Литература БФХ / molekuljarnaja biologija kletki v3

221

Рис. 18-5. Теория клональной селекции. Антиген активирует только те клоны Т- и В-клеток, которые уже способны на него отвечать. Предполагается, что иммунная система состоит из миллионов различных клонов лимфоцитов, из которых сотни могут быть активированы данным антигеном. В дальнейшем мы увидим, что индивидуальные клоны лимфоцитов редко отвечают на антиген автономно, как это показано на схеме и как первоначально предполагалось в теории клональной селекции. Их ответы обычно регулируются путем взаимодействий с другими клонами лимфоцитов (разд. 18.6.12). Кроме того, Т-клетки не отвечают на свободный антиген, как это показано на схеме; они отвечают только на антиген, связанный с поверхностью клетки-хозяина (разд. 18.6).

ной селекции, согласно которой каждый лимфоцит в процессе своего развития приобретает способность реагировать с определенным антигеном, еще ни разу с ним не встретившись. Это обусловлено тем, что на поверхности клетки появляются белки-рецепторы, которые специфически соответствуют какому-то антигену. Если клетка встретится с таким антигеном, то его связывание с рецепторами активирует клетку - вызовет ее размножение и созревание ее потомков. Таким образом, чужеродный антиген селективно стимулирует те клетки, у которых окажутся комплементарные ему специфические рецепторы и которые поэтому неизбежно будут реагировать именно на этот антиген - вот почему иммунные ответы антиген-специфичны (рис. 18-5).

Такую селекцию называют «клональной» потому, что иммунную систему, согласно этой теории, образуют миллионы различных клеточных «семейств», или клонов, каждый из которых состоит из Т- или В-лимфоцитов, происходящих от общего предка. Поскольку каждая клетка-предшественница уже детерминирована (или, как говорят, коммитирована) к выработке одного определенного антиген-специфического белка-рецептора, все клетки клона имеют одинаковую антигенную специфичность. Таким образом, согласно теории клональной селекции, иммунную систему по принципу ее работы можно сравнить скорее с фабрикой готовой одежды, чем с ателье, где шьют по мерке. Вопрос о том, как организм животного может вырабатывать такое множество разных антител, становится поэтому проблемой генетики, а не белковой химии.

Основные положения теории клональной селекции получили убедительные подтверждения. Например, если лимфоциты животного, которое не было иммунизировано, инкубировать в пробирке с любым из нескольких меченых антигенов, например А, В, С и D, то только очень малая доля (<0,01%) лимфоцитов будет связывать данный антиген. Это означает, что лишь немногие клетки несут специфические рецепторы для А, В, С или D. Такую интерпретацию подтверждает другой эксперимент. Антиген А делают столь высокорадиоактивным, что любая связавшая его клетка получает летальную дозу облучения; оставшаяся после этого популяция лимфоцитов уже не способна реагировать на антиген А, в то время как она продолжает нормально реагировать на В, С и D. Тот же эффект можно получить, если наполнить аффинную колонку (разд. 4.4.3) стеклянными шариками, покрытыми антигеном А, а затем пропускать через эту колонку лимфоциты. В таком опыте клетки с рецепторами для А связываются с шариками, тогда как остальные клетки проходят через колонку; клетки, прошедшие через колонку, не взаимодействуют более

222

Рис. 18-6. Два типа экспериментов, подкрепляющих теорию клональной селекции. Для простоты рецепторы клеточной поверхности показаны только на лимфоцитах, способных отвечать на антиген А; на самом же деле все Т- и В-лимфоциты имеют на своей поверхности антигенспецифические рецепторы. Схематически представленные здесь эксперименты проводились главным образом с В-клетками, так как Т-клетки узнают антиген только тогда, когда он связан с поверхностью клетки-хозяина (разд. 18.6).

с А, но нормально взаимодействуют с другими антигенами (рис. 18-6). Эти два эксперимента показывают, что 1) лимфоциты коммитируются к реакции на определенный антиген еще до того, как ом подвергнутся воздействию этого антигена, и 2) коммитированные лимфоциты обладают поверхностными рецепторами, специфически связывающими данный антиген. Таким образом, подтверждаются два основных предсказания теории клональной селекции. Хотя в большинстве экспериментов такого рода изучались В-клетки и ответы, связанны с выработкой антител, другие эксперименты показали, что проявления

Т-клеточного иммунитета тоже основаны на принципе клональной селекции.

