Хаитов P.M., Игнатьева Г.Л. Иммунология

Подождите немного. Документ загружается.

Рис.

5.1.

Строение рецептора Т-

лимфоцитов для антигена

(TCRa0)

(схема).

Рецептор состоит из 8 полипеп-

тидных цепей. Антигенсвязываю-

щая область рецептора формирует-

ся цепями

β;

цепи у,

<5,

(вместе их называют комплексом

CD3) необходимы для экспрес-

сии цепей й и β, их стабилиза-

ции и, вероятно, проведения сиг-

нала внутрь клетки;

ζ-цепь

— са-

мая «внутриклеточная», обеспечи-

вает проведение сигнала внутрь

клетки.

Полипептиды комплекса

CD3 — у, <5 и

высоко-

гомологичны друг другу. Их

гены локализованы рядом,

все в хромосоме 11 у чело-

века, и, очевидно, про-

изошли путем дупликации

от одного предкового гена.

Две

ζ-цепи

соединены

между собой дисульфидной

связью, в мембране встро-

ены между трансмембран-

ными участками

а-

и β-

цепей и

большая

часть по- ,

липептидной

ζ-цепи

уходит в цитоплазму клетки. Там эта

цепь и «задействуется» в реакциях проведения сигнала при

связывании антигена V-областями

и β на внутриклеточные

структуры и процессы.

Во всех цитоплазматических участках полипептидных цепей

у, δ, ε и ζ содержатся последовательности аминокислот —

ΙΤΑΜ

(immunoreceptor

tyrosine-based activation motifs), кото-

рыми эти полипептиды взаимодействуют с протеин-тирозин-

киназами цитозоля (активация этих ферментов и составляет

биохимическую суть реакций по проведению сигнала).

Схематически структура

TCR,

состоящего из 8 полипеп-

тидных цепей, представлена на рис. 5.1.

Рецептор для антигена присоединяет свои лиганды ион-

ными, водородными, ван-дер-ваальсовыми и гидрофобными

связями. Рецептор достаточно «жив» и подвижен. При свя-

зывании с антигеном его конформация существенно изме-

няется. Как показывают исследования с применением самых

современных методов с использованием трансгенных

по

TCR

мышей (у которых все Т-лимфоциты имеют единственный

вариант TCR) и коллекции синтетических пептидов и кон-

Проведение

сигнала

111

тролируемых комплексов пептидов с растворимыми молеку-

лами МНС, один

TCR

потенциально способен связывать до-

статочно много разных антигенов (если под антигенами по-

нимать 9-членные пептиды): по минимальным оценкам

по максимальным —

по наиболее точным оценкам по-

рядка

Причем один

TCR

связывает не только родствен-

ные по структуре антигены (их понимают как перекрестно

реагирующие), но и антигены, не имеющие гомологии в

структуре.

5.3. Гены

а-

β-цепей

рецептора

Т-лимфоцитов

для антигена

Гены

а-

/?-цепей

(а также у- и

5-цепей)

устроены гомо-

логично генам иммуноглобулинов и претерпевают соматичес-

кую рекомбинацию (перестройку ДНК) в процессе диффе-

ренцировки Т-лимфоцитов. Это и обеспечивает генерацию

разнообразия

антигенсвязывающих

свойств

TCR,

оцениваемо-

го так же, как и для иммуноглобулинов: теоретически поряд-

ка

—10

вариантов, реально в 1000—10 000 раз меньше

соответственно числу лимфоцитов в организме.

Гены «-цепи имеют 70—80 V-сегментов и 61 J-сегмент,

комбинации которых по одному из каждой области обеспе-

чивают дополнительное разнообразие антигенсвязывающих

свойств

TCR.

Гены

β-цепи

имеют 52 V-сегмента, 2 D-сегмента

и 13 J-сегментов, а также 2 С-сегмента, расположенных, как

показано на рис. 5.2. Между V- и J-сегментами «-цепи нахо-

дится локус генов δ-цепи второго варианта

TCR

— γδ. Ло-

кус δ состоит из 3 D-сегментов, 3 J-сегментов, 1 С-сегмента.

α-Цепь TCR

I-UJL!,

L Vα

(-70-80

сегментов)

и]

Jα (61 сегмент)

β-Цепь TCR

ι!

