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

Подождите немного. Документ загружается.

-2

α1

β1

β2

MHC-I

MHC-II

Рис.

5.7. Структура молекул MHC-I и II (схема).

Молекулы MHC-I — трансмембранные гетеродимеры: α-цепь большая, имеет

три внеклеточных домена. «Клефт» для связывания пептида формируют два

терминальных домена «-цепи

(ct

сх

β-Цепь

малого

размера,

мембрану

не

пенетрирует,

α-цепью

ассоциирована

нековалентно,

ее называют

микроглобулином. Молекулы

МНС-П

также трансмембранные гетеродимеры.

Полипептидные а- и

/?-цепи

равновелики, обе пенетрируют мембрану, у обе-

их по два внеклеточных домена и «клефт» для связывания пептидов формируют

внешние домены обеих цепей. 1 — пептид-антиген в комплексе с молекулами

MHC-I; 2 — пептид-антиген в комплексе с молекулами МНС-П.

ные молекулы — гетеродимеры из двух трансмембранных гли-

копротеинов:

α-цепь

(мол. масса 34 000) и

/3-цепь

(мол. мас-

са 29 000). Внеклеточная часть каждой цепи имеет два домена.

Пептидсвязывающий клефт (cleft) формируют совместно

otl-

и β\-домены и в отличие от «клефта» MHC-I «клефт» MHC-

II открыт с обеих сторон (рис. 5.7). Стереохимическая откры-

тость «клефта» МНС-П позволяет связывать более длинные

пептиды, чем в случае MHC-I, — до 30 остатков аминокис-

лот. Однако чаще всего из комплексов с

МНС-И

удается

диссоциировать пептиды размером 13—17 остатков аминокис-

лот. Якорные остатки для большинства изученных аллельных

вариантов

МНС-И

находятся в позициях 1; 4; 6 и 9.

5.7. Механизмы образования комплексов пептидов-антигенов

с молекулами главного комплекса

гистосовместимости

В любой эукариотической клетке есть две «зоны», или, как

их принято называть от английского, компатменты. Одна зона

связана с внешней внеклеточной средой и это зона мембран-

ных структур и везикул, включающая в себя аппарат Гольд-

жи, эндоплазматический ретикулум, лизосомы, эндосомы и

фагосомы. Пептиды, образующиеся в данной зоне, обслужи-

131

воют

синтезируемые клеткой молекулы МНС-П. Происхожде-

ние пептидов везикул внеклеточное: они образуются в резуль-

тате протеолиза белков, захваченных клеткой посредством эн-

доцитоза или фагоцитоза. Эндосомы, или фаголизосомы, сли-

ваются с мембранными структурами, на которых фиксируют-

ся вновь синтезированные на полирибосомах молекулы а- и

β -цепей МНС-П и еще одна так называемая инвариантная

полипептидная цепь — П. Эта

Ii-цепь

«прикрывает» МНС-П

от связывания с пептидами внутри эндоплазматического ре-

тикулума и в дальнейшем обеспечивает экспозицию молекул

МНС-И внутрь везикул — эндосом, или фаголизосом. Комп-

лекс из 3 тримеров

αβΙΊ

в эндоплазматическом ретикулуме

удерживается связью с кальнексином. В мембранных внутри-

клеточных структурах есть специальный компартмент М-Н-С

(МНС class II compartment), в который физически упираются

эндосомы и лизосомы с поглощенным внеклеточным содер-

жимым. И только с участием пептида молекула МНС-Н при-

нимает правильную

конформацию,

продвигается к мембране и

экспрессируется на ней. «Чистые» молекулы МНС I и II класса

на мембране клетки не экспрессируются. Если клетка не рас-

полагает достаточным количеством чужого пептидного мате-

риала, то молекулы МНС-П связывают короткий фрагмент,

образующийся при протеолитическом расщеплении инвариант-

ной цепи — CLIP (class II linked

invariant-chain

peptide).

