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

Антигены и Т-клетки - 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

Вскоре после описания феномена кооперации между Т- и В-лимфоцитами было установлено, что Т-клетки распознают иные, чем В-лимфоциты, детерминанты на молекуле иммуногена. В случае конъюгатов в иммунный ответ на них вовлекаются В-клетки, специфичные к гаптену, и Т-клетки, специфичные к носителю. Анализ особенностей клеточного иммунного ответа привел к выявлению еще более радикальных различий в распознавании антигенов лимфоцитами этих двух типов. Оказалось, что Т-лимфоциты не реагируют на растворимые антигены и, строго говоря, не способны распознавать чужеродные субстанции. Для реагирования на антиген необходимо, чтобы он был каким-то образом связан с сингенными клетками, «представлен» ими Т-лимфоцитам. В начале 70-х годов R.M.Zinkemagel и P.C.Dogherty сформулировали представление о распознавании Т-клетками «измененного своего» и принцип генетической рестрикции (ограничения) Т-клеточного ответа, постулирующий необходимость совпадения по МНС распознающих и распознаваемых клеток. Вскоре было установлено, что иммунный ответ с участием Т-лимфоцитов не развивается в отсутствие макрофагов или иных вспомогательных клеток, и именно последние осуществляют обработку и представление (презентацию) антигена Т-хелперам. Так были заложены основы современного учения о распознавании антигенов Т-клетками.

Главный комплекс гистосовместимости (МНС) и его продукты

Генетика МНС

В 20-е годы в связи с исследованием генетической детерминации злокачественных опухолей в лаборатории G.D.Little (США) была начата работа по получению генетически чистых линий мышей. Современные линии мышей прямо или косвенно ведут происхождение от линий, выведенных этой лабораторией. Данные исследования послужили основой для изучения генетики и иммунологии трансплантаций органов и тканей. В опытах с межлинейной пересадкой опухолей G.Snell и другие американские исследователи установили существование генетических локусов, детерминирующих тканевую (как мы теперь понимаем, антигенную) индивидуальность. Различия по этим локусам обусловливают несовместимость тканей при трансплантациях и отторжение пересаженных опухолей и органов. Одновременно английский иммунолог P.Gorer, изучая группы крови мышей, обнаружил групповой антиген (их называли также изоантигенами, а позже стали обозначать как аллоантигены), который, как оказалось, определяет сильную тканевую несовместимость. В совместных работах G.Snell и P.Gorer была изучена генетика и серология этого антигена, который был обозначен Н-2 (от англ, histocompatibility 2). Оказалось, что Н-2 представляет собой не единичный генетический локус, а комплекс генов, локализующийся в хромосоме 17 и отличающийся беспрецедентно высоким полиморфизмом. Позже было выделено два гена — Н-2К и H-2D, детерминирующих образование антигенов, в ответ на которые формируются антитела. Вторая группа H-2-генов детерминирует антигены гистосовместимости H-2I, которые были первоначально выявлены по способности вызвать Т-клеточные реакции и лишь позже к ним были получены антитела. Так было заложено учение о двух классах молекул гистосовместимости.

Строение молекул МНС
Рис. 54. Строение молекул МНС I и II классов. Греческими буквами обозначены домены, черными кружками отмечена локализация углеводных групп.

