Начало >> Статьи >> Архивы >> Основы иммунологии (Ярилин)

Функционирование естественных киллеров - Основы иммунологии (Ярилин)

Оглавление
Основы иммунологии (Ярилин)
Введение
Лимфоциты
В-лимфоциты
Субпопуляции В-лимфоцитов
Т-лимфоциты
Генез Т-лимфоцитов
Формирование рецептора Т-клеток для антигена
Кортикальные тимоциты и селекция их клонов
Формирование субпопуляций Т-клеток
Подготовка Т-клеток к эмиграции, эмиграция и заселение
Маркеры Т-лимфоцитов, определение Т-клеток и их субпопуляций
NK-клетки
Моноциты и макрофаги
Дендритные клетки
Нейтрофилы
Эозинофилы
Базофилы и тучные клетки
Тромбоциты
Стромальные клетки
Структурная организация иммунной системы
Структурная организация иммунной системы - костный мозг
Структурная организация иммунной системы - тимус
Лимфоидные клетки тимуса
Микроокружение, инволюция тимуса
Периферические лимфоидные органы - структурная организация иммунной системы
Лимфоидные ткань и структуры, связанные со слизистыми оболочками
Лимфоидная ткань, связанная с кожей
Кровь и лимфа
Рециркуляция лимфоцитов
Молекулы адгезии
Преодоление сосудистого барьера и миграция лимфоцитов в ткань
Рециркуляция лимфоцитов и взаимодействие со стромой лимфоидных органов
Факторы естественного иммунитета
Вовлечение и активация клеток—эффекторов естественного иммунитета
Фагоцитоз
Адгезия фагоцитов к объекту фагоцитоза
Активация фагоцитов при адгезии, погружение частицы
Формирование фаголизосомы, лизис и расщепление фагоцитированных клеток
Секреторная активность фагоцитов
Киллерная активность фагоцитов
Функционирование естественных киллеров
Гуморальные факторы естественного иммунитета
Классическая активация комплемента
Альтернативная активация комплемента
Атака клеточной мембраны
Роль комплементзависимых процессов в иммунной защите
Медиаторы воспаления
Белки острой фазы
Другие медиаторы воспаления
Молекулярные и клеточные основы адаптивного иммунитета
Мембранные иммуноглобулины
Fc-рецепторы
Рецепторный комплекс Т-лимфоцитов TCR-CD3
Формирование разнообразия антигенраспознающих молекул лимфоцитов
Антигены и их взаимодействие с антителами
Иммуногенность антигенов
Тимуснезависимые антигены, толерогенность
Специфичность антигенов
Взаимодействие антигенов и антител
Антигены и Т-клетки
Процессинг и презентация антигенов Т-клеткам
Особенности антигенов, распознаваемых Т-клетками
Молекулярные основы межклеточных взаимодействий
Интегрины, цитокины
Интерлейкины
Интерлейкины - факторы некроза опухолей
Интерфероны
Трансформирующий фактор роста
Эффекты цитокинов на уровне организма
Активация лимфоцитов
Дальнейшая передача сигнала и формирование транскрипционных факторова активации лимфоцитов
Сигналы лимфоцитов, включаемые через корецепторы
Сигнализация лимфоцитов, запускаемая цитокинами
Продвижение активации лимфоцитов по клеточному циклу
Дифференцировка лимфоцитов
Дифференцировка Т-хелперов
Дифференцировка цитотоксических Т-лимфоцитов и Т-клеток памяти
Апоптоз
Нобелевские премии, литература