(~50

сегментов) (6 сегментов)

(7 сегментов)

Рис.

5.2. Структура генов

а-

β-цепей

рецептора Т-лимфоцитов для

антигена (схема).

112

-Сегменты

П];"1ПТ!

iJJ.L.JJJJj

Г Τ

t—I

Од-Сегменты

ΠΠΠ--Π

IIIIU II

yj-Рекомбинация ДНК

пп

с«

Зародышевая конфигурация

генов α-цепи

,Транскрипция

и сплайсинг

мРНК

Трансляция белка α-цепи

Экспрессия на мембране

αβ-гетеродимера

Трансляция белка β-цепи

•·;:;·;

•.lty:i

Транскрипция и сплайсинг мРНК

;ίίι!'!

VDJ-Рекомбинация ДНК

Зародышевая

конфигурация

Vo-сегменты

ДНК генов

β-цепи

Рис.

5.3. Перестройка и экспрессия генов рецептора Т-лимфоцитов для

антигена.

V-сегменты

<5-цепи

(ориентировочно их всего 4) «вкраплены»

среди

V-сегментов

α-цепи.

Рекомбинация ДНК происходит только при объединении

V-, D- и J-сегментов и катализируется тем же комплексом

рекомбиназ и под контролем тех же генов RAG-1 и RAG-2,

которые действуют при дифференцировке

В-лимфоцитов.

Только субстрат для рекомбиназ — гены

TCR,

а не гены

в Т-лимфоцитах — определяют тканеспецифичные промото-

113

ры. Рекомбиназы «узнают» определенные гептамерные или

нонамерные последовательности, фланкирующие каждый из

сегментов V, J, D и называемые recombination signal

sequences — последовательностями, сигнальными для реком-

бинации. Перед каждым V-экзоном имеется L-экзон (leader

sequence — лидерная последовательность), который обязатель-

но транслируется и обеспечивает правильное расположение

полипептидной цепи в эндоплазматическом ретикулуме и

правильную экспрессию на клеточной мембране (рис. 5.3).

После перестройки VJ в генах

α-цепи

VDJ

в генах β-

цепи, а также присоединения некодируемых Ν- и Р-нуклео-

тидов с ДНК транслируется РНК. Объединение с

С-сегаен-

том и удаление лишних неиспользуемых

J-сегментов

осуще-

ствляются уже на уровне РНК сплайсингом в первичном

транскрипте.

Гены

α-цепи

могут перестраиваться неоднократно при уже

правильно перестроенных и экспрессированных генах

β-цепи.

Параметры разнообразия антигенсвязывающих участков Т-кле-

точных рецепторов приведены в табл. 5.1.

Программа для соматического гипермутагенеза в генах TCR

отсутствует (в отличие от генов иммуноглобулинов).

Столь большое число — от 10

до

— потенциально

возможных вариантов антигенсвязывающих рецепторов на

лимфоцитах является попыткой медленно размножающихся и

медленно эволюционирующих видов многоклеточных организ-

мов «угнаться» за изменчивостью сверхбыстро размножающих-

ся и эволюционирующих инфекционных микроорганизмов.

Природа сделала такой шаг — наделила суперизменчивостью

в процессе онтогенеза в рамках одного тела единственный

гистотип клеток (только лимфоциты) и единственную кате-

горию молекул в этих клетках (антигенраспознающие рецеп-

Таблица

5.1. Параметры разнообразия антигенсвязывающих облас-

тей TCR

Генетический элемент

Число вариантов

Зародышевое число

V-сегментов

Зародышевое число

D-сегментов

Транскрипция D-сегментов

по 3 рамкам считывания

Зародышевое число

J-сегментов

Присоединение Ν- и

Р-нуклеотидов

114

торы — TCR,

Ig).

Лимфоцитарный иммунитет есть у очень

небольшого числа видов земных многоклеточных животных,

напомним — всего у 1,4 %. Следовательно, 98,6 % видов мно-

гоклеточных 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, что-

бы сохранился вид. Лимфоциты со своими рецепторами по-

явились 300 млн лет назад, вероятно, у челюстных рыб (jawed

fish).

5.4.

Корецепторные

молекулы Т-лимфоцитов — CD4 и CD8

Как уже отмечали,

TCRtx/?