18.1.6. В большинстве случаев один антиген стимулирует много различных клонов лимфоцитов [6]

Большинство макромолекул, включая практически все белки и большую часть полисахаридов, могут служить антигенами. Те участки антигена, которые взаимодействуют с антиген-связывающим участком молекулы антитела или же рецептора на лимфоците, называются антигенным детерминантами (или эпитопами). Молекулы, которые хотя и присоеди-

223

Рис. 18-7. Простой гаптен ДНФ, ковалентно связанный с боковой цепью лизина в белке. Гаптены могут индуцировать иммунный ответ, только будучи связаны с подобным макромолекулярным носителем.

няются специфически к таким антиген-связывающим участкам, но не могут индуцировать иммунный ответ, называют гаптенами. Гаптены - это обычно небольшие органические молекулы; они сами по себе слишком малы для того, чтобы вызвать ответ, однако становятся полноценными антигенами, будучи присоединены к подходящей макромолекуле-носителю. Гаптены служат важными инструментами для экспериментальной иммунологии. Один из наиболее часто используемых гатенов-динитрофенильная группа (ДНФ), которую обычно пришивают к белку, чтобы сделать ее антигенной (рис. 18-7).

Большинство антигенов имеет целый набор различных антигенных детерминант, стимулирующих выработку антител или Т-клеточные ответы. Некоторые детерминанты более иммуногенны (т. е. лучше индуцируют иммунитет), чем другие, и реакция на них может доминировать в общем ответе; такие детерминанты называют иммунодоминантными.

Как и следует ожидать от системы, работающей по принципу клональной селекции, даже одиночная антигенная детерминанта будет, как правило, активировать много клонов, каждый из которых будет иметь поверхностные рецепторы, обладающие своим особым, индивидуальным сродством к данной детерминанте. Например, даже сравнительно простая структура ДНФ-группы обеспечивает возможность многих различных взаимодействий, и когда эта группа связана с белком-носителем, она обычно стимулирует выработку сотен видов антител к ДНФ, каждый из которых вырабатывается отдельным клоном В-клеток. Такой ответ называют поликлональным. Когда реагирует лишь несколько клонов, ответ называют олигоклональным, а если весь ответ сводится к реакции лишь одного клона В- или Т-клеток, то его называют моноклональным. Ответы на большинство антигенов поликлональны.

Даже антиген, активирующий много клонов, воздействует лишь на ничтожную долю всей популяции лимфоцитов. Для того чтобы обеспечить встречу антигена с этими немногочисленными лимфоцитами, антигены накапливаются во вторичных лимфоидных органах, через которые непрерывно циркулируют Т- и В-лимфоциты. Антигены, проникающие в организм через пищеварительный тракт, захватываются связанными с ним лимфоидными тканями; проникающие через кожу или дыхательные пути - транспортируются с лимфой в местные лимфатические узлы; а те антигены, которые попадают в кровь, отфильтровываются в селезенке.

18.1.7. Большая часть лимфоцитов находится в непрерывной циркуляции [7]

Большинство Т- и В-лимфоцитов все время переходит из крови во вторичные лимфоидные органы и обратно. Например, в лимфатическом узле лимфоциты покидают кровяное русло, протискиваясь между специализированными эндотслиальными клетками. Пройдя через узел, они накапливаются в малых лимфатических сосудах, которые выходят из узла и соединяются с другими лимфатическими сосудами, а те проходят затем через расположенные ниже другие лимфатические узлы (рис. 18-8). Переходя во все более и более крупные сосуды, лимфоциты в конце концов попадают в главный лимфатический сосуд (грудной проток), по которому возвращаются в кровь. Такая постоянная циркуляция не только обеспечивает встречу соответствующих лимфоцитов с антигеном, но также позволяет нужным лимфоцитам встретиться друг с другом: как мы увидим, взаимодействия между специфическими лимфоцитами играют решающую роль в большинстве иммунных ответов. Циркуляция лимфоцитов зависит от специфических взаимодействий

