2. Казеева Т.Н., Шевелев А.Б. Иммуноглобулины A
advertisement
Иммуноглобулины A: от структуры к функции Казеева Т.Н., Шевелев А.Б. 1 Институт биохимии им. А. Н. Баха РАН, Москва Традиционно функцию иммуноглобулинов А (IgA) – основного типа секретируемых антител, сводят с связыванию антигенов, расположенных на внешней стороне базальной мембраны эпителия. По этой причине до настоящего времени исследователями не предпринимались лишь отдельные эксперименты по изучению эффекторных механизмов целенаправленного уничтожения мишеней, опсонизированных IgA. Вместе с тем, ряд косвенных наблюдений за поведением инфекционных агентов, проникающих в ткани и кровь из внешней среды, позволяют высказать предположение о возможности существования таких механизмов (по аналогии с IgG или IgM-зависимой активацией комплемента и натуральных киллеров). В рамках настоящего обзора мы поставили целью проанализировать те детали строения IgA, которые могли бы оказаться важными с точки зрения вскрытия IgA-зависимых эффекторных функций иммунной системы человека и животных. Особое внимание уделено исследованию возможности передачи сигнала о связывании антигена в активном центре IgA с Fab на Fc-супердомен. С точки зрения расширения функциональных возможностей иммунитета по защите организма рассматривается и вопрос о различиях в организации подклассов IgA – IgA1 и IgA2. Ключевые слова: секреторный иммунитет, IgA, антитела, комплемент, эффекторы Краткое название статьи: Иммуноглобулины А 1 автор для переписки: Институт биохимии им. А. Н. Баха РАН, 119071, Москва, Ленинский проспект, 33, строение 2, тел: (495) 954-30-66 E-mail: shevelev@inbi.ras.ru Использованные сокращения: а.о. – аминокислотный остаток CНα (Cα) – константный домен тяжелой (α) цепи IgA Fab – вариабельный антиген-связывающий супердомен Ig Fc – константный супердомен Ig FcαR – рецептор, специфичный для Fc супердомена IgA Fd - компонент тяжелой цепи Fabα-фрагмента Ig – иммуноглобулин SC – секреторный компонент Ig S-IgA – секреторная форма IgA VН – вариабельный домен Ig В области строения и механизма действия IgA и секреторного иммунитета остается ряд нерешенных фундаментальных проблем, касающихся, в первую очередь, управления изотипической принадлежностью антител, функционирования эффекторных механизмов секреторного иммунитета, глубоких различий в идиотипическй специфичности антител в составе различных секретов одного организма. В рамках данного обзора мы стремились суммировать данные о структуре, биосинтезе и функционировании IgA человека и животных, разграничив при этом (1) твердо установленные факты; (2) высказанные гипотезы и проблемы, пути решения которых остаются неясными. Ниже мы представили список основных вопросов, обсуждаемых в настоящем обзоре. 1. Проблемы, нашедшие экспериментальное решение: 1.1. В области структурной организации IgA: 1.1.1. Первичная и субъединичная структура IgA1 и IgA2, содержание IgA обоих изотипов в мономерной и димерной форме в крови; 1.1.2. Доменная организация тяжелой цепи IgA в пределах Fc и Fd районов, особенности первичной структуры шарнирной области IgA1 и IgA1 у человека, приматов и лабораторных животных. 1.1.3. Возможные сайты связывания тяжелой цепи IgA с J-цепью и секреторным компонентом (SC). 1.2. В области биосинтеза и биораспределения IgA: 1.2.1. Механизм клонально-селекционной индукции В-клеток и их превращение в плазматические клетки, непосредственно продуцирующие IgA. 1.2.2. Механизм димеризации IgA с участием J-цепи. 1.2.3. Механизм транспорта IgA в серозно-слизистые секреты, сайты связывания рецептора полимерных IgA (SC); различия в представленности изотипов IgA в крови и секретах. 1.3. В области функционирования IgA в качестве распознающего элемента системы гуморального иммунитета: 1.3.1. Примеры антигенов, вызывающих ответ в форме IgA. 1.3.2. Особенности расположения антиген-связывающих центров IgA по сравнению с Ig других классов. 1.3.3. Эффекторные системы иммунитета, рестрицированные по IgA: индукция дыхательного взрыва в нейтрофилах путем взаимодействия IgA со специфическим рецептором α-цепей (FcαR). 1.4. В области подавления активности IgA специфическими факторами патогенов: 1.4.1. Расщепление IgA1 специфическими IgA-протеазами менингококков, гонококков, H. influenzae и стрептококков. 1.4.2. Расщепление IgA неспецифической протеазой P. mirabilis; 1.4.3. Блокировка рецептор-связывающего центра в Fc-супердомене IgA специфическими IgA-связывающими белками стрептококков и стафилококков. 2. Нерешенные проблемы, имеющие непосредственное отношение в области секреторного иммунитета: 2.1. В области структурной организации IgA: 2.1.1. Возможность конформационных перестроек Fc-супердомена IgA, индуцированных связыванием антигена. 2.1.2. Возможность конформационных перестроек Fc-супердомена IgA, индуцированных связыванием с рецепторами различных типов, а также SC. 2.1.3. Причины и следствия многовариантности способа связывания мономерных IgA с J-цепью. 2. В области биосинтеза и биораспределения IgA: 2.2.1. Механизм переключения изотипов, приводящий к индукции образования IgA в ходе клональной селекции B-клеток: роль эпитопной специфичности антигена и пути его доставки в организм. 2.2.2. Механизмы селекции IgA в ходе транспорта в серозно-слизистые секреты по изотипам и идиотипам, в том числе, в зависимости от тканевой специфики и градиентов концентрации антигена. 2.2.3. В области функционирования IgA в качестве распознающего элемента системы гуморального иммунитета: 2.3.1. Типы эффекторов, рестрицированных по IgA, в том числе, системы, детектирующие факт связывания антигена активным центром IgA. 2.3.2. Функциональные различия в поведении мономерных и полимерных, а также сывороточных и секреторных IgA обоих изотипов. Зависимость эффекторов, рестрицированных по IgA, от наличия J-цепи и SC в составе IgA. 1. Структурная организация IgA 1.1. Первичная структура тяжелых цепей IgA Анализируя структурную организацию класса IgA, необходимо в первую очередь указать на существование в его составе двух изотипов (субклассов): IgA1 и IgA2 [1], образующихся в результате альтернативного сплайсинга общего первичного транскрипта [2]. Структура константной области тяжелой цепи IgA1 инвариантна в пределах всей человеческой популяции. Напротив, IgA2 представлена тремя возможными аллотипами: IgA2m(1), IgA2m(2) и IgA2(n). Первичная структура IgA1 и IgA2 человека и других видов идентична на всем протяжении за исключением шарнирной области между Сα1 и Сα2 доменами (рис. 1) [1]. В IgA1 уникальная область имеет длину 18 а.о. (от Pro223 по Ser240), в том числе дважды повторенный мотив из 8 а.о., обогащенный остатками Pro: (-Thr-Pro-Pro-Thr-Pro-Ser-ProSer-)2 [3]. Уникальная область IgA2, занимающая то же положение, имеет длину 5 а.о. Pro (т.е. она на 13 а.