Антиген что это такое простыми словами
Антиген — невидимка
Антиген — невидимка
Автор
Редактор
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Клетки многоклеточного организма живут в полном смысле этого слова «напоказ», выставляя на своей поверхности фрагменты всех производимых ими белков. Каким же образом раковым клеткам удается «спрятать» опухолевые антигены от вездесущего Т-клеточного надзора и стать «клетками-невидимками»?
Обратите внимание!
Эта работа опубликована в номинации «Лучшая статья по иммунологии» конкурса «био/мол/текст»-2015.
Спонсором номинации «Лучшая статья о механизмах старения и долголетия» является фонд «Наука за продление жизни». Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon.
Спонсоры конкурса: Лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и Студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science.
Преамбула
Иммунология — удивительная наука, в которой практика (вакцинация, подбор групп крови при переливании и т.д.) на несколько столетий опередила теорию — полноценное научное обоснование механизмов распознавания «свой—чужой» в организме. Наше знакомство с ее достижениями начинается с первых дней жизни и первых прививок в роддоме, и даже самый далекий от биологии человек знает (главным образом из рекламы) о необходимости укрепления иммунитета. Но и у людей, знакомых с биологией более основательно, представления о молекулярных механизмах формирования иммунного ответа во многом остаются на каком-то «полуинтуитивном» и очень приблизительном уровне. Причем многие даже не подозревают о пробелах в своей научной картине мира. А начнешь задавать себе или другим «детские вопросы»: как иммунные клетки распознают раковые или вирусные антигены, если враг — внутри, а иммунитет — снаружи? Или почему одни виды рака иммунная система уничтожает лучше, чем другие? И понимаешь, что наивное полузнание на эти вопросы не отвечает. А значит, самое время поговорить о королях и капусте, об антигенах и комплексах гистосовместимости, и составить наконец более отчетливое представление о том, как именно организм распознает зараженные клетки. И почему некоторым клеткам удается этого избежать.
Мы будем говорить о механизмах презентации антигенов на примере злокачественных опухолей. Но те же самые универсальные принципы лежат в основе любого иммунного ответа, будь то бактериальная инфекция или вирусное заражение. Разумеется, в каждом случае есть свои тонкости и детали, но в них мы сегодня вдаваться практически не будем. Попробуем составить для начала общую картину процесса.
Что такое антиген и как с ним бороться
Что такое антиген? Поскольку, как уже было сказано выше, иммунология развивалась от практики к теории, то и определение этого важнейшего термина долгое время оставалось сугубо эмпирическим: «Антиген — это молекула (частица), способная вызывать иммунный ответ». Это определение продолжает оставаться актуальным и по сей день, хотя оно, естественно, обросло множеством дополнений и уточнений. Самым важным из них мне представляется следующее: «Антигены — это биологические тела и молекулы, несущие признаки чужеродной биологической информации» [1], поскольку оно отражает ключевую цель иммунитета — борьбу за генетическую однородность организма, важной частью которой является контроль над собственными клетками, которые в результате ракового перерождения могут перестать быть полностью «своими» и приобрести признаки этой самой «чужеродности».
Если говорить о химической природе данных соединений, то это в основном белки, хотя полисахариды и липиды также способны в отдельных случаях вызывать иммунный ответ, но в данной статье будет говориться почти исключительно о «классических» — белковых — антигенах.
Опухолевые антигены — соответственно, это белки, по которым раковая клетка опознается иммунной системой организма как «чужак», подлежащий уничтожению, что позволяет ликвидировать большинство злокачественных перерождений еще в зародыше — или, по крайней мере, сдерживать их рост. (У людей, страдающих иммунодефицитом, и мышей с поврежденной иммунной системой опухоли развиваются стремительно и с гораздо большей частотой.)
Множество опухолевых антигенов довольно сильно пересекается со множеством белков, которые называют маркерами злокачественных опухолей [2], что зачастую вызывает определенную путаницу. Например, в соответствующей статье русской Википедии, где два эти понятия употребляются практически как синонимы. Но это не так. Далеко не все маркеры — белки, которые ассоциированы с опухолями сильнее, чем со здоровыми клетками, — являются антигенами (способны вызывать естественный иммунный ответ). Часто это обычные «здоровые» белки, чей синтез по каким-то причинам усилен в опухоли.
