© Сергей Яковлев[1], 2004 - 2006
Все авторские права данной страницы принадлежат автору. Копирование, распространение, перевод данного произведения может быть выполнен только при письменном согласовании с автором и возможной выплаты авторского вознаграждения.
3.3. ИММУННАЯ СИСТЕМА[]
Основой иммунной системы является возникновение определенного процесса в ответ на присутствие некоторых белков, которые называют антигены. Они стимулируют образование специфических антител, связывающихся с данным антигеном. Антигены могут быть как чужеродные (бактериальные или вирусные), так и собственные (часть данного организма). В норме иммунного ответа против собственных антигенов нет.
Антителом при этом называют белок, продуцируемый В-лимфоцитом. Типичное строение имеет иммуноглобулин IgG. Существует множество разных антител, каждое из которых распознает определенный антиген.
3.3.1. Различие B и T лимфоцитов[]
А. Вслед за стимуляцией антигеном В-клетки отбираются и активизируются для образования специфичных к данному антигену антител. Если антигеном являются бактериальные клетки, антитела связываются с поверхностными антигенами бактерий, запуская реакции двух типов. С одной стороны, антитела могут привлекать другие белки, которые действуют вместе с антителами, разрушая (лизируя) бактериальные клетки. С другой стороны, связанные антитела могут запускать поглощение и внутриклеточное переваривание бактериальных клеток особыми белыми кровяными клетками — фагоцитами.
Б. Киллерные Т-клетки защищают от вирусных инфекций. Вирус заражает клетку и размножается, синтезируются вирусные белки. В конце концов, происходит сборка новых вирусных частиц, которые заражают соседние клетки, вызывая острое заболевание. Зараженные клетки экспрессируют клеточные поверхностные антигены гистосовместимости, измененные в результате образования комплекса с фрагментами вирусного белка. Именно этот измененный поверхностный антиген распознается Т-клетками с помощью поверхностных рецепторов (ТкР), что приводит к пролиферации и активации Т-клеток. Когда активированная Т-клетка связывается с клеткой-мишенью своими рецепторами, клетка-мишень разрушается и погибает. Так как измененный поверхностный антиген может экспресси-роваться до того, как завершится сборка зрелых вирусных частиц, Т-клетки способны разрушить эту «клеточную фабрику», т. е. предотвратить производство вирусного потомства и, таким образом, избежать дальнейшего заражения.
3.3.2. Механизм отбора в иммунной системе[]
- Множество разнообразных В-лимфоцитов существует до того, как чужеродный антиген попадает в организм. Каждая клетка экспрессирует на своей поверхности мембране антитела одной специфичности. Гены вариабельной V-области кодируют те участки антитела, которые образуют антигенсвязывающий центр. Чужеродный антиген связывается с В-клетками, имеющими комплементарное антитело - таким образом, эти клетки отбираются в дарвиновском смысле (т.н. клональная селекция).
- После связывания антигена В-клетка активируется и делится, давая потомков, которые в свою очередь тоже делятся. В результате образуется множество идентичных дочерних клеток - клон. Все клетки клона экспресируют одинаковые антитела (т.н. клональная экспансия). В отдельных клетках этого клона гены вариабельной области могут мутировать (т.н. соматические мутации). Эти клетки в свою очередь могут быть отобраны антигеном для образования нового клона.
- Внутри клеток клона создаются РНК-копии генов вариабельной V - области. Зрелые молекулы информативной РНК переходят в цитоплазму, где они транслируются в последовательности аминокислот, составляющие белковые цепи антитела.
- Молекулы РНК V-генов могут "захватываться" безвредными эндогенными РНК-ретровирусами, продуцируемые клеткой. Вирусный фермент обратная транскриптаза может синтезировать ДНК-копию этой РНК (эта копия ДНК называется ретротранскриптом, или кДНК )
- Копии V - генов антител с помощью вирусов переносятся в спермотозоиды или яйцеклетки, встраиваются в ДНК половых клеток (т.н. зародышевой линии) и передаются потомкам.
