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

Молекулярные и клеточные основы адаптивного иммунитета - 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

АНТИГЕНРАСПОЗНАЮЩИЕ МОЛЕКУЛЫ
Основу иммунологических процессов составляют события, связанные с распознаванием антигенов и реакцией на них клеток иммунной системы. Способностью специфически распознавать антигены и их пептидные фрагменты обладают две группы молекул — иммуноглобулины и Т-клеточные рецепторы. Они присутствуют на поверхности соответственно В-  и Т-лимфоцитов, выполняя роль антигенраспознающих рецепторов. Иммуноглобулины существуют, кроме того, в свободной, растворимой, форме, представляя собой сывороточные антитела.

Иммуноглобулины (антитела)

Антитела, т.е. молекулы, специфически взаимодействующие с антигенами, первоначально обнаружили во фракции γ-глобулинов сыворотки крови. Позже было идентифицировано семейство молекул, с которыми связана активность антител, — иммуноглобулины. Было установлено, что молекулы антител различной специфичности имеют аналогичную структуру, но отличаются строением активного центра — антигенсвязывающего участка. В середине 60-х годов были описаны мембранные иммуноглобулины, составляющие основу антигенраспознающих рецепторов В-лимфоцитов. Наиболее интенсивные исследования структуры иммуноглобулинов и природы их сродства к антигену проводились в 60—70-е годы в лабораториях, возглавлявших R.Porter и G.Edelman. Большой вклад в изучение антител внесли работы C.Milstein, который ввел в научный обиход использование моноклональных миеломных иммуноглобулинов и был одним из создателей гибридомной технологии (G.Kohler, C.Milstein). С помощью этих методов были получены моноклональные антитела любой специфичности (см. раздел 4.1.2). Наконец, решающим достижением в изучении генетических и молекулярно-биологических основ формирования разнообразия антител явилось сделанное S.Tonegawa открытие процесса перестройки (реаранжировки) V-генов иммуноглобулинов.

Сывороточные иммуноглобулины — антитела

Организация молекул иммуноглобулинов. Полипептидные цепи и домены.


Рис. 41. Строение молекулы IgGl человека.
а — расположение доменов, локализации углеводных остатков (ув), участков, чувствительных к протеолизу папаином (пап) и пепсином (пеп); L, Н — соответственно обозначения легких и тяжелых цепей; VlVhClCh1—3 — обозначения доменов; S-S — дисульфидные связи; Fab, Fc — фрагменты, образующиеся при действии папаина; a, F(ab')2, Fc' — при действии пепсина; I, II и III — гипервариабельные участки, б — формирование доменами молекулы IgGl петель за счет внутридоменных дисульфидных связей [по Дееву С.М., 1997] (обозначения те же; цифры соответствуют номерам аминокислотных остатков).

Молекула иммуноглобулинов построена из цепей двух типов — тяжелых (Н) и легких (L). Так называемый мономерный иммуноглобулин включает две Н- и две L-цепи, соединенные дисульфидными связями. Каждая цепь содержит от 2 до 5 гомологичных участков, состоящих примерно из 110 остатков аминокислот и имеющих сходную пространственную организацию. Эти участки образуют компактные, относительно изолированные пространственные структуры, скрепленные дисульфидной связью, и обладают автономными функциями. Такие структуры называют доменами (рис. 41).
Во всех цепях лишь N-концевой домен имеет отношение к распознаванию антигена. Это связано с тем, что цепи индивидуальных молекул иммуноглобулинов, как правило, отличаются первичной структурой данного домена (отсюда его название — вариабельный, или V-домен). Такая структура является основой для формирования антигенсвязывающих участков с индивидуальной, сильно варьирующей от молекулы к молекуле специфичностью. Эти участки образуются в результате комбинирования V-доменов Н- и L-цепей. Структура остальных доменов постоянна в молекулах конкретных типов, поэтому они называются константными, или С-доменами. В L-цепях содержится один С-домен, в Н-цепях — 3— 4 С-домена. С С-доменами связаны некоторые функции иммуноглобулинов, не имеющих отношения к распознаванию антигенов: взаимодействие с рецепторами клеток, активация комплемента и др.
При действии на молекулы иммуноглобулинов папаина молекулы расщепляются с образованием двух фрагментов — Fab (antigen-binding) и одного Fc (cristallizable). Первый фрагмент содержит всю легкую цепь, V- домен и первый С-домен Н-цепи; Fc-фрагмент включает остальные С- домены Н-цепей. При воздействии пепсина разрыв Н-цепей происходит ближе к С-концу. Образующиеся антигенсвязывающие фрагменты несколько больше по размерам, чем Fab-фрагменты, и соединены дисульфидной связью. Они обозначаются как Р(аb')2-фрагменты. Пепсиновый Fc'-фрагмент короче папаинового Fc-фрагмента.
Строение С-домена L-цепей обусловливает принадлежность этих цепей одному из двух изотипов — к и λ. Строение константных участков Н-цепей определяет наличие нескольких изотипов этих молекул, которые первоначально были идентифицированы серологически (с помощью антител). Существует 5 основных изотипов Н-цепей — μ, γ, α, δ и ε. Каждая молекула может содержать цепи лишь одного изотипа. В зависимости от разновидностей Н-цепей различают 5 основных классов иммуноглобулинов: IgM, IgG, IgA, IgD и IgE (латинские буквы в обозначении классов иммуноглобулинов соответствуют греческим буквам в обозначении Н- цепей). На основе более тонких различий аминокислотной последовательности Н-цепей среди IgG выделяют подклассы (субтипы) IgGl, IgG2, IgG3 и IgG4 (у мышей IgGl, IgG2a, IgG2b, IgG3), среди IgA — IgAl и IgA2. Иммуноглобулины всех классов могут относиться к К- или L-типу в зависимости от присутствия в их составе к- или λ-цепей. У человека соотношение К- и L-типов иммуноглобулинов составляет 3:2.