В 60-х годах французский иммуногематолог J.Dausset, исследовавший лейкоцитарные антигены человека, описал несколько аллоантигенов, аналогичных H-2-антигенам мышей. Изучение аллоантигенов человека затруднялось невозможностью получения антител в аллогенной системе. Для серологического анализа тканевых аллоантигенов человека пользовались антителами, случайно обнаруживаемыми в сыворотках крови многорожавших женщин. Проведенный некоторое время спустя анализ наследования антигенов, известных к тому времени, позволил J.Dausset и другим специалистам в области генетики трансплантаций прийти к выводу о существовании у человека комплекса генов гистосовместимости, аналогичного Н-2. Он был локализован в хромосоме 6 и обозначен HLA (от англ. Human Leukocyte Antigens).
Так как вскоре аналогичные комплексы были обнаружены у всех изучавшихся видов млекопитающих и птиц, им было дано общее название — главный комплекс гистосовместимости (МНС, от англ. Major Histocompatibility Complex). Во всех случаях МНС характеризуется весьма сложной структурой и необычайно высокой полиморфностью и ему принадлежит решающая роль в детерминировании тканевой несовместимости при пересадках тканей между особями одного вида. Для всех видов характерно наличие двух основных классов молекул МНС — индуцирующих преимущественно гуморальный и преимущественно клеточный иммунный ответ. Как оказалось, второй класс имеет большее значение для отторжения несовместимых тканей. Соответствующие молекулы обозначают как молекулы МНС I и II классов.
Структура генетических локусов Н-2 и HLA схематически изображена на рис. 53 (с. 211).
Рассмотрим несколько детальнее комплекс HLA. Он расположен в коротком плече хромосомы 6 и включают более 4000 тыс. пар оснований. Гены, кодирующие полиморфные продукты МНС I и II классов, располагаются соответственно в 3'- и 5'-участках комплекса. В средней части комплекса локализуются гены, детерминирующие продукты МНС III класса, большинство из которых не имеет непосредственного отношения к полиморфизму, служащему основой тканевой несовместимости. Среди этих продуктов компоненты комплемента С2 и С4, ФНОа и β, белки теплового шока.
Гены МНС I класса отличаются очень высоким полиморфизмом. Так, для гена HLA А известны 60, для HLA В — 136, а для гена HLA С — 38 аллельных вариантов. Недавно описаны так называемые неклассические гены МНС I класса (Е, F, G). Они отличаются от известных ранее генов необычным тканевым распределением продуктов, особой (хотя не вполне ясной) ролью в индивидуальном развитии организма. МНС-антигены Е, F, G не участвуют в представлении антигенных пептидов Т-клеткам. Еще недавно считали, что для генов МНС II класса (DR, DP, DQ) характерна значительно меньшая степень полиморфности. Это связано с тем, что, как уже упоминалось, они слабо индуцируют выработку антител, и эти антитела не удавалось обнаружить в сыворотках крови многорожавших женщин. Считалось даже, что антигены, детерминируемые этими генами, могут быть определены только по реакции Т-клеток в смешанной культуре. Полная оценка полиморфизма генов МНС II класса стала возможной лишь после того, как были разработаны методы HLA- генотипирования. Эти методы основаны на анализе молекул ДНК соответствующих генов, которые синтезируются и амплифицируются (преумножаются) в полимеразной цепной реакции. Оказалось, что генам, детерминирующим β-цепи молекул II класса, свойственна более высокая степень полиморфизма, чем генам α-цепи. Так, ген β-цепи HLA-DR существует в 137 аллельных формах, HLA-DP — в 66, HLA-PQ — в 25; гены α-цепей — соответственно в 2, 8 и 16 аллельных вариантах.
Говоря о вариабельности генов МНС и их продуктов, следует отличать ее от вариабельности рецепторов лимфоцитов — мембранного иммуноглобулина и TCR. Если вариабельность рецепторов проявляется в пределах каждого индивидуального организма, на уровне популяции клеток, то вариабельность молекул МНС реализуется на уровне популяций человека и животных, причем каждый индивид может иметь не более двух разновидностей продуктов каждого гена МНС. Биологические основы этой гипервариабельности до конца не выяснены. Вероятно, она обусловлена необходимостью обеспечения достаточно широкого репертуара молекул МНС для связывания антигенных пептидов и, следовательно, вариабельности иммунной защиты на уровне популяции. Каждый индивид не обязательно может полноценно распознавать весь спектр белковых пептидов, но для популяции в целом такая возможность гарантирована разнообразием репертуара HLA.

Распределение в тканях и структурах молекул МНС

Продукты генов МНС I и II классов отличаются по тканевому распределению. Молекулы I класса содержатся на поверхности клеток всех типов, кроме эритроцитов и клеток ворсинчатого трофобласта. В основе этих исключений из правила лежит биологическая целесообразность. Эритроциты — это безъядерные клетки, и они не могут быть инфицированы вирусами.

Таблица 45. Характеристика полипептидных цепей, входящих в состав молекул МНС I и II классов

Примечание. Обозначение доменов: ВК — внеклеточный (данные для отдельных ВК доменов разделены дефисами), ТМ — трансмембранный, ЦИТ — цитоплазматический; дано округленное число остатков в доменах.
* β-микроглобулин.
** вар — число остатков варьирует в продуктах разных аллелей.

