Генетический контроль взаимодействия иммунокомпетентных клеток

Генетический контроль взаимодействия иммунокомпетентных клеток

ВВЕДЕНИЕ


Защитная реакция организма от патогена или любого другого чужеродного биологического материала осуществляется двумя системами иммунитета. В тех случаях, когда организм инфицируется бактериями, основная нагрузка падает на так называемую В-систему иммунитета. В состав этой системы входят костный мозг - основной источник клеток, продуцирующих специфические антитела и получивших название В-лимфоцитов (от англ. bone marrow - костный мозг), собственно В-лимфоциты и набор различных классов антител. Конечным результатом работы В-системы является накопление специфических антител, которые нейтрализуют бактерии или их токсины. Если же организм столкнулся с вирусной инфекцией, то в работу вступает Т-система иммунитета. Составляющими элементами Т-системы являются тимус (лимфоэпителиальный орган, расположенный за грудиной), различные субпопуляции тимусзависимых клеток (Т-лимфоцитов), антигенраспознающие рецепторы, находящиеся на поверхности этих клеток (Т-клеточные рецепторы - ТКР), а также группа регуляторных молекул (цитокинов). Одна из клеточных субпопуляций этой системы - Т-киллеры (цитотоксические Т-лимфоциты) являются основным компонентом антивирусного иммунитета. Т-киллеры контактируют с инфицированными вирусом клетками и разрушают их. Попавшие в кровоток вирусные частицы нейтрализуются антителами.
Изучая тонкие механизмы этих процессов, исследователи поняли, что ни В-клетки, ни Т-киллеры не в состоянии развить максимально эффективную реакцию самостоятельно. Для наиболее полного ее проявления необходима помощь со стороны других клеток. Эту вспомогательную функцию выполняют как фагоцитирующие клетки (макрофаги, дендритные клетки), так и Т-хелперы (от англ. helper - помощник). Именно через процесс взаимодействия различных типов иммунокомпетентных клеток формируется наиболее выраженный иммунный ответ.
Параллельно и вначале независимо от проблем взаимодействия клеток, ответственных за иммунный ответ, проводились исследования по генетической организации главного комплекса гистосовместимости (ГКГ, MHC). Этот комплекс генов был открыт в связи с пересадками (трансплантацией) тканей от одной особи вида другой. Отсюда и название комплекса. До конца 60-х - начала 70-х годов было известно лишь одно свойство этого комплекса - контроль синтеза антигенов, вызывающих иммунную реакцию отторжения пересаженной ткани. Позднее при изучении генетического контроля силы иммунного ответа и особенно при анализе механизмов взаимодействия генетически отличающихся клеток был выявлен достаточно широкий спектр биологической активности комплекса. Под контролем ГКГ проходят такие иммунологические процессы, как регуляция силы гуморального (В-клеточного) и клеточного (Т-клеточного) иммунного ответа, обеспечение иммуногенности проникшего в организм антигена, селекция специфических Т-клеток в тимусе. И наконец, изучение участия генов ГКГ во взаимодействии иммунокомпетентных клеток привело к пониманию одного из существенных явлений иммунитета - распознавания антигена Т- и В-клетками.


ГЛАВНЫЙ КОМПЛЕКС ГИСТОСОВМЕСТИМОСТИ


ГКГ у мышей представляет собой группу близкосцепленных генов, локализованных в 17-й хромосоме. У человека этот комплекс располагается в 6-й хромосоме. Гены Н-2К, Н-2D и Н-2L ответственны за синтез антигенов I класса. Гены Аb, Аa, Еb и Еa обеспечивают образование полипептидных цепей, которые формируют антигены II класса. Известны две формы таких антигенов АbАa и ЕbЕa (рис. 1).
Антигены I класса являются гликопротеинами с молекулярной массой 44 000. С основной, тяжелой a-цепью этого антигена нековалентно связан b2-микроглобулин (b2-М), имеющий близкую гомологию с иммуноглобулинами. Антигены II класса построены из двух полипептидов (b- и a-цепей).
Антигены I и II класса, а также b2-микроглобулин по характеру строения и высокой гомологии последовательности аминокислотных остатков с иммуноглобулинами входят в состав единого суперсемейства. Этот факт сам по себе примечателен. Он указывает на то, что роль ГКГ состоит не только в маркировке индивидуальности, но и в реакциях иммунологической природы.


ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГЕНЕТИЧЕСКИ ИДЕНТИЧНЫХ (СИНГЕННЫХ) КЛЕТОК


Проблема межклеточных взаимодействий возникла в биологии достаточно давно. Исследователям, занимающимся изучением вопросов клеточной биологии, хорошо известно взаимное влияние различных типов клеток в таких процессах, как дифференцировка клеток, эмбриональное развитие, регуляция роста тканей. Однако в иммунологии изучения вопросов клеточного взаимодействия как одного из механизмов осуществления иммунологических функций до середины 60-х годов не проводилось. Казалось, что основные клетки Т- и В-систем работают автономно. Первые из них - для реализации клеточного типа ответа, вторые - гуморального.
В 1963 году появилась публикация Claman, в которой было показано, что для полноценной продукции антител необходима кооперация по крайне мере двух типов клеток: Т- и В-лимфоцитов. Исследователи провели простые, но при этом крайне демонстративные опыты. Летально облученным мышам, лишенным собственных иммунокомпетентных клеток, вводили либо только клетки тимуса (источника Т-лимфоцитов), либо клетки костного мозга (источника В-клеток), либо смесь этих клеток. В первых двух случаях регистрировали лишь

следы антител после введения антигена. В третьем варианте опытов величина ответа была значительно выше суммы ответов двух предыдущих групп. Налицо был явный синергический эффект. Именно синергизм при кооперации двух типов клеток вызвал у иммунологов особый интерес. После работы Claman иммунологические журналы были переполнены статьями, касающимися различных сторон клеточной кооперации. При всей впечатляющей силе первой публикации в работе был существенный недостаток. Опыты проводили на животных (in vivo), и в силу этого не было возможности учесть всех участников клеточного взаимодействия.


 

Рис. 1. Организация главного комплекса гистосовместимости (Н-2 комплекса) у мышей. Н-2К, Н-2D, H-2L - гены, контролирующие антигены I класса; Аb , Аa , Еb , Еa - гены, контролирующие антигены II класса; a, b - полипептидные цепи антигенов I и II классов; b2-М - b2-микроглобулин


Несколько позднее Mosier и Coppleson (1968) провели эксперименты с культурой клеток. Получив очищенные от посторонних клеток популяции Т-, В-лимфоцитов и макрофагов (МФ), они стали комбинировать между собой различные типы клеток in vitro. Из всех возможных вариантов: Т-лимфоциты плюс В-лимфоциты, Т-лимфоциты плюс макрофаги, В-лимфоциты плюс макрофаги и, наконец, Т-лимфоциты плюс В-лимфоциты плюс макрофаги - продукция антител наблюдалась только при сочетании трех типов клеток. Стало очевидно, что полноценное развитие гуморального иммунного ответа требует не двух, а по крайней мере трех типов клеток. Функция каждого клеточного типа в антителопродукции строго предопределена. Макрофаги и другие фагоцитирующие клетки поглощают, перерабатывают и экспрессируют антиген в иммуногенной, доступной для Т- и В- лимфоцитов форме. Т-клетки, а точнее, одна из субпопуляций этих клеток, так называемых Т-хелперов (помощников), после распознавания антигена начинает продукцию цитокинов, обеспечивающих помощь В-клеткам. Эти последние клетки, получив специфический стимул от антигена и неспецифический от Т-клеток, вступают в основной эффекторный процесс - продукцию антител (рис. 2).
При формировании клеточного типа иммунного ответа также необходима кооперация различных типов клеток. Предшественник клеточного ответа, например Т-киллер, после распознавания антигена испытывает на себе действие Т-хелперов и вспомогательных клеток (фагоцитирующих мононуклеаров). Только после взаимодействия предшественника с этими клетками появляется возможность его развития до зрелой эффекторной клетки.
Внимательное изучение механизмов кооперации иммунокомпетентных клеток привело к формированию одного из наиболее перспективных направлений исследования, связанного с изучением роли гуморальных факторов в реализации клеточного взаимодействия. Современное название этих факторов - цитокины.
Сегодня известны структура и функция около 20 таких цитокинов. Более того, для многих из них получены генно-инженерные аналоги, повторяющие активность природных соединений. В табл. 1 в качестве примера представлены некоторые из известных цитокинов, осуществляющих реальную связь между клетками - продуцентами и мишенями, что и вскрывает один из аспектов клеточного взаимодействия.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГЕНЕТИЧЕСКИ ОТЛИЧАЮЩИХСЯ КЛЕТОК
C середины 60-х годов начало формироваться направление, задача которого - выяснение генетических механизмов, регулирующих силу иммунного ответа. Были обнаружены гены иммунного реагирования (Ir-гены - immune response genes), которые находятся в ГКГ. Сразу после локализации генов в хромосоме Ir возник вопрос о типе клеток, в которых проявляется активность этих генов. Необходимость решения данного вопроса привела к созданию комбинированных клеточных культуральных систем, составленных от животных с разной способностью к иммунному ответу на те или иные антигены. Как часто бывает в науке, используемая система взаимодействия генетически отличающихся (несингенных или аллогенных) клеток оказалась полезной не только для ответа на выдвинутый вопрос. Она принесла пользу в решении проблемы антигенного распознавания Т-лимфоцитами. Дело в том, что до середины 80-х годов природа антигенраспознающих рецепторов Т-клеток (ТКР - Т-клеточный рецептор) оставалась неизвестной. И только совместные усилия клеточных и молекулярных иммунологов привели к пониманию характера антигенного распознавания тимусзависимыми клетками. Первые опыты, заставившие думать об особом характере ТКР, отличном от антигенраспознающих рецепторов В-клеток (поверхностных иммуноглобулинов - sIg), были проведены с культурой клеток.


