Антигены что это такое простыми
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.
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