3.3.3. Антитела и возможности их кодирования[]
Если смешать эритроциты (красные кровяные клетки) типа А с плазмой крови, которая содержит анти-А-антитела, то они "слипнутся". Если же смешать эритроциты типа А подвергнуть действию анти-В-антител, то "слипания" не будет. Таким образом, если человеку с группой крови А нечайнно перелита кровь, содержащая анти-А-антитела, в кровеносных сосудах может происходить слипание эритроцитов. Поэтому лучше всего человеку с группой крови А переливать кровь А, а человеку с группой крови В - переливать кровь В. При отсутствии нужной донорской крови в случае необходимости людям с группами крови А и В можно переливать О-эритроциты, отмытые от плазмы крови (в которой содержатся анти-А или анти-В антитела). У людей с группой крови О - эритроциты не имеют на поверхности ни антигенов А, ни антигенов В, но в плазме таких людей присутствуют антитела двух типов анти-А и анти-В. Вот почему переливать им кровь, несущую антигены А или В нельзя. Таким образом, О - универсальный донорский тип эритроцитов, а А и В, наоборот, универсальный получатель донорской крови [2].
Таким образом, иммунная система борется не только с вирусами и бактериями, но и с любыми чужеродными для организма элементами, несмотря на то, что организму в целом необходимы эти элементы (например, эритроциты). Таким способом пресекается всякое грубое внешнее вмешательство в организм.
Рассмотрим один проведенный эксперимент. Мелкие искусственно синтезированные молекулы сложных углеродных колец (например, производных бензола) - гаптены присоединяли к белковым антигенам (вирусам) разных типов. После этого демонстрировалось образование специфических антител к ним у лабораторных кроликов и мышей. Сами гаптены сами по себе обычно не вызывали образование антител. Но присоединенные к белковому носителю вызывали образование антител, специфичных и к гаптеновой части, и еще больше к белковой.
Таким образом, выявили антитела против ряда новых химических соединений и лекарств, только что созданных фармацивтической промышленностью. Этих новых антигенов никогда раньше не было в природе. Это вызывает вопрос: почему химические вещества, которых до этого никогда не было на Земле, могут вызывать иммунный ответ, с предварительным изменением генов по крайней мере соматических клеток ?
В свете этого нужно отметить, что таким образом, генотип организма в какой-то мере содержит не только необходимый код для белков, выполняющих функции организма, но и гены, которые отражают текущий окружающий мир, элементы которого могут проникать внутрь организма.
В итоге стало ясно, что потенциальный репертуар антител должен быть гигантским и насчитывать миллионы или больше специфичностей.
Закодированы все специфичные антитела в яйцеклетках и сперматозоидах, т.е. "зародышевой линии" или же иммунная система использует специальную "соматическую" стратегию, при которой гены лимфоцитов мутируют, образуя дополнительное разнообразие ?
Антитела - это белок иммуноглобулина. Он состоит из т.н. тяжелую цепь (H) из 400 аминокислот (100 в V-области и 300 в C-области) и легкой цепи (L) из 200 аминокислот (100 в V-области и 100 в C-области). Учитывая, что каждая аминокислота определяется 3 основаниями в последовательности ДНК, тогда должно быть по крайней мере 1800 оснований, при условии, что H- и L- цепи кодируются традиционными генами.
Если существует 1 млн. разнообразных антител, то в геноме человека должно быть около 2 млрд. оснований, кодирующих только возможный репертуар антител. Даже если ограничится только существенной информацией, т.е. V-областями, а именно они составляют антигенсвязывающий центр, то это число уменьшится до 600 млн. оснований.
Весь геном человека содержит 3-4 млрд. оснований. Кроме того, в промежутках между генами расположены не кодирующие последовательности ДНК, составляющие порядка 90% от всей ДНК генома. Становится очевидно, что все разнообразие антител не может быть закодировано только в половых клетках. Жизнь нуждается в гораздо большем, чем только производстве антител. Поэтому разнообразие Ig-генов, ответственных за кодирование антител может генерироваться только соматическими событиями - мутациями.
3.3.4. Зарождение иммунной системы[]
3.3.5. Иммунный ответ и аутотолерантность[]
Когда связывается больше одного центра, как у IgG или IgM, имеющих по два центра, или у пентамера IgM с десятью центрами, в действие вступает новый фактор. Если чужеродный агент имеет на поверхности множество идентичных структур (как у бактерий или вирусов), то, как только происходит одно взаимодействие антиген-антитело, вероятность второго возрастает, и так далее.