224

Рис. 18-8. Сильно упрощенная схема лимфатического узла человека. В-лимфоциты находятся главным образом в кортексе, где они собраны в структурах, называемых лимфатическими фолликулами. Т-лимфоциты находятся в основном в паракортикальной области. Лимфоциты обоих типов попадают в лимфатический узел из крови через небольшие специализированные вены в паракортикальной области (не показано); Т-клетки остаются в этой зоне узла, а В-клетки переходят в лимфатические фолликулы. Со временем и Т-, и В-клетки мигрируют в медуллярные синусы и покидают узел через выносящий лимфатический сосуд. Этот сосуд в конце концов вливается в кровяное русло, что позволяет лимфоцитам начать следующий цикл циркуляции через вторичный лимфоидный орган. Чужеродные антигены, попадающие в лимфатический узел, оказываются на поверхности специализированных антиген-представляющих клеток: клетки одного типа представляют антиген (в виде комплекса антиген-антитело) В-клеткам в лимфатических фолликулах, а клетки другого типа - Т-клеткам в пара-кортикальной области (разд. 18.6.10).

между поверхностью лимфоцита и поверхностью специализированных эндотелиальных клеток, выстилающих малые вены (посткапиллярные венулы) во вторичных лимфоидных органах: из всех клеток крови, вступающих в контакт с этими эндотелиальными клетками, только лимфоциты временно прикрепляются к ним, а затем мигрируют через посткапиллярные венулы. Моноклональные антитела (разд. 4.5.4), связываясь с поверхностью лимфоцитов и подавляя их способность присоединяться к специализированным эндотелиальным клеткам в срезах тканей, а также циркулировать in vivo, помогают определить различные «хоминг-рецепторы», от которых зависят пути миграции лимфоцитов. На поверхности большинства Т- и В-клеток имеются гликопротеины двух типов: одни для циркуляции через лимфатические узлы, а другие для циркуляции через пейеровы бляшки. Некоторые лимфоциты имеют только гликопротеин второго типа и избирательно циркулируют через пейеровы бляшки; они, в сущности, составляют специфичную для кишечного тракта подсистему лимфоцитов, специализированную для ответа на антигены, проникающие в организм через кишечник. Другие хоминг-рецепторы, по-видимому, обеспечивают сегрегацию Т- и В-клеток в отдельные участки внутри лимфоидного органа (см. рис. 18-8). Когда лимфоциты активируются антигеном, они теряют хоминг-рецепторы, опосредующие циркуляцию через лимфоидные органы, и приобретают новые рецепторы, направляющие активированные клетки к местам воспаления.

18.1.8. Иммунологическая память обусловлена ростом клонов и созреванием лимфоцитов [8]

Иммунная система, так же как и нервная, обладает памятью. Именно поэтому мы можем приобретать пожизненный иммунитет ко многим вирусным заболеваниям, после того как однажды подверглись воздействию вируса. Аналогичное явление можно продемонстрировать и на экспериментальных животных. Если животному однократно впрыснуть антиген А, то после лаг-периода продолжительностью в несколько дней у него появится иммунный ответ (либо антитела, либо клеточный ответ), который будет быстро (экспоненциально) усиливаться, а затем более плавно снижаться. Таково характерное протекание первичного иммунного ответа, наблюдаемого после первого контакта животного с антигеном Если через несколько недель, месяцев или даже лет животному снова ввести антиген А, это вызовет вторичный иммунный ответ, существенно

225

Рис. 18.9. Первичный и вторичный гуморальные ответы (образование антител), вызванные соответственно первым и вторым введением антигена А. Обратите внимание, что вторичный ответ быстрее и сильнее первичного и что он специфичен в отношении А. Это показывает, что иммунная система специфически «запомнила» ранее введенный антиген А. Такого рода иммунологическая память выявляется при изучении не только В-клеточных, но и Т-клеточных иммунных ответов

отличающийся от первичного: лаг-период будет короче, реакция сильнее и продолжительнее (рис. 18-9). Эти различия показывают, что животное «запомнило» свой первый контакт с антигеном А. Если же вместо повторной инъекции антигена А животному вводят другой антиген (например, Б), реакция в этом случае носит характер первичного, а не вторичного иммунного ответа; следовательно, вторичный ответ отражает специфическую

иммунологическую память об антигене А.

