TOLL-подобные рецепторы (TLRs). Толл- и толл-подобные рецепторы как компоненты рекогносцировочного аппарата иммунной системы Открытие Toll-like рецепторов

Врождённый иммунитет - наиболее ранний защитный механизм как в эволюционном плане (он существует практически у всех многоклеточных), так и по времени ответа, развивающегося в первые часы и дни после проникновения чужеродного материала во внутреннюю среду, т.е. задолго до развития адаптивной иммунной реакции. Значительную часть патогенов инактивируют именно врождённые механизмы иммунитета, не доводя процесс до развития иммунного ответа с участием лимфоцитов. И только если механизмы врождённого иммунитета не справляются с проникающими в организм патогенами, в «игру» включаются лимфоциты. При этом адаптивный иммунный ответ невозможен без вовлечения механизмов врождённого иммунитета. Кроме того, врождённый иммунитет играет главную роль в удалении апоптотических и некротических клеток и реконструировании повреждённых органов. В механизмах врождённой защиты организма важнейшую роль играют первичные рецепторы для патогенов, система комплемента, фагоцитоз, эндогенные пептиды-антибиотики и факторы защиты от вирусов - интерфероны. Функции врождённого иммунитета схематично представлены на рис. 3-1.

РЕЦЕПТОРЫ РАСПОЗНАВАНИЯ «ЧУЖОГО»

На поверхности микроорганизмов присутствуют повторяющиеся молекулярные углеводные и липидные структуры, которые в подавляющем большинстве случаев отсутствуют на клетках организма хозяина. Особые рецепторы, распознающие этот «узор» на поверхности патогена, - PRR (Pattern Recognition Receptors - паттернраспознающие рецепторы) - позволяют клеткам врождённого иммунитета обнаруживать микробные клетки. В зависимости от локализации выделяют растворимые и мембранные формы PRR.

. Циркулирующие (растворимые) рецепторы для патогенов - белки сыворотки крови, синтезируемые печенью: липополисахаридсвя-

Рис. 3-1. Функции врождённого иммунитета. Обозначения: PAMP (PathogenAssociated Molecular Patterns) - молекулярные структуры микроорганизмов, HSP (Heat Shock Proteins) - белки теплового шока, TLR (Toll-Like Receptors), NLR (NOD-Like Receptors), RLR (RIG-Like Receptors) - клеточные рецепторы

зывающий белок (LBP - Lipopolysaccharide Binding Protein), компонент системы комплемента C1q и белки острой фазы MBL и С-реактивный белок (СРБ). Они непосредственно связывают микробные продукты в жидких средах организма и обеспечивают возможность их поглощения фагоцитами, т.е. являются опсонинами (от греч. opsonein - делающий вкусным). Кроме того, некоторые из них активируют систему комплемента.

- СРБ, связывая фосфорилхолин клеточных стенок ряда бактерий и одноклеточных грибов, опсонизирует их и активирует систему комплемента по классическому пути.

- MBL принадлежит к семейству коллектинов. Имея сродство к остаткам маннозы, экспонированным на поверхности многих микробных клеток, MBL запускает лектиновый путь активации комплемента.

- Белки сурфактанта лёгких - SP-A и SP-D принадлежат к тому же молекулярному семейству коллектинов, что и MBL. Они, вероятно, имеют значение в опсонизации (связывании антител с клеточной стенкой микроорганизма) лёгочного патогена - одноклеточного грибка Pneumocystis carinii.

. Мембранные рецепторы. Эти рецепторы расположены как на наружных, так и на внутренних мембранных структурах клеток.

- TLR (Toll-Like Receptor - Toll-подобный рецептор; т.е. сходный с Toll-рецептором дрозофилы). Одни из них непосредственно связывают продукты патогенов (рецепторы для маннозы макрофагов, TLR дендритных и других клеток), другие работают совместно с иными рецепторами: например, CD14 молекула на макрофагах связывает комплексы бактериального липополисахарида (ЛПС) с LBP, а TLR-4 вступает во взаимодействие с CD14 и передаёт соответствующий сигнал внутрь клетки. Всего у млекопитающих описано 13 различных вариантов TLR (у человека пока только 10).