 

Рис. 2. Взаимодействие иммунокомпетентных клеток. МФ - макрофаг (или другие фагоцитирующие клетки, способные перерабатывать антиген). Т - Т-клетки (Т-хелперы), В - В-клетки, ПК - плазматические клетки


Так, например, в опытах in vitro была предпринята попытка оценить реакцию Т-клеток (конкретно Т-хелперов) на чужеродный антиген, который был ассоциирован с макрофагами. Выяснилось, что при генетической идентичности между макрофагом и Т-хелперами последние развивают сильную ответную реакцию. Ситуация менялась, если Т-клетки генетически отличались от макрофагов. Во всех случаях, когда различия касались генов, контролирующих антигены II класса, Т-хелперы оставались пассивными. Подобная инертность показалась странной. Действительно, если чувствительные к определенному антигену Т-хелперы распознают только тот антиген, к которому они были сенсибилизированы, им все равно, с каким макрофагом взаимодействовать. Однако факты говорили об обратном. Оставалось предположить, что Т-хелперы распознают не только чужеродный антиген на поверхности макрофагов, но и свои собственные антигены II класса, представленные на тех же макрофагах (рис. 3).
Если Т-хелперы распознают комплекс чужеродного, экзогенного антигена с антигенами II класса ГКГ, то генерация цитотоксических Т-лимфоцитов (Т-киллеров) связана с ограничениями по антигенам I класса. К такому выводу пришли Zinkernagel и Doherty после проведения серии исследований по индукции Т-киллеров под контролем со стороны ГКГ.
Таблица 1. Клетки-продуценты и клетки-мишени цитокинов
Специфически сенсибилизированные к определенному вирусу Т-киллеры способны разрушать в условиях in vitro генетически идентичные (сингенные) клетки-мишени, зараженные тем же вирусом. Смена одного вируса на другой отменяла реакцию лизиса, что указывало на специфичность анализируемых Т-киллеров. Однако эта специфичность была ограничена антигенами I класса ГКГ (Н-2К или Н-2D). Реакция на специфический вирус развивалась только при идентичности по антигенам I класса ГКГ между премированными Т-клетками и клетками-мишенями, зараженными соответствующим вирусом (см. рис. 3).
Итак, Т-киллеры, так же как и Т-хелперы, распознают не собственно чужеродный антиген, но его комплекс с продуктами ГКГ : Т-помощники - комплекс с антигенами II класса, Т-киллеры - с антигенами I класса. В схеме генерация и последующее функциональное проявление двух типов клеток выглядят следующим образом. Проникший в организм чужеродный антиген (например, вирус) захватывается и перерабатывается фагоцитирующей клеткой. В результате внутриклеточного процессинга фрагменты антигена выходят на клеточную поверхность, где и образуют комплекс с антигенами I или II класса. Включение в комплекс антигенов ГКГ и является тем генетически обусловленным ограничением, которое не позволяет развиваться ответу в тех случаях, когда в комплекс включены антигены иного генотипа.
Клеточная феноменология распознавания комплексного антигена Т-хелперами и Т-киллерами указывает лишь на двойной характер такого распознавания (распознавания "своего" и "чужого"), но ничего не говорит о природе собственно антигенраспознающих структур Т-клеток. История изучения этих структур полна ошибок, спекуляций и различного рода общих суждений.

