Текст книги "Невидимый страж. Как иммунитет защищает нас от внешних и внутренних угроз"

Глава 13
А ЧТО ЖЕ ЭРЛИХ? ТЕОРИЯ БОКОВЫХ ЦЕПЕЙ

Трудность заключается не столько в разработке новых идей, сколько в том, чтобы отойти от старых.

Джон Мейнард Кейнс (1883–1946), британский экономист

Воздав должное предшественникам Эрлиха, вернемся, однако же, к его собственным заслугам. Ведь, несмотря на свой вклад в разработку лечения против дифтерии, Нобелевскую премию он получил за более фундаментальные открытия, а именно за формулировку первой теории адаптивного иммунитета – теории боковых цепей.

Изучение механизмов защиты организма от дифтерии (и других заболеваний) привело ученых к мысли о том, что после встречи с инфекцией в крови начинают появляться какие-то особые вещества, способные нейтрализовать не только сами инфицирующие агенты, но и продукты их жизнедеятельности (как в случае с дифтерийным токсином). В 1896 году Макс Грубер и Герберт Дархем показали, что если сыворотку крови животного, имеющего иммунитет против определенной инфекции (переболевшего или привитого), смешать с бактериями, вызывающими эту инфекцию, то бактерии начнут склеиваться и выпадать в осадок (агглютинироваться). Ничего подобного не наблюдалось при смешивании бактерий с сывороткой крови животных, никогда прежде не встречавшихся с данной инфекцией. Сыворотка крови – это практически бесцветная жидкость, которая остается, если удалить из крови все клетки и белки, отвечающие за ее свертывание. Стало быть, иммунитет, который она обеспечивает, основан на действии не клеток, а каких-то растворенных в крови веществ. На основе этих открытий Эрлих сформулировал теорию гуморального, или жидкостного, иммунитета (в отличие от клеточной теории Мечникова).

Вещества, нейтрализующие действие бактериальных тел, как тогда именовали бактерии, стали называть антителами (англ. antibodies). А для самих чужеродных веществ, вызывающих реакцию образования антител, вместо прежнего «токсин» в иммунологии стали использовать более общий термин «антиген» («производящий антитела»). Однако какова природа гуморального иммунитета и как можно объяснить его высокую специфичность (антитоксин к дифтерийному токсину был бесполезен против токсина холерного), было совершенно непонятно. Именно на этот вопрос пыталась ответить теория Эрлиха.

В своем труде «Потребность организма в кислороде» (The Oxygen Need of Organisms) Эрлих писал: «Живая протоплазма должна соответствовать гигантской молекуле, взаимодействующей с обычными химическими молекулами так, как Солнце с мельчайшими метеоритами. Мы можем предположить, что в живой протоплазме ядро со специальной структурой отвечает за специфические, свойственные клетке функции и к этому ядру присоединены наподобие боковых цепей атомы и их комплексы…»

Если перевести его теорию с поэтического языка конца XIX века на язык современных научных терминов, то Эрлих предположил буквально следующее. Антитела – это особый вид молекул, расположенных в виде боковых цепей на поверхности клеток. (Так Эрлих заодно, походя, предсказал существование огромной группы белков – рецепторов, имеющих важнейшее значение для понимания механизмов взаимодействия живых клеток друг с другом и окружающей средой.) Боковые цепи (рецепторы) благодаря особой структуре, комплементарной молекуле антигена, способны необратимо взаимодействовать с ней по принципу «ключ – замок» (эту сильно опережающую время идею Лайнус Полинг смог подтвердить лишь в 1940-е годы). Такое взаимодействие является специфичным: один антиген – одно антитело. На поверхности клеток исходно существует некий набор (репертуар) таких «боковых цепей». Антиген же способен отбирать специфичные ему рецепторы, которые открепляются от поверхности клетки, циркулируют в крови в поиске «своего» антигена и в конечном счете инактивируют его.