Теория клональной селекции составляет концептуальную основу для понимания клеточного механизма иммунологической памяти. Во вторичных лимфоидных органах взрослого животного популяции Т- и В-лимфоцитов одновременно содержат клетки, находящиеся по меньшей мере на трех стадиях созревания: виргильные клетки, клетки памяти и активные клетки. Когда виргильные клетки впервые встречаются с антигеном, некоторые из них стимулируются к размножению и становятся активными клетками, которые мы определяем как клетки, активно участвующие в создании иммунного ответа (активные Т-клетки реализуют клеточные ответы, а В-клетки секретируют антитела). Другие виргильные клетки вместо этого стимулируются к размножению и созреванию в клетки памяти, которые сами не дают ответа, но легко превращаются в активные клетки при последующей встрече с тем же антигеном (рис. 18-10). Как полагают, виргильные лимфоциты живут во вторичных лимфоидных органах сравнительно недолго и, вероятно, гибнут через несколько дней, если не встречаются со своим специфическим антигеном. Клетки памяти, напротив, могут жить много месяцев или даже лет без деления, постоянно циркулируя между кровью и вторичными лимфоидными органами. Кроме того, клетки памяти проявляют большую готовность отвечать на антиген, чем виргильные клетки. Позднее мы увидим (разд. 18.4.4), что повышенная готовность

Рис. 18-10. Виргильные Т- или В-клетки, будучи стимулированы специфическим антигеном, делятся и созревают. Некоторые из них начинают затем давать иммунный ответ, другие же превращаются в клетки памяти. При последующей встрече с антигеном клетки памяти отвечают на него более «охотно», чем виргильные клетки: они пролиферируют и дают начало активным клеткам и новым клеткам памяти. Согласно этой модели, отдельная виргильная клетка может, в зависимости от условий, дать начало либо клетке памяти, либо активированной клетке. Согласно другой модели, здесь не представленной, клетки памяти и активированные клетки образуются из разных виргильных клеток. Которая из этих моделей верна, неизвестно.

226

В-клеток памяти отвечать на антиген объясняется, в частности, более высоким сродством рецепторов этих клеток к антигену.

В соответствии с этой схемой иммунологическая память создается при первичном ответе в результате того, что 1) пролиферация активированных антигеном виргильных клеток умножает число клеток памяти (экспансия клона); 2) клетки памяти имеют намного большую продолжительность жизни, чем виргильные клетки, и постоянно циркулируют между кровью и вторичными лимфоидными органами; 3) каждая клетка памяти способна более «охотно» отвечать на антиген, чем виргильная клетка. Изменения, происходящие во время первичного ответа, приводят к тому, что большая часть долгоживущих клеток в рециркулирующем пуле лимфоцитов теперь «подогнана» к антигенному окружению животного и готова к немедленному действию.

18.1.9. Отсутствие иммунного ответа на собственные антигены организма обусловлено приобретенной иммунологической толерантностью [9]

Как может иммунная система отличать «чужое» от «своего»? Одна из возможностей состоит в том, что животное наследует гены, кодирующие рецепторы для чужих, но не для собственных антигенов, и поэтому его иммунная система генетически запрограммирована таким образом, чтобы отвечать только на чужеродные антигены. Другая возможность состоит в том, что иммунная система первоначально могла быть способна отвечать и на свои, и на чужие антигены, но в раннем периоде развития могла бы «научиться» не отвечать на свои. Было показано, что верна вторая из этих гипотез. Первым свидетельством в пользу этого явилось наблюдение, сделанное в 1945 г. Как правило, при пересадке ткани от одного индивидуума другому трансплантат распознается иммунной системой как чужеродный и отторгается. Оказалось, однако, что этого не происходит при пересадках кожи между дизиготными (развившимися из двух оплодотворенных яйцеклеток, т. е. неидентичны ми) коровамиблизнецами, которые во время внутриутробного развития могли обмениваться клетками крови вследствие спонтанного сращения их плацент. Эти результаты позднее были воспроизведены на курах (путем соединения кровеносных сосудов двух разных эмбрионов) и на мышах (путем введения новорожденным мышатам клеток селезенки от мышей другой линии - эти клетки выживали в течение большей части жизни мыши-реципиента). В обоих случаях, когда животные становились взрослыми, можно было пересаживать им ткань от временно присоединенной особи или от особидонора, и трансплантат приживался (рис. 18-11), тогда как ткани, пересаженные от других, контрольных животных, отторгались. Таким образом, постоянное присутствие чужих антигенов начиная с того времени, когда иммунная система еще к созрела, приводит к долговременной ареактивности по отношению к этим антигенам. Такое состояние индуцированной антиген-специфической неспособности к иммунному ответу получило название приобретенной иммунологической толерантности.