В наслоении пептида на МНС-П участвует еще одна молеку-

ла — HLA-DM. HLA-DM на какое-то время стабилизирует пу-

стые молекулы МНС-И (без пептида). Отсюда понятно, по-

чему представление антигена именно молекулами

МНС-П

осу-

ществляется при развитии защитных иммунных реакций на

внеклеточные и везикулярные инфекции. Поскольку комплексы

антигенов-пептидов с молекулами

МНС-Н

распознают исклю-

чительно

CD4

Т-лимфоциты, то и в защите от внеклеточных

и везикулярных инфекций главную роль играют реакции, обеспе-

чиваемые именно CD4 Т-лимфоцитами (рис. 5.8).

Вторая «зона» в клетке — зона цитозоля — неструктури-

рованного мембранами внутриклеточного содержимого. Цито-

золь непосредственно сообщается через крупные ядерные

поры с содержимым ядра. В ядре идут процессы транскрип-

ции РНК с ДНК (как нормальные клеточные, так и вирус-

ные при вирусных инфекциях клеток). РНК из ядра транспор-

тируется для трансляции белка в цитозоль на полирибосомы,

и для фолдинга (принятия правильной конформации) белков

под контролем шаперонов («катализаторов» принятия поли-

пептидной цепью биологически значимой конформации)

полипептидные цепи направляются в специальные участки

эндоплазматического ретикулума. Лишние, испорченные, не-

правильно конформированные белки постоянно расщепляют-

ся в цитозоле так называемыми протеасомами.

Протеасомы

—

132

Рис. 5.8. Строение клетки и «зоны обслуживания» молекулами MHC-I

и II (схема).

— зона (или

компартмент)

мембранных структур клетки (везикулы, эндо-

плазматический

ретикулум, аппарат Гольджи), эта зона непосредственно со-

общается с внеклеточной средой; 2 — зона (или компартмент) цитозоля

непосредственно сообщается с внутриядерным содержимым; 3 — протеасомы

питозоле;

4 — фагосомы; 5 — фаголизосомы сливаются с везикулами,

содержащими несконформированные молекулы МНС-И; 6 — комплекс МНС-

II — пептид «внеклеточного» происхождения экспрессирован на мембране клет-

ки; 7 — несконформированные молекулы MHC-I в зоне досягаемости пепти-

дов — продуктов протеасом; 8 — комплекс MHC-I — пептид «внутриклеточного»

происхождения экспрессирован на мембране клетки.

это

мультипротеазные

комплексы из 28 субъединиц, каждая

из которых имеет молекулярную массу 20 000 или 30 000. Два

из 3 вариантов субъединиц протеасом — LMP2 и LMP7 —

кодируются генами, расположенными внутри комплекса

мне.

Протеасомы осуществляют зависимую от убиквитина

(ubiquitin) деградацию белков цитозоля. И именно пептиды,

образующиеся в результате работы протеасом, поступают в

«поджидающие» их в нужном месте эндоплазматического ре-

тикулума еще несконформированные молекулы

MHC-I:

всту-

пая в связь с пептидом, молекулы

MHC-I

принимают био-

логически правильную конформацию и направляются для

экспрессии на клеточную мембрану. Исследование мутаций и

генетических дефектов, приводящих к иммунодефицитным

133

состояниям, выявило зависимость представления антигена

молекулами MHC-I от двух

АТФ-связывающих

полипептидов

ТАР-1

и ТАР-2 (Transporters associated with antigen processing).

В мембране эндоплазматического ретикулума эти два полипеп-

тида формируют гетеродимер, ориентированный гидрофобны-

ми участками в полость ретикулума, а АТФ-связывающими

доменами — в сторону цитозоля. Именно они доставляют

пептиды для связывания с молекулами

MHC-I.

ТАР имеют

сродство к пептидам с гидрофобными или

основными

остат-

ками аминокислот на С-конце. Гены ТАР-1 и ТАР-2 распо-

ложены внутри комплекса МНС.