о. короче, чем в IgA1). C точки зрения вторичной структуры белка в шарнирную область IgA, как правило, включают остатки с Val222 по Pro244 [4], либо с Val222 по Ser238 [5]. При этом принципиальным моментом является наличие в «спорной» зоне двух остатков Cys (241 и 242), которые могут принимать участие в образовании дисульфидных связей между противоположными α-цепями. В результате, авторы по-разному трактуют вопрос о наличии Cys в составе шарнира. Необходимо отметить также, что результаты картирования шарнирной области, полученные иммунологическими методами, могут давать расхождения с результатами анализа сходства последовательностей и ограниченного протеолиза: например в работе [4] упомянуты уникальные детерминанты шарнирной области миеломного белка IgA1 Bur., захватывающие 26 а.о.. Аминокислотная последовательность IgA1 у человека, мыши и кролика совпадают примерно на 50 %, причем шарнирная область между Сα1 и Сα2 доменами в IgA всех известных млекопитающих, кроме человека и других представителей семейства Hominidae, значительно короче и не содержит Pro-богатых мотивов [6, 7]. 2.3.1.2. Доменная организация тяжелых цепей IgA Тяжелая цепь IgA1, состоящая из 472 а.о., формирует четыре глобулярных домена: вариабельный VH и константные CНαl (Cαl), СНα2 (Cα2), СНαЗ (Cα3) (рис. 2) [3], первые два из которых совместно с легкой κили λ-цепью формируют антиген-связывающий Fab-домен, а два последних - константный Fc-супердомен. Основанием для вычленения доменов в пределах Fc-супердомена служат данные выравнивания аминокислотных последовательностей с участием широкого спектра белков суперсемейства Ig. Однако их соответствие дискретным автономно стабильным глобулам в третичной структуре частично подтверждается данными протеолиза металлопротеазой из P. mirabilis [8]. Таким образом, на долю VH домена приходится 114120 а.о. CНαl и СНα2 состоят из 93-100, тогда как длина СНαЗ достигает 123 а.о. Как уже говорилось, спейсеры между CНαl и СНα2 имеют длину, соответствующую шарнирному региону IgA1 или IgA2. Cпейсер между CНα2 и СНα3 в обоих изотипах IgA составляет 5 а.о. Таким образом, можно говорить о большей гибкости сочленения между CНαl и СНα2 доменами, тогда как стык между СНα2 и СНαЗ, состоящий всего из 5 а.о. не может обеспечить высокой подвижности [4]. За образование дисульфидной связи между α-цепью IgA1 и легкой цепью (L-цепью), отвечает Cys133 в СНα1-домене. В случае IgA2 аллотипа m2 функционально аналогичная связь образуется с участием Cys241 или Cys242 в СНα2-домене. В молекуле IgA2 аллотипа m1 дисульфидная связи между α- и L-цепями полностью отсутствует: вместо этого обе тяжелые и обе легкие цепи попарно связаны между собой. Устойчивость структуры мономера антитела в этом случае обеспечивается нековалентными взаимодействиями. Обработка таких антител додецилсульфатом натрия приводит к диссоциации мономерной молекулы IgA2m(1) с образованием димера тяжелых цепей и димера легких цепей, что можно наблюдать в условиях невосстанавливающего электрофореза в ПААГ по образованию полос с массой около 120 и около 55 кДа соответственно [2, 4, 9]. За образование дисульфидных связей между противоположными α-цепями в молекуле IgA1 и IgA2m(1) у человека, мыши и кролика ответственны Cys241, Cys242, Cys299 и, возможно, Cys301 в СН2-домене. Предполагается, что в молекуле IgA2m(2) могут образовываться связи между несимметричными остатками Cys противоположных α-цепей, например Cys241 - Cys301 и Cys242 - Cys299 [4]. По данным денатурирующего электрофореза в ПААГ масса тяжелых цепей IgA составляет около 60 кДа, что значительно превышает массу тяжелой цепи IgG из-за более развитого гликозилирования. В шарнирной области IgA1 содержит два потенциальных сайта N-гликозилирования и пять сайтов О-гликозилирования. У IgA2 сайты О-гликозилирования отсутствуют. Состав О-связанных сахаров в сывороточных миеломных IgA1 достаточно прост: по одному сайту прикрепляется остаток Nацетилгалактозамина, а по четырем другим - остатки дисахарида галактозил(β1-3)-N-ацетилгалактозамина. IgA миеломного происхождения могут значительно отличаться по степени гликозилирования от функционально активных антител того же класса. На это указывает тот факт, что суммарный гидролизат О-связанных сахаров из S-IgA молока содержит помимо Nацетилгалактозамина сиаловую кислоту и фикозу. N-связанные сахара гетерогенны по своей структуре даже в составе моноклональных белков и имеют достаточно разветвленную структуру [3]. С-конец α-цепи IgA обоих изотипов, подобно μ-цепи у IgM, завершается 18-ти аминокислотным мини-доменом (tail-piece). Предпоследний остаток Cys471 в составе С-концевого мини-домена любой из двух α-цепей мономера IgA способен ковалентно связываться с J-цепью, что приводит к формированию димерной формы IgA. В составе циркулирующей в кровотоке мономерной формы этот Cys с высокой вероятностью формирует дисульфидную связь с гомологичным ему остатком противоположной α-цепи. С меньшей вероятностью он может соединяться с другими Cys противоположной α-цепи, а в некоторых случаях даже образует связь с неиимуноглобулиновыми белками, например с альбумином или α1-антитрипсином. В наиболее устойчивой димерной форме IgA все остатки Cys полностью связаны внутримолекулярными дисульфидными связями [3]. Ген J-цепи расположен в хромосомном районе 4q21 генома человека. По данным анализа баз данных EST он экспрессируется как в В-, так и в Тлимфоцитах. Предшественник J-цепи человека состоит из 158 а.о. (расчетная масса 18 кДа), из которых 22 а.о. представляют собой лидерный пептид, отщепляющийся при транслокации в эндоплазматический ретикулум и отсутствующий в зрелом белке [10, 11]. Таким образом, расчетная масса пептидной части зрелой J-цепи – около 15 кДа. Однако N-гликозилирование по остатку Asn71 приводит к значительному увеличению ее массы и электрофоретической подвижности, причем продукт при попытках деления по молекулярной массе проявляет гетерогенность. J-цепь содержит 8 остатков Cys, из которых 6 образуют три внутрисубъединичные дисульфидные связи: Cys35-Cys123, Cys94- Cys114 и Cys131- Cys156. Два оставшихся остатка Cys37 и Cys91 могут принимать участие в формировании связей с С-концевым мини-доменом α-цепей в составе IgA [12-14]. 