системы высокоспецифичного приобретенного иммунитета

Межфакультетские учебные курсы МГУ - 2015/2016 учебный год
Беседы об иммунологии
vk.com/msu_immunology
Беседа 3
Лимфоциты - "бойцы" системы
высокоспецифичного приобретенного
иммунитета
30 сентября 2015 г
Дмитрий Владимирович Купраш
Институт молекулярной биологии им. В.А.Энгельгардта РАН
Кафедра иммунологии биофака МГУ
[email protected]
Контрольные вопросы
1. Отличительные черты приобретенного иммунитета.
2. Как связаны количество генов в геноме и необходимость
клональной селекции лимфоцитов.
3. Развитие и отбор наивных лимфоцитов в первичных
лимфоидных органах.
4. Вторичные лимфоидные органы и чем там заняты лимфоциты.
5. Молекулы MHCI. Презентация внутриклеточных белков Ткиллерам.
6. Молекулы MHCII. Презентация фрагментов патогенов Тхелперам.
7. Кросс-презентация внеклеточных антигенов на MHCI - механизм
защиты от опухолей и некоторых инфекций.
8. Что требуется от Т-лимфоцита для прохождения положительной
и отрицательной селекции.
9. Какие сигналы требуются для полноценной активации Тлимфоцита.
Иммунная система основана на иерархии постоянно
обновляемых популяций специализированных клеток
Стволовая
кроветворная
клетка
Общий лимфоидный
предшественник
Общий миелоидный
предшественник
1
2
1
(тучная
клетка)
7
3
4
5
4
6
3
2
8
Dendritic cell
5
6
7
8
Иммунная система основана на иерархии постоянно
обновляемых популяций специализированных клеток
Стволовая
кроветворная
клетка
Общий миелоидный
предшественник
(тучная
клетка)
Общий лимфоидный
предшественник
NK cell
LTi cell
T lymphocyte
gdT, NKT
ILC1
ILC2
ILC3
"Innate-like lymphocytes"
B lymphocyte
B1, MZB
Dendritic cell
Многие клетки лимфоидного происхождения выполняют функции, связанные
с врожденным иммунитетом: поддержание равновесия с микробиотой,
регуляция гомеостаза нормальных тканей, реакция на стресс
Иммунная система основана на иерархии постоянно
обновляемых популяций специализированных клеток
Каждая клетка несет в себе полный
комплект наследственной информациии
данного вида – геном. Геном построен из
дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК)
и представляет собой «дистрибутив»,
содержащего длинный (3 гигабайта)
одномерный текст со встроеннной
функцией двойного «зеркалирования»
(вторая цепь ДНК представляет собой
копию первой, в клетке содержатся две
копиии генома).
Алфавит ДНК состоит из 4 букв (Т - дезоксиТимидин, C – дезосксиЦитидин, G дезоксиГуанин, A - дезоксиАденозин), основная задача ДНК – сохранять наследственнную
информацию в неприкосновеннности. При каждом делении клетка должна синтезировать
полную копию всего генома, поэтому его размер не может неограниченно увеличиваться.
Диаметр двойной спирали ДНК – 2 нанометра. Длина ДНК, содержащейся в одной клетке
(если все хромосомы вытянуть и выстроить друг за другом) – около 2 метров.
Геном состоит из генов – участков ДНК, кодирующих белки. Кодирование основано на 3-хбуквенном вырожденном алфавите (4*4*4=64 комбинациям нуклеотидов соответствует 20
аминокислот) – это называется «трансляция». В качестве промежуточного носителя
информации синтезируется («транскрибируется») рибонуклеиновая кислота (РНК) –
временная копия гена, пригодная для трансляции. Наличие в клетке РНК даннного гена
является показателем его активности. Весь набор активных генов (и соответствующих им
РНК) - «транскриптом» - отражает специализацию и функциональное состояние клетки.
ДНК
Транскрипция
Трансляция
("переписывание",
"копирование")
("перевод")
РНК
Белок
На геном можно смотреть как на «поваренную книгу», содержащую гены - рецепты белков.