Вновь синтезированная «-цепь MHC-I вступает в связь с

мембранным протеином эндоплазматического ретикулума

кальнексином

(calnexin,

мол. масса 88 000), который обеспе-

чивает частичный фолдинг «-цепи. Кстати, тот же кальнек-

син образует комплексы с вновь синтезированными и частич-

но сконформированными полипептидами МНС-П, TCR,

(т.е. всеми иммунологически значимыми пептидами). При при-

соединении к «-цепи

/?2-микроглобулина

связь с кальнекси-

ном диссоциирует, и комплекс

αβ2

присоединяется для даль-

нейшего прохождения процесса приобретения конформации

к кальретикулину (calreticulin) эндоплазматического ретикулу-

ма и

ТАР-1-ассоциированному

протеину тапасину (tapasin).

Таким образом создаются условия для соединения пептида-

антигена с принимающим конформацию комплексом MHC-I.

При генетических дефектах в ТАР молекулы МНС деградиру-

ют внутри клетки, не попадая на клеточную мембрану. В нор-

ме в клетке молекулы

MHC-I

присутствуют в избытке по

отношению к пептидам. Поэтому в клетке при вирусных ин-

фекциях довольно быстро пептиды вирусного происхождения

оказываются представленными на поверхности зараженных

клеток в составе комплексов с MHC-I.

Молекулы

MHC-I

представляют для распознавания

Т-лимфоцитам

внутриклеточно

синтезированные пептид-

ные антигены. В плане защиты от инфекций этот меха-

низм работает применительно в первую очередь к вирус-

ным, а также

цитозолъным

бактериальным внутриклеточ-

ным инфекциям. Поэтому

CD8*

Т-лимфоциты «рассчита-

ны» в первую очередь на обеспечение противовирусной за-

щиты, так как в комплексе с

MHC-I

именно и только

CD8

Т-лимфоциты

распознают пептидные антигены.

. В отсутствие инфекций

мшщкулы-фр

) мируют комплексы с эндогенными (собственными) пептида-

ми.

Обратим

внимание на то, что

диф^фёренцйровка

Т-лим-

434

Рис. 5.9. Взаимодействие TCR с комплексом молекулы МНС-пептид на

антигенпредставляющей клетке.

1 —

антигенпредставляющая

клетка (например, дендритная); 2 —

CD4*

Т-

лимфоцит;

3 — молекулы МНС-И; 4 — пептид (собственно антиген); 5 — а- и

β-цепи

TCR; 6 — молекула CD4.

фоцитов в тимусе в норме в стерильном изнутри организме

идет при взаимодействии отбираемых TCR со своими пепти-

дами, а не на отборе «своего и чужого». Поэтому естествен-

но, что среди случайно формируемого разнообразия вариан-

тов антигенсвязывающих структур даже после позитивной и

негативной селекции тимоцитов среди выходящих на перифе-

рию Т-лимфоцитов обязательно найдутся TCR, способные спе-

цифично связываться, наверное, со всеми собственными «ан-

тигенами». Опыт показывает, что так оно и есть. Но деструк-

тивный иммунный ответ на собственные антигены в норме не

развивается, и в дальнейшем мы обсудим то немногое, что

известно о механизмах периферической толерантности.

Стабильное связывание антигена молекулами МНС внутри

клетки при формировании собственной конформации, а не

простая сорбция из раствора антигена снаружи уже экспрес-

сированными на мембране молекулами МНС, обеспечивает

направление Т-лимфоцитарного иммунитета на реально ин-

135

фицированные клетки тела. Иммунное воспаление, управляе-

мое активными Т-лимфоцитами, — это наиболее «энергич-

ное» воспаление по сравнению с другими вариантами и та-

кое воспаление нельзя «натравливать» на ложные мишени,

иначе организм будет не направленно избавляться от инфек-

ции, а страдать от неоправданно разлитой альтерации тканей.

Взаимодействие TCR с комплексом пептид — MHCI/II

изображено на рис. 5.9.

5.8. Суперантигены

В борьбе за свое существование инфекционные микроорганиз-

мы «научились» синтезировать некие вещества, которые по-

ступают с «нашими» Т-лимфоцитами «не по правилам». Эти

вещества называют суперантигенами. Когда они попадают в

организм, то последний не может встретить их попыткой

распознавания специфическим TCR потому, что суперанти-

гены благодаря своим особым химическим свойствам способ-

ны присоединяться

стршси_юг_етки_£1.е.

