Подготовка у универсиаде 2012 / Генетика (Жимулев) / 16ver7

Глава 16. Основы иммуногенетики

16.1. Понятие об иммунитете

Наша иммунная система спасает нас от неминуемой гибели вследствие инфекций. Любое позвоночное животное, родившееся с сильнымиповреждениямииммуннойсистемы, вскоре погибнет, если его полностью не изолировать от каких бы то ни было инфицирующихагентов.

Иммунность – (immunitas = ëàò. – свободный от чего либо) означает нечувствительность к данному виду возбудителей болезней, а иммунитет – способность организма защищать собственнуюцелостность.Областьгенетики, в которой изучают генетические механизмы иммунного ответа, называют иммуногенетикой.

Иммунитет – защита организма от инфекции или, в более широком смысле, - реакция организма на чужеродные макромолекулы, микроорганизмы и клетки. Защита осуществляется с помощью двух систем – неспецифического (врожденного, естественного)испецифического иммунитета. Этидвесистемымогутрассматриватьсяикак две стадии единого процесса защиты организма. Неспецифический иммунитет выступаеткакперваялиниязащиты.Система врожденногоиммунитетадействуетнаоснове реакции воспаления и фагоцитоза. Она реагирует только на корпускулярные агенты (микроорганизмы, занозы) и на токсические вещества,разрушающиеклеткииткани,вернее, на корпускулярные продукты этого разрушения.

Вторая и наиболее сложная система – приобретенного иммунитета - основана на специфическихфункцияхлимфоцитов,клеток крови, распознающих чужеродные макромолекулы(антигены)иреагирующихна них либо непосредственно, либо выработкой защитныхбелковыхмолекул–антител.

Антигеном(антиген– тоесть ãåíератор àíòèтел)можетбытьневсякоевещество.Оно

должно быть чужеродным, макромолекулярным (с мол. весом более 10000-12000) и иметь устойчивую химическуюструктуру.Ктипичнымантигенам относятсябелкииполисахариды.

Приобретенный иммунитет характеризуется четырьмясвойствами:

1.Организм отличает свои антигены от чужих.

2.Способностьотличатьзапоминается.Эта такназываемаяиммунологическая“память”.

3.“Память” специфична, запоминается контакт лишь с определенным антигеном. Специфичность этого запоминания очень высока.

4.Иммунный ответ на чужеродную макромолекулуможноизбирательноподавить, если ввести ее в развивающийся организм внутриутробно или в первые часы после рождения.Такоеподавлениереакциинабелок называется толерантностью (терпимостью). Указанные четыре признака неразделимы и всегда проявляются вместе.

Система приобретенного иммунитета имеется в организме человека и других животных (рыбы, земноводные, пресмыкающиеся, птицы, млекопитающие). Способность приобретенного иммунитета широкоиспользуетсядлявакцинации,тоесть введения ослабленных или убитых микроорганизмов, или выделенных из них макромолекул, вызывающих иммунологическую реакцию на эти микроорганизмы. Вакцинация является основным способом предупреждения таких страшных заболеваний как оспа, туберкулез, полиомиелит,сибирскаяязваимногихдругих. Приобретенный иммунитет составляет основноепрепятствиедляпересадокорганов (сердце, почки, печень) и тканей (кожа) от одного человека другому. Для преодоления этого барьера несовместимости пользуются препаратами, подавляющими иммунную систему.

Каким образом осуществляется приобретение иммунитета? У человека существуюттриллионылимфоцитов–белых кровяных клеток. Они находятся в

кровеносном русле, в лимфоидных органах (тимус, лимфоузлы, селезенка и аппендикс) и в лимфе (бесцветная жидкость в лимфатических сосудах, соединяющих лимфоузлы).

Существуют две составляющие иммунной системы, каждая из которых ассоциирована с лимфоцитами определенного типа. Лимфоциты, созревающие в тимусе (вилочковой железе), называются Т-лимфоцитами, в отличие от В- лимфоцитов, развивающихся в костном мозге (Рис. 16.1). Клеточный иммунитет обеспечивается Т-клетками, а гуморальный

– как В -, так и Т – лимфоцитами. Клеточный иммунитет опосредуется преимущественно специфическими Т-клетками – цитотоксичными Т-лимфоцитами или “киллерами” (CTL), и направлен против клеток, несущих на своей поверхности чужеродные антигены.

Активирование как гуморальной, так и клеточной ветвей иммунной системы требует цитокинов, продуцируемых TH- клетками, которые в свою очередь активируются только в том случае, если антиген появляется в комплексе с

молекулами МНС на поверхности специализированных клеток, называемых антиген-представляющих клеток (APS). Эти клетки (макрофаги, B-лимфоциты, дендритные клетки) поглощают антигены и затем выделяют часть антигена в комплексе

ñмолекулой МНС на своей мембране. Затем

TH-клетки опознают антиген, связанный с молекулой МНС на поверхности антигенпредставляющих клеток.

