Molekuljarnaja Biologija Kletki v3
.pdf211
expression of differentiation in retinal pigment cells in vitro. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 55, 106-114, 1966.
Coon H. G. Clonal stability and phenotypic expression of chick cartilage cells in vitro. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 55, 66-73, 1966.
Itoh Y, Eguchi G. In vitro analysis of cellular metaplasia from pigmented epithelial cells to lens phenotypes: a unique model of studying cellular and molecular mechanisms of "transdifferentiation". Dev. Biol, 115, 353-362, 1986.
Yaffe D. Retention of differentiation potentialities during prolonged cultivation of myogenic cells. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 61, 477-483, 1968.
3.Anderson J. E. The effect of steroid hormones on gene transcription. In: Biological Regulation and Development (R. F. Goldberger, K. Yamamoto, eds.), Vol. 3B, pp. 169-212. New York, Plenum, 1983.
Okada T. S., Kondoh H., eds. Commitment and Instability in Cell Differentiation. Curr. Top. Dev. Biol., 20, 1986.
4.Hosley M. A., Hughes S. E., Oakley B. Neural induction of taste buds. J. Сотр. Neurol., 260, 224-232, 1987. Kinnamon S. C. Taste transduction: a diversity of mechanisms. Trends Neurosci., 11, 491-496, 1988.
Zalewski A. A. Neuronal and tissue specifications involved in taste bud formation. Ann. N.Y. Acad. Sci., 228, 344-349, 1974.
5.Goss R.J. The Physiology of Growth. New York, Academic Press, 1978.
6.Clayton R. M. Divergence and convergence in lens cell differentiation: regulation of the formation and specific content of lens fibre cells. In Stem Cells and Tissue Homeostasis (B. Lord, C. Potten, R. Cole, eds.), pp. 115-138. Cambridge University Press, 1978.
Goss R.J. The Physiology of Growth, pp. 210-225. New York, Academic Press, 1978.
Maisel H., ed. The Ocular Lens: Structure, Function, and Pathology. New York, Dekker, 1985.
Wistow G. J., Piatigorsky J. Lens crystallins: the evolution and expression of proteins for a highly specialized tissue. Annu. Rev. Biochem., 57, 479-504, 1988.
7.Fawcett D. W. (Bloom and Fawcett) A Textbook of Histology, 11 th ed. Philadelphia, Saunders, 1986. Gevers W. Protein metabolism in the heart. J. Mol. Cell. Cardiol., 16, 3-32, 1984.
Young R. W. Visual cells. Sci. Am. 223(4), 80-91, 1970.
8.Aherne W.A., Camplejohn R.S., Wright N. A. In Introduction to Cell Population Kinetics. London, Edward Arnold, 1977. Wright N.A., Alison M.R. Biology of Epithelial Cell Populations, Vol. 1-3. Oxford, U.K., Oxford University Press, 1984.
9.Fawcett D. W. (Bloom and Fawcett). A Textbook of Histology, 11th ed. pp. 679-715. Philadelphia, Saunders, 1986. Moog F. The lining of the small intestine. Sci. Am. 245(5), 154-176, 1981.
10.Fausto N. New perspectives on liver regeneration. Hepatol., 6, 326-327, 1986.
Gohda E., et al. Purification and partial characterization of hepatocyte growth factor from plasma of a patient with fulminant hepatic failure. J. Clin. Invest., 81, 414-419, 1988.
Goss K. J. The Physiology of Growth, pp. 251-266. New York, Academic Press, 1978. Holder N. Regeneration and compensatory growth. Br. Med. Bull., 37, 227-232, 1981.
11. Anderson J. R., ed. Muir's Textbook of Pathology, 12th ed. London, Edward Arnold, 1985.
Robbins S. L., Cotran R. S., Kumar V. Pathologic Basis of Disease, 3rd ed. Philadelphia, Saunders, 1984.
12.Campbell J. H., Campbell G. R. Endothelial ceil influences on vascular smooth muscle phenotype. Annu. Rev. Physiol., 48, 295-306, 1986. Development of the Vascular System. Ciba Symp. 100. London, Pitman, 1983.
Fawcett D. W. (Bloom and Fawcett) A Textbook of Histology, 11th ed., pp. 367-405. Philadelphia, Saunders, 1986. Ryan U.S., ed. Endothelial Cells, Vols. 1-3. Boca Raton, FL, CRS Press, 1988.
13.Goss R.J. The Physiology of Gowth. pp. 120-137. New York, Academic Press, 1978.
