Главная страница
qrcode

Антиген антиген


НазваниеАнтиген антиген
Дата23.10.2019
Размер1.32 Mb.
Формат файлаdocx
Имя файлаАНТИГЕН.docx
ТипДокументы
#64501
Каталог

АНТИГЕН

Антиген - любая молекула (соединения разной химической природы: пептиды, углеводы, полифосфаты, стероиды), которая потенциально может быть распознана иммунной системой организма как чужеродная («не своя»). Таким образом, антиген - молекула, несущая признаки генетически чужеродной информации. В качестве синонима применяют также термин «иммуноген», подразумевая, что иммуноген (антиген) способен вызвать ответные реакции иммунной системы, в итоге приводящие к развитию приобретённого иммунитета. Способность вызывать такие ответные реакции (т.е. образование антител и сенсибилизацию - приобретение организмом чувствительности к антигену) присуща не всей молекуле антигена, а только особой её части, которую называют антигенной детерминантой, или эпитопом. У большинства белковых антигенов такую детерминанту образует последовательность из 4-8 аминокислотных остатков, а у полисахаридных антигенов - 3-6 гексозных остатков. Число детерминант у одного вещества может быть различным. Так, у яичного альбумина их не менее 5, у дифтерийного токсина - минимум 80, у тиреоглобулина - более 40. Различают экзогенные (поступающие в организм извне) и эндогенные антигены (аутоантигены продукты собственных клеток организма), а также антигены, вызывающие аллергические реакции, - аллергены. О разновидностях антигенов см. ниже (Т-зависимые и Т-независимые антигены, суперантигены).

АНТИТЕЛА

Антитело - особый растворимый белок с определённой биохимической структурой - иммуноглобулин, который присутствует в сыворотке крови и других биологических жидкостях и предназначен для связывания антигена. В энциклопедическом словаре медицинских терминов указано следующее определение: антитела («анти» + «тела») - глобулины сыворотки крови человека и животных, образующиеся в ответ на попадание в организм различных антигенов (принадлежащих бактериям, вирусам, белковым токсинам и др.) и специфически взаимодействующие с этими антигенами.

• Антитела связывают антиген. Существенным и уникальным свойством антител, отличающим их даже от TCR, служит их способность связывать антиген непосредственно в том виде, в каком он проникает в организм (в нативной конформации). При этом времени на предварительную метаболическую обработку антигена не требуется, поэтому антитела - очень важный фактор безотлагательной защиты организма (например, от сильных ядов, при укусах змей, скорпионов, пчёл и др.).

• Антитела конкретной специфичности синтезируются исключительно B-лимфоцитами одного клона. При дифференцировке каждый B-лимфоцит и его дочерние клетки (клон B-лимфоцитов) приобретают способность синтезировать единственный вариант антител с уникальной структурой антигенсвязывающего центра молекулы, т.е. имеет место клональность биосинтеза иммуноглобулинов.

• Множество антител. В то же время вся совокупность B-лимфоцитов организма способна синтезировать огромное разнообразие антител - около 106-109. Однако точно установить, сколько разных антигенов потенциально способно связать одно антитело, принципиально невозможно.

• Иммуноглобулины. Антитела - белки, имеющие глобулярную вторичную структуру, поэтому молекулы этого типа и названы иммуноглобулинами. Антитела принадлежат к суперсемейству иммуноглобулинов (рис. 5-1), куда входят также белки MHC, некоторые молекулы адгезии [LFA-2 (CD2), ICAM-1 (CD54), VCAM-1 (CD106) и др. (см. табл. 4-1)], TCR, отдельные рецепторы цитокинов [для ИЛ-1 типов I и II, ИЛ-6, M-CSF, c-kit (CD117)], рецепторы для Fc-фрагментов иммуноглобулинов (FcaR, FcyRI, FcyRII), мембранные молекулы CD3, CD4, CD8, CD80 и др.


Рис. 5-1. Структура белков суперсемейства иммуноглобулинов: а - молекула MHC-I состоит из α-цепи, внемембранная её часть связана с короткой цепью β2-микроглобулина; б - молекула MHC-II состоит из двух субъединиц: более длинной α-цепи и β-цепи. Часть каждой цепи выступает над поверхностью клеточной мембраны, цепь содержит трансмембранный участок и небольшой фрагмент в цитоплазме; в - антигенсвязывающая область молекулы TCR состоит из двух цепей: α и β. Каждая цепь представлена двумя внеклеточными иммуноглобулинподобными доменами (вариабельным на NH-конце и константным), стабилизированными при помощи S-S-связей, и цитоплазматическим стабильным COOH-концом. SH-группа, присутствующая в цитоплазматическом фрагменте α-цепи, может взаимодействовать с мембранными или цитоплазматическими белками; г - мономер молекулы IgM, встроенный в плазматическую мембрану B-лимфоцитов, это рецептор для антигена. Разнообразие специфичностей TCR и иммуноглобулинов обеспечивается возможностью сайтспецифичной рекомбинации множества различных генных сегментов, кодирующих отдельные фрагменты молекулы

ИММУНОГЛОБУЛИНЫ

Иммуноглобулины [международная аббревиатура - Ig (Immunoglobulin)] - класс структурно связанных белков, содержащих 2 вида парных полипептидных цепей: лёгкие (L, от англ. Light - лёгкий), с низкой молекулярной массой, и тяжёлые (H, от англ. Heavy - тяжёлый), с высокой молекулярной массой. Все 4 цепи соединены вместе дисульфидными связями.


