Иммуноглобулины: синтез классов, кинетика

Кинетика синтеза иммуноглобулинов, относящихся к разным классам, различна. Если антиген вводится впервые, то возникает так называемый первичный иммунный ответ. При этом в первую очередь можно обнаружить IgM - продуцирующие клетки, количество которых в последующем быстро уменьшается. Синтез IgG достигает максимума через большой промежуток времени.

При вторичном введении антигена кинетика образования IgM примерно такая же, как при первичном. Концентрация же иммуноглобулина IgG в сыворотке при вторичном введении антигена быстро нарастает до гораздо более высоких значений, а затем падает относительно медленно. Примерно то же самое происходит с IgA, т.е. иммуноглобулины этих классов обеспечивают быстрое устранение повторно введенного антигена.

Имеются данные, что индивидуальные клетки могут переключаться с продукции IgM на продукцию IgG.

Синтез антител почти всех изотипов T-зависим: у животных, лишенных T-лимфоцитов, образование антител многих классов значительно подавлено. По крайней мере у грызунов переключение синтеза с IgM на синтез IgG и антител других классов происходит под контролем T-клеток, который, по- видимому, осуществляется растворимыми факторами, такими, как гамма- фактор дифференцировки B-клеток. При этом последовательность VDJ переносится от генов мю - дельта к другому гену константного участка, и в этом процессе важную роль играют " участки переключения ". В результате образуются антитела той же специфичности, но другого изотипа.

Следует отметить также, что T-зависимые антигены, вовлекая в иммунную реакцию T-хелперы и образуемые ими растворимые факторы, приводят к более эффективной продукции антител, чем T-независимые антигены, и, кроме того, вызывают переключение класса антител и образование клеток памяти.

В количественном отношении доминирует иммуноглобулин G, поэтому он является главным изотипом сыворотки человека. На его долю приходится около 75% от общего количества сывороточных иммуноглобулинов. Молекула иммуноглобулина G (гамма класс тяжелых цепей) состоит из одной субъединицы приблизительно 150 кД. У человека и мыши описаны по четыре подкласса IgG, которые впервые были обнаружены серологическими методами. 

Шарнирная область характеризуется значительным числом остатков пролина и цистеина, что и определяет ее гибкость. Количество дисульфидных связей этой части молекулы варьирует от одного подкласса к другому. Так, в гамма1- и гамма4-цепях таких связей две, в гамма2-цепях - четыре, а в гамма3-цепях - одиннадцать (-S-S- связи обеспечивают взаимодействие двух тяжелых цепей). В гамма1-цепи шарнирная область начинается с 216-го остатка и заканчивается 231-ым. В то же время шарнирная область гамма3-цепи на 47 остатков больше по сравнению с гамма1. Изучение аминокислотной последовательности позволяет предположить, что это увеличение остатков связано с тандемной дупликацией участка 216-231 гамма1-цепи. Существенной особенностью шарнирной области является возникающая в результате взаимодействия двух тяжелых цепей жесткая, циклическая октапептидная структура:

-Cys-Pro-Pro-Cys-

I                      

I

-Cys-Pro-Pro-Cys-

Она служит осью вращения всей гибкой шарнирной области, а, следовательно, и Fab-фрагментов, что необходимо, вероятно, для взаимодействия с антигеном.

Гомология между гамма-цепями мыши, относящимися, как и у человека, к четырем подклассам, меньше и составляет 60-70%.

Иммуноглобулины класса G равномерно распределены между внутри- и внесосудистыми пулами и составляют большинство антител вторичного иммунного ответа.

Биологическая роль IgG разнообразна. Это и антибактериальная защита через механизм комплемент-зависимого лизиса микробной клетки, и проникновение через плаценту с той же защитной для развивающегося зародыша функцией, и "армирование" макрофагов (цитофильность к макрофагам), в результате чего они становятся цитотоксическими для трансплантатов и опухолей, и участие в повышенной реактивности аллергического типа.

IgG вырабатываются как при первичном, так и при вторичном иммунном ответе. IgG обладают максимальной способностью проникать в ткани, поэтому они наиболее эффективно связывают и удаляют антигены.