Hobson В., Denekamp J. Endothelial proliferation in tumours and normal tissues: continuous labelling studies. Br. J. Cancer, 49, 405-413, 1984.
14.Folkman J. The vascularization of tumors. Sci. Am. 234(5), 58-73, 1976. Folkman J., Haudenschild C. Angiogenesis in vitro. Nature., 288, 551-556, 1980.
Madri J. A., Pratt В. М. Endothelial cell-matrix interactions: in vitro models of angiogenesis. J. Histochem. Cytochem., 34, 85-91, 1986.
15.Folkman J., Klasbrun M. Angiogenic factors. Science, 235, 442-447, 1987.
Kalebic Т., Garbisa S., Glaser В., Liotta L. A. Basement membrane collagen: degradation by migrating endothelial cells. Science, 221, 281-283, 1983.
212
Knighton D. R., et al. Oxygen tension regulates the expression of angiogenesis factor by macrophages. Science, 221, 1283-1285, 1983. Leibovich S.J., et al. Macrophage-induced angiogenesis is mediated by tumour necrosis factor-alpha. Nature, 329, 630-632, 1987.
Schweigerer L., et al. Capillary endothelial cells express basic fibroblast growth factor, a mitogen that promotes their own growth. Nature, 325, 257-259, 1987.
16. Cairnie А. В., Lala P.K., Osmond D. G., eds. Stem Cells of Renewing Cell Populations. New York, Academic Press, 1976.
Cheng H., Leblond C. P. Origin, differentiation, and renewal of the four main epithelial cell types in the mouse small intestine. V. Unitarian theory of the origin of the four epithelial cell types. Am. J. Anat., 141, 537-562, 1974.
17.Graziadei P.P. C., Monti Graziadei G. A. Continuous nerve cell renewal in the olfactory system. In Handbook of Sensory Physiology, Vol. IX, Development of Sensory Systems (M. Jacobson, ed.). pp. 55-82. New York, Springer-Verlag, 1978.
18.Alien Т.О., Potten C.S. Fine-structural identification and organization of the epidermal proliferative unit. J. Cell. Sci, 15, 291-319, 1974. Bereiter-Hahn, J. Matolsy A. G. Richards K. S., eds. Biology of the Integument, Vol. 2, Vertebrates. New York, Springer, 1986. MacKenzie I. C.
Ordered structure of the stratum corneum of mammalian skin. Nature, 222, 881-882, 1969. Sengel P. Morphogenesis of skin. Cambridge, U. K., Cambridge University Press, 1976.
Stenn K. S. The skin. In Histology: Cell and Tissue Biology L. Weiss, ed.), 5th ed pp. 569-606. New York, Elsevier, 1983.
19.Fuchs E., Green H. Changes in keratin gene expression during terminal differentiation of the keratinocyte. Cell, 19, 1033-1042, 1980.
Green H. The keratinocyte as differentiated cell type. Harvey Lectures, 74, 101-139, 1979.
Sawyer R. H., ed. The Molecular and Developmental Biology of Keratins. Curr. Top. Dev. Biol., 22, 1987.
20.Barrandon Y, Green H. Three clonal types of keratinocyte with different capacities for multiplication. Proc. Nat). Acad. Sci. USA, 84, 23022306, 1987.
Green H. Terminal differentiation of cultured human epidermal cells. Cell, 11, 405-415, 1977.
Watt F. M. Selective migration of terminally differentiating cells from the basal layer of cultured human epidermis. J. Cell. Biol., 98, 16-21, 1984.
21.Barrandon Y., Green H. Cell migration is essential for sustained growth of keratinocyte colonies: the roles of transforming growth factor-alpha and eidermal growth factor. Cell, 50, 1131-1137, 1987.
Read J., Watt F. M. A model for in vitro studies of epidermal homeostasis: proliferation and involucrin synthesis by cultured human keratinocytes during recovery after stripping off the suprabasal layers. J. Invest. Dermatol., 90, 739-743, 1988.
22.Fawcett D. W. (Bloom and Fawcett). A Textbook of Histology, 11th ed. pp. 568-576, 901-912. Philadelphia, Saunders, 1986. Neville M. C., Neifert M. R. Lactation: Psysiology, Nutrition, and Breast-Feeding. New York, Plenum, 1983.
Patton S. Milk. Sci Am. 221(1), 58-68, 1969.
Richards R. C., Benson G. K. Ultrastructural changes accompanying involution of the mammary gland in the albino rat. J. Endocrinol., 51, 127135, 1971.