2.3.2. Биосинтез и распределение IgA в организме IgA представляет собой главный элемент гуморального иммунитета в составе серозно-слизистых секретов, таких как слюна, молозиво и молоко, а также выделения слизистых оболочек дыхательных и мочеполовых путей [4, 15]. Хотя содержание IgA в сыворотке крови человека в 5-10 раз ниже, чем IgG, существует мнение, что IgA являются наиболее массово синтезируемым классом антител у человека. По данным работы [3] ежедневная продукция IgA составляет около 65 мг/кг, что значительно превышает общую продукцию всех других классов антител вместе взятых. Однако этот показатель для различных видов животных может существенно отличаться: уровень общий синтеза IgA в организме мыши в несколько раз ниже, чем IgG. IgA составляют значительную часть сывороточных антител, но традиционно в качестве их естественной функции рассматривается роль главного антиген-связывающего агента серозных секретов [4]. Преобладает мнение, что секреторные IgA представляют собой важнейшую первую линию защиту против проникающих патогенов, препятствующую адгезии возбудителей на эпителии и стимулирующую атаку цитотоксических клеток в случае локальной инвазии. В то же время, этот тезис не исключает роли сывороточных IgA в качестве компонента гуморального иммунитета, сдерживающего жизнедеятельность микроорганизмов после их проникновения через базальную мембрану слизистой оболочки [3, 16, 17]. У всех млекопитающих на поверхности слизистых оболочек обнаруживаются антитела, причем абсолютное большинство их приходится на долю IgA, а не IgG или IgM, хотя IgA составляют не более 20% общего количества иммуноглобулинов в сыворотке человека (табл. 1) [3]. В сыворотке человека IgA более чем на 80% представлены в виде мономера — четырехцепочечного базового комплекса (гетеротетрамер состава 2α,2κ/λ). Напротив, в сыворотке большинства других млекопитающих IgA чаще всего присутствует в качестве димера базового комплекса [4]. Хотя традиционно принято считать, что димерные IgA содержат одну молекулу J-цепи, остается не ясным, какая именно доля димерных сывороточных IgA имеет именно такой субъединичный состав: не исключено что определенная часть димеров формируется с участием двух Jцепей или, напротив, путем прямого сочленения базовых мономеров через остатки Cys в С-концевом мини-домене. Комплексы такого состава легко могут быть получены in vitro путем обработки природных IgA мягкими восстанавливающими и окисляющими агентами и сохраняют стабильность при хранении [3]. На электронных микрофотографиях димеры IgA выглядят как спаренные Y-образные структуры, что свидетельствует о соединении двух мономерных субъединиц по принципу «хвост к хвосту» и об участии в этом соединении С-концевых областей СαЗ (рис. 3) [1]. Cекреторные IgA (S-IgA) могут относиться к обоим подклассам: IgAI или IgA2 и представлены в основном димерной формой с коэффициентом седиментации 11 S и молекулярной массой 385 кДа. Они в большом количестве обнаруживаются в серозных секретах слизистых оболочек, где связаны с так называемым секреторным компонентом (SC) [1]. SC содержит 20 остатков Cys. Равновесная константа связывания очищенного SC в отношении димерных IgA достаточно высока: 10-8 м1. SC связывается с αцепью одной или несколькими дисульфидными связями: наиболее вероятным партнером в составе α-цепи для образования связи с SC являются Cys299, Cys301 и Cys311 CHα2-домена, хотя, в некоторых случаях не исключено участие и других остатков. Иммунохимические конкурентные тесты показали, что СНα3 способен к взаимодействию с SC независимо от CHα2 [4, 18]. Полностью собранная молекула типичного S-IgA состоит из двух мономеров IgA, одной цепи SC (70 кДа) и одной J-цепи (15 кДа). Не исключено, что характер нековалентных взаимодействий и порядок замыкания дисульфидных связей в составе S-IgA может варьировать в зависимости от условий формирования этого комплекса, однако наиболее вероятной большинством авторов признается теоретическая модель S-IgA представленная на рис. 4 [3]. Как J-цепь, так и SC интенсивно гликозилируются: J-цепь содержит 8 % углеводов в составе единственной N-связанной цепи, а SC – около 22 % углеводов в виде пяти-семи цепей, которые обуславливают большую массу S-IgA по сравнению с рассчитанной на основании аминокислотной последовательности [4, 18]. Междоменные дисульфидные связи молекулы IgA высоко консервативны, но некоторые остатки Cys, формирующие связи в пределах доменов, у отдельных видов животных могут иметь различное расположение. Для миеломного белка IgA1 Bur показано, что внутрицепочечные дисульфидные связи образуются между Cys145 и Cys204, Cys196 и Cys220 в СН1-домене, Cys266 и Cys323 в СН2-домене, Cys369 и Cys432 в СН3-домене [4]. В отличие от J-цепи, SC представляющий собой эктодомен рецептора полимерных Ig (pIgR) синтезируется не в плазматических, а в эпителиальных клетках, осуществляющих захват IgA из кровотока и их вывод в секреты [13,19,20]. Только димерные IgA, содержащие J-цепь, обладают сродством к pIgR, что обеспечивает их транспорт в секреты. Мономерные IgA, содержащиеся в кровотоке, секреции не подлежат [21-24]. IgM, содержащие J-цепь, также могут взаимодействовать с pIgR. Связавшись с pIgR в ходе захвата из кровотока, полимерные IgA уже не утрачивают связи с ним. После интернализации в цитоплазму эпителиальных клеток желез внешней секреции происходит процессинг pIgR, приводящий к разрыву связи между эктодоменом и трансмембранным доменом, и комплекс полимерного IgA с эктодоменом выбрасывается в просвет секреторного протока на апикальной стороне эпителиоцита [22, 25]. Fc-фрагменты тяжелых цепей IgA и IgM, сохраняющие полимерное состояние за счет связи с J-цепью, не утрачивают способности к связыванию с pIgR. Анализ свойств химерных молекул IgA/IgM, полученных в результате экспрессии плазмидных конструкций в эукариотических клетках с взаимно замененными С-концевыми доменами тяжелых цепей, позволил картировать участки IgA, непосредственно участвующие в формировании связей с pIgR. Так, химерная молекула IgA, где Сα3 домен был заменен на Сμ4, была способна образовывать пентамер, соединенный J-цепью, и, в то же время, образовывала комплекс с эктодоменом pIgR (SC). 18-ти а.о. Сконцевой мини-домен тяжелых цепей (“tail piece”) как IgM, так и IgA содержит остатки Cys, необходимые для формирования дисульфидных связей, стабилизирующих полимер, с участием Cys575 μ-цепи или Cys471 αцепи [13]. Как уже упоминалось, J-цепь абсолютно необходима для формирования контакта полимерного IgA с pIgR. pIgR - член суперсемейства иммуноглобулинов, содержит пять иммуноглобулиноподобных доменов, мембраносвязанный сегмент (23 а.о.) и цитоплазматический домен (103 а.о.) [26]. Этот гликопротеин, масса которого составляет 110 кДа, связывает полимерные IgA на базолатеральной клеточной поверхности эпителия. Комплексы рецептор-IgA интернализуются и достигают апикальной поверхности путем трансцитоза. На апикальной поверхности за счет протеолитического отщепления эктодомена рецептора секреторные IgA (S-IgA=(IgA)2+J+SC) высвобождаются в просвет канальца железы внешней секреции. Происходящее иногда расщепление свободного рецептора приводит к образованию пяти экстраклеточных Ig-подобных доменов (D1-D5), известных как свободный SC. Остающийся связанным с мембраной 20 кДа фрагмент рецептора подвергается деградации внутри клетки и в секретах или кровотоке не встречается [22]. 