Можно только удивляться, с какой точностью Эрлих смог предсказать механизмы одной из ветвей адаптивного иммунитета, практически не имея конкретных фактов. Конечно, со временем эта теория была уточнена благодаря более поздним открытиям. Однако, как вы сможете убедиться дальше, в основе современной теории гуморального иммунитета по-прежнему лежат несколько ключевых принципов, описанных, а точнее, предсказанных Эрлихом еще в конце XIX века. Описать их в полном смысле этого слова в то время не смог бы никто, ведь техник, позволяющих работать с отдельными клетками и отдельными белками, еще просто не существовало.

Теория Эрлиха неплохо объясняла эффект антитоксинов. Связывание антител с молекулами токсинов наверняка нарушало их способность влиять на живые клетки. Однако оставался непонятным механизм, обеспечивающий прямой антибактериальный эффект антител, который к тому времени был неоднократно продемонстрирован экспериментально. Мало ли что может налипнуть на микроорганизм. Защищенные плотными клеточными стенками бактерии легко переносили воздействие высоких температур и агрессивных химических веществ, и было совершенно непонятно, каким образом им могли повредить антитела, у которых не обнаруживалось никакой заметной биохимической активности, помимо способности намертво связываться с патогеном.

В 1904 году, вскоре после публикации статей Мечникова и Эрлиха, британский иммунолог Алмрот Райт предложил гипотезу, объясняющую антибактериальный эффект антител. Его идея объединяла обе конкурирующие теории иммунитета. Райт предположил, что роль растворимых антител состоит в том, чтобы, связываясь с бактериями, «помечать» их для дальнейшего уничтожения фагоцитами. Этот процесс, Райт назвал опсонизацией. Однако предложенные им индексы для измерения этого эффекта оказались слишком сложны для использования. Кроме того, далеко не все результаты его экспериментов удалось воспроизвести коллегам в других лабораториях, так что особой популярности теория опсонизации в начале XX века не снискала. Во всяком случае, ни Мечников, ни Эрлих не стали использовать ее, чтобы примирить свои взгляды на природу иммунитета, и предпочли остаться каждый при своей теории.

Однако время показало, что именно Райт был прав и эффект гуморального иммунитета обусловлен (по крайней мере частично) активностью уже знакомых нам фагоцитов. Сегодня мы знаем, что на поверхности большинства фагоцитов присутствуют специальные рецепторы Fc, способные распознавать антитела, налипшие на чужеродные микроорганизмы (бактерии, простейшие, одноклеточные грибы), и запускать реакцию фагоцитоза.

Таким образом, эти молекулы и впрямь служат «черной меткой» для чужеродных клеток, как и предполагал Райт.

Зачем необходима эта дополнительная система распознавания? Разве уже знакомых нам рецепторов врожденного иммунитета недостаточно, чтобы «натравить» фагоциты на чужеродные клетки? Вот именно – недостаточно. Сама природа приблизительного распознавания паттернов патогенности делает иммунную систему несколько подслеповатой. Предоставленные сами себе фагоциты могут не заметить патоген, пока его количество не превысит определенного критического уровня, или, напротив, атакуя зараженную клетку, увлечься и «за компанию» разрушить здоровую ткань.

Взаимодействие гуморального и врожденного иммунитета позволяет решить проблему недостаточной точности последнего. Зоркие высокоспецифичные системы распознавания, имеющиеся у производящих антитела В-клеток, становятся как бы глазами подслеповатых фагоцитов, позволяют им действовать точнее и эффективней. Этот пример наглядно демонстрирует взаимозависимость и взаимосвязь двух ветвей иммунитета. В дальнейшем мы еще не раз увидим, как красиво и согласованно разные клетки и молекулы действуют в рамках той или иной иммунной реакции, дополняя и усиливая друг друга.

Глава 14
ГУМОРАЛЬНЫЙ ИММУНИТЕТ В НАШИ ДНИ. В-КЛЕТКИ

Когда молодой ученый по имени Жак-Франсуа-Альбер-Пьер Миллер в 1968 году предположил на иммунологической конференции, что существует два различных типа лимфоцитов – B-лимфоциты из костного мозга, вырабатывающие антитела, и T-лимфоциты из тимуса, которые работают как-то по-другому, – ему при всех напомнили, что B и T – это первая и последняя буквы слова bullshit («фигня»).