Vonderhaar B. K., Topper Y. J. A role of the cell cycle in hormone-dependent differentiation. J. Cell. Biol, 63, 702-712, 1974.
23.Dexter T. M., Spooncer E. Growth and differentiation in the hemopoietic system. Annu. Rev. Cell Biol., 3, 423-441, 1987.
Weiss L., ed. Histology: Cell and Tissue Biology, 5th ed., pp. 447-509. New York, Elsevier, 1983. Wintrobe M.M. Blood, Pure and Eloquent. New York, McGraw-Hill, 1980.
24. Stossel T. P. The molecular biology of phagocytes and the molecular basis of nonneoplastic phagocytic disorders. In The Molecular Basis of Blood Diseases (G. Stamatoyannopoulos, A. W. Nienhuis, P. Leder, P. W. Majerus, eds.), pp. 499-533. Philadelphia, Saunders, 1987.
Zucker M.B. The functioning of blood platelets. Sci. Am. 242(6), 86-103, 1980.
25.Robbins S. L., Cotran R. S., Kumar V. Pathological Basis of Disease, 3rd ed. Philadelphia, Saunders, 1984. Taussig M.J. Processes in Pathology and Microbiology, 2nd ed. Oxford, U. K, Blackwell, 1984.
26.Magli M. C., Iscove N. N., Odartchenko N. Transient nature of haemopoietic spleen colonies. Nature, 295, 527-529, 1982.
Till J. E., McCulloch E. A. A direct measurement of the radiation sensitivity of normal mouse bone marrow cells. Radiat. Res., 14, 213-222, 1961. 27. Lemischka I. R., Raulet D. H., Mulligan R. C. Developmental potential and dynamyc
213
behavior of hematopoietic-stem cells. Cell, 45, 917-927, 1986.
Wu A. M., Till J. E., Siminoitch L., McCulloch E. A. Cytological evidence for relationship between normal hematopoietic colony-forming cells and cells of the lymphoid system. J. Exp. Med., 127, 455-462, 1968.
28.Till J.E., McCulloch E. A. Hemopoietic stem cell differentiation. Biochem. Biophys. Acta, 605, 431-459, 1980.
29.Dexter T. M., Heyworth C., Whetton A. D. The role of growth factors in haemopoiesis. Bioessays, 2, 154-158, 1985.
Metcalf D. Clonal analysis of proliferation and differentiation of paired daughter cells: action of granulocyte-macrophage colony-stimulating factor on granulocytemacrophage precursors. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 77, 5327-5330, 1980.
Metcalf D. The Hemopoietic Colony-Stimulating Factors. Amsterdam, Elsevier, 1984.
30. Goldwasser E. Erythropoietin and the differentiation of red blood cells. Fed. Proc., 34, 2285-2292, 1975.
Heath D. S., Axelrad A.A., McLeod D.L., Shreeve M.M. Separation of the erythropoietin-responsive progenitors BFU-E and CFU-E in mouse bone marrow by unit gravity sedimentation. Blood. 47, 777-792, 1976.
Ihle J. N., et al. Biological properties of homogeneous interleukin 3. J. Immunol., 131, 282-287, 1983.
Suda J., et al. Purified interleukin-3 and erythropoietin support the terminal differentiation of hemopoietic progenitors in serum-free culture. Blood, 67, 1002-1006, 1986.
31.Metcalf D. The Wellcome Foundation Lecture, 1986. The molecular control of normal and leukaemic granulocytes and macrophages. Proc. R. Soc. Lond. (Biol.), 230, 389-423, 1987.
Roberts R., et al. Heparan sulphate-bound growth factors: a mechanism for stromal cell-mediated haemopoiesis. Nature, 332, 376-378, 1988.
32.Spangrude G. J., Heimfeld S., Weissman I. L. Purification and characterization of mouse hematopoietic stem cells. Science, 241, 58-62, 1988. Suda Т., Suda J., Ogawa M. Disparate differentiation in mouse hemopoietic colonies derived from paired progenitors. Proc. Natl. Acad. Sci. USA,
81, 2520-2524, 1984.
33.Cormack D. Ham's Histology, 9th ed., pp. 388-420. Philadelphia, Lippincott, 1987. Pearson M. L, Epstein H. F., eds. Muscle Development: Molecular and Cellular Control. Cold Spring Harbor, N. Y., Cold Spring Harbor Laboratory, 1982.