Настоящими опухолевыми антигенами являются белки, мутированные в опухолях (в том числе и благодаря встраиванию в их гены онковирусов), то есть те, у которых аминокислотная последовательность отличается от нормальной — исходно закодированной в клетках данного организма, а также так называемые онкофетальные антигены — эмбриональные белки, экспрессируемые в раковых клетках (в норме они синтезируются в организме только на ранних стадиях зародышевого развития, когда иммунитет еще неактивен, в результате иммунной системе взрослого организма они незнакомы и воспринимаются как чужеродные. (К «знакомым» — собственным белкам организма — иммунная система в норме неагрессивна, «толерантна». Рассмотрение механизмов, которыми достигается подобная избирательность, лежат за рамками данной статьи, просто примем ее как эмпирический факт*.)
* — Однако в других конкурсных статьях этого года немного рассказывается, как осуществляется эта «отрицательная селекция»: например, в статье «Т-лимфоциты: путешественники и домоседы» [3]. — Ред.
Клетки, в которых содержится такой чужеродный белок-антиген, будь то клетка, пораженная вирусом или бактерией, или же опухолевая клетка, содержащая мутации (неоантигены), иммунная система стремится уничтожить, и таким образом поддерживается генетическое единообразие многоклеточного организма. Но как именно иммунная система узнает о белках-«чужаках», если они синтезируются и работают внутри клетки, а иммунная система надзирает за порядком снаружи?
Себя показать и на других посмотреть
Для того, чтобы разобраться с ответом на этот вопрос, необходимо вспомнить, что живая клетка, существуя, непрерывно обновляет себя. Срок жизни одних белков в ней измеряется минутами, других — часами, но в конце концов все они отправляются в расход. Управление деградацией белков, так же, как и управление их синтезом, — важный механизм внутриклеточной регуляции. Белки утилизируются клеткой несколькими путями. Одним из основных является протеасомный способ деградации. Протеасома — это гигантский белковый комплекс в цитоплазме клетки. Она распознает белки, связанные с маленьким белком убиквитином [4, 5]. Именно так, путем убиквитинирования, клетка метит отслужившие свое белки, и протеасома расщепляет их на короткие фрагменты — пептиды. Большая часть этих пептидов разбирается потом до аминокислот, которые экономная клетка пускает в оборот для синтеза новых белков, но некоторая их часть экспортируется из цитоплазмы в эндоплазматический ретикулум (ЭПР) и там образует комплексы со специальными белками, носящими общее название: «Белки главного комплекса гистосовместимости первого типа» (MHC I) (рис. 1). Эти белки имеют общий структурный мотив, образующий своего рода «щель», способную связывать короткие пептиды (8-10 аминокислотных остатков) (рис. 2). Связав пептид, комплекс МНС I вместе с ним транспортируется на поверхность клетки, находится там какое-то время, а потом деградирует и в свою очередь распадается на аминокислоты. Таким образом каждая клетка непрерывно «в режиме реального времени» экспонирует (представляет) на своей поверхности случайные фрагменты всех стабильно экспрессируемых в ней белков. Такой своего рода «пептидный портрет» или «пептидный каталог» жизнедеятельности [6, 7].
Рисунок 1. Презентация опухолевого антигена на поверхности клетки и распознавание его TCR рецепторами Т-клетки.
Рисунок 2. Пептид в «щели» белка MНС I.
Всех белков — это важно понимать. Клетка не стремится специально выставить на поверхность фрагменты именно чужеродной макромолекулы — она, собственно говоря, и понятия не имеет, какой из белков внутри нее «не такой, как все». Даже при инфекционном поражении на долю чужеродных пептидов приходится не более 0,1% от общего числа выделенных из мембранных молекул MHC пептидов. Таким образом, из примерно 100 000 молекул MHC, присутствующих на поверхности клетки, чужеродный эпитоп (пептид чужеродного белка, связанный с МHC I) будет входить в состав всего лишь 100 молекул [1]. В случае с онкоантигенами эта доля, вероятно, еще ниже.
