Zrozumienie wyboru komórki pamięci B

Po więcej informacji:ali.ma@wecistanche.com

ABSTRAKCYJNY

Adaptacyjny układ odpornościowy ssaków ewoluował przez miliony lat, aby stać się niezwykle skuteczną obroną przed obcymi antygenami. Odpowiedź humoralna adaptacyjnego układu odpornościowego wytwarza komórki B w osoczu ipamięć Bkomórki, każdy z własnymi celami immunologicznymi. Proces dojrzewania powinowactwa jest powszechnie postrzegany jako heurystyka mająca na celu rozwiązanie globalnego problemu optymalizacji polegającego na znalezieniu komórek B o wysokim powinowactwie do antygenu. Jednakże,pamięć Bkomórkiwydają się być celowo wybrane wcześniej w procesie dojrzewania powinowactwa i mają niższe powinowactwo. Proponujemy, aby tokomórka pamięci BProces selekcji może być przybliżonym rozwiązaniem dwóch problemów optymalizacyjnych: optymalizacji powinowactwa do podobnych antygenów w przyszłości pomimo mutacji lub innych drobnych różnic oraz optymalizacji pod kątem ciepłego startu generacji komórek plazmatycznych B w przyszłości. Używamy symulacji, aby dostarczyć dowodów dla naszych hipotez, biorąc pod uwagę dane pokazujące, że niektóre mutacje komórek B są bardziej prawdopodobne niż inne. Nasze odkrycia są zgodne z tym, że komórki B pamięci mają wysokie powinowactwo do zmutowanych antygenów, ale nie dostarczają mocnych dowodów, że:komórki pamięci Bbędą bardziej przydatne niż wybrane naiwne komórki B do wysiewu drugorzędowych centrów rozmnażania.

Kliknij do Cistanche NZ, aby uzyskać pamięć

1. Wstęp

Układ odpornościowy to skuteczny system łagodzenia zagrożeń, który wykorzystuje kilka wyuczonych algorytmów identyfikacji. Podczas gdy wrodzony układ odpornościowy jest biegły w identyfikowaniu obcych najeźdźców lub antygenów, musi zaangażować adaptacyjny układ odpornościowy, aby wytworzyć bardziej masową i specyficzną odpowiedź. Kluczowym aspektem odpowiedzi humoralnej adaptacyjnego układu odpornościowego jest trenowanie dwóch typów komórek B w procesie zwanym dojrzewaniem powinowactwa (AM): komórki B plazmy, które wytwarzają przeciwciała w celu identyfikacji obecnego antygenu ikomórki pamięci Bktóre są wykorzystywane w kolejnych odpowiedziach immunologicznych w celu identyfikacji podobnych antygenów w przyszłości. Proces AM jest bardzo nietypowy, ponieważ specyficzny region DNA w uczestniczących komórkach B ulega mutacji, aby wygenerować potomstwo, które jest selekcjonowane tak, aby miało wyższe powinowactwo do danego antygenu. Zachowanie sekwencji DNA ma zwykle ogromne znaczenie w większości komórek, ale region genomu, który określa kształt receptora komórki B, musi zostać szybko zmodyfikowany, aby receptor komórki B miał szansę na lepsze rozpoznawanie antygenu zainteresowanie (Meyer-Hermann i in., 2012). Mutacje te są odpowiedzialne za niesamowitą zdolność komórek B do rozpoznawania praktycznie każdego prezentowanego antygenu, co sprawia, że ​​adaptacyjny układ odpornościowy ssaków jest jednym z najskuteczniejszych systemów identyfikacji uczenia się w świecie przyrody.

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

a Department of Computational Medicine and Bioinformatics, University of Michigan, Ann Arbor, Stany Zjednoczone

b Google Research, Mountain View, CA, Stany Zjednoczone

c Wydział Matematyki, Uniwersytet Michigan, Ann Arbor, Stany Zjednoczone

W tym artykule rozważamy, czy komórka plazmowa B ikomórka pamięci Bprocesy wytwarzania można interpretować jako dążenie do spełnienia określonych celów, a jeśli tak, to czy możemy te cele precyzyjnie określić? Zapożyczamy standardowe pomysły z uczenia maszynowego, gdzie zwykle najpierw określa się idealny obiekt matematyczny do optymalizacji (np. minimalizując oczekiwany poziom błędów wyuczonego systemu identyfikacji), a następnie proponujemy algorytmy heurystyczne, które w przybliżeniu optymalizują ten matematyczny cel. Podobnie, stawiamy hipotezę, że ze względu na presję ewolucyjną procesy AM działają jak heurystyki, które w przybliżeniu optymalizują dla wyidealizowanych celów immunologicznych. Stawiamy hipotezę, jakie mogą być te ewolucyjnie adaptacyjne cele immunologiczne, a następnie porównujemy, w jakim stopniu różne limfocyty B spełniają te cele w obliczu przeciwstawnych zmutowanych antygenów za pomocą symulacji. Odkrycia te prowadzą nas do zaproponowania nowych hipotez dotyczących ukrytych celów treningu układu odpornościowego naiwnych limfocytów B, aby stały siękomórki pamięci B.

Najpierw, w części 2, przyjrzymy się, w jaki sposób naiwne komórki B są rekrutowane i trenowane, aby stały się komórkami plazmatycznymi B, i przedstawiamy matematycznie hipotezę dotyczącą celów tego szkolenia. W części 3 rozważymy matematyczne cele optymalizacji bardziej enigmatycznego procesu szkoleniowego, który prowadzi do generowaniakomórki pamięci B. Trening komórek plazmatycznych B lub trenowanie komórek plazmatycznych B definiujemy jako proces generowania komórek plazmatycznych B z naiwnych komórek B podczas AM. Podobnie definiujemy trening lub trening komórek B pamięcikomórki pamięci Bjako proces generowania komórek pamięci B z naiwnych komórek B podczas AM. Testujemy nasze hipotezy za pomocą symulacji w części 4 i kończymy dyskusją otwartych pytań w części 5.

2. Trening komórek plazmowych B

Dokonujemy przeglądu procesu AM, który trenuje naiwne komórki B, aby stały się komórkami plazmowymi B, a następnie rozważymy, jakie matematyczne kryteria mogło zostać zoptymalizowane przez trening komórek plazmatycznych B.

