Антиген что это такое в крови
Группа крови
Под группами крови понимают различные сочетания антигенов эритроцитов (агглютиногенов).
Антигены групп крови расположены на внешней поверхности мембраны эритроцитов и являются генетическими признаками, наследуемыемыми от родителей и не изменяющимися в течение жизни (могут изменяться только при патологических состояниях).
На сегодняшний день известно около 270 антигенов эритроцитов, которые образуют 26 систем антигенов группы крови. Важное значение имеют наиболее иммуногенные (иммуногенность — способность вызывать осложнения после переливания компонентов крови) антигены, в первую очередь систем АВ0, Rh (Резус), Кеll и др.
Фенотип антигенов эритроцитов человека включает в себя набор антигенов разных систем групп крови, расположенных на поверхности эритроцитов. Этот набор для каждого человека индивидуален. Поэтому при переливании крови и эритроцитарной массы необходимо учитывать совместимость не только по эритроцитарным антигенам систем АВ0 и Резус, но и по антигенам других систем.
Группа крови системы АВ0
Система АВ0 — первая эритроцитарная система антигенов — открыта венским ученым Карлом Ландштейнером в 1900 г. Чуть позднее, в 1907 г, и независимо от Ландштейнера чешский врач Ян Янский пришел к заключению о существовании четырех групп крови. С этого времени и по сей день определение групп крови по данной системе основывается на наличии в эритроцитах группоспецифических антигенов (0,А,В), а в сыворотке — изоиммунных антител — анти-А (α — устаревшее название) и анти-В (β — устаревшее название).
Группоспецифические антигены — 0, А, В – генетически обусловлены. Один из трех аллельных генов передается от матери, другой — от отца. Различные сочетания этих антигенов и антител образуют четыре группы крови. В нашей стране, как и в некоторых других, принято буквенно-цифровое обозначение групп крови — 0 (I), А (II), В (III), АВ (IV). Группа крови в течение всей жизни не меняется. Уникальность системы АВ0 состоит в том, что в плазме у людей имеются естественные антитела к отсутствующему на эритроцитах антигену.
Следует отметить, что существуют различные виды (слабые варианты) как антигена А (в большей степени), так и антигена В. Наиболее часто встречаются виды антигена А – А1 и А2.
Частота встречаемости групп крови по системе АВ0 различна у разных народов и зависит от частоты распространения соответствующего фенотипа. Частота встречаемости групп крови (среднеевропейская популяция): 0 (I) — 43%, А (II) — 42%, В (III) — 11%, АВ (IV) — 4%. У жителей азиатских стран антиген 0 встречается реже, а у народов Севера, аборигенов Полинезии, Австралии и индейцев Южной Америки значительно чаще, чем у жителей Европы. По мере продвижения с запада на восток уменьшается встречаемость антигена А и возрастает частота антигена В.
Группа крови системы Резус
Система антигенов Резус представлена 6 антигенами, которые наследуются и не меняются в течение всей жизни. После антигенов АВ0 система антигенов Резус имеет наибольшее значение в клинической практике. Антигены системы резус встречаются со следующей частотой: Д – 85 %; С – 70 %; с – 80 %; Е – 30 %; е – 97,5%. Антигены системы резус обладают способностью вызывать образование иммунных антител. Наиболее активным в этом отношении является антиген Д, который и подразумевается под термином «резус – фактор». Именно по наличию или отсутствию антигена Д все люди делятся на резус – положительных и резус – отрицательных.
Иммуногенность других антигенов системы резус существенно ниже и убывает в следующем ряду: с > Е > C > е. Обладая выраженными иммуногенными свойствами, антиген D в 95 % случаев является причиной гемолитической болезни новорожденных при несовместимости матери и плода, а также частой причиной посттрансфузионных осложнений.
Доноры, на эритроцитах которых отсутствует антиген Д, но присутствует один из антигенов С или Е, считаются резус – положительными.
В системе Резус встречаются случаи отсутствия на эритроцитах какого-либо из антигенов и очень редко – полное отсутствие всех антигенов системы резус (фенотип Rh – ноль).
Из-за сложной структуры антигенов системы резус существует возможность возникновения трудностей при определении резус – принадлежности крови человека. Не правильное определение резус – принадлежности может привести к развитию осложнения после переливания компонентов крови, несовместимых по антигенам Резус.
Частота резус-положительных лиц достигает среди европейцев 85%, а среди монголоидов — 99%.
Другие системы групп крови:
Система антигенов Kell
В настоящее время насчитывается 24 антигена системы Kell, наибольшее клиническое значение имеет антиген К из-за высокой иммуногенности. Антиген К был открыт в 1946 году, частота встречаемости 7 – 9 %. Иммуногенная активность антигена К несколько ниже активности антигенов Резус. Сенсибилизация к фактору К может явиться причиной гемолитического трансфузионного осложнения или гемолитической болезни новорожденных, а также аутоиммунной гемолитической анемии. В настоящее время скрининг на антиген К проводится у всех доноров и при его наличии эритроцитная масса передается в относительный брак.
