Основи імунології - Курс лекцій М. В. Скок - Київ 2002

Розділ IІ. Механізми імунної відповіді

Лекція 7. Рецептори Т і В лімфоцитів, що розпізнають антиген. Передача сигналу з поверхні всередину клітини

Т і В лімфоцити відрізняються від усіх інших клітин організму тим, що в них експресовано гени антиген-специфічних рецепторів, які підлягають перебудові в процесі онтогенезу. Білкові продукти цих генів побудовано за схожим принципом.

1. Антиген-специфічний рецептор B лімфоцитів (Рис. 11).

Рецептор В лімфоцитів, що впізнає антиген, являє собою мембранну форму імуноглобуліну. Вона має надклітинну частину, яка аналогічна тому антитілу, що клітина починає секретувати після активації, трансмембранний гідрофобний домен і коротку цитоплазматичну ділянку (у IgМ - всього 3 амінокислотні залишки). Першою мембранною формою з’являється IgМ, потім до нього додається IgD, після отримання активаціонного сигналу на мембрані з’являються ті класи імуноглобулінів, на синтез яких клітина переключилася. Кожен із них також має трансмембранний домен і цитоплазматичну частину.

У 1989 році було відкрито, що мембранний імуноглобулін знаходиться на поверхні клітини не сам, а в комплексі з іще двома молекулами - димерами Igα і Igβ. Було з’ясовано, що ці молекули складають модуль, необхідний для передачі сигналу всередину клітини. При збірці В-клітинного рецептору в ЕПР необхідно поєднання всіх білків комплексу для того, щоб рецептор вийшов на мембрану. Igα і Igβ присутні в усіх мембранних формах імуноглобулінів.

2. Антиген-специфічний рецептор T лімфоцитів (Рис. 12).

Історично будову рецептора Т лімфоцитів було відкрито після визначення структури імуноглобулінів. На початку 80-х років вже було зрозуміло, що Т лімфоцити мають антиген-специфічний рецептор і вважалося, що він має бути схожим на рецептор В лімфоцита. В 1984 році гени T-клітинного рецептору було ідентифіковано шляхом «віднімання» РНК-ових бібліотек Т- і В-лімфоцитів. Для цього було виділено всю мРНК Т і В лімфоцитів, з В клітинної РНК шляхом зворотної транскрипції отримано кДНК і гібридизовано з мРНК Т лімфоцитів. Серед не гібридизованого "залишку" було знайдено гени, побудовані за принципом, схожим на гени імуноглобулінів. Вони кодували два поліпептидні ланцюги, названі α і β.

Подібно до генів імуноглобулінів, гени a і в ланцюгів T-клітинного рецептору складаються із V (30-500), D (12-15), J (40-50) і С-доменів, які підлягають перебудові в процесі індивідуального розвитку організму. Спонтанна асоціація α і β дає 8х10⁶ можливих варіантів рецептору у одного індивідуума. На відміну від генів імуноглобулінів, гени T-клітинного рецептору не підлягають соматичним мутаціям. У цьому є важливий біологічний зміст: репертуар рецепторів T лімфоцитів утворюється раз і назавжди і не змінюється на протязі життя Т клітини; це знижує вірогідність аутоімунних реакцій. Гени a ланцюга більш поліморфні, ніж гени в ланцюга. a ланцюг подібний до легкого ланцюга імуноглобулінів, він кодується V, J, C генами, α β ланцюг, подібно до важкого ланцюга імуноглобулінів, кодується V, D, J, C генами.

Наприкінці 80-х було повністю з’ясовано білкову структуру T-клітинного рецептору. Виявилося, що рецептор є α/β гетеродимером. Кожен ланцюг важить 40-50 КДа і має по два імуноглобуліноподібні домени: N-кінцеві домени поліморфні (варіабільні), примембранні - константні. Варіабільні домени містять центр зв’язування антигенного пептиду і МНС. Кожен із ланцюгів має надклітинну, трансмембранну і цитоплазматичну частину.

α/β димер нековалентно, але міцно зв’язаний із так званим CD3 комплексом, що складається із п’яти типів поліпептидних ланцюгів: γ, δ, ε, ζ і η, з молекулярною вагою по 20-25 КДа. До складу одного рецептора входять 1γ, 1δ, 2ε і 2ζ (або ζ і η) ланцюги. CD3 комплекс необхідний для передачі сигналу від T-клітинного рецептору всередину клітини.