IgG - наиболее распространенный иммуноглобулин, обеспечивающий защиту от микроорганизмов и токсинов. Вероятно, при вторичном иммунном ответе синтезируется, в основном, IgG. Поскольку IgG способен преодолевать плацентарный барьер, ему принадлежит главная роль в защите от инфекций в течение нескольких первых недель жизни. Уноворожденных защищенность усиливается благодаря поступлению в кровоток содержащегося в молозиве IgG через слизистую кишечника. IgG с большей легкостью, чем иммуноглобулины других классов, распространяется в тканевой жидкости, где доминирует среди антител других изотипов и имеет наибольшее значение для нейтрализации бактериальных токсинов и связывания микроорганизмов с целью их опсонизации. IgG, образуя комплексы с бактериями, активирует комплемент и вызывает хемотаксис полиморфноядерных лейкоцитов. Бактерии, нагруженные антителами и комплементом, прилипают к лейкоцитам, благодаря наличию у последних рецепторов для комплемента и Fc -участков. Аналогично внеклеточное уничтожение клеток-мишений, нагруженных IgG, в основном обусловлено узнаванием поверхностных Fc-гамма нормальными киллерами , обладающими соответствующими рецепторами. Взаимодействие между Fc-рецепторами тромбоцитов и IgG в составе комплексов, возможно, приводит к агрегации и высвобождению вазоактивных аминов, однако физиологическое значение рецепторов для Fc-гамма, расположенных на других типах клеток, в особенности на лимфоцитах, до сих пор не установлено. IgG не способен прочно связываться с тучными клетками кожи человека, но тем не менее это единственный среди всех классов человеческих иммуноглобулинов, который обладает  способностью связываться с антигенами в коже морской свинки. В пользу предположения о том, что биологическая индивидуальность различных классов иммуноглобулинов обусловлена константными областями тяжелых цепей, особенно Fc -участками, свидетельствуют описанные выше свойства иммуноглобулинов, а именно, преодоление плацентарного барьера, фиксация комплемента, связывание с различными типами клеток, которые, очевидно, опосредованы Fc-участками молекулы Ig.

Что касается общей регуляции уровня IgG в организме, то можно сказать, что степень катаболизма, вероятно, находится в прямой зависимости от тотальной концентрации IgG, в то время как его синтез в основном регулируется антигенной стимуляцией. К примеру, у животных, содержащихся в стерильных условиях, уровень IgG чрезвычайно низок, но он быстро повышается после помещения животного в нормальные условия.

Большинство подклассов (IgG1, IgG2, IgG3) способны связываться с компонентом С1 системы комплемента в области С(H)2-домена и, таким образом, активировать комплемент по классическому пути.

Антигенный анализ миеломных IgG выявил дополнительные вариации и позволил выделить четыре изотипических подкласса, кодируемых цифрами и обозначаемых как IgG1, IgG2, IgG3 и IgG4. Подклассы IgG различаются по способности связывать комплемент и активировать его по альтернативному пути, связываться с рецептором к Fc-фрагменту IgG на разных типах клеток и проникать через плаценту. Структурно ни различаются между собой тяжелыми цепями, а именно гамма1, гамма2, гамма3 и гамма4, соответственно. Тяжелые цепи IgG обладают значительно выраженной гомологией и имеют одинаковые участки, реагирующие со специфической антиглобулиновой сывороткой. Однако каждый тип тяжелых цепей обладает одной или несколькими дополнительными структурными особенностями, а именно, уникальными первичными последовательностями аминокислот и расположением межцепочечных дисульфидных связей. Это служит причиной различных свойств IgG, относящихся к разным подклассам.

Иммуноглобулин A содержится преимущественно в выделениях слизистых оболочек - в слюне, слезной жидкости, носовых выделениях, поте, молозиве и в секретах легких, мочеполовых путей и желудочно-кишечного тракта, где обеспечивает защиту поверхностей, сообщающихся с внешней средой, от микроорганизмов. В сыворотке крови его содержание незначительно и составляет всего 10-15% от общего количества всех иммуноглобулинов. См: IgA аномальный

Мономерная форма IgA построена по классическому типу и составляет более 80% от общего количества этого иммуноглобулина в сыворотке человека. Тяжелая цепь включает V-область , три домена C-области и шарнирный участок.

У человека известно два подкласса секреторного иммуноглобулина (sIgA): IgA1 и IgA2. Соответствующее обозначение тяжелых цепей: альфа1 и альфа2. Без учета шарнирного участка степень гомологии между альфа1 и альфа2 очень высока и составляет около 95%. Кроме того, подкласс IgA2 имеет два аллельных варианта - аллотипы IgA2m(1) и IgA2m(2).