Количество этих рецептов не превышает 30 тысяч – «на всё про всё», включая структуру,
ферменты, регуляцию, передачу сигнала и т.д. Самые большие семейства однотипных
генов – гены рецепторов запаха и сигнальных ферментов киназ (по нескольку сотен штук
каждое). Однако втиснуть в геном готовые рецепты для всех специфических иммунных
структур – нереально. Лимфоцитам приходится нарушать центральную догму
молекулярной биологии: из всего нескольких генов (правда, весьма больших и сложно
устроенных) получать миллионы различных белковых продуктов.
10 мкм
1 мкм
Лимфоцит
Бактерия
100 нм
Вирус
Клетки иммунной системы намного крупнее большинства своих оппонентов. Внешняя
клеточная мембрана представляет собой весьма прочную структуру, она надежно
изолирует внутреннюю среду клетки и «без приказа» не пропускает практически ничего даже воду. Поэтому для передачи наружу или внутрь любых сигналов клетке
необходимы специализированные, находящиеся в мембране белки – рецепторы.
Каждый такой рецептор кодируется своим геном. Управляя активностью гена, клетка
контролирует появление на своей мембране соответствующего рецептора. Сигналом,
активирующим рецептор, является связывание с ним лиганда - чаще всего (но не
обязательно) другого белка, синтезируемого какой-то другой клеткой.
Цитокины - небольшие пептидные сигнальные
(управляющие) молекулы, участвующие в
биорегуляции, хеморегуляции и иммунорегуляции,
которые секретируются неэндокринными клетками
(в основном, иммунными) и оказывают местное
воздействие на соседние клетки-мишени,
взаимодействуя с рецепторами на
их клеточной мембране.
На схеме показаны
основные цитокины,
управляющие
кроветворением и
дифференцировкой
клеток иммунной
системы.
Масштаб происходящих при иммунном ответе
клеточных и молекулярных событий существенно
отличается от того, что обычно изображают на схемах.
Лимфоцит
10 мкм
1 мкм
Бактерия
(стафилококк)
100 нм
Вирус
(грипп)
25 нм
Белок
(антитело)
Свойства приобретенного иммунитета
Приобретенный = адаптивный = специфический иммунитет
включается при наличии в организме достаточного количества
чужеродного «агента» и одновременной активации врожденного
иммунитета (это означает, что агент был распознан как чужой,
однако с его удалением врожденный иммунитет не справился).
Свойства приобретенного иммунитета:
- высокая специфичность
- способность к полному удалению патогена
- иммунологическая память
Такой иммунитет является приобретенным еще и в том смысле,
что мы не рождаемся с ним: адаптивный иммунитет
новорожденных очень слаб, для созревания ему требуется
несколько месяцев.
Главные клетки системы приобретенного
иммунитета - Т и В лимфоциты
Гланды
Тимус
Лимфоузлы
Лимф.
сосуды
Селезенка
Развитие (=деление и дифференцировка, т.е. решение,
"кем стать") для иммунных клеток начинается в
костном мозге. Предшественники Т-лимфоцитов
мигрируют в тимус и развиваются там (отсюда "Т").
Аппендикс
Костный
мозг
В-лимфоциты млекопитающих все свое развитие
проходят в костном мозге (bone marrow), а у птиц в Фабрициевой сумке ("bursa", отсюда "B").
Костный мозг и тимус - первичные лимфоидные органы, своего
рода "полицейская академия" для специализированных иммунных
клеток. Их покидают так называемые наивные лимфоциты, уже
снабженные "фотороботом" будущего преступника, но пока не
имевшие возможности с ним встретиться.
Лимфатическая система
Наивные лимфоциты мигрируют во вторичные лимфоидные
органы, т.е. отправляются на "патрулирование". Туда же
отправляются активированные дендритные клетки, несущие
фрагменты патогенов ("процессированные антигены") и
производящие белки (молекулы ко-стимуляции, цитокины),
которые сообщают об активации врожденного иммунитета.
Гланды
Тимус
Лимфоузлы
Лимф.