Рис. 5-2. Молекула иммуноглобулина. Обозначения: L - лёгкие цепи; H - тяжёлые цепи; V - вариабельная область; С - константная область. N-концевые области L- и Н-цепей (V-область) образуют 2 антигенсвязывающих центра - (Fab)
Принципиальная схема строения молекулы иммуноглобулина (мономер) приведена на рис. 5-2.

Классы иммуноглобулинов

На основании структурных и антигенных признаков Н-цепей иммуноглобулины подразделяют (в порядке относительного содержания в сыворотке крови) на 5 классов: IgG (80%), IgA (15%), IgM (10%), IgD (менее 0,1%), IgE (менее 0,01%). Заглавная латинская буква справа от «Ig» обозначает класс иммуноглобулина - М, G, А, Е или D. Молекулы IgG, IgD и IgE - мономеры, IgM - пентамер; молекулы IgA в сыворотке крови - мономеры, а в экскретируемых жидкостях (слёзная, слюна, секреты слизистых оболочек) - димеры (рис. 5-3).


Рис. 5-3. Мономеры и полимеры иммуноглобулинов. J-цепь (от англ. joining - связывающая) связывает остатки цистеина на C-концах тяжёлых цепей IgM и IgA

• Подклассы. У человека иммуноглобулины классов G (IgG) и A (IgA) имеют несколько подклассов: IgG1, IgG2, IgG3, IgG4 и IgA1, IgA2.

• Изотипы. Классы и подклассы иммуноглобулинов иначе называют изотипами (приставка «изо» означает то, что у всех представителей данного вида они одинаковы).

• Аллотипы. Индивидуальные аллельные варианты иммуноглобулинов в пределах одного изотипа называются аллотипами.

• Идиотипы. Идиотипические детерминанты находятся в активных центрах (антигенсвязывающих участках) антител, т.е. соединены с V-доменами, и служат маркёрами индивидуальньгх антител.

Данные о классах и подклассах иммуноглобулинов суммированы в табл. 5-1.


Структура иммуноглобулинов

• Фрагменты молекулы иммуноглобулина (см. рис. 5-2). Путём протеолитического расщепления папаином молекулы иммуноглобулина с последующей ионообменной хроматографией можно получить 3 фрагмента: 1 Fс-фрагмент и 2 Fab-фрагмента.

- Fab-фрагменты (Fragment, antigen binding - антигенсвязывающие фрагменты) - 2 одинаковых фрагмента, сохраняющих способность связывать антиген.

- Fc-фрагмент (Fragment crystallizable - кристаллизующийся фрагмент) - непарный, легко кристаллизуется. Fс-фрагменты иммуноглобулинов в пределах одного изотипа строго идентичны (независимо от специфичности антител). Они обеспечивают взаимодействие самих антител и комплексов антиген-антитело с системой комплемента, фагоцитами, эозинофилами, базофилами, тучными клетками. При этом каждый класс иммуноглобулинов взаимодействует только с определёнными эффекторными клетками или молекулами.

• Тяжёлые цепи определяют различия между классами иммуноглобулинов, поэтому разные типы тяжёлых цепей обозначают греческими буквами соответственно латинской аббревиатуре класса: для IgM - μ, для IgG - γ, для IgA - α, для IgE - ε, для IgD - δ. Каждая из H-цепей молекул IgG, IgD и IgA состоит из 4 доменов (см. рис. 5-2): вариабельного - VH и константных (CH1, CH2, CH3). H-цепи молекул IgM и IgE содержат дополнительный домен - СН4.

• Лёгкие цепи примыкают к N-концу тяжёлых цепей. Каждая L-цепь состоит из двух доменов - VL и CL. Известно 2 типа лёгких цепей иммуноглобулинов - κ и λ. Функциональные различия между иммуноглобулинами с лёгкими κ- или λ-цепями не выявлены.

• Домены. Вторичная структура полипептидных цепей представлена доменами (см. рис. 5-1), каждый из которых включает около 110 аминокислотных остатков.

- V-домены обеих цепей имеют сильно варьирующий аминокислотный состав (отсюда и их обозначение - Variable), что позволяет им связывать разные антигены.

◊ Гипервариабельные участки. Внутри V-доменов выделяют несколько гипервариабельных участков: CDR1, CDR2, CDR3 (CDR - от Complementarity Determining Region), т.е. области молекулы иммуноглобулина, определяющие её комплементарность антигену.

◊ Каркасные области. Промежутки между гипервариабельными участками обозначают как FWR (FrameWork Regions), т.е. каркасные области: FWR1, FWR2, FWR3 и FWR4. Помимо чисто «скелетной» для них характерны и другие функции, не связанные с распознаванием антигенов: FWR-участки V-области молекул иммуноглобулинов могут обладать ферментативной (протеазной и нуклеазной) активностью, связывать ионы металлов и суперантигены.

- C-домены. Остальные домены имеют строго инвариантный для каждого изотипа иммуноглобулинов аминокислотный состав и называются C-доменами (от Constant).

◊ В C-доменах и в FWR-участках V-доменов содержатся одинаковые аминокислотные последовательности, что рассматривают как молекулярное свидетельство их генетической общности.

◊  Гомологичные последовательности аминокислот присутствуют (помимо иммуноглобулинов) и в молекулах других белков, объединяемых с иммуноглобулинами в одно молекулярное суперсемейство иммуноглобулинов (см. выше и рис. 5-1).

Большое число возможных комбинаций L- и H-цепей создаёт многообразие антител каждого индивидуума.

Формы иммуноглобулинов. Молекулы иммуноглобулинов одной и той же специфичности присутствуют в организме в трёх формах: растворимой, трансмембранной и связанной.

- Растворимая. В крови и других биологических жидкостях - секретируемый клеткой иммуноглобулин.