Чарльз Гребер. Открытие

Опустим десятилетия исследований гуморального иммунитета, последовавшие за открытиями Эрлиха, – их подробное описание заняло бы целые тома. Лучше перейдем к тому, что знает о нем современная иммунологическая наука.

Основными клетками гуморального иммунитета являются лимфоциты, названные В-клетками («бэ»-клетками). Почему «В»? Дело в том, что у птиц клетки этого типа развиваются в специальном органе – сумке Фабриция (лат. Bursa fabricii), и именно от ее латинского названия они получили свою заглавную букву. (Аналогичным образом Т-лимфоциты получили заглавную букву от слова «тимус» – названия органа, играющего важную роль в созревании этого типа клеток.)

На поверхности В-клеток присутствуют специальные В-клеточные рецепторы (BCR), способные распознавать самые разные чужеродные молекулы – антигены. У зрелой В-клетки количество комплексов BCR может достигать 150 000!

После связывания антигена с BCR происходит активация В-клетки, и она начинает усиленно синтезировать белок BCR. Но это уже не рецептор, связанный с клеточной мембраной, а свободная (растворимая) форма. Эти растворимые белки-антитела с током крови разносятся по организму, связывая антигены, нейтрализуя их и делая видимыми для клеток врожденного иммунитета. Согласитесь, это описание, основанное на данных тысяч прямых и косвенных экспериментов, поразительно совпадает с предсказаниями теории боковых цепей!

Единственное, чего не смог предугадать Эрлих, это как именно различные боковые цепи – антигенраспознающие рецепторы (АРР) – распределяются по поверхности иммунных клеток. Эрлих предполагал, что на поверхности любой клетки находится множество рецепторов к различным антигенам, но выделять во внешнюю среду она начинает лишь те антитела, с антигеном которых уже встречалась. На этом, собственно, и основан процесс иммунизации.

На самом деле все оказалось гораздо сложнее и интереснее. Молекулы АРР на поверхности В-клеток действительно отличаются исключительным разнообразием – в человеческом организме их синтезируется десятки миллионов разновидностей. Но при этом каждая отдельная клетка синтезирует лишь одну из этих миллионов разновидностей. Таким образом, эффективность адаптивного иммунитета обеспечивается не миллионами разных рецепторов на поверхности одной клетки (как предполагал Эрлих), но миллионами разных клеток, каждая из которых синтезирует лишь один рецептор.

А сейчас вернемся к нашим полицейским, на примере которых мы уже приноровились анализировать самые запутанные аспекты иммунной системы. В человеческой полиции каждый патрульный может узнать в лицо множество преступников, находящихся в розыске в его районе. Это буквально та самая схема распознавания, которую первоначально предполагал для гуморального иммунитета Эрлих. Однако система врожденного иммунитета пошла по другому пути и предпочла собрать миллионы разных полицейских с тем, чтобы каждый распознавал одного-единственного злоумышленника. По человеческим меркам такая система выглядит странной, избыточной, неэффективной, однако, как мы увидим дальше, именно ставка на «узких специалистов» делает адаптивный иммунитет точным и эффективным.

Из такого контринтуитивного способа организации адаптивного иммунитета следует несколько его особенностей (справедливых как для В-, так и для Т-лимфоцитов). В отличие от клеток врожденного иммунитета, которые нуждаются лишь в мобилизации, клетки приобретенного иммунитета в процессе активации обязательно должны проходить стадию пролиферации (деления). В начале иммунного ответа из миллионов В-клеток, присутствующих в нашем теле, лишь несколько десятков или сотен несут рецепторы, подходящие к антигенам нового вируса или бактерии, вторгшихся в организм. Конечно же, такого мизерного количества не хватит, чтобы произвести достаточно антител и эффективно противостоять заражению. Поэтому первой реакцией В-лимфоцитов на активацию антигеном становится не производство антител, а интенсивное деление, ведь подходящих В-лимфоцитов нужно больше, гораздо больше. Однако скорость деления любой клетки имеет предел. Она не может мгновенно произвести сотни тысяч клеток, поэтому приобретенный иммунитет всегда запаздывает по сравнению с врожденным.