2.1. Dojrzewanie powinowactwa limfocytów B osocza

AM rozpoczyna się od rekrutacji naiwnych komórek B z pewnym początkowym powinowactwem do antygenu do wtórnych narządów limfatycznych. Te naiwne komórki B, wraz z komórkami pomocniczymi pęcherzyka T (TFH) i pęcherzykowymi komórkami dendrytycznymi, koncentrują się w tymczasowych strukturach znanych jako ośrodki rozmnażania (ryc. 1A) (Meyer-Hermann i wsp., 2012; Tas i wsp., 2016). Ośrodki rozmnażania (GC) zapewniają, że te komórki znajdują się w pobliżu, ułatwiając w ten sposób szybką mutację i ocenę sekwencji receptorów komórek B. Podczas AM komórki B są oceniane przez komórki TFH pod kątem ich powinowactwa do antygenu poprzez długość interakcji między nimi, w oparciu o prezentację antygenu przez komórki B (Mesin i wsp., 2016; Murphy i Weaver, 2016). Jeśli początkowe powinowactwo komórki B jest wysokie, odbiera sygnał chemiczny z komórki TFH, aby przenieść się do oddzielnego obszaru GC i rozmnażać się. Podczas proliferacji komórki B specyficzna część genomu, zwana regionem hiperzmiennym, jest wystawiona na działanie enzymu, indukowanej aktywacją deaminazy cytydynowej (AID) (Muramatsu i wsp., 2000; Bannard i Cyster, 2017). AID może dezaminować cytozynę, tworząc uracyl, nukleotyd, który normalnie nie występuje w DNA. Operacja naprawiająca te zmiany jest podatna na błędy, prowadząc do mutacji w sekwencji DNA (Martin i in., 2015).

Proces deaminacji i mutacji podczas naprawy określany jest jako hipermutacja somatyczna (SHM). Po proliferacji komórki B powracają do obszaru GC zawierającego komórki TFH i są ponownie oceniane pod kątem ich powinowactwa do antygenu. Ten iteracyjny proces proliferacji, mutacji i oceny powinowactwa trwa do momentu, gdy komórki B mają wystarczająco wysokie powinowactwo do antygenu. W tym momencie komórki B różnicują się w komórki B plazmy i zaczynają wytwarzać przeciwciała, które umożliwiają układowi odpornościowemu wyeliminowanie antygenu.

2.2. Dojrzewanie powinowactwa jako algorytm

Modelujemy AM w Algorytmie 1, którego używamy do symulacji AM w naszych eksperymentach. Upraszczamy kilka znanych lub niepewnych kwestii dotyczących AM, wyszczególnionych w podsekcji 2.3.

Każda naiwna sekwencja receptora limfocytów B jest generowana losowo przez kombinatoryczną mieszankę jej segmentów genów V, D, J i C, a także przez różnorodność połączeń między tymi segmentami (Sompayrac, 2019). Naiwne komórki B obejmują co najmniej 100 milionów możliwości (Sompayrac, 2019). Naiwne komórki B rekrutowane do centrum rozmnażania to komórki, które już mają pewne obiecujące powinowactwo do antygenu a. SHM następnie mutuje nukleotydy w regionie sekwencji DNA o długości około 100 par zasad (pz), co przyczynia się do określenia struktury receptora komórek B (Martin i wsp., 2015). Mutacje w regionie hiperzmiennym są w skali 106 razy bardziej prawdopodobne niż mutacje poza tym regionem (Martin i in., 2015). Mutacjami mogą być zamiany, insercje i delecje w przestrzeni kategorycznej modelowanej jako fA; T; C; G;£g100, gdzie £ oznacza usunięcie. Należy zauważyć, że chociaż przestrzeń kombinatoryczna możliwych mutacji jest duża, wiele specyficznych mutacji natychmiast prowadzi do apoptozy. Optymalizacja AM jest zrównoleglona i rozproszona na G centrach rozmnażania, które algorytmicznie można traktować jako G różnych procesorów równoległych. Modelujemy różne ośrodki rozmnażania jako działające niezależnie, chociaż może istnieć między nimi sygnalizacja biochemiczna. W praktyce organizm trenuje jednocześnie do wielu niezależnych antygenów, ale dla uproszczenia rozważamy jeden antygen na raz.

2.3. Znane uproszczenia algorytmu 1

Zauważmy, że Algorytm 1 upraszcza kilka znanych cech AM. Uważamy, że te uproszczenia są niewielkie i nie wpływają na główne wnioski z tej pracy.

Modelujemy algorytm jako dyskretne iteracje T, ale w praktyce AM jest procesem ciągłym, częściowo ograniczonym w czasie z powodu rozpadu antygenu i nacisków zewnętrznych. Jednakże, według naszej wiedzy, nie ma dokładnego limitu liczby podziałów, które mogą wystąpić, ani dokładnej linii czasu, które muszą zostać spełnione podczas AM. Co więcej, istnieje szansa, że ​​układ odpornościowy nie znajdzie rozwiązania wystarczająco szybko, powodując śmierć gospodarza. Chociaż zdajemy sobie sprawę, że dzieje się to w systemie naturalnym, nie jest to przedmiotem naszej symulacji. Dlatego używamy stałej liczby iteracji jako przybliżenia limitów czasowych, z jakimi musi się zmierzyć prawdziwy układ odpornościowy. Ponadto, dla uproszczenia identyfikujemy komórki B o najwyższym powinowactwie jako komórki B plazmatyczne, ale komórki B plazmatyczne nie są wybierane jednocześnie pod koniec AM i mogą nie mieć absolutnie najwyższego powinowactwa.

Przed rozpoczęciem SHM początkowa populacja komórek B mogła ulec nieukierunkowanej proliferacji, co oznacza, że ​​początkowa losowa próbka może być lepiej modelowana jako losowe skupiska komórek B. Algorytm 1 pozwala centrom rozmnażania rosnąć bez ograniczeń, chociaż wskaźnik wymierania będzie miał tendencję do ograniczania wielkości populacji w centrach rozmnażania. W praktyce wielkość centrów rozmnażania jest również ograniczona przez fizyczne ograniczenia objętości i biochemiczne ograniczenia zasobów. Stosujemy stałą szybkość wymierania. ale istnieją pewne dowody, że prawdopodobieństwo wymierania zmniejsza się wraz ze wzrostem powinowactwa (Anderson i in., 2009). Włączamy uproszczoną wersję tego zachowania, przesuwając prawdopodobieństwo śmierci komórek B w centrum rozmnażania w kierunku komórek o niższym powinowactwie.