Таким образом, пентамер IgM может присоединятся к поверхности бактерии, даже если аффиность отдельного антиген-связывающего центра низка из-за относительно плохого соответствия антигену. Сила такого множественного связывания антигена с антителом называется авидностью. Итак, высокая авидность IgM обеспечивает организму селективные преимущества, так как он образует в первые часы и дни инфекции, и способен связывать бактерии в крови и вызывать их элиминацию.
Пентамер IgM - крупная молекула, которая не может проникать через стенки кровеносных сосудов. Необходимы антитела помельче - иммуноглобулины класса IgG. Обычно IgM - ответ длится несколько дней, а затем происходит переключение на образование более мелких антител класса IgG, которые имеют два антигенсвязывающих центра, вместо десяти. Это переключение происходит в результате ряда сложных молекулярных событий.
Переключение с синтеза IgM на синтез IgG иллюстрирует одну аксиому иммунологии. Единственное эволюционное селективное преимущество, которое дает специфичность в иммунной системе - это возможность различения своего от не-своего. Каждое антитело способно отличить чужеродный антиген от собственных антигенов.
У здоровых людей иммунная система почти никогда не производит антител и киллерных Т-клеток против тканей и клеток собственного организма. В норме может наблюдаться только очень кратковременная реакция против самого себя. И это несмотря на то, что химический состав белков и углеводов собственного организма очень похож на молекулярные структуры чужеродных антигенов. Эта неспособность организма реагировать на самого себя названа аутотолерантностью.
Аутотолерантность обеспечивается благодаря следующему механизму. Если рецептор на поверхности развивающегося незрелого лимфоцита связывается с собственным антигеном, клетка получает отрицательный сигнал и уничтожается. Так как собственные антигены - это первые молекулы, которые встречаются незрелым лимфоцитам, этот процесс должен происходить в местах развития лимфоцитов. Только лимфоциты, прошедшие этот селекционный фильтр, достигают зрелости и приобретают способность связываться с чужеродными антигенами.
Считается, что отбор зависит только от реакции связывания. Популяции клеток, образовавшиеся в результате "клонального роста", продуцируют специфические антитела и Т-клетки, необходимые для борьбы с инфекцией. По мере того, как концентрация чужеродного антигена в лимфоидной ткани падает, конкуренция за связывание с редким антигеном приводит к тому, что для размножения "отбираются" более успешные В-клетки.
3.3.6. Сплайсинг РНК[]
3.3.7. Механизм мутаций[]
Гены антител отличаются от всех остальных генов. Гены, кодирующие V- и C- домены отделены друг от друга огромным участком последовательности ДНК (≈ 300 тыс. оснований). Почему ?
Единый участок ДНК, кодирующий H- или L- цепь, образуется в результате перемещения V-участка к C-участку. Это происходит в результате сплайсинга ДНК-последовательности. Данный процесс происходит при созревании лифоцита.
Часть Ig-локуса, то есть места локализации Ig-гена в ДНК, содержит в "зародышевой линии" большое число (сотни) V-генов. В каждой отдельной В-клетке один из этих генов передвигается и становится рядом с одним из несколько возможных C-генов.
Случайное перемещение только одного V-гена из большого числа возможных приводит к тому, что клетка производит антитела только одной специфичности. После такой случайной перестройки генов H- и L- цепей, клетка из большого числа возможных комбинаций H+L белковых цепей создает один полный белок. Затем клетка экспресирует это антитело на поверхности, и ее судьба решается окончательно: если она окажется "против своих", она будет уничтожена, иначе станет потенциальным участником иммунного ответа на чужие антигены.
О генах антител в неперестроенном виде говорят, что они имеют «конфигурацию зародышевой линии». В таком виде находится ДНК в половых клетках (сперматозоидах и яйцеклетках) и во всех клетках организма, кроме зрелых лимфоцитов (в клетках печени, почек, поджелудочной железы, в других лимфоцитах, например, в фагоцитах). В каждом созревающем лимфоците мыши и человека ДНК подвергается случайной соматической перестройке.