Но именно в опознании внутриклеточного инфицирования заключается смысл экспрессии молекул МНС I класса, несущих пептидные фрагменты внутриклеточных молекул (см. ниже). Отсутствие молекул МНС на клетках трофобласта предотвращает опасность отторжения плода, экспрессирующего молекулы МНС отца, чужеродные для матери. Плотность молекул I класса максимальна на поверхности лимфоцитов — примерно 7000 молекул на клетку, или около 1 % ее поверхности. Экспрессия молекул МНС I класса усиливается под влиянием ряда цитокинов, в частности интерферонов.
Молекулы II класса определяются на поверхности так называемых антигенпредставляющих (вспомогательных) клеток — дендритных, активированных макрофагов, В-лимфоцитов, а также активированных эндотелиальных, эпителиальных и тучных клеток, Т-хелперов. Экспрессия молекул МНС усиливается при действии интерферона γ и подавляется простагландином Е2. Под влиянием интерферона γ возможна экспрессия антигенов МНС II класса на клетках, в обычных условиях их не имеющих, что может служить основой развития иммунопатологии (см. раздел 5.3).
Молекулы МНС I класса представляют собой димер, образованный а- и β-цепями (табл. 45, рис. 54 на с. 214). Цепь а является продуктом генов МНС HLA А, В или С. Молекула состоит из трех внеклеточных доменов содержащих по 90 аминокислотных остатков, а также трансмембранной (25 остатков) и цитоплазматической (30 остатков) порций. Полиморфные последовательности сосредоточены в доменах  (нумерация от наружных доменов к мембранным). Наиболее высокая изменчивость связана с остатками в положении 68—80, с группами остатков около позиций 110 и 135. С доменом α нековалентно связана β- цепь, представляющая собой β2-миκρoглoбyлин и являющаяся продуктом гена, не связанного с МНС (локализован в хромосоме 15).

Антигенсвязывающая щель молекул МНС
Рис. 55. Антигенсвязывающая щель молекул МНС I и II классов.
Плоские полосы — петли полипептвдных цепей, формирующих β-слой, который образует дно щелей, спиралевидные структуры — α-спирали, формирующие стенки щелей.

Микроглобулин β2 и домен α3 прилегают к мембране. Домен α3 и β2- микроглобулин гомологичны доменам иммуноглобулинов (особенно Сγ3 и Су4) и имеют сходную пространственную организацию: два антипараллельные β-слоя, образованные 3 и 4 отрезками полипептидной цепи (свернутой в виде гармони) и скрепленные дисульфидной связью. Над этими глобулами располагаются домены α1 и α2, не относящиеся к суперсемейству иммуноглобулинов. N-концевая часть этих доменов формирует β- слой в виде платформы, на которой располагаются по две α-спирали, сформированные С-концевыми порциями доменов разной длины. Как показали результаты рентгеноструктурного анализа, домены α1 и α2 формируют щель (щель Бьоркмана), стенки которой образованы внутренними поверхностями α-спиральных участков, а дно — β-слоем (рис. 55). Со стенками щели Бьоркмана связаны практически все гипервариабельные участки молекулы. Эта щель заполняется пептидным фрагментом антигена (см. далее) и является, таким образом, структурной основой презентации антигена. Вариабельность остатков и, следовательно, конфигурации щели определяют разнообразие молекул МНС по их сродству к различным пептидам.
Строение молекул МНС II класса принципиально сходно с таковым молекул I класса, несмотря на большие различия в составе образующих их субъединиц (см. табл. 45 и рис. 54). В состав этих молекул также входят две цепи — α и β, но в отличие от существенно отличающихся друг от друга α- и β-цепей молекул I класса, а- и β-цепи молекул II класса очень сходны между собой. Обе цепи кодируются разными генами, расположенными в участках МНС, соответствующих II региону. Цепи α и β представляют собой трансмембранные полипептиды, внеклеточная часть которых организована в два домена по 90 аминокислотных остатков каждый. Гидрофобный трансмембранный домен содержит 30, а цитоплазматический участок — 12—15 остатков. Наружные домены α1 и β1 по конфигурации аналогичны доменам α1 и α2 молекул МНС I класса. Наиболее существенное различие между доменами α1 и β1 состоит в отсутствии внутридоменной дисульфидной связи в α1 и ее наличии в β1.

Рис. 56. Пространственные взаимодействия распознающего комплекса TCR— CD4 и распознаваемого комплекса МНС—антигенный пептид.
Указаны обозначения греческими буквами полипептидных цепей TCR и МНС, а также названия участков пептида, «щели» молекулы МНС и TCR, вовлекаемых в распознавание.

В этих доменах содержатся полиморфные последовательности, которые участвуют в формировании щели для связывания антигенного пептида (см. рис. 55). Полиморфизм в значительно большей степени характерен для β-, чем для α-цепи. В β-цепи HLA-DQ они соответствуют аминокислотным остаткам в положениях 52—58, 70—77 и 84—90.