Limfocyty T mierzą powinowactwo sąsiednich komórek B, więc istnieje tylko pewne prawdopodobieństwo, że powinowactwo określonej komórki B zostanie zmierzone, a prawdopodobieństwo zmierzenia powinowactwa komórki B jest uważane za funkcję organizacji przestrzennej (co jest pośrednio wpływ powinowactwa) i bezpośrednie powinowactwo. Powinowactwo i bliskość przestrzenna konkretnej komórki B wpływają na prawdopodobieństwo jej selekcji i indukcji proliferacji. Nie rozważamy wyraźnie organizacji przestrzennej między komórkami TaH i komórkami B. Siła sygnału proliferacji jest generalnie proporcjonalna do powinowactwa komórki B, tak że komórki B o wysokim powinowactwie z większym prawdopodobieństwem rozmnażają się wiele razy przed powrotem do kolejnej iteracji oceny powinowactwa (Mesin i in., 2016; De Silva i Klein, 2015). Podobnie do zwiększonego prawdopodobieństwa śmierci komórek B o niskim powinowactwie, kierujemy selekcję komórek B do proliferacji w kierunku komórek B o wyższym powinowactwie.

Algorytm 1 może nadmiernie uprościć AM również w inny sposób, którego nie jesteśmy świadomi lub jeszcze nie poznaliśmy.

2.4. Komórki B plazmy są tworzone w celu optymalizacji powinowactwa antygenu w ograniczonym czasie

AM to proces, który od dawna jest określany jako układ odpornościowy działający jako globalny algorytm optymalizacji próbujący znaleźć komórkę B, która najlepiej identyfikuje dany antygen za pomocą SHM (Theodosopoulos i Theodosopoulos, 2002). Oznacza to, że AM działa tak, jakby rozwiązanie było heurystyczne, gdzie a jest danym antygenem, b jest komórką B ze zbioru B wszystkich możliwych komórek B, a s jest funkcją powinowactwa, która modeluje jakość blokady. i-kluczowe fizyczne i biochemiczne interakcje b i a. Zauważ, że B jest bardzo dużą przestrzenią kategoryczną zdefiniowaną przez sekwencję DNA o zmiennej długości, która koduje receptor komórki B.

Jednak cel (1) nie uwzględnia faktu, że komórka B plazmy nie musi być idealnie dopasowana do antygenu. W rzeczywistości wydaje się, że istnieje wystarczające powinowactwo s takie, że po osiągnięciu powinowactwa s, komórka B jest indukowana do różnicowania się w komórkę B plazmatyczną. Co więcej, układ odpornościowy jest pod presją czasu, aby jak najszybciej wytworzyć komórki B plazmy o wystarczająco wysokim powinowactwie.

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 i podany zbiór 多. początkowych naiwnych komórek B w centrum rozmnażania. Aby uchwycić presję czasu, modelujemy probabilistyczne mutacje komórek B w centrum rozmnażania w każdej dyskretnej iteracji czasu. Mając naiwną komórkę B b E, niech M(b)∈ będzie nową losową komórką B wytworzoną przez pojedynczą losową mutację b. Niech M*(b)= M(M(..(M(b))..)) oznacza losową komórkę B wytworzoną po mutacji Krandoma w b tak, że losowa komórka B M(b) może być dowolna z komórek B osiągalna przez Kmutacje M początkowej komórki B b, z odpowiednimi prawdopodobieństwami zależnymi od sumy prawdopodobieństwa różnych ścieżek mutacji, które mogłyby wytworzyć M* (b) zaczynając od b.

Następnie stawiamy hipotezę, że proces selekcji komórek B plazmy jest procesem heurystycznym wyewoluowanym w celu zminimalizowania liczby mutacji K∈niezbędnych tak, aby średnio K losowych mutacji wytworzyło co najmniej jedną komórkę B w centrum rozmnażania z wystarczającym powinowactwem t do antygenu:

gdzie EI.] jest standardowym operatorem oczekiwania (średnią) dotyczącym możliwych wyników zmiennej losowej ważonych ich prawdopodobieństwami. Cel ten jest zgodny z naszym Algorytmem 1.

Najwyraźniej układ odpornościowy nie jest bytem czującym, który wyraźnie formułuje kryteria (2), a następnie identyfikuje heurystykę, aby je zoptymalizować. Zamiast tego stawiamy hipotezę, że wybrano presje ewolucyjne dla procesu generowania komórek plazmatycznych B, który lepiej optymalizuje(2).

3. Trening komórek pamięci B

Podobnie jak komórki B plazmy, komórki pamięci B są tworzone w centrum rozmnażania, ale istnieją kluczowe różnice w generowaniu tych dwóch typów komórek, aby osiągnąć swoje cele (Mesin i in., 2016; Weisel i Shlomchik, 2017; Suan i in. al, 2017). Najpierw sprawdzamy, jak tworzone są komórki pamięci B, a następnie zastanawiamy się, do jakich kryteriów są one optymalizowane, analogicznie do naszych kryteriów(2)dla komórek plazmatycznych B

3.1.Tło na komórkach pamięci B

Podczas gdy nazwa komórka pamięci B może odwoływać się do idei, że komórka pamięci B jest długotrwałą kopią komórki plazmatycznej B, prawda jest bardziej skomplikowana. Komórki pamięci B nie przechodzą przez cały proces AM, jak robią to komórki plazmatyczne B. W rzeczywistości komórki B pamięci charakteryzują się stosunkowo niskim powinowactwem w porównaniu z komórkami B z osocza i niskim obciążeniem SHM (liczba mutacji zebranych z SHM) (Suan i wsp., 2017). Oznacza to, że chociaż komórki B pamięci mają początkowo wysokie powinowactwo do antygenu w stosunku do repertuaru naiwnych komórek B, nie przechodzą one AM w zakresie komórek B plazmatycznych i mają tendencję do mniejszego powinowactwa do obecnego antygenu niż komórki B plazmatyczne.

Gen BACH2 odgrywa ważną rolę w rozwoju komórek B pamięci w centrum rozmnażania oraz w ich ewentualnym różnicowaniu (Suan i in., 2017: Shinnakasu i in., 2016). BACH2 jest odwrotnie skorelowany z pomocą, jaką komórka B otrzymuje od komórek Te, a wynikające z tego słabe interakcje z komórkami T pozwalają na utrzymanie wysokiej ekspresji BACH2. Krytycznie

związek między ekspresją BACH2 a komórkami Tp pozwala na pewną pomoc komórek T w przeżyciu komórek w centrum rozmnażania, ale zapobiega przedostawaniu się prekursora komórki B do obszaru, w którym mógłby proliferować i mutować przez SHM. Prowadzi to do trzech podzbiorów komórek B w centrum rozmnażania: (1) komórek B o wysokim powinowactwie, które są selekcjonowane przez komórki T do proliferacji i mutacji przez SHM i ostatecznie prowadzą do różnicowania komórek B w osoczu, (2) umiarkowane powinowactwo B komórki (niskie w porównaniu do prekursorów limfocytów B plazmy, wysokie w porównaniu do przeciętnych naiwnych limfocytów B), których selekcja przez limfocyty T jest hamowana przez BACH2, co prowadzi do limfocytów B pamięci i (3) limfocytów B o niskim powinowactwie, które otrzymują niewielką lub żadną pomoc z komórek Tw prowadzących do apoptozy (Mesin i wsp., 2020; Taylor i wsp., 2015).