распознает антиген-пептид толь-

ко в связи с молекулами MHC-I или II. Каждый конкретный

Т-лимфоцит предназначен для работы с молекулами либо I

класса, либо II класса МНС. Собственно в связь с МНС (ион-

ными, ван-дер-ваальсовыми, водородными и гидрофобными

связями) вступают вариабельные участки полипептидных це-

пей

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

CDS.

Молекула CD4 имеет хими-

ческое сродство и вступает в связь с инвариантной частью

молекулы МНС-П

(Д

-доменом),

молекула CD8 — с инвари-

антной частью молекулы MHC-I

(абдоменом).

Поэтому моле-

кулы CD4 и CD8

называюг__коре^епторньш»_модекулами

Т-

лимфоцитовТТЗ

экспериментах,

моделирующих отсутствие на

клетке этих молекул, требуется минимум в 100 раз большие

дозы антигена,

чтобы

.активировать

Т-лимфоцит.

МвжекуМГ~С04

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 уча-

сток молекулы CD4 связан с тирозинкиназой Lck и, вероят-

но, вносит свой вклад в проведение сигнала внутрь клетки

при состоявшемся взаимодействии рецептора с лигандом.

В процессе активации Т-лимфоцита одну молекулу TCR «об-

служивают» две молекулы CD4 (происходит димеризация мо-

лекул CD4) (рис. 5.4). Молекула CD8 представляет собой гете-

родимер из двух цепей, традиционно обозначаемых

и β.

В некоторых случаях на клетке обнаруживают гомодимер из

двух

α-цепей.

Такой гомодимер также имеет свойство взаи-

модействовать с молекулами MHC-I. Во внеклеточной части

каждая из а- и

β-цепей

имеют по одному иммуноглобулин-

подобному домену. Между собой цепи соединены дисульфид-

115

Рис,

5.4.

Структура молекул

корецепторов

Т-лимфоцитов

— CD4 и CD8

(схема).

Молекула CD4 представляет собой одну полипептидную цепь и имеет 4 вне-

клеточных домена. При вовлечении в функциональный процесс

молекула

CD4,

вероятно, димеризуется. Молекула CD8 — гетеродимер из

а-

β-цепей.

ной связью.

Цитоплазматические

участки цепей

CD8

также

связаны с тирозинкиназой Lck (см. рис. 5.4).

Почти все лимфоциты — 99 %, дифференцирующиеся на

территории тимуса в

постнатальной

жизни, это Т-лимфоци-

ты с

TCRa^

и менее 1 % — Т-лимфоциты с

TCRyS.

В пери-

ферических тканях содержание

Ту<5

больше чем 1 % и состав-

ляет, возможно, 10—50 % всех Т-лимфоцитов тела. Но диф-

ференцируются большинство

Ту<5

не в тимусе, а в слизистых

оболочках, в первую очередь желудочно-кишечного тракта.

Мы вернемся к немногим известным фактам их дифферен-

цировки ниже.

5.5.

Дифференцировка

Т-лимфоцитов в тимусе.

Позитивная и негативная селекция тимоцитов

Процессы

дифферешщровки,

происходящие в тимусе, описа-

ны достаточно подробно и представляются как следующая

последовательность событий (см. также раздел 2.2).

Тимоциты дифференцируются из общей стволовой крове-

творной клетки. На клетках-предшественниках Т-лимфоци-

тов еще вне тимуса у человека обнаружены такие мемб-

ранные маркеры, как CD7, CD2, CD34 и цитоплазмати-

ческая форма CD3. [У мышей

Thy-1,

HSA (heat-stable

antigen),

Pgp-1,

H-2,

Sca-1

(Ly-6 A/E), немного CD4.]

116

Коммитированная

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 осо-

бенностью

лимфоидных

клеток-предшественников явля-

ется сохранение в них экспрессии уникального фермента

стволовой кроветворной клетки — теломеразы, репари-

рующей хромосомы. Это указывает на то, что лимфо-

циту на его жизненном пути предстоит еще не раз

пройти циклы пролиферации. Клетки-предшественники,

коммитированные к дифференцировке в другие ростки

кроветворения, утрачивают экспрессию теломеразы не-

обратимо. Из этих клеток будут развиваться

Ύαβ

(боль-

шинство),

Ту

δ и дендритные клетки тимуса. На тимо-

цитах, самыми ранними известными маркерами которых

являются молекулы CD2 и CD7, в этот период эксп-

рессированы еще такие мембранные молекулы, как

CD44 и CD25.

