Иммунология Хаитов. В. Н. Ярыгин профессор, академик рамн, ректорРоссийского государственного медицинского университета академик рамн, председатель Уральского отделения ран. Хаитов P. M., Игнатьева га, Сидорович И. Г
 Скачать 6.93 Mb.
|
|
Ι J II ДНК Зародышевая конфигурация генов цепи и сплайсинг С Трансляция белка α-цепи Экспрессия на мембране αβ-гетеродимера Трансляция белка β-цепи V Транскрипция и сплайсинг мРНК ДНК Зародышевая конфигурация ДНК генов β-цепи 5.3. Перестройка и экспрессия генов рецептора Т-лимфоцитов для антигена. V-сегменты (ориентировочно их всего 4) «вкраплены» среди Рекомбинация ДНК происходит только при объединении, D- и сегментов и катализируется тем же комплексом рекомбиназ и под контролем тех же генов RAG-1 и которые действуют при дифференцировке Только субстрат для рекомбиназ — гены а не гены в Т-лимфоцитах — определяют тканеспецифичные промоторы. Рекомбиназы узнают определенные гептамерные или нонамерные последовательности, фланкирующие каждый из сегментов V, J, D и называемые recombination signal sequences — последовательностями, сигнальными для рекомбинации. Перед каждым V-экзоном имеется L-экзон (leader sequence — лидерная последовательность, который обязательно транслируется и обеспечивает правильное расположение полипептидной цепи в эндоплазматическом ретикулуме и правильную экспрессию на клеточной мембране (рис. После перестройки VJ в генах ив генах цепи, а также присоединения некодируемых Ν- и Р-нуклео- тидов с ДНК транслируется РНК. Объединение с томи удаление лишних неиспользуемых осуществляются уже на уровне РНК сплайсингом в первичном транскрипте. Гены могут перестраиваться неоднократно при уже правильно перестроенных и экспрессированных генах Параметры разнообразия антигенсвязывающих участков Т-кле- точных рецепторов приведены в табл. Программа для соматического гипермутагенеза в генах отсутствует (в отличие от генов иммуноглобулинов). Столь большое число — от 10 18 до — потенциально возможных вариантов антигенсвязывающих рецепторов на лимфоцитах является попыткой медленно размножающихся и медленно эволюционирующих видов многоклеточных организмов угнаться за изменчивостью сверхбыстро размножающихся и эволюционирующих инфекционных микроорганизмов. Природа сделала такой шаг — наделила суперизменчивостью в процессе онтогенеза в рамках одного тела единственный гистотип клеток (только лимфоциты) и единственную категорию молекул в этих клетках (антигенраспознающие рецеп- 5.1. Параметры разнообразия антигенсвязывающих областей Генетический элемент Число вариантов Зародышевое число Зародышевое число Транскрипция сегментов по 3 рамкам считывания Зародышевое число J-сегментов Присоединение Ν- и Р-нуклеотидов 114 торы — TCR, Лимфоцитарный иммунитет есть у очень небольшого числа видов земных многоклеточных животных, напомним — всего у 1,4 %. Следовательно, 98,6 % видов многоклеточных не имеют лимфоцитарной иммунной системы. Лимфоцитарный иммунитет понадобился для спасения от инфекций особей таких видов животных, которые оставляют единичное потомство — рожают редко и мало детенышей, значит, если не каждому, то большинству надо выжить, чтобы сохранился вид. Лимфоциты со своими рецепторами появились млн лет назад, вероятно, у челюстных рыб (jawed fish). 5.4. молекулы Т-лимфоцитов — CD4 и Как уже отмечали распознает антиген-пептид только в связи с молекулами MHC-I или II. Каждый конкретный Т-лимфоцит предназначен для работы с молекулами либо класса, либо II класса МНС. Собственно в связь с МНС (ионными, ван-дер-ваальсовыми, водородными и гидрофобными связями) вступают вариабельные участки полипептидных цепей и β. Но со стороны Т-лимфоцита есть еще одна из двух (у индивидуального лимфоцита какая-то одна) мембранных молекул, вступающих в связь с молекулами МНС на антиген- представляющих клетках или клетках-мишенях для Т-лимфоци- тов — это молекулы CD4 и Молекула CD4 имеет химическое сродство и вступает в связь с инвариантной частью молекулы МНС-П молекула CD8 — с инвариантной частью молекулы MHC-I Поэтому молекулы и CD8 Т- моделирующих