Komórki pamięci B są podobne do naiwnych komórek B pod względem profili transkrypcyjnych, co umożliwia im swobodne krążenie w organizmie i monitorowanie przyszłych wystąpień antygenów. Pomimo tych podobieństw, wykazują one nadekspresję genów antyapoptotycznych, co pozwala komórkom B pamięci żyć wyjątkowo długo, a tym samym zdolność do rozpoznawania antygenów w przyszłości (Suan i wsp.2017).

3.2. Do czego zoptymalizowane są komórki pamięci B?

Gdyby celem układu odpornościowego było zapamiętywanie na pamięć receptorów komórek B o najwyższym powinowactwie do obecnego antygenu a, moglibyśmy oczekiwać, że repertuar receptorów komórek B pamięci będzie prawie identyczny z repertuarem receptorów komórek B plazmy, ale tak nie jest. Można alternatywnie oczekiwać, że AM skorzysta z luksusu czasu, jaki ma, zanim będzie potrzebowała komórek B pamięci do większej mutacji, aby komórki B pamięci mogły mieć jeszcze większe powinowactwo s(b,a) do antygenu niż komórki B plazmy , dalsza optymalizacja (1). Wydaje się, że tak nie jest. Chociaż obie te opcje powinny być biologicznie wykonalne, układ odpornościowy robi coś radykalnie innego, aby tworzyć komórki B pamięci: wybiera komórki pamięci B wcześniej w AM niż komórki B plazmy, a zatem komórki B pamięci mają średnio mniejsze powinowactwo s(ba) niż komórki B plazmy.

Aby wyjaśnić, dlaczego komórki B pamięci są tak słabo dopasowane do obecnego antygenu a, proponujemy dwie hipotezy dotyczące funkcji celu, którą komórki B pamięci mogą heurystycznie próbować zoptymalizować. Nasze dwie hipotezy wynikają z podwójnej roli komórek B pamięci (Dogan i in., 2009; Weisel i Shlomchik, 2017). Po pierwsze, gdy przyszłe wcielenia ataku antygenowego, komórki B pamięci są używane bez zmian do różnicowania się w komórki B plazmatyczne i eliminowania zmutowanego antygenu. Po drugie, komórki B pamięci są używane do ciepłego startu wtórnego treningu komórek plazmatycznych przez AM. W rzeczywistości ostatnie dowody pokazują, że duża część komórek B plazmatycznych w odpowiedzi wtórnej to komórki B pamięci z pierwszej odpowiedzi, a niektóre komórki B pamięci są również wykorzystywane do wysiewu nowych centrów rozmnażania w celu optymalizacji odpowiedzi komórek B plazmatycznych odpowiedzi wtórnej ( Mesin i in., 2020).

3.3. Trening pod kątem powinowactwa do zmutowanego antygenu

Proponujemy, że kluczową kwestią dla komórek B pamięci jest to, że przyszły przypadek antygenu, który muszą złagodzić, jest prawie na pewno mutacją à oryginalnego antygenu a. W momencie tworzenia komórek pamięci B, przyszły zmutowany antygen a jest nieznany, ale możemy go scharakteryzować jako losowo zmutowany antygen A. W tym artykule używamy standardowego zapisu prawdopodobieństwa, że ​​wielka litera oznacza zmienną losową, a odpowiadająca mu mała litera oznacza realizację tej zmiennej losowej. Na przykład, jeśli rzucisz kostką sześciościenną, losowa wartość Xe {1,2..6} odnosi się do rzutu kostką, zanim na nią spojrzysz, ponieważ w tym momencie znasz tylko prawdopodobieństwo jej sześciu wartości, ale raz widzisz rzut kostką, jest to wartość deterministyczna xE {1,2....,6}.

Niech A będzie losowym antygenem wylosowanym z pewnego warunkowego rozkładu prawdopodobieństwa PA~ja, który zależy od aktualnego antygenu a i modeluje prawdopodobieństwo możliwych przyszłych mutacji do a oraz prawdopodobieństwo, że taka mutacja zostanie zaprezentowana organizmowi gospodarza w ciągu życia komórki B pamięci wyselekcjonowane podczas odpowiedzi immunologicznej na a. Gdyby tylko jedna komórka pamięci B była wymagana do odpowiedzi wtórnej, logicznym uogólnieniem (1) byłoby wybranie komórki pamięci B, która będzie miała średnio wysokie powinowactwo do losowo zmutowanego antygenu A.

Jeśli wszystkie mutacje antygenu a są jednakowo prawdopodobne, a wynik powinowactwa s jest ładną funkcją liniową, rozwiązanie (3) może być takie samo jak (1). Spodziewamy się jednak, że istnieje znaczna asymetria w prawdopodobieństwie wystąpienia różnych mutacji antygenu, więc oczekujemy, że rozwiązanie (3) będzie inne niż rozwiązanie (1). To ta sama zasada, co w słynnym cytacie Wayne'a Gretzky'ego o hokeju, jadę tam, gdzie ma być krążek, a nie tam, gdzie był

Ryc. 2 ilustruje kryterium w (4), pokazując, że różnorodność w komórkach B pamięci pomaga pokryć przestrzeń prawdopodobnych mutacji oryginalnego antygenu a. Kryterium (4) zakłada stały wybór N, ale gdybyś mógł również zoptymalizować (4) dla N, to zawsze preferowałbyś większą liczbę N komórek pamięci B. Jednak istnieje również presja w dół na N ze względu na zasoby fizyczne potrzebne do przechowywania i utrzymywania tych komórek, a także presja czasu, zanim antygen zniknie. Ponownie podkreślamy, że nie zakładamy hipotezy, że same komórki pamięci B próbują zoptymalizować (4), a nie presja ewolucyjna preferowałaby procesy generowania komórek pamięci B, które optymalizowały (4).

3.4. Optymalizacja pod kątem ciepłego treningu startowego pod kątem zmutowanego antygenu

Nie chcemy sugerować, że komórki pamięci B bezpośrednio optymalizują (5), ale raczej, że naciski ewolucyjne mogą mieć preferowane procesy selekcji komórek pamięci B, które lepiej optymalizują (5). Cel (4) i cel (5) prawdopodobnie będą miały różne optymalne rozwiązania w zależności od prawdopodobieństwa różnych mutacji antygenu i komórek B, chociaż ten sam proces selekcji komórek B pamięci heurystycznej może całkiem dobrze działać w obu celach. Nie wiadomo jeszcze, jak ważne są komórki B pamięci dla treningu komórek B plazmatycznych odpowiedzi wtórnej w ośrodkach rozmnażania, jednak niektóre dowody wskazują, że ośrodki rozmnażania odpowiedzi wtórnej składają się z większej liczby naiwnych komórek B, niż można by się spodziewać (Mesin i wsp., 2020 ).

