При развитии иммунного ответа разные клетки взаимодействуют друг с другом. Известны как минимум 2 механизма такого взаимодействия:
• межклеточная адгезия (контактное взаимодействие) — мембранные молекулы одной клетки комплементарно связываются с мембранными молекулами другой клетки, что приводит к образованию межклеточного контакта;
Рис. 4-2. Временная динамика проявлений адаптивной иммунной защиты при инфекции
• взаимодействие при помощи медиаторов — клетка секретирует особые растворимые молекулы (медиаторы), рецепторы к которым присутствуют на мембранах других клеток. При связывании рецептора с лигандом реализуется тот или иной биологический эффект. Медиаторы, участвующие в развитии иммунного ответа, называют цитокинами и хемокинами.
Молекулы межклеточной адгезии
К молекулам межклеточной адгезии относят селектины, адрессины, интегрины, молекулы суперсемейства иммуноглобулинов и ряд других.
• Селектины — трансмембранные белки на поверхности лимфоцитов, лейкоцитов, тромбоцитов и эндотелиоцитов. Общим для них является наличие во внеклеточной части лектиноподобного домена, способного комплементарно связывать сахара.
• Адрессины — муциноподобные молекулы на мембране эндотелиоцитов — лиганды для селектинов. Селектины и адрессины обеспечивают селективную адгезию клеток к стенке сосуда, необходимую для их экстравазации и дальнейшего проникновения в очаг поражения.
• Интегрины — гетеродимерные белки, состоящие из крупной а-цепи и меньшей по размеру в-цепи.
— LFA-1 (Lymphocyte Function-Associated antigen — антиген, ассоциированный с функцией лимфоцитов) — наиболее важный интегрин для активации любого T-лимфоцита. Антитела к LFA-1 способны блокировать активацию как наивных, так и покоящихся T-клеток. Однако анализ врождённых генетических дефектов молекул адгезии показывает, что другие интегрины (например, CD2) способны компенсировать отсутствие LFA-1.
— VLA (Very Late Activation antigens — очень поздние антигены активации). Эти интегрины экспрессируются T-лимфоцитами на 2-4-е сутки после активации и имеют наибольшее функциональное значение для проникновения уже стимулированной T-клетки в очаг воспаления, где ей надлежит организовать элиминацию антигена.
• ICAM (InterCellular Adhesion Molecules — молекулы межклеточной адгезии) относят к суперсемейству иммуноглобулинов.
— Взаимодействие молекул адгезии LFA-3 и ICAM-1 на клетках эпителия тимуса с комплементарными им молекулами CD2 и LFA-1 на тимоцитах необходимо для удержания последних в тимусе в процессе их дифференцировки.
— Наивные T-лимфоциты в T-зависимых зонах периферических лимфоидных органов взаимодействуют с АПК при помощи LFA-1, CD2 и ICAM-3 на T-клетках и ICAM-1, ICAM-2, LFA-1 и LFA-3 на АПК. Этого взаимодействия достаточно для запуска пролиферации распознавших антиген T-лимфоцитов и дифференцировки их в лимфоциты-эффекторы.
Данные по отдельным молекулам адгезии приведены в табл. 4-1.
Цитокины
Взаимодействия, опосредованные цитокинами, более динамичны и оперативны, чем адгезивные. Для цитокинов характерны общие свойства.
• Разные типы клеток могут продуцировать одинаковые цитокины и экспрессировать рецепторы для них.
• Действие цитокинов избыточно. С одной стороны, разные цитокины могут вызывать внешне одинаковые реакции клеток, с другой — каждый цитокин индуцирует в разных клетках разные биологические эффекты.
• В подавляющем большинстве случаев цитокины — близкодействующие медиаторы, обусловливающие локальные взаимодействия клеток в очагах развития процессов в тканях.
— В зависимости от клетки-мишени выделяют аутокринные эффекты (действуют на саму клетку, секретировавшую цитокин) и паракринные эффекты (действуют на другие рядом расположенные клетки) цитокинов.