Система антигенов МNSs
Открыта в 1927 году, в настоящее время насчитывает 38 антигенов. Наибольшее клиническое значение имеют антигены N и S.
Система антигенов Р
Р антиген является антигеном высокой встречаемости — 80 %. Описано только два случая отсроченных осложнений после переливания крови, несовместимой по данному антигену.
Система антигенов Лютеран
Насчитывает 20 антигенов, наиболее изучены имеющие клиническое значение антигены Lua и Lub, так как они могут явиться причиной посттрансфузионной реакции и гемолитической болезни новорожденных (в легкой форме).
Система антигенов Льюис
Включает 4 антигена — Lеa, Lеb, Lec и Lеаb. Льюис антитела не вызывают развитие гемолитической болезни новорожденных и редко являются причиной посттрансфузионной реакции. В последние годы установлено, что антиген Льюис участвует в воспалительном процессе. Лица с фенотипом Lea-b- имеют дефект противоинфекционной резистентности, а так же обладают повышенным риском к возникновению ишемической болезни сердца (ИБС). У мужчин с фенотипом Lea-b- зарегистрировано повышение индекса массы тела, увеличение частоты заболеваемости сахарным диабетом.
Система антигенов Даффи
Система антигенов Кидд
Включает 2 антигена, антитела к антигенам этой системы имеют клиническое значение, вызывают посттрансфузионные осложнения немедленного или отсроченного типа.
Система антигенов Диего
Малоизученная система эритроцитарных антигенов. Известно два аллельных антигена Dia и Dib. Для европоидов антиген в гемотрансфузионном отношении не имеет большого значения, т. к. отсутсвует практически у всего белого населения.
Часто встречающиеся (общие) и редко встречающие эритроцитарные антигены:
К часто встречающимся относятся антигены (Vel, Ge, Lan, San и др.), частота выявления которых около 100%. Практически не имеют какого-либо значения для гемотрансфузий.
Редко встречающиеся эритроцитарные антигены — Wpa, Bi, By, Ba. Значение таких антигенов в практической трансфузиологии незначительно, поскольку повторных гемотрансфузий, несовместимых по этим антигенам, ничтожно мало.
Антитело: лучший способ распознать чужого
Универсальная структура антитела позволяет распознавать не только чужеродные, но и собственные молекулы организма, а также передавать различные сигналы между клетками
Автор
Редакторы
Процесс связывания антигена с антителом состоит из множества этапов. Организму нужно создать разнообразные антитела, научить их отличать свои антигены от чужих, отобрать лучшие варианты и заставить клетки их массово производить. И это только начало иммунного ответа: связывание с антигеном влечет за собой длинную цепь молекулярных и клеточных взаимодействий, приводящих к уничтожению врага. Мы попробуем описать сложную жизнь антител в организме, поговорим о разных видах антител (не только у человека) и о том, как люди научились использовать оба свойства антител — узнавать чужого и запускать иммунный ответ — в научных и медицинских целях. Эта статья — вторая в цикле работ, посвященных терапевтическим антителам.
Терапевтические антитела
Спецпроект об антителах, истории их изучения, методах работы с ними, а также о применении антител в современной медицине и биотехнологии.
Партнер спецпроекта — Департамент вычислительной биологии одной из крупнейших российских биотехнологических компаний — BIOCAD. BIOCAD заслужил серьезные позиции на мировом фармацевтическом рынке благодаря выпуску лекарственных препаратов на основе антител.
Эта статья — вторая в цикле работ о терапевтических антителах. Первый текст был посвящен истории изучения антител и введения их в медицинскую практику [1]. По результатам сотни лет исследований мы знаем, что антитела — это молекулы, которые производятся В-лимфоцитами (В-клетками). Они обладают постоянной (константной) и изменяющейся (вариабельной) частями и умеют, с одной стороны, распознавать антиген, а с другой — активировать клетки иммунной системы и запускать иммунный ответ. Попробуем подробнее разобраться, откуда появляются антитела и как они живут в организме до и после встречи с антигеном.
Как узнать чужого
Иммунная система — это система охраны организма от внешних вторжений, например, паразитов (о том, как она работает, подробно рассказано в статье «Иммунитет: борьба с чужими и. своими» [2]). Для того, чтобы быстро обнаружить нарушителя порядка, необходимы дозорные — молекулы, которые смогут его распознать и отличить от собственных клеток. Если у группы паразитов есть какой-нибудь общий и неизменный отличительный признак, это существенно упрощает задачу. Примером могут служить бактерии, чьи жгутики по строению принципиально отличаются от эукариотических: они состоят из белка флагеллина, который в нашем организме не встречается. В таком случае нам достаточно иметь всего одну молекулу, распознающую флагеллин, и она будет сигнализировать о присутствии любой бактерии со жгутиком.