отсутствие на клетке этих молекул, требуется минимум враз большие дозы антигена Т-лимфоцит. представляет собой одну полипептидную цепь с молекулярной массой 55 000. Она имеет 4 домена во внеклеточной части и по первичной структуре принадлежит к суперсемейству иммуноглобулинов. Цитоплазматический участок молекулы CD4 связан с тирозинкиназой Lck и, вероятно, вносит свой вклад в проведение сигнала внутрь клетки при состоявшемся взаимодействии рецептора с лигандом. В процессе активации Т-лимфоцита одну молекулу TCR обслуживают две молекулы CD4 (происходит димеризация молекул) (рис. 5.4). Молекула CD8 представляет собой гете- родимер из двух цепей, традиционно обозначаемых и В некоторых случаях на клетке обнаруживают гомодимер из двух Такой гомодимер также имеет свойство взаимодействовать с молекулами MHC-I. Во внеклеточной части каждая из аи имеют по одному иммуноглобулин- подобному домену. Между собой цепи соединены дисульфид Рис Структура молекул — CD4 и CD8 (схема). Молекула CD4 представляет собой одну полипептидную цепь и имеет 4 внеклеточных домена. При вовлечении в функциональный процесс вероятно, димеризуется. Молекула CD8 — гетеродимер из иной связью участки цепей также связаны с тирозинкиназой Lck (см. рис. Почти все лимфоциты — 99 %, дифференцирующиеся на территории тимуса в жизни, это Т-лимфоци- тыс и менее 1 % — Т-лимфоциты с В периферических тканях содержание больше чем 1 % и составляет, возможно, 10—50 % всех Т-лимфоцитов тела. Но дифференцируются большинство не в тимусе, а в слизистых оболочках, в первую очередь желудочно-кишечного тракта. Мы вернемся к немногим известным фактам их дифференцировки ниже Т-лимфоцитов в тимусе. Позитивная и негативная селекция тимоцитов Процессы происходящие в тимусе, описаны достаточно подробно и представляются как следующая последовательность событий (см. также раздел 2.2). Тимоциты дифференцируются из общей стволовой кроветворной клетки. На клетках-предшественниках Т-лимфоци- тов еще вне тимуса у человека обнаружены такие мембранные маркеры, как CD7, CD2, CD34 и цитоплазматическая форма CD3. У мышей HSA (heat-stable antigen), H-2, (Ly-6 A/E), немного CD4.] 116 к дифференцировке в Т-лимфоцит клетка-предшественник мигрирует из костного мозга через стенку больших венул в кортико-медуллярной области и оттуда перемещается в субкапсулярную зону коры тимуса. Здесь происходит медленная пролиферация клеток — примерно в течение 1 нед. Характерной особенностью клеток-предшественников является сохранение в них экспрессии уникального фермента стволовой кроветворной клетки — теломеразы, репари- рующей хромосомы. Это указывает на то, что лимфоциту на его жизненном пути предстоит еще не раз пройти циклы пролиферации. Клетки-предшественники, коммитированные к дифференцировке в другие ростки кроветворения, утрачивают экспрессию теломеразы необратимо. Из этих клеток будут развиваться большинство и дендритные клетки тимуса. На тимо- цитах, самыми ранними известными маркерами которых являются молекулы CD2 ив этот период эксп- рессированы еще такие мембранные молекулы, как и CD25. Затем на клетках исчезают молекулы CD44 и клетки физически перемещаются несколько вглубь коры тимуса. В них начинаются перестройка генов цепи TCR и экспрессия полипептидного комплекса CD3. Экспрессируется инвариантная суррогатная полипептид- ная цепь, называемая (ρ — от partner, мол. масса kD), которая заменяет собой настоящую и позволяет перестроенной в комплексе с оказаться экспрессированной на наружной клеточной мембране. Это, как мы увидим дальше, существенный момент. На данной стадии деградирует белок RAG-2 и ингибируется транскрипция с генов RAG-1 и Клетки активно пролиферируют и микроскопически выглядят как бласты. При этом накапливается масса клеток с уже известной β -цепью, нос еще неперест- роенными генами -цепи, что внесет свой вклад в будущее разнообразие В это же время экспрессируются совместно молекулы и (по этой причине тимоциты на этой стадии развития называют дважды позитивными — double-positive — Наследующем этапе клетки перестают