— Эндокринные (дистантные, или системные) эффекты проявляются, когда цитокин достигает клетки-мишени, циркулируя с кровью. У здоровых людей в крови обычно удаётся обнаружить множество разных цитокинов, включая интерфероны, но в концентрациях, не превышающих несколько пикограмм (10-12 г) в 1 мл. Системное действие выявлено в основном для четырёх цитокинов: ФНОа, ИЛ-1, ИЛ-6 и M-CSF, например при тяжёлой патологии типа септического шока, и опосредовано через гипоталамус и печень.
• Большинство цитокинов не депонируются в клетках, а синтезируются импульсно — «по запросу». Этот процесс начинается с транскрипции мРНК с соответствующего гена цитокина. Тем не менее небольшие количества ФНОα или других цитокинов могут депонироваться в гранулах нейтрофилов, тромбоцитов и тучных клеток.
• Матричная РНК цитокинов очень короткоживущая, что объясняет транзиторный характер их продукции клеткой: они вырабатываются непродолжительное время после получения «запроса» на их образование.
• Для действия цитокинов характерна каскадность, выражающаяся в том, что под влиянием одного цитокина клетка может начать вырабатывать другие цитокины (или тот же самый). Это приводит к усилению биологических эффектов.
• Каскад цитокинов саморегулируется: клетка, начавшая продуцировать активационные цитокины, через несколько часов или суток переключается на синтез супрессорных цитокинов и/или экспрессирует ингибиторные рецепторы либо рецепторы для сигналов к апоптозу.
По функциональному назначению выделяют 5 основных групп цитокинов (подробнее см. табл. 4-2).
Группа 1. Гемопоэтические цитокины регулируют пролиферацию и дифференцировку всех клеток кроветворной системы. К ним относят колониестимулирующие факторы — CSF (Colony Stimulating Factors): GM-CSF, M-CSF, G-CSF, эритропоэтин, тромбопоэтин, ИЛ-3 (мульти-CSF), ИЛ-5 (CSF для эозинофилов), ИЛ-7 (CSF для лимфоцитов), фактор стволовых клеток — SCF (Stem Cell Factor, его второе название «c-kit-лиганд»). К гемопоэтинам относят и ИЛ-1а под вторым названием — гемопоэтин-1, так как он поддерживает рост самых ранних клеток-предшественников кроветворения. Негативные регуляторы гемопоэза — ФНОа и трансформирующий фактор роста β (ТФРβ). Хемокин MIPα ингибирует ранние клетки-предшественники гемопоэза.
В процессе гемопоэза цитокины выступают в качестве факторов выживания и роста дифференцирующихся клеток-предшественников и их потомков, но не являются дифференцировочными факторами. Один и тот же цитокин может действовать на разных уровнях и в разных рядах дифференцировки. В миелоидном ряду проявляется правило, согласно которому влияние цитокинов (например, ИЛ-3, GM-CSF), действующих на ранних этапах развития клеток, сохраняется на поздних этапах развития, когда к «ранним» цитокинам присоединяются более специализированные факторы (такие, как G-CSF, M-CSF). В лимфоидном ряду первоначальное преобладание эффекта SCF постепенно замещается универсальным действием ИЛ-7, а на поздних этапах доминирующими наряду с ИЛ-7 становятся линейно-специфические факторы. На рис. 4-3 цитокины, контролирующие рост и выживание гемопоэтических клеток, показаны около стрелок, указывающих направление дифференцировки клеток-предшественников. Подробнее о функциях ИЛ-15, BAFF и Flt3L см. в табл. 4-2.
Группа 2. Первичные провоспалительные цитокины (цитокины врождённого иммунитета) — ИЛ-1а, ИЛ-1в, ФНОа и ИЛ-6. Они чрезвычайно плейотропны и действуют на клетки близлежащих тканей. Их продуцируют главным образом макрофаги и ДК покровных структур в очаге внедрения патогена. ИЛ-1 и ФНОа действуют преимущественно
Рис. 4-3. Цитокиновый контроль гемопоэза. Обозначения: Бф — базофил; Эо — эозинофил; Нф — нейтрофил; Мон — моноцит; МФ — макрофаг; ТК — тучная клетка; ЛАК — лимфокин-активированный киллер; Вакт, Такт — активированные формы В- и Т-клеток соответственно; GM-предшественник — предшественник нейтрофильных гранулоцитов, моноцитов/макрофагов и ДК; пре-G — предшественник нейтрофильных гранулоцитов; пре-М — предшественник моноцитов/макрофагов; L-предшественник — предшественник лимфоцитов; Flt3L — Fms-like tyrosinekinase
локально (если нет септического заражения крови), а ИЛ-6 индуцирует биосинтез белков острой фазы в печени.
