6 курс / Иммунология / Kazmirchuk_V_E_Kovalchuk_L_B_Maltsev_D_V_Klinicheskaya_immunologia

В отдельных случаях, когда в организм поступает патоген, являющийся полимером и состоящий из многочисленно повторяющихся мономеров с антигенными свойствами, возможна активация В-лимфоцита при непосредственном взаимодействии с антигенами без участия Т-клеток (так называемый Т-независимый синтез антител). В подобном случае взаимодействие многочисленных антигенов-мономеров патогена с иммуноглобулиновыми рецепторами

В-лимфоцита на ограниченном мембранном участке создаёт достаточно сильный локальный стимуляционный сигнал для активации лимфоцита. Так как активационный сигнал достаточно сильный, необходимость в дополнительном взаимодействии с Т-хелпером отпадает. Следует отметить, что отсутствие Т-хелперной поддержки накладывает существенный отпечаток на качество иммунного ответа. Так, при Т-независимых иммунных реакциях синтезируются лишь иммуноглобулины класса Μ и не формируется иммунная память.

В-лимфоцитам свойственна слабая способность к рециркуляции, поэтому количество их в крови составляет не более 30%. Среди них преобладают клетки с коротким периодом существования, реже встречаются В-лимфоциты с продолжительной жизнью, относящиеся к пулу клеток памяти. Под влиянием антигенной стимуляции (при участии Т-клеток) большинство В-лимфоцитов превращается в бласты (реакция бласттрансформации). Реакция бласттрансформации является уникальным процессом, поскольку при этом зрелые клетки претерпевают трансформацию в обратном направлении к более молодым формам. Бласты активно пролиферируют, а потом превращаются в плазматические клетки, синтезирующие антитела. Поскольку плазмоциты являются высокоспециализированными клетками, они не обладают способностью к митотическому делению. Часть клона превращается в клетки памяти. При повторной стимуляции антигеном они активируются намного быстрее, нежели исходные В-клетки, и обеспечивают интенсивный синтез огромного количества соответствующих антител.

Существует 5 классов иммуноглобулинов (антител): IgG, IgM, IgA, IgE, IgD, которые отличаются по строению константных участков тяжёлых цепей и функциональными свойствами. Иммуноглобулины разных классов имеют общие черты строения (рис. 18, 19, 20).

Мономерная молекула иммуноглобулина имеет Y-образную форму и состоит из двух тяжёлых и двух лёгких цепей, которые обладают разной длинной и объединены дисульфидными связями. Цепи состоят из аминокислот определённой последовательности. Молекула иммуноглобулина G имеет два одинаковых Fab-фрагмента, каждый из которых состоит из всей-лёгкой и части тяжёлой цепи. Именно здесь содержится антигенсвязывакмций сайт (участок). Хвостовая часть молекулы представлена одим Fc-фрагментом (константным участком), образованным продолжением тяжёлых цепей. При помощи константного участка иммуноглобулин связывается с рецептором к Fc-фрагменту мембран разных клеток (макрофагов, дендритных клеток). Конечные участки тяжёлой и легкой цепи Fab-фрагмента достаточно разнообразны (вариабельны) и являются специфическими к определённому антигену. Отдельные зоны этих цепей отличаются гипервариабельностью (особенным разнообразием).

Шарнирная зона, расположенная между двумя вариабельными и константным участком, позволяет свободно смещаться Fab-фрагментам относительно друг друга и относительно Fc-фрагмента, что имеет важное значение для эффективного взаимодействия антител с антигенными детерминантами возбудителей (позволяет пространственно "приспосабливаться" к антигену).

Рис. 18. Строение иммуноглобулина класса G

На рисунке показано, что молекула IgG состоит из двух тяжёлых и двух лёгких цепей. Свободные концы тяжёлых цепей формируют так называемый Fc-фрагмент, а противоположные концы, взаимодействующие с лёгкими цепями, — так называемый Fab-фрэгмент, где содержится антигенраспознающий участок.

Как отмечалось выше, иммуноглобулины разделяются на классы и подклассы (изотипы) в зависимости от строения константных участков тяжёлых цепей. Отличия между указанными участками определяют особенности функциональных свойств каждого класса иммуноглобулинов.