Гуморальная ветвь иммунной системы включает в себя взаимодействие B-клеток с антигеном, последующую пролиферацию последнихиихдифференцировкувантитела - секретирующие плазматические клетки (Рис. 16.2). Когда антигены связываются с антителами, эти комплексы тем или иным способом удаляются из организма.

Несмотря на то, что антигены обычно имеют большие размеры, они опознаются В

– или Т – лимфоцитами, поскольку антитела, расположенныенаэтихклетках,связываются

ñнебольшими участками антигена, называемыми антигеннымидетерминантами илиэпитопами.В-клеткираспознаютэпитопы самостоятельно, в то время как Т-клетки распознают эпитоп только если он

Рисунок 16.4

ÐÒÊ

Принципиальная схема строения антител и рецепторов T-клеток (РТК). H è L – тяжелая и легкая цепи антител соответственно, VL è VH – вариабельные районы соответственно легких и тяжелых цепей; Vα è Vβ – вариабельные районы α - и β -цепей; Акт. ц. – активные центры антител и РТК. Прямоугольники – повторяющиеся сходные звенья (домены) в структуре полипептидных цепей; М – клеточная мембрана (Из: Абелев, 1996 и Kuby, 1994, p. 113).

у н и к а л ь н о м у г е н е т и ч е с к о м у механизму – н е з а в и с и м о м у г е н е т и ч е с к о м у контролю V- è C- р а й о н о в , составляющих одну полипептидную цепь, и сборке гена, контролирующего вариабельный район, из фрагментов в процессе созревания лимфоцита.

З а г а д к а сосуществования константных и в а р и а б е л ь н ы х участковводнойитой

носят название вариабельных (или V) районов.Остальнаячастьмолекулпостоянна и носит название константного (C) района. Вариабельных районов среди молекул антител тысячи, константных – единицы. Главная функция вариабельных районов – образованиеактивныхцентровантителиРТК. 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, а точнее их активных центров, обеспечивает узнавание любого чужеродного белка или полисахарида, попавшего в организм.

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, С-районы). Эта задача решается благодаря

Дополнение 16.1

В 1972 году Дж.М. Эдельман и Р.Р. Портер (G.M. Edelman, R.R. Porter) получили Нобелевскую премию за исследование химической структуры антител.

из разных цепей, создается 107-108 уникальных по своей структуре участков молекулы антител, среди которых всегда найдутся способные взаимодействовать с любым произвольно взятым антигеном. Все это разнообразие и составляет репертуар антител. Следует подчеркнуть, что этот репертуар возникает до встречи с антигеном и независимо от антигена и что большая часть набора антител не потребуется в течение всей жизни особи.

Эти антитела присутствуют на поверхности лимфоцитов, образуя там антиген-распознающие рецепторы. Чрезвычайно важно, что на поверхности однойклеткинаходятсяантителаоднойитой же специфичности. Один лимфоцит может синтезировать антитела только одной специфичности, не отличающиеся друг от друга по структуре активного центра. Это формулируетсякакпринцип“одинлимфоцит

– одно антитело”.

Каким же образом антиген, попадая в организм,вызываетусиленныйсинтезименно тех антител, которые специфично реагируют только с ним? Ответ на этот вопрос дала теория селекции клонов австралийского исследователя Ф.М. Бернета. Согласно этой теории, высказанной в 1957 году и полностьюподтвержденной последующими экспериментами, одна клетка синтезирует лишь один тип антител, которые локализуются на ее поверхности. 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

Дополнение 16.3

Нобелевскаяпремия1960годабылаприсуждена Ф.М. Бернету и П.Б. Медавару (F.M. Bernet, P.B. Medawar) за открытие приобретенной иммунологической толерантности.

соединяться с ним. В результате дальнейшей дифференцировкилимфоцитпревращаетсяв клетку, не только синтезирующую данное антитело, но и секретирующую его в окружающуюсреду.Такимобразом,функции антигена - найти соответствующий ему лимфоцит, вызвать его деление и дифференцировку в клетку, секретирующую антитела.Вэтомизаключаетсясутьимунного ответа: в селекции нужных клонов и их стимуляциикделению.Динамикапервичного и повторного ответов, согласно теории Бернета, - это отражение динамики размноженияклоновклеток,продуцирующих антителакданномуантигену.Толерантность– утратаклонаклетоквследствиеихконтактас антигеномвпроцессесозреваниялимфоцита.

Для того, чтобы чужеродный белковый антиген опознавался Т-клетками, он должен деградировать на небольшие пептиды, формирующие физические комплексы с молекуламибелковклассаI èëèII,кодируемых генамиМНС(локусгистосовместимости).Это превращение белков в МНС-связанные пептидные фрагменты называется процессингом антигена(Рис.16.7).