сосуды
После встречи со специфическим антигеном ("преступник"
совпадает с выданным в костном мозге или тимусе
фотороботом), и при условии достаточно сильного сигнала
врожденного иммунитета (охрана и свидетели подтверждают,
что субъект покушался на общественный порядок) лимфоцит
активируется. Происходит многократное деление клетки,
приводящее к появлению популяции эффекторных
лимфоцитов (одинокий патрульный превращается в
опергруппу с широкими полномочиями) с идентичной
антигенной специфичностью (фоторобот был один, всем
сделали копии).
Селезенка
Аппендикс
Костный
мозг
В процессе иммунного ответа формируются долгоживущие
клетки памяти. Это - опытные полицейские, готовые при
встрече со своим старым знакомым обезвредить его быстро,
эффективно и без лишнего шума.
Лимфатическая система
Т-лимфоциты бывают нескольких типов:
- Т-киллеры, или цитотоксические Т-лимфоциты, CTL
- Т-хелперы нескольких разных подтипов (Th1, Th2, Th17, Tfh)
- регуляторные Т-клетки, Treg.
Гланды
Тимус
Т-киллеры непосредственно уничтожают зараженные клетки.
Лимфоузлы
Т-хелперы координируют иммунный ответ, взаимодействуя с
клетками врожденного иммунитета и передавая сигналы Ткиллерам и В-лимфоцитам при помощи рецепторов
костимуляции и цитокинов.
Лимф.
сосуды
Селезенка
Регуляторные Т-клетки ограничивают и при необходимости
подавляют иммунный ответ.
Аппендикс
Основная функция В-лимфоцитов - распознавать антигены и
производить антитела. В-лимфоцит, активно производящий
антитела, называется плазматической клеткой.
Костный
мозг
Клетки памяти могут формироваться, по-видимому, из всех
основных популяций лимфоцитов.
Сейчас активно исследуются популяции лимфоцитов,
напоминающие клетки врожденного иммунитета ("innate-like
lymphoid cells", ILC): NK, NKT, gdT, LTi, B1, MZB. Они
относительно малочисленны и не определяются при
стандартном анализе крови, но очень важны для эффективного
взаимодействия врожденного и адаптивного иммунитета.
Лимфатическая система
Клональная селекция лимфоцитов
Из клетки-предшественника развивается
большое количество лимфоцитов,
каждый - со своей "случайной"
специфичностью
Клональная селекция лимфоцитов
Из клетки-предшественника развивается
большое количество лимфоцитов,
каждый - со своей "случайной"
специфичностью
Аутореактивные
лимфоциты
удаляются в
процессе
клональной
селекции
Клональная селекция лимфоцитов
Из клетки-предшественника развивается
большое количество лимфоцитов,
каждый - со своей "случайной"
специфичностью
Аутореактивные
лимфоциты
удаляются в
процессе
клональной
селекции
Лимфоциты,
специфичные к
чужеродным
антигенам,
активируются,
пролиферируют и
дифференцируются
Постулаты теории клональной селекции
1. Каждый лимфоцит несет рецептор единственного типа и
уникальной специфичности.
2. Высокоаффинное взаимодействие рецептора с
чужеродной молекулой приводит к активации лимфоцита
3. Специфичность рецептора сохраняется в процессе
пролиферации и дифференцировки
4. Лимфоциты с рецепторами, специфичными к
собственным антигенам, удаляются на ранней стадии
дифференцировки
Антигенраспознающие рецепторы лимфоцитов
(структурная схема)
H
L
H
L
Антиген-связывающая
вариабельная часть
(Fab фрагмент) распознавание
антигена
Константная часть
(Fc фрагмент) эффекторные функции.
Узнается Fc-рецепторами.
В-клеточный рецептор
(B-cell receptor, BCR)
a
b
T-клеточный рецептор
(T-cell receptor, TCR)
Антигенраспознающие рецепторы лимфоцитов
(структурная схема)
H
L
H
L
Антиген-связывающая
вариабельная часть
(Fab фрагмент) распознавание
антигена
Антитело
Константная часть
(Fc фрагмент) эффекторные функции.