Есть убедительные данные в пользу того, что неспособность иммунной системы животного реагировать на свои собственные макромолекулы (естественная иммунологическая толерантность) приобретаете тем же самым путем - она не врожденная. Например, нормальные мыши не дают иммунного ответа на свой собственный белок крови - компонент комплемента С5 (разд. 18.5.1). Однако мутантные мыши, у которых нет кодирующего С5 гена (в остальном генетически идентичные нормальным мышам), могут давать иммунную реакцию на этот белок Таким образом, ясно, что иммунная система потенциально способна

227

Рис. 18-11. Показанный здесь кожный лоскут, трансплантированный взрослой белой мыши от взрослой коричневой мыши, выжил в течение многих недель только потому, что белую мышь сделали иммунологически толерантной, введя ей сразу после рождения клетки крови от коричневой мыши.

(С любезного разрешения Leslie Brent, из I. Roitt, Essential Immunology, 6th ed. Oxford, U.K.: Blackwell Scientific, 1988.)

реагировать на антигены собственного организма, но «обучается» не делать этого. По крайней мере в некоторых случаях процесс «обучения» включает элиминацию лимфоцитов, реагирующих на «свое» (разд. 18.6.17), но мы не знаем, как она происходит. Полагают, что многие из таких лимфоцитов элиминируются в первичных лимфоидных органах при встрече с антигеном. Подобный отрицательный ответ на антиген мог бы быть обусловлен специфическим окружением в этих органах или исключительной активностью новообразованных лимфоцитов. Возможно, из-за того, что новые реагирующие на «свое» лимфоциты продолжают вырабатываться из стволовых клеток в течение всей жизни, для поддержания естественной толерантности требуется постоянное присутствие «своих» антигенов. Если такой антиген, как С5, удалить, организм животного спустя недели или месяцы снова приобретает способность отвечать на него иммунной реакцией.

Толерантность к собственным антигенам иногда нарушается, что приводит к реакции Т- или В-клеток (или тех и других) на тканевые антигены собственного организма. Примером таких аутоиммунных заболеваний может служить миастения (myasthenia gravis). При этой болезни образуются антитела к ацетилхолиновым рецепторам на волокнах скелетных мышц (разд. 6.4.18); эти антитела препятствуют нормальному функционированию рецепторов. Такие больные страдают мышечной слабостью и могут умереть из-за недостаточной функции дыхательной мускулатуры.

18.1.10. Иммунологическую толерантность к чужеродным антигенам можно индуцировать и у взрослых животных

[10]

У взрослого животного создать иммунологическую толерантность к чужеродным антигенам, как правило, гораздо труднее, чем на ранней стадии развития. Но в отношении некоторых антигенов это можно сделать экспериментально, вводя антиген 1) в очень больших дозах, 2) многократно в очень малых дозах, 3) вместе с иммунодепрессантом или 4) внутривенно после химической сшивки антигена с поверхностью В- лимфоцитов или ультрацентрифугирования антигена с целью удалить все агрегаты (это делает неэффективными нормальные механизмы презентации антигена, см. разд. 18.6.10). Таким образом, связывание антигена с комплементарными ему рецепторами на Т- или В-лимфоцитах может либо стимулировать лимфоцит к делению и созреванию, в результате чего он превращается в активную клетку или клетку памяти, либо элиминировать или инактивировать лимфоцит, что приводит

228

к толерантности. Молекулярные механизмы, определяющие исход дела, изучены недостаточно. Вызовет ли антиген активацию или индуцирует толерантность, зависит главным образом 1) от степени зрелости лимфоцита, 2) от природы и концентрации антигена и 3) от сложных взаимодействий между лимфоцитами разных классов и между лимфоцитами и специализированными антиген-представляющими клетками, которые будут описаны позже.

Заключение

Иммунная система вырабатывалась в процессе эволюции позвоночных для защиты от инфекций. Она состоит из миллионов клонов лимфоцитов. Лимфоциты каждого клона несут на своей поверхности рецептор, позволяющий им связывать ту или иную «антигенную детерминанту»-определенную группировку атомов в молекуле антигена. Существуют два класса лимфоцитов: В-клетки, вырабатывающие антитела, и Т-клетки, которые осуществляют иммунные реакции клеточного типа.