Деякі Т лімфоцити замість α/β гетеродимеру несуть γ/δ димер (не плутати з γ і δ ланцюгами CD3 комплексу!). Їх так і називають - γ/δ Т лімфоцити. Вони менш поліморфні, ніж α/β Т лімфоцити. Вважають, що на відміну від останніх, вони впізнають антиген у вільному вигляді, а не в комплексі з МНС, тобто не потребують для розпізнання участі антиген-презентуючих клітин, і таким чином за цією ознакою більш нагадують В лімфоцити. γ/δ Т лімфоцити знаходять у певних тканинах організму: у слизових оболонках, шкірі, - де вони виконують

спеціалізовані функції.

Всі ланцюги Т-клітинного рецептору синтезуються в ЕПР. Об’єднання їх відбувається на протязі 30 хвилин після синтезу. Ланцюги можуть об’єднуватися стохастично, тобто нема суворої черги і необхідності одночасної присутності всіх ланцюгів. Однак у відсутності будь-якого ланцюга (крім ζ) комплекс не може залишити ЕПР. При цьому α, β, γ ланцюги швидко деградують, а γ, ε, ζ — стабільні порівняно довго. Далі рецептор, як водиться, доглікозилюється в комплексі Гольджі і виходить на мембрану.

Подібність і відмінності T- і В-клітинних рецепторів.

Подібність:

1) подібні принципи будови і перебудови генів (наявність V, D, J, C сегментів), механізми утворення різноманітності;

2) наявність двох поліпептидних ланцюгів, що впізнають антиген (H/L або α/β) і модулю, що передає сигнал всередину клітини (Iga і IgP або CD3);

Відмінності:

1) гени T-клітинного рецептору не підлягають соматичним мутаціям;

2) ген α ланцюга не підлягає алельному виключенню, тобто у гетерозиготи одна Т клітина може нести два варіанти рецептору і мати, відповідно, фактично дві специфічності;

3) B лімфоцити впізнають нативні конформаційно-залежні В-епітопи антигену, а T лімфоцити - лінійні Т-епітопи, що утворилися в результаті процесингу нативних антигенів, у комплексі з білками МНС. При взаємодії Т лімфоцита і клітини, що представляє антиген, утворюється потрійний комплекс, який складається із антигенного пептиду, білку МНС і T-клітинного рецептору (Рис. 13А.) При цьому кожен із учасників цього комплексу взаємодіє з обома іншими партнерами: антиген - із МНС і T-рецептором, МНС - з антигеном і T-рецептором і T-рецептор - з антигеном і МНС, - через специфічні сайти взаємодії.

4) В-лімфоцит, впізнавши антиген та отримавши належні додаткові сигнали, починає секретувати фактично аналог свого антиген-специфічного рецептору (антитіла). Т лімфоцит у відповідь на активацію починає секретувати неантигенспецифічні фактори, цитокіни, або цитотоксичні речовини.

У різному характері розпізнання антигену В і Т лімфоцитами є глибокий біологічний зміст. В лімфоцити (і антитіла) впізнають поверхневі антигенні детермінанти патогенів, які у певних паразитів можуть мімікрувати під білки хазяїна. Т лімфоцити впізнають внутрішні антигенні детермінанти антигену, що утворюються в результаті процесингу. Серед внутрішніх епітопів менша вірогідність мімікрії під антигени хазяїна, тому Т лімфоцити виконують більш специфічне розпізнання антигенів. Для більшості антигенів, активація продукції антитіл потребує участі Т лімфоцитів. Антитіла є першим бар’єром при вторинній інфекції і повинна знати антиген "в обличчя", тобто в нативній патогенній формі.

Механізм передачі сигналу від рецептору всередину клітини.

1. Загальні принципи.

Передача сигналу від поверхні всередину клітини є необхідною для функціонування будь-якого організму: для дії гормонів, нейромедіаторів, просто для спілкування клітин одна з одною. Для цього природою розроблено спеціальні механізми. Принцип їх універсальний, а деталі дозволяють закодувати і розшифрувати все різноманіття зовнішніх сигналів, що їх може отримати клітина.