Значения терминов, выделенных полужирным шрифтом, можно посмотреть в «Словарике» в конце статьи.
Иммунная система человека делится на две большие ветви — врожденный и приобретенный (адаптивный) иммунитеты, — за изучение которых в 2011 году была вручена Нобелевская премия [3]. Врожденный иммунитет способен защищать организм сразу же, как только в того проник патоген. Приобретенный же иммунный ответ разворачивается намного дольше, однако действует более изощренно и, кроме того, быстро активируется при повторном контакте с врагом. Врожденный иммунитет можно сравнить со стремительным авангардом, который в случае серьезной угрозы зовет на помощь основные силы организма — приобретенный иммунитет. — Ред.
Но что делать, если в организм попал паразит без РАМР? Или даже не весь паразит целиком, а отдельные его части или продукты обмена? Нужно создать систему, которая не будет заточена на узнавание набора молекул, а сможет точечно опознать практически любую незнакомую молекулу и запустить иммунные реакции. Такую молекулу, которая может вызвать в организме иммунный ответ, называют антигеном.
Антигеном может стать далеко не любая молекула. Для того чтобы иммунитет на нее отреагировал, должны выполняться два важных условия. Первое — чужеродность. Молекула должна быть незнакомой, то есть непохожей на собственные молекулы организма. Пусть у нас есть белок — последовательность аминокислот. В опухолевой клетке белок мутирует, и аминокислоты заменяются на другие. Чем больше таких аминокислотных отличий от исходной молекулы, тем сильнее иммунный ответ, который вызовет такой белок. А если это не собственный белок, а чужой, не имеющий аналогов в организме, то ответ будет максимальным.
Аминокислоты, распознаваемые антителом, могут находиться как друг за другом, так и в разных участках белка. Последовательно расположенные аминокислоты образуют линейный антиген. Если же аминокислоты расположены далеко, то они могут сближаться, так как белки находятся, как правило, в свернутом состоянии (так называемые вторичная и третичная структуры). При этом возникает конформационный антиген (рис. 1).
Рисунок 1. Линейные и конформационные антигены. Конформационные антигены доступны для связывания только в интактном белке; при денатурации они исчезают. Линейные антигены присутствуют в любом белке, но денатурация делает некоторые из них доступными.
Чужеродность зависит еще и от того, с какими собственными молекулами иммунная система встречалась раньше [2]. Если, например, какой-нибудь белок находится в глазном яблоке, где нет кровеносных сосудов, то у иммунной системы нет возможности с ним познакомиться и узнать, что он свой. При повреждении глазного яблока белок может попасть в кровоток, и тогда иммунная система распознает его как чужой. Собственные антигены организма называют аутоантигенами в противоположность чужим — аллоантигенам. Когда иммунная система реагирует на аутоантигены, развиваются аутоиммунные заболевания (На «Биомолекуле» есть спецпроект, посвященный тому, почему такие заболевания возникают, и как их лечить).
Второе условие, необходимое, чтобы молекула стала антигеном, — иммуногенность (рис. 2). Иными словами — иммунная система должна иметь возможность встретиться с молекулой и ее распознать. Поэтому, например, антигенами не могут быть мел или масло — они просто не растворяются в воде. Еще антигеном не может быть очень маленькая молекула, например, отдельно взятая аминокислота — ее сложно уловить в растворе, она не свяжется прочно с антителом. Поэтому, например, для белков минимальный размер антигена — от 7 аминокислот. Но многие вещества (например, отдельные металлы) могут стать антигенами, если связаны с белком. В таком случае белок называют носителем: он «отвечает» за то, чтобы иммунная система смогла встретиться с новым веществом, а сам антиген — гаптеном: он «отвечает» за специфичность связывания. Используя носители, можно вызвать иммунный ответ на самые разные вещества, например, анилин [4] или никель [5].
Напротив, большие молекулы хорошо вызывают иммунный ответ: чем длиннее молекула, тем больше в ней участков, которые можно узнать — эпитопов. Также иммуногенность зависит от жесткости структуры — если молекула будет постоянно изменять структуру, то не получится уловить конкретный эпитоп. Поэтому, например, желатин (длинные нити) практически не вызывает иммунный ответ, если его искусственно не стабилизировать. Наконец, чтобы обладать иммуногенностью, антиген должен напоминать по структуре собственные молекулы организма. Это связано с тем, что клетки иммунной системы периодически поглощают антигены, расщепляют их и «демонстрируют» друг другу (см. ниже). А чтобы антиген было легко переварить, он должен быть похож по структуре на собственные молекулы или на молекулы, которыми питается организм, — для них в клетках есть расщепляющие ферменты. Таким образом, в большинстве случаев антигены — это белки или углеводы, в то время как остальные молекулы (например, полиэтилен или другие небиологические полимеры) вызывают иммунный ответ реже и слабее.