34.Clegg C, H., Linkhart T. A., Olwin В. В., Hauschka S. D. Growth factor control of sceletal muscle differentiation: commitment to terminal
differentiation occurs in Gl phase and is repressed by fibroblast growth factor. J. Cell Biol., 105, 949-956, 1987.
Davis R. L., Weintraub H., Lassar A. B. Expression of single transfected cDNA converts fibroblasts to myoblasts. Cell, 51, 987-1000, 1987. Devlin R. В., Emerson C. P., Jr. Coordinate regulation of contractile protein synthesis during myoblast differentiation. Cell, 13, 599-611, 1978. Konigsberg I. R. Diffusion-mediated control of myoblast fusion. Dev. Biol., 26, 133-152, 1971.
Menko A. S., Boettiger D. Occupation of the extracellular matrix receptor, integrin, is a control point for myogenic differentiation, Cell, 51, 51-57, 1987.
Pinney D.F., Pear son-White S.H., Konieczny S.F., Latham K.E., Emerson C. P. Myogenic lineage determination and differentiation: evidence for a regulatory gene pathway. Cell, 53, 781-793, 1988.
35. Buckingham M., et al. Actin and myosin multigene families: their expression during the formation and maturation of striated muscle. Am. J. Med. Genet., 25, 623-634, 1986.
Lomo Т., Westgaard R. H., Dahl H. A. Contractile properties of muscle: control by pattern of muscle activity in the rat. Proc. R. Soc. Lond. (Biol.), 1987, 99-103, 1974.
Miller J. A, Stockdale F. E. What muscle cells know that nerves don't tell them. Trends Neurosci., 10, 325-329, 1987. Sanes J. R. Cell lineage and the origin of muscle fibre types. Trends Neurosci., 10, 219-221, 1987.
36. Bischoff R. Proliferation of muscle satellite cells on intact myofibers in culture. Dev. Biol., 115, 129-139, 1986.
Goldspink G. Development of muscle. In Differentiation and Growth of Cells in Vertebrate Tissues (G. Goldspink, ed.), pp. 69-99. London, Chapman and Hall,
1974. Moss F. P., Leblond C. P. Satellite cells as a source of nuclei in muscles of growing rats. Anat. Rec., 170, 421-435, 1971.
37.Gabbiani G., Rungger-Brandle E. The fibroblast. In Tissue Repair and Regeneration (L. E. Glynn, ed.), pp. 1-50. Handbook of inflammation, Vol. 3. Amsterdam, Elsevier, 1981.
214
Fawcett D. W. (Bloom and Fawcett). A Textbook of Histology, 11th ed., pp. 136-187. Philadelphia, Saunders, 1986.
38.Conrad G. W., Hart G. W., Chen Y. Differences in vitro between fibroblast-like cells from cornea, heart, and skin of embryonic chicks. J. Cell Sci., 26, 119-137, 1977.
Hauschka P. V., Mavrakos A. E., lafrati M. D., Doleman S. E., Klagsbrun M. Growth factors in bone matrix: isolation of multiple types by affinity chromatography on heparin-Sepharose. J. Biol. Chem., 261, 12665-12674, 1986.
Reddi A. H., Gay R., Gay S., Miller I. J. Transitions in collagen types during matrix-induced cartilage, bone and bone marrow formation. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 74, 5589-5592, 1977.
Schor S. L., Schor A. M. Clonal heterogeneity in fibroblast phenotype: implications for the control of epithelial-mesenchymal interactions. Bioessays, 7, 200-204,
1987. Seyedin S. M., et al. Cartilage-inducing factor-A: apparent identity to transforming growth factor-beta. J. Biol. Chem., 261, 5693-5695, 1986.
39.Benya P. D., Schaffer J. D. Dedifferentiated chondrocytes reexpress the differentiated collagen phenotype when cultured in agarose gels. Cell, 30, 215-224, 1982.
Caplan A.I. Cartilage. Sci. Am. 251(4), 84-94, 1984. von der Mark K., Gauss V., von der Mark H., Muller P. Relationship between cell shape and type of collagen synthesized as chondrocytes lose their cartilage phenotype in culture. Nature, 267, 531-532, 1977.
Zanetti N. C., Solursh M. Induction of chondrogenesis in limb mesenchymal cultures by disruption of the actin cytoskeleton. J. Cell Biol., 99, 115123, 1984.
40.Spiegelman B. M., Ginty C. A. Fibronectin modulation of cell shape and lipogenic gene expression in 3T3 adipocytes. Cell, 35, 657-666, 1983. Sugihara H., Yonemitzu N., Miyabara S., Yun K. Primary cultures of unilocular fat cells: characteristics of growth in vitro and changes in
differentiation properties. Differentiation, 31, 42-49, 1986.