В результате процессинга пептиды в комплексе с белками МНС появляются на мембранет.н.антиген-представляющихклеток (макрофаги, B-лимфоциты, дендритные клетки). Затем Т-клетки опознают этот комплексантигенаиМНСбелков,причемCD4 TC-клетки связываются с клетками, содержащими на мембране белки класса II MHC, àCD8 TC-клетки-классаI ÌÍÑ.

У человека белки классов I è II локуса МНСкодируютсягенами,расположеннымив кластере HLA хромосомы 6, ó ìûøè – â H-2 комплексе хромосомы 17 (Рис. 16.8).

Дополнение 16.4

Б. Бенасерраф, Ж. Доссе и Дж. Снелл (B. Benacerraf, J. Dausset, G. Snell) получили Нобелевскую премию 1980 года за открытие генетически детерминированных структур на поверхности клеток, которые регулируют иммунологические реакции.

встраивающаяся в геном. В результате транскрипции провирусной ДНК и сборки вирусных частиц клетка-хозяин гибнет. Эта болезнь сопровождается развитием у больных глубокой иммунной недостаточности, проявляющейся в том, что безопасные для здорового человека микроорганизмы приобретают способность вызывать тяжелые инфекционные заболевания. Отличительным свойством ВИЧ является то, что он адсорбируется на поверхности только тех клеток, которые содержат мембранный белок, называемый антигеном СD4. Такой поверхностный антиген в основном содержат Т - лимфоциты, играющие важнейшую роль0в координацииработывсейиммуннойсистемы человека. Уничтожение вирусом лимфоцитов этого типа и обуславливает иммуносупрессорное действие ВИЧ (см. Дополнение 16.5).

Дополнение 16.5

Первые случаи СПИДа были зарегистрированы у гомосексуалистов в США в 1981 году. Причины и пути передачи СПИДа сначала были неясны. Однако уже в 1983 году усилиями двух лабораторий в США и Франции удалось открыть возбудитель СПИДа. Им оказался ретровирус, получивший название “вирус иммунодефицита человека” (ВИЧ).

Источником ВИЧ–инфекции является человек, больной СПИДом или вирусоноситель. ВИЧ обнаружен в крови, сперме, грудном молоке, секрете шейки матки, слюне, слезной жидкости, моче. Однако реально инфекционными являются лишь кровь, сперма, секрет шейки матки и грудное молоко. ВИЧ-инфекция не передается от больного к здоровому при обычном общении. Не выявлено ни одного случая передачи ВИЧ через укусы кровососущих насекомых, таких, как комары, вши или постельные клопы. Обычным путем распространения вируса являются половые контакты (вероятность заражения 10-70%). Другой путь передачи вируса – через зараженную донорскую кровь или ее компоненты (вероятность заражения близка к 100%), донорские органы и сперму. Чрезвычайно быстро ВИЧ распространяется

16.2.2. Моноклональные антитела

При введении даже одного антигена в организме в ответ возникает большое семейство антител. Связано это с тем, что каждоеантителовырабатываетсяненабелок или полисахарид, а на их детерминантные группы. В белках детерминантная группа состоит из 6-8 аминокислот, формирующих пространственную структуру данной молекулы. В одной молекуле белка может быть около десятка разных детерминант. В полисахаридах детерминантные группы формируются 3-6 остатками моносахаридов. И даже к одной детерминанте образуется несколько антител, несколько различающихся по свойствам.

Длянекоторыхцелей,впервуюочередь экспериментальных, требуются не многокомпонентные смеси антител, а отдельные антитела, направленные лишь к одной детерминанте антигена –

между наркоманами, использующими общие иглы для внутривенного введения наркотиков. От инфицированной матери к ребенку ВИЧ передается до или во время родов с вероятностью 25-50%. Кроме того, ребенок может быть заражен ВИЧ во время кормления грудью.

Точное время и место начала развития ВИЧ/СПИД неизвестны. Однако полагают, что ВИЧ существовал в небольших изолированных поселениях где-нибудь в Центральной Африке, поскольку антитела к ВИЧ были обнаружены в донорской крови, полученной в Заире еще в 1959 году.

К настоящему времени эпидемия СПИДа достигла внушительных размеров: к концу 1996 года в мире было выявлено более 8,4 млн. случаев СПИДа, 74% этих случаев приходилось на Африку, 8 % – на Северную Америку, 7% - на Латинскую Америку, 6% - на Азию, 4% - Европу, и 1% - на Австралию и Новую Зеландию. При этом ВИЧ - инфицированных на тот момент превысило 24 млн. человек (из них 16 млн. приходилось на Африку и лишь 29 тыс. – на Восточную Европу и Центральную Азию (Из: Щелкунов, 1999).