3.5. Dlaczego komórki B pamięci nie są kopiami komórek B plazmy?

Zarówno (4), jak i (5) wydają się wymagać znajomości rozkładu prawdopodobieństwa PA~ różnych mutacji, którym może ulegać antygen, oraz rozkładu prawdopodobieństwa PMK bÞ zmutowanej komórki B po mutacjach K. Jednak dla wielu symetrycznych wyborów PA~ i PMK ðbÞ dokładne rozkłady mogą nie mieć większego znaczenia: układ odpornościowy może tanio osiągnąć dobre przybliżone rozwiązanie (4) i (5) po prostu tworząc kopie komórek B pamięci z osocza. komórki B; wydaje się, że nie ma żadnych ograniczeń biochemicznych uniemożliwiających dokładną replikację. Jednak komórki B pamięci faktycznie wydają się być selekcjonowane inaczej niż komórki B plazmatyczne. Przedstawiamy dwie hipotezy, dlaczego.

Nasza pierwsza hipoteza została już przedstawiona w rozdziale 3.3 i na ryc. 2: ponieważ układ odpornościowy wybiera zestaw komórek pamięci B w punkcie (4), opłaca się mieć większą różnorodność w komórkach pamięci B niż w przypadku kopiowania osocza Komórki B. Komórki plazmatyczne B wydają się być mniej zróżnicowane, ponieważ są wytrenowane do optymalizacji (1), co nawet przy wielu lokalnych minimach w kształcie sðb; aÞ ograniczy ich różnorodność. Komórki pamięci B są bardziej zróżnicowane niż komórki B plazmy, ponieważ są selekcjonowane wcześniej w procesie dojrzewania. Uważamy, że ta różnorodność jest ważna, aby zoptymalizować powinowactwo do zmutowanego antygenu zgodnie z (5), ponieważ prawdziwa funkcja powinowactwa s jest wysoce nieliniową funkcją sekwencji aminokwasowych komórki B b i antygenu a, które wynikają ze złożonych właściwości biochemicznych i fizycznych struktury typu lock-and-key (Carneiro i Stewart, 1994; Kilambi i Gray, 2017; Ambrosetti i in., 2020)

Nasza druga hipoteza jest taka, że ​​cel ciepłego startu (5) dla drugorzędowych centrów rozmnażania nie jest dobrze zoptymalizowany przez kopię zestawu komórek B plazmatycznych, ponieważ istnieją dowody, że prawdopodobieństwo PMjb przypadkowych mutacji komórek B w SHM jest asymetryczny: niektóre mutacje komórek B są znacznie bardziej prawdopodobne niż inne. To sprawia, że ​​niektóre komórki B są bardziej elastycznym punktem startowym dla ciepłego startu niż oryginalne komórki B plazmy, które mogą mieć problem z mutacją w celu dopasowania do nowego antygenu. Dowodem na asymetryczne PMjb jest to, że wielu badaczy zauważyło preferencyjne celowanie AID w określone motywy (Martin i in., 2015; Stavnezer, 2011; Chen i MacCarthy, 2017; Keim i in., 2013). Ponieważ mutacje z definicji zmieniłyby konkretną sekwencję, na którą kieruje się AID, rozsądne jest wnioskowanie, że pierwsza mutacja w tej lokalizacji jest łatwiejsza niż przyszłe. Gdy sekwencja zostanie zmieniona, AID jest mniej prawdopodobne, że będzie celować w tę lokalizację. Ogólnie rzecz biorąc, preferencyjne kierowanie AID utrudniłoby temu regionowi dalszą mutację lub cofnięcie się z powrotem do oryginalnej sekwencji.

Ta asymetria prawdopodobieństwa poruszania się po przestrzeni wszystkich komórek B poprzez mutacje podczas AM powoduje rozłączenie między celem komórek B plazmy (1) a celem bycia dobrym rozwiązaniem na ciepły start dla przyszłego treningu komórek B plazmy zgodnie z (5 ). W szczególności komórka B plazmy mogła spowodować wiele trudnych do odwrócenia mutacji w celu optymalizacji (1) dla obecnego antygenu a. W przeciwieństwie do tego, wybrane komórki B pamięci wydają się być niedostatecznie zoptymalizowane pod kątem dopasowania do obecnego antygenu a, ale stawiamy hipotezę, że mogą łatwiej mutować w wtórnej odpowiedzi AM, aby lepiej dopasować losowy przyszły antygen A~. Ogólnie zauważamy, że stopień dopasowania celów (1), (4) i (5) zależy od symetrii PA~; PMjb i nieliniowości s.

4. Symulacje

Używamy algorytmu AM (algorytm 1) do modelowania sposobu trenowania komórek B plazmy i komórek B pamięci i pokazujemy za pomocą dwóch symulacji, że symulowane komórki pamięci B są lepsze niż symulowane komórki plazmatyczne B w optymalizacji naszych hipotetycznych celów (4) i ( 5), dostarczając w ten sposób dowodów, że cele te są biologicznie uzasadnione. Najpierw demonstrujemy mechanikę dojrzewania powinowactwa w symulowanych pierwotnych odpowiedziach immunologicznych, a następnie porównujemy różne potencjalne warunki początkowe dla symulowanych wtórnych odpowiedzi immunologicznych.

Symulacje te nie uwzględniają wszystkich rzeczywistych problemów, takich jak to, że mutacja wirusa nie może zaszkodzić funkcjonalności wirusa oraz problemów opisanych w 2.3. Pomimo tych ograniczeń, twierdzimy, że te symulacje uchwyciły wiele kluczowych kwestii potrzebnych do zilustrowania, że ​​nasze hipotetyczne cele są zgodne z różnicą w treningu plazmy i komórek B pamięci. Kompletny kod do naszych symulacji zostanie udostępniony na życzenie.