Zezulak K.M., Green H. The generation of insulin-like growth factor-1-sensitive cells by growth hormone action. Science, 233, 551-553, 1986.
41.Cormack, Hanvs Histology, 9th ed., pp. 264-323. Philadelphia, Lippincott, 1987.
Fawcett D. W. (Bloom and Fawsett). A Textbook of Histology, 11th ed., pp. 188 238. Philadelphia, Saunders, 1986.
Jee W. S. S. The skeletal system. In Histology: Cell and Tissue Biology (L. Weiss, ed.), 5th. ed., pp. 200 255. New York, Elsevier, 1983.
42.Hall B.K. Cartilage, Vols. 1-3. New York, Academic Press, 1983.
43.Marcus R. Normal and abnormal bone remodeling in man. Ann. Rev. Med., 38, 129-141, 1987.
Osdoby P., Krukowski M., Oursler M. J., Salino-Hugg T. The origin, development, and regulation of osteoclasts. Bioessays, 7, 30 34, 1987. Vaughan J. The Phisiology of Bone, 3rd ed. Oxford, U.K., Clarendon Press, 1981.
44.Cormack D. Ham's Histology, 9th ed. pp. 312-320. Philadelphia, Lippincott, 1987.
45.Currey J. The Mechanical Adaptations of Bone. Princeton, NJ, Princeton University Press, 1984. Goss R.J. The Phisiology of Growth. New York, Academic Press, 1978.
Rogers S.L. The Aging Skeleton. Springfield, IL, Thomas, 1982.
Sinclair D. Human Growth After Birth, 4th ed. Oxford, U. K., Oxford University Press, 1985.
215
18. Иммунная система
Наша иммунная система спасает нас от неминуемой смерти в результате инфекционных заболеваний. Любой ребенок, родившийся с сильно нарушенной функцией иммунной системы, обречен на скорую гибель, если не будут приняты чрезвычайные меры по его изоляции от множества инфекционных агентов - бактерий, вирусов, патогенных грибов и паразитов. Не только человек, но и любое позвоночное животное с иммунологической недостаточностью (иммунодефицитом) находится под угрозой смерти.
Все позвоночные имеют иммунную систему. У беспозвоночных защитные системы более примитивны; обычно их основу составляют фагоцитирующие клетки. Такие клетки - главным образом макрофаги и нейтрофилы - играют важную роль в защите от инфекции также и у позвоночных (разд. 17.5.1), но это лишь часть гораздо более сложной и совершенной защитной системы.
Иммунология, наука об иммунной системе, выросла из простого наблюдения: люди, перенесшие некоторые инфекционные болезни, становятся к ним невосприимчивыми («иммунными»), т.е. редко заболевают ими снова. Такой иммунитет высокоспецифичен: тот, кто переболел корью, защищен от вирусов кори, но не от других распространенных вирусов, таких как возбудители эпидемического паротита (свинки) или ветряной оспы. Такого рода специфичность - фундаментальная особенность всех иммунных реакций.
Многие реакции иммунной системы приводят к разрушению и удалению внедрившихся паразитических организмов и вырабатываемых ими токсичных молекул. Поскольку такие иммунные реакции направлены на разрушение, важно, чтобы они запускались только чуждыми организму, но не его собственными молекулами. Способность отличать чужое от своего - второе фундаментальное свойство иммунной системы. Изредка случается, что она принимает «свое» за «чужое» и начинает разрушительные действия против собственных молекул организма. Такие аутоиммунные заболевания могут приводить к смертельному исходу.
Иммунная система выработалась в процессе эволюции позвоночных как средство защиты от заражения микроорганизмами и более крупными паразитами; однако большая часть сведений об иммунитете была получена при изучении реакции лабораторных животных на введение неинфекционных агентов, таких как чужеродные белки и полисахариды. Почти любая макромолекула, чуждая организму реципиента, может вызвать иммунный ответ. Вещество, способное вызвать иммунный ответ, называют антигеном (т.е. генератором антител). Самое удивительное то, что иммунная система может различать даже очень сходные антигены, например два белка, различающиеся только одной аминокислотой, или два оптических изомера.
