Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2008 №5

Рецептор лимфоцитов, в отличие от антител, — гетеродимер, состоящий из пары различных цепей — а и Ь с молекулярным весом около 50 000, соединенных между собой одной дисульфидной связью. Н-, L-, а- и b-цепи имеют сходный план строения и относятся к одному большому суперсемейству белков — иммуноглобулинов. В основе их структуры лежит сходное повторяющееся звено (домен), состоящее примерно из 110 аминокислот, свернутых в глобулы, напоминающие друг друга (см. рис. 2, где эти звенья обозначены как прямоугольники). Каждый домен в молекуле антитела или РТК выполняет свою биологическую функцию, а наиболее важную из них — распознавание и связывание с антигеном — осуществляют концевые домены (см. рис. 2).

Пара концевых доменов (один из Н-цепи, другой из L-цепи, а в РТК — один из a-цепи, другой из b-цепи) образуют активный центр, уникальную по структуре полость, распознающую в молекуле антигена небольшие дискретные участки, состоящие из 4–8 аминокислот. Эти участки антигена подходят к структуре активного центра, "как ключ к замку", образуя прочные нековалентные связи антигена с антителом. Разные антитела (и РТК также) отличаются друг от друга структурой активных центров. На химическом уровне отличие активных центров определяется первичной структурой концевых доменов Н- и L-, а– и b– цепей, то есть последовательностью аминокислот в них. Участки Н и L цепей (равно как а и Ь), образующие "стенки" активного центра, носят название вариабельных (или V) районов. Остальная часть молекул постоянна и носит название константного (С) района. Вариабельных районов среди молекул антител тысячи, константных — единицы. Главная функция вариабельных районов — образование активных центров антител и РТК. Разнообразие активных центров очень велико, не менее 107–108, что вполне достаточно для более или менее специфического распознавания любого произвольно взятого антигена. Таким образом, структура антител и РТК, а точнее их активных центров, обеспечивает узнавание любого чужеродного белка или полисахарида, попавшего в организм.

Рис. 2. Принципиальная схема строения антител и рецепторов Т-клеток (РТК).

_{Н и L — тяжелая и легкая цепи антител соответственно, VL и VH — вариабельные районы соответственно легких и тяжелых цепей; Va и Vb — вариабельные районы а- и b-цепей; Акт. ц. — активные центры антител и РТК. Прямоугольники — повторяющиеся сходные звенья (домены) в структуре полипептидных цепей; М — клеточная мембрана.}

_{1 D — от diversity (разнообразие), J — от Joining (соединяющий).}

_{V' — фрагмент гена контролирует первые 95 аминокислот в V-доменах,}

_{D — от 2 до 10 и J — от 5 до 15 (см. рис. 3).}

Генетический контроль синтеза антител

Как же осуществляется контроль синтеза полипептидных цепей, один из районов которых постоянно варьирует при переходе от одного антитела (или РТК) к другому (вариабельный, V-район), а остальные строго постоянны (константные, Cl-районы). Эта задача решается благодаря уникальному генетическому механизму — независимому генетическому контролю V- и С-районов, составляющих одну полипептидную цепь, и сборке гена, контролирующего вариабельный район, из фрагментов в процессе созревания лимфоцита.

Гены, контролирующие структуру одной полипептидной цепи антитела или РТК, объединены в семейства, расположенные в одном участке хромосомы. При этом гены, соответствующие V-районам, "разорваны" на 2 или 3 фрагмента — основной V' и один или два дополнительных — D и J 1. V'-фрагментов в геноме недифференцированных лимфоцитов много — от 50 до 1000 для разных цепей и все они отличаются друг от друга по своей структуре. D представлены несколькими десятками копий, a J — единичными, причем каждая из копий имеет уникальную структуру. В процессе созревания лимфоцита фрагменты V-гена объединяются на случайной основе в V'DJ-ген (рис. 3), причем число возможных сочетаний равно произведению числа V'-, D- и J-генов. Для различных цепей антител или РТК число вариантов от тысячи до десятков тысяч.

Рис. 3. Упрощенная схема семейства антител (а) и сборки гена, контролирующего вариабельный район антитела (б).

_{а — Принципиальная схема участка хромосомы, включающего семейства вариабельных (V') и константных (С) генов. Численность V'-генов в отдельных семействах варьирует в зависимости от типа цепей и вида животных от 50 до 1000, а С-генов от 1 до 9.}

_{б — Сборка V-гена из фрагментов. V' — фрагмент} гена, контролирующий первые 95 аминокислот V-района; D — короткий фрагмент, контролирующий от 2 до 10 аминокислот, начиная с 96. (Число D — до 20, в зависимости от типа цепи и вида животных); J — короткий концевой фрагмент V-гена, контролирующий от 5 до 15 аминокислот концевого района V-гена. Районы ДНК, разделяющие V'-D и D-J вырезаются и утрачиваются при сборке гена. Транскрибируется (то есть переписывается в информационную РНК) лишь собранный VDJ ген. Расстояние от VDJ до С-гена вырезается и утрачивается при синтезе информационной РНК.

