А. Созревание Т-клеток
Претимоциты являются предшественниками Т-лимфоцитов (Т-клеток) Они созревают в костном мозге и печени плода. В процессе эмбрионального развития тимус образуется из третьего глоточного кармана и поступающих клеток-предшественников. Глоточный карман формирует эпителиальный компонент, а клетки-предшественники — лимфатиче ский компонент тимуса. Эпителиальные клетки тимуса вырабатывают гормоны, необходимые для развития претимоцитов В тимусе клетки-предшественники созревают до тимоцитов и в конце концов попадают в кровоток в виде зрелых Т-лимфоцитов.
Б. Фазы развития тимоцитов
Претимоциты развиваются в печени и костном мозге плода, где также происходит перестройка Т клеточных рецепторов (TCR) и изменение генетической информации, необходимое для образования гамма-цепей. Клетки-предшественники характеризуются наличием фермента терминальной дезоксинуклеотидилтрансферазы (ТдТ) По мере проникновения в тимус эти клетки превращаются в ранние тимоциты, отличающиеся экспрессией поверхностных антигенов CD2 и CD7 (первая стадия дифференцировки Т-лимфоцитов). В тимусе также происходит транскрипция p-цепи Т-клеточного рецептора и перестройка у-цепи. Образующиеся клетки описаны как дважды отрицательные, поскольку они не несут антигенов CD4 и CD8.
На следующей стадии созревания (вторая стадия дифференцировки) общий тимоцит имеет характерные антигены CD1, а также поверхностные антигены CD4 и CD8 (дважды положительные). Экспрессия TCR на клеточной поверхности связана с образованием а- и β-цепей. Также на поверхности клеток возникают молекулы антигенного комплекса CD3.
Наступает время завершающей стадии созревания Т-клеток (третья стадия дифференцировки). Антиген CD1 перестает вырабатываться, и Т- клетки образуют две популяции, несущие либо антиген CD4, либо CD8. Антиген CD4 характерен для популяции Т-хелперов (Тн-клеток), a CD8 — для популяции цитотоксических Т-клеток (Tq, CTL). Образующиеся клетки называют единожды положительными. Свыше 99% всех зрелых Т- лимфоцитов имеют на поверхности TCRcx/p, а оставшаяся часть несет TCRy/ô. Т-клеточные рецепторы различаются функционально по своей способности распознавать антигены.
В. Развитие зрелых Т-лимфоцитов
Начинающие циркулировать зрелые Т-лимфоциты подвергаются дальнейшей дифференцировке в кровотоке и лимфатической системе. Такие наивные Т-лимфоциты циркулируют до контакта с антигеном вне лимфоидных органов. Эти клетки несут поверхностный антиген CD45RA. Контакт с данным антигеном приводит к образованию Т-клеток памяти, характеризующихся наличием антигенов CD45R0 и CD29. Антиген CD45R0 является вариантом общего лейкоцитарного антигена (см. также с. 27) — фосфатазы клеточной поверхности. Антиген CD29 является рецептором фибронектина и играет важную роль в адгезии Т-клеток и их миграции в ткани.
Развитие Т-клеток
Созревание в тимусе обеспечивает способность большинства циркулирующих Т-лимфоцитов действовать согласованно с соответствующими генами главного комплекса гистосовместимости (МНС) иммунной системы организма и не воспринимать эндогенные вещества в качестве чужеродных.
А. Механизмы селекции Т-лимфоцитов в тимусе
Проникая в тимус, претимоциты вступают в контакт с эпителиальными клетками тимуса; происходит развитие Т-клеточных рецепторов и их взаимодействие с молекулами МНС на эпителиальных клетках. В данном процессе может иметь место одно из следующих событий.
Тимоциты могут быть не способны связывать молекулы МНС посредством TCR (случай А). Однако это необходимо для разрушения инфицированных вирусом клеток, осуществляющих презентацию вирусного антигена Т-клеткам на соответствующих молекулах МНС. Если Т-клетка, являющаяся «партнером» инфицированной клетки, не в состоянии образовать необходимую связь, то она не сможет распознать антиген, и в результате инфицированная клетка не будет уничтожена. Такие «неправильно запрограммированные» Т-клетки оказываются бесполезными для иммунной системы и немедленно уничтожаются. Эта процедура выполняется не путем прямого уничтожения клеток, а в результате действия эндогенного механизма программированной клеточной смерти (апоптоза). Такие клетки не получают положительного спасительного сигнала, останавливающего программированную клеточную смерть (см. также с. 75).