. Цитоплазматические рецепторы:

- NOD-рецепторы (NOD1 и NOD2) находятся в цитозоле и состоят из трёх доменов: N-концевого CARD-домена, центрального NOD-домена (NOD - Nucleotide Oligomerization Domain - домен олигомеризации нуклеотидов) и C-концевого LRR-домена. Различие между этими рецепторами заключается в количестве CARD-доменов. Рецепторы NOD1 и NOD2 распознают мурамилпептиды - вещества, образующиеся после ферментативного гидролиза пептидогликана, входящего в состав клеточной стенки всех бактерий. NOD1 распознаёт мурамилпептиды с концевой мезодиаминопимелиновой кислотой (meso-DAP), которые образуются только из пептидогликана грамотрицательных бактерий. NOD2 распознаёт мурамилдипептиды (мурамилдипептид и гликозилированный мурамилдипептид) с концевым D-изоглутамином или D-глутаминовой кислотой, являющиеся результатом гидролиза пептидогликана как грамположительных, так и грамотрицательных бактерий. Кроме того, NOD2 имеет сродство к мурамилпептидам с концевым L-лизином, которые есть только у грамположительных бактерий.

- RIG-подобные рецепторы (RLR, RIG-Like Receptors): RIG-I (Retinoic acid-Inducible Gene I ), MDA5 (Melanoma Differentiation-associated Antigen 5) и LGP2 (Laboratory of Genetics and Physiology 2).

Все три рецептора, кодируемые этими генами, имеют сходную химическую структуру и локализуются в цитозоле. Рецепторы RIG-I и MDA5 распознают вирусную РНК. Роль белка LGP2 пока неясна; возможно, он выполняет роль хеликазы, связываясь с двуцепочечной вирусной РНК, модифицирует её, что облегчает последующее распознавание с помощью RIG-I. RIG-I распознаёт односпиральную РНК с 5-трифосфатом, а также относительно короткие (<2000 пар оснований) двуспиральные РНК. MDA5 различает длинные (>2000 пар оснований) двуспиральные РНК. Таких структур в цитоплазме эукариотической клетки нет. Вклад RIG-I и MDA5 в распознавание конкретных вирусов зависит от того, образуют ли данные микроорганизмы соответствующие формы РНК.

ПРОВЕДЕНИЕ СИГНАЛОВ С TOLL-ПОДОБНЫХ РЕЦЕПТОРОВ

Все TLR используют одинаковую принципиальную схему передачи активационного сигнала в ядро (рис. 3-2). После связывания с лигандом рецептор привлекает один или несколько адапторов (MyD88, TIRAP, TRAM, TRIF), которые обеспечивают передачу сигнала с рецептора на каскад серин-треониновых киназ. Последние вызывают активацию факторов транскрипции NF-kB (Nuclear Factor of к-chain B-lymphocytes), AP-1 (Activator Protein 1), IRF3, IRF5 и IRF7 (Interferon Regulatory Factor), которые транслоцируются в ядро и индуцируют экспрессию геновмишеней.

Все адапторы содержат TIR-домен и связываются с TIR-доменами TOLL-подобных рецепторов (Toll/Interleukin-1 Receptor, так же как рецептора для ИЛ-1) путём гомофильного взаимодействия. Все известные TOLL-подобные рецепторы, за исключением TLR3, передают сигнал через адаптор MyD88 (MyD88-зависимый путь). Связывание MyD88 с TLR1/2/6 и TLR4 происходит при помощи дополнительного адаптора TIRAP, который не требуется в случае TLR5, TLR7 и TLR9. В передаче сигнала с TLR3 адаптор MyD88 не участвует; вместо него используется TRIF (MyD88-независимый путь). TLR4 использует как MyD88зависимый, так и MyD88-независимый пути передачи сигнала. Однако связывание TLR4 с TRIF происходит при помощи дополнительного адаптора TRAM.