За исключением шарнирного участка различия между подклассами IgA1 и IgA2 касаются 14 положений аминокислотных остатков в С-областях тяжелых цепей. При этом различия между аллотипами IgA2m(1) и IgA2m(2) в этих положениях отсутствуют, но они представлены в других участках тяжелых цепей, вблизи шарнирного участка. Именно эти положения определяют серологически выявляемые различия между аллотипами.

Шарнирные области альфа1- и альфа2-цепей значительно отличаются друг от друга. Альфа1-цепь имеет в этом месте на 13 аминокислотных остатков больше, чем альфа2-цепь. При этом последовательности 224-239 альфа1-цепи возникли в результате тандемной дубликации в той части генома, которая контролирует всего восемь аминокислотных остатков. Дупликация столь незначительного отрезка ДНК - явление крайне редкое.

Однако особенность этого участка шарнира в другом. В слюне и содержимом толстых кишок человека представлены протеолитические ферменты, способные расщеплять IgA1 именно в дублированной части цепи. Кроме того, подобной же активностью обладают протеолитические ферменты некоторых бактерий, таких как Streptococcus sanguis, Neisseria gonorrhoeae, N.meningitidis. В то же время делеция 13 аминокислот у IgA2 в данном месте шарнира обеспечивает устойчивость этого подкласса IgA по отношению к бактериальному протеолизу. Вероятно, IgA2 эволюционно возник в результате способности избегать бактериального ферментативного разрушения. Благоприобретенность подобного признака кажется очевидной.Структурной особенностью IgA является наличие в молекуле J-цепи и секреторного компонента.

J-цепь IgA, как и у IgM, служит для полимеризации молекулы. Молекулярная масса цепи незначительна и составляет около 15 кД. Данный полипептид не имеет гомологии с иммуноглобулинами, а кодирующий его ген локализован в хромосоме, не содержащей гены иммуноглобулинов. На заключительном этапе синтеза J-цепь взаимодействует с СOOH-концевым участком тяжелой цепи через дисульфидные связи. В результате образуются полимерные формы IgA, представляющие собой в основном димеры, хотя в незначительном количестве имеются и мультимерные молекулы, включающие три и более мономера.

Для IgA, представленного в секретах, характерно наличие секреторного компонента (СК). Он состоит из нескольких родственных в антигенном отношении полипептидов и экспрессируется на поверхности эпителиальных клеток. При специфическом взаимодействии димера (IgA)2-J с секреторным компонентом на клеточной поверхности образуется комплекс, который после эндоцитоза перемещается в цитоплазме к апикальной части клетки. Здесь комплекс подвергается действию протеолитических ферментов, что позволяет ему высвобождаться в секреты субэпителиального пространства.

Из основной циркуляции IgA проникает в эпителиальные клетки, взаимодействуя с секреторным компонентом, который на этом этапе транспорта выполняет функцию рецептора. В самой эпителиальной клетке секреторный компонент защищает IgA от действия протеолитических внутриклеточных ферментов. Достигнув апикальной поверхности клетки, комплекс IgA:СК (sIgA) выходит в секрет субэпителиального пространства.

Функционально IgA выступает в качестве первой линии защиты на слизистых поверхностях, препятствуя проникновению вирусов в организм. Хотя IgA не связывает комплемент и в силу этого не обладает бактерицидной активностью, он играет важную роль в нейтрализации бактериальных токсинов. Кроме того, у млекопитающих, включая человека, секреторный IgA хорошо представлен в молозиве и обеспечивает таким образом специфический иммунитет новорожденных.

Изолированный дефицит IgA - самая частая форма первичного иммунодефицита.

Молекула IgA (альфа-класс тяжелых цепей) может иметь одну или две субъединицы. Кроме этих форм в организме в небольших количествах присутствуют тримеры и высшие полимерные формы IgA.

В сыворотке крови IgA существует, в основном, в виде мономера (четырехцепочечной структуры), концентрация IgA в сыворотке сравнительно высока, биологическая функция до конца не установлена.