Т-лимфоциты могут взаимодействовать с соответствующей молекулой МНС. В таком случае Т-клеточный рецептор может связываться с эпителиальной клеткой тимуса посредством молекулы МНС, в результате чего Т-лимфоцит получает сигнал прекратить реализацию программы самоуничтожения и тем самым спасает свою жизнь. Такая клетка продолжает созревать и в конце концов начинает циркулировать в организме. Этот процесс контролируется другим защитным механизмом. Если связь между Т-клеточным рецептором и молекулой МНС слишком сильна, то может возникнуть цитотоксическая реакция собственных анти- генпрезентирующих клеток организма. В подобном случае Т-клетка тоже будет уничтожена (случай В).
Возможна ситуация, при которой Т-клеточный рецептор и антиген МНС способны взаимодействовать, но рецептор узнает эндогенный антиген. Реакция таких «аутоиммунных» Т-клеток может в конце концов навредить организму. Однако такие клетки также выбраковываются, возможно, при участии дендритных клеток, перемещающихся в тимус Дендритные клетки несут большинство из известных поверхностных аутоантигенов. Т-клетка, реагирующая с одним из этих аутоантигенов, не получит спасительного сигнала и будет уничтожена (случай С).
Только те клетки, которые узнают соответствующую молекулу МНС, образуют с ней умеренно прочную связь и не реагируют с аутоантигенами могут продолжить созревание и превратиться в полностью функциональные циркулирующие Т-лимфоциты (случай D).
В результате такого строгого отбора около 90% тимоцитов, попадающих в тимус, погибают. Кроме данного механизма существуют некоторые дополнительные способы защиты от аутоагрессивных Т-лимфоцитов, обеспечивающие дополнительную степень безопасности на тот случай, если аутоиммунные клетки не были уничтожены действием основного механизма отбора (см. также с. 67, Б).
Селекция Т-клеток
A. Семейства генов Т-клеточных рецепторов
Наиболее часто экспрессируются гены а- и β-цепей TCR. Рецепторы TCRy/ô встречаются на незрелых Т- клетках и на незначительном числе Т-клеток периферической крови. Гены а- и β-цепей локализованы на хромосоме 14, а гены δ- и у-цепей — на хромосоме 7. Как и в случае иммуноглобулинов, вариабельные области Т-клеточных рецепторов локализованы в разных экзонах, которые в конце концов сшиваются с константными областями рецепторов в результате сплайсинга. Этот механизм обеспечивает широчайшее многообразие рецепторов, которое еще более увеличивается за счет вариабельной селекции J-элементов (а- и β-цепи) и D-областей ((3-цепи).
Б. Перестройка генов Т-клеточных рецепторов
Рекомбинация, происходящая в момент формирования информации, необходимой для образования цепи Т- клеточного рецептора, приводит к перестройке генов — процессу, при котором некоторые элементы генов могут быть удалены или изменены путем несбалансированного хромосомного обмена. Процесс инверсии заключается в образовании петли, последующем расщеплении хромосомы и ее воссоздании в инвертированном виде. Другими словами, порядок транскрипции исходной генетической информации оказывается обращенным.
B. Конфигурация Т-клеточных рецепторов
Альфа-цепь Т-клеточного рецептора представляет собой гликопротеин массой 40-60 кДа, а бета-цепь имеет молекулярную массу 40-50 кДа. Как и цепи иммуноглобулинов, цепи Т-клеточных рецепторов имеют вариабельные (V) и константные (С) области. С-концевой участок V области (3-цепи (связывающий области V и С) кодируется J и D генами. Вариабельные области а- и β-цепей состоят из 102-119 аминокислот и в том числе содержат два остатка цистеина, участвующих в образовании дисульфидных мостиков.
Константные области а- и β-цепей состоят из 138-179 аминокислот и имеют четыре функциональных домена, которые в норме кодируются различными экзонами.