делиться, синтезируют и RAG-2 и перестраивают причем несколько разв течение 3—4 сут. Каждый вариант с разной клетка экспрессирует и «пробуется» на связывание с комплексами пептид — экспрессированными на мембранах эпителиальных клеток тимуса. Обратим внимание на то, что пептиды в данном случае свои, те. являются продуктами катаболизма собственных белков антигенпредставляющих клеток которые свяжут какой-либо из комплексов пептид — МНС с правильной (те. средней по силе) аффинностью, получают сигнал на выживание и продолжат дифференцировку. Тимоциты, которые не свяжут никакой из доступных комплексов пептид — МНС, не получат сигнала на выживание, ив них будет инициирована программа на апоптоз, они погибнут. Это и называют позитивной селекцией тимоцитов. В результате позитивной селекции в тимусе погибает 95— 99 % тимоцитов. Если какой-то связывает какой-то комплекс пептид МНС» со слишком высокой аффинностью, то тимоцит также может погибнуть. Это называют негативной селекцией тимоцитов. В количественном отношении негативная селекция элиминирует существенно меньше тимоцитов, чем позитивная от 10 до 70 % клеток, которые прошли позитивную селекцию. Неоднократная перестройка и экспрессия генов цепи при одной и той же водном тимоците оставляет шанс на то, что одна клетка может нести более одного варианта По крайней мерена моделях мышей, ных по генами закономерно обнаруживают второй вариант рецептора нас эндогенной цепью. (Обратим на это внимание затем, чтобы вспомнить в разделе об аутоиммунных патологических процессах.) На короткое время с мембраны тимоцитов исчезают обе молекулы корецепторов и (double-dull), затем экс- прессируется одна из этих молекул на тимоцитах, которых имеет сродство к молекулам экспрессируется корецептор и на периферии эти Т-лимфоциты на всю свою жизнь будут иметь паспортную характеристику или На тимоцитах, которых имеет сродство к МНС- II, экспрессируется корецептор и на периферии такие Т-лимфоциты будут или Т4. Анатомически процессы селекции проходят ближе к границе коркового и мозгового слоев тимуса при взаимодействии развивающихся тимоцитов эпителиальными клетками стромы тимуса и с дендритными клетками костномозгового происхождения. Напомним, что на клетках эпителия тимуса экс- прессированы молекулы адгезии LFA-3 и а на ти- моцитах — комплементарные им молекулы адгезии соответственно и LFA-1. Эти адгезивные взаимодействия удерживают тимоциты на территории тимуса на необходимый период времени. На эпителиальных и дендритных клетках Таблица Анатомическая зона в тимусе Кора периферической Глубокие слои коры Граница коркового иго вещества Мозговое вещество Этапы дифференцировки в тимусе Мембранный фенотип и клеточное окружение клетки коры Эпителиальные клетки коры; дендритные клетки Эпителиальные клетки; дендритные клетки; макрофаги TCR- клетки; дендритные /слетки; макрофаги Эпителиальные клетки мозговой зоны Основные процессы, происходящие с Интенсивная пролиферация (митозы) дважды негативных клеток- предшественников Экспрессия цепи рецептора и суррогатной а также проводящего сигнал-комплекса CD3. Пролиферация Дважды позитивные и с рессированной β- и суррогатной х -цепью рецептора Дважды позитивные тимоциты с полноценным тором. Позитивная и негативная селекция либо зрелые неиммунные Т-лимфоциты мозговой зоны и на внешних структурах телец Гассаля (телец вилочковой железы — по новой классификации) экспресси- рована в большом количестве мембранная молекула CD30L На тимоцитах же, активированных аутоанти- генами, экспрессируется молекула CD30. Полагают, что именно взаимодействие CD30L — CD30 между стромой и тимо- цитами, имеющими на мембране набор молекул обеспечивает сигнал на апоптоз для тимоцитов и это и есть негативная селекция реактивных клонов тимоцитов. В кратком виде этапы дифференцировки Т-лимфоцитов в тимусе приведены в табл. 5.2. 