Рисунок 2. От чего зависит иммуногенность антигена? Каждое антитело специфично к одному эпитопу и может реагировать на близкие к нему по строению эпитопы. Чем больше эпитопов на молекуле и чем выше их разнообразие, тем сильнее иммунный ответ на антиген.
Итак, чтобы сигнализировать о патогене, необходима молекула, распознающая небольшие отличия в белках и углеводах и активирующая клетки иммунной системы. Такими молекулами служат антитела, или иммуноглобулины (Ig).
Как устроено антитело
Антитела — это растворимые белки, которые производят В-лимфоциты. У незрелых или покоящихся В-клеток на мембране закреплен предшественник антитела — В-клеточный рецептор, посредством которого В-клетка определяет присутствие антигена. И антитела, и В-клеточные рецепторы построены по одному принципу (рис. 3). Это белки, которые состоят из четырех аминокислотных последовательностей (цепей): двух тяжелых (H-цепи) и двух легких (L-цепи), прочно соединенных дисульфидными связями попарно и между парами. Два конца тяжелых цепей образуют константную часть; она не создает разнообразия и бывает всего нескольких типов. Антитела с одинаковой константной частью составляют один изотип или класс. Самые распространенные изотипы: IgG, IgM, IgD, IgA и IgE. Константная часть определяет, как антитело будет взаимодействовать с клетками или другими антителами:
С другого конца антител находится вариабельная часть, обеспечивающая их разнообразие. Концы легких и тяжелых цепей образуют две одинаковые ямки — антигенсвязывающие участки. Антитела, несущие одинаковые вариабельные части, составляют один идиотип (и могут связывать один и тот же антиген). Антитела разных идиотипов связывают разные антигены благодаря различию в форме и зарядах антигенсвязывающих участков. Можно представить себе антитело как туфельку, которая должна найти свою Золушку. Собственно отверстие туфельки — это антигенсвязывающий участок, куда помещается нога (антиген) претендентки, а константная часть — каблук, за который ее может ухватить принц (иммунная клетка).
Рисунок 3. Строение и типы антител. 1. Схема строения антитела. Две тяжелые цепи находятся внутри молекулы, две легкие — снаружи. Все они сшиты друг с другом дисульфидными мостиками (S-S). 2. Изотипы антител. Они определяются типом константной части. Некоторые изотипы могут образовывать димеры (IgA) и пентамеры (IgM) с помощью соединительной цепи (joining chain).
Антитела производят В-лимфоциты (или В-клетки). Каждый В-лимфоцит синтезирует свой идиотип антитела. Всего в нашем организме существует около миллиона типов В-клеток. У каждого человека этот миллион немного разный: это зависит не только от отличий в генах иммуноглобулинов, но и от того, как антитело формируется и какие антитела отбирает для себя организм (подробнее об этом можно прочитать в статье «Анализ индивидуальных репертуаров Т-клеточных рецепторов» [6]). Откуда берется такое разнообразие антител, учитывая, что ДНК во всех клетках организма изначально одинаковая, а генов иммуноглобулинов — ограниченное количество?
Как добиться разнообразия
В геноме человека содержится несколько кластеров генов, кодирующих иммуноглобулины, — по одному кластеру для каждой цепи (тяжелой и легкой). Цепи состоят из следующих частей: константная (неизменная), вариабельная (V — variable) и связывающая их (J — joining). В тяжелой цепи между участками V и J есть дополнительная, «разнообразная» часть (D — diversity). Кластер генов содержит множество сегментов — вариантов V, D и J-частей. Из них каждая молодая В-клетка случайным образом отбирает себе по одному, создавая уникальную последовательность антигенсвязывающих участков. Этот процесс называют рекомбинацией генов иммуноглобулинов, или V(D)J-рекомбинацией (рис. 4).
Происходит это следующим образом. Все сегменты окружены специальными сигнальными последовательностями нуклеотидов (recombination signal sequences, RSS). Между каждыми двумя V-сегментами расположен набор из 7, 23 и 9 нуклеотидов. Между каждыми двумя J-сегментами — из 9, 12 и 7. Рекомбинация происходит с участием ферментов RAG: они связываются случайным образом с одной из RSS между V-сегментами и с другой — между J-сегментами. Последовательности из 7 и 9 нуклеотидов комплементарны друг другу, поэтому образуется шпилька, в середине которой — все промежуточные, ненужные V- и J-сегменты. Ферменты катализируют образование разрывов в ДНК, вырезая шпильку. При этом два сегмента до и после шпильки соединяются. Таким образом, клетка отрезает «ненужные» части от своей ДНК, оставляя последовательность иммуноглобулина из константной части и по одному V-, D- (в тяжелой цепи) и J-сегменту. Это первый этап, на котором возникает разнообразие. Учитывая, что V- и J-сегментов содержится в геноме по нескольку десятков (а в тяжелой цепи добавляется еще и около десяти D-сегментов), в результате рекомбинации можно образовать тысячи вариантов цепей.
