Антигены

Самое простое и по сути точное определение антигена (Аг) — это определение его как некоего вещества, которое по своей химической природе способно связать какие–либо антигенраспознающие рецепторы (Рц) лимфоцитов — T или В.

Тем не менее оно недостаточно удовлетворяет прикладным интересам биологов, иммунологов и врачей разных специальностей. Чтобы лимфоциты имели возможность что–либо распознавать во внутренней среде, человек сначала должен нечто ввести в организм или констатировать самопроизвольное попадание этого нечто в организм. Процедуру введения Аг в организм называют иммунизацией. В патологическом аспекте аллергологи иммунизацию называют сенсибилизацией. Ту форму вещества, которую вводят в организм с целью индукции иммунного ответа, называют иммуногеном или, что бывает чаще, тоже Аг.

Таким образом, в прикладном смысле Аг называют вещества или те формы веществ, которые при введении во внутреннюю среду организма способны индуцировать на себя иммунный ответ в виде выработки специфических антител (АТ) и/или иммунных T–лимфоцитов. Это не те же самые формы, которые способны связывать, например, Рц T–лимфоцитов для Аг.

Другие клетки — антигенпредставляющие (АПК), предварительно перерабатывают внутри себя иммуноген, превращая его в «видимую» для T–лимфоцита форму — комплекс пептида с молекулами MHC. Иммуноглобулины (АТ) же в отличие от T–лимфоцитов способны распознавать, т.е. связывать, эпитопы на нативных, непереработанных молекулах веществ. Какие же формы внешних веществ способны индуцировать иммунный ответ в организме млекопитающих, т.е. являются Аг в прикладном смысле? Опыт показывает, что иммуногенны достаточно крупные молекулы с молекулярной массой в несколько десятков тысяч дальтон, но в конкретных случаях можно индуцировать иммунный ответ и на относительно небольшие молекулы с относительной

молекулярной массой порядка сотен. По химической природе иммуногенны белки, полисахариды, фосфолипиды и их комбинации. Можно получить специфические АТ, связывающие малые молекулы, например, ароматических веществ, но для этого перед введением в организм животного эти малые молекулы необходимо конъюгировать с какой–либо макромолекулой. Малую молекулу в данном случае называют гаптеном, макромолекулу — носителем.

Строение антигена

Все антигены, несмотря на их огромное разнообразие, имеют общий принцип строения (Рис. 1-1). Основная часть молекулы антигена – несущая часть – определяет его иммуногенность. Антигенность же обуславливает участок молекулы антигена специфического состава и конфигурации (Рис.2-2), называемый эпитопом (в качестве синонимов используются также термины «антигенная детерминанта», «детерминантная группа антигена»).

Рис 1-1 Схема строения антигена

Рис 2-2. Схематическое расположение эпитопов на поверхности несущей части антигена

А. Количество идентичных эпитопов, содержащихся молекулой антигена, определяет его валентность. Например, на рис. 2.-2 антиген двухвалентен по всем пяти эпитопам.
Б. Эпитоп формируется, как правило, 5-6 аминокислотными остатками (у белков) или 5-6 липополисахаридными остатками (у липополисахаридов).
В. В зависимости от расположения в молекуле антигена (например, белка) эпитопы классифицируются на три группы.
1. Линейные (секвенциальные) эпитопы формируются первичной аминокислотной последовательностью белковой молекулы. Такие эпитопы взаимодействуют как с Т-, так и с В-лимфоцитами.
2. Поверхностные (конформационные) эпитопы образуются в результате вторичной, третичной или четвертичной конформации молекулы белка. Такие эпитопы реагируют с В-лимфоцитами.
3. Глубинные (скрытые) эпитопы проявляются при разрушении биополимера. Такие эпитопы реагируют с Т-лимфоцитами.

Главным свойством, определяющим, может или не может то или иное вещество быть Аг для данного организма, является способность этого вещества прочно связываться с клетками или/и межклеточным матриксом (т.е. тканями) данного организма и при этом быть доступным для распознавания лимфоцитами.