 

Рис. 3. Распознавание антигена, ассоциированного с продуктами главного комплекса гистосовместимости, Т-клеточными антигенраспознающими рецепторами. ТКР - Т-клеточный рецептор, АПК - антигенпредставляющая клетка



Действительно, явление взаимодействия иммунокомпетентных клеток в условиях ответа на антиген ясно указывало на особые свойства рецепторов Т-клеток, отличных от аналогичных поверхностных структур В-клеток, которым не требуются антигены ГКГ для реализации процесса распознавания. Отсутствие же конкретных данных по молекулярной организации антигенных рецепторов Т-клеток и приводило к умозрительным построениям, многие из которых так и не нашли экспериментального подтверждения. Только в середине 80-х годов была наконец понята молекулярная природа Т-клеточных рецепторов. Они представляют собой гликопротеины клеточной поверхности, построенные из двух полипептидных цепей: a и b. Каждая цепь включает два домена: вариабельный (V) и константный (С). Антигенраспознающий центр, так же как и у антител, формируется при взаимодействии V-доменов каждой из цепей. Сходство с антителами касается и организации генов, контролирующих синтез рецепторов Т-клеток. Между двумя типами рецепторов имеется значимая гомология по последовательности аминокислотных остатков в полипептидах. Предполагается, что эволюционно Т-клеточные рецепторы явились предшественниками антител. Черты сходства между этими структурами позволили объединить их наряду с другими близкими белками в единое суперсемейство.


ТИМУС - ШКОЛА ОБУЧЕНИЯ НЕЗРЕЛЫХ Т-КЛЕТОК


В середине 60-х годов была установлена ключевая роль тимуса в формировании пула зрелых Т-клеток. Позднее стало очевидно, что именно в тимусе происходят процессы дифференцировки Т-клеток на субпопуляции (Т-киллеры, Т-хелперы, Т-супрессоры). И наконец, в середине 80-х годов иммунологи поняли, каким образом в тимусе Т-клетки приобретают свое главное свойство - способность к двойному распознаванию.
Путь созревания и "обучения" предшественников Т-клеток в тимусе выглядит следующим образом (рис. 4). Незрелые клетки (пре-Т-лимфоциты), лишенные как маркеров дифференцировки, так и Т-клеточных, антигенраспознающих рецепторов (ТКР), мигрируют по предначертанному пути из костного мозга в субкапсулярную зону органа. Здесь осуществляются первые шаги внутритимусной дифференцировки лимфоцитов. В результате на поверхности клеток начинается одновременная экспрессия двух маркеров дифференцировки (CD4 - маркер Т-хелперов и CD8 - маркер Т-киллеров). Однако у тимоцитов субкапсулярной зоны еще отсутствуют ТКР. Их умеренная экспрессия начинается позднее, после миграции клеток в кору. С момента появления антигенных рецепторов начинается основной этап обучения. Из множества пришедших в кору клеток успех в дальнейшем развитии сопутствует только тем, чьи рецепторы способны взаимодействовать с антигенами ГКГ, обильно представленными на стромальных клеточных элементах. Те клетки, рецепторы которых в силу специфической конформации активного центра неспособны взаимодействовать с антигенами ГКГ, погибают.
Селекция различных клонов тимоцитов - основное событие, разворачивающееся в одном из центральных органов иммунитета. Отбор клеток по способности распознавать свои собственные антигены является определяющим условием дальнейшего внутритимусного развития Т-лимфоцитов. В тех случаях, когда распознаются антигены I класса, лимфоциты выбирают путь развития в сторону Т-киллеров (маркер CD8). Если же распознавание связано с антигенами II класса, провзаимодействовавшие тимоциты трансформируются в Т-хелперы (маркер CD4).
Предполагается, что узнавание "своего" осуществляется не всем антигенраспознающим центром ТКР, а лишь его частью. Оставшаяся часть центра будет взаимодействовать с возможными в будущем чужеродными антигенами. Именно тогда принцип двойного распознавания "своего" и "чужого" найдет свое реальное проявление.
Хотелось бы сказать несколько слов об иммунологической загадке прошлого. Долгое время оставалось непонятным, почему в тимусе гибнут более 90% поступающих из костного мозга ранних предшественников Т-клеток. Известный австралийский иммунолог Ф. Бернет предполагал, что в тимусе происходит гибель тех лимфоцитов, которые способны к аутоиммунной агрессии. Иначе говоря, тимус выступал в качестве заслона нежелательным или даже "вредным" клонам. Сегодня в данной проблеме имеется определенная ясность. Основная причина столь массовой гибели связана с жесткостью селекционных процессов - положительным отбором только тех клеток, которые способны реагировать со своими собственными антигенами ГКГ. Все остальные не прошедшие контроля на специфичность погибают.