Рисунок 4. Рекомбинация генов иммуноглобулинов, первый этап. Сегменты в каждой группе обозначены цифрами — V1, V2, V3, J1, J2 и так далее. Нонамер (9 нуклеотидов) и гептамер (7 нуклеотидов) — сигнальные последовательности нуклеотидов, комплементарные друг другу. Их связывание друг с другом позволяет образовать кольцо. Таким образом остаются соединены только один из V- и один из J-сегментов.
иллюстрация Елены Беловой по книге Ярилина А.А. Иммунология («ГЭОТАР-Медиа», 2010)
В-клетка может переключаться с одного изотипа антитела на другой, меняя его константную часть. Происходит это с помощью механизма, похожего на рекомбинацию. Гены, кодирующие константную часть, расположены друг за другом (M, D, G, A, E) и разделены S-последовательностями (от switch — переключение). Следовательно, можно соединить две S-последовательности с образованием шпильки и вырезать то, что между ними. Таким образом, переключение изотипов оказывается необратимым: если один раз вырезать участок, кодирующий, например, константную цепь типа G, вернуть его обратно не получится.
У развивающейся В-клетки иммуноглобулин изначально относится к классу М и прикреплен к мембране в составе B-клеточного рецептора (BCR). Этот рецептор нужен, чтобы сортировать В-клетки и избирательно активировать только те, чье антитело подходит для борьбы с конкретным патогеном. Только после активации клетка начинает производить антитело и выбрасывать его в окружающую среду. Таким образом, каждая В-клетка может производить и антитела, и В-клеточные рецепторы одинаковой специфичности. Это две молекулы, очень похожие по строению, но разные по функциям, которые не стоит путать. Кроме того, в организме человека есть и еще одна молекула, похожая по строению на антитело — Т-клеточный рецептор. Она находится на поверхности Т-лимфоцитов и тоже нужна для распознавания антигена. Но это уже совсем другая история — о взаимодействии Т-лимфоцитов с клетками организма [7].
Как работает антитело
Допустим, перед нами уже активированная В-клетка, которая производит и выделяет антитела. Куда им отправиться на поиски антигена? Здесь возможно несколько вариантов.
Растворимые антигены можно встретить свободно плавающими в крови. Это могут быть частички покровов патогена, продукты его обмена веществ или испорченные белки собственного организма — например, мутировавшие, как в случае раковых клеток, или неправильно свернутые. Последствия встречи антитела с растворимым антигеном могут быть разными.
Поверхностные антигены ждут антитела на мембранах клеток. Это могут быть клетки бактерий или собственные клетки человека, например, пораженные вирусом. В случае бактерий антитела тоже могут блокировать работу антигена (например, если прилипнут к белкам бактериального жгутика, — тогда бактерия не сможет передвигаться) или служить опсонином. На антитело, связанное с клеткой, снова реагирует комплемент — в результате каскада реакций в мембране образуются сквозные каналы, и клетку буквально превращают в решето. Кроме того, «черная метка» служит сигналом для иммунных клеток, запуская фагоцитоз или выделение токсичных веществ (рис. 5) [8].
Рисунок 5. Разнообразие функций антител. Помимо прямой — связывания с мишенью, — антитела обладают также набором других функций. Они активируют комплемент и иммунные клетки, направляя их действие на мишень, а в медицине и молекулярной биологии могут использоваться как специфические транспортеры веществ.
Презентация антигена
Кроме того, в организме есть клетки-шпионы, их называют антигенпрезентирующими клетками. К ним относятся специализированные клетки в тканях (дендритные клетки), а также макрофаги и В-клетки. Они несут на поверхности комплекс МНС II типа (МНС II), с которым связаны фрагменты белков, захваченных клеткой из окружающей среды. Клетки-шпионы постоянно поглощают вещества извне, пропускают их через протеасому и так же выставляют на поверхность. Это уже не опись имущества, а настоящий донос — «а я видел, тут мимо проплывал. ». Сами по себе антитела не узнают антигены, связанные с МНС. Зато их отлично узнают родственные антителам Т-клеточные рецепторы, что позволяет им атаковать клетки, демонстрирующие необычные белки (на МНС I) и активироваться при «доносе» о необычных белках (на МНС II) (рис. 6) [9].