Нет антигена — нет проблемы!
Чем больше опухолевого антигена (антигенов) экспрессирует клетка, тем больше эпитопов представлено на ее поверхности, тем эффективнее будет иммунный ответ, так как именно чужеродные эпитопы в составе комплекса MHC I служат сигналами для уничтожения опухолевых клеток цитотоксическими Т-киллерами. Если иммуногенность опухоли достаточно велика, она с большой вероятностью будет уничтожена организмом на самой ранней стадии. Однако в случаях, когда иммунной системе не удается «с наскоку» уничтожить сразу все раковые клетки зарождающейся опухоли, побочным результатом иммунных атак становится естественный отбор опухолевых клонов, способных уклоняться от иммунного контроля. Способы этого уклонения многообразны. Некоторые из них из них, относящиеся к регуляции врожденного иммунного ответа, уже обсуждались на страницах «биомолекулы» [8]. Другие самым непосредственным образом касаются темы данной статьи, а именно регуляции презентации опухолевых антигенов на поверхности раковых клеток.
С точки зрения интересов опухоли, нет представления опухолевого антигена на поверхности клетки — нет проблемы! Этого эффекта раковая клетка может добиться несколькими путями (и как правила использует сразу несколько из них). Можно воздействовать на синтез компонентов протеасомы и нарушить процесс деградации клеточных белков. Можно повредить белки-транспортеры (ТАР-белки) отвечающих за доставку пептидов из цитозоля, где работает протеасома, в эндоплазматический ретикулум, где собираются MHC комплексы (рис. 1). Можно нарушить экспрессию самих белков MHC I или их коактиватора — белка β2-микроглобулина [6, 7]. Пути различные — результат один: процесс нормальной презентации пептидов всех белков (и опухолевого антигена в том числе) на поверхности таких клеток оказывается нарушен. А поскольку Т-клетки не способны распознавать антигены иначе как в составе MCH I комплекса, то такие опухолевые клетки и их антигены становятся «невидимыми» для Т-клеточного ответа.
Почему понимание всего этого механизма так важно не только для теоретической, но и для самой что ни на есть прикладной науки? Большие успехи онкофармакологии последних лет связывают с появлением новых иммунопрепаратов, усиливающих Т-клеточный ответ [9]. Однако в отзывах о действительно впечатляющих успехах данной области неизменно присутствует «ложка дегтя». Усиление Т-клеточного ответа работает лишь там, где есть что усиливать. Все иммунотерапевтические методы демонстрируют эффективность лишь для опухолей, обладающих достаточно высокой иммунногенностью — способностью инициировать иммунный ответ, — в том числе и путем презентации опухолевых антигенов на поверхности своих клеток. Опухоли, утратившие эту способность, теряют и чувствительность к иммунотерапии. Перед современной иммунологией стоит вопрос: а можно ли заставить эти антигены-«невидимки» снова сделаться «видимыми» для иммунной системы? Положительный ответ на него сможет спасти множество человеческих жизней и приблизит время окончательной победы над раком.
Вакцины, антитела, антигены. Гид по иммунологии для чайников
Андрей Смирнов
Антитела, антигены, титры, тесты, вакцины — сейчас все это буквально из каждого утюга. «СПИД.ЦЕНТР» объясняет, какими бывают антитела, откуда они берутся и как все это связано с вакцинами и иммунитетом.
Что такое антитела?
Антитела (они же иммуноглобулины) — это специальные белки, которые вырабатывают клетки нашей иммунной системы для борьбы с «чужеродным вторжением» — проникновением в организм практически чего угодно, что наша иммунная система посчитает потенциально опасным. Это могут быть бактерии, вирусы, их токсины — так наш организм защищается от инфекции, или даже безобидная пыльца растений и лекарства — и в этом случае развивается аллергия.
Вещество, в ответ на которое начали вырабатываться антитела, называют антигеном. И да, антиген — это именно вещество, так как антитела вырабатываются не против вируса или бактерии «целиком», а против тех или иных конкретных вирусных или бактериальных белков. Например, если говорят об антителах против вируса гриппа, подразумевают антитела против двух белков из оболочки этого вируса — гемагглютинина и нейраминидазы. В случае SARS-CoV-2 речь чаще всего идет о шиповидном белке оболочки вируса (он же S-белок или спайк-белок).