2.3.3. Функционирование IgA в качестве распознающего элемента системы гуморального иммунитета Различная способность мономерных и полимерных молекул IgA к межмолекулярным взаимодействиям с другими белками не может не отражаться на их поведении в ходе защитных реакций организма, в частности, запуске эффекторных механизмов поражения мишеней. Высокая концентрация мономерных сывороточных IgA у человека является его видовой особенностью, не присущей другим млекопитающим. У традиционно используемых лабораторных животных концентрация IgA значительно меньше, чем у человека, причем они встречаются почти исключительно в форме полимеров [3]. Иммуногистохимический анализ лимфатических узлов и слизистой носа показал, что IgA1-продуцирующие клоны плазматических клеток имеют тенденцию размещаться вблизи желез внешней секреции, способных обеспечить доставку антител в участки, где вероятность их встречи со специфическим антигеном максимальна. Эта тенденция не обнаруживается в случае плазматических клеток, вырабатывающих IgA2. Такое распределение IgA-продуцирующих клеток, по-видимому, вносит определенный вклад в то, что IgA1 обладают большей способностью к секреции по сравнению с IgA2 [27]. Представляется логичным, что неравномерное распределение антител обоих подклассов может быть обусловлено различной ролью изотипов IgA при запуске эффекторных реакций, приводящих к поражению распознанных мишеней [28-31]. В свою очередь, это положение могло бы играть определенную роль в адаптивной стратегии патогенов, продуцирующих IgA1-расщепляющие протеазы (Neisseria meningitidis, Streptococcus pyogenes, Bacteroides sp.): ферменты всех этих патогенов расщепляют исключительно IgA1 класс, в том числе в форме S-IgA [32-36]. Данные, полученные in vitro , показывают, что расщепление шарнирной области блокирует защитную функцию S-IgA на стадии взаимодействия с эффекторами, хотя получаемый в результате расщепления одновалентный Fabα-фрагмент сохраняет антигенсвязывающую способность [37, 38]. В целом, ставя вопрос об эффекторных механизмах, рестрицированных по IgA и приводящих к поражению распознанных мишеней, необходимо отметить, что, в отличие от IgG, все предложенные по этому поводу модели в значительной мере носят гипотетический характер. Эти модели можно свести к трем типам: 1. «Пассивный иммунитет» - связывание антигена само по себе приводит к нарушению его функции. Этот механизм особенно эффективен в том случае, если в качестве антигена выступают сигнальные белкирецепторы, ростовые факторы или ферменты. В частности, не вызывает сомнений протективное значение блокировки IgA поверхностных бактериальных адгезинов, что препятствует прикреплению бактерий к поверхности эпителия [39, 40]. Очевидна также возможность эффективной нейтрализации вирусов в результате блокировки антителами класса IgA различных поверхностных структур энвелопа. В работах [41-45] прямо показано наличие у антител класса IgA человека и мыши высокой нейтрализующей активности по отношению вирусам гриппа B, кори, Эпштейна-Барр, ротавирусов. В то же время, в работе [41] обнаружено, что активность мышиных моноклональных антител IgA в тесте на пассивную нейтрализацию среднем несколько уступает IgG1 и IgG2 с той же антигенной специфичностью. Это наблюдение косвенно ставит под сомнение гипотезу о доминировании функции пассивной нейтрализации в физиологическом предназначении IgA. 2. «Активация комплемента». Эта гипотеза имеет происхождением попытку выстроить аналогию с действием IgG. Очевидная сложность реализации взаимодействия комплемента с иммунные комплексы на основе IgA обусловлена различной локализацией секреторных IgA и комплемента в организме: если комплемент, будучи физически несвязанным конгломератом факторов, не в состоянии в интактном состоянии выйти за пределы кровотока, то основная масса иммунных комплексов IgA надежно изолирована от плазмы крови стенками кровеносных сосудов и lamina propria. Прямые эксперименты по тестированию цитотоксического действия комплемента на N. meningitidis, опсонизированные специфическими IgA, позволили выявить незначительный цитотоксический эффект в отношении патогена, однако, с учетом слабости этого эффекта нельзя исключать, что он был обусловлен примесями IgG или IgM в использованных препаратах IgA [3, 46]. Эта гипотеза плохо согласуется и с физиологическими данными, свидетельствующими о том, что иммунные комплексы IgA не только не стимулируют воспаления при местной аппликации, но и способны подавлять воспалительное действие иммунных комплексов IgG. В работе [47] обнаружен синергизм между действием специфических IgA и лизоцима при подавлении роста бактерий семейства Enterobacteriaceae. 3. «Участие IgA в клеточных реакциях, опосредованных рецепторами FcαR(CD89) и pIgR» В настоящее время реакции, опосредованные сывороточными или секреторными IgA, традиционно связывают с наличием на поверхности эффекторных клеток одного из двух известных рецепторов IgA: FcαR(CD89) и pIgR [39, 48]. Как уже упоминалось, основной функцией pIgR является антиген-независимый транспорт IgA из кровотока в секреты. Поскольку экскреции подвергаются только димерные IgA, имеющие в своем составе с J-цепь, этот рецептор и получил название рецептора полимерных иммуноглобулинов [22]. Необходимо отметить, что, несмотря независимость IgA-связывающей и IgA-транспортирующей активности pIgR от антигена, в работе [41] высказана и косвенно подтверждена гипотеза о возможном участии pIgR в экскреции и внутриклеточной («активной») нейтрализации вируса кори. При этом под внутриклеточной нейтрализацией понимается нарушение репликации, упаковки и естественного транспорта вирусных частиц в пределах инфицированной клетки. В отличие от pIgR, рецептор FcαRI (обозначаемый также CD89 в случае человека) изначально был открыт как элемент IgA-зависимой эффекторной системы уничтожения мишеней [49]. В работе [50] впервые детально исследован механизм антигенной зависимости FcαRI, хотя в более ранней работе [8] для него показана также возможность антигеннезависимого связывания IgA и даже запуска некоторых клеточных реакций за счет рецепции свободных иммуноглобулинов. FcαRI человека изучался преимущественно на нейтрофилах, хотя он встречается также на моноцитах, эозинофилах и макрофагах [4]. Рецептор нейтрофилов препаративно выделен, охарактеризован in vitro [51-53], для него и его комплекса с IgA установлена пространственная структура методом рентгеноструктурного анализа [54]. FcαR (CD89) гомологичен рецепторам, специфичными для Fc доменов IgG (FcγRI, FcγRII, FcγRIII) и высокоаффинного рецептора IgE (FcεR). Все они рассматриваются, как члены структурного суперсемейства Ig, и имеют два или, в случае FcγRI, три экстраклеточных Ig-подобных домена, ответственных за связывание лиганда. Лиганд-связывающая α цепь FcαR имеет два экстраклеточных Ig-подобных домена. Мультмеризация α цепей происходит при помощи вспомогательной γ субъединицы, образующей дисульфидные связи с трансмембранным доменом каждой из них. Эта структура представляет собой сигнальный компонент многих Fc рецепторов. Сигнальные мотивы во внутриклеточном домене γ цепи претендуют на роль центрального звена в реализации сигнального механизма рецептора. Эти мотивы, встречающиеся во множестве других рецепторов эукариот самых различных типов и назначения, известны под названием ITAM и имеют консенсусную последовательность Tyr-Xaa-Xaa-Leu-Xaa7-Tyr-Xaa-Xaa-Leu (Xaa - любой остаток). Входящие в их состав остатки Tyr