Існує декілька загальних каскадів передачі сигналу. Вони складаються із спільних елементів:

1 - рецептор, що сприймає сигнал на зовнішній поверхні клітини;

2 - система вторинних месенджерів, що передає сигнал всередину клітини;

3 - каскад реакцій, що призводить до фосфорилювання внутрішньоклітинних білків. Фосфорилювання-дефосфорилювання - універсальний механізм активації у еукаріот (у прокаріот таку функцію виконує метилювання);

4 - активація певних генів, що відбувається внаслідок фосфорилювання і міграції у ядро активаційних ядерних факторів. В результаті цього клітина змінює свою генетичну програму, починає синтезувати нові білки, проліферувати або навпаки включає механізм запрограмованої загибелі - тобто реагує на сигнал, що надійшов іззовні.

Найбільш варіабільним елементом всієї системи є рецептор. Саме він впізнає специфічний сигнал. Завдяки наявності великої кількості різноманітних рецепторів клітина здатна реагувати на все різноманіття зовнішніх стимулів. Клітина може регулювати свою готовність до сприйняття сигналу шляхом варіювання рівня експресії рецептору. Так, наприклад, при активації Т лімфоцитів вони одночасно починають синтезувати інтерлейкін-2 та рецептор до інтерлейкіну-2, тому що активована клітина повинна вміти впізнати активаційний сигнал.

Рецептори - це, як правило, глікопротеїди, що мають екстраклітинну, трансмембранну і цитоплазматичну частини. Всі рецептори можна розділити на дві великі групи: ті, що мають досить довгу цитоплазматичну ділянку, що здатна сама передати сигнал від рецептору (тобто посідає ферментативної активності), і ті, що мають коротку цитоплазматичну ділянку і для передачі сигналу потребують додаткових молекул, об’єднаних із самим рецептором в єдиний комплекс. До першого типу рецепторів відносяться, наприклад, рецептори до інсуліну, фактору росту нервів, епідермального фактору росту, до другого - антиген-специфічні рецептори Т і В лімфоцитів.

2. Системи месенджерів.

Історично, першим вторинним месенджером було відкрито циклічну АМФ (цАМФ) і першим каскадом, який було вивчено, був саме каскад, що активується циклічними нуклеотидами. Зв’язування рецептору із специфічним лігандом призводить до приєднання до цього рецептору так званого G-білка. Утворений комплекс активує аденілатциклазу, що перетворює АТФ на цАМФ. цАМФ активує протеїнкіназу А (ПК-А), що фосфорилює білки по залишках серину та треоніну і таким чином активує їх. Повернення до неактивованого стану відбувається за допомогою цАМФ-фосфодіестерази, що перетворює цАМФ у 5’-АМФ, і фосфатази, що дефосфорилює активований білок. Слід відмітити, що в процесах активації велику роль відіграє і дефософорилювання - для повернення системи у початковий стан і здатності її сприймати наступні сигнали. Система цАМФ працює в адренорецепторах, дофамінових, гістамінових рецепторах, рецепторах до аденозину, простагландинів, вазопресину, глюкагону.

У 70-х роках було докладно вивчено структуру і функціонування G-білків. Виявилося, що їх активність може модулюватися рядом факторів, у тому числі - токсинами холерного вібріону та збудника кашлюку: саме в цьому полягає механізм патогенної дії цих токсинів.

Далі було відкрито, що подібним вторинним месенджером є і цГМФ. Вона утворюється під дією гуанілатциклази і теж активується комплексом рецептор-G-білок. ЦиклоГМФ активує іншу протеїнкіназу - ПК-G, яка фосфорилює інші, ніж ПК-А білки (теж по залишках серину і треоніну).

До початку 80-х років каскади цАМФ і цГМФ були найбільш вивченими і вважалися за головні. Однак пізніше було з’ясовано, що існують і інші каскади і що в імунних клітинах саме вони відіграють головну роль у передачі сигналу від антиген- специфічних рецепторів. Головним із цих каскадів виявився поліфосфоінозитидний.

Ключовим ферментом цього каскаду є фосфоліпаза С, яка активується після зв’язування рецептора із специфічним лігандом. Активація фосфоліпази С, може відбуватися різними шляхами. У деяких рецепторах цю функцію виконують G-білки; у антиген-специфічних рецепторів імунних клітин - це особливий клас ферментів кіназ, що фосфорилюють білки по залишках тирозину; їх так і називають - тирозинові кінази.

3. Тирозинові кінази в імунних клітинах (Рис. 14).