Рис. 3-2. Пути передачи сигналов с Toll-подобных рецепторов (TLR). Указанные на рисунке TLR3, TLR7, TLR9 - внутриклеточные эндосомальные рецепторы; TLR4 и TLR5 - мономерные рецепторы, встроенные в цитоплазматическую мембрану. Трансмембранные димеры: TLR2 с TLR1 или TLR2 с TLR6. Тип распознаваемого димерами лиганда зависит от их состава

MyD88-зависимый путь. Адаптор MyD88 состоит из N-концевого DD-домена (Death Domain - домен смерти) и С-концевого TIRдомена, связанного с рецептором с помощью гомофильного TIR- TIR взаимодействия. MyD88 привлекает киназы IRAK-4 (Interleukin-1 Receptor-Associated Kinase-4) и IRAK-1 через взаимодействие с их аналогичными DD-доменами. Это сопровождается их последовательным фосфорилированием и активацией. После этого IRAK-4 и IRAK-1 отделяются от рецептора и связываются с адаптером TRAF6, который, в свою очередь, привлекает киназу TAK1 и убиквитин-лигазный комплекс (на рис. 3-2 не показан), что приводит к активации TAK1. TAK1 активирует две группы мишеней:

. IκB-киназу (IKK), состоящую из субъединиц IKKα , IKKβ и IKKγ. В результате фактор транскрипции NF-kB освобождается от ингибирующего его белка IκB и транслоцируется в клеточное ядро;

Каскад митоген-активируемых протеинкиназ (MAP-киназ), способствующий активации факторов транскрипции группы AP-1. Состав AP-1 варьирует и зависит от типа активирующего сигнала. Основные его формы - гомодимеры c-Jun или гетеродимеры c-Jun и c-Fos.

Результатом активации обоих каскадов является индукция экспрессии антимикробных факторов и медиаторов воспаления, в том числе фактора некроза опухолей альфа ФНОа (TNFa), который, воздействуя на клетки аутокринно, вызывает экспрессию дополнительных генов. Кроме того, AP-1 инициирует транскрипцию генов, ответственных за пролиферацию, дифференцировку и регуляцию апоптоза.

MyD88-независимый путь. Передача сигнала происходит через адаптер TRIF или TRIF:TRAM и приводит к активации киназы TBK1, которая, в свою очередь, активирует фактор транскрипции IRF3. Последний индуцирует экспрессию интерферонов I типа, которые, как и ФНОа в MyDSS-зависимом пути, воздействуют на клетки аутокринно и активируют экспрессию дополнительных генов (interferon response genes). Активация различных сигнальных путей при стимуляции TLR, вероятно, обеспечивает направленность врождённой иммунной системы на борьбу с тем или иным типом инфекции.

Сравнительная характеристика врождённых и адаптивных механизмов резистентности приведена в табл. 3-1.

Существуют субпопуляции лимфоцитов со свойствами, «промежуточными» между таковыми неклонотипных механизмов врождённого иммунитета и клонотипных лимфоцитов с большим разнообразием рецепторов для антигенов. Они не пролиферируют после связывания антигена (т.е. экспансии клонов не происходит), но в них сразу индуцируется продукция эффекторных молекул. Ответ не слишком специфичен и наступает быстрее, чем «истинно лимфоцитарный», иммунная память не формируется. К таким лимфоцитам можно отнести:

Внутриэпителиальные γδT-лимфоциты с перестроенными генами, кодирующими TCR ограниченного разнообразия, связывают лиганды типа белков теплового шока, нетипичные нуклеотиды, фосфолипиды, MHC-IB;

B1-лимфоциты брюшной и плевральной полостей имеют перестроенные гены, кодирующие BCR ограниченного разнообразия, которые обладают широкой перекрёстной реактивностью с бактериальными антигенами.