Система естественных киллеров представляет собой компонент первой линии защиты, в то же время имеющий некоторые черты, свойственные адаптивному звену иммунитета. С одной стороны, для реализации активности естественных киллеров не требуется их предварительного контакта с индуцирующим агентом и развития иммунного ответа. С другой стороны, типичные естественные киллеры представляют собой лимфоциты и, хотя они лишены антигенраспознающих рецепторов, им свойственны некоторые примитивные распознающие функции и ряд особенностей, сближающих их скорее с Т-лимфоцитами, чем с фагоцитирующими клетками. В фило- и онтогенезе эта система появляется раньше, чем факторы антигенспецифической иммунной защиты. Данная система ответственна за противоопухолевую и противовирусную резистентность. Кроме того, естественные киллеры выполняют регуляторную функцию, контролируя (через проявление цитотоксичности и выделение цитокинов) пролиферацию гемопоэтических клеток-предшественников костного мозга, лимфоцитов, вовлекаемых в иммунный ответ, а также других активно делящихся клеток. Это те же функции, которые выполняют Т-лимфоциты, но в отличие от них NK-лимфоциты убивают клетки-мишени быстро (1—2 ч), используя упрощенный механизм без распознавания индивидуальных антигенов и подготовки в виде иммунного ответа.

Таблица 33. Типы активации естественных киллеров


Тип активации

Факторы

Проявления

Подготовительная
Контактная
Цитокиновая

Продукты активированных макрофагов: ИЛ-12, интерфероны
Контакт с клетками-мишенями, опосредованный интегринами, селектинами и CD16, 57 и 2
ИЛ-2, кофакторы: ИЛ-1, 7, 12,
3 и 6, интерфероны

Усиление адгезивности, индукция секреции интерферона γ
Освобождение гранул, секреция цитокинов, индукция гибели клеток-мишеней
Расширение спектра клеток- мишеней, повышение цитолитической активности

Рис. 31. Стадии активации NK- клеток и цитокины, которые обусловливают эти стадии.

Хотя NK-клетки реализуют цитотоксическую реакцию без развернутого иммунного ответа, они все-таки нуждаются в предварительной активации (табл. 33, рис. 31). В условиях целостного организма проявлению их активности обычно предшествуют инфицирование вирусами, формирование воспалительного или опухолевого процесса, а в условиях эксперимента — введение интерферонов или их индукторов (среди которых двуспиральная РНК, свойственная вирусам). Индуцируемая при этом активация NK-клеток обусловлена выделением макрофагами интерферонов а и β и особенно ИЛ-12, который способен 100-кратно увеличить активность естественных киллеров. При этом усиливается адгезивность NK-клеток, изменяется экспрессия некоторых мембранных молекул, индуцируется секреция интерферона γ. Другой уровень активации естественных киллеров достигается при их взаимодействии с клетками-мишенями, о чем будет сказано далее. Наконец, существенную перестройку свойств и функций NK-клеток вызывают продукты воспалительных Т- хелперов (Тh1) — ИЛ-2 в сочетании с другими лимфокинами. В результате существенно повышается цитолитический потенциал NK-клеток и они превращаются в лимфокинактивированные (ЛАК) клетки.
Взаимодействия естественных киллеров и клеток-мишеней, ведущие к гибели последних, можно условно разделить на несколько стадий (рис. 32).


Рис. 32. Стадии осуществления цитолиза клеток-мишеней естественными киллерами.
Мембранные молекулы
Рис. 33. Мембранные молекулы, участвующие в адгезивном взаимодействии естественных киллеров с клетками-мишенями.
KIR — ингибиторные рецепторы киллеров; KAR — активирующие рецепторы киллеров; МСБ — белки, содержащие концевую маннозу; фиксир. АТ — антитела, опсонизирующие клетки-мишени.