Рисунок 6. Функционирование комплексов МНС. а — Комплекс МНС I связывается с расщепленными фрагментами внутриклеточных белков. Он презентирует антиген Т-киллерным лимфоцитам. Если антиген Т-киллеру не знаком, значит, в клетке находятся вирусные или мутировавшие (опухолевые) белки, и клетка подлежит уничтожению. б — Комплекс МНС II соединяется с фрагментами белков, поглощенных извне (экзогенных). Он презентирует антиген Т-хелперным лимфоцитам. Когда они узнают «свой» антиген, они активируются и могут, в свою очередь, активировать Т-киллера или В-клетку.
Жизнь антител в организме
Теперь соберем весь пазл вместе. Проследим за жизнью В-лимфоцитов и их антител с самого начала. Молодые В-клетки развиваются в красном костном мозге. Там, под действием окружающих клеток соединительной ткани, каждой В-клетке предстоит сформировать свое собственное антитело.
Как мы уже писали выше, В-клетки умеют создавать множество уникальных генов иммуноглобулинов. Но не все эти гены будут рабочими — где-то возникнут поломки из-за многочисленных разрезов и перестроек, где-то итоговый белок не сможет принять правильную структуру. Следующая веха в жизни В-клетки — проверка профпригодности антител. Сначала В-клетка перестраивает ген тяжелой цепи на одной из двух хромосом. Потом синтезирует соответствующие белковые цепи, собирает из них псевдоантитело (вместо легких цепей в нем суррогатные цепи) и выставляет его на мембрану. Если все прошло успешно, то антитело с поверхности клетки посылает сигнал, блокирующий дальнейшую перестройку тяжелой цепи и программу апоптоза — механизма клеточного самоубийства, при котором клетка расщепляет себя изнутри. Если псевдоантитело по каким-то причинам собрать не удалось, запускается перестройка генов на второй хромосоме. Если и со второй попытки не удается сделать рабочую цепь, включается программа апоптоза, и клетка гибнет. Если же тяжелая цепь собрана правильно, у клетки есть две попытки сформировать работающую легкую цепь. Как только иммуноглобулин полностью собран, он появляется на мембране В-лимфоцита, и перестройка генов заканчивается. Теперь у клетки появилось свое уникальное антитело и своя специфичность.
После того, как В-лимфоцит собрал свое антитело, он проходит через строгий отбор (селекцию). Цель его — уничтожить клетки, которые реагируют на собственные антигены организма и могут вызвать аутоиммунную реакцию. А таких среди молодых В-лимфоцитов до 75%! Селекция устроена следующим образом: вокруг В-клеток в красном костном мозге сидят поддерживающие клетки, каждая из которых «показывает» В-клеточному рецептору свои антигены. Каждое связывание В-клеточного рецептора с антигеном посылает в клетку сигнал, стимулирующий апоптоз. В то же время, на поверхности В-клеток есть рецепторы к белкам BAFF и APRIL, которые тоже находятся на поддерживающих клетках. Через рецепторы к BAFF и APRIL поступает сигнал, запрещающий апоптоз. Но этих рецепторов довольно мало. Поэтому, если В-клетка хорошо связывает антигены на окружающих клетках, то проапоптотических сигналов становится больше, чем противоапоптотических, и клетка погибает. А если она связывает антигены плохо или не связывает вообще, то сигналов от BAFF и APRIL рецепторов достаточно для ее выживания. При условии, что селекция работает нормально, из всего разнообразия В-клеток и их антител выживают только те, которые узнают что-то, отличное от собственных молекул организма (рис. 7).
Рисунок 7. Схема развития В-клеток. Прежде чем зрелая В-клетка будет готова синтезировать антитела, она проходит многоэтапную селекцию. Это нужно, чтобы отсеять нерабочие и опасные для организма варианты антител.
Молодая В-клетка плавает с током крови по организму до тех пор, пока не встретит свой антиген. В-клеточный рецептор (BCR) связывается с антигеном, но этого недостаточно для активации. Нужно, чтобы иммунная система официально подтвердила — да, этот антиген действительно опасен. Поэтому В-клетка поглощает комплекс ВCR—антиген, разрезает антиген на части и выставляет их на поверхность в составе комплекса МНС-II. Тем самым она сигнализирует о том, что может создать антитело к вот такому антигену.
В это же время по организму путешествуют Т-хелперные лимфоциты, клетки-помощники. У них есть Т-клеточный рецептор, тоже специфичный к конкретному антигену. Для выполнения своих функций Т-хелперам надо активироваться. Это происходит при встрече с антигенпрезентирующей клеткой, несущей в составе MHC-II антиген, подходящий к Т-клеточному рецептору. Антигенпрезентирующими клетками могут быть как «профессионалы» (дендритные клетки), так и сами В-клетки. Проконтактировав с ними, Т-хелпер получает сигнал тревоги и активируется. Теперь он «знает», что в организме есть такой антиген, и способен активировать В-клетку, если они встретятся. Почему Т-хелпер не может сразу в ответ активировать В-лимфоцит, если он сам выступает в роли антигенпрезентирующей клетки? Контакт с антигенпрезентирующей клеткой протекает очень быстро, а Т-хелперу требуется время, чтобы синтезировать необходимые для активации вещества, поэтому он просто не успевает это сделать и уходит в поисках других подходящих В-клеток. Долгожданная встреча обычно происходит в лимфатических узлах или более крупных лимфоидных органах — красном костном мозге и селезенке. В-клетка показывает с помощью МНС-II антиген, который она способна узнать. Т-хелпер связывается с этим антигеном, «подтверждая», что это тот самый опасный антиген, который уже встречался в организме, и активирует В-клетку (рис. 8) [10].