подвергаются фосфорилированию протеинкиназой С, что и приводит к каскаду переноса сигнала в ядро, аппарат трансляции на систему каспаз и другие глобальные системы регуляции клеточной активности [39, 48]. В работах [55-58] c использованием специально полученных мутантных вариантов IgA удалось картировать сайты в составе их тяжелых цепей, принимающие участие во взаимодействии с FcαR: Leu257-Gly259 в CHα2 домене и Pro440-Phe443 в CHα3 домене. Расположение и первичная структура этих сайтов отличаются от сайтов связывания IgG для FcγR несмотря на то, что как рецепторы, так и лиганды в этом случае проявляют явную гомологию. В случае IgG, сайты связывания FcγRI, FcγRII и FcγRIII захватывают часть шарнирной области и большую часть CHα1 домен. Однако, сайт связывания тяжелой цепи IgA рецептором CD89 гомологичен сайту связывания IgE с FcεR: в обоих случаях он располагается в Nконцевой части CH3 домена. Можно предположить, что отличное от других иммуноглобулинов расположение Fc относительно Fab-плечей в IgA1, а именно Т-подобная структура молекулы, может проявляться в снижении доступности N-конца Fc-фрагмента и поэтому ведет к некоторым отличиям в области сайта связывания с рецептором во внутренней части Fc. Физиологические последствия связывания иммунных комплексов IgA с FcαRI традиционно сводят к развитию у нейтрофилов «дыхательного взрыва». Это логически вытекает из практически полного отсутствия у нейтрофилов способности к фагоцитозу и синтезу лимфокинов. В то же время, можно предполагать, что рецепция IgA за счет FcαRI может стимулировать хемотаксис нейтрофилов, который является наряду с дыхательным взрывом важным способом регуляции их физиологической активности. Однако, обстоятельства, при которых иммунные комплексы IgA входят в соприкосновение с нейтрофилами, требуют уточнения. Важно отметить, что проблемой всех современных работ о взаимодействии IgA с нейтрофилами и их рецепторами является отсутствие сведений о характере конформационных перестроек, вызываемых связыванием IgA с антигеном. Более того, многие опубликованные работы выполнены с использованием свободных IgA, а не иммунных комплексов IgA . Между тем, очевидно, что в отсутствие физиологически значимой модуляции антигеном активация нейтрофилов IgA немедленно вызвала бы окислительный взрыв в масштабах всего кровотока, что имело бы фатальные последствия для организма. Проведенный в работе [8] эксперимент по связыванию продуктов расщепления IgA-протеазами с Fcα-рецептором нейтрофилов показал, что Fc-фрагмент, полученный при расщеплении сывороточных мономерных IgA1-протеазой из N. meningitidis, сохранил способность вызывать у нейтрофилов дыхательный взрыв. Эти данные позволяют предположить, что Fc-фрагмент после отщепления от Fab полностью сохранил свою биологическую функциональность: неповрежденные сывороточные IgA1 и Fc-фрагмент проявляют одинаковую активность при стимуляции цитотоксического ответа нейтрофилов. В то же время, расщепление сказывается на эффективности действия S-IgA1: в интактной форме они стимулируют нейтрофилы подобно сывороточным IgA1, тогда как их (Fc)2SC фрагменты, полученные под действием IgA1-протеазы из N. meningitidis, утрачивают эту способность. Эти данные позволяют предполагать, что потеря способности стимулировать нейтрофилы у (Fc)2-SC по сравнению со свободной формой Fc вызвана конформационными различиями, возникшими при отщеплении Fab-супердомена. Расщепление S-IgA1, которые встречаются, главным образом, на поверхности слизистых, ведет к утрате ими эффекторных функций в качестве активаторов специфических рецепторов цитотоксических клеток. Это позволяет возбудителю избегать удара со стороны неспецифического клеточного иммунного ответа и беспрепятственно распространяться по организму. Обсуждая протективность, связанную с механизмом «пассивного иммунитета», целесообразно принять в расчет любопытную структурную особенность антиген-связывающих центров IgA. В отличие от IgG, оба изотипа IgA имеют дисульфидные связи между тяжелыми цепями, расположенные вблизи N-концевого остатка CH2-домена. Заметим, что подобных связей в СН1-домене IgA не наблюдается. Таким образом, подвижность главной шарнирной области позволяет IgA легко изменять угол взаимного расположения между антиген-связывающими центрами Fabсупердоменов, принимая так называемые Y- или Т-конформации [59]. В IgG, напротив, имеется две дисульфидных связи между тяжелыми цепями, расположенные в N-концевой и С-концевой частях главной шарнирной области. Взаимная фиксация тяжелых цепей в точке выхода шарнирного пептида из глобулярной части CHγ1-домена ограничивает мобильность антиген-связывающих центров. Эта модель подтверждается данными по рассеянию рентгеновских лучей низкого разрешения: расстояние между верхушками Fab фрагментов IgA составляет 23 нм, что значительно превышает этот параметр для IgG - 13-16 нм. Высокая взаимная подвижность Fab-супердоменов IgA1 в составе мономера облегчает связывание IgA двух молекул антигена одновременно по сравнению с другими иммуноглобулинами, в том числе, IgG. Эта особенность может оказаться физиологически значимой при реализации антиадгезивного воздействия Ig на бактериальные и вирусные патогены [59]. Данные, полученные при расщеплении сывороточных мономерных IgA1 протеазой из P. mirabilis между СНα2 и СНα3 доменами, подтвердили локализацию сайта связывания IgA и рецептора, так как молекула, расщепленная в указанной точке, утратила способность взаимодействия с FcαR [8]. Этот результат показывает, что для формирования комплекса IgA1 с FcαR важен не только первичный сайт связывания в пределах СНα2, но и наличие СНα3 домена. При блокировке стыка между СНα2 и СНα3 доменами с помощью белка М стрептококка происходило нарушение связывания IgA1 с FcαR (CD89) и запуска дыхательного взрыва нейтрофилов. Из этого можно сделать вывод о том, что ранее предложенная модель S-IgA1, в рамках которой SC экранирует оба Fc фрагмента, предотвращая его протеолиз, нуждается в уточнении, так как S-IgA1 полностью сохраняют способность связываться с FcαR. 2.3.4. Подавление активности IgA специфическими факторами патогенов Факт значимости IgA в развитии протективного иммунного ответа против патогенов подтверждается наличием у патогенов специализированных систем блокировки IgA. К ним можно отнести как специализированные IgA-протеазы, в том числе, неспособные расщеплять никакие другие субстраты помимо IgA, так и IgA-связывающие белки. Протеазы, расщепляющие иммуноглобулины А1 (IgA1) человека, представляют собой высокоспецифичные бактериальные ферменты, действующие на строго определенные пептидные связи в главном шарнирном регионе IgA1 человека. Продукция IgA1 протеаз характерна для таких распространенных бактериальных патогенов человека, как Neisseria gonorrhoeae, Neisseria meningitidis, Haemophilus influenzae, Streptococcus pneumoniae, Streptococcus sanguis, Bacteroides и некоторые другие виды [32, 33]. Тандемно повторенная последовательность T-P-P-T-P-S-P-S в шарнирном участке IgA1 является первичной мишенью расщепления IgA1протеаз различных патогенов. Так фермент из S. sanguis расщепляет пептидную связь Pro-Thr только в N-концевом элементе повтора. Протезы Типа II возбудителя гонореи N. gonorrhoeae и патогенных серотипов H. influenzae также расщепляют Pro-Thr пептидную связь, но расположенную в С-концевой половине тандема. Наконец, IgA-протеазы менингококка и H. influenzae Типа I, имеющие лишь незначительные структурные различия с протеазами Типа II, расщепляют связь Pro-Ser [34, 35, 60, 61]. Zn2+-зависимая секреторная протеаза ZapА патогенного штамма P. mirabilis, состоящая из 579 а.