119 Дифференцировка Т-лимфоцитов в тимусе продолжается около 3 нед. Рассмотрим некоторые подробности дифференцировки Т-лим- фоцитов в тимусе и Ту происходят из общей клетки-предшественни- цы. В развивающемся тимоците практически одновременно начинается перестройка генов β-, у и Если обе у- и успеют перестроиться «in-frame» (те. получится такая ДНК, с которой возможна транскрипция РНК, то лимфоцит будет Но если первой успеет перестроиться и экспрессироваться на мембране в паре сто это становится сигналом к запрету на продолжение перестройки генов у и 5, а также сигналом к пролиферации клетки, экспрессии корецепторных молекул CD4 и CD8 и чуть позже к перестройке генов и экспрессии При перестройке генов происходит необратимая делеция δ-локуса, который расположен внутри генов Непродуктивная с первой попытки перестройка генов не означает, что тимоцит обреченна гибель. Структура генов (см. рис) позволяет предпринять еще одну попытку и кпд продуктивности перестройки генов превышает 80 Вероятный лиганд для комплекса — β на мембране тимоцитов — молекула CD81, экспрессированная на эпителиальных клетках стромы тимуса. Перестройка генов происходит неоднократно, пока не получится продуктивный вариант, причем без аллельного исключения (те. параллельно на обеих гомологичных хромосомах. До этапа позитивной селекции на тимоцитах могут быть экспрессированы два варианта TCR с одинаковыми но разными Позитивная селекция оставит единственный вариант рецептора, но иногда может быть и не единственный. Позитивная селекция на удовлетворительное связывание с комплексами своих пептидов со своими молекулами МНС происходит на стадии развития тимоцитов с низкой плотностью экспрессии TCR и совместной экспрессией корецепто- ров CD4 и CD8. Клетки — партнеры тимоцитов в данном процессе, клетки — носители молекул МНС — это эпителиальные клетки стромы коры тимуса. Напомним, что эпителиальные клетки тимуса продуцируют такие цитокины, как IL- 1, 3, 6 и 7, (leukocyte inhibitory factor), GM-CSF. Они же, эпителиальные клетки тимуса, являются продуцентами внутритимического стероидного гормона, а именно прегнено- лона, участие которого необходимо в регуляции экспрессии генов в дифференцирующихся тимоцитах, в том числе вин- дукции апоптоза тимоцитов при позитивной и негативной селекции. (В эксперименте ввести фармакологические дозы глюкокортикоидных то за несколько часов произойдет «глюкокортикоидная тимэктомия» — более % тимоцитов погибнет апоптозом, останется небольшая пленочка, содержащая немного стероидрезистен- тных Т-лимфоцитов.) В качестве примера экспериментов, ставших источником этих знаний, приведем опыты с мышами — радиационными костномозговыми химерами. Если летально облученным реципиентам одной из родительских линий, например гаплотипа трансплантировать клетки костного мозга интактных доноров-гибридов то дифференцированные в тимусе реципиента будут способны распознавать антиген только в комплексе с молекулами ноне Забегая немного вперед, скажем, что профессиональные клетки — это клетки костномозгового происхождения, а именно дендритные клетки, В-лимфо- циты и моноциты/макрофаги. Это поможет понять результаты следующего опыта. Если летально облученным мышам-ре- ципиентам гаплотипа трансплантировать костный мозг от доноров гаплотипа то дифференцирующиеся в организме (в тимусе) реципиента Т-лимфоциты оказываются неспособными развивать иммунный ответ в периферической лимфоидной ткани. В тимусе их отобрали на распознавание а представляют антиген им в организме антиген-пред- ставляющие клетки генотипа те. своего родного для Т-лимфоцитов, но они его не приучены распознавать им вообще распознают не свое и чужое Что будут, а что не будут распознавать антигенраспознающие рецепторы лимфоцитов, определяется закономерностями динамики морфогенеза, складывающимися в конкретной ситуации процесса развития, а даже и неимманентной генетической программой как таковой. Описанный выше эксперимент показывает, почему при трансплантации костного мозга у людей с лечебной целью необходимо совпадение по МНС: столько для избежания отторжения трансплантата реципиентом для обеспечения возможности дифференцировки иммунокомпетентных Т-лимфоцитов из стволовых клеток костного мозга донора в тимусе реципиента. У мышей, трансгенных