Распознавание мишеней и установление межклеточного контакта (рис. 33). Рецептор NK-клеток, предназначенный для распознавания клеток-мишеней (см. раздел 1.1.1), представляет собой С-лектин (т.е. белок, распознающий углеводные остатки при участии ионов Са2+) NKR-P1 (CD161). Он распознает концевые остатки маннозы на молекулах мембранных гликопротеинов и гликолипидов. В норме эти остатки на большинстве клеток, с которыми контактируют зрелые лимфоциты и макрофаги, блокированы остатками сиаловой кислоты. Это защищает их от фагоцитоза макрофагами, которые тоже имеют рецепторы, связывающие маннозу, и от лизиса NK-киллерами. Свободная манноза присутствует на поверхности юных и, наоборот, старых клеток, а также пролиферирующих и трансформированных (инфицированных вирусами и злокачественно перерожденных) клеток. Еще недавно считалось, что все эти клетки могут служить мишенями для естественных киллеров.
Однако было известно, что NK-клетки способны убивать клетки очень ограниченного числа опухолевых линий и практически не убивают свежевыделенные опухолевые клетки. Природа ограничений в проявлении активности естественных киллеров в основном прояснилась в результате открытия рецепторов, ограничивающих киллинг (KIR). Как уже отмечалось, эти рецепторы (NKB-1, р58.1, р58.2) распознают аутологичные молекулы МНС, экспрессированные на клетках-мишенях, и подают в NK-клетку сигнал, который запрещает развитие дальнейших событий, ведущих к цитолизу. В результате мишенями естественных киллеров могут стать клетки, на поверхности которых присутствуют гликоконъюгаты со свободными остатками маннозы и не содержатся молекулы МНС I класса. Наибольшую роль в ограничении активности NK-клеток играют молекулы HLA-C (у мышей — H-2.D) и HLA-B, распознаваемые соответственно KIR-рецепторами р58 (CD158a и b) и NKB-1. В распознавании NK-клетками молекул I класса существует много важных деталей, которые не до конца изучены. Так, пока непонятно значение распознавания вместе с молекулами МНС пептидов, которые в них встроены, а также некоего процесса, подобного обучению (селекции) NK-клеток этому распознаванию.
При соблюдении условий, определяемых узнаванием углеводных компонентов клеточной поверхности и отсутствием распознавания молекул МНС, происходит сближение NK-клеток с их мишенями. Оно обусловлено не только связыванием рецептора с гликоконъюгатом, но (в значительно большей степени) и сопутствующими адгезивными взаимодействиями. В качестве участников этого взаимодействия рассматриваются различные адгезивные молекулы — CD57 (HNK1), ганглиозиды, β-цепь ламинина (р48), CD2, а также различные типы интегринов, особенно Р2-интегрин LFA-1, распознающий молекулы ICAM-1, 2 и 3. Предполагают, что распознающие и распознаваемые молекулы при установлении контактов NK-клеток и клеток-мишеней могут меняться местами, поскольку и те и другие могут присутствовать как на киллерах, так и на их мишенях. Это должно способствовать упрочению контактов между клетками. Особое место в этом отношении занимает молекула Fc- рецептора типа Fcγlll (CD16), которая экспрессируется на значительной части (75 %), но не на всех NK-клетках.


Рис. 34. Иллюстрация основного механизма индукции апоптоза клеток-мишеней при их контакте с NK-клетками.
Микрополость в области контакта NK-клеток и клеток мишеней, в которую из клеток-киллеров путем экзоцитоза поступают молекулы мономерного перфорина и гранзимов. Перфорин встраивается в мембрану клетки-мишени и, полимеризируясь, формирует пору, через которую в клетку-мишень поступают молекулы гранзимов. Гранзимы активируют сериновые протеазы (каспазы), которые запускают заключительные этапы апоптоза клеток-мишеней.

Поскольку эти рецепторы распознают Fc-порции иммуноглобулинов (IgG3 и IgGl), они обусловливают распознавание клеток, опсонизированных антителами соответствующих классов. Конечным результатом такого распознавания является цитолиз, обозначаемый как антителозависимый клеточно-опосредованный цитолиз. Клетки-эффекторы, которые его осуществляют, называют К- клетками (следовательно, К-клетки — это разновидность NK-клеток). Во всем, кроме механизмов распознавания клеток-мишеней, реакции киллинга, обусловленные NK- и К-клетками, не отличаются друг от друга.
Фаза сближения складывается из двух этапов, дифференцируемых по участию микрофиламентов цитоскелета (подавляется цитохалазином А) и зависимости от ионов Mg2+. Она предполагает переориентацию элементов цитоскелета и цитоплазматических гранул с реорганизацией участков мембраны киллеров.