N-Концевой участок константной области содержит два остатка цистеина, образующих дисульфидные мостики внутри цепи, в результате чего третичная структура этого участка, по-видимому, соответствует структуре константной области молекулы иммуноглобулина. Трансмембранный домен состоит из 20-24 главным образом гидрофобных аминокислотных остатков.
В отличие от а- и β-цепей, у- и δ-цепи локализованы только на тех Т-лимфоцитах, которые экспрессируют CD3, но не экспрессируют а/β рецепторы. Структура у- и δ-цепей аналогична структуре а- и β-цепей Аминокислотная последовательность y-цепи очень напоминает последовательность β- цепи, в свою очередь δ- и a-цепи также имеют сходные последовательности.
Г. Возможная вариабельность Т-клеточных рецепторов
Как и в случае иммуноглобулинов, всевозможные комбинации V, D и J генов, а также другие механизмы создают огромное многообразие Т-клеточных рецепторов (их возможное число составляет 1015).
Д. Распределение Т-клеток, содержащих а/ β и y/ô-рецепторы
Подавляющее большинство зрелых Т-лимфоцитов в кровотоке (и по всей видимости в тканях) экспрессируют TCRa/β, в их числе 66% CD4+ и 33% CD8+ Т- лимфоцитов (усредненные цифры). Клетки, экспрессирующие TCRa/β, редко являются дважды положительными или дважды отрицательными (см. с. 19. Б). Напротив, большинство клеток, экспрессирующих TCRy/δ, являются дважды отрицательными, некоторые — дважды положительными, и лишь немногие экспрессируют CD4 антиген.
Функции клеток, экспрессирующих TCRy/δ, до сих пор остаются неизвестными. Считается, что они играют важную роль в защите от микобактерий и в ответе на суперантигены.
Т-клеточные рецепторы
Для развития, дифференцировки, активации Т-клеток и узнавания ими антигенов кроме Т-клеточных рецепторов необходимо участие многочисленных вспомогательных молекул, играющих важную роль в связывании Т-клеток с антигенпрезентирующими клетками. Некоторые из этих молекул, такие как CD3, существуют исключительно на клетках линии Т-лимфоцитов, в то время как другие встречаются на В-клетках и вспомогательных клетках. Такие молекулы можно распознать и проанализировать при помощи моноклональных антител. Этот метод не только значительно повысил уровень понимания функций лимфатической клетки, но и явился одним из наиболее перспективных достижений в иммунодиагностике. Именно этот метод используется для определения иммунного статуса и категорий злокачественных заболеваний лимфатической системы. В соответствии с принятыми международными правилами антигены, идентифицированные с помощью моноклональных антител, получали (и будут получать) номера соответствующих кластеров дифференцировки (CD).
А. Молекулы дифференцировки Т-клеток человека
Антиген CD1 имеет пять изоформ (a, b, с, d и е) и экспрессируется на кортикальных тимоцитах и дендритных клетках. Молекулы CD1 по структуре напоминают антигены МНС класса I. Подобно антигенам МНС, они образуют комплексы с β2-микроглобулином. Считается, что антигены CD1 участвуют в презентации липидсодержащих антигенов Т-клетке. Презентация липидных антигенов микобактерий также осуществляется при участии CD1
Молекула CD2 служит рецептором антигена CD58 (лимфоцитассоциированного антигена 3 (LFA-3)). CD2 является важным фактором при альтернативной активации Т-лимфоцитов. Он является ранним Т-клеточным маркером всех Т-лимфоцитов и естественных киллеров (НК-клеток).
Кластер CD3 состоит из нескольких важных мембранных молекул, тесно связанных с Т-клеточными рецепторами. Эти молекулы, особенно их дзета- (ζ) и эта- (η) цепи, необходимы для передачи сигнала после установления контакта с молекулой МНС. Молекулы МНС непосредственно отвечают за активацию Т- лимфоцитов (см. с. 27).
Молекула CD4 характерна для Т-хелперных клеток, кроме того она экспрессируется незрелыми тимоцитами, а также вспомогательными клетками и эозинофилами. Эта молекула играет важную роль в связывании молекул МНС класса II и взаимодействует с тирозинкиназой p56lck. Она также служит для связывания вируса иммунодефицита человека (ВИЧ). Антиген CD4 соответствует молекуле CD8, состоящей из двух цепей и характерной для цитотоксических Т-клеток. CD8 также экспрессируется на незрелых тимоцитах и редко — на клетках-киллерах. CD8 отвечает за связывание молекул МНС класса I и взаимодействует с тирозинкиназой р56|ск.