Узнается Fc-рецепторами.
a
b
T-клеточный рецептор
(T-cell receptor, TCR)
Распознавание антигенов антителами
Антиген - вещество, способное вызывать
образование антител. В более широком
смысле - способное к специфическому
взаимодействию с BCR и/или с TCR.
Эпитоп - в случае BCR, участок антигена,
непосредственно контактирующий с
антителом.
Эпитопы
Антиген
Иммуноген - вещество, способное вызывать
иммунный ответ само по себе. Все
иммуногены являются антигенами, обратное
утверждение неверно.
Аллерген - антиген, вызывающий
аллергическую реакцию.
3D структура антитела
(на примере IgG)
VL
CL
CL
VH
VL
CH1
CH2
Каждая
полипептидная
цепь окрашена
своим цветом
CH3
PDB code: 1IGT
3D структура антитела
(на примере IgG)
VL
CL
CL
VH
CH1
CH2
Каждая
полипептидная
цепь окрашена
своим цветом
VL
Два
идентичных
антигенсвязывающих
центра
CH3
PDB code: 1IGT
Распознавание антигенов Т-клетками
Т-клетки узнают линейные пептидные эпитопы, которые могут находиться в
любой части молекулы белка, не обязательно на поверхности
Антигенный пептид образуется в ходе протеолитического расщепления
молекулы белка
Пептид представляется на поверхности клетки в комплексе с молекулой MHC (у
мышей, "major histocompatibility complex", произносится "эм-эйч-си". У человека
называется HLA ("human leukocyte antigen"), произносится "эйч-эл-эй")
Именно такой комплекс и является лигандом для TCR.
Ко-рецепторы Т-лимфоцитов, CD4 и CD8,
связываются с MHC разных классов
Клетка-мишень
Антиген-презентирующая
клетка
MHC II
MHC I
Т-киллер
Т-хелпер
Цитотоксические Т-клетки несут на поверхности ко-рецептор CD8,
который обеспечивает узнавание антигенов в комплексе с MHCI на
поверхности клеток-мишеней
Т-хелперы, экспрессирующие ко-рецептор CD4, узнают антигены в
комплексе с MHCII на поверхности антиген-презентирующих клеток
Суперантигены активируют Т-лимфоциты независимо от
специфического TCR распознавания
Суперантигенами являются некоторые белки, кодируемые бактериями
и вирусами. Они активируют до 20% всех Т-клеток, что приводит к
чрезмерной продукции цитокинов и подавлению адаптивного
иммунитета. Пример - стафилококковый энтеротоксин.
MHCI презентация ("витрина")
Цитоплазма
Протеасома
Ядро
Сборка молекулы MHCI из a-цепи и b2-микроглобулина осуществляется в эндоплазматической сети
(ЭПС) с участием специализированных белков-помощников - шаперонов.
Предсобранная молекула MHCI связывается с белками TAP (transporters associated with antigen
processing). Ненужные цитоплазматические белки и продукты неудачной трансляции (defective
ribosomal products, DRiPs) направляются для деградации в протеасому.
Пептиды транспортируются в ЭПС при помощи белков-транспортеров TAP.
Пептиды связываются с MHCI и представляются на внешней мембране путем экзоцитоза.
MHCII презентация
(стенд "их разыскивает милиция")
CLIP
Эндоплазматическая сеть
Инвариантная цепь (Ii) образует тример с a и b цепями MHCII, блокируя связывание эндогенных
пептидов.
В кислой эндосоме инвариантная цепь расщепляется, оставляя в комплексе с MHCII короткий
пептид CLIP* (class 2-associated invariant chain peptide).
Антигены, попавшие в эндосому снаружи, деградируют до пептидов.
Молекула HLA-DM связывается с MHCII, изменяя ее конформацию и освобождая от CLIP.
Экзогенные пептиды связываются с MHCII и отправляются на поверхность путем экзоцитоза.
* Rudensky A.Yu., Preston-Hurlburt P., Hong S.C., Barlow A., Janeway C.A. Jr. Sequence analysis of peptides
bound to MHC class II molecules. Nature. 1991 Oct 17;353(6345):622-627
Кросс-презентация
Кросс-презентация необходима
для цитотоксического ответа на
вирусы, не заражающие антигенпрезентирующие клетки, а также
на злокачественные опухоли.