Рисунок 8. Схема встречи В-клетки и активированного Т-хелпера. В-клетка связывает антиген с помощью рецептора (BCR), поглощает его и выставляет в составе МНС-II. Активированный Т-хелпер связывается с МНС с помощью молекулы CD4 и узнаёт антиген своим Т-клеточным рецептором (TCR). Затем Т-хелпер выделяет интерлейкины (IL2/4/5), которые связываются с соответствующими рецепторами (ILR) на В-клетке и активируют ее.
Затем происходит процесс усовершенствования антител — соматический гипермутагенез. В-лимфоцит делится, образуя клон — группу клеток, производящих одинаковые антитела. Клетки клона получают шанс сделать антитело, которое еще лучше связывается с их антигеном, чем предыдущая его версия. При этом клетки случайным образом заменяют нуклеотиды в вариабельных частях гена иммуноглобулина, создавая разнообразные вариации на тему исходного антитела, точнее, его антигенсвязывающей части. Те из них, которые будут распознавать антиген лучше всего, получат сигнал к делению, и образуют окончательный В-клеточный клон. Все клетки клона способны производить один и тот же идиотип (с одинаковой вариабельной частью), но могут переключаться между изотипами (изменять константные части) в зависимости от условий. Большинство из клеток клона превращаются в плазматические клетки. Они перестают производить В-клеточный рецептор и начинают выделять полноценные растворимые антитела. Антитела попадают в кровь, разносятся по организму и связываются с антигеном. Где-то они просто его обезвреживают и в составе иммунных комплексов выводятся из организма. Где-то они работают опсонинами («черными метками») и активируют другие клетки иммунной системы.
После успешного иммунного ответа польза антител для организма не заканчивается. Часть клеток клона становится клетками памяти, они не участвуют в первичном иммунном ответе. Зато при повторной встрече с антигеном они помогут развить вторичный иммунный ответ. Им уже не понадобится искать «своего» Т-хелпера: при первой же встрече с антигеном они начинают производить антитела. Поэтому вторичный иммунный ответ развивается быстрее первичного и работает эффективнее. На этом основан эффект вакцинации — мы знакомим организм с новыми антигенами. Их можно вводить в составе убитого или ослабленного возбудителя заболевания или в виде отдельных молекул. Но принцип остается одним — мы вводим в организм антиген, он запускает иммунный ответ. Первичный ответ, как правило, будет слабым, так как антигена немного и он не вредит организму, но при этом формируется пул клеток памяти. И если через какое-то время приходится иметь дело с настоящим живым патогеном, то развивается вторичный ответ.
На измерении количества (титра) антител в крови основана диагностика многих заболеваний. Например, если мы хотим выяснить, есть ли в организме человека какая-нибудь бактерия, можно проверить кровь на антитела к ее ключевым антигенам. По количеству и типу антител мы можем сказать, насколько тяжело протекает заболевание и давно ли оно началось (в первичном ответе сначала участвуют IgM, потом IgG, во вторичном — в основном IgG, и их гораздо больше).
Какие еще бывают антитела
Можно представить себе антитело как конструктор: изменяя отдельные части молекулы, мы можем влиять на ее функцию. Изменится вариабельная часть — она станет специфична к другому антигену, изменится константная — ее станут узнавать другие иммунные клетки, и она сможет работать в других условиях (например, IgA — в слизистой оболочке). Этот принцип работает у всех позвоночных животных [11], и некоторые из них даже разработали полезные дополнения к этому конструктору, которые стоит взять на заметку [12].
У птиц репертуар антител менее разнообразен, чем у нас. В частности, у них нет отдельно взятых антител класса G и Е, зато есть промежуточный класс, сочетающий свойства и тех и других — IgY (Y — от yolk, «желток», поскольку этих антител много в яичном желтке). Молекулы IgY чуть тяжелее, чем наши IgG, и более жесткие. Зато их константную часть могут распознавать рецепторы и к IgG, и к IgЕ [13]. Если мы научимся создавать вакцины на основе куриных антител, то они будут лучше стимулировать иммунный ответ. И использовать их будет просто: берем курицу, заражаем ее каким-то патогеном (или просто его антигеном), а она откладывает нам яйца, богатые IgY, специфичным к этому патогену. Этот метод предполагают использовать для лечения разных воспалительных процессов, в том числе бактериальных инфекций. На данный момент он проходит клинические испытания, но конкретные препараты пока не разработаны.