Як ми пам’ятаємо, рецептори, що впізнають антиген на Т і В лімфоцитах, складаються із двох модулів: того, що зв’язує антиген, і того, що передає отриманий сигнал всередину клітини. У Bлімфоцитів це Iga, IgP, у T лімфоцитів - СБ3 комплекс. На цитоплазматичних ділянках цих молекул знайдено специфічні пептидні мотиви, так звані ITAMs (immunoreceptor tyrosine-basedactivation motives) - короткі амінокислотні послідовності, що містять два залишки тирозину. Такої послідовності достатньо, щоб підключити рецептор до сигнального каскаду. Це було показано за допомогою химерних білків, які містили цитоплазматичну частину Iga, IgP або СБ3 і надклітинну частину інших рецепторів.

Гени, що кодують ITAMs побудовані однаково в B-клітинному рецепторі, T-клітинному рецепторі, Fc-рецепторі, а також у двох вірусів: бичачої лейкемії та Епштейна-Барра. Вважають, що віруси шляхом обміну генетичною інформацією з клітинами еукаріот змогли "відібрати" цей механізм і використовувати його для злоякісної трансформації інфікованих клітин.

На одному рецепторі знаходиться декілька HAMs для підсилення сигналу.

Зв’язування антигену із рецепторами B і T лімфоцитів призводить до конформаційних змін в трансмембранній частині модулю, що зв’язує антиген. Ці конформаційні зміни передаються на сигнальний модуль і його ITAMs стають доступними для дії тирозинових кіназ. Тирозинові залишки ITAMs фосфорилюються.

Відомо три родини тирозинових кіназ.

1. Кінази родини Src (Lck, Fyn, Yes, Src, Lyn, Blk). Вони мають унікальний N- кінцевий домен з міристильованим залишком гліцину в положенні 2. Залишок жирної кислоти сприяє тому, щоб кінази Src були зв’язані з плазматичною мембраною.. Вони є специфічними для певних клітин і для певних ступенів розвитку імунних клітин. Так, було показано, що кіназа Lck знаходиться під CD3 комплексом і приймає участь в розвитку Т лімфоцитів. Кіназа Fyn, навпаки, працює тільки в зрілих клітинах. Саме ці кінази взаємодіють з ITAMs і фосфорилюють їх по залишках тирозину.

2. Кінази родини Syk/ZAP-70; Syk працює в В лімфоцитах, а ZAP-70 - в Т лімфоцитах. Ці кінази не мають у своєму складі жирних кислот і не зв’язані з мембраною. Вважають, що вони приймають естафету від Src кіназ: взаємодіють із фосфорильованими HAMs і передають сигнал далі на адапторні білки.

3. Кінази Януса: Jak 1, 2, 3, - і Tyk2 працюють із іншими рецепторами імунних клітин - рецепторами для ростових факторів і інтерлейкінів.

4. Корецептори

Більшість взаємодій антигену з Т і В лімфоцитами, принаймні у первинній імунній відповіді, є низькоафінними. Корецептори посилюють слабку взаємодію клітин і сприяють проходженню сигналу.

Корецептори Т лімфоцитів - молекули CD4 і CD8. Це трансмембранні молекули, розташовані поряд із T-клітинним рецептором. Вони виконують дві головні функції:

1) зв’язуються із найближчими до мембрани надклітинними ділянками МНС: β₂ доменом МНС ІІ (CD4) та α₃ доменом МНС І (CD8); таким чином, з однією молекулою МНС (в різних її частинах) зв’язуються як T-клітинний рецептор, так і CD4/8;

2) своєю цитоплазматичною частиною вони зв’язуються із тирозиновою кіназою Lck, "притягуючи" її до T-клітинного рецептору, що підвищує ефективність передачі сигналу (Рис. 14).

Корецептори CD4/8 самі по собі мають значення для розвитку Т лімфоцитів у ході позитивної та негативної селекції (про це йдетиме мова у спеціальній лекції).

Корецептори В лімфоцитів - це молекули CD21 та ТАРА-1.

CD21 - це рецептор до С3б§-компонента комплементу. В Т лімфоцитах антиген-специфічний рецептор і CD4/8 зближуються за рахунок зв’язуання із однією молекулою МНС. В В лімфоцитах антиген-специфічний рецептор і CD21 можуть зближуватися навкруги імунного комплексу, що містить компоненти комплементу. В В лімфоцитах корецептор притягує до В-клітинного рецептору Src кіназу Lyn.

