’2 qui correspond globalement au deux fragments Fab, et d’un fragment pFc’ de taille plus réduite que le Fc.
On note que contrairement à la papaïne, la pepsine possède plusieurs sites de coupure au niveau de ces immunoglobulines.

2) Les différents isotypes des immunoglobulines

Les isotypes correspondent aux différents types d’immunoglobulines qui se distinguent les unes des autres par des changements de structure de la région constante de leurs chaînes, mais sans toucher leur site de liaison à l’agent pathogène et donc à leur action d’anticorps. Ainsi les différentes classes d’immunoglobuline peuvent lier un même antigène au niveau d’un même épitopes (= site de liaisons à l’anticorps). Ces isotypes sont spécifique de l’espèce, autrement dit, ils sont identiques chez chacun d’entre nous. On distingue ainsi 3 niveau d’isotypie :

= La classe des immunoglobulines déterminée par des variations de structure de la région constante de leur chaîne lourde :

- Les IgM sont les premières immunoglobulines présentes à la surface des lymphocytes B lors de l’expression du BCR et sont les premiers anticorps circulants exprimés par les plasmocytes suite à une primo-infection par un agent pathogène.
La structure pentamérique des IgM solubles leurs procure un rôle efficace dans l’agglutination des antigènes, ainsi que dans l’activation du complément ; elles ne peuvent par contre pas traversés le placenta.

- Les IgD sont co-exprimées avec les IgM à la surface des lymphocytes B.
Elles n’ont pas de rôle dans l’activation du complément et ne peuvent pas traverser le placenta, mais joueraient un rôle indispensable dans la différenciation des lymphocytes B en plasmocytes et cellules mémoires.

- Les IgG sont les plus abondants des anticorps circulant et jouent ainsi un rôle important dans la détection d’infection. Elles ont la caractéristique d’activer le complément ainsi que de passer aisément à travers les parois des vaisseaux sanguins et du placenta, procurant ainsi une défense immunitaire au fœtus.

- Les IgAjouent un rôle particulier au niveau des muqueuses (digestives, respiratoires, génito-urinaire,…), empêchant ainsi la fixation des agents pathogènes aux surfaces des cellules épithéliales. Elles sont sécrétées sous forme de dimère.

- Les IgE jouent un rôle important dans les mécanismes allergiques, et ceci par la présence de récepteurs aux domaines constant des IgE à la surfaces des mastocytes et des polynucléaires basophiles.

= La sous-classe des immunoglobulines également déterminée par des variations de structure de la région constante de leur chaîne lourde : une sous-classe d’IgM, d’IgD et d’IgE, mais deux sous-classes d’IgA (IgA1 et IgA2) et quatre sous-classes d’IgG (IgG1, IgG2, IgG3 et IgG4).

= Le type de chaîne légère déterminée par des variations de structure de la région constante : κ (kappa) et λ (lambda).

3) Caractéristiques des BCR

a) Caractéristiques générales

Les BCR sont des récepteurs membranaires caractéristiques des lymphocytes B, qui leurs procurent la propriété de reconnaitre directement des peptidiques antigéniques présent à la surface de l’agent pathogène et ceci de manière spécifique. A la surface du lymphocyte B, les BCR sont toujours accompagnés d’un dimère Igα-Igβ.

Il est important de préciser que chaque LB n’exprime qu’un seul type de BCR en plusieurs exemplaires, et qu’il l’acquiert lors de son développement dans la moelle osseuse.

Les gènes codant pour les BCR contiennent des exons qui codent pour la partie transmembranaire de l’immunoglobuline, on observera donc un épissage qui sélectionnera cette partie transmembranaire, afin qu’ils puissent être exprimés en surface des cellules B.

On précise ici que quand les différentes classes d’immunoglobulines sont sous formes membranaires, elles existent toutes sous formes monomériques.

b) Le dimère Igα-Igβ

Tout comme le TCR, le BCR ne peut à lui seul transmettre le signal, et ceci dû à la petite taille de la région intra-cytoplasmique. De cette manière il est toujours associé au dimère Igα-Igβ, dont chacun des monomères possède :

- Une partie extracellulaire avec deux domaines immunoglobuline-like relié par un pont disulfure,
- Une partie transmembranaire,
- Une partie intra-cytoplasmique qui n’a pas la même longueur suivant si l’on regarde la chaîne d’Igα ou d’Igβ, et qui permettra la transmission du signal en cas d’activation du BCR, grâce à des motifs ITAM.