Рис. 19. Структура иммуноглобулина класса G

IgG — мономер, состоящий из двух тяжёлых и двух лёгких цепей. Такие антитела являются бивалентными, поскольку содержат лишь два Fab-фрагмента. Класс IgG имеет 4 изотипа: (IgG,, IgG2, IgG3, IgG4) (рис. 20), которые отличаются эффекторными функциями и специфичностью. Антитела к липополисахаридам относятся к субклассу IgG,, антирезусные антитела — к IgG4 Антитела субклассов IgG, и IgG4 приимают участие в опсонизации. Для этого они специфически связываются посредством Fab-фрагментов

с возбудителем, а посредством Fc-фрагмента — с соответствующими рецепторами фагоцитов, что способствует фагоцитозу.

Рис. 20. Структура разных изотипов иммуноглобулина класса G

IgG составляет 70-75% общего количества иммуноглобулинов плазмы крови, проходит через плацентарный барьер, эффективно активирует систему комплемента.

К иммуноглобулинам класса G относятся антитела против большинства антигенов различной природы. В первую очередь, с этими иммуноглобулинами связывают защиту от грамположительных бактерий, токсинов, вирусов (например, от вируса полиомиелита, где IgG принадлежит ведущая роль). Он считается иммуноглобулином вторичного иммунного ответа.

Рис. 21. Структура секреторного иммуноглобулина класса А г

На рисунке продемонстрировано, что димерная молекула slgA состоит из двух мономеров, гомологичных по структуре молекуле IgG и соединённых между собой J-цепью. Особенностью молекулы slgA является наличие секреторного компонента (обозначен сиреневым цветом), защищающего её от энзиматического расщепления.

IgA может встречаться в форме мономеров, димеров и тримеров. Он имеет

сывороточную (IgA, и AJ и секреторную формы, существенно отличающиеся между собой. Секреторный иммуноглобулин A (slgA) является двумя молекулами сывороточного, объединёнными в единую молекулу джоинг-цепью и

содержащими секреторный (транспортный) компонент, который обеспечивает защиту от протеолитических ферментов (рис. 21). Секреторный компонент синтезируется эпителием слизистой оболочки, а поэтому содержится только в антителах, которые находятся на слизистых. Таким образом, slgA пребывает в биологических жидкостях (молозиво, молоко, слюна, бронхиальный и желудочно-кишечный секрет, жёлчь, моча) и играет важную роль в формировании местных механизмов резистентности. Он противодействует массированному поступлению антигенов через слизистые оболочки, препятствует прикреплению бактерий к слизистым, нейтрализует энтеротоксины, способствует фагоцитозу. R реакциях гиперчувствительности немедленного типа он действует в качестве блокирующего антитела. Этот иммуноглобулин не проникает через плаценту и не способен активировать систему комплемента.

IgM — пентамер, состоящий из пяти молекул IgG, объединённых джоингцепью, поэтому он способен связать 10 молекул антигена (рис. 22). На долю IgM приходится около 10% общего количества иммуноглобулинов. К классу IgM относится основная масса антител против полисахаридных антигенов и антигенов грамотрицательных бактерий, а также ревматоидный фактор, гемагглютинины крови. Иммуноглобулины этого класса синтезируются в ответ на большинство антигенов на ранних стадиях иммунного ответа, то есть это антитела первичного иммунного ответа. В дальнейшем происходит переключение на синтез IgG (или антител другого класса), которые являются более специфическими и лучше проникают в ткани (имеют меньший размер). Но иммуноглобулин Μ лучше других антител активирует систему комплемента. Он не проходит через плаценту, но синтезируется плодом.

Рис. 22. Структура иммуноглобулина класса Μ

На рисунке показано, что молекула иммуноглобулина класса Μ имеет пентагональную структуру и состоит из 5 мономеров, гомологичных IgG и соединённых между собой дисульфидными связями. J-цепь имеет не только опорную функцию, но и способствует секреции данного иммуноглобулина на слизистые оболочки, где тот участвует в местном гуморальном иммунитете.