 


 

Рис. 4. Внутритимусная дифференцировка Т-клеток. CD4 - маркер Т-хелперов; CD8 - маркер Т-киллеров, TKP - Т-клеточный (антигенраспознающий) рецептор

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Изучение генетического контроля взаимодействия иммунокомпетентных клеток привело к пониманию наиболее скрытых механизмов работы иммунной системы, и в первую очередь к выяснению природы антигенраспознающих рецепторов Т-клеток. Весь путь познания в данном случае можно разделить на несколько этапов.
1. Определение тимуса как центрального органа иммунитета, где закладываются основы клеточного типа реагирования.
2. Формирование представлений о двух системах специфической защиты: Т- и В-системах иммунитета.
3. Установление взаимодействия различных типов клеток при развитии иммунного ответа.
4. Открытие в системе взаимодействия генетически отличающихся клеток способности Т-клеточных рецепторов к двойному распознаванию.
5. Выяснение молекулярной природы Т-клеточного антигенраспознающего рецептора.
6. Установление селекционирующей роли тимуса - места формирования специфических Т-клеток, способных к двойному распознаванию: собственных антигенов гистосовместимости и комплексированных с ними чужеродных антигенов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ройт Р. Основы иммунологии. М.: Мир, 1991.
2. Иммунология / Под ред. У. Пола. М.: Мир, 1988. Т. 1-3.
3. Галактионов В.Г. Графические модели в иммунологии. М.: Медицина, 1986.
* * *
Вадим Геллиевич Галактионов, доктор биологических наук, профессор, сотрудник Института биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН. Область научных интересов: генетика и эволюция иммунитета. Автор более 120 работ и трех монографий.

Другие записи

10.06.2016. Иммунологический сэндвич, или как ищут вирусы
Иммунологический сэндвич, или как ищут вирусы Наш организм подобен государству, границы которого ежедневно штурмуют толпы иностранцев, въезд которых в страну нежелателен или даже строго…
10.06.2016. Как работает иммунная система
Как работает иммунная система Проникшие в организм чужеродные антигены (бактерии, вирусы, трансплантационные антигены) провоцируют образование строго специфических антител или формируют…
10.06.2016. Излечим ли СПИД
Излечим ли СПИД? Синдром приобретенного иммунодефицита (СПИД) - совокупность проявлений подавления функций иммунной системы в результате поражения ее вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ).…
10.06.2016. Заметки о нашем поведении (Память и обучение)
Заметки о нашем поведении (Память и обучение) Память, ты рукою великанши Жизнь ведешь, как под уздцы коня... Николай Гумилев. Память - наш основной ориентир в окружающем мире.…
10.06.2016. Загадка мозга Тургенева
Загадка мозга Тургенева На рубеже XIX и ХХ веков ученые-физиологи пытались разгадать тайны гениальности, изучая мозг великих людей - измеряя объем, взвешивая, подсчитывая число…