- Трансмембранная. На мембране B-лимфоцита в составе антигенраспознающего рецептора - BCR (B-Cell Receptor). Трансмембранные формы всех классов иммуноглобулинов (включая IgM и IgA) - мономеры.

- Связанная. Иммуноглобулины, за Fc-конец связанные с рецепторами клеток (макрофагами, нейтрофилами, эозинофилами и тучными). Все антитела, кроме IgE, могут фиксироваться рецепторами FcR клеток только в комплексе с антигеном.

Связывание антигена

Гипервариабельные участки V-области антитела (как и TCR) непосредственно и комплементарно связывают антиген с помощью ионных, ван-дер-ваальсовых, водородных и гидрофобных взаимодействий (сил, связей).

• Эпитоп (антигенная детерминанта - см. выше) - участок молекулы антигена, непосредственно участвующий в образовании ионных, водородных, ван-дер-ваальсовых и гидрофобных связей с активным центром Fab-фрагмента.

• Сродство между антигеном и антителом количественно характеризуют понятиями «аффинность» и «авидность».

• Аффинность. Силу химической связи одного антигенного эпитопа с одним из активных центров молекулы иммуноглобулина называют аффинностью связи антитела с антигеном. Аффинность количественно принято оценивать по константе диссоциации (в моль-1) одного антигенного эпитопа с одним активным центром.

Так как у цельных молекул мономерных иммуноглобулинов присутствует по 2 потенциально равнозначных симметрично расположенных активных центра для связывания антигена, у димерного IgA - 4, а у пентамерного IgM - 10 (10 для гаптенов, а для большинства антигенов всего лишь 5), скорость диссоциации целой молекулы иммуноглобулина со всеми связанными эпитопами меньше, чем скорость диссоциации одного из активных центров.

• Авидность. Силу связи целой молекулы антитела со всеми антигенными эпитопами, которые ей удалось связать, называют авидностью связи антитела с антигеном.
ГЕНЫ ИММУНОГЛОБУЛИНОВ

Зародышевые гены иммуноглобулинов. У здорового человека В-лимфоциты в течение жизни создают несколько миллионов вариантов антител, связывающих разные антигены (потенциально 1016 антигенов). Никакой геном физически не несёт столько различных структурных генов. Количество наследуемого от родителей генетического материала (ДНК), определяющего биосинтез антител, не так уж и велико - немногим более 120 структурных генов. Это наследуемое множество генов - зародышевые гены иммуноглобулинов (зародышевая конфигурация генов).

Гены вариабельных доменов

Во всех соматических клетках, включая СКК, гены иммуноглобулинов находятся именно в зародышевой конфигурации, где гены V-участков представлены в виде отдельных сегментов, расположенных друг относительно друга на значительном расстоянии и сгруппированных в несколько кластеров: собственно V (вариабельный), J (связующий), а у тяжёлых цепей также D (от англ. Diversity - разнообразие). Формирование разнообразия генов для миллионов вариантов V-участков молекул иммуноглобулинов продолжается в течение всей жизни. Оно происходит в процессе дифференцировки B-лимфоцитов и является запрограммированно случайным. В его основе лежат сразу несколько механизмов, свойственных только генам антигенсвязывающих молекул (иммуноглобулин, TCR): рекомбинация зародышевых сегментов, неточность связей между V-, D- и J-сегментами, соматический гипермутагенез, комбинаторика тяжёлых и лёгких цепей в случае В-лимфоцитов или разных цепей TCR. Характеристика V-генов антигенраспознающих структур человека представлена на рис. 5-4.


Рис. 5-4. Характеристика V-генов антигенраспознающих структур человека. Представлены основные характеристики семи известных типов вариабельных генов, определяющих формирование антигенраспознающих структур лимфоцитов. В строке «Вариабельный (V)» указано число зародышевых V-генов соответствующих типов; в скобках отмечено число функционирующих генов (остальные - псевдогены). В соответствующих строках выделено число сегментов D (где они есть) и J, участвующих в формировании зрелого V-гена. Указан размер участка на соответствующих хромосомах, занимаемый сегментами, из которых в процессе реаранжировки формируется зрелый V-ген

• Соматическая рекомбинация. На самом раннем этапе дифференцировки лимфоцитов начинается сложный генетический процесс объединения сегментов ДНК, кодирующих разные части антигенсвязывающих молекул - V- и C-домены. В непрерывную последовательность ДНК соединяются по одному сегменту из V-, D- и J-областей, при этом в каждом отдельном B-лимфоците возникает уникальная комбинация VDJ для тяжёлой цепи и VJ - для лёгкой. ДНК из промежутков, содержащих незадействованные зародышевые гены, выбрасывается из генома в виде кольцевых структур.

- Число возможных комбинаций можно подсчитать. Для к-цепи из 35 V-сегментов и 5 J-сегментов может получиться 35x5=175 вариантов V-области; для λ-цепи - 32x4=128 вариантов; всего для лёгких цепей 303 варианта; для тяжёлой цепи 45Vx23Dx6J=6210 вариантов антигенсвязывающих областей. В целой молекуле иммуноглобулина разные лёгкие и тяжёлые цепи объединяются в тетрамер также случайным образом (по крайней мере, теоретически). Число случайных сочетаний из 303 и 6210 - около 1,9x106.