Le dimère Igα-Igβ permet également l’expression du BCR, en effet la cellule stop le développement si le dimère n’est pas présent sur la cellule. Mais il n’intervient en rien dans la reconnaissance de l’antigène. En effet de la même manière que pour le TCR et le CD3, le site de reconnaissance est présent sur le BCR, et lui-même activera le dimère par des kinases au niveau de ses motifs ITAM.

4) Caractéristiques des anticorps

Les anticorps sont des immunoglobulines sécrétés par les plasmocytes (cellules B différenciées), qui jouent le rôle de médiateur de l’immunité humorale. Ils ont la propriété de se lier spécifiquement à l’antigène entraînant ainsi trois effets complémentaires : la neutralisation, l’opsonisation et l’activation du complément.

Les gènes codant les anticorps contiennent des exons qui codent pour une pièce sécrétoire, qui sera sélectionnée lors de l’épissage.

Contrairement aux BCR, certaines immunoglobulines sous formes sécrétées existent sous forme polymérique et plus monomérique ; c’est le cas des IgM présentent sous forme pentamérique et des IgA présentent sous forme dimérique. Cette polymérisation est permise par la présence de cystéines dans la partie C-terminale qui polymérisent en présence de la chaîne J (pour jonction). Cette chaîne J est liée de manière covalente par un pont disulfure, respectivement aux deux IgA ou aux cinq IgM.

Il est important de préciser qu’un anticorps est toujours monoclonal, c’est-à-dire qu’il est dirigé vers un seul épitope de l’antigène. Le sérum quant à lui est constitué de tous les anticorps induit par l’inoculation de l’antigène, autrement dit dirigés vers un grand nombre d’épitope de l’antigène ; on parle ainsi de sérum polyclonal.

5) La recombinaison VDJ : expression du BCR et des anticorps
a) Caractéristiques des gènes codant le BCR et les anticorps

Les chaînes lourdes et légères des immunoglobulines de l’immunité (BCR et anticorps) vont être codées par plusieurs gènes qui ne vont être fonctionnels que dans la lignée B.

- Les chaînes légères sont codées chacune par 3 gènes : un gène V (pour variable), un gène J (pour jonction) et un gène C (pour constante).

- Les chaînes lourdes vont être codées par 4 gènes, les même que précédemment plus un gène D (pour diversité).

Pour chacune de ces chaînes il existe plusieurs gènes V, plusieurs gènes J, plusieurs gènes D et plusieurs gènes C. Au niveau des précurseurs de la lignée B, ces gènes sont en configuration germinale, autrement dit ces gènes sont non fonctionnels étant éloignés les uns des autres sur les chromosomes.

b) Mécanisme général de la recombinaison VDJ

Comme pour le TCR, l’organisme a du mettre en place un certain nombre de mécanismes permettant d’assurer la diversité des immunoglobulines indispensable à la reconnaissance spécifique de la grande variété des peptides antigéniques. On rappelle ici qu’un lymphocyte B n’exprime qu’un seul type de BCR (ou d’anticorps pour les plasmocytes).

La recombinaison VDJ est une de des alternatives permettant l’indispensable diversité des immunoglobulines. Elle correspond à un mécanisme de réarrangements somatiques au sein des gènes codant pour les chaînes lourdes et légères, permettant ainsi ce polymorphisme. On observe la formation de locus de gènes arrangés. Ces réarrangements se faisant au hasard, ils augmentent la diversité des immunoglobulines ; on parle de diversité combinatoire.

Cette recombinaison est dirigée par des séquences RSS (pour Séquences Signales de Recombinaison) qui bordent chaque gène V, D ou J. Ces séquences sont composées par des heptamères (7 bases d’ADN) qui sont contigus aux différents gènes V, D ou J. La séquence heptamère est suivit d’un domaine espaceur de 12 ou 23 bases d’ADN. Il y a ensuite une séquence nonamère.