Программирование лизиса (рис. 34). Фаза включает основные события, осуществляющиеся в клетке-киллере и подготавливающие последующие стадии цитолиза. Несмотря на отсутствие видимых повреждений, клетка-мишень уже на этой стадии оказывается обреченной на гибель даже после ее отделения от киллера.
Еще недавно считалось, что механизмы цитолиза, обусловленного цитотоксическими Т-лимфоцитами и NK-клетками, практически идентичны. Однако выяснилось, что если Т-клетки используют несколько механизмов для разрушения клеток-мишеней (см. раздел 4.1.5), то в основе цитолиза, обусловленного естественными киллерами, по-видимому, лежит единственный — перфоринзависимый — механизм. Оказалось, что у мышей с удаленным геном перфорина может осуществляться Т-клеточный цитолиз, но невозможен цитолиз, обусловленный NK-клетками.
Контакт NK-лимфоцитов и клеток-мишеней приводит к активации NK-клеток, выражающейся в освобождении гранул и секреции ряда цитокинов в локализованном участке, обращенном в сторону клетки-мишени. В гранулах содержится два типа субстанций — перфорин и гранзимы (фрагментины). Перфорин представляет собой белок с молекулярной массой 66 000—70 000. В присутствии ионов Са2+ он изменяет свою конформацию; при этом открываются гидрофобные участки, способствующие внедрению белка в мембрану клетки-мишени. Акцепторами перфорина в мембране являются молекулы фосфорилхолина. Погрузившись в мембрану, перфорин полимеризуется. Соединения 3— 4 мономеров уже достаточно для формирования функционирующего канала, однако обычно формируется канал больших размеров, состоящий из 10—20 молекул перфорина. Его диаметр равен 10—20 нм (в среднем 16 нм). Такой канал создает возможность для прохождения не только ионов, но и молекул белка. Его образование, казалось бы, должно служить условием, достаточным для осуществления лизиса клетки вследствие нарушения изоляции внутренней среды клетки от ее окружения.
Однако анализ с использованием клеток с инактивированными генами перфорина и гранзимов показал, что в действительности для реализации «перфоринового» лизиса необходимо участие гранзимов, для которых перфориновый канал служит проводником. Гранзимы представляют собой сериновые протеиназы/эстеразы трипсин/хемотрипсинового типа. Имеется по меньшей мере три их варианта. При проникновении в клетку гранзимы активируют другие сериновые протеиназы — каспазы. Каспазы включают процессы, которые завершаются активацией эндонуклеазы и деградацией ДНК вследствие разрывов нитей ДНК между нуклеосомами, т.е. реализацией апоптоза (см. раздел 3.5.3). Как уже отмечалось, другие механизмы лизиса и индукции апоптоза естественными киллерами не используются: это относится как к Fas-зависимым процессам, так и к проявлению действия лимфотоксина, секретируемого NK-клетками при их контакте с мишенями.
Таким образом, суть программирования лизиса в случае NK-клеток заключается в формировании в мембране клеток-мишеней перфориновых пор и проникновении через них гранзимов, запускающих в клетке процесс, который приводит к развитию апоптоза. После программирования лизиса NK-клетка отделяется от клетки-мишени; при этом сохраняется возможность повторного участия в цитолизе (рециклинга) естественных киллеров.

Реализация лизиса.