4.1. Konfiguracja symulacji

Nasze symulacje są zgodne z algorytmem 1 dla procesu AM. Inicjujemy naiwny repertuar komórek B (10,000 komórek) z receptorami komórek B, które są reprezentowane przez losową sekwencję 10-50 aminokwasów, gdzie każdy aminokwas jest rysowany jednolicie na przestrzeni 61 nie - kodony stop (tworzące niejednorodny rozkład nad aminokwasami). Symulujemy antygeny jako sekwencje pochodzące ze znanych sekwencji antygenowych albuminy jaja kurzego, mleka krowiego i pszenicy (Honma i wsp. 1996; Liu i Sathe, 2018). Każda sekwencja antygenowa ma długość 17 aminokwasów, aby zapewnić spójność. Symulujemy metrykę powinowactwa między komórką B a antygenem za pomocą funkcji standardowego lokalnego dopasowania MATLAB, która znajduje optymalne dopasowanie między dwiema sekwencjami przy użyciu macierzy BIOSUM50 i zwraca wynik odzwierciedlający podobieństwo dwóch sekwencji w tym dopasowaniu Henilkoff i Henikoff, 1992. Dla uproszczenia używamy tego wyniku jako miary powinowactwa między receptorem komórki B a antygenem, ale zauważmy, że jest to tylko przybliżone przybliżenie bardziej złożonej zgodności strukturalnej między receptorem komórki B a antyfonem.

Mutacje komórki B podczas AM są modelowane w przestrzeni kodonów, gdzie kodony receptora komórki B są zastępowane jedną z 61 możliwości kodonów. Podczas gdy SHM mutuje komórki B na poziomie pojedynczego nukleotydu, praca w przestrzeni kodonów zapobiega dodatkowej komplikacji filtrowania nonsensownych sekwencji receptorów komórek B. Oprócz zastąpienia kodonów, kodony w sekwencjach receptora komórek B mogą być wstawiane lub usuwane. Insercje i delecje są mniej prawdopodobne niż zamiana na inny kodon, na podstawie częstości występowania każdego typu mutacji obserwowanej u ludzi (Gibbs i in., 2003; 1000 Genomes Project Consortium i in., 2015; Zia i Moses, 2011). Kodony definiujące każdy receptor limfocytów B są wybierane do losowej mutacji, ale symulujemy kodony zawierające cytozyny C jako C þ 1 raz bardziej podatne na mutację niż kodony bez cytozyny, co odzwierciedla biologiczne uprzedzenia motywów sekwencji nukleotydowej (Martin et al. , 2015; Stavnezer, 2011; Chen i MacCarthy, 2017; Keim i in., 2013). Narzucamy również błąd przejścia między kodonami, czyniąc niektóre zamiany bardziej prawdopodobnymi niż inne w oparciu o macierz mutowalności wyprowadzoną z macierzy BLOSUM50 (Henikoff i Henikoff, 1992; Veerassamy i in., 2003).

W naszej początkowej symulacji pierwotnej adaptacyjnej odpowiedzi immunologicznej na antygen (odpowiedź pierwotna) losowo wybieramy 50 naiwnych komórek B z repertuaru limfocytów B z pierwszej 000 z 10 000 naiwnych Repertuar komórek B pod względem powinowactwa do tego antygenu. Odzwierciedla to rekrutację naiwnych komórek B z pewnym częściowym powinowactwem przez komórki TFH do centrów rozmnażania (Mesin i wsp., 2016; Tas i wsp., 2016). Te 50 „założycielskich” komórek B jest następnie duplikowanych 20 razy, aby utworzyć populację ośrodka rozmnażania składającą się z 1,000 komórek, co odzwierciedla okres wzrostu tworzenia centrum rozmnażania (Amitai et al., 2017). W każdej iteracji symulacji wybiera się 50 komórek B do proliferacji i 50 komórek B do usuwania. Komórki B o wyższym powinowactwie mają wyższe prawdopodobieństwo selekcji do proliferacji, podczas gdy komórki B o niższym powinowactwie mają wyższe prawdopodobieństwo selekcji do usunięcia. Komórki B wybrane do proliferacji są duplikowane i mutowane, zastępując wszystkie komórki B wybrane podczas tej iteracji. Proces ten imituje apoptozę komórek B o niskim powinowactwie z braku pomocy komórek TFH i proliferację komórek B o wysokim powinowactwie po selekcji przez komórki TFH. Mutacje te mają możliwość zwiększenia, zmniejszenia lub braku wpływu na powinowactwo receptorów komórek B. Nakładamy również ograniczenia na to, jakie mutacje mogą wystąpić w określonej iteracji, symulując proces selekcji negatywnej z powodu szkodliwych lub potencjalnie niebezpiecznych mutacji. Cały ten proces powtarza się w ponad 100 iteracjach.

Jako podstawę dla obu symulacji 1 i 2, wyodrębniamy 50 komórek podczas pierwszej połowy naszej podstawowej symulacji odpowiedzi jako symulowane komórki B pamięci. Komórki są losowo wybierane z górnego 25. percentyla komórek B centrum rozmnażania. Kolejnych 50 komórek wybiera się na samym końcu odpowiedzi pierwotnej, aby reprezentowały komórki B plazmy, gdzie komórki te wykazują najwyższe 50 wyników powinowactwa do antygenu. Odzwierciedla to niewielkie odchylenie od Algorytmu 1, ponieważ nie znamy progu ta priori. Ustalamy t dla odpowiedzi wtórnej na podstawie powinowactwa komórek plazmatycznych wybranych na końcu odpowiedzi pierwotnej. Zgodnie z oczekiwaniami, symulowane komórki B pamięci mają ogólnie niższe powinowactwo do antygenu w porównaniu z komórkami B plazmy, ale wyższe niż początkowy zestaw naiwnych komórek B.

Nasze symulowane mutacje antygenu dla odpowiedzi wtórnej pochodzą z jednolitej losowej zamiany dowolnego z kodonów na dowolny inny (w tym prawdopodobnie na siebie, tj. brak operacji), co tworzy niejednorodny rozkład na aminokwasy jako niektóre aminokwasy są kodowane przez wiele kodonów. Mutacje antygenu mogą również obejmować insercje lub delecje kodonów, z prawdopodobieństwem równym każdemu kodonowi.

4.2. Symulacja 1: Powinowactwo do zmutowanego antygenu

Infekcja wtórna może obejmować antygen, który został zmutowany lub antygen podobny do pokrewnego patogenu. Symulujemy zmiany w antygenie od pierwotnej do wtórnej infekcji, wywołując przeciwstawne mutacje w naszej sekwencji antygenowej. Najpierw generujemy 1,000 jednolicie losowych mutacji sekwencji antygenu a. Mutacje losowe mogą być zamianą dowolnego aminokwasu na dowolny inny, insercją dowolnego aminokwasu lub delecją aminokwasu. Spośród tych kandydujących mutacji zachowujemy tę, która ma najniższe średnie powinowactwo (najgorszy przypadek) do zestawu 50 komórek plazmatycznych B z pierwotnej odpowiedzi, aby odzwierciedlić, że potencjalnie niebezpieczna wtórna infekcja prawdopodobnie byłaby spowodowana trudniejszą mutacją. Powtarzamy ten losowy proces w sumie K razy, aby wytworzyć antygen z mutacjami K. Uważamy, że antygen przeciwnika jest najgorszym przypadkiem realizacji P; z mutacji kandydujących.