IgA ингибирует связывание нагруженных Ig микроорганизмов с поверхностью клеток слизистых оболочек и предотвращает проникновение микроорганизмов в ткани. Агрегированные иммуноглобулины соединяются с нейтрофилами и могут запустить альтернативный путь активации комплемента, который, возможно, обусловливает возникновение синергизма между IgA, комплементом и лизоцимом при уничтожении конкретных колиформных организмов.

Концентрация IgE в сыворотке крови невелика, и лишь небольшая часть плазматических клеток слизистых оболочек и дренирующих их лимфоузлов синтезирует иммуноглобулины этого класса. Поэтому неудивительно, что на сегодняшний день обнаружено всего 6 вариантов миеломных IgE, в то время как для IgG известны десятки тысяч случаев парапротеинемии. При подкожной инъекции человеку IgE задерживается в коже на длительное время, вероятно, связываясь стучными клетками. Взаимодействие с антигеном приводит к дегрануляции тучных клеток и сопровождается высвобождением вазоактивных аминов. Этот процесс обусловливает симптомы сенной лихорадки и бронхиальной астмы при контакте с аллергеном у людей, страдающихаллергией.

Концентрация IgE в сыворотке возрастает при аллергических реакциях немедленного типа . Высокоаффинные рецепторы к Fc-фрагменту IgE находятся на тучных клетках и базофилах. При связывании IgE, фиксированных на мембранах тучных клеток или базофилов, с антигеном происходит высвобождение медиаторов воспаления (сероборан, гистамин). Именно этот механизм лежит в основе патогенеза анафилактических реакций.

Основная физиологическая функция IgE, очевидно, защита внешних слизистых оболочек организма путем локальной активации факторов плазмы и эффекторных клеток благодаря индукции острой воспалительной реакции. Инфекционные агенты, способные прорвать линию обороны, образованную IgA, будут связываться со специфическими IgE на поверхности тучных клеток, в результате чего последние получат сигнал к высвобождению вазоактивных аминов и хемотаксических факторов, а это, в свою очередь, вызовет приток циркулирующих в крови IgG,комплемента, нейтрофилов и эозинофилов. В этих условиях способность эозинофилов повреждать гельминтов, нагруженных IgG, и усиленная продукция IgE в ответ на проникновение этих паразитов в организм будут обеспечивать эффективную защиту. Активность IgE проявляется в развитии аллергических реакций. Данный иммуноглобулин способен взаимодействовать с тучными клетками и базофилами посредством Fc-области и соответствующего рецептора на этих клетках. После образования связи IgE с антигеном (аллергеном) тучные клетки получают сигнал к секреции вазоактивных аминов и других фармакологически значимых соединений, что, собственно, и приводит к развитию аллергической реакции.

Содержание иммуноглобулина E в сыворотке исчезающе мало, но он выявляется на поверхностной мембране базофилов и тучных клеток. Удельный вес этих иммуноглобулинов в аллергических реакциях является доминирующим (например, при бронхиальной астме и сенной лихорадке).

Иммуноглобулин D был открыт как необычный миеломный белок. Затем его обнаружили в сыворотке крови в очень небольшом количестве. Тяжелая цепь IgD представлена дельта-цепью. У человека дельта-цепь включает три C-домена (Cдельта1, Cдельта2 и Cдельта3) в отличие от IgD мышей, содержащего только два С-домена: Сдельта1 и Сдельта3. Приводит ли делеция домена Сдельта2 к изменению функции IgD мыши, неизвестно. Шарнирная областьиммуноглобулинов класса D отличается особой протяженностью (64 аминокислотных остатка - содержащую множество O-гликозидных цепей), и, хотя она в некоторой степени защищена углеводами, возможно, именно благодаря ей IgD по сравнению с другими классами иммуноглобулинов обладает повышенной чувствительностью к протеолитическому расщеплению, а период его полураспада в плазме крови очень невелик (2,8 сут.). Неожиданным оказался тот факт, что почти весь IgD вместе с IgM находится на поверхности лимфоцитов крови. Похоже, они служат антигенсвязывающими рецепторами B-лимфоцитов, и, возможно, что эти антигенные рецепторы могут взаимодействовать между собой, осуществляя контроль за активацией лимфоцитов и супрессией лимфоцитов. Возрастающая чувствительность IgD к протеолизу после связывания с антигеном может объясняться этими функциями.

Вопрос о конкретной форме участия IgD в иммунных процессах остается открытым. Предположительно он участвует в антиген-зависимой дифференцировке лимфоцитов.