On observera tout d’abord une recombinaison VDJ au niveau des gènes codant la chaîne lourde : juxtaposition d’un gène D avec un gène J, puis d’un gène V avec la juxtaposition DJ précédente. Par la suite on aura une recombinaison VJ au niveau des gènes codant la chaîne légère : juxtaposition d’un gène V avec un gène J. Ces réarrangements seront ou ne seront pas productifs, et seuls les réarrangements productifs entraineront la formation des chaînes.

La recombinaison VDJ doit néanmoins respecter certaines règles :

- L’arrangement des locus de gènes doit toujours se faire sur le même chromosome, évitant ainsi les recombinaisons entre les gènes de chaînes lourdes et les gènes de chaînes légères.
- La recombinaison se produit entre un gène dont la séquence RSS contient un espaceur de 23 bases d’ADN avec un gène dont la séquence RSS contient un espaceur de 12 bases d’ADN. De cette manière deux gènes possédant le même espaceur ne peuvent pas recombiné. Ceci évite des recombinaisons entre le gène J et le gène V des chaînes lourdes.

Il est important de préciser que le gène C n’est ne rentre pas en compte dans la recombinaison VDJ ; en effet le locus VDJ est associé au gène Cμ, se trouvant directement en aval du gène J, par épissage et non par réarrangement somatique. Le premier isotype exprimé à la surface de la cellule B est ainsi l’IgM.

c) Les différentes étapes de la recombinaison VDJ

1. Rapprochement des gènes cibles :

Cette étape fait intervenir deux protéines (spécifiques des LB et LT), Rag-1 et Rag-2. Elles vont reconnaître les séquences RSS des gènes cibles au niveau des espaceurs afin de les rapprocher et formeront ainsi le complexe recombinase. Ce dernier clivera ensuite l’ADN entre le segment codant et la séquence RSS, laissant cependant libre quelques bases d’ADN qui formeront une structure en épingle à cheveux avec le brin opposé. Tout ce complexe recrutera par la suite d’autres protéines nécessaires aux étapes suivantes.

2. Clivage de l’épingle à cheveux :

Ces épingles à cheveux vont être reconnues par 4 protéines : une protéine kinase ADN dépendante, Ku70 et Ku80 qui vont recruter et activer la quatrième, Artemis. Cette dernière est une endonucléase qui va cliver les épingles à cheveux, permettant ainsi la fusion entre les gènes cibles.

3. Modifications des extrémités et fusion des gènes cibles :

Suite au clivage de l’épingle à cheveux, plusieurs protéines jouent un rôle dans l’addition ou la délétion de bases d’ADN aux extrémités des gènes cibles et ceci de manière aléatoires, notamment la TdT (pour Terminal désoxynucléotidyl Transférase). Ces modifications sont responsables d’une augmentation de la diversité des immunoglobulines ; on parle de diversité jonctionnelle. Au niveau des chaines légères cette diversité jonctionnelle est faible.

4. Fusion des gènes cibles :

La ligation est assurée par une ADN ligase IV qui permettra d’une part la formation du locus codant et d’autre part du joint signal qui n’est autre que la structure en épingle à cheveux dont les deux extrémités ont fusionnées et qui permet de prouver qu’il y a bien eut recombinaison.

II) Conséquence de l’activation du BCR

A la suite de l’activation du BCR par liaison à un antigène, un signal activera des mécanismes qui induiront des modifications responsables d’une augmentation de la diversité des immunoglobulines. Ces mécanismes sont indispensables à l’augmentation de la spécificité de la réaction immunitaire, ainsi qu’à l’augmentation de la spécificité vis-à-vis de l’antigène. On compte d’une part à l’hyper-mutation somatique et d’autre part à la commutation de classe, qui tout deux ne prennent en compte que les LB (pas les LT) et se réalisent au niveau des centres g-rminatifs des follicules secondaires présents au niveau des organes lymphoïdes secondaires.