В прикладных аспектах Аг (точнее, иммуногены) классифицируют в соответствии с теми свойствами, которые важны для конкретного прикладного аспекта. Например, аллергологи классифицируют Аг (аллергены) на пищевые, пыльцевые, эпидермальные, бытовые, инсектные и т.п., т.е. в соответствии с источником происхождения и путями попадания в организм человека. Врачи, занимающиеся профессиональными болезнями, выделяют иммуногенные вещества «на рабочем месте»: латекс, красители, ксенобиотики и т.д. Трансплантологи классифицируют тканевые Аг на алло–, ксено– или сингенные, ткане–, органоспецифичные. Микробиологи классифицируют Аг микроорганизмов в соответствии с таксономической классификацией последних на видо–, типо–, подтипо– и группоспецифичные и т.д. Онкологи выделяют опухолеспецифичные Аг, раково-эмбриональные Аг, маркѐ рные Аг. Биологи, занимающиеся морфогенезом, выделяют стадиоспецифические тканевые Аг, эмбриоспецифические Аг. И так в любой частной специальности вещества, способные индуцировать иммунный ответ, классифицируют по признакам, имеющим наибольшее значение именно для данной специальности.

Индукция иммунного ответа — сложный физиологический процесс. На одну и ту же форму иммуногена в одном и том же организме можно индуцировать иммунный ответ разной интенсивности в зависимости от применения или неприменения неких сопутствующих воздействий. Речь идѐ т об адъювантах — веществах, способных усиливать иммунный ответ на заданный иммуноген. Адъювантными свойствами обладают вещества, способные индуцировать доиммунное воспаление в тканях, а медиаторы доиммунного воспаления — цитокины дендритных клеток, макрофагов, фибробластов, кератиноцитов (TNF–a, ИЛ–1, ИЛ–12 и др.) способствуют развитию реакций лимфоцитарного иммунитета, т.е. собственно иммунного ответа. Классическими адъювантами являются адъювант Фройнда (смесь вазелиновых масел с инактивированными микобактериями туберкулѐ за — это полный адъювант или без микобактерий — это неполный адъювант), гидроокись алюминия (алюминиевые квасцы), мурамилди– или трипептиды — синтетические аналоги компонентов бактериальных стенок. Большое количество работ выполнено отечественными исследователями в Институте иммунологии МЗ РФ по разработке новых полимерных синтетических адъювантов или носителей на основе поливинилпиридинов, азоксимера и других соединений полиэлектролитной/полиионной природы.

Как будет показано в дальнейшем, Аг могут быть вовсе не только чужеродные, но в той же, если не в большей мере и молекулы своего собственного организма. Антигенраспознающий Рц лимфоцита формируется в процессе дифференцировки, которую называют иммунопоэзом. Иммунопоэз большинства лимфоцитов происходит во внутренней среде организма, без доступа экзогенных субстанций, на территории лимфопоэтических органов (костного мозга, тимуса, барьерных слизистых оболочек). Таким образом, дифференцировка и отбор антигенраспознаюших Рц, в том числе предназначенных для связывания потенциальных чужеродных Аг, проходят при взаимодействиях исключительно со своими эндогенными антигенами.

Конкретные исследования показывают, что по природе Аг, т.е. то, что распознаѐ т иммунная система, а именно антигенраспознающие Рц лимфоцитов — это молекулы наружных мембран клеток и клеточные продукты, секретированные из клетки. По биохимической природе Аг относятся к белкам, их производным — гликопротеинам, липопротеинам. Кроме того, Аг

бывают чистые углеводы, липополисахариды, фосфорилированные производные различных органических молекул.

Иммунитет не контролирует собственно генетический гомеостаз организма. Геном как таковой не объект действия для иммунитета. Иммунная система по своей природе распознаѐ т то, что в классической генетике называют фенотипом, т.е. молекулы поверхности клеток и межклеточного матрикса.

Рецепторы распознавания «чужого»

Каким образом организм отличает «чужое», которое надо переварить (расщепить), от своего органического вещества, которое, напротив, нельзя расщеплять, по крайней мере, в норме? Какие клетки и молекулы первыми распознают, что инфекция проникла во внутреннюю среду данного организма?