по перестроенному гену TCR, распознающему пептид в комплексе с MHC-I, все Т-лимфоци- ты будут нести только этот трансгенный рецептор и все Т- лимфоциты в организме будут только Если трансгенный предназначен для антигена в комплексе с МНС- II, то все Т-лимфоциты в организме такой мыши будут только Та же закономерная зависимость распознавательной ориентировки либо на MHC-I, либо на МНС-П и экспрессии на зрелом лимфоците соответственно или CD8, или CD4 проявляется у людей с наследственным иммунодефицитным синдромом голых лимфоцитов (bare lymphocyte syndrome). Есть варианты этого синдрома, когда генетический дефект проявляется в отсутствие экспрессии на эпителиальных клетках тимуса и на лимфоцитах молекул MHC-I. У таких пациентов не обнаруживают Т-лимфоцитов. При вариантах синдрома с отсутствием экспрессии на клетках МНС-П у больных в периферических лимфовдных органах нет Т-лимфоцитов Корреляция экспрессии TCR с молекулами CD8 ив описанном варианте сильная, ноне абсолютная. Как мы увидим дальше, в организме есть и иные субпопуляции Т-лим- фоцитов, например молекула состоит из двух одинаковых цепей, те. гомо- димера не из одной и одной как в «классическом» варианте молекулы CD8). Кстати, ты именно с таким фенотипом мембраны являются преобладающей субпопуляцией среди внутриэпителиальных лимфоцитов слизистой оболочки ЖКТ. Не зависит от CD4 и CD8 и экспрессия Т-лимфоциты, экспрессирующие CD4, и Т-лимфоциты, экспрессирующие CD8, предназначены для выполнения разных функций в предстоящих иммунных ответах. Ново всех случаях независимости TCR от CD4 или CD8 лимфоциты с такими TCR распознают антиген независимо от Правда, это не означает (по крайней мере не всегда очевидно) независимость распознавания антигена от других молекул, способных представлять антиген, ноне являющихся ни, ни МНС-П. Примером таких антигенпредставляющих молекул является Если молекулы MHC-I и II работают (те. формируют комплексы) исключительно с пептидными антигенами, то неклассические молекулы МНС» (иногда их так дважды некорректно называют в литературе вместо того, чтобы сказать, что это не MHC-I/II) специализируются на комплексообразовании с антигенами другой химической природы — небелковой (углеводными фос- фатсодержащими). С молекулами кластера взаимодействуют особые субпопуляции зрелых Т-лимфоцитов, а именно «дважды негативные и особая суб- популяция Процессы негативной селекции тимоцитов идут при взаимодействии их с профессиональными антигенпредставляющи- ми клетками — дендритными и макрофагами, что иллюстрируют эксперименты с костномозговыми радиационными химерами мышей. Если реципиентов любой из родительских линий или летально облучить и трансплантировать им костный мозг от гибридов тов тимусе таких мышей будут развиваться Т-лимфоциты, не кожный лоскут ни от донора ни от донора те. развивается толерантность к антигенам как реципиента, таки донора, которые в тимусе могут быть представлены только на тимоцитах, дендритных клетках и макрофагах. При некоторых комбинациях линий мышей в таких экспериментах кожный трансплантат, однако, отторгается. Это объясняют тем, что для отторжения ткани существенны и неглавные антигены гистосовместимости (minor histocompatibi- lity antigens), которые в данном случае присутствуют в ткани донорской кожи, ноне присутствуют на донорских антиген- представляющих клетках в тимусе и на уровне дифференцировки лимфоцитов в тимусе толерантность к ним не возникает. Неглавные антигены гистосовместимости при отторжении трансплантатов у людей иногда имеют большее значение, чем антигены главного комплекса гистосовместимости, что будет проиллюстрировано в соответствующем разделе. Созревшие в тимусе Т-лимфоциты мигрируют в Т-зоны периферических лимфоидных органов. В разделе 2.2 уже отмечалось, что путей выхода тимоцитов из тимуса на основании гистологических наблюдений можно предполагать 3: а) свободный через эфферентный лимфатический сосуд в кор- тико-медуллярной зоне б) путем экстравазации через стенку посткапиллярных венул с высоким эндотелием там же в кор- тико-медуллярной зоне в) путем экстравазации через стенку капилляров в русле транскапсулярных артерий. Во введении мы сформулировали, что базовым свойством лимфоцитов является самораспознавание. Теперь это можно понять несколько лучше дифференцировка и отбор антиген- распознающих рецепторов Т-лимфоцитов в тимусе идут при взаимодействии (комплементарном связывании) исключительно с эндогенными, те. со своими молекулами МНС в комплексе со своими но разнообразными пептидами. Приведем совпадающее с нашим мнение авторитетного экспериментатора и теоретика Ч.