Макрофагам, чтобы атаковать противника, необходимо всего лишь собраться в месте воспаления – это дело нескольких часов, максимум пары дней. Клетки же приобретенного иммунитета должны пройти через несколько десятков делений, прежде чем их станет достаточно для эффективного ответа. Да и сам синтез иммуноглобулинов – процесс небыстрый, так что полноценный гуморальный ответ на инфекцию развивается лишь через 10–14 дней.

Хотя процесс активации Т-клеток, как мы увидим дальше, несколько отличается от активации В-лимфоцитов, они также проходят через «бутылочное горлышко» ускоренного деления. Поэтому Т-клеточный ответ тоже запаздывает, хотя и не так сильно, как гуморальный. Пика своей активности Т-клеточный ответ достигает примерно через неделю после начала болезни. Видимо, именно это обстоятельство лежит в основе народной мудрости, утверждающей, что насморк, который лечат, проходит за неделю, а который не лечат – за семь дней.

Ученые не были бы учеными, если бы не разделили В-лимфоциты на несколько групп: В1, В2 и В-клетки маргинальной зоны. Мы не будем так углубляться и ограничимся рассмотрением лишь «обычных» лимфоцитов – В2. Иногда их еще называют фолликулярными В-лимфоцитами, потому что концентрируются они, как правило, в специальных структурах, которые называются лимфоидными фолликулами. Эти фолликулы могут входить в состав вторичных лимфоидных органов (лимфатических узлов, селезенки и других) либо существовать самостоятельно.

Для эффективного гуморального иммунитета В-клеткам (в отличие, скажем, от макрофагов или клеток-киллеров) не обязательно лично присутствовать в месте воспаления. Их задача не сражаться, а производить оружие (антитела). Поэтому В-клетки – это в основном работники «тыла», хотя могут они присутствовать и в зоне «сражения».

Пройдя через несколько циклов деления, основная часть активированных В-клеток трансформируется в крупные плазматические клетки, способные бесперебойно синтезировать огромное количество антител. При этом некоторая часть B-клеток запасается впрок в виде так называемых клеток памяти, которые отправляются на сохранение в костный мозг, лимфатические узлы и селезенку.

После выздоровления уровень плазматических клеток и, соответственно, антител начинает снижаться. Однако благодаря клеткам памяти, которые продолжают сохраняться в организме еще много месяцев, а то и лет, вторичный иммунный ответ (при встрече с тем же возбудителем) развивается гораздо быстрее. Подробнее о механизмах этого явления мы поговорим в главе, посвященной вакцинам и вакцинации.

Глава 15
АНТИГЕНЫ. АНТИТЕЛА – ИММУНОГЛОБУЛИНЫ

Теперь не тело красит человека, а антитело!

Шутка времен пандемии коронавируса

Теория гуморального иммунитета пока кажется вам относительно простой? Скоро вы убедитесь, что это впечатление обманчиво. Дьявол, как водится, в деталях. Настоящая глава будет одной из самых сложных в книге, и если вы не сможете понять ее с первого раза – просто пропустите и читайте дальше.

Во времена моего детства был популярен анекдот о том, как чукча, обучавшийся в университете марксизма-ленинизма, возвращается в родное стойбище и радостно сообщает родным и близким то главное, что понял во время учебы: «Карл Маркс и Фридрих Энгельс – это не муж и жена, а четыре совершенно разных человека!» Примерно так же обстоит дело с антителами. Выше мы говорили о том, что каждая отдельная В-клетка синтезирует один тип В-клеточного рецептора. И это правда! Однако, как оказалось, на основе одного-единственного гена BCR каждая В-клетка может производить не одну разновидность антител, а несколько. Попробуем разобраться, как такое возможно.

Для того чтобы это понять, нам придется повнимательнее присмотреться к молекулярному комплексу BCR. На рисунках к предыдущей главе вы могли заметить, что схематическое изображение BCR/антитела похоже на букву Y, – давайте посмотрим, из каких элементов она состоит.