Następnie testujemy różne populacje komórek B według hipotetycznego celu (4). Ryc. 3 pokazuje średnie powinowactwo między coraz bardziej zmutowanymi antygenami (albumina jaja kurzego, mleko krowie i pszenica) z mutacjami K=1.... 10 dla różnych populacji komórek pod koniec odpowiedzi pierwotnej wyniosło średnio ponad 100 niezależnych przebiegów (Honma i wsp. 1996; Liu i Sathe 2018). Ryc. 3 pokazuje, że nasze symulowane komórki B plazmy są najlepszym wyborem do maksymalizacji(4) dla niewielkiej liczby mutacji przeciwnych, nasze symulowane komórki B pamięci są najlepszym wyborem spośród ~2-6 mutacji, a naiwne komórki B są najlepsze po wielu mutacjach (7 plus ). Nasze symulacje są zbyt uproszczone, aby konkretne punkty przejścia miały sens, ale twierdzimy, że dostarczają mocnych dowodów na to, że komórki B plazmatyczne prawdopodobnie nie są optymalne do identyfikacji istotnie zmutowanych antygenów. Może to dalej sugerować, że istnieje pewien region w przestrzeni mutacji, w którym komórki B pamięci są bardziej użyteczne niż komórki B plazmatyczne lub naiwne komórki B jako warunek początkowy odpowiedzi wtórnej.

Stawiamy hipotezę, że fakt, iż komórki B plazmatyczne nie zawsze mają najwyższe powinowactwo do zmutowanych antygenów, wynika z większej różnorodności komórek B pamięci i komórek B naiwnych. Podczas gdy mutacje występują w przestrzeni DNA, odpowiednia różnorodność występuje w powstałej nieliniowej przestrzeni fizycznej i biochemicznej, która określa powinowactwo do antygenu. Przybliżony pomiar różnorodności komórek B w każdej populacji przy użyciu parami podobieństw BLOSUM w każdym zestawie pokazuje znaczne różnice w różnorodności, przy czym komórki plazmatyczne B mają średnie podobieństwo w zestawie BLOSUM wynoszące 46, komórki B pamięci mają znacznie niższą średnią w zestawie Podobieństwo BLOSUM ~27, a naiwne komórki B mają jeszcze mniejsze podobieństwo w obrębie zestawu BLOSUM ~9 (od reprezentatywnej odpowiedzi pierwotnej).

4.3. Symulacja 2: Mutacje potrzebne do treningu komórek B z odpowiedzią drugorzędową

W tej symulacji porównujemy, jak dobrze trzy typy limfocytów B działają jako nasiona dla centrum zarodkowego odpowiedzi wtórnej. Naśladujemy trening odpowiedzi wtórnej nowego zestawu komórek B plazmy zoptymalizowanych pod kątem wysokiego powinowactwa do zmutowanego antygenu (opisany w Symulacji 1). Inicjujemy optymalizację komórek B plazmatycznych odpowiedzi wtórnej za pomocą jednej z trzech opcji: (i)N=50 komórek B plazmatycznych generowanych w głównej mierze za oryginalny antygen a,(ii)pamięć N=50 Limfocyty B wytworzone z główną odpowiedzialnością za oryginalny antygen a lub (i)N=50 naiwnych limfocytów B. Zapełniamy ośrodek rozmnażania w identyczny sposób, jak w przypadku pierwotnej odpowiedzi, używając trzech zestawów 50 komórek B jako naszych nowych komórek założycielskich. Podobnie jak w odpowiedzi pierwotnej, naiwne komórki B są losowe, ale wybierane tak, aby miały pewne początkowe powinowactwo do obecnie zmutowanego antygenu, aby symulować rekrutację do centrum rozmnażania. Każde z tych trzech drugorzędowych ośrodków zarodkowych odpowiedzi przechodzi AM w identyczny sposób jak odpowiedź pierwotna.

Ryc. 4 to reprezentatywne przykłady symulacji wielokrotnych odpowiedzi wtórnych, z tą samą odpowiedzią pierwotną i tymi samymi mutacjami K=1.....10 na antygenie mleka krowiego (Liu i Sathe, 2018) . W szczególności pokazuje średnie powinowactwo komórek o najwyższym powinowactwie 0,05% w ciągu 100 iteracji w odpowiedziach wtórnych. Ryc. 4 podkreśla, że ​​tylko w przypadku jednej lub dwóch mutacji antygenu, komórki B plazmatyczne mają zwykle najwyższe początkowe powinowactwo do zmutowanego antygenu. W przypadku trzech lub więcej mutacji przeciwstawnych komórki B naiwne i pamięci są lepszymi warunkami początkowymi dla odpowiedzi wtórnej niż komórki B z odpowiedzią pierwotną i osiągają powinowactwo t w mniejszej liczbie powtórzeń (ryc. 4 i 5). jak zrekrutowane naiwne komórki B odpowiedzi wtórnej mają zwykle wyższe początkowe powinowactwo do zmutowanego antygenu niż komórki B z odpowiedzią pierwotną plazmatyczną lub komórki B pamięci, gdy antygen został wystarczająco zmutowany. Tego się spodziewano, ale byliśmy zaskoczeni, jak niewiele mutacji wymagało, aby naiwne komórki B miały najwyższe powinowactwo w pierwszej iteracji odpowiedzi wtórnej. To znaczy. w przypadku stosunkowo niewielu mutacji kodonów w nowym antygenie znajdujemy dowody empiryczne, że zaszczepienie wtórnej odpowiedzi głównie limfocytami B z repertuaru naiwnego jest korzystną strategią. Nie byliśmy w stanie zasymulować regionu w przestrzeni mutacji, w którym komórki B pamięci z odpowiedzi pierwotnej konsekwentnie miały najwyższe powinowactwo w pierwszej iteracji odpowiedzi wtórnej, prawdopodobnie z powodu znacznej zmienności między symulowanymi odpowiedziami wtórnymi.