Иммунология второй половины XX в., открывшая строение и беспрецедентное молекулярное разнообразие Рц лимфоцитов для Аг, «по умолчанию» исходила из представления, что лимфоциты и есть те уникальные клетки, которые распознают чужое своими Рц для Аг. Но иммунология начала XXI в. уже располагает такими новыми данными, которые позволяют осмыслить (в том числе и «старые» наблюдения) в аспектах новой теоретической концепции. Новая концепция рассматривает защиту от инфекций более системно (в пределах индивидуального организма) и более эволюционно (в плане родства всех форм жизни на Земле). В самом конце XX в. были получены некие новые данные. Эти результаты получены в работах по «ковровым» исследованиям геномов (в том числе генома человека), в моделях на мышах с нокаутом заданных генов в комбинации с трансфекцией тоже заданных генов с индуцибельной экспрессией и работах с использованием множества других новых методов. Новые данные, однако, побуждают современных исследователей все чаще вспоминать и цитировать работы И. И. Мечникова, посвященные функциям фагоцитирующих клеток.

Давно известно, что лимфоцитарный иммунный ответ начинает бороться с инфекцией не раньше чем через 7–8 дней от момента проникновения микроба в организм. Но в течение этого начального времени микробы вовсе не размножаются беспрепятственно на территории организма. Им противостоят перечисленные нами ранее биологические механизмы доиммунной защиты от инфекций (покровные ткани, сосудистые реакции, бактерицидные и бактериосвязывающие гуморальные компоненты секретов и сыворотки, фагоциты). Следовательно, клетки-носители доиммунной защиты от инфекций и их растворимые продукты распознают факт проникновения патогена в организм первыми, задолго (дни) «до» лимфоцитов.

Микробов во внешней среде бессчѐ тное количество. Инфекционных заболеваний у млекопитающих мало по сравнению с многочисленностью окружающих микробов. Очевидно, что бoльшую часть микробов инактивируют именно доиммунные механизмы резистентности к инфекциям, не доводя процесс до развития иммунного воспаления с участием лимфоцитов. И лишь те инфекции и те дозы инфектов, с которыми не справляются доиммунные механизмы резистентности, «достаются» лимфоцитам. Причѐ м клетки доиммунной резистентности — дендритные клетки и макрофаги — подают Аг лимфоцитам в прямом смысле «в и на» своѐ м клеточном «теле» и секретируют ряд биологически активных веществ — цитокинов доиммунного воспаления. Среди последних крайне важны хемокины, которые сигнализируют лимфоцитам, что пора начинать иммунный ответ и какой именно характер он должен иметь. Лимфоциты не самодостаточны для начала иммунного ответа.

Можно утверждать, что без процессов доиммунного воспаления правильного (а может быть, и никакого) лимфоцитарного иммунного ответа in vivo не бывает.

Относительно новой информацией являются экспериментальные факты, полученные при исследовании репертуара Рц лимфоцитов (Т и В), нормально выживающих и функционирующих в периферических тканях организма в состоянии гомеостаза лимфоидной ткани. Эти данные получены на моделях «нокауттрансгенных» мышей, без которых они были бы непостижимы. Так вот, данные показывают, что в тканях организма выживают те и только те лимфоциты, Рц (для Аг) которых распознают те или иные молекулярные структуры своих собственных тканей. При этом, что очевидно, деструктивного ответа против собственных тканей в норме лимфоциты не развивают. Следовательно, факт комплементарного взаимодействия Рц лимфоцита для Аг с лигандом ещѐ не достаточен для того, чтобы лимфоцит начал иммунный ответ на уничтожение. Лимфоциту необходима информация (и значительная по объѐ му) о патогенности лиганда, которую он получает от клеток, осуществляющих доиммунное воспаление в очаге повреждения в покровных тканях — дендритных клеток, макрофагов, клеток эндотелия, тучных клеток, покровного эпителия, фибробластов.

Какие же Рц на клетках доиммунной резистентности, или растворимые Рц, распознают патогены, и что именно они распознают? Отдельные факты по этому вопросу известны давно, но как цельный процесс явление доиммунного воспаления находится в стадии активного изучения и в настоящее время. В поле зрения попали на сегодня два типа Рц, обеспечивающих информирование организма о проникновении патогена.

Первый тип — растворимые Рц для патогенов — C1q комплемента, ЛПC–связывающий протеин, связывающий маннозу лектин, C–реактивный белок (СРБ). Эти белки жидких сред организма непосредственно связывают, т.е. распознают микробные продукты. Для «хвостов» этих молекул есть специальные Рц на мембранах фагоцитов, что обеспечивает «передачу информации» о патогене из раствора в клетки доиммунного воспаления.