- Рекомбиназы. Рекомбинацию ДНК генов иммуноглобулинов катализируют специальные ферменты - рекомбиназы RAG-1 и RAG-2 (Recombinase Activation Gene - активирующий рекомбинацию ген). Они же катализируют рекомбинацию ДНК генов TCR в T-лимфоцитах, т.е. рекомбиназы - уникальные ферменты лимфоцитов. Однако в B-лимфоцитах эти ферменты не «трогают» гены TCR, а в T-лимфоцитах «обходят» гены иммуноглобулинов. Следовательно, до начала процесса перестройки ДНК в клетке уже существуют регуляторные белки, различные у T- и B-лимфоцитов. Рекомбинационный комплекс представлен на рис. 5-5.

Сигналом к перестройке V-генов антигенраспознающих рецепторов В- и Т-клеток служит экспрессия генов рекомбинационного комплекса, обеспечивающего основные события на уровне перестраиваемых V-генов и прилегающих генетических сегментов. Комплекс включает ферменты, катализирующие одно- и двунитевые разрывы ДНК, их сшивание, нематричную достройку свободных концов нитей ДНК, а также белки, способствующие сближению пространственно разъединённых фрагментов ДНК. Включение экспрессии генов рекомбинационного комплекса обусловлено действием дифференцировочных факторов.


Рис. 5-5. Рекомбинационный комплекс

Процесс реаранжировки начинается с экспрессии рекомбиназ RAG-1 и RAG-2. Рекомбиназы присоединяются рядом с сегментами, которым предстоит войти в состав зрелого V-гена. Затем они димеризуются, что приводит к формированию петли. После этого происходят разрывы двунитевой ДНК между сайтом связывания фермента и соответствующим сегментом. Свободные концы нитей сшиваются при участии ДНК-лигазы IV с образованием шпильки. Затем под влиянием эндонуклеазы Artemis происходит повторный разрыв нити ДНК в шпильке и попарное воссоединение (лигирование) нитей двуспиральной ДНК как в сегментах, которые войдут в состав зрелого V-гена (информационная последовательность), так и в удаляемом участке (сигнальная последовательность). Это становится возможным благодаря «подтягиванию» друг к другу ранее разъединённых участков ДНК, которое происходит с участием димера Ku70/Ku86 (Ku86 также называют Ku80). Этот процесс («разрешение» шпильки) происходит с участием ДНК-зависимой протеинкиназы DNA-PKcs. В результате формируется зрелый V-ген и сигнальное кольцо (рис. 5-6, 5-7).

Реаранжировка V-генов антигенраспознающих структур сопровождается сближением генетических сегментов.

Рис. 5-6. Роль рекомбиназ RAG-1 и RAG-2 в начальных событиях перестройки V-генов

Этот процесс обеспечивается определённой организацией пространства между V-генами и генетическими сегментами (J, D). Справа (с З'-конца) ко всем V-генам примыкают три участка ДНК со строго детерминированной последовательностью: гептамер (состава 5'CACAGTG3'), спейсер, состоящий из 23 пар оснований, и нонамер (состава 5'ACAAAAACC3'). К J-сегменту слева (с 5'-конца) примыкает гептамер, далее (влево) следует спейсер, содержащий 12 пар оснований, и нонамер. В случае генов, кодирующих Н- и λ-цепи, к гептамеру при V-гене примыкает спейсер, содержащий 23 пары оснований, а к гептамеру соединительных сегментов (J в случае λ-цепи, D в случае Н-цепи) - спейсер, содержащий 12 пар оснований. Для гена к-цепи характерно противоположное расположение 23- и 12-членных спейсеров, отражающих последовательности сегментов: для к-цепи - 7-12-9 - 9-23-7, для λ-цепи - 7-23-9 - 9-12-7. В случае генов Н-цепи ситуация усложняется наличием трёх генов/сегментов, подлежащих соединению (V-D-J). В этом случае цифровое правило принимает вид: 7-23-9 - 9-12-7 - 7-12-9 - 9-23-7. На рис. 5-6 воспроизведена перестройка гена λ-цепи. При формировании петли гептамеры, прилегающие к V-гену и соединительным сегментам, узнают друг друга и взаимодействуют по принципу комплементарности, поскольку они представляют палиндромы, т.е. последовательности, читаемые от З'-конца и от 5'-конца, комплементарные друг другу, например CACAGTG и GTGACAC. То же можно сказать и о нонамерах. В результате такого взаимодействия сегменты, которые не войдут в состав зрелого V-гена, включаются в петлю и удаляются в составе сигнального кольца, а избранные V- и J-сегменты оказываются сближенными и образуют зрелый V-ген.

• Неточность связи V-D-J. Под неточностью связей сегментов V, D и J понимают тот факт, что при их формировании происходит добавление лишних нуклеотидов. Выделяют 2 типа таких нуклеотидов: P- и N-нуклеотиды.

- Нуклеотиды P (от англ. Palindromic sequences - зеркальные последовательности) возникают на концах каждого из сегментов, вовлечённых в рекомбинацию, при вырезании одноцепочечных петель ДНК (шпилек) и «достройке хвостов» ферментами репарации ДНК.


Рис. 5-7. Образование P- и N-вставок при реаранжировке V-генов

Нуклеотиды N (от англ. Nontemplate-encoded - нематрично кодируемые), характерны только для тяжёлых цепей, случайным образом пристраиваются к концам V-, D- и J-сегментов специальным ферментом - терминальной дезоксинуклеотидилтрансферазой (TdT).

- С учётом присоединения N- и P-нуклеотидов число вариантов антигенсвязывающих областей целых молекул иммуноглобулинов составляет порядка 1013. Если учесть аллельные варианты V-, D- и J-сегментов, то теоретически разнообразие составит около 1016 (в действительности это значение меньше, поскольку в организме нет такого числа лимфоцитов).