IgE — мономер, содержащийся в незначительном количестве в сыворотке крови. Этот иммуноглобулин берёт участие в защите от гельминтов и в аллергических реакциях немедленного типа. Защита от гельминтов осуществляется путём связывания IgE через Fab-фрагмент с возбудителем (гельминтом), а через Fc-фрагмент — с рецептором на эозинофиле. Таким образом происходит реакция антителозависимой клеточно-опосредованной цитотоксичности (АЗКОЦ), приводящая к гибели гельминта. Роль IgE в аллергических реакциях немедленного типа описана в главе, посвящённой вопросам аллергии и псевдоаллергии.

В последнее время изучается физиологическая роль IgE в защите слизистых. Если инфекционный агент преодолевает преграду, образуемую IgA, то в роли следующей линии защиты выступают антитела, относящиеся к классу IgE. Они, связываясь с антигеном Fab-фрагментом, фиксируются Fc-фрагментом на мембранах тучных клеток и базофилов, что приводит к высвобождению биологически активных веществ. IgE не проникает через плаценту и не активирует комплемент.

IgD — антитела с точно неустановленной функцией. Известно лишь, что зрелость В-лимфоцитов определяется именно наличием мембранной формы этого иммуноглобулина. IgD не проникает через плаценту и не активирует комплемент.

Уровень иммуноглобулинов в плазме крови характеризует функциональное состояние В-звена иммунитета (табл. 4).

Таблица 4. Функциональное предназначение антител разных классов

Содержание в	Функции	Τ созрева-	т у 2
сыворотке (г/л)		ния
IgM - 10%	Бактериолизины, цитолизины, рев-	до 1 года	5 суток
(0,5 - 2 г/л)	матоидный фактор, изогемагглюти-	жизни
	нины, антитела против грамотри-
	цательных бактерий, шигелл, пало-
	чек брюшного тифа. Активирует
	систему комплемента. Приимает
	участие в первичном иммунном
	ответе.
IgG - 75%	Антитела против вирусов, нейро-	до 2 лет	23
(7 - 20 г/л)	токсинов, грамположительных	жизни	суток
Выделяют 4	бактерий, возбудителей столбняка,
изотипа	малярии. Активирует систему ком-
	племента. Приимает участие во
	вторичном иммунном ответе и в
	образовании иммунных комплексов.

IgA - 15%	Изогемагглютинины, антитела про-	до 12 лет	6 суток
(0,7 - 5 г/л)	тив вирусов, бактерий. Местный	жизни
Выделяют 2	иммунитет — сывороточный и сек-
изотипа	реторный иммуноглобулины. Не
	активирует систему комплемента
IgE (0,02-0,04	Нормальные антитела очага альте-	до 15 лет	2 суток
г/л)	рации. Активируют макрофаги и
	эозинофилы, усиливают фагоцитоз
	и активность нейтрофилов
IgD (0,000601-	Функция практически не		3 суток
ОООЗг/л)	изучена, обладают антивирусной
	активностью. Пребывают в
	ткани миндалин, аденоидов. Не
	активируют систему комплемента

IgM и IgG синтезируются преимущественно в селезёнке и регионарных лимфоузлах внутренних органов, IgA — в диффузных скоплениях лимфоидной ткани и солитарных фолликулах слизистых оболочек, a IgE — преимущественно в регионарных лимфоузлах, слизистых оболочках и коже.

Таблица 5. Сравнительная характеристика Т— и В-лимфоцитов

Признак	Т-лимфоцит	В-лимфоцит
Характер поверхности	Малинообразная	Бархатная
Продолжительность	До 300 дней	От нескольких дней до не-
существования	(в среднем — 4-6 мес)	скольких недель
Антигенраспознающий	ТАГРР	Иммуноглобулиновый (мо-
рецептор		номер IgM)
Количествто АГРР	В 100-200 раз меньше	В 100-200 раз больше
Форма распознаваемо-	Иммуногенный пеп-	Эпитоп натурального анти-
го антигена	тид	гена
Скорость рециркуля-	Больше	Меньше
ции
Рецепторы к опсони-	Отсутствуют	Присутствуют
нам