Группа 3. Иммунорегуляторные цитокины регулируют пролиферацию и дифференцировку T- и B-лимфоцитов и NK-клеток в периферических лимфоидных органах и тканях. В первую очередь их продуцируют активированные профессиональные АПК (макрофаги и ДК) и сами лимфоциты. К этой группе относят ИЛ-2 (митоген для лимфоцитов), ИЛ-4, ИЛ-12, ИЛ-15, ИФНγ.
Группа 4. Цитокины — медиаторы воспаления являются продуктами активированных T-лимфоцитов и вызывают активацию лейкоцитов «общевоспалительного назначения»: ИФНγ (активатор макрофагов и NK-клеток), ИЛ-5 (стимулирует пролиферацию В-лимфоцитов, а также индуцирует и активирует эозинофилы); лимфотоксины (активаторы нейтрофилов), в частности лимфотоксин-α (ФНОβ, по новой номенклатуре LTα), обеспечивающий образование воспалительных гранулем in vivo.
Группа 5. Противовоспалительные (иммуносупрессорные) цитоки-
ны. К ним относят ИЛ-10 (продуцируемый макрофагами и ингибирующий макрофаги) и ТФРβ (продуцируемый активированными CD4+ T-лимфоцитами и ингибирующий дальнейшую пролиферацию лимфоцитов). Кроме того, ИЛ-4 и ИЛ-13 — цитокины, ингибирующие макрофаги, а также в некоторых процессах выступающие в качестве противовоспалительных.
В табл. 4-2 приведена краткая характеристика некоторых цитокинов.
Хемокины
Среди цитокинов особое значение для иммуногенеза и модуляции воспаления имеют хемокины — небольшие (66-76 аминокислотных остатков) секреторные белки, регулирующие миграцию лейкоцитов. Кроме того, большинство хемокинов поддерживает ангиогенез и продукцию коллагенов клетками соединительной ткани — регенерацию. В настоящее время известно не менее 50 хемокинов, в том числе многие факторы хемотаксиса моноцитов и ИЛ-8. Считают, что при определённых условиях любая клетка организма продуцирует те или иные хемокины. Эти молекулы способны связываться не только со своими лигандами на мембране клетки-мишени, но и с молекулами межклеточного матрикса, создавая в нём градиент концентрации по мере приближения к клетке-продуценту хемокина.
Эти хемоаттрактанты имеют структурное сходство, в том числе в расположении остатков цистеина, образующих дисульфидные мостики. На основании расположения первых двух цистеиновых остатков выделяют 4 семейства хемокинов: CC, CXC, C и CX3C.
В табл. 4-3 приведена краткая характеристика некоторых известных на сегодняшний день хемокинов.
Рецепторы для цитокинов и хемокинов
Выделяют несколько семейств рецепторов для цитокинов (рис. 4-4).
• Семейство рецепторов гемопоэтических цитокинов представлено гетеродимерными молекулами и включает рецепторы для ИЛ-3, ИЛ-4, ИЛ-5, ИЛ-6, ИЛ-7, ИЛ-9 и ИЛ-15; рецептор для GM-CSF; рецептор для эритропоэтина; рецептор для гормона роста. Рецептор для ИЛ-2 существует в трёх формах, различающихся по составу субъединиц, а также по аффинности к ИЛ-2. Тример ИЛ-2Rαβγ обладает наибольшей аффинностью, димер ИЛ-2Rβγ — промежуточной и мономер ИЛ-2Rα — наименьшей (рис. 4-5).
• Семейство рецепторов интерферонов — гомодимерные трансмембранные молекулы. Помимо собственно рецепторов для интерферонов в семейство входит рецептор для ИЛ-10.
• Семейство рецепторов фактора некроза опухоли (TNFR — Tumor Necrosis Factor Receptor) включает молекулы, состоящие из одной трансмембранной полипептидной цепи: TNFR-I и TNFR-II, CD40, Fas (CD95), CD30, CD27, рецептор для фактора роста нервов (NGFR).