о., в том числе, N-концевого трансмембранного и С-концевого нуклеотид-связывающего ABC-доменов транспортной системы [62] была обнаружена по способности расщеплять IgA1. Однако вскоре было установлено, что в отличие от истинных IgA1специфичных протеаз, она атакует также IgA2, IgG и неиммуноглобулиновые субстраты. Более того, предпочтительный сайт атаки IgA1 ZapA находится между СНα2 и СНα3 доменами: в результате его расщепления сывороточный мономер IgA1 распадается на два фрагмента одинакового размера около 47 кДа. При этом скорость расщепления IgA1 по сравнению с протеазами из N. meningitidis или H. influenzae, расщепляющими IgA1 строго в главной шарнирной области с образованием Fd и Fc фрагментов, оказывается значительно ниже. При более длительной инкубации 47 кДа фрагмента с увеличенным количеством фермента появляется продукт размером 34 кДа. Таким образом, в зависимости от условий ZapA может давать различные фрагменты α1-цепи, что говорит о явном отличии механизма ее работы от истинных IgA1-специфичных протеаз. Напомним, что при расщеплении мономерных сывороточных IgA1 IgA-протеазой Типа 2 из N. meningitidis, образуются фрагмены α-цепи массой 31 кДа (Fc) и 28 кДа (Fd). При исследовании продуктов этой реакции методом электрофореза в невосстанавливающих условиях обнаруживаются полноразмерные Fab и Fc фрагменты с кажущимся размером 48 и 60 кДа соответственно [62]. При исследовании воздействия этих протеазы ZapA на S-IgA1 было обнаружено, что в отличие от протеазы из N. meningitidis, она расщепляет SC с образованием фрагмента 79 кДа (масса исходного SC 82.5 кДа). В то же время, в условиях, при которых происходило расщепление сывороточных IgA1, α1-цепь S-IgA1 оказалась в основном устойчива к атаке ZapA. Однако увеличение времени инкубации и дозировки фермента привели к расщеплению S-IgA1 по тем же сайтам последовательности, что и в случае сывороточных IgA [8]. Потенциальные эффекторные функции IgA могут блокироваться IgA- связывающими белками, обнаруженные в штаммах стрептококка групп А (S. pyogenes) и B, которые являются опасными патогенами человека [63, 64]. Эти белки являются структурными гомологами широко известных IgG-связывающих белков А и G (из S. aureus и S. sanguis, соответственно). Сайт взаимодействия IgA с этими белками был выяснен в ходе экспериментов гибридными молекулами IgA/IgG. Показана ключевая роль при взаимодействии IgA с белками стрептококка а.о. Leu257, Pro440 и Phe443 в СНα2 и СНα3 доменах. Таким образом, можно утверждать, что эти белки распознают в составе IgA тот же сайт, что и FcαR (рис. 5). В ходе экспериментов был показан факт между белками стрептококка и FcαR конкуренции за связывание с IgA. Механизм блокировки цитотоксической реакции можно представить следующим образом: молекула антитела класса IgA, специфичного к какому-либо антигену на поверхности стрептококка, связывается с мишенью. IgA-связывающий белок стрептококка, иммобилизованный на поверхности клеточной стенки, не теряя связи с бактериальной клеткой, связывает Fc-супердомен антитела. Таким образом, IgA становится недоступным для связывания с FcαR, что способствует уклонению патогенных бактерий от уничтожения клетками иммунной системы (в частности, нейтрофилами) [63]. Преимуществом этого механизма перед секрецией белка М во внеклеточное пространство заключается в возможности ограничиться незначительным уровнем продукции IgA-блокатора, поскольку при этом нет необходимости расходовать белок М на связывание антител, не имеющих специфичности к поверхностным антигенам бактерии и не представляющих для нее угрозы. Приведенный механизм с использованием иммобилизованного белка М в состоянии обеспечить блокировку защитной функции антител при условии существования специализированной эффекторной субсистемы, рестрицированной по IgA, однако, представляется бесполезным, в рамках модели «пассивного иммунитета». Таким образом, перечисленные особенности механизмов связывания IgA патогенами убедительно свидетельствуют в пользу существования специализированных эффекторных систем, рестрицированных по IgA, в том числе, через механизм индукции дыхательного взрыва у нейтрофилов. Благодарности Авторы благодарят Б.И. Шевелева, Е.Ю. Варламову, Е.Е. Ефремова за полезное и содержательное обсуждение представленных материалов. Настоящая работа частично поддержана грантами РФФИ №04-04-49693 и №04-04-49694. Список литературы 1. Ройт А., Бростофф Дж., Мейл Д. (2000) Иммунология, Изд-во Мир, Москва. 2. Mestecky, J., Russell, M.W. IgA subclasses. (1986) Monogr Allergy, 19, 277301. 3. Kerr, M.A. The structure and function of human IgA. (1990) Biochem. J., 271, 285-296. 4. Woof, J.M., Mestecky, J. Mucosal immunoglobulins. (2005) Immunol Rev., 206, 64-82. 5. Biewenga, J. Structure of IgA: facts and gaps in our data on disulfide bonds. (1995) Adv Exp Med Biol., 371A, 575-579. 6. Sumiyama, K., Saitou, N., Ueda, Sh. Adaptive Evolution of the IgA Hinge Region in Primates. (2002) Mol. Biol. Evol., 19, 1093-1099. 7. Chintalacharuvu, K.R., Raines, M. and Morrison, S.L. Divergence of human alpha-chain constant region gene sequences. A novel recombinant alpha 2 gene. (1994) J. Immunol., 152, P.5299-5304. 8. Almogren, A., Senior, B., Loomes, L., Kerr, M. Structural and Functional Concequences of Cleavage of Human Secretory and Human Serum Immunoglobulin A1 by Proteinases from Proteus mirabilis and Neisseria Meningitidis. (2003) Infection and Immunity, 71, 3349-3356. 9. Chintalacharuvu, K.R., Yu, L.J., Bhola, N., Kobayashi, K., Fernandez, C.Z., Morrison, S.L. Cysteine residues required for the attachment of the light chain in human IgA2. (2002) J. Immunol., 169, 5072-5077. 10. Bertrand, F.E., Billips, L.G., Gartland, G.L., Kubagawa, H. and Schroeder, H.W. The J chain gene is transcribed during B and T lymphopoiesis in humans. (1996) J. Immunol., 156, 4240-4244. 11. Atkin, J.D., Pleass, R.J., Owens, R.J. and Woof, J.M. Mutagenesis of the human IgA1 heavy chain tailpiece that prevents dimer assembly. (1996) J. Immunol., 157, 156-159. 12. Krugmann, S., Pleass, R.J., Atkin, J.D., Woof, J.M. Mutagenesis of J chain residues critical for IgA dimer assembly. (1997) Biochem Soc Trans., 25, 323S. 13. Braathen, R., Sørensen, V., Brandtzaeg, P., Sandlie, I. and Johansen, F. The Carboxyl-terminal Domains of IgA and IgM Direct Isotype-specific Polymerization and Interaction with the Polymeric Immunoglobulin Receptor. (2002) The journal of biological chemistry, 277, 42755–42762. 