Существуют два основных типа иммунных ответов: 1) гуморальные ответы и 2) иммунные ответы клеточного типа. Гуморальные ответы связаны с выработкой антител - белков, называемых также иммуно-
216
глобулинами. Антитела циркулируют в крови и проникают в другие жидкости организма, где специфически связываются с чужеродными
антигенами, вызвавшими их синтез. Связывание с антителами инактивирует вирусы и бактериальные токсины (такие, как столбнячный или ботулинический), блокируя их способность присоединяться к рецепторам на клетках-мишенях. Связанные антитела служат «метками» для микроорганизмов, подлежащих уничтожению, - облегчают их поглощение фагоцитами или активируют особую систему белков крови (называемую комплементом), которая убивает эти микроорганизмы.
Иммунный ответ клеточного типа - второй вид иммунных реакций - состоит в образовании специализированных клеток, реагирующих с чужеродным антигеном на поверхности других собственных клеток организма. Реагирующая клетка может убить собственную клетку, зараженную вирусом и имеющую на своей поверхности вирусные белки, тем самым уничтожая инфицированную клетку до завершения репликации вируса. В других случаях реакция клетки состоит в секреции химических сигналов, стимулирующих разрушение внедрившихся микроорганизмов макрофагами.
Главная проблема, с которой столкнулась иммунология, заключалась в том, чтобы понять, каким образом иммунная система специфически распознаёт и агрессивно реагирует на практически безграничное множество чужеродных молекул и в то же время не атакует десятки тысяч различных макромолекул, вырабатываемых клетками собственного организма. Чтобы подойти к ответу на этот вопрос, мы сначала рассмотрим клетки, ответственные за два типа иммунитета. Затем мы последовательно ознакомимся с функцией и структурой антител, системой комплемента и специфическими особенностями клеточного иммунитета.
18.1. Клеточная основа иммунитета
18.1.1. Иммунная система человека состоит из триллионов лимфоцитов [1]
За специфичность иммунитета ответственны лимфоциты - одна из групп лейкоцитов. Они содержатся в больших количествах в крови, в лимфе (бесцветная жидкость лимфатических сосудов, соединяющих между собой лимфатические узлы) и в специализированных лимфоидных органах, таких как тимус (вилочковая железа), лимфатические узлы, селезенка и аппендикс (рис. 18-1).
Общее число лимфоцитов в организме человека составляет около 2-1012; по клеточной массе иммунная система сравнима с печенью или мозгом. Хотя лимфоциты уже давно признаны одним из важных клеточных компонентов крови, их центральная роль в иммунитете была продемонстрирована лишь в конце 50-х годов. В решающих экспериментах мышей или крыс подвергали сильному облучению, приводившему к гибели большинства лейкоцитов, в том числе лимфоцитов. Облученным животным, неспособным к иммунному ответу, можно было вводить клетки различных типов, чтобы выяснить, какие из них восстанавливают иммунную реактивность. Таким свойством обладали только лимфоциты (рис. 18- 2). Поскольку восстанавливались как клеточные формы иммунного ответа, так и выработка антител, полученные результаты доказывали, что лимфоциты ответственны за оба класса иммунных ответов. Когда проводились эти эксперименты, лимфоциты были одним из наименее изученных типов клеток позвоночных; сейчас они относятся к наиболее изученным.
217
Рис. 18.1. Лимфоидные органы человека. Лимфоциты развиваются в тимусе и костном мозге (на схеме темноокрашенные участки), которые поэтому называют первичными лимфоидными органами. Новообразованные лимфоциты мигрируют из этих первичных органов во вторичные лимфоидные органы (светлоокрашенные участки), где могут реагировать с антигеном. Показаны только некоторые из вторичных лимфоидных органов.
Рис. 18-2. Классический эксперимент, показывающий, что за узнавание чужеродных антигенов и реакцию на них ответственны лимфоциты. Важная особенность всех таких эспериментов с переносом клеток состоит в том, что донор и реципиент принадлежат к одной инбредной линии и поэтому генетически идентичны. Если лимфоциты донора ввести генетически отличающемуся от него животному, которое было подвергнуто облучению, то они будут реагировать против «чужеродных» для них антигенов реципиента и могут вызвать его гибель.