Затем на клетках исчезают молекулы CD44 и CD25,

клетки физически перемещаются несколько в глубь

коры тимуса. В них начинаются перестройка генов β-

цепи TCR и экспрессия полипептидного комплекса CD3.

Экспрессируется инвариантная суррогатная полипептид-

ная цепь, называемая

ρΤοί

(ρ — от partner, мол. масса

33 kD), которая заменяет собой настоящую

α-цепь

позволяет перестроенной

β-цепи

в комплексе с CD3

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 RAG-2.

Клетки активно пролиферируют и микроскопически

выглядят как бласты. При этом накапливается масса

клеток с уже известной β -цепью, но с еще неперест-

роенными генами

-цепи, что внесет свой вклад в бу-

дущее разнообразие

сх:/?-гетеродимеров.

В это же время экспрессируются совместно молекулы

CD4

CD8

(по этой причине тимоциты на этой стадии развития

называют дважды позитивными — double-positive —

CD4

CD8

На следующем этапе клетки перестают делиться, син-

тезируют RAG-1 и RAG-2 и перестраивают

Vα-гены,

причем несколько раз в течение 3—4 сут. Каждый вари-

ант TCR с разной

α-цепью

клетка экспрессирует и

«пробуется» на связывание с комплексами пептид —

МНС,

экспрессированными на мембранах эпителиаль-

117

ных клеток тимуса. Обратим внимание на то, что пеп-

тиды в данном случае свои, т.е. являются продуктами

катаболизма собственных белков антигенпредставляющих

клеток.

Тимоциты,

которые свяжут какой-либо из ком-

плексов пептид — МНС с правильной (т.е. 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, и в них бу-

дет инициирована программа на апоптоз, они погибнут.

Это и называют позитивной селекцией тимоцитов. В ре-

зультате позитивной селекции в тимусе погибает 95—

99 % тимоцитов.

Если какой-то

TCR

связывает какой-то комплекс «пеп-

тид — 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 позитив-

ная — от 10 до 70 % клеток, которые прошли позитивную

селекцию.

Неоднократная перестройка и экспрессия генов «-цепи

при одной и той же

β-цепи

в одном тимоците оставляет

шанс на то, что одна клетка может нести более одного ва-

рианта

TCR.

По крайней мере на моделях мышей,

грансген-

ных по генам β- и

(Х-цепей,

закономерно обнаруживают вто-

рой вариант рецептора на

Т-лимфоцитах

с эндогенной

а-

цепью. (Обратим на это внимание затем, чтобы вспомнить в

разделе об аутоиммунных патологических процессах.)

На короткое время с мембраны тимоцитов исчезают обе

молекулы корецепторов

CD4

CD8

(double-dull), затем экс-

прессируется одна из этих молекул: на тимоцитах,

TCR

ко-

торых имеет сродство к молекулам

MHC-I,

экспрессируется

корецептор

CD8,

и на периферии эти Т-лимфоциты на всю

свою жизнь будут иметь «паспортную» характеристику

CD8

или

Т8.

На тимоцитах,

TCR

которых имеет сродство к МНС-

II, экспрессируется корецептор

CD4,

и на периферии такие

Т-лимфоциты будут

CD4

или Т4.

Анатомически процессы селекции проходят ближе к гра-

нице коркового и мозгового слоев тимуса при взаимодействии

развивающихся тимоцитов

эпителиальными клетками стро-

мы тимуса и с дендритными клетками костномозгового про-

исхождения. Напомним, что на клетках эпителия тимуса экс-

прессированы молекулы адгезии LFA-3 и

ICAM-1,

а на ти-

моцитах — комплементарные им молекулы адгезии соответ-

ственно

CD2

и LFA-1. Эти адгезивные взаимодействия удер-

живают тимоциты на территории тимуса на необходимый

период времени. На эпителиальных и дендритных клетках

118

Таблица 5.2.