Второй тип Рц для патогенов — Рц, встроенные во внешнюю мембрану дендритных клеток и макрофагов. Они получили название TOLL и TOLL–подобных (TLR) Рц. Какие-то из мембранных Рц сами непосредственно связывают продукты патогенов (Рц для маннозы макрофагов, TLR2, TLR9 и другие TLR дендритных клеток). Какие-то из TOLL–подобных Рц работают в мембране кооперативно с другими Рц и только обеспечивают проведение сигналов о патогенах в клетку. Например, Рц CD14 макрофагов связывает комплексы бактериального ЛПС с ЛПC–связывающим белком сыворотки, a TLR4 вступает в кооперативное взаимодействие с оккупированным CD14 и обеспечивает конкретный путь проведения сигнала об ЛПС во внутренней среде внутрь клетки.

Именно Рц, непосредственно связывающие микробов и их растворимые продукты, очевидно, являются носителями эволюционной памяти многоклеточных о том, что «не своѐ — чужое!».

Чарльз Джанвей ввел понятие PRR (Pattern Recognition Receptors) — Рц, распознающие «узор» на поверхности патогена. На поверхности микроорганизмов (вероятно всех) присутствуют повторяющиеся молекулярные углеводные и липидные структуры. В подавляющем большинстве случаев таких структур нет на клетках организма хозяина. Следовательно, по ним и можно распознать микробные клетки. У млекопитающих известны по крайней мере 4 растворимые молекулы, являющиеся непосредственными Рц для микробных структур. Это белки сыворотки крови, синтезируемые печенью: СМЛ (связывающий маннозу лектин), CРБ (C–реактивный белок), LBP (липополисахаридсвязывающий белок), а также компонент системы комплемента C1q. СМЛ и CРБ — белки острой фазы. СМЛ и C1q — лектины, принадлежащие к семейству коллектинов. Все коллектины имеют по нескольку доменов (от 2 до 6), связывающих углеводы. СМЛ реагирует с углеводами, содержащими остатки маннозы и фукозы в определѐ нной стереоориентации.

Существуют и мембранные PRR, например, на макрофагах есть Рц для маннозы — лектин C–типа и способен связывать ряд бактериальных клеток и вирусов, в том числе ВИЧ. Связывание Рц для маннозы влечет за собой фагоцитоз связанного лиганда. На тех же макрофагах выявлено минимум 6 вариантов так называемых Рц для мусора (scavenger receptors). Это тоже Рц фагоцитоза, и распознают они некоторые анионные полимеры, ацетилированные липопротеины низкой плотности, участки мембран клеток своего организма, утратившие экран из сиаловых кислот (по такому механизму макрофаги фагоцитируют старые эритроциты).

Есть примеры, когда микробный продукт распознаѐ т растворимый Рц, а их комплекс связывает другой Рц — на фагоците. Так происходит с характерным компонентом грамотрицательных бактерий — ЛПС. Его распознаѐ т и связывает белок сыворотки — LBP, а их комплекс (ЛПС + LBP) распознаѐ т и связывает Рц на макрофаге — CD14. В молекулах LBP и CD14 — в обеих — присутствуют повторяющиеся последовательности АК, богатые лейцином. Сам по себе Рц CD14 — непроводящий, несигнализирующий (во всяком случае таких данных нет). Однако как только CD14 оказывается связанным своим лигандом, с ним вступает в ассоциацию другой Рц — TOLL–подобный Рц макрофагов TLR–4. Именно он проводит внутрь клетки особый сигнал, вызывающий экспрессию в макрофагах определѐ нных цитокинов доиммунного воспаления, обеспечивающих развитие защитных сосудистых реакций, хемотаксис нейтрофилов и моноцитов в очаг, активацию дендритных клеток и их миграцию из покровных тканей в регионарные лимфатические узлы. Это необходимый процесс для инициации развития лимфоцитарного иммунного ответа на тот случай, если доиммунное воспаление не остановит развитие инфекции.