218
18.1.2. В-лимфоциты реализуют гуморальные иммунные ответы, а Т-лимфоциты - иммунные ответы клеточного
типа [2]
В 60-х годах было установлено, что два основных класса иммунных реакций опосредуются двумя различными классами лимфоцитов: Т- клетки, развивающиеся в тимусе, ответственны за клеточный иммунитет, а В-клетки, которые у млекопитающих развиваются в костном мозге взрослой особи или в печени плода, вырабатывают антитела. Такого рода дихотомию лимфоидной системы первоначально удалось выявить у животных с экспериментально вызванными иммунодефицитами. Было показано, что удаление тимуса у новорожденного детеныша сильно ослабляет клеточные иммунные реакции, но гораздо меньше сказывается на выработке антител. У птиц можно было продемонстрировать обратный эффект, поскольку В-лимфоциты развиваются у них в фабрициевой сумке (свойственный только птицам лимфоидный орган, связанный с кишечником). Удаление фабрициевой сумки у цыплят нарушает выработку антител, но мало влияет на клеточный иммунитет. Изучение детей, родившихся с нарушенным иммунитетом, показало, что некоторые из них неспособны к выработке антител, но обладают нормальным клеточным иммунитетом, у других же наблюдается обратное соотношение. У детей с избирательным нарушением клеточных форм иммунитета почти всегда выявляются аномалии развития тимуса.
При исследовании животных с дефицитом Т-клеток (вследствие раннего удаления или повреждения тимуса) было обнаружено загадочное явление: у этих животных не только отсутствовали клеточные иммунные реакции, но была также несколько понижена способность к выработке антител. Как мы теперь знаем, это обусловлено тем, что некоторые из Т-клеток играют ключевую роль в регуляции иммунитета и действуют как помощники В-клеток в процессе гуморального ответа.
Действительно, большая часть Т-лимфоцитов играет в иммунитете регулирующую роль, усиливая или подавляя реакции других лейкоцитов. Эти клетки, называемые соответственно Т-хелперами и Т-супрессорами, объединяют в группу регуляторных клеток. Другие Т- лимфоциты, которые называют цитотоксическими Т-клетками, убивают клетки, инфицированные вирусами. Поскольку и цитотоксические Т- лимфоциты, и В-лимфоциты непосредственно участвуют в защите организма от инфекции, эти два типа лимфоцитов объединяют под названием
эффекторных клеток.
18.1.3. Лимфоциты развиваются в первичных лимфоидных органах, а с чужеродными антигенами реагируют во вторичных лимфоидных органах [3]
Лимфоциты развиваются из плюрипотентных стволовых клеток, дающих начало всем клеткам крови, включая эритроциты, лейкоциты и тромбоциты (разд. 17.5.4). Эти стволовые клетки находятся главным образом в кроветворных тканях - в печени (у плода) и костном мозге (у взрослых). В-клетки у млекопитающих образуются из стволовых клеток в самих кроветворных тканях, а у птиц - в фабрициевой сумке из клетокпредшественников, которые мигрируют сюда из кроветворных тканей через кровь. Т-клетки у всех позвоночных развиваются в тимусе, куда клетки-предшественники мигрируют через кровь из кроветворных тканей. Поскольку кроветворные ткани, фабрициева сумка и тимус служат местами, где из клеток-предшественников образуются лимфоциты, их называют первичными лимфоидными органами (см. рис. 18-1). Хотя многие лимфоциты гибнут вскоре после своей дифференцировки в первичном лимфоидном органе (разд. 18.6.17), часть из них
219
Рис. 18-3. Развитие Т- и В-лимфоцитов. И у млекопитающих, и у птиц небольшое число клеток-предшественников мигрирует с кровью в тимус, где они дифференцируются в лимфоциты тимуса. Большинство этих лимфоцитов в тимусе погибает, но некоторые мигрируют во вторичные лимфоидные органы и становятся лимфоцитами, происходящими из тимуса (Т-клетками). У птиц клетки-предшественники переходят в фабрициеву сумку, где дифференцируются в лимфоциты сумки; многие из этих лимфоцитов погибают, а некоторые мигрируют во вторичные лимфоидные органы и становятся лимфоцитами, происходящими из фабрициевой сумки (В-клетками). У млекопитающих клетки-предшественники, предназначенные для того, чтобы стать В-клетками, дифференцируются в лимфоциты в самой кроветворной ткани, а затем переходят во вторичные лимфоидные органы и становятся здесь В-клетками. Термины «Т-клетки» и «В-клетки» часто используются также для обозначения лимфоцитов тимуса и сумки (или костного мозга) соответственно. На какой стадии развития клетки-предшественники становятся детерминированными (коммитированными) к развитию в Т- или В-лимфоциты, пока не ясно. Несколько позже в этой главе мы обсудим, почему в первичных лимфоидных органах погибает так много лимфоцитов (разд. 18.4.5 и 18.6.17).