- В 2/3 случаев «платой» за попытки увеличить разнообразие антигенсвязывающих областей антител служит непродуктивная рекомбинация генов, т.е. сдвиг рамки считывания или генерация стоп-кодонов, делающие невозможной трансляцию белка.

• Гипермутагенез - запланированное повышение частоты точечных мутаций - отличает гены иммуноглобулинов даже от генов TCR. Гипермутагенез происходит только в В-лимфоцитах во время иммуногенеза (т.е. после состоявшегося распознавания антигена и начавшегося иммунного ответа) в зародышевых центрах лимфоидных фолликулов периферических лимфоидных органов и тканей (лимфатических узлов, селёзенки, диффузных скоплений). Частота точечных мутаций в V-генах иммуноглобулинов достигает 1-го нуклеотида из 1000 на 1 митоз (т.е. каждый второй В-лимфоцит клона в зародышевом центре приобретает точечную мутацию в V-гене иммуноглобулинов), тогда как для всей остальной ДНК она на 9 порядков ниже.

Гены константных доменов

Структурные гены константных доменов полипептидных цепей иммуноглобулинов расположены в тех же хромосомах, что и V-, D- и J-гены, к 3'-концу от J-сегментов.

• Лёгкая цепь (рис. 5-8). Для лёгких к-цепей существует один C-ген - Ск, а для λ-цепей (на рисунке не показаны) - 4 или 5 (в зависимости от гаплотипа) - Сλ1,2,3,6,7. «Стыковка» нуклеотидного кода для V- и C-доменов лёгких цепей происходит на уровне не ДНК, а РНК - по механизму сплайсинга первичного транскрипта РНК.


Рис. 5-8. Структура генов и синтез белка κ-лёгкой (L) цепи иммуноглобулинов человека

• Тяжёлая цепь (рис. 5-9) каждого изотипа иммуноглобулинов также кодируется отдельным C-геном. У человека такие гены расположены в следующем порядке, считая от J-сегмента к З'-концу: Сμ, Сδ, СγЗ, Сγ1, ψСε (псевдоген ε-цепи), Cα1, Cγ2, Cγ4, Сε, Сα2. Завершившие лимфопоэз B-лимфоциты, независимо от специфичности их BCR, экспрессируют иммуноглобулины только классов IgM и IgD. При этом мРНК транскрибируется в виде непрерывного первичного транскрипта с перестроенных генов VDJ и Сμ/Cδ. ДНК C-генов других изотипов остаётся нетронутой. В результате альтернативного сплайсинга первичного транскрипта образуются мРНК отдельно для тяжёлых цепей IgM и IgD, которые и транслируются в белок. Этим процессом заканчивается полноценный лимфопоэз B-клеток.


Рис. 5-9. Структура генов тяжёлой (Н) цепи иммуноглобулинов человека

Переключение изотипов иммуноглобулинов

В процессе развития иммунного ответа, т.е. после распознавания антигена и под действием определённых цитокинов и молекул клеточной мембраны T-лимфоцитов, может происходить переключение синтеза иммуноглобулинов на другие изотипы - IgG, IgE, IgA (рис. 5-10).

• Переключение изотипа тяжёлой цепи тоже идёт по механизму рекомбинации ДНК: к ранее перестроенной комбинации VDJ присоединяется один из C-генов тяжёлой цепи (либо Сγ1, либо Сγ2, либо Сγ3, либо Сγ4, либо Сε, либо Сα1, либо Сα2). При этом происходит разрыв ДНК по областям переключения SR (Switch Region), расположенным в интронах перед каждым C-геном (за исключением Сδ).

• ДНК C-генов, предшествующих задействованному (расположенных на 5'-конце от него), элиминируется в виде кольцевых структур, поэтому дальнейшее переключение изотипа возможно только по направлению к 3'-концу.

• Установлено, что гипермутагенез и переключение изотипов иммуноглобулинов катализируются ферментом AID (Activation Induced Cytidine Deaminase - цитидиндезаминаза, индуцируемая активацией). Этот фермент специфически атакует экспрессированные гены иммуноглобулинов и отщепляет аминогруппы от цитидиновых оснований, которыми богата ДНК этих генов. В результате этого цитозины преобразуются в урацилы, которые распознаются и вырезаются ферментами репарации ДНК. Последующая цепочка каталитических реакций с участием более чем десяти различных белков (эндонуклеаз, фосфатаз, полимераз, гистонов и т.п.) приводит к появлению мутаций (в случае гипермутагенеза) или двуцепочечных разрывов ДНК по областям переключения изотипов.


Рис. 5-10. Рекомбинация ДНК при переключении изотипов иммуноглобулинов B-лимфоцитов

B-ЛИМФОЦИТЫ

В-клеточный рецептор (BCR)

Молекула иммуноглобулина способна связывать антиген как в растворе, так и в иммобилизованном на клетке состоянии, однако для формирования полноценного антигенраспознающего рецептора (BCR) необходимы ещё 2 полипептида, называемые Igα (CD79a) и Igβ (CD79b). Все 6 полипептидных цепей BCR представлены на рис. 5-11.

Внеклеточный домен. Igα и Igβ имеют по одному внеклеточному домену, которым они прочно, но нековалентно связаны с тяжёлыми цепями иммуноглобулинового компонента BCR.


Рис. 5-11. Схема строения В-клеточного рецептора и связанных с ним молекул

Цитоплазматические активирующие последовательности. В цитоплазматических участках Igα и Igβ присутствуют характерные последовательности аминокислотных остатков, называемые иммунорецепторными тирозинсодержащими активирующими последовательностями (ITAM - Immunoreceptor Tyrosine-based Activation Motif); такие же последовательности присутствуют в проводящих сигнал компонентах антигенраспознающего рецептора T-клеток.