без процессинга в

антигенпредставляющих

клетках)~с

одной стороны к молеку-

лам МНС-И, но не в области

«клефта

для пептида», а «сбо-

ку»^

как правило, к «-цепи, и одновременно к V-области

•"ТТ^цепи

TCR на Т-лимфоците.

Это связывание вызывает активацию Т-лимфоцитов, но не

антигенспецифичного клона, а поликлональную. Обычно су-

перантигены активируют 2—20 % периферических

CD4

T-

лимфоцитов. В результате многие Т-лимфоциты продуцируют

и секретируют активационные цитокины, что вызывает син-

дром общей интоксикации в организме. А затем активирован-

ные Т-лимфоциты погибают путем апоптоза. Таков закон лим-

фоцитарного иммунитета: на свой ли антиген или неспеци-

фически, но единожды активированный лимфоцит обречен на

апоптоз (феномен AICD

—

activation-induced cell

deatrT'"—

индуцированной активацией клеточной смерти). (Феномен

иммунологической памяти — особое явление, и хотя оно

исключительно характерно именно для

лимфоцитарного

им-

мунитета, механизмы его непонятны до настоящего времени.)

Но фактом является то, что после поликлональной актива-

ции лимфоцитов наступает физический дефицит лимфоцитов,

следовательно, иммунодефицит.

Известны суперантигены бактериального и вирусного про-

исхождения, такие как энтеротоксины стафилококков (SE),

токсин синдрома токсического шока (TSST-1 — toxic shock

syndrome

toxin-1),

мембранный протеин вируса опухолей мо-

лочных желез

мышей,

jiaii

вируса"

бешенства, вирусов

иммунодефицита

человека~{КИЧ)

и животных и многие дру-

гие. Клиника пищевых отравлений, например, обязана глав-

136

ным образом действию SEs на Т-лимфоциты. Иммунодефицит

в ранние сроки (и в поздние тоже) ВИЧ-инфекции в значи-

тельной мере объясняется лимфотоксическим действием су-

перантигенов вируса ВИЧ.

5.9. Генетический полиморфизм главного комплекса

гистосовместимости

Итак, в случае Т-лимфоцитов пептид-антиген связывается не

только с рецептором Т-лимфоцита для антигена, но и (при-

чем по времени «до» Т-лимфоцита) с молекулами МНС ан-

тигенпредставляющих клеток. Разнообразие TCR природа со-

здает комбинаторикой сегментов ДНК — уникальным

процес-

сом рекомбинации ДНК в соматических клетках. А как моле-

кулы МНС приспособлены к открытому множеству заранее

неизвестных антигенов? Иначе, чем

TCR

и иммуноглобули-

ны.

Рекомбинации.

ДНК в

генах]УШС_дет\_Каждый

человек

наследует.о"пределенный~набоТГТенов

МНС,

один и

тот

же,

на всю

жизнь^_Гены

УЩ.С^-кодашшамшиы^

Это значит,

что

на

равных экспрессируются гены обеих гомологичных хромо-

сом — от матери и от отца.

Гены МНС полигенны, т.е. существует

-не

один, а несколь-

ко локусов как I, так и II класса внутри комплекса

МНС.

Еще есть и так называемые неклассические гены, правильнее

их было бы назвать не принадлежащими к ранее охарактери-

зованным I и II классам МНС. Сколько же генов МНС? Этот

участок генома картирован не полностью, но то, что извест-

но о нем, показано на рис. 5.5 и 5.10.

Таким образом, генов MHC-I по 3 на каждой из гомоло-

гичных хромосом (А, В, С), следовательно, в сумме их 6. Ге-

нов МНС-П также по 3 на каждой из гомологичных хромосом

(DP, DQ, DR), следовательно, в сумме их тоже 6. Если у

матери и отца нет одинаковых аллелей, то каждый человек

имеет 12 генов МНС I и II класса, вместе взятых. Некласси-

ческих генов МНС в области расположения генов I класса

описано 6 (Е, F,

Н, J, X). Возможно, будут открыты и

новые гены. Неклассические гены МНС, видимо, неполиморф-

ны или не столь полиморфны, как гены I и II классов.