Резюме. Таким образом, антигенпрезентирующие клетки вовлекают в борьбу с патогеном собственно иммунные механизмы. Активация иммунного ответа осуществляется при посредничестве Т-хелперов, выполняющих координационную роль. От того, какой именно тип Т-хелперов сформируется после антигенной презентации, зависит преимущественное направление реализации иммунного ответа (по клеточному или гуморальному типу). Следует отметить, что иногда гуморальное и клеточное звено рассматриваются как альтернативные пути реализации иммунных реакций, что является ошибочной позици-

ей. Дело в том, что для эффективного разворачивания гуморальных реакций необходимо вовлечение клеточного компонента, и, наоборот, эффективность клеточного иммунитета возростает при параллельном синтезе специфических антител. Таким образом, гуморальное и клеточное звено являются не антагонистическими, а взаимодополняющими компонентами иммунной системы. Сравнительная характеристика Т— и В-лимфоцитов приведена в табл. 5.

2.Стратегия и тактика распознавания антигенов факторами приобретённого иммунитета (рецепторы антигенного распознавания)

В предшествующих разделах мы уже выяснили, каким образом происходит распознавание чужеродных агентов компонентами врожденных механизмов резистентности. Речь шла о рецепторах шаблонного распознавания, которые специфичны к наиболее типичным микробным структурам, а также о рецепторах к опсонинам — молекулам, "приспосабливающим" относительно бедный репертуар рецепторов врождённой резистентности к антигенному разнообразию возбудителей. В связи с существенным ограничением рецепторного ресурса врожденные механизмы резистентности реагируют однотипно на разные патогены, даже если последние существенно отличаются между собой. Так, например, защитные механизмы против Е. coli и S. typhi, несмотря на существенные различия между этими микроорганизмами, в целом будут подобными. Наиболее адекватная защита возможна только после распознавания всех антигенных детерминант, которые содержит возбудитель, что позволяет определить оптимальную силу и направленность иммунного ответа относительно данного патогена. Такое высокоспецифическое распознавание осуществляют рецепторы иммунокомпетентных клеток. Поскольку эпитопов микробов чрезвычайно много, генов, содержащихся в геноме человека и кодирующих структуру антигенсвязывающих сайтов, катастрофически не хватает. Выход из этой ситуации один — продуцировать новые нуклеотидные последовательности на основе сравнительно небольшого количества генов антигенного распознавания за счёт многочисленных случайных перестроек — рекомбинаций генетического материала (реаранжировки генов). Собственно процессы рекомбинации включают вырезание, перенесение, стыковку и модификацию полинуклеотидных последовательностей, что создает чрезвычайно большое разнообразие антигенраспознающих рецепторов.

Рецепторы антигенного распознавания лимфоцитов состоят из двух главных частей — константной (неизменной) и вариабельной, которая является специфической к определенному антигену. Последняя уникальна у каждой клетки. Вполне ясно, что рекомбинации претерпевают именно те гены, которые кодируют вариабельные участки рецепторов. Последние и формируют так называемые антигенсвязывающие сайты, непосредственно взаимодействующие с эпитопами патогена.

Рассмотрим процессы рекомбинации на примере формирования В-клеточного антигенраспознающего рецептора, который может находиться в виде двух

форм — мембранной и секреторной. В последнем случае синтезированный рецептор лишен участка, за счет которого он имеет возможность присоединиться к цитолемме клетки-продуцента. Поэтому этот рецептор вынужденно оставляет материнскую клетку и поступает во внутреннюю среду организма. Секреторные антигенраспознающие рецепторы В-лимфоцитов более известны под названием антител (иммуноглобулинов). Константные (неизменные) участка антител могут распознаваться разнообразными факторами врожденной резистентности. Поскольку антитела содержат вариабельные фрагменты, высокоспецифичные к конкретным антигенам возбудителей, факторы врожденной резистентйости значительно "расширяют собственные распознавательные возможности, которые, как известно, являются достаточно ограниченными. В этом и состоит главное предназначение антител.