Фосфорилювання Src кіназ контролюється фосфатазою CD45. Цей білок, який є в усіх клітинах крові, крім еритроцитів, дефосфорилює негативний регуляторний сайт тирозинової кінази (коли він фосфорильований, кіназа неактивна) і таким чином активує Src кіназу. Негативний сайт фосфорилюється Csk-кіназою. Таким чином, активність тирозинової кінази, що знаходиться безпосередньо під рецептором, залежить від балансу активностей фосфатази CD45 і кінази Csk. Про важливість такої взаємодії для нормальної життєдіяльності клітини свідчить той факт, що CD45 складає до 10% всіх поверхневих білків Т лімфоциту.

Отже, початкові стадії активації внаслідок зв’язування антигену із специфічними рецепторами В і Т лімфоцитів мають спільні риси, завдяки подібній організації систем, що передають сигнал:

1) обидва рецептори містять спеціальні мотиви, ІТАМs, необхідні для підключення рецепторів до сигнальних каскадів;

2) під рецепторами знаходяться тирозинові кінази двох родин, Src і Syk/ZAP-70, що по черзі вступають в дію;

3) ефективність дії тирозинових кіназ підсилюється дією корецепторів, які зближують, притягують одне до одного елементи системи, що взаємодіють;

4) на початкових стадіях активації важливо фосфорилювання по залишках тирозину, ефективність якого контролюється балансом активностей кіназ і фосфатаз.

В результаті цих подій активується фосфоліпаза Сγ1. Вона розщеплює мембранний фосфоліпід фосфатидилінозитол-4,5-дифосфат на інозитол трифосфат (ІФ₃) і діацилгліцерол (ДАГ) (Рис. 15). ІФ₃ мігрує в цитоплазму і приєднується до специфічних рецепторів, що є на ЕПР. У відповідь ЕПР звільняє іони Са, що активують інші білки, кальмодулін і кальціневрін. В Т лімфоцитах кальціневрін дефосфорилює цитоплазматичну форму ядерного фактору NF-ATc, після чого вона транслоцюється в ядро. ДАГ разом із іонами Са активує протеїнкіназу С (ПК-С) і білок Ras (ГТФ-азу), який за рахунок розщеплення ГТФ сприяє фосфорилюванню протеїнкінази Raf. При цьому запускається іще один сигнальний каскад протеїнових кіназ: кінази мітоген-активованих білків (MAPK і MAPKK (Мек)). В результаті дії каскаду МАР кіназ активуються гени передранньої відповіді c-fos і c-jun. Їх продукт є ядерним фактором NF-AT_n. Спільна дія на геном ядерних факторів NF-ATc і NF-AT_n запускає транскрипцію певного гену. Таким чином, акт розщеплення фосфатидилінозитолдифосфату запускає відразу декілька сигнальних шляхів, продукти яких у сумісній дії змінюють діяльність геному (Рис. 16).

Послідовність сигнальних подій після зв’язування Т клітинного рецептору було вперше вивчено для активації гену інтерлейкіну-2.

Відомі імунодепресанти, циклоспорин А і FK 506, є інгібіторами кальціневріну, а глюкокортикоїдні гормони, що теж вважаються імуносупресивними, стимулюють синтез спеціального білка, що зв’язує один із ядерних факторів і не дає йому транслоціюватися до ядра.

Важливі висновки цього розділу.

1. Антиген-специфічні рецептори Т і В лімфоцитів побудовано за подібним принципом: вони складаються із поліморфного гетеродимеру, що специфічно зв’язує антиген, і консервативного модулю, що трансформує сигнал антигену до «мови» клітинної біохімії і передає його всередину клітини.

2. Основою всіх активаційних процесів в клітинах еукаріот є універсальний механізм фосфорилювання-дефосфорилювання білків. У часі фосфорилювання спостерігається на протязі 5-10 хв. після дії специфічного ліганду на рецептор, а активність фосфатаз фіксується через 15-20 хв.

3. Існує декілька шляхів (каскадів), що ведуть до фосфорилювання; вони призводять до активації різних типів протеїнових кіназ, які, в свою чергу, фосфорилюють різні спектри субстратів. В імунних клітинах фосфорилювання по залишках тирозину (тирозинові кінази) необхідне для перших етапів трансформації сигналу від рецептора, а по серину і треоніну (протеїнкінази) - для активації цитоплазматичних і ядерних білків.

4. Для активації транскрипції одного гену необхідно декілька факторів, що утворюються в результаті дії різних сигнальних каскадів.