14. Krugmann, S., Pleass, R.J., Atkin, J.D., Woof, J.M. Structural requirements for assembly of dimeric IgA probed by site-directed mutagenesis of J chain and a cysteine residue of the alpha-chain CH2 domain. (1997) J Immunol., 159, 244249. 15. Mestecky, J., Russell, M.W., Jackson, S., Brown, T.A. The human IgA system: a reassessment. (1986) Clin Immunol Immunopathol., 40, 105-114. 16. Woof, J.M., Kerr, M.A. The function of immunoglobulin A in immunity. (2006) J Pathol., 208, 270-282. 17. Snoeck, V., Peters, I.R., Cox, E. The IgA system: a comparison of structure and function in different species. (2006) Vet Res., 37, 455-467. 18. Perrier, C., Sprenger, N., Corthesy, B. Glycans on secretory component participate in innate protection against mucosal pathogens. (2006) J Biol Chem., 281, 14280-14287. 19. Strong, R.K. This little pIgR went to the mucosa. (2004) Structure, 12, 19191920. 20. Chang, Y., Lee, T.C., Li, J.C., Lai, T.L., Chua, H.H., Chen, C.L., Doong, S.L., Chou, C.K., Sheen, T.S., Tsai, C.H. Differential expression of osteoblast-specific factor 2 and polymeric immunoglobulin receptor genes in nasopharyngeal carcinoma. (2005) Head Neck., 27, 873-882. 21. Johansen, F.E., Braathen, R., Brandtzaeg, P. The J chain is essential for polymeric Ig receptor-mediated epithelial transport of IgA. (2001) J Immunol., 167, 5185-5192. 22. Kaetzel, C.S. The polymeric immunoglobulin receptor: bridging innate and adaptive immune responses at mucosal surfaces. (2005) Immunol Rev., 206, 8399. 23. Braathen, R., Sandvik, A., Berntzen, G., Hammerschmidt, S., Fleckenstein, B., Sandlie, I., Brandtzaeg, P., Johansen, F.E., Lauvrak, V. Identification of a polymeric Ig receptor binding phage-displayed peptide that exploits epithelial transcytosis without dimeric IgA competition. (2006) J Biol Chem., 281, 70757081. 24. Lewis, M.J., Pleass, R.J., Batten, M.R., Atkin, J.D., Woof, J.M. Structural requirements for the interaction of human IgA with the human polymeric Ig receptor. (2005) J Immunol., 175, 6694-6701. 25. Brandtzaeg, P., Johansen, F.E. Confusion about the polymeric Ig receptor. (2001) Trends Immunol., 22, 545-546. 26. Hamburger, A.E., West, A.P.Jr., Bjorkman, P.J. Crystal structure of a polymeric immunoglobulin binding fragment of the human polymeric immunoglobulin receptor. (2004) Structure, 12, 1925-1935. 27. Brandtzaeg, P., Johansen, F.E. Mucosal B cells: phenotypic characteristics, transcriptional regulation, and homing properties. (2005) Immunol Rev., 206, 3263. 28. Mestecky, J., Lue, C., Russell, M.W. Selective transport of IgA. Cellular and molecular aspects. (1991) Gastroenterol Clin North Am., 20, 441-471. 29. Tarkowski, A., Moldoveanu, Z., Koopman, W.J., Radl, J., Haaijman, J.J., Mestecky, J. Cellular origins of human polymeric and monomeric IgA: enumeration of single cells secreting polymeric IgA1 and IgA2 in peripheral blood, bone marrow, spleen, gingiva and synovial tissue. (1991) Clin Exp Immunol., 85, 341-348. 30. Mestecky, J., Moldoveanu, Z., Prince, S.J., Kutteh, W.H., Kulhavy, R., McGhee, J.R., Moro, I., Crago, S.S. Immunological properties and differentiation potential of human colostral lymphocytes of B cell lineage. (1991) Adv Exp Med Biol., 310, 123-129. 31. McGhee, J.R., Fujihashi, K., Lue, C., Beagley, K.W., Mestecky, J., Kiyono, H. Role of IL-6 in human antigen-specific and polyclonal IgA responses. (1991) Adv Exp Med Biol., 310, 113-121. 32. Plaut, A. The IgA1 proteases of patogenic bacteria. (1983) Ann Rev. Microbiol., 37, 603-622. 33. Mistry, D., Stockley, R.A. IgA1 protease. (2006) Int J Biochem Cell Biol., 38, 1244-1248. 34. Gilbert, J.V., Plaut, A.G., Wright, A. Analysis of the immunoglobulin A protease gene of Streptococcus sanguis. (1991) Infect Immun., 59, 7-10. 35. Mulks, M.H., Plaut, A.G., Feldman, H.A., Frangione, B. IgA proteases of two distinct specificities are released by Neisseria meningitidis. (1980) J.Exp.Med., 152. 1442-1447. 36. Plaut, A.G. Production and isolation of Neissereal IgA proteases. (1988) Methods in Enzymology. 165, 117-120. 37. Kirkeby, L., Rasmussen, T.T., Reinholdt, J., Kilian, M. Immunoglobulins in nasal secretions of healthy humans: structural integrity of secretory immunoglobulin A1 (IgA1) and occurrence of neutralizing antibodies to IgA1 proteases of nasal bacteria. (2000) Clin. Diagn. Lab. Immunol., 7, 31-39. 38. Mansa, B., Kilian, M. Retained Antigen-Binding Activity of Fabα Fragments of Human Monoclonal Imunoglobulin A1 (IgA1) Cleaved by IgA1 Protease. (1986) Infection and Immunity, 52, 171-174. 39. Monteiro, R.C., Van De Winkel, J.G. IgA Fc receptors. (2003) Annu Rev Immunol., 21, 177-204. 40. Morton, H.C., Brandtzaeg, P. CD89: the human myeloid IgA Fc receptor. (2001) Arch Immunol Ther Exp (Warsz), 49, 217-229. 41. Yan, H., Lamm, M.E., Bjorling, E., Huang, Y.T. Multiple functions of immunoglobulin A in mucosal defense against viruses: an in vitro measles virus model. (2002) J Virol., 76, 10972-10979. 42. Asahi-Ozaki, Y., Yoshikawa, T., Iwakura, Y., Suzuki, Y., Tamura, S., Kurata, T., Sata, T. Secretory IgA antibodies provide cross-protection against infection with different strains of influenza B virus. (2004) J Med Virol., 74, 328-335. 43. Pal, K., Kaetzel, C.S., Brundage, K., Cunningham, C.A., Cuff, C.F. Regulation of polymeric immunoglobulin receptor expression by reovirus. (2005) J Gen Virol., 86, 2347-2357. 44. Schneeman, T.A., Bruno, M.E., Schjerven, H., Johansen, F.E., Chady, L., Kaetzel, C.S. Regulation of the polymeric Ig receptor by signaling through TLRs 3 and 4: linking innate and adaptive immune responses. (2005) J Immunol., 175, 376-384. 45. Dotzauer, A., Brenner, M., Gebhardt, U., Vallbracht, A. IgA-coated particles of Hepatitis A virus are translocalized antivectorially from the apical to the basolateral site of polarized epithelial cells via the polymeric immunoglobulin receptor. (2005) J Gen Virol., 86, 2747-2751. 46. Russell, M.W., Reinholdt, J., Kilian, M. Anti-inflammatory activity of human IgA antibodies and their Fab alpha fragments: inhibition of IgG-mediated complement activation. (1989) Eur J Immunol., 19, 2243-2249. 47. Jarvis, G.A., Griffiss, J.M. Human IgA1 initiates complement-mediated killing of Neisseria meningitidis. (1989) J. Immunol., 143, 1703-1709. 48. Van Spriel, A.B., van de Winkel, J.G. CD89 (Fc alphaRI). (2001) J Biol Regul Homeost Agents, 15, 179-181. 49. Mazengera, R.L., Kerr, M.A. The specificity of the IgA receptor purified from human neutrophils. (1990) Biochem J., 272, 159-165. 50. Morton, H.C., Pleass, R.J., Woof, J.M., Brandtzaeg, P. Characterization of the ligand binding site of the bovine IgA Fc receptor (bFc alpha R). (2004) J Biol Chem., 279, 54018-54022. 