ЕСТЕСТВЕННЫЕ КИЛЛЕРЫ

Особая субпопуляция лимфоцитов - естественные киллеры (NKклетки, натуральные киллеры). Они дифференцируются из общей лимфоидной клетки-предшественника и in vitro способны спонтанно, т.е. без предварительной иммунизации, убивать некоторые опухолевые, а также инфицированные вирусами клетки. NK-клетки являются большими гранулярными лимфоцитами, не экспрессирующими линейных маркёров Т- и В-клеток (CD3, CD19). В циркулирующей крови нормальные киллеры составляют около 15% всех мононуклеарных клеток, а в тканях локализованы в печени (большинство), красной пульпе селезёнки, слизистых оболочках (особенно репродуктивных органов).

Большинство NK-клеток содержит в цитоплазме азурофильные гранулы, где депонированы цитотоксические белки перфорин, гранзимы и гранулизин.

Главными функциями NK-клеток являются распознавание и элиминация клеток, инфицированных микроорганизмами, изменённых в результате злокачественного роста, либо опсонизированных IgGантителами, а также синтез цитокинов ИФНу, ФНОа, GM-CSF, ИЛ-8, ИЛ-5. In vitro при культивировании с ИЛ-2 NK-клетки приобретают высокий уровень цитолитической активности по отношению к широкому спектру мишеней, превращаясь в так называемые LAK-клетки.

Общая характеристика NK-клеток представлена на рис. 3-3. Главные маркёры NK-клеток - молекулы CD56 и CD16 (FcγRIII). CD16 является рецептором для Fc-фрагмента IgG. На NK-клетках имеются рецепторы для ИЛ-15 - ростового фактора NK-клеток, а также для ИЛ-21 - цитокина, усиливающего их активацию и цитолитическую активность. Важную роль играют молекулы адгезии, обеспечивающие контакт с другими клетками и межклеточным матриксом: VLA-5 способствует прилипанию к фибронектину; CD11a/CD18 и CD11b/CD18 обеспечивают присоединение к молекулам эндотелия ICAM-1 и ICAM-2 соответственно; VLA-4 - к молекуле эндотелия VCAM-I; CD31, молекула гомофильного взаимодействия, ответственна за диапедез (выхождение через сосудистую стенку в окружающую ткань) NK-клеток через эпителий; CD2, рецептор для эритроцитов барана, является молекулой адгезии, которая

Рис. 3-3. Общая характеристика NK-клеток. IL15R и IL21R - рецепторы для ИЛ-15 и ИЛ-21 соответственно

взаимодействует с LFA-3 (CD58) и инициирует взаимодействие NKклеток с другими лимфоцитами. Помимо CD2, на NK-клетках человека выявляются и некоторые другие маркёры Т-лимфоцитов, в частности CD7 и гомодимер CD8a, но не CD3 и TCR, что отличает их от NKTлимфоцитов.

По эффекторным функциям NK-клетки близки к T-лимфоцитам: они проявляют цитотоксическую активность в отношении клетокмишеней по тому же перфорин-гранзимовому механизму, что и ЦТЛ (см. рис. 1-4 и рис. 6-4), и продуцируют цитокины - ИФНγ, ФНО, GM-CSF, ИЛ-5, ИЛ-8.

Отличие естественных киллеров от T-лимфоцитов состоит в том, что у них отсутствует TCR и они распознают комплекс антиген-

MHC иным (не вполне ясным) способом. NK не формируют клетки иммунной памяти.

На NK-клетках человека есть рецепторы, относящиеся к семейству KIR (Killer-cell Immunoglobulin-like Receptors), способные связывать молекулы MHC-I собственных клеток. Однако эти рецепторы не активируют, а ингибируют киллерную функцию нормальных киллеров. Кроме того, на NK-клетках есть такие иммунорецепторы, как FcyR, и экспрессирована молекула CD8, имеющая сродство к

MHC-I.