Антитела обладают высокой специфичностью, то есть работают строго против определенного антигена или небольшой группы антигенов, очень сходных по своей структуре. Суть работы антител довольно простая — они химически связываются с антигеном и блокируют его взаимодействие с другими молекулами. Например, антитела против шиповидного белка оболочки коронавируса будут «прилипать» к этому белку, обволакивая вирусную частицу, — и такой вирус уже не сможет «прилипнуть» к клетке и проникнуть в нее. Кроме того, частицы с «налипшими» на них антителами гораздо «аппетитнее» выглядят для клеток нашей иммунной системы и будут быстрее поглощаться и перевариваться макрофагами — этот эффект называется «опсонизация».
Как организм понимает, какие антитела вырабатывать?
Выработка антител — довольно сложный и многостадийный процесс. Если очень коротко, то специальные клетки иммунной системы поглощают и переваривают потенциально опасную частицу (например, бактерию или вирус), буквально разбирают ее на кусочки. И затем показывают эти кусочки другим клеткам, которые подбирают подходящую структуру антитела так, чтобы это антитело могло химически связаться с одним из «кусочков» переваренной бактерии. Когда нужная структура найдена — запускается массовое производство антител. На этот процесс требуется немало времени, поэтому после первого контакта с антигеном накопление антител начинается примерно через 2 недели. Выработанные антитела циркулируют в крови около 4 недель, после чего разрушаются, при этом выработка новых антител может продолжаться.
Хорошая новость в том, что иммунная система умеет «запоминать» антигены, и при следующем контакте организму уже не нужно тратить 2 недели на поиск нужной структуры антитела — выработка начинается практически сразу. Именно так работает приобретенный иммунитет.
Иммунологическая память хранится разное время. Для некоторых инфекций, например для клещевого энцефалита, это 3–5 лет. Для других, например гепатита B или кори, — от десятков лет до пожизненной «гарантии». Именно от времени хранения иммунологической памяти, а не от текущей концентрации антител в крови зависит стойкость иммунитета и риск повторной инфекции.
Как антитела вырабатываются при вакцинации?
Для начала синтеза антител организму не обязательно сталкиваться с живой опасной бактерией или вирусом. Достаточно будет «убитого» или ослабленного микроба, кусочка его оболочки или даже отдельного белка — это тоже запустит иммунную реакцию и выработку антител. Эти антитела будут совершенно нормально работать и против живого опасного возбудителя инфекции. В этом и заключается смысл вакцинации — знакомим иммунную систему с ослабленным или убитым микробом, чтобы она научилась убивать живых и опасных.
Продолжительность вакцинного иммунитета тоже зависит от иммунологической памяти и может отличаться от естественного иммунитета, возникшего после болезни. Когда иммунитет угасает, нужно вакцинироваться снова. Для вакцин от разных инфекций есть свои графики повторной вакцинации, их частота зависит от времени хранения иммунологической памяти.
Вакцины, полученные по различной технологии, могут отличаться по времени действия вакцинного иммунитета. Обычно эти различия не слишком велики, так как продолжительность иммунитета в гораздо большей степени зависит от вида самого возбудителя, чем от конкретной вакцины.
На формирование защитного иммунитета также влияет состояние самого организма. Например, при тяжелых заболеваниях иммунной системы (наследственные иммунодефициты, злокачественные новообразования) иммунный ответ на вакцину может быть снижен или не формироваться вообще. Как показывает многолетний опыт использования разных вакцин, в случае ВИЧ-инфекции иммунный ответ на вакцины, как правило, ничем не отличается от иммунного ответа у ВИЧ-негативных людей. Поэтому графики вакцинации и дозы вакцины для ВИЧ-позитивных пациентов не будут иметь никаких особенностей.
по теме
Лечение
Безумно дорогое лекарство, которое спасет мир от пандемии
Некоторые лекарства, например глюкокортикоиды и иммунодепрессанты, могут подавлять формирование вакцинного иммунитета. В таких случаях тактику вакцинации нужно обсудить с врачом.