Уже на ранних стадиях своего развития многие лимфоциты, реагирующие с антигенными детерминантами макромолекул собственного организма, элиминируются или инактивируются; в результате иммунная система в норме реагирует только на чужеродные антигены. Связывание чужеродного антигена с лимфоцитом вызывает иммунный ответ, направленный против этого антигена. При этом некоторые из лимфоцитов размножаются и созревают, превращаясь в долгоживущие клетки памяти, так что при вторичной встрече организма с тем же антигеном иммунный ответ развивается быстрее и оказывается более сильным.

18.2. Функциональные свойства антител [11]

Позвоночные животные быстро погибают от инфекции, если они неспособны вырабатывать антитела. Антитела защищают нас от инфекций, инактивируя вирусы или бактериальные токсины и мобилизуя систему комплемента и различные типы лейкоцитов, которые убивают внедрившиеся микроорганизмы и более крупных паразитов. Синтезируемые исключительно В-лимфоцитами, антитела вырабатываются в миллионах разновидностей, каждая со своей аминокислотной последовательностью и своим участком для связывания антигена. В совокупности называемые иммуноглобулинами (сокращенно Ig), они составляют один из главных белковых компонентов крови - по весу примерно 20% суммарного белка плазмы. В этом разделе мы рассмотрим пять классов антител, имеющихся у высших позвоночных, каждый из которых осуществляет после связывания антигена характерный биологический ответ.

18.2.1. Антиген-специфические рецепторы на В-клетках - это молекулы антител [12]

Как и предсказывает теория клональной селекции, все молекулы антител, производимые какой-то одной В-клеткой, имеют одинаковый антиген-связывающий участок. Первые антитела, синтезированные вновь образовавшейся клеткой, не секретируются; вместо этого они встраиваются в плазматическую мембрану, где служат рецепторами для антигена. Каждая В-клетка имеет на своей плазматической мембране приблизительно 105 таких молекул.

Когда антиген присоединяется к молекулам антител на поверхности виргильной В-клетки или В-клетки памяти, это обычно инициирует сложную цепь событий, приводящую к клеточной пролиферации и со-

229

зреванию клеток памяти или активных (секретирующих антитела) клеток. Активные клетки вырабатывают большие количества растворимых (не связанных с мембраной) антител с тем же антиген-связывающим участком, что и у антител на клеточной поверхности, и выделяют эти антитела в кровь. Активные В-клетки могут начать секретировать антитела, будучи еще малыми лимфоцитами, но конечная стадия этого пути дифференцировки - большая плазматическая клетка (см. рис. 18-4, В), которая выделяет антитела со скоростью около 2000 молекул в секунду. По-видимому, плазматические клетки используют для производства антител столь значительную часть мощности своего белок-синтезирующего аппарата, что не способны к дальнейшему росту и делению и через несколько дней погибают.

18.2.2. Можно стимулировать выработку антител В-клетками в культуральной чашке [13]

В 60-х годах были достигнуты успехи, открывшие новые пути изучения В-клеток. Первым из них была разработка метода локального гемолиза,

который позволил идентифицировать и подсчитывать индивидуальные активные В- клетки, вырабатывающие антитела к определенному антигену. В простейшем варианте этого метода берут лимфоциты (обычно из селезенки) у животного, иммунизированного бараньими эритроцитами (БЭ). Их помещают затем в агар вместе с избытком БЭ. В результате на чашке получается «газон» из иммобилизованных БЭ с вкраплением лимфоцитов. В этих условиях клетки не могут передвигаться, но любые выделяемые В-клеткой антитела будут диффундировать и покрывать поверхность всех БЭ, находящихся поблизости. Такие покрытые антителами эритроциты можно лизировать, добавив комплемент (разд. 18.5). Таким образом, присутствие каждой выделяющей антитела клетки обнаруживается по прозрачному пятну («бляшке») в темном слое БЭ. Аналогичный метод можно использовать для подсчета клеток, вырабатывающих антитела к другим антигенам, таким как белки или полисахариды, если присоединить эти антигены к поверхности бараньих эритроцитов.