В цитолизе клеток-мишеней сочетаются проявления апоптоза и некроза (см. раздел 3.5.3). Основой этого служат описанные выше процессы программирования. В клетке включаются механизмы апоптоза, но путь, который для этого используется (формирование пор), неизбежно приводит к проявлениям некроза (осмотические явления, сопровождающиеся изменением работы ферментов и т.д.). В целом в клетках-мишенях преобладают признаки апоптоза, прежде всего сморщивание клеток и конденсация хроматина.
Общая продолжительность цитолиза, обусловленного NK-клетками, составляет 1—2 ч. Из этого времени на установление контакта между клетками тратится 0,5—1,5 мин (при этом температура не имеет значения). Для стабилизации контактов и взаимной ориентации клеток требуется 5—15 мин, для программирования лизиса — от нескольких минут до часа (эта фаза осуществляется при 37 oС), столько же времени расходуется на реализацию лизиса.
Гуморальные факторы, выделяемые NK-клетками и действующие на них. В процессе взаимодействия с клетками-мишенями и реализации цитолиза естественные киллеры выделяют цитокины — интерфероны а, β и γ, ИЛ-1 и 2, ФНОа и β, колониестимулирующие и хемотаксические факторы, а также простагландины, β-эндорфин, серотонин, адреналин и мелатонин. Возможно, некоторые из них выступают в качестве кофакторов цитолиза. Однако, по-видимому, их главная роль состоит в иммунорегуляции. NK-клетки, испытывающие активирующее действие макрофагов (о чем говорилось выше), оказывают на них ответное влияние, которое также способствует активации этих клеток. Особенно это относится к основному продукту естественных киллеров — интерферону γ. В сочетании с ФНОα он повышает активность NO-синтетазы, обеспечивая генерацию окиси азота — одного из основных факторов бактерицидности макрофагов. Этот цитокин является, кроме того, аутокринным активатором естественных киллеров. В его присутствии наблюдается 5-кратное ускорение лизиса. Он усиливает экспрессию мембранных протеиназ и, по-видимому, других эффекторных факторов цитолиза. Кроме того, интерферон γ обеспечивает условия для осуществления повторного проявления цитолитической активности естественных киллеров.
Факторами, способствующими осуществлению NK-опосредованного лизиса, являются лейкотриен В4 и тромбоцитактивирующий фактор. Факторами, угнетающими активность естественных киллеров, служат ингибиторы протеиназ, простагландины, кортикостероиды, адреналин, норадреналин, прогестерон, эстрадиол, циркулирующие иммунные комплексы. Любые факторы, действующие на NK-клетки через β-адренергические рецепторы и приводящие к повышению уровня внутриклеточного цАМФ, подавляют киллерную активность этих клеток. Ингибиторами естественных киллеров служат Т-супрессоры, активированные макрофаги и гранулоциты, причем подавляющее действие этих клеток связано в основном с выделением указанных субстанций. Имеются сведения о саморегуляции активности NK-клеток по механизму обратной связи. Возможно, она реализуется через ингибирующий эффект повышенных концентраций интерферона γ, достигающихся при чрезмерной активации естественных киллеров. Не исключено, что авторегуляторные NK-клетки идентичны так называемым естественным супрессорным клеткам — супрессорным лимфоцитам, лишенным маркеров как Т-, так и В-клеток.

Образование ЛАК-клеток.