С точки зрения структуры молекула В-клеточного рецептора состоит из четырех белковых цепей: двух легких, или L-цепей (англ. light), и двух тяжелых, или H-цепей (англ. нeavy). Они располагаются симметрично и соединены дисульфидными связями, удерживающими их вместе.

С точки зрения функции BCR-рецептор состоит из двух (неравных) частей. Одна часть – та, что обеспечивает связывание антигена, – отличается крайним разнообразием (концы перекладин буквы Y, отмеченные на рисунке штриховкой). Природе этого разнообразия будет посвящена отдельная глава. Другая часть (домен) отвечает за передачу сигнала, возникающего при связывании антигена, внутрь клетки (на рисунке это вся остальная, черная, часть рецептора/антитела). Соответственно, первая часть называется вариабельной областью (V), а вторая – константной областью (C). Но константная не значит неизменная! В этой области также бывают вариации, просто число их невелико.

Все антитела, производимые определенной клеткой, имеют одну и ту же вариабельную область. Это значит, что они способны распознавать определенный антиген или несколько антигенов, но при этом могут различаться константными частями и принадлежать соответственно к разным классам, или изотипам, антител. Более того, одна и та же иммунная клетка может менять свой класс по мере развития иммунного ответа.

У млекопитающих существует пять классов антител: IgA, IgG, IgD, IgE и IgM. Антитела каждого из них отличаются от других функциями и особенностями структуры. Иммуноглобулины классов IgG и IgA дополнительно разделяют на подклассы (субтипы). У человека выделяют четыре подкласса IgG: IgG1, IgG2, IgG3, IgG4 – и два подкласса IgA: IgA1 и IgA2.

Вам все еще кажется, что гуморальный иммунитет – это просто? Вот и мне не кажется, а ведь мы еще только начали. Можно было бы и не забираться в такие дебри молекулярной иммунологии, но анализ на иммуноглобулины в последние десятилетия стал почти таким же распространенным методом диагностики, как общий анализ крови. Чтобы понять, о чем говорят нам разные соотношения IgM и IgG в результате теста на антитела к коронавирусу или к другой инфекции, нам придется разобраться в этой запутанной классификации.

IgG всех субклассов, а также IgD и IgE представляют собой мономерные молекулы. Растворимые молекулы IgA и IgM формируют полимеры: димер в случае IgA и пентамер в случае IgM. Кроме этого, изотипы различаются своей способностью связывать антигены. Раньше других в ходе иммунного ответа начинает секретироваться IgM, и большинство антител при первичном иммунном ответе принадлежит к IgM-классу. Эти антитела обладают относительно низким сродством к антигену и связываются с ним слабее, чем более зрелые IgG-антитела. Предполагают, что пентамерная структура позволяет молекулам IgM более эффективно захватывать антигены (пять «рук» удерживают антиген эффективнее, чем одна).

IgG-антитела, на долю которых приходится основная часть антител на поздних этапах первичного и при вторичном иммунном ответе, связывают антигены более крепко, чем IgM-антитела, и поэтому достаточно эффективны и в мономерной форме. Это улучшение качества связано с «подгонкой» вариабельной части антител к антигену в В-клетках; о ее механизмах мы поговорим дальше. Субтипы IgG различаются по эффекторным свойствам. Так, IgG1 и IgG3 весьма эффективны в привлечении фагоцитов и киллерных клеток (именно эти иммуноглобулины распознаются Fc-рецепторами). Защитная активность IgG2– и IgG4-антител выражена незначительно, они практически не взаимодействуют с Fc-рецепторами, их роль состоит преимущественно в прямой нейтрализации патогенов и их токсинов.

Таким образом, высокие показатели IgM в анализе на антитела указывают на недавнее заражение и первичный иммунный ответ, в то время как высокие показатели IgG свидетельствуют о перенесенной инфекции (или вакцинации).

Осталось сказать несколько слов о трех других изотипах.