Структура доменов иммуноглобулинов
Рис. 42. Структура доменов иммуноглобулинов.
Характер укладки β-слоев полипептидных цепей в вариабельном (V) и константном (С) доменах. Буквенные обозначения отражают последовательность расположения участков цепи («полос») в молекуле (от N- к С-концу, которые также отмечены на схеме). Незаштрихованные и заштрихованные полосы относятся к двум разным β-слоям, лежащим напротив друг друга. S-S — внутридоменная дисульфида  связь. Следует обратить внимание на две полосы С' и С", которые присутствуют в V-, но не в С-домене.

Данные о свойствах иммуноглобулинов разных классов и подклассов и их содержании в сыворотке крови представлены в табл. 38. Как уже отмечалось, домены иммуноглобулинов весьма сходны по пространственной организации. Они представляют собой компактные глобулы, образованные двумя β-слоями, которые сформированы фрагментами полипептидной цепи, свернутой в виде гармошки (в С-доменах 4 фрагмента с одной стороны и 3 — с другой, в V-доменах — по 4 фрагмента). В центре этой двуслойной структуры находится дисульфидная связь. Ориентация слоев, состоящих из 4 и 3 фрагментов, в доменах противоположна (повернута на 180е относительно друг друга). Противоположна также ориентация слоев в прилегающих друг к другу доменах Н- и L-цепей. С-домены Н- и L-цепей контактируют гидрофобными поверхностями слоев, образованных четырьмя фрагментами. Структура V- и С-доменов в схематической форме отражена на рис. 42.

V-домены.

Антигенсвязывающие участки. V-домены содержат 4 участка (занимающих большую часть домена), для которых характерна относительная стабильность состава (каркас V-домена), и 3 участка с очень высокой вариабельностью между индивидуальными молекулами (гипервариабельные участки). Положение участков несколько варьирует в разных цепях и примерно соответствует аминокислотным остаткам 28—36, 49—68, 92—103. Поскольку эти участки играют ключевую роль в распознавании и связывании антигена, их еще называют регионами, определяющими комплементарность (CDR от англ, complementarity determining regions).
V-домены Н-цепей одинаковы для иммуноглобулинов всех классов.

Рис. 43. Строение пентамера IgM.
Черные овалы — домены; прямоугольные выступы — углеводные цепи; линии, соединяющие мономеры IgM, — межмолекулярные дисульфидные связи. J — соединительная цепь (см. с. 177).