В процессе кросс-презентации
антиген-презентирующие клетки
представляют антигенные
пептиды в комплексе с
молекулами MHCI, а не MHCII
Молекулы MHC человека демонстрируют
исключительно высокий полиморфизм
Сколько вариантов гена
найдено в человеческой
популяции
Различные гены MHCII
и
MHCI
Современные методы молекулярной биологии позволяют исследовать структуру
молекул MHC, просто определяя последовательность кодирующих их генов у большого
количества людей. Такие исследования были проведены и обнаружили в человеческой
популяции сотни и тысячи различных вариантов молекул MHC, особенно MHCI. Это - с
большим отрывом самое полиморфное семейство генов, которые у нас есть.
Резюме по представлению антигенов Т-клеткам:
•
Т-лимфоциты распознают фрагменты антигенов только в комплексе с
молекулами MHC (исключение - суперантигены)
•
На MHCI представляются внутриклеточные пептиды любых клеток,
которые узнаются CD8+ Т-киллерами; на MHCII антигенпрезентирующие клетки представляют фрагменты внеклеточных
патогенов, которые узнаются CD4+ Т-хелперами (важнейшее
исключение - кросс-презентация)
•
Молекулы MHC настолько полиморфны, что репертуар Т-клеточных
эпитопов фактически уникален для каждого индивидуума. Это
обстоятельство имеет огромное значение для выживания популяции,
т.к. для любого нового антигена найдется достаточно комбинаций
молекул MHC, способных эффективно представить его Т-лимфоцитам
•
То же самое обстоятельство обуславливает широкий диапазон
индивидуальных реакций на инфекции и различную генетическую
предрасположенность к аутоиммунным реакциям
•
Несовпадение наборов MHC у разных людей создает большие
сложности при трансплантации органов
Расположение генов TCR и BCR в геноме человека
(TCR = T-Cell Receptor, BCR = B-Cell Receptor)
Гены, кодирующие антигенные
рецепторы Т и В лимфоцитов,
расположены в нескольких
компактных локусах на разных
хромосомах. Все гены TCR и BCR
имеют сходное устройство и
содержат несколько групп
вариабельных генных сегментов,
а также генные сегменты,
кодирующие константные части
белковых цепей.
2
7
14
14
22
7
Перестройка генов тяжелых цепей иммуноглобулинов человека и мыши
Подготовка
случайных
"фотороботов"
В-лимфоцит №1
В-лимфоцит №2
В-лимфоцит №3
И так далее...
BCR
V = "variable"
D = "diversity"
J = "joining"
Вместе
получается V(D)J
Антиген
Соматический гипермутагенез и переключение изотипов
Соматический гипермутагенез
Переключение изотипов антител
Герминальный центр
(в селезенке или в
лимфоузле)
Клетка
памяти
Активированная
В-клетка
Плазматическая
клетка
Для Т-клеток перестройки ДНК заканчиваются в тимусе.
Активированную B-клетку еще ждет соматический гипермутагенез, приводящий к
повышению аффинности, и переключение изотипов антител.
Добавление в ДНК мутаций при недостаточном контроле может приводить (и
приводит) к появлению раковых клеток. На самом деле, Т- и В-клеточные лимфомы
(особенно В-клеточные) являются нашей платой (приемлемой с точки зрения
эволюции) за возможность иметь эффективный адаптивный иммунитет.
Адаптивный иммунитет в эволюции
Наш адаптивный иммунитет появился 500 млн лет
назад у челюстноротых и стал ценным
приобретением, постепенно усложняясь.
У бесчелюстных возникла
концептуально похожая,
но независимая система,
собранная из других
молекулярных
деталей.
(челюстноротые)
(бесчелюстные)
(хордовые)
RAG
500 млн
лет назад
Некоторые
особенно удачные
компоненты были
использованы неоднократно.
Например, RAG (гены,
активирующие рекомбинацию),
однажды появившись, больше
не исчезали, а AID (индуцированная
активацией деаминаза) участвует
и в генной конверсии у челюстноротых,
и в перестройках генов у бесчелюстных,
и в созревании аффинитета у теплокровных.