На уровне ДНК гены KIR не перестраиваются, но на уровне первичного транскрипта происходит альтернативный сплайсинг, что обеспечивает определённое разнообразие вариантов этих рецепторов у каждой отдельной NK-клетки. На каждом нормальном киллере экспрессировано более одного варианта KIR.

.H.G. Ljunggren и K. Karre в 1990 г. сформулировали гипотезу «missing self» («отсутствие своего»), согласно которой NK-клетки распознают и убивают клетки своего организма с пониженной или нарушенной экспрессией молекул MHC-I. Поскольку субнормальная экспрессия MHC-I возникает в клетках при патологических процессах, например при вирусной инфекции, опухолевом перерождении, NK-клетки способны убивать инфицированные вирусами или перерождённые клетки собственного организма. Гипотеза «missing self» схематично представлена на рис. 3-4.

СИСТЕМА КОМПЛЕМЕНТА

Комплемент - система сывороточных белков и нескольких белков клеточных мембран, выполняющих 3 важные функции: опсонизацию микроорганизмов для дальнейшего их фагоцитоза, инициацию сосудистых реакций воспаления и перфорацию мембран бактериальных и других клеток. Компоненты комплемента (табл. 3-2, 3-3) обозначают буквами латинского алфавита C, B и D с добавлением арабской цифры (номер компонента) и дополнительных строчных букв. Компоненты классического пути обозначают латинской буквой «С» и арабскими цифрами (C1, C2 ... C9), для субкомпонентов комплемента и продуктов расщепления к соответствующему обозначению добавляют строчные латинские буквы (C1q, C3b и т.д.). Активированные компоненты выделяют чертой над литерой, инактивированные компоненты - буквой «i» (например, iC3b).

Рис. 3-4. Гипотеза «missing self» (отсутствие своего). На рисунке представлены три типа взаимодействия NK-клеток с мишенями. На NK-клетках имеется два типа распознающих рецепторов: активационные и ингибиторные. Ингибиторные рецепторы различают молекулы MHC-I и угнетают сигнал от активационных рецепторов, которые, в свою очередь, определяют либо молекулы MHC-I (но с меньшей аффинностью, чем ингибиторные рецепторы), либо MHC-подобные молекулы: а - клетка-мишень не экспрессирует активационных лигандов, и лизиса не происходит; б - клетка-мишень экспрессирует активационные лиганды, но не экспрессирует MHC-I. Такая клетка подвергается лизису; в - клеткамишень содержит как молекулы MHC-I, так и активационные лиганды. Исход взаимодействия зависит от баланса сигналов, идущих от активационных и ингибиторных рецепторов NK-клеток

. Активация комплемента (рис. 3-5). В норме, когда внутренняя среда организма «стерильна» и патологического распада собственных тканей не происходит, уровень активности системы комплемента невысок. При появлении во внутренней среде микробных продуктов происходит активация системы комплемента. Она может происходить по трём путям: альтернативному, классическому и лектиновому.

- Альтернативный путь активации. Его инициируют непосредственно поверхностные молекулы клеток микроорганизмов [факторы альтернативного пути имеют буквенное обозначение: P (пропердин), B и D].

Рис. 3-5. Активация системы комплемента и образование мембраноатакующего комплекса. Пояснения см. в тексте, а также в табл. 3-2, 3-3. Активированные компоненты, согласно международному соглашению, надчёркнуты

◊ Из всех белков системы комплемента в сыворотке крови больше всего C3 - его концентрация в норме составляет 1,2 мг/мл. При этом всегда имеется небольшой, но значимый уровень спонтанного расщепления C3 с образованием C3a и C3b. Компонент C3b - опсонин, т.е. он способен ковалентно связываться как с поверхностными молекулами микроорганизмов, так и с рецепторами на фагоцитах. Кроме того, «осев» на поверхности клеток, C3b связывает фактор В. Тот, в свою очередь, становится субстратом для сывороточной сериновой протеазы - фактора D, который расщепляет его на фрагменты Ва и Bb. C3b и Bb образуют на поверхности микроорганизма активный комплекс, стабилизируемый пропердином (фактор Р).