Для вакцин от новой коронавирусной инфекции время действия вакцинного иммунитета остается одним из главных вопросов. Предсказать продолжительность защиты той или иной вакцины очень трудно. Обычно это выясняют на практике, регистрируя частоту инфекций у привитых во время массовой вакцинации людей спустя разное количество времени, а также измеряя титр защитных антител.
Титр? Какой еще титр?
Как мы уже выяснили, антитела — это белки, которые циркулируют в крови. Для того чтобы обеспечивать эффективную защиту, эти белки должны быть в крови в определенной концентрации — ее и называют титром. Выражают титр в виде чисел, разделенных двоеточием, например 1:50 или 1:100 (читается как «один к пятидесяти» или «один к ста»).
Так как антитела — это сложные белки, определять их химическими методами крайне трудно. Поэтому для определения антител используют иммунологические реакции. Конкретных методов очень много, но в самом общем виде суть этих реакций очень простая. Мы берем раствор нужного антигена (например, того самого шиповидного белка коронавируса) и смешиваем его с сывороткой, в которой ищем антитела. Если антитела в сыворотке есть, то они связываются с антигеном и их соединение выпадает в виде осадка или раствор мутнеет. На практике проведение такой реакции выглядит сложнее, часто используют специальные гелевые среды и разные способы детектирования, но суть от этого не меняется.
Проблема в том, что такой подход отвечает нам только на вопрос, есть антитела в сыворотке или их нет, но ничего не говорит о количестве самих антител. Как в таком случае сравнить между собой две разные сыворотки? По количеству выпавшего осадка — не вариант, слишком большая погрешность. Но есть другой способ — можно разводить исследуемую сыворотку до тех пор, пока реакция (осадок) все еще будет обнаруживаться. И вот последнее, самое сильное разведение, при котором мы еще можем наблюдать реакцию сыворотки с раствором антигена, и называют титром этой сыворотки. То есть титр 1:50 говорит нам о том, что эту сыворотку можно развести в 50 раз и она еще будет давать реакцию с антигеном. Соответственно, чем больше вторая цифра в обозначении титра, тем выше концентрация антител в сыворотке.
Недостаток титра в том, что он указывает на относительное содержание антител. Если у нас есть две сыворотки с титрами 1:50 и 1:100, мы можем с уверенностью сказать, что во второй сыворотке антител в 2 раза больше, чем в первой. Но какая именно концентрация антител в каждой из этих сывороток, мы не знаем. На практике это часто бывает и не нужно: нам достаточно знать, с каким титром антител человек еще защищен от инфекции, а с каким — уже нет. Это легко выяснить, измеряя титр антител у вакцинированных людей, которые все же заразились.
В результатах лабораторных анализов обычно указывают концентрацию антител в международных единицах (МЕ) или относительных единицах (ОЕ). Результаты, полученные в МЕ, можно сравнивать между собой — значение не будет зависеть от лаборатории, тест-системы и условий анализа (для коронавируса таких пока нет). Результаты, выраженные в ОЕ, можно сравнивать между собой только для тестов одной марки, при этом сама лаборатория и время анализа роли не играют, то есть можно отслеживать динамику изменения уровня антител у одного человека.
Чтобы понять, нужна ли вакцина и подействовала ли она, достаточно измерить уровень антител? Какой нужен для ковида?
К сожалению, все немного сложнее. Антитела отвечают за гуморальный иммунитет — и это только лишь часть нашей иммунной системы. Помимо гуморального, есть еще клеточный иммунитет, работа которого не зависит от уровня антител. При защите от разных инфекций разные звенья иммунитета играют неодинаковые роли. В каких-то случаях ведущую роль имеет гуморальный иммунитет и антитела (например, в случае гепатита В, гриппа, столбняка и многих других инфекций). В других случаях — ведущая роль у клеточного иммунитета, например, при туберкулезе. По новой коронавирусной инфекции пока слишком мало данных, чтобы делать выводы о важности каждого из звеньев иммунитета и необходимом уровне антител. То есть даже если вы сделаете тест на антитела, эта информация практически ничего не даст по ряду причин.