А. В конфигурации зародышевой линии ряд очень похожих (но все-таки различных) вариабельных V-элементов лежит выше (левее) экзонов, кодирующих константную С-область. Эти V-элементы, кодирующие примерно 95 аминокислот, называются неперестроенными. Между V- и С- элементами расположены D- и J-элементы, каждый кодирует короткую последовательность аминокислот. Каждый V-элемент имеет лидерную (L) последовательность, которая кодирует короткую последовательность аминокислот, сигнальный пептид. Также существует лидерный L-V-интрон между L и V элементами Б. В ходе развития В-клеток в костном мозге в каждом В-лимфоците случайно перестраиваются V-, D- и J-элементы тяжелой цепи, и появляется перестроенная последовательность вариабельной области VDJ - соматическая конфигурация. Для Н-цепей на первом этапе перестройки происходит объединение DJ, за ним следует объединение с V-элементом, и образование VDJ. После перестройки вся ДНК между случайно выбранным V-элементом и использованным J-элементом удаляется из клетки. Таким образом, каждая успешная перестройка ДНК вариабельной области уникальна для каждой зрелой В-клетки. Про-мРНК, содержащая вариабельный (VDJ) участок, присоединенный к С-участку, образуется в ядре. L-V и J-C интроны и интроны внутри С -участка затем вырезаются, что приводит к экспорту зрелой РНК молекулы в цитоплазму, где она транслируется на рибосоме в последовательность аминокислот. Лидерный (сигнальный) пептид отрезается от белка, когда он выделяется из клетки. Соматическая конфигурация и конфигурация зародышевой линии генов L-цепей такая же, кроме того, что легкие цепи не содержат D-участков.
В неперестроенных V-элементах никогда не происходит соматического мутирования. Мутации появляются только в V(D)J-перестройке.
Перестройки ДНК выполняются набором особых рекомби-национных ферментов. Кодирующие их гены называются генами, активирующими рекомбинацию (recombination activating genes — RAG), и локализованы в других местах генома. RAG-ферменты распознают ДНК-последовательности сигнальных последовательностей на соответствующих концах V-, D- и J-элементов, которые и соединяются.
Теперь можно ответить на вопрос - почему В-лимфоцит производит антитела только одной специфичности? Все соматические клетки (клетки тела) имеют двойной набор хромосом, один набор от матери, другой от отца. Такие клетки называются диплоидными. Сперматозоиды и яйцеклетки имеют только по одному набору хромосом (они гаплоидны). Оплодотворение, слияние сперматозоида и яйцеклетки, восстанавливает диплоидное состояние. Кроме половых хромосом (X и Y), все другие хромосомы диплоидного набора разбиваются на пары с очень похожими ДНК-последовательностями. По мере созревания В-лимфоцита начинается перестройка V-, D- и J-элементов. Успешная V(D)J-перестройка в одной хромосоме посылает сигнал, который выключает активность RAG-ферментов и препятствует перестройке в гомологичной хромосоме.
Еще важный вопрос - почему мутации ограничиваются V(D)J-участком ? Если мутации в вариабельной области антитела могут оказаться полезными, то мутации в константной области, скорее всего, вредны, так как они могут нарушить эффекторные функции антитела, запуск лизиса бактериальных клеток или стимулирование фагоцитоза. Разделение V- и С-участков позволило эволюции создать механизм, который обеспечивает мутации в V-участке, но сохраняет С-участок неизменным. Перестроенный V(D)J-ген может подвергаться очень высокому уровню соматических мутаций, и новое антитело оценивается по способности связывать антиген. Антитела с самой высокой аффинностью к чужеродному антигену выигрывают в отборочных соревнованиях за связывание антигена, сохраняются и становятся долго живущими клетками памяти. В-лимфоцит проиграет соревнование, если мутация уменьшает или уничтожает аффинность; такие клетки погибают. В-лимфоциты, кодирующие антитела, которые связывают собственные антигены, также уничтожаются, и, следовательно, сохраняется аутотолерантность.