◊ Комплекс C3b/Bb служит С3-конвертазой и значительно повышает уровень расщепления С3 по сравнению со спонтанным. Кроме того, после связывания с C3 он расщепляет C5 до фрагментов C5a и C5b. Малые фрагменты C5a (наиболее сильный) и C3a - анафилатоксины комплемента, т.е. медиаторы воспалительной реакции. Они создают условия для миграции фагоцитов в очаг воспаления, вызывают дегрануляцию тучных клеток, сокращение гладких мышц. C5a также вызывает повышение экспрессии на фагоцитах CR1 и CR3.

◊ С C5b начинается формирование «мембраноатакующего комплекса», вызывающего перфорацию мембраны клеток микроорганизмов и их лизис. Сначала образуется комплекс C5b/C6/ C7, встраивающийся в мембрану клетки. Одна из субъединиц компонента C8 - C8b - присоединяется к комплексу и катализирует полимеризацию 10-16 молекул C9. Этот полимер и формирует неспадающуюся пору в мембране, имеющую диаметр около 10 нм. В результате клетки становятся неспособными поддерживать осмотический баланс и лизируются.

- Классический и лектиновый пути сходны друг с другом и отличаются от альтернативного способом активации C3. Главной C3конвертазой классического и лектинового пути служит комплекс C4b/C2a, в котором протеазной активностью обладает C2a, а C4b ковалентно связывается с поверхностью клеток микроорганизмов. Примечательно, что белок C2 гомологичен фактору В, даже их гены расположены рядом в локусе MHC-III.

◊ При активации по лектиновому пути один из белков острой фазы - MBL - взаимодействует с маннозой на поверхности клеток микроорганизмов, а MBL-ассоциированная сериновая протеаза (MASP - Mannose-bindingprotein-Associated Serine Protease) катализирует активационное расщепление C4 и C2.

◊ Сериновой протеазой классического пути служит C1s, одна из субъединиц комплекса C1qr 2 s 2 . Она активируется, когда по крайней мере 2 субъединицы C1q связываются с комплексом антиген-антитело. Таким образом, классический путь активации комплемента связывает врождённый и адаптивный иммунитет.

. Рецепторы компонентов комплемента. Известно 5 типов рецепторов для компонентов комплемента (CR - Complement Receptor) на различных клетках организма.

CR1 экспрессирован на макрофагах, нейтрофилах и эритроцитах. Он связывает C3b и C4b и при наличии других стимулов к фагоцитозу (связывания комплексов антиген-антитело через FcyR или при воздействии ИФНу - продукта активированных T-лимфоцитов) оказывает пермиссивное действие на фагоциты. CR1 эритроцитов через C4b и C3b связывает растворимые иммунные комплексы и доставляет их к макрофагам селезёнки и печени, обеспечивая тем самым клиренс крови от иммунных комплексов. При нарушении этого механизма иммунные комплексы выпадают в осадок - прежде всего в базальных мембранах сосудов клубочков почек (CR1 есть и на подоцитах клубочков почек), приводя к развитию гломерулонефрита.

CR2 B-лимфоцитов связывает продукты деградации C3 - C3d и iC3b. Это в 10 000-100 000 раз увеличивает восприимчивость B-лимфоцита к своему антигену. Эту же мембранную молекулу - CR2 - использует в качестве своего рецептора вирус Эпштейна-Барр - возбудитель инфекционного мононуклеоза.

CR3 и CR4 также связывают iC3b, который, как и активная форма C3b, служит опсонином. В случае если CR3 уже связался с растворимыми полисахаридами типа бета-глюканов, связывания iC3b с CR3 самого по себе достаточно для стимуляции фагоцитоза.

C5aR состоит из семи доменов, пенетрирующих мембрану клетки. Такая структура характерна для рецепторов, связанных с G-белками (белки, способные связывать гуаниновые нуклеотиды, в том числе ГТФ).