Кроме того, в процессе сборки возможны ошибки и химические модификации объединяющихся фрагментов, что резко увеличивает число возможных комбинаций. Дальнейшее разнообразие активных центров возникает за счет объединения вариабельных районов пары цепей, составляющих этот центр (см. рис. 2). Таким образом, благодаря сборке V-гена из фрагментов и образования активных центров из разных цепей, создается 107–108 уникальных по своей структуре участков молекулы антител и РТК, среди которых всегда найдутся способные взаимодействовать с любым произвольно взятым антигеном. Все это разнообразие составляет репертуар антител или РТК. Следует подчеркнуть, что этот репертуар возникает до встречи с антигеном и независимо от антигена и что бoльшая часть репертуара антител не потребуется в течение всей жизни особи.

Клеточные механизмы иммунитета

Итак, в организме предсуществуют антитела и РТК к любому произвольно взятому антигену. Эти антитела и РТК присутствуют на поверхности лимфоцитов, образуя там антиген-распознающие рецепторы. Чрезвычайно важно, что на поверхности одной клетки находятся антитела (или РТК) одной и той же специфичности. Один лимфоцит может синтезировать антитела (или РТК) только одной специфичности, не отличающиеся друг от друга по структуре активного центра. Это формулируется как принцип "один лимфоцит — одно антитело".

Каким же образом антиген, попадая в организм, вызывает усиленный синтез именно тех антител, которые специфично реагируют только с ним? Ответ на этот вопрос дала теория селекции клонов австралийского исследователя, Нобелевского лауреата Ф.М. Бернета (1899–1985). Согласно этой теории, высказанной в 1957 году и полностью подтвержденной последующими экспериментами, одна клетка синтезирует лишь один тип антител, которые локализуются на ее поверхности. Репертуар антител формируется до, и независимо от встречи с антигеном. Роль антигена заключается лишь в том, чтобы найти клетку, несущую на своей мембране антитело, реагирующее именно с ним, и активировать эту клетку. Активированный лимфоцит вступает в деление и дифференцировку. В результате из одной клетки возникает 500 — 1000 генетически идентичных клеток (клон), синтезирующих один и тот же тип антител, способных специфически распознавать антиген и соединяться с ним. В результате дальнейшей дифференцировки лимфоцит превращается в клетку, не только синтезирующую данное антитело, но и секретирующую его в окружающую среду. Таким образом, функции антигена — найти соответствующий ему лимфоцит, вызвать его деление и дифференцировку в клетку, секретирующую антитела. В этом и заключается суть иммунного ответа: в селекции нужных клонов и их стимуляции к делению. Динамика первичного и повторного ответов, согласно теории Бернета, — это отражение динамики размножения клонов клеток, продуцирующих антитела к данному антигену. Толерантность — утрата клона клеток вследствие их контакта с антигеном в процессе созревания лимфоцита.

В основе образования лимфоцитов-киллеров лежит тот же принцип: селекция антигеном Т-лимфоцита, несущего на своей поверхности РТК нужной специфичности, и стимуляция его деления и дифференцировки. В результате образуется клон однотипных киллеров, несущих на своей поверхности большое количество РТК, взаимодействующих с антигеном, входящим в состав чужеродной клетки, и способных убивать эти клетки.

И здесь мы встречаемся с новыми проблемами, уже выходящими за пределы клонально-селекционной теории иммунитета. Первая из них: как РТК узнают антиген? Дело в том, что киллер ничего не может сделать с растворимым антигеном, ни обезвредить его, ни удалить из организма. Но лимфоцит-киллер очень эффективно убивает клетки, содержащие чужеродный антиген, поэтому он проходит мимо растворимого антигена, но не пропускает антиген, находящийся на поверхности чужеродной клетки. Для этого существует специальный механизм, так называемое "распознавание в контексте". Он заключается в том, что РТК не узнают соответствующий ему антиген, если он находится в свободном виде, но строго специфически реагируют с ним, если он находится в комплексе с антигеном тканевой совместимости, о котором мы упоминали выше. Эти антигены всегда присутствуют на поверхности любых клеток организма и обладают способностью комплексироваться с чужеродными белками, вернее, с их фрагментами. Таким образом, антигены тканевой совместимости образуют "контекст", в котором (и только в котором!) РТК распознают чужеродный антиген, активируя лимфоцит и стимулируя его к делению и дифференцировке в полноценный киллер.