Активация B-лимфоцита. Пролиферацияидифференцировка В-лимфоцита может запускаться непосредственно связыванием антигена с BCR. Однако для эффективной активации только через BCR необходима перекрёстная «сшивка» антигеном нескольких BCR. Для этого молекула антигена должна иметь повторяющиеся эпитопы на своей поверхности. В большинстве же случаев для активации В-клетки недостаточно сигнала, поступающего только от BCR, - требуется так называемый второй сигнал, поставляемый активированным Т-хелпером через корецепторы.

Корецепторный комплекс

В дополнительный корецепторный комплекс мембранных молекул, связанных с внутриклеточными системами проведения сигналов, входят, по крайней мере, 3 мембранные молекулы: CD19, CR2 (CD21) и TAPA-1 (CD81).

• CR2 - рецептор для компонентов комплемента. Связывание CR2 с продуктами деградации компонентов комплемента (C3b, C3dg и C3bi), опсонизировавших антиген, вызывает фосфорилирование молекулы CD19, которая в активированном состоянии ассоциирована с Src киназой Lyn.

• CD19. Фосфорилированная молекула CD19 активирует фосфатидилинозит-3-киназу (PI3K) и молекулу Vav (многофункциональная молекула проведения внутриклеточных сигналов), которые усиливают активационные реакции, инициированные BCR (см. рис. 5-11).

• TAPA-1 (Target of Antiproliferative Antibody - мишень для антипролиферативных антител) принадлежит к семейству тетраспанинов и в мембране физически примыкает к CD19 и CR2, однако детально роль этой молекулы еще не изучена.

Активация BCR запускает целый ряд каскадов, потенциирование которых зависит от получения дополнительных сигналов с рецепторов цитокинов, TLR и др. Первым шагом является активация тирозин-киназ Lyn, Fyn и Blk (принадлежат к семейству Src-киназ, Fyn и Blk на рисунке не показаны, поскольку они дублируют функции Lyn), а также тирозинкиназ Syk и Btk.

Дальнейшие события проведения сигнала с BCR показаны на рис. 5-11. Сигнальные каскады, идущие от антигенраспознающих рецепторов, более подробно описаны в главе 6 на примере TCR.

Дифференцировка B-лимфоцитов

Дифференцировка B-лимфоцитов из общей лимфоидной клеткипредшественника (потомка СКК) включает несколько этапов и процессов: перестройку генов иммуноглобулинов и интеграцию их продуктов в клеточный метаболизм; экспрессию генов молекул, обеспечивающих проведение сигнала с BCR внутрь клетки; экспрессию генов мембранных молекул, необходимых для взаимодействия с другими клетками (в первую очередь с T-лимфоцитами и ФДК); экспрессию на мембране корецепторных комплексов.

Выделяют 3 главные субпопуляции В-лимфоцитов - В1-, В2(именно эти клетки мы привыкли называть собственно В-лимфоцитами) и В-клетки маргинальной зоны (Marginal Zone B, сокращенно MZB) (рис. 5-12). В1-клетки разделяют на подклассы В1а (CD5+) и B1b (CD5-), сходные по своим свойствам. На рис. 5-13 указаны дифференцировочные факторы, контролирующие развитие субпопуляций В-клеток, и приведены их основные отличительные свойства. В1-клетки и В-клетки маргинальной зоны участвуют в формировании первой линии иммунной защиты и служат переходным звеном от врождённого к адаптивному иммунитету. В2-клетки относятся к подсистеме адаптивного иммунитета, являясь основными клетками гуморального иммунного ответа.Рис. 5-12. Субпопуляции В-лимфоцитов

Рис. 5-13. 
Развитие В-лимфоцитов. Обозначения: D
B2-лимфоциты

Этапы В2-лимфопоэза. В зависимости от состояния V-генов иммуноглобулинов и варианта экспрессии антигенраспознающего рецептора BCR выделяют несколько стадий дифференцировки В-клеток. На схеме отражены изменения наиболее важных ядерных и мембранных молекул в процессе созревания В-лимфоцитов, а также ростовые факторы, определяющие их пролиферацию. Данные получены при изучении В2лимфоцитов, однако в основных чертах они справедливы также для В1и MZВ-клеток.

Общая лимфоидная клетка-предшественник (ОЛП или CLP - common lymphoid progenitor). Экспрессирует несколько молекул адгезии, обеспечивающих её удержание в течение необходимого периода времени в костном мозге, среди них VLA-4 (Very Late Activation Antigen-4 - очень поздний активационный антиген 4), лигандом которого на клетках стромы служит VCAM-1 (Vascular Cell Adhesion Molecule - молекула адгезии к стенке сосуда).

• Ранняя про-B-клетка (ПроBI, см. рис. 5-13). Происходит D-Jрекомбинация в генах тяжёлых цепей, на обеих гомологичных хромосомах. В этой стадии, помимо молекул адгезии, экспрессируется рецептор c-Kit (CD117) для первого фактора роста - мембранной молекулы клеток стромы SCF (Stem Cell Factor) - фактора стволовых клеток. Это взаимодействие обеспечивает прохождение предшественниками B-лимфоцитов, ещё не поделёнными на клоны по антигенраспознающим рецепторам, необходимого числа митозов.

• Поздняя про-B-клетка (ПроВII, см. рис. 5-13). Происходит V-DJрекомбинация генов иммуноглобулинов. Сначала этот процесс затрагивает одну из гомологичных хромосом. Если она окажется непродуктивной, то рекомбинация повторяется на второй гомологичной хромосоме. Если перестройка на первой хромосоме продуктивна, вторая хромосома использована не будет. При этом происходит так называемое аллельное исключение (allelic exclusion), когда белок иммуноглобулина будет кодироваться только одной хромосомой, а вторая будет «молчащей». В результате индивидуальный лимфоцит сможет продуцировать антитела только одной специфичности. Этот процесс закладывает основу клональности антител.