Высокий уровень ошибок при образовании РНК по матрице ДНК (транскрипции) и при образовании ДНК по матрице РНК (обратной транскрипции) характеризуются частотой точковых мутаций 10-3—10-4, что существенно выше, чем частота ошибок при репликации ДНК (от 10-8 до 10-9). Неточность, большое число ошибок имеют место и при репликации генома РНК-содержащих вирусов, например, вируса гриппа. Этим объясняется быстрое генетическое изменение вируса, приводящее к пандемиям гриппа. Таким образом, все процессы копирования, включающие одноцепочечные РНК-посредники (превращение РНК в ДНК и наоборот), идут с большим числом ошибок, при этом репарация последовательности невозможна, поскольку ферменты, осуществляющие такое неточное копирование полинуклеотидов (РНК-полимераза, обратная транс -криптаза и РНК-репликаза), как оказалось, не имеют функций проверки и исправления ошибок.
Мутации, которые передаются потомкам, появляются с низкой частотой. Они возникают в половых клетках и называются генеративными. Это редкие ошибки, которым удалось ускользнуть от «проверок» ДНК-полимеразы во время репликации ДНК и упаковки ее в сперматозоиды и яйцеклетки. Они могут вызывать дефекты (т. е. влиять на фенотип и состояние здоровья индивида). Однако существуют варианты некоторых генов (альтернативные формы генов называют аллелями), которые не влияют на здоровье индивида, у которого они проявляются.
Поэтому соматические мутации небольшого начального набора V-генов зародышевой линии происходят до передачи информации V-генов от сомы к зародышевой линии. А молекулярной машиной при этом является RT-мутаторсома (RT-обратная транскриптаза), которая с высокой частотой вызывает мутации перестройки ДНК VDJ-гена. Эта RT-мутаторсома использует про-мРНК как матрицу для синтеза кДНК (созданной обратной транскриптазой на основе РНК). Этот процесс изображен ниже.
Теперь выясним, что является сигналом к прекращению соматического мутирования? Точнее, Каков механизм предотвращения лишних, портящих успешно отобранную последовательность, мутаций?
Селективное преимущество состоит в том, что когда антитело в центре размножения изменится настолько, что будет обладать высокой аффинностью к антигену, В-клетке должен быть дан сигнал остановить дальнейшее мутирование. Тогда мутаций не будет слишком много, и риск потери высокой аффинности к антигену будет минимизирован. Сигналом может быть прекращение производства белковых субъединиц RT-мутаторсомы (белки постоянно разрушаются ферментами, называемыми протеаза-ми. Следовательно, они исчезают до тех пор, пока не начнется новый синтез).
Примечания[]
- ↑ В качестве первичного источника использовалась книга Э.Стил, Р.Линдли, Р.Бландэн Что, если Ламарк прав? Иммуногенетика и эволюция. — М.: «Мир», 2002.
- ↑ Этот вопрос еще сложнее, так как еще требуется согласование по Rh-антигену, но здесь мы это не рассматриваем
Это основополагающая версия, написанная участниками этого проекта. Но содержимое этой страницы очень близкое по содержанию предоставлено для раздела Викиверситета на русском языке. Статью, размещенную в Викиверситете можно найти по адресу: Антитела и переливание крови.
Это основополагающая версия, написанная участниками этого проекта. Но содержимое этой страницы очень близкое по содержанию предоставлено для раздела Викиверситета на русском языке. Статью, размещенную в Викиверситете можно найти по адресу: Возможности кодирования антител.
Это основополагающая версия, написанная участниками этого проекта. Но содержимое этой страницы очень близкое по содержанию предоставлено для раздела Викиверситета на русском языке. Статью, размещенную в Викиверситете можно найти по адресу: Иммунный ответ и аутотолерантность.
Это основополагающая версия, написанная участниками этого проекта. Но содержимое этой страницы очень близкое по содержанию предоставлено для раздела Викиверситета на русском языке. Статью, размещенную в Викиверситете можно найти по адресу: Различие B и T лимфоцитов.
Это основополагающая версия, написанная участниками этого проекта. Но содержимое этой страницы очень близкое по содержанию предоставлено для раздела Викиверситета на русском языке. Статью, размещенную в Викиверситете можно найти по адресу: Механизм отбора в иммунной системе.
Это основополагающая версия, написанная участниками этого проекта. Но содержимое этой страницы очень близкое по содержанию предоставлено для раздела Викиверситета на русском языке. Статью, размещенную в Викиверситете можно найти по адресу: Мутации иммуноглобулинов.