Podobnie, Fig. 5 pokazuje średnią liczbę iteracji dla osocza, pamięci i naiwnych limfocytów B w celu osiągnięcia ogólnej symulacji odpowiedzi wtórnej dla wszystkich trzech antygenów. Liczba iteracji, w której osiągnięto próg t, jest uśredniana ze wszystkich symulacji odpowiedzi drugorzędowych dla 50 niezależnych symulacji głównej odpowiedzialności za każdy antygen. Ponownie, nasze symulacje nie wykazały regionu przestrzeni mutacji, w którym komórki B pamięci były niezmiennie najlepszymi warunkami ciepłego startu. Odkryliśmy, że to utrzymuje się w kilku udoskonaleniach naszej symulacji, co sugeruje, że to odkrycie może nie być artefaktem zbyt prymitywnej symulacji. Przypuszczamy, że jest to spowodowane selekcją naiwnych limfocytów B do drugorzędowego centrum rozmnażania, które ma pewne początkowe powinowactwo do zmutowanego antygenu (jak opisano w symulacji odpowiedzi pierwotnej). Oznacza to, że naiwne komórki B na Fig. 4 są wybierane pod kątem początkowego powinowactwa do a, podczas gdy komórki B pamięci i plazmatyczne pochodzące z naiwnych komórek B są wybierane pod kątem pewnego początkowego powinowactwa do oryginalnego antygenu a (Fig. 3). Początkowo podejrzewaliśmy, że nasze powinowactwo do selekcji komórek naiwnych było zbyt silne, ale zarówno naiwne, jak i pamięciowe komórki B są rekrutowane jednocześnie w rzeczywistych drugorzędowych ośrodkach rozmnażania, aby mieć największą szansę na tworzenie nowych komórek B w osoczu. W rzeczywistości ostatnie dowody eksperymentalne sugerują, że ośrodki rozmnażania wtórnej odpowiedzi składają się z większej liczby naiwnych komórek B niż wcześniej sądzono (Mesin i wsp., 2020). Możliwe jest również, że istnieje reżim mutacji antygenu, w przypadku którego komórki B pamięci są rzeczywiście bardziej skuteczne niż naiwne komórki B pod względem ciepłego startu, ale nasze symulacje nie były wystarczająco realistyczne, aby to uchwycić.

Zauważamy, że symulacje odpowiedzi wtórnej często wymagają ponad 100 iteracji, aby osiągnąć próg powinowactwa t z odpowiadającej im symulacji pierwotnej. Przy obliczaniu średniej liczby iteracji, aby osiągnąć t w Fg.5, ustawiamy te przypadki na maksymalną liczbę iteracji wynoszącą 100. Postawiamy hipotezę, że to zjawisko występuje, ponieważ przeciwstawne mutacje d mogą stworzyć trudniejszy problem dla symulowanego centrum rozmnażania rozwiązać. Oznacza to, że mutacje mogą być specyficznie ukierunkowane na potencjalne słabe obszary w przestrzeni prawdopodobieństwa mutacji w wyniku własnych celów przeżycia antygenu.

5. Wnioski i pytania otwarte

Postawiliśmy hipotezę, że podwójną rolę komórek B pamięci można uchwycić przez dwa cele (4) i (5) i że cele te nie byłyby tak dobrze zoptymalizowane przez kopiowanie komórek B plazmy, które są wytrenowane (1), ze względu na ich nadmierne dopasowanie oryginalnego antygenu. Nasze symulacje, choć ograniczone, dostarczają mocnych dowodów na to, że komórki B plazmy nie będą optymalizować(4) lub(5)gdy antygen przeszedłby wystarczające mutacje przeciwstawne. Uważamy, że ta suboptymalność komórek B plazmy wobec zmutowanych antygenów zapewnia rolę dla różnych mechanizmów selekcji stosowanych dla komórek B pamięci.

Nasze symulacje pokazują ograniczony zakres mutacji antygenowych, w stosunku do których nasze symulowane komórki B pamięci mogą być optymalne; w przypadku znacznych mutacji pokazujemy, że losowe naiwne komórki B mogą działać jeszcze lepiej. Z biologicznego punktu widzenia wniosek ten jest poparty niedawnymi odkryciami dotyczącymi wtórnych adaptacyjnych odpowiedzi immunologicznych, w których naiwne komórki B stanowią zdecydowaną większość komórek B we wtórnych ośrodkach rozmnażania (Mesin i wsp., 2020). Zamiast tego, komórki pamięci B są często wykorzystywane do bezpośredniego różnicowania w komórki B plazmy, zamiast podlegać dalszej hipermutacji somatycznej (Mesin i wsp., 2020). Komórki plazmatyczne B są rozwiązaniem jednorazowym i są w dużym stopniu przesadzone do obecnego antygenu będącego przedmiotem zainteresowania. Komórki pamięci B zapewniają bardziej przybliżone rozwiązanie dla obecnego antygenu, który jest przechowywany w organizmie w celu rozpoznania przyszłych antygenów o podobnych właściwościach. Jeśli przyszły antygen jest tak różny od tego, z którym wcześniej zetknął się układ odpornościowy, że żadne komórki B pamięci nie są w stanie go zidentyfikować, nowe rozwiązanie tworzone jest od podstaw przy użyciu naiwnych komórek B.

Komórki pamięci B odgrywają dwie role, zarówno różnicując się w komórki plazmatyczne B, jak i ponownie inicjując centra rozmnażania, ale role te mogą odgrywać różne subpopulacje (Dogan i wsp. 2009; Weisel i Shlomchik, 2017). Te odrębne subpopulacje komórek B pamięci mogły wynikać z odrębnych procesów AM lub zmian w procesie AM w okresie AM, których nie modelowaliśmy wyraźnie w naszym Algorytmie 1 (Weisel et al, 2016). Zatem nasze dwa cele komórek B pamięci w (4) i (5) mogą mieć zastosowanie do niezależnych populacji komórek B pamięci. Tutaj zbadaliśmy uproszczony model, w którym komórki pamięci B były uważane za zunifikowaną grupę. Jednak nie byliśmy w stanie wykazać za pomocą symulacji reżimu, w którym komórki B pamięci były wyraźnie lepsze niż wtórne naiwne komórki B pod względem ponownego inicjowania wtórnej odpowiedzi germinalnej. Nasze wyniki sugerują, że to zadanie ponownej inicjalizacji może być słabszą lub rzadszą rolą komórek B pamięci. Wyniki te są zgodne z ostatnimi dowodami eksperymentalnymi, że podobnie odnotowane komórki B pamięci były mniej rozpowszechnione w drugorzędowych ośrodkach rozmnażania niż wcześniej zakładano (Mesin i wsp., 2020). Jednak nawet jeśli komórki B pamięci nie zawsze są potrzebne do odpowiedzi wtórnej, może się okazać, że w niektórych przypadkach są one bardzo ważne dla ciepłego startu, co może nadal wywierać presję ewolucyjną na proces ich selekcji. Ewolucyjne naciski na selekcję komórek B w naturze nie są znane, ale można je wyjaśnić poprzez integrację symulacji obliczeniowych i eksperymentów biologicznych. Aktywne monitorowanie powinowactwa komórek B podczas dojrzewania powinowactwa, a także wykrywanie, kiedy i dlaczego komórki GC B stają się komórkami pamięci B, może pomóc w opracowaniu dokładniejszych i bardziej złożonych modeli w przyszłości.