Антигены CD5 и CD7 также характерны для Т-лимфоцитов. CD5 участвует в передаче сигнала и в межклеточных взаимодействиях. Антиген CD7 является наиболее ранним Т-клеточным маркером; его способ действия до сих пор изучен слабо. Антиген CD5 экспрессируется на субпопуляции В-лимфоцитов.
Молекулы CD28 и CD152 (CTLA-4) взаимодействуют с молекулами CD80 и CD86 на антигенпрезентирующих клетках. Взаимодействие между CD28 и CD80/CD86 вызывает важный костимулирующий сигнал активации и пролиферации Т-клеток. С другой стороны, связывание CTLA-4 с этой молекулой является для Т-клеток негативным сигналом
А. Активация Т-клеток и передача сигнала
Антигенный пептид, связанный с а и β молекулами МНС (см. с. 61), представляется специфической Т- клетке, которая прежде всего связывается с а- и β- цепями с образованием тримолекулярного комплекса (см. с. 45). Эта связь стабилизируется молекулой CD4/CD8. В конечном итоге осуществляется передача сигнала, главным образом посредством ζ и η молекул комплекса CD3. В передаче сигнала с участием тирозинкиназы р561ск участвуют позитивные по CD4 и CD8 (a-цепь) клетки, однако антиген CD45 также играет чрезвычайно важную роль. Этот антиген существует в виде нескольких изомеров и обладает внутриклеточной тирозинфосфатазной активностью. Таким образом, появление фосфорилирующей активности является первым этапом активации Т-клеток после связывания лиганда и молекулы TCR. Этот процесс позволяет другим белкам со специфической способностью связывать тирозин взаимодействовать с фосфорилированными белками. Такие связывающие мотивы с консервативной структурой называют Srс-гомологичными-2-доменами (SH2-доменами), поскольку впервые они были идентифицированы в белке Src.
Фосфорилирование остатка тирозина в цитоплазматическом домене мембраносвязанного белка приводит к связыванию в этом участке SH2-содержащих белков. Кроме CD45, p59fyn и р56|ск, на этом этапе важную роль играют также дзета-ассоциированный белок (70 кДа) и его киназа (ZAP-киназа).
В процессе активации происходит стимуляция фосфолипазы С (ФЛС) и фосфатидилинозитол фосфолипазы (ФИФ) и запускается каскад процессов, в конечном итоге приводящих к повышению концентрации инозитолтрифосфата (IP3) и диацилглицерина (ДАТ) в цитоплазме. Это в свою очередь вызывает значительное увеличение содержания кальция в клетке путем мобилизации внутриклеточных мембраносвязанных источников кальция. Приток ДАГ и кальция прежде всего активирует протеинкиназу С (ПКС), серин-треонин-фосфокиназу, а затем продукт протоонкогена Ras. На этой стадии инициируется специфический каскад передачи сигнала, приводящий к активации таких транскрипционных факторов как АР1 (см. ниже). В данном процессе также задействованы кальмодулин и кальциневрин.
Все перечисленные события в конечном итоге приводят к активации генов и регуляции транскрипции. Ключевым фактором активации Т-клеток является инициация транскрипции гена интерлейкина 2 (ИЛ-2). Решающую роль в данном процессе играет трансформация ядерного фактора активированных Т-клеток (NFAT) в активированную форму путем фосфорилирования Фактор NFAT переносится в ядро, связывается со специфической промоторной областью гена ИЛ-2 и вместе с другим ядерным связывающим фактором (АР1 комплексом) начинает транскрипцию гена ИЛ-2 при участии РНК-полимеразы II.
Б. Активация Т-клеток: временная зависимость экспрессии гена
Следует различать процессы немедленной, ранней и поздней активации Т-клеток. Протоонкогены (c-fos и с- тус), ядерные связывающие белки (см. раздел А) и гены цитокинов последовательно вовлекаются в эти процессы. Повышение уровня экспрессии детерминант МНС (в некоторых клеточных системах) и адгезионных молекул происходит лишь несколько дней спустя.