Анатомическая

зона в тимусе

Кора перифе-

рической

зоны

Глубокие слои

коры

Граница корко-

вого и

мозгово-

го вещества

Мозговое

вещество

Этапы дифференцировки

Т-лимфоцитов

в тимусе

Мембранный фенотип

тимоцитов

их

клеточное окружение

CD3-/CD4-/CD8-

Эпителиальные

клетки коры

TCR-07pTa

/CD3

Эпителиальные клетки коры;

дендритные клетки

TCR-^VPT«VCD3VCD4

/CD8

Эпителиальные клетки;

дендритные клетки;

макрофаги

TCR-

cx0

/CD37CD47CD8

Эпителиальные клетки;

дендритные /слетки;

макрофаги

TCR-aj37CD37CD4

TCR-

P7CD37CD8*

Эпителиальные клетки

мозговой зоны

Основные процессы,

происходящие с

тимоцитами

Интенсивная

пролиферация

(митозы) дважды

негативных клеток-

предшественников

Экспрессия β-цепи

рецептора и сурро-

гатной

α-цепи,

также проводящего

сигнал-комплекса

CD3. Пролиферация

Дважды позитивные

(CD4

CD8

)

тимоциты

эксп-

рессированной β-

цепью

и суррогат-

ной <х -цепью ре-

цептора

Дважды позитивные

тимоциты с полно-

ценным

а/?-рецеп-

тором. Позитивная

и негативная селек-

ция

Однопозитивные

(либо

CD4

либо

CDS+)

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

(СБЗО-лиганд).

На тимоцитах же, активированных аутоанти-

генами, экспрессируется молекула CD30. Полагают, что имен-

но взаимодействие CD30L — CD30 между стромой и тимо-

цитами, имеющими на мембране набор молекул

CD4

CD8

CD45R0+CD30+IL-4R

обеспечивает сигнал на

апоптоз для тимоцитов и это и есть негативная селекция

ауто-

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.

Ύαβ

и Ту<5 происходят из общей клетки-предшественни-

цы. В развивающемся тимоците практически одновременно

начинается перестройка генов β-, у- и

5-цепей.

Если обе у-

(5-цепи

успеют перестроиться «in-frame» (т.е. получится та-

кая ДНК, с которой возможна транскрипция РНК), то лим-

фоцит будет

Туб.

Но если первой успеет перестроиться

β-цепь

и экспрессироваться на мембране в паре с

рТа,

то это ста-

новится сигналом к запрету на продолжение перестройки ге-

нов у и 5, а также сигналом к пролиферации клетки, эксп-

рессии корецепторных молекул CD4 и CD8 и чуть позже к

перестройке генов и экспрессии

α-цепи.

При перестройке

генов

α-цепи

происходит необратимая делеция δ-локуса,

который расположен внутри генов

οί-цепи.

Непродуктивная с

первой попытки перестройка генов

β-цепи

не означает, что

тимоцит обречен на гибель. Структура генов

β-цепи

(см. рис.

5.2) позволяет предпринять еще одну попытку и кпд продук-

тивности перестройки генов

/5-цепи

превышает 80 %.

Вероятный лиганд для комплекса

ρΤα

— β на мембране

тимоцитов — молекула CD81, экспрессированная на эпите-

лиальных клетках стромы тимуса.

Перестройка генов

α-цепи

происходит неоднократно, пока

не получится продуктивный вариант, причем без аллельного

исключения (т.е. параллельно на обеих гомологичных хромо-

сомах). До этапа позитивной селекции на тимоцитах могут

быть экспрессированы два варианта TCR с одинаковыми β-,

но разными

οί-цепями.

Позитивная селекция оставит един-

ственный 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 плотно-

стью экспрессии TCR и совместной экспрессией корецепто-

ров CD4 и CD8. Клетки — партнеры тимоцитов в данном

процессе, клетки — носители молекул МНС — это эпители-

альные клетки стромы коры тимуса. Напомним, что эпители-

альные клетки тимуса продуцируют такие цитокины, как IL-

1, 3, 6 и 7,

LIF

(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 в ин-

дукции апоптоза тимоцитов при позитивной и негативной

селекции. (В эксперименте,

если

.мыши

ввести фармакологи-

ческие дозы глюкокортикоидных

гормонов^

то за несколько

120