. Защита собственных клеток. Собственные клетки организма защищены от деструктивных воздействий активного комплемента благодаря так называемым регуляторным белкам системы комплемента.

- C1 -ингибитор (C1inh) разрушает связь C1q с C1r2s2, тем самым ограничивая время, в течение которого C1s катализирует активационное расщепление C4 и C2. Кроме того, C1inh ограничивает спонтанную активацию C1 в плазме крови. При генетическом дефекте dinh развивается наследственный ангионевротический отёк. Его патогенез состоит в хронически повышенной спонтанной активации системы комплемента и избыточном накоплении анафилактинов (C3a и С5а), вызывающих отёки. Заболевание лечат заместительной терапией препаратом dinh.

- C4 -связывающий белок - C4BP (C4-Binding Protein) связывает C4b, предотвращая взаимодействие C4b и С2а.

- DAF (Decay-Accelerating Factor - фактор, ускоряющий деградацию, CD55) ингибирует конвертазы классического и альтернативного путей активации комплемента, блокируя формирование мембраноатакующего комплекса.

- Фактор H (растворимый) вытесняет фактор В из комплекса с C3b.

- Фактор I (сывороточная протеаза) расщепляет C3b на C3dg и iC3b, а C4b - на C4c и C4d.

- Мембранный кофакторный белок MCP (Membrane Cofactor Protein, CD46) связывает C3b и C4b, делая их доступными для фактора I.

- Протектин (CD59). Связывается с C5b678 и предотвращает последующее связывание и полимеризацию С9, блокируя тем самым образование мембраноатакующего комплекса. При наследственном дефекте протектина или DAF развивается пароксизмальная ночная гемоглобинурия. У таких больных эпизодически возникают приступы внутрисосудистого лизиса собственных эритроцитов активированным комплементом и происходит экскреция гемоглобина почками.

ФАГОЦИТОЗ

Фагоцитоз - особый процесс поглощения клеткой крупных макромолекулярных комплексов или корпускулярных структур. «Профессиональные» фагоциты у млекопитающих - два типа дифференцированных клеток - нейтрофилы и макрофаги, которые созревают в костном мозге из СКК и имеют общую промежуточную клетку-предшественник. Сам термин «фагоцитоз» принадлежит И.И. Мечникову, который описал клетки, участвующие в фагоцитозе (нейтрофилы и макрофаги), и основные стадии фагоцитарного процесса: хемотаксис, поглощение, переваривание.

Нейтрофилы составляют значительную часть лейкоцитов периферической крови - 60-70%, или 2,5-7,5х10 9 клеток в 1 л крови. Нейтрофилы формируются в костном мозге, являясь основным продуктом миелоидного кроветворения. Они покидают костный мозг на предпоследней стадии развития - палочкоядерной форме, или на последней - сегментоядерной. Зрелый нейтрофил циркулирует 8-10 ч и поступает в ткани. Общая продолжительность жизни нейтрофила -

2-3 сут. В норме нейтрофилы не выходят из сосудов в периферические ткани, но они первыми мигрируют (т.е. подвергаются экстравазации) в очаг воспаления за счёт быстрой экспрессии молекул адгезии - VLA-4 (лиганд на эндотелии - VCAM-1) и интегрина CD11b/CD18 (лиганд на эндотелии - ICAM-1). На их наружной мембране выявлены эксклюзивные маркёры - CD66а и CD66d (раково-эмбриональные антигены). На рисунке 3-6 представлено участие нейтрофилов в фагоцитозе (миграция, поглощение, дегрануляция, внутриклеточный киллинг, деградация, экзоцитоз и апоптоз) и основные процессы, происходящие в этих клетках при активации (хемокинами, цитокинами и микробными веществами, в частности РАМР) - дегрануляция, образование активных форм кислорода и синтез цитокинов и хемокинов. Апоптоз нейрофилов и их фагоцитоз макрофагами можно рассматривать как важную составную часть воспалительного процесса, так как своевременное их удаление препятствует деструктивному действию их ферментов и различных молекул на окружающие клетки и ткани.

