Эдвард Стил - Что, если Ламарк прав? Иммуногенетика и эволюция

Иммунная система развивалась для борьбы с острыми инфекционными заболеваниями. Возбудитель, попадая в организм, начинает размножаться, но то же самое делают и его враги — Т- и В-лимфоциты. Исход болезни зависит от того, у кого скорость размножения выше. Теперь мы кратко рассмотрим, каковы роли некоторых действующих лиц в этом состязании.

Антитела относятся к классу растворимых белков, называемых иммуноглобулинами (сокращенно Ig). Их продуцируют и выделяют в кровь и тканевую жидкость белые кровяные клетки, которые называются В-лимфоцитами. В элиминации чужеродного агента участвуют и некоторые дополнительные факторы, которые вызывают лизис (разрушение) бактериальных клеток, покрытых антителами. Антитела могут нейтрализовать вирусные частицы, прочно связываясь с ними и тем самым препятствуя их проникновению в клетки-мишени. Кроме того, специальные клетки, называемые фагоцитами, могут заглатывать покрытые антителами частицы и разрушать их. Этот процесс изображен на рис. 3.1. Выгодно, если антитело связывается с антигеном при очень низких концентрациях того и другого, то есть на ранних стадиях инфекции, когда в организме присутствует только очень небольшое число болезнетворных агентов. Однако это возможно лишь в том случае, если защитные антитела прочно связываются с антигеном, или обладают высокой авидностью. Если авидность антитела низкая, связывания при низких концентрациях антигена или антитела может и не произойти.

Если заболевание вызвано вирусом, иммунная система реагирует также образованием «клеток-убийц» (цитотоксических Т-лимфоцитов). Каждый Т-лимфоцит несет на поверхности специфические рецепторы, сходные с антителами. Эти рецепторы называются рецепторами Т-клеток — ТкР. Они распознают и связывают измененные молекулы на поверхностной мембране инфицированных вирусом клеток, что приводит к лизису этих клеток. Цитотоксические Т-клетки не вредят нормальным незараженным клеткам, так как не могут связывать их своими ТкР.

К сожалению, не у всех из нас иммунная система работает надежно и эффективно. Кто-то страдает от астмы или аллергии из-за того, что в отношении какого-либо внешнего раздражителя иммунная система заходит слишком далеко. Другие живут с рассеяным склерозом, потому что иммунная система разрушает их собственные нервные волокна, или страдают от иммунного дефицита, который затрудняет борьбу с инфекциями.

К концу 1960-х годов исследования естественных иммуноде-фицитов человека показали, что существует две основные категории острых нарушений иммунитета. Дети, не способные производить антитела (агаммоглобулинемия), не могут бороться с обычными бактериальными инфекциями, но нормально переносят детские вирусные инфекции, например корь. И наоборот, дети, у которых не было нормального тимуса (атимиче-ские), производят антитела и удовлетворительно справляются с бактериальными инфекциями, но не способны излечиваться от вирусных инфекций. В конце 1960-х гг. Боб Бландэн, работавший в Центре медицинских исследований имени Джона Кертина в Канберре, экспериментально показал, что излечение от острых вирусных инфекций у мышей зависит от ответа Т-лимфоцитов на инфекцию. К началу 1970-х гг. Боб совместно с другими исследователями из его лаборатории обнаружил, что Т-лимфоциты убивают инфицированные вирусом клетки до завершения цикла репликации вируса, пресекая, таким образом, инфекцию в зародыше. Другие исследователи показали, что Т-лимфоциты выделяют растворимые факторы (интерфероны), которые предотвращают размножение вируса в окружающих клетках. Интерфероны и другие растворимые цитокины сейчас производят с помощью клонирования и экспрессии генов цитокинов в бактериальном хозяине. Чистые цитокины назначают пациентам, страдающим некоторыми формами иммунного дефицита, для увеличения активности костного мозга и Т-клеток и, следовательно, улучшения ответа на инфекцию.

В 1973 г. Питер Догерти и Ролф Цинкернагель, также работавшие в Центре медицинских исследований имени Джона Кертина, показали, что в процессе распознавания Т-лимфоцитами инфицированных вирусами клеток участвуют не только вирусные антигены (что ожидалось), но и основные антигены гистосовместимости, или тканевой совместимости, самой клетки (что было неожиданным). Антигены гистосовместимости — это молекулы, ответственные за отторжение чужих тканей. Они различны у разных людей и вызывают сильный ответ Т-лимфо-цитов. Однако пересадка чужих тканей — не естественное явление, так что истинная биологическая функция этих антигенов была неизвестна до открытия Догерти и Цинкернагеля. Это открытие произвело коренные перемены в клеточной иммунологии, а Догерти и Цинкернагель получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1996 г.

Антигенспецифичные рецепторы Т-клеток (ТкР) распознают вирусные антигены, ассоциированные с главными антигенами гистосовместимости. Антител, связывающихся с такой ассоциацией, не образуется. Таким образом, Т-клетки и антитела никогда в норме не конкурируют за одни и те же сайты на поверхности клетки. Это можно продемонстрировать простым экспериментом. Если искусственно создать антитела к сайтам, узнаваемым Т-клетками, и добавить их к смеси инфицированных клеток и Т-клеток, то лизиса клеток не происходит, и вирусная инфекция успешно развивается. Этот эксперимент иллюстрирует селективные преимущества иммунной системы позвоночных, в которой Т-клетки и антитела не конкурируют за связывание с одними и теми же сайтами на поверхности инфицированной клетки.

Изучение описанных выше естественных иммунодефицитов у человека показало, что в отсутствие тимуса (и Т-лимфоцитов, которые развиваются в тимусе) могут образовываться антитела против бактериальных инфекций. Эти антитела относятся к классу иммуноглобулинов IgM. Секретируемая форма IgM, появляющаяся в ответ на бактериальную инфекцию без участия Т-лимфоцитов, представляет собой пентамер, то есть состоит из пяти молекул, структура которьк показана на рис. 3.2. Каждая из этих молекул имеет два антигенсвязывающих центра. Таким образом, пентамерный IgM имеет десять антигенсвязывающих центров (рис. 3.5).

Важная аксиома биологии гласит, что эффективность биохимической реакции зависит от степени связывания или сли-пания разных молекул. Взаимодействие между отдельным центром связывания антитела с комплементарным ему антигеном можно оценить количественно. Для этого в пробирке смешивают антиген и антитело в разных концентрациях и определяют, какая часть смеси находится в связанной форме (комплекс антиген—антитело), а какая — в несвязанной (рис. 3.6). Этот метод дает возможность оценить аффинность (сродство) антигенсвязывающего центра. Когда связывается больше одного центра, как у IgG или мономера 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 бактериальных или вирусных частиц), то, как только происходит одно взаимодействие антиген—антитело, вероятность второго возрастает, и так далее (рис. 3.7). Таким образом, пентамер IgM может прилипать к поверхности бактерии, даже если аффинность отдельного антигенсвязывающего 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 образуется в первые часы и дни инфекции и способен связывать бактерии в крови и вызывать их элиминацию.