1) Hypermutation somatique

L’hypermutation somatique est un processus par lequel des mutations ponctuelles sont introduites dans les régions variables des chaînes lourdes et légères du BCR suite à l’activation du BCR par liaison à un antigène et grâce à l’aide des LT.

Ces mutations se faisant au hasard, elles vont être de 4 sortes : silencieuses, neutres, délétères et positives. Seules deux d’entre elles auront une incidence sur l’affinité de l’antigène pour son BCR :

- Les mutations délétères sont responsables d’une diminution de l’affinité de l’antigène pour son BCR ; la sélection négative sera responsable de la mort de ces cellules.
- Les mutations positives sont responsables d’une augmentation de l’affinité de l’antigène pour son BCR ; ces cellules vont vivre.

Le but de ce processus est de permettre une sélection des LB qui auront une meilleure affinité pour l’antigène, afin d’obtenir des anticorps plus efficaces et des cellules mémoires plus spécifiques si une deuxième infection se révélait.

2) Commutation de classe

Comme énoncé précédemment dans le cours, il existe 5 classes d’immunoglobulines qui diffèrent par des variations de leur région constante : IgM, IgD, IgG, IgE, IgA. Pour chacun de ces isotypes il existe un gène de région constante : Cμ (pour les IgM), Cδ (pour les IgD), Cγ (pour les IgG), Cε (pour les IgE), Cα (pour les IgA).
Il est important de repréciser ici que tous ces isotypes reconnaissent le même antigène, en effet seul les régions constantes les diffèrent les uns des autres.

a) Les lymphocytes B matures naïfs

Comme vu plus haut dans le cours, le premier isotype que la cellule B exprime en surface est une IgM, et ceci car le gène Cμ se trouve directement en aval du gène J. Par la suite les LB matures naïfs co-expriment à leur surface des IgM et des IgD, et ceci grâce à un épissage alternatif. En effet Cδ se trouve directement en aval du gène Cμ permettant ainsi un épissage non possible avec les autres gènes codant les chaînes lourdes.

b) Principe de la commutation de classe

La commutation de classe ou CSR (pour « Class Switch Recombinaison ») sert au remplacement du locus Cµ par un autre locus, afin d’exprimer une immunoglobuline d’un autre isotype qui aura un rôle bien déterminé au sein de l’organisme. En effet le choix de l’isotype se fait suivant la réponse immunitaire voulue.

Ce mécanisme correspond à un réarrangement irréversible de l’ADN, et ceci par excision des séquences d’ADN situé entre le gène J et le gène codant pour la chaîne lourde voulue. Ceci est possible par la présence de séquences caractéristiques appelées régions S (pour régions Switch) en amont de chaque gène, entrainant le rapprochement des séquences codantes pour l’IgM et l’Ig voulue, puis l’excision de toutes les séquences d’ADN situées entre ces deux régions Switch.

IV) Diversité des immunoglobulines

Pour répondre à un grand nombre d’antigène, le système immunitaire doit avoir un répertoire de BCR varié. L’organisme a de ce fait mis en place un certain nombre de mécanisme afin d’augmenter la diversité des immunoglobulines. Suivant le mécanisme responsable utilisé, on compte 5 niveaux de diversité :

- La diversité combinatoire relative à la recombinaison VDJ et due à des associations aléatoires des différents gènes V, gènes D et gènes J.
- La diversité jonctionnelle due à des mécanismes d’additions et de délétions aléatoires au niveau des extrémités des gènes V, gènes D et gènes J avant fusion lors de la recombinaison VDJ. On rappel que ce mécanisme est surtout présent au niveau de la chaîne lourde.
- La diversité « H-L » obtenue par une association au hasard des chaînes lourdes et légères.
- L’hypermutation somatique due à une augmentation de mutations ponctuelles au niveau des régions variables des chaînes lourdes et légères.
- La commutation de classe due à des changements de régions constantes.

Attention, on rappel ici que l’hypermutation somatique et la commutation de classe sont des mécanismes concernant uniquement le BCR et non le TCR, mais qui sont tout deux activés par l’interaction entre les lymphocytes B et des lymphocytes T préalablement activés.