Путь проведения сигналов от рецепторов цитокинов (рис. 4-6) — самый короткий из известных, что соответствует физиологическим особенностям эффектов цитокинов (очень быстрые, но непродолжительные).
• Как правило, связывание цитокина с рецептором приводит к его диили тримеризации. Это вызывает конформационные из-
Рис. 4-4. Основные типы цитокиновых рецепторов. Обозначения аминокислотных остатков: С — цистеин, W — триптофан, S — серин, Х — любой остаток
Рис. 4-5. Общие полипептидные цепи цитокиновых рецепторов
Рис. 4-6. Проведение сигналов от рецепторов для цитокинов (схема). Пояснения см. в тексте
менения, передающиеся связанным с полипептидными цепями рецептора тирозинкиназам семейства Janus, способными фосфорилировать их по остатку тирозина. Известно 4 члена этого семейства: Jak1, Jak2, Jak3, Tyk-2. • К фосфорилированным участкам рецептора могут присоединяться молекулы из семейства STAT (Signal Transducers and Activators of Transcription) — проводники сигналов и активаторы транскрипции. Описано 7 молекул STAT: STAT1, STAT2, STAT3, STAT4, STAT5а, STAT5b, STAT6.
— Те же киназы Janus (присоединившиеся к рецептору) фосфорилируют молекулы STAT по остатку тирозина в N-концевом домене.
— Фосфорилированные STAT отделяются от внутриклеточной части рецептора, образуют гомоили гетеродимеры и мигрируют в ядро, где связываются с ДНК и активируют транскрипцию.
Рецепторы для хемокинов принадлежат к семейству интегральных мембранных белков, содержащих семь спиральных доменов, семикратно пронизывающих клеточную мембрану; в это семейство входят также рецепторы для анафилатоксинов комплемента (C5a, C3a, C4a), фоторецепторы (родопсин и бактериородопсин) и множество других. Рецепторы этого семейства передают сигнал внутрь клетки через G-белки (ГТФ/ ГДФ-связывающие белки).
• Каждый G-белок состоит из трёх пептидных цепей — Gα,Gβ иGγ. В покое Gα-цепь образует комплекс с ГДФ. При связывании рецептора с лигандом ГДФ замещается на ГТФ и Gα-цепь диссоциирует от димера Gβ/Gγ (рис. 4-7).
Рис. 4-7. Белок G: 1 — выключенное состояние: α-субъединица связана с гуанозиндифосфатом (ГДФ) и не контактирует с эффектором; 2 — при взаимодействии лиганда с рецептором ГДФ заменяется на ГТФ, G-белок активируется; 3 — G-белок диссоциирует, несущая ГТФ α-субъединица перемещается в мембране, связывается с эффектором и активирует его; 4 — α-субъединица превращает ГТФ в ГДФ, инактивируется и объединяется с другими субъединицами G-белка
Рис. 4-8. Проведение сигналов с рецепторов семейства тетраспанинов. Роль инозиттрифосфата и диацилглицерина в реализации действия лигандов на клеткумишень. Образование комплекса лиганда-рецептор стимулирует G-белок, активирующий фосфолипазу С. Фосфолипаза С катализирует расщепление фосфатидил инозит-4,5-бифосфата (PIP2) на инозит-1,4,5-трифосфат (IP3) и диацилглицерин (DAG). Инозиттрифосфат (IP3) вызывает высвобождение Ca2+ из внутриклеточных депо. Ca2+-зависимая протеинкиназа С, активированная диацилглицерином (DAG), фосфорилирует белки клетки
• Ga-цепи различных G-белков имеют разные функции: одни активируют фосфолипазу Сγ, другие — аденилатциклазу, катализирующую образование циклического аденозинмонофосфата (цАМФ). Это приводит к разнообразным физиологическим эффектам, реализуемым посредством изменения режима функционирования ионных каналов, активации или блокирования разных биохимических реакций (рис. 4-8).
• Кроме того, Gα-цепь обладает ГТФазной активностью, что позволяет ей вновь объединиться с другими субъединицами G-белка и прекратить проведение сигнала.