А. Дифференцировка в клетки Тн1 и Тн2
Периферические Т-клетки могут дифференцировать в наивные Т-клетки и Т-клетки памяти (см. с. 21, В). Далее. после контакта с антигеном они образуют две различимые субпопуляции, называемые ТH1 и ТH2.
После первичного контакта с различными антигенами (бактериями, грибами, простейшими, цветочной пыльцой) большинство Тн-клеток (Т-хелперов) сталкиваются с элементами неспецифической иммунной системы, особенно макрофагами, естественными клетками-киллерами и тучными клетками. Установление подобного контакта и соответствующий ответ на антиген определяют генетическую восприимчивость (предрасположенность) хозяина, определяемую компонентами МНС, Т-клеточными рецепторами и другими еще не известными факторами.
Процессирование антигена неспецифическими защитными клетками формирует цитокиновое окружение, оказывающее решающее действие на дальнейший ход иммунного ответа. Интерлейкин 12, секретируемый макрофагами, также принимает активное участие в процессе. Последующая презентация антигена осуществляется специализированными антигенпрезентирующими клетками (главным образом, дендритными клетками). Важную роль здесь играет тримолекулярный комплекс TCR-антигенный пептид-МНС, а также связь между молекулами В7-1 (CD80) и CD28. Благодаря доминирующему цитокиновому окружению и различным способам презентации антигена, исходные Т- хелперные клетки ТнО трансформируются либо в Тн1, либо в Тн2.
Клетки типа ТН1 в основном секретируют ИЛ-2, у-ИНФ, ФНО-β и ГМ-КСФ. Путем активации макрофагов они усиливают воспалительный процесс, что также способствует уничтожению внутриклеточных патогенов.
Клетки типа Тн2 в основном образуют ИЛ-4 и ИЛ- 5 (а также ИЛ-3, ИЛ-6, ИЛ-7, ИЛ-8, ИЛ-9, ИЛ-10 и ИЛ-14) и стимулируют В-лимфоциты к образованию антител.
Было проведено экспериментальное исследование этого процесса при заражении мышей лейшманией. Различные линии мышей по-разному реагируют на попадание инфекции в зависимости от типа цитокинов. Цитокины, приводящие к образованию клеток Тн1, обеспечивают выживание лабораторных животных после контакта с патогеном, в то время как преимущественное накопление клеток типа Тн2 приводит к летальному исходу инфекционного заболевания.
Т-хелперные клетки каждого типа способны ингибировать активацию Т-хелперов другого типа, используя свои собственные цитокины. Так, у-ИНФ ингибирует клетки Тн2, а ИЛ-10 препятствует активации макрофагов и приводит к заметной иммуносупрессии. С другой стороны, характерные цитокины оказывают позитивное, активирующее действие на «свою» субпопуляцию Т-хелперов. ИЛ-2, например, воздействует на клетки Тн1, а ИЛ-4 — на клетки Тн2. Однако следует подчеркнуть, что в защитной системе человека часто не происходит строгого разграничения между этими субпопуляциями. Напротив, между ними может наблюдаться плавный патоген- зависимый переход.
Б. Регуляция синтеза IgE
Клетки Тн2 играют важнейшую роль в регуляции синтеза IgE. Активация В-лимфоцитов протекает главным образом с участием системы СD40/лиганд CD40. При этом выделяются ИЛ-4, ИЛ-13 и(или) растворимые рецепторы ИЛ-4 (ИЛ-4И), также вносящие вклад в продукцию IgE ИЛ-4 способствует дифференцировке В-клеток в плазматические клетки, синтезирующие lgG1 и IgE, а ИЛ-13 индуцирует образование антител lgG4 и IgE.
В. Регуляторные Т-клетки
Регуляторные Т-клетки несут супрессорную функцию. Они представляют собой небольшую субпопуляцию CD4+ Т-клеток, которые также экспрессируют CD25 даже без активации. Было показано, что CD4+ CD25+ регуляторные Т-клетки отвечают за аутоиммунные реакции, поскольку их исчерпание приводит к развитию различных аутоиммунных заболеваний у мышей. Возможно, они также играют роль в нарушении иммунологического контроля у больных раком (см. с. 162).