Ген, который кодирует структуру вариабельного участка, получил название V-гена (англ. variable — разнообразный). Он состоит из трех сегментов — У-сегмента (собственно вариабельного), D-сегмента (дополнительного разнообразия) и J-сегмента (соединительного, англ. — joining). Особенностью V-гена является то, что изначально он не существует в геноме как целостная структура. В разных участках ДНК содержатся его составляющие сегменты (V, D и J), представленные многими вариантами. Так, установлено, что V-группа содержит до 1000 сегментов, D-группа — 10, a J — 4 сегмента. Тем не менее, для построения антигенсвязывающего сайта рецептора достаточно комбинации всего трех сегментов — по одному из каждой из указанных групп. Богатый набор различных вариантов одного и того же сегмента обеспечивает чрезвычайно широкие возможности для генетических рекомбинаций, в результате которых и создается V-ген.

Рецептор антигенного распознавания В-лимфоцита состоит из двух цепей — тяжёлой и легкой, которые отличаются по длине (а значит — и по молекулярной массе), в связи с чем и получили своё название. В построении антигенсвязывающих участков приимают участие обе цепи, а конечную (хвостовую) часть константного участка формирует одна тяжёлая цепь. Поэтому для синтеза рецептора необходимо создать по крайней мере два V-гена — для синтеза вариабельного участка тяжёлой и легкой цепи. Как уже отмечалось, изначально V-ген не существует как целостная структура, а представлен разрозненными фрагментами — V-, D— и J-сегментами, в которых сосредоточена информация о строении вариабельных участков рецепторов. За синтез константного участка отвечает так называемый С-ген, который также представлен несколькими сегментами, однако они содержатся в ДНК вместе. Именно продукты С-гена определяют классовую принадлежность антител. Известно 5 основных классов иммуноголобулинов — IgM, IgG (Gp G2, G3, G4 подклассы), IgA (Ap \ подклассы), IgE и IgD. Их С-сегменты обозначаются соответствующими греческими буквами. Эти сегменты располагаются в геноме в следующем порядке — Сц, С5, Су3, Сур Сое, Су2, Су4, Се, Са2 Как будет показано ниже, такая последовательность и определяет порядок синтеза одим В-лимфоцитом иммуноглобулинов разных классов.

Принцип формирования V-гена состоит в случайном выборе по одному сегменту из каждой группы (V, D, J) и их пространственном сближении. При

этом все участки ДНК, расположенные между выбранными сегментами, вырезаются. Сначала выбираются D- и J-сегменты, а потом к образованному комплексу DJ присоединяется один из сегментов Y-группы. Образованная последовательность V-D-J и является V-геном. Возникает вопрос: на каком основании происходит выбор сегментов из указанных групп для формирования V-гена? Ответ — случайно. Случайность выбора обеспечивается активацией специальных ферментов — рекомбииаз, способных наугад выбирать по одному сегменту из каждой группы и присоединять их один к другому. Установлено, что подобные ферменты синтезируются по крайней мере на двух генах (RAG, и RAG2), которые названы рекомбинант-активирующими. По выполняемой работе ферменты, задействованные в создании V-гена, можно разделить на нуклеазы (экзо- и эндо-), разрезающие цепи или изнутри (эндонуклеазы), или с конца (экзонуклеазы), трансферазы, которые осуществляют перенос сегментов или отдельных нуклеотидов, и лигазы, сшивающие компоненты новообразованных комбинаций, восстанавливая непрерывность нитей ДНК.

Как работают рекомбиназы? Сначала происходит пространственное сближение случайно избранных сегментов, в связи с чем участок ДНК, расположенный между ими, собирается в складку, названную "петлей". После этого образованная петля приобретает стабильную конфигурацию, удерживая выбранные сегменты друг возле друга. Дело в том, что участки ДНК между группами сегментов V-гена содержат симметрично расположенные комплементарные друг другу зоны. В связи с симметричностью расположения при образовании петли такие зоны оказываются напротив друг друга, а благодаря комплементарное™ нуклеотидного состава — соединяются между собой по принципу замка-молнии. Как только петля приобрела стабильную конфигурацию, нуклеазы отрезают ее с обеих сторон, а лигазы объединяют избранные сегменты V-гена, восстанавливая непрерывность цепи ДНК.