Особого рассмотрения заслуживает действие ИЛ-2 на естественные киллеры и обусловленный ими цитолиз (см. табл. 33 и рис. 31). Большие гранулярные лимфоциты непосредственно (без предварительной активации) реагируют на действие ИЛ-2 пролиферацией, повышением цитолитической активности и расширением спектра клеток-мишеней, хотя они не экспрессируют CD25 — α-цепи высокоаффинного рецептора для ИЛ-2. Действие ИЛ-2 обусловлено присутствием на поверхности этих клеток β- (CD 122) и γ- (CD 132) цепей, формирующих рецептор с промежуточным сродством к ИЛ-2. Весьма существенно, что под влиянием активации ИЛ-2 естественных киллеров последние приобретают способность лизировать in vitro свежевыделенные опухолевые клетки, к чему, как правило, не способны обычные NK-клетки. Это означает, что, помимо повышения литической активности естественных киллеров, ИЛ-2 снимает ингибирующий эффект распознавания аутологичных молекул МНС I класса, которые часто присутствуют на клетках опухолей.
NK-клетки, активированные ИЛ-2, составляют основную фракцию так называемых ЛАК-клеток (лимфокинакnивированных киллеров), которые образуются в процессе 3—5-дневного культивирования мононуклеаров крови в присутствии ИЛ-2. Эту фракцию ЛАК-клеток идентифицируют по наличию мембранных маркеров NK-клеток — CD 16 и 56. Определенный вклад в популяцию ЛАК-клеток вносят активируемые Т- лимфоциты, которые определяются по экспрессии CD3. Методология получения ЛАК-клеток разработана в процессе поиска методов лечения злокачественных опухолей. Формированию ЛАК-клеток под влиянием ИЛ-2 способствуют ИЛ-1 и 7, ГМ-КСФ, интерфероны. ИЛ-4, действующий в комплексе с ИЛ-2, снижает активирующее действие ИЛ-2, но сам в определенных ситуациях может вызвать образование ЛАК-клеток.

Роль естественных киллеров в иммунной защите.

Естественным киллерам всегда отводилась большая роль в опосредовании защиты организма от опухолей и внутриклеточных инфекций. Однако мнение об их месте в иммунной защите было существенно пересмотрено в связи с выявленным «запретом» на лизис этими киллерами клеток-мишеней, несущих аутологичные молекулы МНС 1 класса. В настоящее время полагают, что мишенями естественных киллеров служат клетки, утратившие молекулы МНС I класса. Известно, что некоторые вирусы (аденовирусы и т.д.) ингибируют экспрессию этих молекул. Утрата последних наблюдается и при росте некоторых опухолей (см. раздел 4.3.2). Это явление рассматривается как способ избежать распознавания СD8+-клеток Т-киллерами (их рецепторы, как известно, специфичны к чужеродным пептидам, представляемым молекулами I класса). В таком случае NK-клетки, выявляющие и разрушающие мишени, которые «избежали» действия иммунных механизмов второй линии защиты, могут рассматриваться как факторы не первой, а третьей линии защиты, если таковая существует. Накопленные данные свидетельствуют о том, что содержание и функциональное состояние естественных киллеров коррелируют с резистентностью к опухолям, особенно к лейкозам. До сих пор не решен вопрос о возможности формирования в организме-опухоленосителе ЛАК-клеток и их реальной роли в защите от опухолей.
Значение NK-клеток в противоинфекционной защите прояснилось благодаря наблюдению за редкими случаями дефицита NK-клеток. У таких больных чрезвычайно бурно протекают ранние этапы заражения вирусами герпеса. Однако спустя 7—10 дней процесс сдерживается, наступает выздоровление. Аналогично у мышей, лишенных NK-клеток (но не Т- или В-лимфоцитов), очень тяжело протекает листериозная инфекция, которая часто приводит к гибели в первые дни заболевания. Эта феноменология объясняется следующим образом. При заражении внутриклеточными агентами (вирусами, листериями и т.д.) решающая защитная роль на ранних этапах инфекции, когда не сформировались механизмы адаптивного иммунитета, принадлежит естественным киллерам. Поэтому в их отсутствие начальные этапы инфекции протекают очень тяжело. Но позже срабатывают иммунные механизмы (связанные с активностью Т- клеток) и происходит выздоровление, вклад в которое NK-клеток невелик.
Основная функция естественных киллеров — контактный цитолиз клеток-мишеней, пораженных вирусом или трансформированных. NK-клетки распознают свободные углеводные остатки на поверхности клеток-мишеней. При контакте из киллера в клетку-мишень поступают сигнальные молекулы, включающие процесс ее программированной гибели (апоптоза). В случае присутствия на поверхности клетки-мишени продуктов МНС I класса реакция цитолиза блокируется (мера против повреждения собственных клеток организма).



 
« Основы иммунологии   Основы патологической физиологии »