51. Morton, H.C., Pleass, R.J., Storset, A.K., Brandtzaeg, P., Woof, J.M. Cloning and characterization of equine CD89 and identification of the CD89 gene in chimpanzees and rhesus macaques. (2005) Immunology, 115, 74-84. 52. Morton, H.C., Pleass, R.J., Storset, A.K., Dissen, E., Williams, J.L., Brandtzaeg, P., Woof, J.M. Cloning and characterization of an immunoglobulin A Fc receptor from cattle. (2004) Immunology, 111, 204-211. 53. Pleass, R.J., Dunlop, J.I., Woof, J.M. Multiple transcripts of human IgA Fc receptor CD89 in neutrophils, eosinophils and the monocyte-like cell line THP-1. (1997) Biochem Soc Trans., 25, 327S. 54. Herr, A.B., Ballister, E.R., Bjorkman, P.J. Insights into IgA-mediated immune responses from the crystal structures of human FcαRI and its complex with IgA1Fc. (2003) Nature, 338, 921-941. 55. Pleass, R.J., Dehal, P.K., Lewis, M.J., Woof, J.M. Limited role of charge matching in the interaction of human immunoglobulin A with the immunoglobulin A Fc receptor (Fc alpha RI) CD89. (2003) Immunology, 109, 331-335. 56. Pleass, R.J., Dunlop, J.I., Anderson, C.M., Woof, J.M. Identification of residues in the CH2/CH3 domain interface of IgA essential for interaction with the human fcalpha receptor (FcalphaR) CD89. (1999) J Biol Chem., 274, 2350823514. 57. Mattu, T.S., Pleass, R.J., Willis, A.C., Kilian, M., Wormald, M.R., Lellouch, A.C., Rudd, P.M., Woof, J.M., Dwek, R.A. The glycosylation and structure of human serum IgA1, Fab, and Fc regions and the role of N-glycosylation on Fc alpha receptor interactions. (1998) J Biol Chem., 273, 2260-2272. 58. Pleass, R.J., Anderson, C.M., Dunlop, J.I., Woof, J.M. Probing the Fc alpha R binding site on IgA by mutagenesis of the IgA Fc region. (1997) Biochem Soc Trans., 25, 328S. 59. Boehm, M.K., Woof, J.M., Kerr, M.A., Perkins, S.J. The Fab and Fc fragments of IgA1 exhibit a different arrangement from that in IgG: a study by Xray and neutron solution scattering and and homology modelling. (1999) J Mol Biol., 286, 1421-1447. 60. Senior, B.W., Woof, J.M. Effect of Mutations in the Human Immunoglobulin A1 (IgA1) Hinge on Its Susceptibility to Cleavage by Diverse Bacterial IgA1 Proteases. (2005) Infection and Immunity, 73, 1515–1522. 61. Chintalacharuvu, K., Chuang, Ph., Dragoman, A., Fernandes, C.,Qiu J., Plaut, A. Cleavage of the Human Immunoglobulin A1 (IgA1) Hinge Region by IgA1 Proteases Requires Snructures in the Fc region of IgA. (2003) Infection and Immunity, 71, 2563-2570. 62. Walker, K.E., Moghaddame-Jafari, S., Lockatell, C.V., Johnson, D. and Belas, R. ZapA, the IgA-degrading metalloprotease of Proteus mirabilis, is a virulence factor expressed specifically in swarmer cells. (1999) Mol. Microbiol., 32, 825836. 63. Woof, J.M. The human IgA-Fc receptor interaction and its blockade by streptococcal IgA-binding proteins. (2002) Biochemical Society, 30, 491-494. 64. Pleass, R.J., Areschoug, T., Lindahl, G., Woof, J.M. Streptococcal IgAbinding proteins bind in the Calpha 2-Calpha 3 interdomain region and inhibit binding of IgA to human CD89. (2001) J Biol Chem., 276, 8197-8204. СН1 ϒ ≠ * 176 vslasptspk vfplslcstq pbgbvviacl vqgffpqqpl svtwsesgqg vtarbfppsq 1 d p q c n 2m1 d p q c n 2m2 Главный шарнир ≠ ≠ * ↓ ☼ ☼ ☼ ☼ ☼ 236 dasgdlytts sqltlpatqc lagksvtchv khytnpsqbv tvpcpvpstp ptpspstppt 1 с pg c c pppp p--------- 2m1 с pg c s cr pppp p--------- 2m2 ↓ϒϒ СН2 * ϒ 296 pspscchprl slhrpaledl llgseanltc tltglrdasg vtftwpstsg ksavqgpper 1 --2m1 --2m2 * ↓CH3 356 dlcgcysvss vlpgcaepwb hgktftctaa ypesktplta tlsksgntfr pqvhllppps 1 h l nit 2m1 h l nit 2m2 ≠ 416 eelalnelvt ltclargfsp kdvlvrwlqg sqelprekyl twasrqepsq gtttfavtsi 1 2m1 y 2m2 ≠ ↓ * ϒ lrvaaedwkk gdtfscmvgh ealplaftqk tidrlagkpt hvnvsvvmae vdgtcy e i a 472 1 2m1 2m2 Рисунок 1. Аминокислотные последовательности константной области α-цепей IgA1 и IgA2 человека и их ковалентные модификации. Основная последовательность дана для моноклонального иммуноглобулина Bur (класс IgA1, номер доступа в банке последовательностей SwissProt 763134A) от остатка Val117 по последний Сконцевой остаток Tyr472. Для IgA2 аллотипов 2m1 и 2m2 указаны только отличающиеся от IgA1 остатки, прочерками показаны отсутствующие остатки в шарнирной области. Границы доменов и функциональных блоков в последовательности обозначены вертикальными стрелками. Значками обозначены следующие виды ковалентных модификаций последовательности: *– сайты N- гликозилирования; ☼- сайты О-гликозилирования; ≠– внутрицепочечные дисульфидые связи: Cys145 - Cys204, Cys196 - Cys220 в CH1 домене; Cys266 - Cys323 в CH2 домене; Cys369 Cys432 в CH3 домене; ϒ- дисульфидые связи Cys соединяющие тяжелую цепь с другими полипептидными цепями: с легкой цепью: Cys133 в IgA1 и Cys241 или Cys242 в IgA2m(2); с противоположной тяжелой α-цепью: с SC, Cys311 в секреторных IgA; с J цепью, Cys471 в димерных IgA. Cys241 и Cys299 в IgA1; Рисунок 2. Структура IgA1 человека (из [1]) Рисунок 3. Электронные микрофотографии димерных молекул IgA (из [1]) Секреторный компонент (SC) J-цепь Домен 5 SC Домен 1 SC Рисунок 4. Предполагаемая модель структуры S- IgA (из [3]) IgA-связывающий белок Streptococcus sp. FcαR Рисунок 5. Сайты узнавания Ig-связывающего белка стрептококка и FcαR в молекуле IgA1 человека расположены сходным образом( из [63]) Таблица 1 Содержание IgA и IgG в сыворотке крови и секретах человека (из [3]) Концентрация, мг/100 мл Среда IgG IgA Полимерные Соотношение IgA (%) IgA1/IgA2 Сыворотка 1230 328 13 89:11 Молозиво 10 1234 96 65:35 Слюна 4.9 30.4 96 63:37 Секрет тонкой 34 27.6 95 70:30 86 82.7 - 35:65 Желчь 18.2 10.5 65 74:26 Секрет 5.8 25.7 - 95:5 1.8 - 82 67:33 кишки Секрет толстой кишки слизистой носа Бронхиальный секрет Immunoglobulins A: from structure to function Kazeeva T.N., Shevelev A.B. 2 A.N. Bakh Institute of Biochemistry RAS, Moscow, Russia Function of IgA, the major type of secreted antibodies is often restricted with binding antigens outside of the epithelium basal membrane. That is why effector mechanisms affecting IgA-opsonized targets have not been under investigation so far. However some indirect observations of the infectious agents recently penetrated from the environment enable us to presume such mechanisms (likely to IgG/IgM-dependent activation of the complement and the natural killers). In frames of the present review we aimed to examine details of the IgA structure which may contribute to elucidation of IgA-dependent effector functions in human and animal immunity. A special attention was paid to a putative transduction of a signal about the antigen binding in the active center from Fab to Fc super-domain. Different structure of the IgA subclasses (IgA1 and IgA2) is examined with respect to diversify protective response of the immune system. Key words: secretory immunity, IgA, antibodies, complement, effectors Running title: Immunoglobulins A to whom correspondence should be addressed A.N. Bakh Institute of Biochemistry RAS, Leninskiy prosp. 33, Moscow, Russia, 119071. E-mail: shevelev@inbi.ras.ru 2