IgA – основной иммуноглобулин секретов слизистых оболочек. Слизистые выстилают внутренние поверхности органов, сообщающихся с внешней средой. Их секрет – слизь – дополнительно защищает органы дыхательной, мочевой, половой и пищеварительной систем, а также глазные веки и слуховые проходы. Присутствие в слизи IgA усиливает ее защитные свойства. Секреторный IgA связывается с поверхностью патогенов, блокируя их подвижность и мешая им проникнуть сквозь слизистую. О нем мы еще поговорим в главе, посвященной борьбе с вирусными инфекциями дыхательных путей.

IgE присутствует в сыворотке крови в небольшом количестве, но именно этот тип антител активно защищает от многоклеточных паразитов (например, паразитических червей). IgE также играет ключевую роль в формировании аллергической реакции и поэтому будет детально рассмотрен в соответствующей главе.

Роль IgD, который синтезируется в организме в очень низких концентрациях, пока точно не установлена. Известно, что он вырабатывается главным образом в начале иммунного ответа и участвует в регуляции воспалительной реакции. Избыточный синтез антител этого типа наблюдается при редком аутоиммунном заболевании, получившем название гипер-IgD-синдром.

Благодаря переключению классов разные дочерние клетки, происходящие от одной и той же B-клетки, могут производить антитела разных изотипов. В ходе этого переключения изменения происходят лишь в C-доменах. Поэтому потомки одной B-клетки производят антитела разных классов, но с одинаковой антигенной специфичностью. Важную роль в переключении классов играют уже знакомые нам цитокины.

А теперь забудем на минуту об антителах и вспомним об антигенах, а точнее, о таком свойстве чужеродных молекул, как иммуногенность – способность вызывать иммунный ответ. Далеко не каждая чужеродная молекула может вызвать гуморальный иммунный ответ. «Настоящий» антиген, способный напрямую активировать В-клетку, должен обладать определенными свойствами.

Молекула антигена должна быть достаточно большой. Бактерии синтезируют множество низкомолекулярных соединений, которые в норме не встречаются в организме человека. Казалось бы, вот они, идеальные антигены. Но нет, большинство этих молекул (например, неканонические аминокислоты) слишком малы, чтобы прочно связаться с антителом. Экспериментально установлено, что минимальный размер белкового антигена – это последовательность из 7–8 аминокислот, молекулы меньших размеров иммунный ответ практически не вызывают. Напротив, чем длиннее молекула, тем больше ее участков (эпитопов) потенциально может распознать иммунная система. Чем многочисленнее эпитопы, тем больше разных В-клеток может провзаимодействовать с антигеном и тем сильнее будет гуморальный ответ.

Антигену желательно иметь стабильную и достаточно жесткую трехмерную структуру. Гибкие и «разболтанные» молекулы, а среди белков такие встречаются, на эту роль не годятся. Аминокислоты, которые распознает В-клеточный рецептор (антитело), могут находиться рядом или в разных участках белка. Последовательно расположенные аминокислоты образуют линейный антиген. Если же аминокислоты в белковой последовательности расположены далеко друг от друга, но сближаются, когда белок сворачивается и принимает активную форму (третичная структура), то они формируют конформационный антиген.

Чувствительность к конформационным антигенам – отличительная черта именно гуморального (В-клеточного) иммунитета. Т-клетки по причинам, о которых мы поговорим дальше, способны распознавать только линейные антигены. Таким образом, В-клетки могут реагировать на антигены, невидимые для Т-клеточного ответа.

У одной чужеродной молекулы может быть несколько эпитопов, потенциально распознаваемых иммунной системой, а на поверхности каждого вируса (не говоря уже о бактерии) таких молекул десятки и сотни. Поэтому к одному чужеродному агенту в организме могут вырабатываться десятки и даже сотни антител, распознающих разные эпитопы его белков. Однако не все они одинаково эффективно связываются со своими антигенами и препятствуют развитию инфекции. По этому признаку антитела можно разделить на нейтрализующие – блокирующие инфекционные агенты или их токсины (как в случае с дифтерией) и предотвращающие развитие заболевания – и связывающие, которые, хотя и садятся на чужеродный агент, не способны полностью подавить его активность. Об этом различии, о его значении для развития реальных инфекций, а также о разработке вакцин мы подробнее поговорим в главе, посвященной коронавирусной инфекции.