- Как только в клетке происходит трансляция полипептида тяжёлой цепи, он экспрессируется на мембране в составе так называемого пре-B-рецептора. Этот рецептор содержит суррогатную лёгкую цепь (идентичную для всех клеток на этой стадии созревания), μ-цепь, Igα, Igβ. Экспрессия этого рецептора транзиторна, но абсолютно необходима для правильной дифференцировки B-лимфоцитов.

- Поздняя про-B-клетка также экспрессирует рецепторы для цитокинов ИЛ-7 и SDF-1, секретируемых клетками стромы и вызывающих пролиферацию и накопление «полуклонов» B-лимфоцитов (про-B- и больших пре-B-клеток) с уже известной специфичностью по тяжёлой цепи, но ещё неизвестной - по лёгкой. Это тоже увеличивает разнообразие молекул иммуноглобулинов: с одной и той же тяжёлой цепью будет сочетаться больше разных вариантов лёгких цепей.

• Пре-B-клетка. Выделяют две популяции пре-В клеток: Пре ВI (или большая пре-В) и ПреВII (или малая пре-В). На этой стадии происходит V-J-перестройка генов иммуноглобулинов лёгких цепей (сначала одной из цепей - κ или λ) на одной из гомологичных хромосом. Если продуктивная перестройка с первой попытки не получается, предпринимаются следующие. Клетки, в которых не произошло ни одной продуктивной перестройки в генах тяжёлых и лёгких цепей, погибают по механизму апоптоза - явления, весьма распространённого среди лимфоцитов (подробнее в главе 9).

• Незрелый B-лимфоцит. Уже экспрессируется дефинитивный BCR, содержащий L-цепь, μ-цепь, а также Igα и Igβ.

Развитие толерантности. На стадии незрелых B-лимфоцитов начинается также развитие толерантности к собственным тканям организма. Для этого предусмотрено 3 механизма: делеция аутореактивных клонов, ареактивность (анергия) и «редактирование» рецептора по антигенной специфичности. Первые два механизма продолжают действовать и по выходе лимфоцита из костного мозга, т.е. при контакте со значительными количествами аутоантигенов.

• Негативная селекция и делеция клонов. Связывание мембранного антигена незрелой B-клеткой (экспрессирует IgM-BCR, но ещё отсутствует IgD-BCR) служит сигналом для её апоптоза. Таким образом, удаляются B-лимфоциты, несущие антигенраспознающие рецепторы, способные связывать белки собственных тканей.

• Ареактивность. Связывание незрелым B-лимфоцитом растворимого антигена не приводит к апоптозу, но лимфоцит приходит в состояние анергии, т.е. проведение сигнала от BCR блокируется и лимфоцит не активируется.

• «Редактирование» рецепторов происходит в небольшой части незрелых B-клеток, в которых ещё активны рекомбиназы RAG-1 и RAG-2. В этих клетках связывание IgM (в составе BCR на поверхности незрелого B-лимфоцита) с антигеном служит сигналом для запуска повторного процесса рекомбинации VDJ/VJ: образующаяся при этом новая комбинация может не быть аутореактивной.

Маркёр завершения B-лимфопоэза (образования зрелого наивного B-лимфоцита, готового к выходу из костного мозга в периферическую лимфоидную ткань) - одновременная экспрессия (коэкспрессия) на мембране двух типов BCR - IgM и IgD (причём IgD больше, чем IgM).

Иммуногенез. После распознавания антигена и вступления в иммунный ответ B-лимфоцит проходит в фолликулах периферических лимфоидных органов и тканей ещё 2 стадии додифференцировки, называемые иммуногенезом.

• Пролиферация центробластов. В зародышевых центрах фолликуллов B-лимфоциты, называемые на этой стадии центробластами, интенсивно пролиферируют, удерживаясь связями со специальными клетками стромы - ФДК.

- На ФДК экспрессированы необычные рецепторы для иммуноглобулинов (FcR), способные продолжительное время (дни, месяцы, возможно, годы) удерживать комплекс антиген-антитело на мембране клетки.

- В зародышевых центрах происходит возрастание аффинности антител в отношении специфичного антигена по механизму гипермутагенеза, так как на этом этапе дифференцировки выживают те из вновь мутировавших B-лимфоцитов, у которых аффинность BCR к антигенам на поверхности ФДК выше. Этот процесс также называют положительной селекцией.

• Выбор дальнейшего пути. На второй стадии иммуногенеза происходит выбор: B-лимфоцит становится либо B-лимфоцитом памяти (дифференцированный резерв на случай повторной встречи с тем же антигеном), либо плазматической клеткой (через промежуточную стадию плазмабласта) - секретирующую большие количества антител заданной специфичности (рис. 5-14).

B1-лимфоциты

Последующая информация будет касаться В1-лимфоцитов мышей. Совершенно очевидно, что у человека присутствуют клетки с функциональными характеристиками В1-лимфоцитов, но четкое разграничение этой популяции на основании поверхностных маркёров пока не сделано.

• B1-лимфоциты подразделяют на 2 субпопуляции: B1a (CD5+) и B1b (CD5-).