Процессинг и презентация эндогенных антигенов
Рис. 57. Процессинг и презентация эндогенных антигенов в составе молекулы МНС I класса.

Содержащийся в цитоплазме белок подвергается протеолизу в протеасомах. Образующиеся пептиды перемещаются при участии транспортных белков ТАР в эндоплазматический ретикулум. Здесь они встраиваются в молекулы МНС I класса, стабилизируя последние (до этого они стабилизировались калнексином). Затем в составе мембран образовавшиеся комплексы перемещаются в аппарат Гольджи и в составе транспортной везикулы доставляются на поверхность клетки, где эти комплексы доступны для распознавания рецепторами СD8+-Т-клеток.
Структура щели в молекулах II класса в принципе аналогична таковой в молекуле МНС I класса: на β-слоистой поверхности располагаются две α-спирали, служащие стенками щели. Однако если в молекулах I класса щель сформирована разными доменами одной цепи, то в молекулах II класса она образована двумя разными цепями. Структура щелей в молекулах двух типов различается деталями, что обусловливает особенности встраивания в них антигенных пептидов (см. далее). Домены α1 и β2 прилежат к мембране; они гомологичны доменам иммуноглобулинов и имеют β-слоистую структуру.

Таблицa 46. Свойства и особенности встраивания антигенных пептидов в молекулы МНС I и 2 классов


Показатель

МНС I класса

МНС II класса

Число остатков в пептиде

9-10

12-25

Тип щели

Закрытый

Открытый

Положение пептида

Аркообразное

Прилегающее

Число якорей

2

5-6

Шапероны и связывающие белки

Калнексин

Ii-цепь, калнексин

Примечание. Шаперон — стабилизатор молекулы (см. ниже).

Антигенные пептиды в составе молекул МНС

Структура молекул без антигенного пептида, нековалентно встроенного в щель Бьоркмана, не является завершенной. Только присоединив пептид, эти молекулы становятся стабильными тримерами. Характер встраивания пептида в молекулы МНС I и II классов, как и структура щели в этих молекулах, различны.
Щель в составе молекулы I класса замкнута с обоих концов. По длине щель соответствует в среднем 9 аминокислотным остаткам. Длина встраиваемого пептида составляет, как правило, 9—10 остатков, но в отдельных случаях (для некоторых аллельных вариантов молекул) достигает 13 остатков. Поскольку место для пептида ограничено и оба его конца фиксированы, в случае превышения «допустимой» длины пептид выбухает из щели, образуя арку. Пептид «заякорен» в двух участках, которые соответствуют «карманам» в щели Бьоркмана. Один из них соответствует С-концевому остатку пептида, второй может соответствовать позициям 2, 3, 5 или 7.
Щель для связывания пептида в молекулах МНС II класса открыта с обоих концов. Длина встраивающихся в нее пептидов соответствует 12— 25 остаткам, что явно превышает длину щели. В то же время пептид не может выбухать из щели, поскольку он заякорен не в 2, а в 5 местах вдоль всей щели (позиции 1, 4, 6, 7 и 9 пептида). Поэтому он прилежит к ее дну, но его концы выступают за пределы щели. Особенности связывания пептидов с молекулами МНС I и II классов отражены в табл. 46.
Стерические характеристики взаимодействия комплекса пептид — молекула МНС с TCR Т-лимфоцита аналогичны для комплексов, содержащих молекулы МНС I и II классов. Специфичность взаимодействия определяется как эпитопом (антигенным пептидом), так и гистотопом — частью молекулы МНС, изменяющейся под влиянием комплексирования с этим пептидом. Эпитоп и гистотоп распознаются рецептором TCR как единое целое (рис. 56).
Различия в распознавании комплексов пептидов с молекулами I и II классов касаются вспомогательных молекул Т-клеток, участвующих в этом акте. Молекулы МНС имеют в районе щели Бьоркмана участки (гистотопы) повышенного сродства не только к Т-клеточному рецептору, но и к вспомогательным молекулам CD4 и 8. CD4 связывается с доменом β2 продуктов МНС II класса, а α-цепь CD8 — с доменом α молекул I класса. Эти особенности сродства продуктов МНС I и II классов в отношении вспомогательных молекул, характерных для различных субпопуляций Т-клеток, обусловливают участие молекул CD4 и 8 в представлении антигенных пептидов Т-клеткам соответствующих субпопуляций.



 
« Основы иммунологии   Основы педиатрии »