мигрирует с током крови во вторичные лимфоидные органы - главным образом в лимфатические узлы, селезенку и некоторые участки пищеварительного тракта (аппендикс, миндалины, аденоиды и пейеровы бляшки в тонком кишечнике (см. рис. 18-1). В основном именно во вторичных лимфоидных органах Т-клетки и В-клетки реагируют с чужеродными антигенами (рис. 18-3).
Поскольку миграция лимфоцитов из тимуса и фабрициевой сумки происходит в основном на ранних стадиях развития, удаление этих органов у взрослого животного сравнительно мало влияет на иммунный ответ; именно поэтому их роль в иммунитете так долго оставалась неизвестной. Напротив, костный мозг у млекопитающих в течение всей жизни продолжает генерировать большое число новых В-клеток (у мыши около 5-107 в сутки).
18.1.4. Маркеры клеточной поверхности позволяют различать и разделять Т- и В-клетки [4]
Т- и В-лимфоциты становятся морфологически различимыми только после стимуляции антигеном. Нестимулированные («покоящиеся») Т- и В-клетки выглядят очень сходно даже в электронном микроскопе: это небольшие - лишь немногим крупнее эритроцита-клетки, в которых большую часть объема занимает ядро (рис. 18-4, А). Те и другие активируются антигеном, вызывающим их пролиферацию и дальнейшее созревание. Активированные В-лимфоциты становятся в дальнейшем продуцентами антител. Из этих клеток наиболее зрелые-плазматические клетки с чрезвычайно развитым гранулярным эндоплазматическим ретикулом (рис. 18-4, Б). В отличие от этого активированные Т-лимфоциты содержат очень мало элементов ретикулума и не секретируют антител (рис. 18-4, В).
Поскольку и Т-, и В-лимфоциты встречаются во всех вторичных лимфоидных органах, нужно было найти методы, которые позволяли бы различать и разделять эти два типа клеток и их различные подтипы, чтобы можно было изучать их индивидуальные свойства. К счастью, различительными маркерами могут служить многочисленные гликопротеины плазматической мембраны, характерные для разных типов лимфоцитов. Например, антитела к гликопротеину Thy-1 (разд. 18.6.20), который у мышей имеется на Т-, но не на В-лимфоцитах, широко
220
Рис. 18-4. Электронные микрофотографии покоящегося лимфоцита (А), активной В-клетки (Б) и активной Т-клетки (В). Покоящийся лимфоцит может быть Т- или В-клеткой, так как эти два вида лимфоцитов до их активации трудно различить по морфологическим признакам. Активная В- клетка (плазматическая клетка) заполнена гранулярным эндоплазматическим ретикулумом, полости которого набиты молекулами антител, тогда как в активной Т-клетке относительно мало гранулярного ретикулума, но зато очень много свободных рибосом. Все три клетки представлены при одинаковом увеличении. (С любезного разрешения: A-Dorothy Zucker-Franklin, Б - Carlo Grossi, В - Stefanello de Petris. А и Б - из D. Zucker-Franklin et
al., Atlas of Blood Cells: Function and Pathology, 2nd ed. Milan, Italy: Edi. Ernies, 1988.)
используют для удаления или очистки Т-клеток из смешанной популяции лимфоцитов мыши. Антитела к гликопротеинам CD4 и CD8 (разд. 18.6.5) аналогичным образом широко используются для того, чтобы различать и разделять соответственно Т-клетки-хелперы и цитотоксические Т-клетки мыши и человека.
18.1.5. Работа иммунной системы основана на принципе клональной селекции [5]
Самое поразительное свойство иммунной системы - то, что она может высокоспецифичным образом реагировать на миллионы чужеродны антигенов, например вырабатывая антитела, специфически взаимодействующие с тем антигеном, который вызвал их образование. Как может иммунная система обеспечивать такое разнообразие специфических антител? Одна из гипотез, весьма популярная вплоть до 40-х годов, состояла в том, что антитела синтезируются в виде развернутых полипептидных цепей, а их конечная конформация определяется антигеном, вокруг которого они сворачиваются. В то время это казалось простейшим объяснением того факта, что животные могут вырабатывать специфические антитела к молекулам, созданным человеком и не существующим в природе. Однако от такой инструктивной гипотезы пришлось отказаться, когда специалисты по химии белков установили, что трехмерная структура свернутой белковой молекулы, такой кaк молекула антитела, определяется только ее аминокислотной последовательностью. В самом деле, денатурированная (развернутая) молекула антитела может вновь свернуться с образованием исходного антигенсвязывающего участка даже в отсутствие антигена.
В 50-х годах инструктивная гипотеза уступила место теории клональ-