Известны гены за пределами МНС, кодирующие молеку-

лы, которые обеспечивают представление антигенов Т-лим-

2080 пн

4100

пн

Рис.

5.10. Расположение неполиморфных аллелей области МНС челове-

ка (схема).

137

фоцитам. Примером такой молекулы (и гена соответственно)

является

CD1,

способная связывать и представлять Т-лимфо-

цитам небелковые антигены (например, миколевую кислоту

и липоарабиноманнан оболочки микобактерий).

Описаны неполиморфные молекулы и из области МНС-

II — DM и DQ. Функции HLA-DM в какой-то мере извест-

ны, и о них мы уже упоминали (стабилизация молекул МНС-

II внутри клетки во время «ожидания» смыслового пептида и

«катализ» присоединения к МНС-П смыслового пептида, а

также генерация «протезного»

CLIP-пептида).

Гены полипеп-

тидных цепей, формирующих молекулу DQ, экспрессируют-

ся, по-видимому, только в тимусе и В-лимфоцитах, но фун-

кции этой молекулы неизвестны.

Полиморфизм классических генов МНС (I и II классов)

означает наличие в популяции множества аллелей — ва-

риантов одноименного гена у разных особей.

Поэтому разные люди, неродственники, имеют различные

аллели одноименных генов и, следовательно, разные белки

МНС на мембранах своих клеток. Вероятность существования

одинаковых аллелей у неродственников, тем более совпаде-

ния по всем или многим локусам тем меньше, чем больше

полиморфизм в популяции. Полиморфизм генов МНС признан

наибольшим из всех известных генов человека.

Полиморфизм этих генов в популяции выгоден для выжи-

вания вида: не у одного, так у другого человека в популяции

организм может быть сумеет представить Т-лимфоцитам сво-

им вариантом молекул МНС антигены того или иного (в том

числе и из вновь возникающих) инфекционного микроорга-

низма. Но вот каждый конкретный человек либо сумеет, либо

нет воспринять конкретный микробный антиген и если не

сумеет, то не сможет защититься от данного микроба иммун-

ным ответом и инфекция может убить его.

Конкретные варианты МНС закрепляются в эволюции

естественным отбором (в отличие от TCR и

Ig)

и каж-

дая отдельная особь оказывается приспособленной к реги-

онарным видам и штаммам инфекционных микроорганиз-

мов, на защиту от которых шел отбор МНС у предков.

Для отдельных локусов МНС известно более сотни аллель-

ных вариантов, и поскольку далеко не каждый человек на

Земле типирован по МНС, привести точное число аллелей

138

нельзя. Международные банки данных располагают сведения-

ми о не менее чем 60 аллелях HLA-A, 111 аллелях HLA-B,

37 аллелях HLA-C, 62 аллелях

HLA-DP/5,

8 аллелях HLA-

DPa,

25 аллелях

HLA-DQjS,

16 аллелях

HLA-DQa,

122 ал-

лелях

HLA-DR^,

1 аллеле

HLA-DRa.

Каждый отдельный аллельный вариант молекулы МНС

преимущественно связывает пептиды с определенными якор-

ными аминокислотными остатками.

От 1 до 10 % Т-лимфоцитов любого здорового организма

реагируют активацией при контакте с аллогенными по МНС

клетками. На любой случайный антиген, однако, реагирует

гораздо меньшее число Т-лимфоцитов антигенспецифичных

клонов. Столь высокий уровень аллореактивности Т-лимфоци-

тов оставался непонятным (учитывая отсутствие в природе

пересадок органов и тканей) до открытия двойного распоз-

навания Р.Цинкернагелем и П.Дохерти. Тогда стало возмож-

ным предполагать, что аллореактивность — результат перекре-

стной реактивности с не своими МНС TCR, отобранных при

позитивной селекции в тимусе на связывание со своими МНС.