Поскольку количество V-сегментов является наибольшим, то случайный выбор именно сегмента этой группы главным образом и определяет разнообразие рецепторного репертуара. Кроме этого, V-сегменты являются наиболее длинными и кодируют около 95 аминокислотных остатков, в то время как, комплекс DJ — не больше 14. Поэтому большая часть вариабельного участка построена именно из продукта V-сегмента. D-сегменты (от англ. — diversity) являются факторами дополнительного разнообразия. Реальное количество таких сегментов значительно увеличивается. Дело в том, что участок ДНК, где помещаются D-сегменты, может претерпевать транскрипцию в трех рамках считывания, одна из которых избирается случайно. При этом в условиях каждой рамки считывания полностью изменяется содержание всех сегментов D-группы, то есть "возникают" новые сегменты. Это обусловлено триплетностью генетического кода. При смещении начала транскриции лишь на один нуклеотид, заново происходит условное перераспределение нити ДНК на тройки нуклеотидов, что изменяет состав всех триплетов, а значит, обуславливает дальнейший синтез полипептидной цепи принципиально нового аминокислотного состава. J-группа мало влияет на формирование разнообразия рецепторного аппарата, поскольку содержит ограниченное количество сег-

ментов. Тем не менее, именно эти сегменты соединяют вариабельный участок антитела с константным (отсюда и название).

Несмотря на то, что антитела отличаются между собой именно по структуре вариабельного фрагмента, большая часть этого участка идентична у всех иммуноглобулинов. Речь идет о каркасной зоне. Дело в том, что все сегменты V-гена, которые входят в состав одной группы (V, D или J), содержат одинаковые последовательности нуклеотидов, которые и определяют их групповую принадлежность. При трансляции стабильных групповых последовательностей V-ге.на и формируется каркасная зона вариабельного участка иммуноглобулина. Вместе,,с тем, каждый сегмёнт группы содержит специфические последовательности нуклеотидов, которые определяют его уникальность. Такие последовательности и обеспечивают формирование изменчивых участков. Поскольку весь фрагмент называется вариабельным, эти участки получили название гипервариабельных (CDR). Всего их 3 — столько же, сколько и составляющих компонентов V-гена. Поэтому каркас делится гипервариабельными участками на 4 фрагмента. Каркасная зона и гипервариабельные образования имеют разное биологическое значение. Так, именно каркасная часть обеспечивает формирование гидрофильного канала, который находится между вариабельными участками тяжёлой и лёгкой цепей антитела. Образованный канал работает относительно антигенных детерминант патогена подобно "капкану" и является одинаковым у всех иммуноглобулинов, то есть все антитела имеют общий принцип взаимодействия с патогеном. В этом и состоит биологическое значение каркасных зон. Специфичность связывания антитела (тип распознаваемого антигена) определяется гипервариабельими участками. Поскольку именно они сформированы случайным образом, каждая В-клетка будет обеспечена антигенраспознающим рецептором уникальной специфичности.

За счет случайных комбинаций сегментов образуется огромное количество разнообразных V-генов. Если учесть, что в формировании целостного рецептора приимает участие ещё и легкая цепь, также образованная согласно описанным принципам, то количество разнообразных антигенсвязьгвающих сайтов увеличивается до 10й. Тем не менее, даже такое число разнообразных комбинаций является недостаточным для эффективного распознавания эпитопов всех возможных патогенов. Для расширения разнообразия привлекаются дополнительные случайные механизмы, которые изменяют структуру места соединения V и D-сегментов (рис. 12). Вследствие удаления участка ДНК, который находится между случайно выбранными V— и D-сегментами, нуклеиновая кислота разрывается на две нитифрагмента. На концах обращённых друг к другу фрагментов и помещаются соответственно V— и D-сегмент. Высвобожденные концы очень раимы, поскольку являются оголёнными частями молекулы, а поэтому — потенциально чувствительными к деструктивным влияниям, что ставит под угрозу существования всей ДНК. Для стабилизации молекулы ферменты репарации наугад достраивают короткие нуклеотидные последовательности к оголённым концам — по две с внутренних концов нитей-фрагментов, поскольку ДНК, как известно, является двуцепочечной молекулой. Потом достроенные последовательности замыкаются "сами на себя" за счет формирования У—б^сложноэфирной связи между терминалями цепей ДНК. При этом оголённые концы исчезают. Образованная конечная структура получила