По строению каркаса эти домены подразделяются на 3 подгруппы, V-домены к-цепей — на 3 и λ-цепей — на 5 подгрупп. Каркасная последовательность V-доменов весьма консервативна. Гомология между V-доменами одной подгруппы составляет 85—90 %.
В пространственной структуре V-домена вариабельные последовательности локализованы в зоне изгибов полипептидной цепи, направленной в сторону, противоположную С-доменам, навстречу соответствующим участкам V-домена цепи другого типа (т.е. CDR Н- и L-цепей повернуты навстречу друг другу). При этом формируется гидрофильный канал, соответствующий антигенсвязывающему участку (активному центру) антител. Он представляет собой полость, которая, по данным электронно-микроскопического изучения, имеет длину около 6 нм и диаметр 1,2—1,5 нм. Площадь поверхности, предназначенной для контакта с антигеном, составляет 7,2 нм2.
В формировании антигенсвязывающего сайта участвуют пространственно разделенные остатки, входящие в состав Н- и L-цепей (см. рис. 41). В структуру сайта входят гипервариабельные участки V-доменов, однако не полностью: поверхность антигенсвязывающего участка захватывает лишь около 30 % поверхности CDR. Структура антигенсвязывающего сродству. В основе метода лежит использование гаптена (низкомолекулярного соединения, связывающегося с активным центром антител), способного при взаимодействии с антителом устанавливать с ним ковалентную связь и, кроме того, несущего метку, с помощью которой это связывание может быть зарегистрировано. Позже многие детали структуры активных центров антител и их взаимодействия с антигеном были установлены с помощью рентгеноструктурного анализа. Антигенсвязывающая способность V-доменов Н- и особенно L-цепей в отдельности выражена значительно слабее, чем активного центра, сформированного в результате их комбинации. Поскольку молекулы мономерных иммуноглобулинов имеют две пары Н- и L-цепей, формируется два антигенсвязывающих участка. Это наглядно демонстрируется электронно-микроскопически, когда при связывании антителами бифункциональных молекул образуются видимые кольцевые структуры.
Хотя строение V-доменов и связывающих участков в целом однотипно, вариации аминокислот, участвующих в формировании антигенсвязывающей полости, приводит к изменению тонких деталей ее конфигурации. Это служит основой огромной вариабельности данной части молекул иммуноглобулинов, в результате чего почти каждая индивидуальная молекула иммуноглобулина-антитела уникальна по специфичности в отношении связывания антигенов. Биологические основы формирования этой вариабельности рассмотрены ниже.

Иднотипия и аллотипия.

Отражением структурного разнообразия антигенсвязывающего участка иммуноглобулинов-антител является их идиотипическое многообразие. Если рассматривать антитела как молекулы с антигенными свойствами, то естественно предположить, что антигенная специфичность их вариабельных участков будет практически уникальна. Антигенные участки — эпитопы, локализующиеся в вариабельных зонах, называют идиотопами, а соответствующие антигенные типы иммуноглобулинов — идиотинами. Некоторые идиотипы свойственны практически всем антителам данной специфичности, вырабатываемым в организме генетически однородных животных. Таков идиотип Т15, свойственный антителам к фосфорилхолину, которые продуцируются у мышей линии C57DL/6. Конкретные антитела имеют повторяющиеся (перекрестно реагирующие, или общие, идиотипы) и так называемые частные идиотипы. Общие идиотипы характерны для антител к распространенным эпитопам, например, IdX — идиотип антител к декстрану мышей, имеющих аллель IgHa. Частные идиотипы являются уникальными маркерами антител. Активный центр антител к некоторым идиотипам воспроизводит пространственную структуру антигена, против которого направлены антитела, несущие идиотип; такие активные центры обозначаются как внутренний образ антигена. Антиидиотипические антитела играют важную роль в регуляции гуморального иммунного ответа (см. раздел 4.2.2).
Генетически обусловленная вариабельность константных доменов или каркасных участков V-доменов проявляется в варьировании антигенных свойств иммуноглобулинов, обозначаемом как аллотипия.


* IgGl - 3, IgG2 - 5, IgG3 - 13, IgG4 - 3.
** Среди IgG: IgGl - 65, IgG2 - 23, IgG3 - 8, IgG4 - 4 %.

Как правило, аллотипические варианты обусловлены различиями по 1—2 аминокислотным остаткам. Описаны аллотипические системы для различных цепей [к (Km, или Ιην), γ (Gm; имеет 24 варианта, реализующихся в различных подклассах), α, μ], а также V-доменов; аллотипы тяжелых цепей включают 2—3 варианта. Функциональная значимость аллотипии не вполне ясна. Аллотипы используют в качестве генетических маркеров молекул иммуноглобулинов в популяционных исследованиях.

Рис. 44. Строение секреторного IgA.
Обозначения см. в подписи к рис. 43. SP — секреторный белок. Остальные обозначения — названия доменов IgA.