Тимус - "полицейская академия" Т-лимфоцитов
Клетки - ранние предшественники Т-лимфоцитов - мигрируют в
тимус из костного мозга. Находящаяся в тимусе незрелая Тклетка - тимоцит - перемещается внутри органа, постоянно
взаимодействуя с тимусной стромой - "выстилающими" тимус
эпителиальными клетками и АПК. Взаимодействие со стромой
обеспечивает сигналы, необходимые для созревания и
клональной селекции. Более 95% тимоцитов погибает, не
пройдя какую-либо из стадий отбора.
Самые стойкие и достойные отправляются на патрулирование.
Кол-во клеток
Центральная селекция лимфоцитов - "золотая середина"
Тимоциты с рецептором,
не имеющим достаточного
сродства к MHC, погибают
из-за отсутствия сигнала к
выживанию ("death by
neglect")
Промежуточное сродство к MHC приводит к успешной селекции.
Станет ли клетка хелпером или киллером, зависит от того, с
каким MHC, I или II, лучше взаимодействует ее рецептор. Для
решения этого вопроса клетки проходят специальную стадию
развития, когда на поверхности есть и CD4, и CD8. Таких
"двойных позитивных" среди тимоцитов - около 80%.
Тимус
Сродство
TCR к MHC
Чрезмерное сродство к MHC приводит
к гибели в медуллярной зоне тимуса.
Представлением собственных
антигенов управляет специальный
транскрипционный фактор AIRE.
Часть CD4 клеток с высоким сродством
к MHC превращается в регуляторные
клетки. Механизм выбора между
регуляторной дифференцировкой и
негативной селекцией пока
недостаточно изучен.
Логика селекции В-лимфоцитов в костном мозге - проще. Во-первых, в распознавании антигена не участвует
MHC, поэтому позитивной селекции вообще нет. Во-вторых, возможное распознавание собственных
антигенов ограничено теми, что имеются на поверхности клеток - в основном это собственные молекулы
MHC, гликопептиды эритроцитов и некоторые другие мембранные молекулы.
Селекция лимфоцитов продолжается на периферии. Задача - достичь баланса между толерантностью к
собственной микробиоте и эффективным ответом на патогенные микроорганизмы.
Позитивная селекция
TCR вообще не
подходит к MHC!
Такой курсант для
нас бесполезен
Негативная селекция
Распознавание
собственного
антигена!
А такой курсант
для нас опасен
Активация лимфоцитов
антиген
антиген
антиген
Информация об активации рецептора должна
быть передана с мембраны клетки в ядро. Для
этого используются различные сигнальные
белки, последовательно модифицирующие друг
друга - "сигнальные каскады".
Самым распространенным и важным
молекулярным сигналом является фосфат остаток фосфорной кислоты. Присоединение
фосфата к белку называется фосфорилированием,
фермент, катализирующий эту реакцию - киназой.
Киназные и другие сигнальные каскады
заканчиваются активацией транскрипционных
факторов. Они способны связываться с
определенными последовательностями
нуклеотидов в ДНК и активировать находящиеся
поблизости гены. Семейства транскрипционных
факторов, наиболее важные для иммунитета:
NFkB (врожденный иммунитет и лимфоциты),
NFAT (лимфоциты), STAT (цитокины), IRF
(цитокины и врожденный иммунитет).
Киназные каскады могут ветвиться, сливаться и
амплифицироваться. Это позволяет клетке
измерять силу активирующего сигнала и
интегрировать сигналы из разных источников.
Ко-стимуляция Т-лимфоцитов
АПК передают наивным Тклеткам три типа сигналов
Получив сигналы от АПК, CD4
клетка производит CD40L и IL2
CD4 Тклетка
CD8 Тклетка
АПК
АПК
CD4 Т-клетка
АПК получает CD40 сигнал и
стимулирует CD8 клетку.
IL2 действует напрямую
CD4 Тклетка
Активация
Выживание
Дифференцировка
CD8 Тклетка