Вторым важным успехом было установление того факта, что можно заставить В- клетки вырабатывать антитела, приводя их в контакт с антигеном в культуре, где можно контролировать взаимодействия клеток и условия среды. В результате удалось выяснить, что для стимуляции секреции антител В-лимфоцитами под действием большинства антигенов необходимы еще Т-лимфоциты и специализированные антиген-представляющие клетки; происходящие при этом межклеточные взаимодействия будут описаны позже (разд. 18.6.12).

18.2.3. Антитела имеют два идентичных антиген-связывающих участка [11]

Простейшие молекулы антител имеют форму буквы Y с двумя идентичными антигенсвязывающими участками - по одному на конце каждой из двух «ветвей» (рис. 18-12). Поскольку таких участков два, эти антитела называют бивалентными. Такие антитела могут сшивать молекулы антигена в обширную сеть, если каждая молекула антигена имеет три или большее число антигенных детерминант (рис. 18-13). Достигнув определенных размеров, такая сеть выпадает из раствора. Тенденция больших иммунных комплексов к осаждению (преципитации) удобна для выявления антител и антигенов. Эффективность реакций связывания и сшивания антигена значительно возрастает благодаря гибкому шар-

Рис. 18-13. Поскольку антитела имеют два идентичных антиген-связывающих участка, они могут сшивать антигены. Типы образующихся комплексов антиген-антитело зависят от числа антигенных детерминант у антигена. Здесь показано связывание антитела одного вида (моноклонального антитела) с антигенами, имеющими одну, две или три одинаковые антигенные детерминанты. Антигены с двумя детерминантами могут образовывать с антителами небольшие циклические комплексы или линейные цепи, а антигены с тремя или большим числом детерминант могут формировать обширные трехмерные сети, легко выпадающие в осадок.

230

Рис. 18-14. Шарнирный участок молекулы антитела повышает эффективность связывания молекул антигена и сшивания их друг с другом

нирному участку антитела: он позволяет изменять расстояние между двумя антиген-связывающими участками (рис. 18-14).

Защитное действие антител объясняется не просто их способностью связывать антиген. Они выполняют и целый ряд других функций, в которых участвует «хвост» Y-образной молекулы. Эта область молекулы определяет, что произойдет с антигеном, когда он будет связан. Благодаря особенностям биосинтеза иммуноглобулинов антитела с одинаковыми антиген-связывающими участками могут иметь весьма разные «хвостовые» области (разд. 18.4.7), каждая из которых придает антителам особые функциональные свойства, например способность активировать комплемент (разд. 18.5.1) или присоединяться к фагоцитирующим клеткам (разд. 18.2.5).

18.2.4. Молекула антитела состоит из двух идентичных легких цепей и двух идентичных тяжелых цепей [14]

Основную структурную единицу в молекуле антитела образуют четыре полипептидные цепи - две идентичные легкие (L-цепи, каждая примерно из 220 аминокислот) и две идентичные тяжелые (Н-цепи, каждая примерно из 440 аминокислот). Все четыре цепи соединены между собой нековалентными и ковалентными (дисульфидными) связями. Молекула состоит из двух одинаковых половинок, имеющих идентичные антиген-связывающие участки; связывающая антиген поверхность обычно образуется при участии одной L- и одной Н-цепи (рис. 18-15).

Протеолитические ферменты папаин и пепсин расщепляют молекулы антител на различные характерные фрагменты. Папаин дает два отдельных идентичных Fab-фрагмента (Fab - сокращение слов fragment antigen binding), каждый из которых обладает одним антигенсвязывающим участком, и один Fc-фрагмент (Fc означает «кристаллизующийся фрагмент», от crystallizable). Пепсин дает один крупный F(аb')2- фрагмент, состоящий из двух ковалентно связанных F(аb')-фрагментов (каждый из которых немного больше, чем Fab-фрагмент), и много мелких фрагментов (рис. 18-16). Поскольку F(аb')2-фрагменты бивалентны, они в отличие от моновалентных Fab-фрагментов сохраняют способность сшивать антигены и образовывать преципитаты. Ни один из этих

Рис. 18-15. Типичная молекула антитела состоит из двух идентичных тяжелых (Н) и двух идентичных легких (L) цепей. Обратите внимание, что антиген-связывающие участки формируются за счет комплекса N-концевых областей L-и Н- цепей, а «хвостовую» и шарнирную области образуют только Н-цепи. Каждая Н-цепь содержит одну или несколько олигосахаридных (углеводных) цепочек, функция которых не известна.