Поэтому приходится признать, что отторжение аллогенного

трансплантата происходит в результате того, что 1—10 %

Т-лимфоцитов

реципиента «ошибаются», принимая донорские

МНС за

свой(гТё"ре^рё1:тно~^^хируют),

тогда как

Э9—90Г%~

Т-лимфоцитов

реципиента

«НЕПЗЙДЯТ»

чужой

трансплантат,

поскольку на нем не те МНС, на связывание с которыми

прошла позитивная селекция тимоцитов. ^

Почему же число генов МНС I + II у индивидуума 12 и не

больше? Ведь чем больше было бы генов МНС, тем большее

разнообразие антигенов могли бы представлять антигенпред-

ставляющие клетки для распознавания Т-лимфоцитам. Огра-

ничение числа генов МНС можно объяснить механизмами по-

зитивной и негативной селекции тимоцитов на связывание с

МНС, представленными в тимусе во время и на месте лим-

фопоэза Т-лимфоцитов.

Исследования показывают, что из каждого подмножества

тимоцитов, оставленных живыми при позитивной селекции на

связывание с конкретным вариантом молекулы МНС, 5 %

будет элиминировано при негативной селекции как слишком

аутореактивные, т.е. каждый вариант молекул МНС «стоит

жизни» 5 % тимоцитов. На 12 вариантов молекул МНС (если

считать только I и II классы) в тимусе должно быть ликви-

дировано 12 х 5 = 60 % тимоцитов. Реально в тимусе погиба-

ет более 95 % тимоцитов и лишь менее 5 % выходят в пери-

ферические лимфоидные органы. Видимо, в эволюции увели-

чивать полигенность МНС больше было нельзя.

Есть еще такой термин, как

_«гены

MHCzIlI».

Это область

генома внутри комплекса МНС между I и И, в которой кар-

тированы гены, кодирующие синтез следующих белков:

139

1) компонентов системы комплемента С4А и С4В, С2,

фактора В;

2) цитокинов — фактора некроза опухолей

(TNF-oi)

лимфотоксина (LT);

3) гены

21-гидроксилазы

— CYP 21А, CYP 21B (фермен-

та, участвующего в биосинтезе стероидных гормонов).

До настоящего времени неизвестно, что кодирует (и ко-

дирует ли) значительная часть ДНК этой области.

5.10.

Антигенпредставляющие

молекулы «не МНС» — CD1

В организме у человека есть семейство, состоящее из 5 близ-

кородственных генов, которые неполиморфны и кодируют со-

ответственно 5 изоформ мембранных белков, по структуре

похожих на MHC-I. Это кластер CD1:

CDla,

CDlb,

CDlc,

Id,

CDle;

a, b и с обладают значительной гомологией и

составляют одно подсемейство, d и е — второе. Молекулы

CD1

—

гетеродимеры,

состоящие из

α-цепи

с молекулярной

массой 45 000 и

-микроглобулина.

Антигенсвязывающая

«впадина» на

α-цепи

уже и глубже, чем у молекул MHC-I,

но главное, что место связывания антигена имеет большое

химическое сродство к гидрофобным лигандам. Недавно по-

казано, что антигены, которые связывают молекулы кластера

CDla, b и с, имеют гидрофобную область (цепи жирных кис-

лот) и гидрофильную область из полярных или заряженных

групп (гетерополисахариды). Например,

CD1

связывают липог-

ликаны микобактерий, состоящие из гидрофобных липидсо-

держащих фосфатидилинозитольных групп, связанных с круп-

Таблица 5.5. Экспрессия различных изоформ молекулы CD1 на раз-

ных клетках

Изоформа

Человек

1. CDla

2. CDlb

3. CDlc

CDld

5. CDle

Мышь

6. CDl.l

1.2

На каких клетках

экспрессирована

Дендритные клетки; клетки Лангерганса;

кортикальные тимоциты

Дендритные клетки; кортикальные тимо-

циты

Дендритные клетки; клетки Лангерганса;

кортикальные тимоциты;

В-лимфоциты

В-лимфоциты; эпителиальные клетки

кишки; другие

нелимфоидные

клетки (?)

Неизвестно

Тимоциты; В-лимфоциты; Т-лимфоциты;

макрофаги; дендритные клетки; энтероци-

ты; клетки печени

Неизвестно

140