• Предшественники B1a-лимфоцитов ещё в эмбриональном периоде мигрируют из эмбриональных кроветворных тканей (фетальной печени, оментума) в брюшную и плевральную полости, где существуют как самоподдерживающаяся популяция, хотя небольшое восполнение из костного мозга всё же присутствует. В1b-лимфоциты тоже происходят из фетальных предшественников, однако их пул у взрослых может существенно пополняться за счёт костного мозга. Помимо полостей, В1-лимфоциты также присутствуют в небольших количествах в селезёнке и лимфатических узлах.

• Предназначение B1-лимфоцитов - быстрый ответ на проникающие в организм широко распространённые патогены (преимущественно бактерии).


Рис. 5-14. B-лимфоцит и плазматическая клетка.Активированные B-лимфоциты, т.е. распознавшие антигенную детерминанту и получившие активационный сигнал, пролиферируют и заканчивают дифференцировку. Совокупность окончательно дифференцированных потомков B-лимфоцита составляет клон плазматических клеток, синтезирующих антитела (иммуноглобулины) именно к этой и только к этой антигенной детерминанте. Обратите внимание, что в цитоплазме плазматической клетки представлен сильно развитый белоксинтезирующий аппарат - гранулярная эндоплазматическая сеть. На мембране плазматических клеток уже нет ни иммуноглобулинов, ни MHC-II. В этих клетках прекращается переключение классов иммуноглобулинов и гипермутагенез, а дальнейший синтез антител уже не зависит от контакта с антигеном и взаимодействий с T-лимфоцитами

Почти все антитела В1-клеток принадлежат к IgM-изотипу и распознают наиболее распространённые соединения клеточных стенок бактерий. Преобладающая часть нормального IgM сыворотки крови здорового человека синтезируется именно B1-лимфоцитами. • Предполагают, что основная функция B1a-клеток - секреция естественных антител. Ещё до встречи с каким бы то ни было внешним антигеном в крови и биологических жидкостях организма уже присутствуют так называемые естественные (конститутивные) иммуноглобулины. У взрослых большинство из них относится к IgM, но есть также IgA и IgG. Эти антитела полиспецифичны и способны перекрестно связывать множество антигенов, включая аутоантигены. У мышей секреция естественных антител в основном происходит в селезёнке.

• Естественные антитела (их чаще называют «нормальные иммуноглобулины») выполняют ряд весьма важных для здоровья организма функций: «первая линия обороны» против патогенов; удаление из организма погибших клеток и продуктов катаболизма; презентация антигенов T-лимфоцитам; поддержание гомеостаза аутоиммунной реактивности (участвуют в поддержании толерантности к аутоантигенам, например, гистонам); противовоспалительное действие (нейтрализация суперантигенов, индукция синтеза противовоспалительных цитокинов, аттенуация комплементзависимого повреждения тканей и др.).

• Считается, что B1b-лимфоциты участвуют в продукции антител к Т-независимым антигенам, а также обеспечивают длительную иммунную память к некоторым микроорганизмам.

В-клетки маргинальной зоны

В-клетки маргинальной зоны (MZB) развиваются из костномозговых предшественников и находятся в маргинальных синусах селезёнки. Их основной задачей является ответ на Т-независимые антигены, находящиеся в крови. Поскольку для ответа на такие антигены не требуется сложной кооперации нескольких типов клеток, он развивается в кратчайшие сроки. MZB-клетки отличаются от В1а-лифоцитов по «происхождению», но функционально очень похожи. Обе эти популяции преимущественно экспрессируют антитела класса IgM, специфичные к полисахаридам и фосфолипидам (например, фосфорилхолину), расположенным на поверхности бактерий. Они также способны очень быстро дифференцироваться в плазматические клетки. Еще одной сходной чертой является почти полное отсутствие гипермутагенеза в генах, кодирующих экспрессируемые этими клетками иммуноглобулины.

Тимуснезависимые антигены

Некоторые антигены способны вызывать иммунный ответ с участием В-лимфоцитов, но без помощи T-лимфоцитов. Этот тип иммунного ответа характеризуется рядом особенностей: вырабатываются антитела только IgM-изотипа (обычно переключения изотипов нет, однако у мышей выявляют IgG3, специфичные к таким антигенам). При ответе на Т-независимые антигены иммунная память обычно не развивается, кроме того, не происходит «созревания» аффинности. Однако у подобного ответа есть и преимущество: он развивается уже в первые двое суток после проникновения антигена и начинает защищать организм на ранних сроках инфекции, пока тимусзависимый ответ ещё не сформировался.

Антигены такого типа называют тимуснезависимыми и подразделяют на два класса.

• Тимуснезависимые антигены 1-го типа (ТН-1) в достаточно высоких концентрациях способны индуцировать поликлональную активацию B-лимфоцитов (зрелых и незрелых) и продукцию поликлональных иммуноглобулинов класса IgM. Эти вещества ещё называют B-клеточными митогенами. Бактериальный ЛПС - классический пример ТН-1-антигена. ЛПС связывается с BCR и в то же время активирует TLR4, запуская одновременно 2 сигнала, которые достаточны для поликлональной активации В-лимфоцитов.

• Тимуснезависимые антигены 2-го типа (ТН-2) представлены достаточно длинными молекулами с повторяющимися структурами (полисахариды бактериальных стенок, фиколл). Эти антигены мультивалентны и могут вызывать перекрёстную сшивку иммуноглобулиновых рецепторов. ТН-2, в отличие от ТН-1, способны активировать только зрелые B-лимфоциты - преимущественно B1. В незрелых B-клетках повторяющиеся антигенные эпитопы индуцируют анергию или апоптоз.

Взаимодействие Т-независимых антигенов с В-лимфоцитами проиллюстрировано на рис. 5-15.


Рис. 5-15. Разновидности Т-независимых антигенов
перейти в каталог файлов


связь с админом