TLR–4 открыли у мышей, генетически не реагирующих на попадание ЛПС в организм. ЛПС является причинным агентом для развития клинических симптомов септического шока. Так вот, у таких мышей не выявили дефектов ни в LBP, ни в CD14, у них оказался инактивированным ген TLR–4. Отвечаемость на ЛПС таким мышам удалось привить путѐ м введения трансгена TLR–4. В дальнейшем выяснили, что в мембране клетки Рц TLR–4 взаимодействует с комплексом «CD14 + LBP + ЛПС» через богатый лейцином внеклеточный домен молекулы CD14. У мышей с мутацией в гене TLR–4 не развиваются болезненные симптомы септического шока, но их организм не способен защититься от ЛПC–содержащих бактерий (например, Salmonella typhimurium), и мыши погибают от сепсиса. У нескольких людей, «не справляющихся» с локализацией инфекции грамотрицательными бактериями, организм которых «допустил» бактериемию, т.е. грамотрицательный сепсис, тоже нашли мутации в гене TLR–4.

Термины «TOLL» и «TOLL–подобные Рц» появились в словаре иммунологов с 1998 г. Пионерские же исследования этих Рц были выполнены C. Nusslein-Vollhardt, K.V. Anderson и коллегами на плодовых мухах дрозофилах в 1985–1988 гг. и поначалу не имели отношения к иммунитету.

TOLL–Рц назвали некие вновь открытые молекулы клеточной мембраны, необходимые для правильного дорсовентрального морфогенеза в процессе эмбрионального развития мух Drosophila melanogaster. В дальнейшем, почти через 10 лет, нашли, что те же TOLL–Рц у взрослых мух ответственны за защиту организма от грибов и бактерий, так как сигнал с TOLL–Рц обеспечивает биосинтез антигрибковых и антибактериальных пептидов (дрозомицина). В эти же годы (1991–1995) в независимых работах обнаружили, что в цитоплазматическом участке Рц для ИЛ–1 у млекопитающих существует явная гомология с цитоплазматическими последовательностями TOLL–Рц плодовых мух. С этого момента исследования приняли уже более целенаправленный и азартный характер, так как появился намек на то, что в поле научного зрения попали молекулы (именно эти TOLL, в переводе с английского — звон колокольчика у входных дверей), имеющие прямое отношение к защите от микробных инфекций у столь филогенетически далеких многоклеточных, как плодовые мухи и млекопитающие. Гомологичные сигнальные последовательности в цитоплазматических участках интересующих Рц получили отдельное наименование — TIR (Toll/Interleukin–1 receptor).

В настоящее время TOLL–Рц понимают как древний сигнальный путь защитного назначения, имеющийся у всех многоклеточных организмов, включая растения, беспозвоночных и позвоночных животных.

У человека по завершении программы «Геном человека» нашли 10 аналогичных (или гомологичных) кодирующих последовательностей нуклеотидов и соответствующих TOLL–подобных белков. Их лиганды и значение в жизненных процессах в настоящее время активно изучают.

Соответствующие Рц у млекопитающих стали называть TOLL–подобными (TLR — TOLL–like receptors). Пока что TLR у млекопитающих выявили на дендритных клетках и макрофагах. Кроме TLR–4, сигнализирующего о наличии ЛПС грамотрицательных бактерий, у млекопитающих описан ещѐ TLR–2, который сигнализирует о наличии ряда иных микробных продуктов, а именно протеогликанов грамположительных бактерий. Частично охарактеризованы Рц дендритных клеток TLR–7 и TLR–9. Их лиганды — вирусные продукты и бактериальная ДНК, содержащая неметилированные нуклеозиды CpG. Подробности этого распознавания в настоящее время изучают. Но уже показано, что активация дендритных клеток и макрофагов млекопитающих через TLR имеет следствием активацию в клетке определѐ нного «древнего» фактора транскрипции — NFkB, что приводит к следующим биологическим последствиям:

· в этих клетках инициируется транскрипция с последующей экспрессией продуктов генов провоспалителъных цитокинов (TNFa, ИЛ–1, ИЛ–6, ИЛ–12 — набор и соотношения цитокинов — разные при разных патогенах) и хемокинов (ИЛ–8); TNFaобеспечивает такую активацию дендритных клеток в покровных тканях, которая необходима для осуществления их миграции в регионарную лимфоидную ткань по путям лимфодренажа;

· происходит экспрессия костимуляторных молекул B7.1 (CD80) и B7.2 (CD86), без которых дендритные клетки и макрофаги не могут выполнить функции антигенпрезентирующих клеток (АПК) для T–лимфоцитов, т.е. возможность начала развития лимфоцитарного иммунного ответа in vivo облигатно зависит от факторов доиммунного воспаления в очаге проникновения патогена.

Молекулы-мишени иммунитета (образы патогенности,