С-домены. Изотипы иммуноглобулинов.

При явном принципиальном сходстве структуры различных константных доменов гомология их по аминокислотной последовательности невелика: эта гомология составляет 25—30 % и лишь в отдельных случаях существенно превышает эту величину (например, для пары доменов Oγl и Cεl — 45 %). Домены существенно различаются по функциям, которые не имеют отношения к связыванию антигена, но важны для проявления биологических эффектов. Так, в молекулах IgG в домене Сγ2 находится участок, ответственный за связывание компонента комплемента С4b, а в домене Сγ3 — за связывание Clq. В домене Сγ2 находятся участки связывания рецепторов FcγRI и FcγRII, в доменах Сγ2 и Сγ3 — последовательности, имеющие сродство к FcγRIII. Структура домена Су2 определяет скорость метаболизма молекулы. С этим доменом в молекуле IgG связаны углеводные цепи, величина, число, состав и локализация которых неодинаковы в молекулах иммуноглобулинов разных классов (табл. 38). Различия между классами и подклассами иммуноглобулинов определяются в основном особенностями строения константных доменов, а также различиями в их числе (4 — в IgM и IgE, 3 — в иммуноглобулинах остальных классов).
Помимо уже упоминавшихся внутрицепьевых дисульфидных связей, стабилизирующих структуру доменов, имеются дисульфидные связи между цепями (см. рис. 41). Единственная такая связь между Н- и L-це- пями соединяет домены CL и С1н. Она расположена в области С-конца L-цепи. Один из аллотипов молекулы IgA2 (Am2) сопряжен с утратой остатка цистеина в α-цепи, следствием чего является отсутствие межцепьевой дисульфидной связи (Н- или L-цепи в молекулах этого иммуноглобулина связаны нековалентно). В формировании связей между Н-цепями особую роль играет шарнирный участок — особая часть полипептидной цепи, не входящая в состав доменов и генетически не родственная им. В этом гибком участке, доступном для протеолиза, локализуются остатки цистеина, формирующие межцепьевые связи. Их число, как и протяженность шарнирного участка, варьирует в молекулах разных классов от 1 (IgD) до 12 (IgG3).
Структурные различия между классами иммуноглобулинов обусловлены, помимо особенностей строения, числом и организацией Н-цепей. Большинство классов иммуноглобулинов представляет собой «мономерные» структуры. В то же время молекула сывороточного IgM — пентамер. В нем мономерные субъединицы соединены дисульфидными цепями, особенно чувствительными к восстановлению: при действии 2-меркаптоэтанола 198-молекула распадается на 78-мономеры. Мономеры расположены в виде круга, причем их Fab-фрагменты ориентированы наружу, а Fc-фрагменты — внутрь. В центральной части пентамера IgM локализуется полипептидная цепь J (от англ. joint), ответственная за стабилизацию полимера. Ее молекулярная масса составляет 15 000. Структурно эта цепь не родственна Н- и L-цепям молекул иммуноглобулинов. Строение IgM показано на рис. 43 (см. с. 173).
Существенными структурными особенностями обладает молекула секреторного IgA. В отличие от сывороточного IgA, обычно представляющего собой мономер, IgA, секретируемый плазматическими клетками слизистых оболочек, — это димер, скрепленный дисульфидными связями между С-концами Н-цепей, а также между Н- и J-цепью. Димер IgA взаимодействует с поли-Ig-рецептором (представитель суперсемейства иммуноглобулинов, содержит 5 доменов) на поверхности эпителиальных клеток слизистой оболочки кишечника. Комплекс подвергается эндоцитозу и транспортируется к поверхности клетки, обращенной к просвету кишечника. Когда комплекс IgA с рецептором достигает мембраны, рецептор подвергается протеолизу, а его часть вместе с димером IgA выходит в просвет кишки в результате экзоцитоза. Фрагмент рецептора, секретируемый вместе с IgA, называется секреторным компонентом (S- компонент). Его молекулярная масса составляет 60 000. S-компонент защищает IgA от протеолиза в содержимом кишечника, богатом протеазами. Комплекс димера IgA с S-компонентом обозначается как секреторный IgA. В такой форме IgA присутствует в просвете не только кишечника, но и других трактов (бронхиального, урогенитального), а также в секретах экзокринных желез (молочных, слюнных, слезных, потовых). Строение секреторного IgA показано на рис. 44.
Иммуноглобулины представляют собой гликопротеины. Различные их классы существенно отличаются по содержанию углеводных остатков — от 3 до 12 % (см. табл. 38). Углеводные цепи представляют собой обычно 20-членные цепи, имеющие маннозил-хитобиозную основу и две антенны. Большая часть углеводов связана с остатками аргинина (N-гли- козилирование). В молекуле IgG углеводные цепи локализованы преимущественно в VH2-домене (см. рис. 41), а в иммуноглобулинах других изотипов они имеются во всех Сн-доменах (кроме Сε4). Хотя углеводная составляющая молекулы иммуноглобулинов не влияет на их специфичность, дефекты гликозилирования могут существенно влиять на биологические эффекты антител и обусловливать некоторые проявления иммунопатологии (см. раздел 5.3). Негликозилированные молекулы IgG обладают меньшим сродством к FcγRI, FcγRII и Clq.