Коровы пошли по пути удлинения антител. В их желудке обнаружены иммуноглобулины М со своеобразной «ручкой» — дополнительным отделом вариабельной части. Каждая «ручка» специфична к своему вирусному антигену. Полагают, что это уникальное изобретение жвачных для защиты пищеварительной системы. В их желудке пища задерживается надолго для переваривания желудочной микрофлорой. И для защиты этой микрофлоры от патогенов сформировались антитела с ручкой, которые могут дотянуться до эпитопов, спрятанных глубоко внутри молекулы антигена. Можно предположить, что, пришивая такую ручку к нашим иммуноглобулинам, мы сможем повысить их разнообразие, и они начнут связываться с эпитопами, до которых раньше не доставали. Но это пока теоретические размышления, до практических применений должно пройти еще немало времени.
А вот верблюды, сумчатые млекопитающие и хрящевые рыбы используют обратную стратегию — уменьшение антител (рис. 9). Среди их иммуноглобулинов есть фракция молекул, лишенных легких цепей, — их назвали HCAb (heavy chain antibody). Антигенсвязывающий участок у них образован только тяжелой цепью. Это легкое антитело оказалось очень выгодным, не зря оно появлялось в эволюции позвоночных несколько раз независимо. С одной стороны, оно легче, поэтому лучше путешествует по организму и выводится почками. С другой стороны, антигенсвязывающий участок меньше, поэтому может проникать, например, в активные центры ферментов. При этом антитело не только опсонизирует фермент, но и блокирует его работу. Это свойство ученые собираются использовать для борьбы против онкологических заболеваний. Можно от антитела верблюда отрезать константную часть, оставив только вариабельную — получится совсем маленькое нанотело. С помощью него можно, например, избирательно блокировать факторы роста раковых клеток [14], [15].
Рисунок 9. Необычные антитела у животных. Иммуноглобулины верблюда состоят из одних лишь тяжелых цепей (слева) а иммуноглобулин коровы несет дополнительную «ручку» на вариабельной цепи (справа).
Что мы можем сделать с антителами
Современные ученые не отстают от наших младших позвоночных братьев и тоже разрабатывают модифицированные антитела. Можно выделить два крупных направления работы с антителами. Первое — молекулярно-биологическое. Коль скоро антитела умеют специфично связываться с антигенами, можно использовать их как метку. Об этом мы подробно рассказывали в статье, посвященной иммунологическим методам [16]. Например, можно пришить к антителам светящиеся метки и окрашивать ими гистологические препараты: там, где мы увидим свечение, находится интересующее нас вещество.
Второе направление — медицинское [1]. С помощью антител можно не только иммунизировать человека, но и адресно доставлять в его организм вещества. Например, можно взять антитело, специфичное к белку опухоли, и пришить к нему (конъюгировать) токсичное вещество. Таким образом лекарство будет избирательно накапливаться в опухоли.
Антитела, безусловно, являются очень многообещающим конструктором. Однако для того, чтобы их широко применять, нужно научиться их производить в больших количествах. А для того чтобы ими лечить — убедиться в специфичности их действия и отсутствии побочных эффектов. О том, как лаборатории справляются с разработкой и производством антител, читайте в следующих статьях нашего цикла.
Департамент вычислительной биологии компании BIOCAD — спонсор спецпроекта
BIOCAD — международная биотехнологическая компания, которая создала умную технологическую платформу, объединившую в себе компьютерное моделирование и современные принципы синтеза генов de novo.
В компании реализован полный цикл выпуска лекарственных препаратов: от поиска лекарственной молекулы до массового производства и маркетинговой поддержки.
Компания ведет два масштабных проекта:
Для разработки лекарственных препаратов BIOCAD применяет технологию structure-based drug design, использующую методы компьютерного моделирования. Это позволяет сделать поиск молекул направленным. С помощью математического моделирования отобранная молекула оптимизируется под конкретную мишень, а затем воспроизводится в реальной лаборатории.
В основе большинства разработок компании лежит математическое моделирование. То, что раньше было возможно осуществить исключительно in vitro в стенах лабораторий, по мнению исследователей BIOCAD, сегодня может быть воплощено in silico силой чистого разума.
Здесь собрали одну из лучших команд биоинформатиков в стране, которая занимается научными исследованиями, разрабатывает и внедряет новейшие методы интеллектуального анализа данных. В ее распоряжении один из мощнейших вычислительных кластеров, и если еще 2–3 года назад можно было только мечтать о решении задач направленного дизайна белковых молекул, то сейчас это одно из направлений работ Департамента вычислительной биологии.
Материал предоставлен партнёром — Департаментом вычислительной биологии компании BIOCAD