Генетический контроль взаимодействия иммунокомпетентных клеток
В. Г. ГАЛАКТИОНОВ
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
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.
Далее...
Написать комментарий
|