Роль иммуноглобулинов различных классов в иммунном ответе и защитных функциях иммунной системы различна. В соответствии с последовательностью локализации С-генов иммуноглобулинов ранее других в процессе иммунного ответа начинают секретироваться IgM. С ними связана значительная часть антител при первичном иммунном ответе. Эти антитела обладают высокой способностью связывать комплемент, агглютинировать и лизировать клетки-мишени. В то же время им свойственно относительно низкое сродство к антигену, причем это сродство не возрастает в процессе иммунного ответа (отсутствует «созревание» аффинитета — см. раздел 4.1.2). Fc-фрагмент IgM-антител относительно слабо взаимодействует с клетками, что ограничивает биологическую активность последних. Это антитела экстренной иммунной защиты, предохраняющие организм от бактериемии.
Напротив, IgG-антитела, на долю которых приходится основная часть антител (особенно при вторичном иммунном ответе), обладают рядом преимуществ перед IgM-антителами по сродству к антигену, эффекторным и регуляторным функциям. Они обеспечивают защиту организма от микроорганизмов и их токсинов. Большая часть проявлений защитной активности антител обусловлена именно IgG-антителами. Известны определенные различия биологических свойств IgG-антител различных подклассов. Так, IgG4 не связывает комплемент, не взаимодействует с белком А золотистого стафилококка; IgG2 плохо проникает через плаценту, не сенсибилизирует кожу, антитела этого класса образуются в ответ на действие углеводных антигенов. По сродству к FcγlR и FcγllR подклассы IgG располагаются в следующей последовательности: Gl > G3 > G4 > G2; с FcγIR взаимодействуют только IgGI и IgG3. Классическим носителем свойств антител является IgGI, на долю которого приходится несколько более 50 % всего количества сывороточных иммуноглобулинов.


Рас. 46. Мембранные Fcγ-рецепторы.

Внеклеточные домены изображены в форме овалов. Трансмембранные части окрашены в черный цвет. Линия, соединяющая трансмембранные участки γ-цепей FcγRIIIA, соответствует дисульфидной связи. (А и В — см. в тексте с. 182.)
IgA является основным иммуноглобулином секретов слизистых оболочек и основным фактором их специфической защиты. Аналогичную функцию выполняет IgE (особенно при паразитарных инфекциях). Этот иммуноглобулин является главным фактором аллергических реакций гиперчувствительности немедленного типа, что связано с его сродством к рецепторам тучных клеток. Функция сывороточного IgD не вполне ясна; общеизвестна его роль в качестве одного из основных (наряду с IgM) типов мембранных иммуноглобулинов.

Суперсемейство иммуноглобулинов.

Суперсемейство иммуноглобулинов
Рис. 45. Суперсемейство иммуноглобулинов.
Петли округлой формы соответствуют Ig-подобным доменам типов V, С1 или С2, прямоугольные петли — домены, не родственные Ig. Внизу — обозначения молекул.

Структурное сходство различных доменов молекул иммуноглобулинов дало основание предположить общность их происхождения. Считают, что существовал некий ген-предшественник, кодирующий первичный домен. От этого гена в результате дубликаций и мутационного процесса возникло все разнообразие V- и С- генов иммуноглобулинов. Более того, оказалось, что домены, сходные с иммуноглобулиновыми, входят в состав других молекул (например, Т- клеточного рецептора), некоторых молекул адгезии, продуктов генов гистосовместимости, Thy-1-антигена и других структур (рис. 45). Все они объединяются в суперсемейство иммуноглобулинов, которому принадлежит ключевая роль в иммунных процессах.



 
« Основы иммунологии   Основы патологической физиологии »