Если вы еще не вакцинировались и тест на антитела будет положительным, что говорит о перенесенной инфекции в бессимптомной форме, это все равно не является противопоказанием к вакцинации. Мы не знаем, какова продолжительность естественного иммунитета, так что вакцина может продлить или усилить защиту.
Если вы делаете тест на антитела после вакцинации, сейчас нет надежных данных, с которыми можно было бы соотнести полученные результаты и сделать вывод о том, подействовала ли вакцина. Другими словами, пока никто не знает, сколько должно быть антител после вакцинации, чтобы гарантировать надежный уровень защиты. Плюс уровень антител ничего не говорит о состоянии клеточного иммунитета, а он тоже может быть очень важен для защиты.
Если вы наблюдаете за динамикой концентрации антител после вакцинации и видите ее снижение, это еще не говорит о снижении уровня защиты. Как мы выяснили выше, падение концентрации антител в крови с течением времени — это нормальное явление, а долговременную защиту обеспечивает иммунологическая память, которая с концентрацией антител не связана.
Не все антитела одинаково полезны
Для характеристики антител важно понимать их класс, тип и с каким антигеном они связываются.
Антитела бывают разных классов (A, M, G, E и др.). Основной класс защитных антител — G, в лабораторных исследованиях и тестах их обычно обозначают IgG. Наличие этих антител в крови говорит о наличие иммунитета после вакцинации или перенесенного заболевания. IgM — тоже защитные антитела, которые начинают вырабатываться первыми, раньше, чем IgG. Обычно IgM менее эффективны, чем IgG, и почти полностью исчезают к концу заболевания. Наличие этих антител обычно указывает на еще протекающее, или совсем недавно перенесенное заболевание, или на хроническую инфекцию. То есть, если нас интересует устойчивый иммунитет, в тестах ищем IgG.
Если антитело связывается с каким-то белком на поверхности вируса или бактерии, это далеко не всегда означает, что бактерия и вирус становятся после этого полностью безвредными. Например, вирус может использовать другой участок поверхностного белка для проникновения в клетку, не тот, с которым связалось антитело. Антитела, которые связываются с патогенами, но не подавляют их опасность, называют связывающими. Если же связывание антитела полностью «обезвреживает» микроб, «нейтрализует» его опасное влияние, такое антитело называют нейтрализующим. Связывающие антитела нельзя назвать полностью бесполезными — прикрепляясь к вирусу или бактерии, такие антитела делают их более заметными для клеток иммунной системы и ускоряют реакцию иммунитета. Но именно нейтрализующие антитела, которые могут самостоятельно обезвреживать опасные микробы, обеспечивают основную защиту, и именно их уровень важен при оценке вакцинного или естественного иммунитета. То есть в анализах нам нужно искать нейтрализующие IgG.
И, наконец, антиген. Как мы разбирали выше, антитела обладают очень высокой специфичностью и связываются только с определенными белками. Когда иммунная система, столкнувшись с инфекцией, подбирает нужное антитело, она чаще всего начинает синтезировать сразу несколько разных видов, нацеленных на разные белки возбудителя. Ведь клетки, синтезирующие антитела, получают для анализа разные кусочки полупереваренного микроба — и поверхностные, и внутренние белки — и для каждого из них ищут антитело. Для эффективной защиты важны именно те антитела, которые связываются с белками на поверхности вируса или бактерии. Ведь антитела — это крупные молекулы, которые не могут поникать внутрь вирусных частиц или бактерий, для них доступны только поверхностные белки. Именно поэтому защитный иммунитет в первую очередь обеспечивают антитела к поверхностным антигенам. Например, в случае коронавирусной инфекции вырабатывается как минимум 2 вида антител — к S-белку (который на поверхности вирусной частицы) и к N-белку (он же нуклеокапсидный белок, который находится внутри вирусной частицы). Так как до N-белка антитела добраться не могут, защиту будут обеспечивать именно антитела к S-белку. То есть, если вы все же хотите определить уровень защитных антител после прививки от ковида, нужно искать тест на нейтрализующие IgG к S-белку.