Джейнвэя (Charles A.Janeway) и его коллег. Опыты на мышах, трансгенных по гену TCR, атак- же с knock-out по определенному гену МНС враз- ных аранжировках привели этих авторов к заключению (гипотезе, но обоснованной, что не только в тимусе в процессе лимфопоэза идет отбор Т-лимфоцитов на способность правильно связывать своим TCR комплексы свои пептиды — МНС», но и на жизнеспособность Т-лимфоцитов в течение длительного времени поддерживается сигналами на выживание от тех же комплексов свои пептиды — МНС», экспрессированными на дендритных клетках в Т-зависимых зонах периферических лимфоидных органов. В отсутствие такого сигнала Т-лимфоцит быстро погибает. Более того, такой свой сигнал поддерживает некий базальный уровень пролиферации жизнеспособных Т-лимфоцитов на периферии в течение всей жизни организма. Но эта пролиферация отличается от экспансии клона лимфоцитов в процессе развития активного продуктивного иммунного ответа на антиген, подлежащий элиминации из организма. Пролиферация по сигналу от своего в норме не сопряжена с синтезами и секрецией активных цитокинов Т-лимфоцитов и индукцией иммунного воспаления. Таким образом можно объяснить и ально существующее явление, что после летнего возраста, когда Т-лимфопоэз в тимусе существенно угасает, тем не менее в течение всей взрослой жизни в организме Причем достаточно постоянное (не снижающееся прогре- диентно с возрастом) количество яериферических фоцитов. Репертуар распознающих рецепторов периферических Т-лимфоцитов зависит от МНС организма. Исходная биологическая комплементарность рецепторов Т-лимфоцитов рассчитана именно на молекулы МНС всех клеток собственного организма. В функциональном отношении зрелые неиммунные лимфоциты, выходящие из тимуса, представлены двумя основными субпопуляциями: одна из них на мембране молекулу CD8, вторая — CD4. Т-лимфоциты дифференцированы для выполнения функций цитотоксических Т-лим- фоцитов ЦТЛ сами непосредственно, своим клеточным телом, убивают клетки (поэтому Ц от цито-), на мембране которых они распознали антиген Т-лимфоци- ты дифференцированы в продуцентов цитокинов — секрети- руемых из клетки биологически активных молекул, предназначенных для взаимодействия и вовлечения в процесс других клеток-партнеров по иммунному ответу Т-лимфоциты около 30 лет назад назвали лимфоцитами-хелперами (helper помощник, поскольку эксперименты свидетельствовали, что В-лимфоциты неспособны продуцировать антитела без помощи Т-лимфоцитов, хотя сами Т-лимфоциты не синтезируют иммуноглобулины, но В-лимфоциты безучастия их тоже не синтезируют либо совсем, либо синтезируют иммуноглобулины только класса М. За Т-лимфоцитами закрепилась аббревиатура Th (от Дихотомию дифференцировки Т-лимфоцитов в процессе развития иммунного ответа с возникновением либо ТЫ, либо Th2 называют иммунным отклонением (immune deviation) — отклонение иммунного ответа в сторону той или иной субпопуляции ТЫ или ТЫ В генетически здоровом организме отклонение иммунного ответа в сторону или зависит от внешних факторов в первую очередь химических качеств антигена, его дозы, пути попадания во внутреннюю среду, сопутствующих факторов типа адъювантов или инфекций, кратности и т.д. Подробно свойства и функционирование Th2, и других субпопуляций Т- лимфоцитов описаны в главе Хотя опухоли — образования патологические, но они позволяют составить представление о нормальных субпопуляци- ях клеток той или иной ткани. В клинике известны нозологические единицы опухолей из клеток тимуса (табл. 5.3). 5.3. |