Рис. 3-6. Основные процессы, происходящие в нейтрофилах (НФ) при их активации и фагоцитозе

Моноциты и макрофаги. Моноциты являются «промежуточной формой», в крови их 5-10% от общего числа лейкоцитов. Их назначение - стать оседлыми макрофагами в тканях (рис. 3-7). Макрофаги локализуются в определённых участках лимфоидной ткани: медуллярных тяжах лимфатических узлов, красной и белой пульпы селезёнки. Клетки, производные моноцитов, присутствуют практически во всех нелимфоидных органах: клетки Купфера в печени, микроглия нервной системы, альвеолярные макрофаги, клетки Лангерганса кожи, остеокласты, макрофаги слизистых оболочек и серозных полостей, интерстициальной ткани сердца, поджелудочной железы, мезангиальные клетки почек (на рисунке не показаны). Макрофаги способствуют поддержанию гомеостаза, очищая организм от стареющих и апоптотических клеток, восстанавливая ткани после инфекции и травмы. Макрофаги

Рис. 3-7. Гетерогенность клеток, происходящих от моноцитов. Тканевые макрофаги (МФ) и дендритные клетки (ДК) происходят от моноцитов (МН) периферической крови

слизистых оболочек играют ведущую роль в защите организма. Для реализации этой функции они имеют набор распознающих рецепторов, кислородозависимые и кислородонезависимые механизмы киллинга микроорганизмов. Существенную роль в защите организма от инфекции играют макрофаги альвеолярные и слизистой оболочки кишечника. Первые «работают» в относительно бедной опсонинами среде, поэтому они экспрессируют большое количество паттернраспознающих рецепторов, включая скавенджер-рецепторы, маннозные рецепторы, β-глюканспецифические рецепторы, дектин-1 и др. При микробной инфекции в очаг проникновения микробов дополнительно мигрирует большое число воспалительных моноцитов, способных дифференцироваться в различные клеточные линии в зависимости от цитокинового окружения.

Рецепторы мембраны макрофагов

.CD115 (CSF-1R) - рецептор для моноцитарного колониестимулирующего фактора (M-CSF). Присутствует также на мембране полипотентной клетки-предшественника гранулоцитов и моноцитов и унипотентного предшественника моноцитов.

Рецепторы клеточной мембраны макрофагов, участвующие в процессе фагоцитоза.

-CD14 - рецептор для комплексов бактериальных ЛПС с белками сыворотки крови, связывающими ЛПС (LBP), а также липоарабиноманнана клеточной стенки микобактерий и липотейхоевой кислоты грамположительных бактерий.

Рецепторы для фрагментов фосфолипидных мембран и других компонентов собственных повреждённых и умирающих клеток (рецепторы-«мусорщики», scavenger receptors). Таков, например, CD163 - рецептор для «старых» эритроцитов.

-Рецептор, связывающий маннозу (Macrophage Mannose Receptor). Присутствует на мембране тканевых макрофагов и через маннозосодержащие поверхностные структуры связывает бактерии, вирусы и грибки.

- Рецепторы для комплемента - CR3 (интегрин CD11b/CD18) и CR4 (интегрин CD11c/CD18). Помимо комплемента они связывают и ряд бактериальных продуктов: ЛПС, липофосфогликан Leishmania, гемагглютинин из филаментов Bordetella, поверхностные структуры дрожжевых клеток Candida и грибков Histoplasma.

- CD64 - рецептор для Fc-фрагментов IgG - FcγRI (Fcy-рецептор первого типа), обеспечивающий фагоцитоз макрофагами иммунных комплексов. Сила связывания FcyRI с иммуноглобулинами различных изотипов убывает в ряду: IgG3 > IgG1 > IgG4 >

IgG2.

Рецепторы, осуществляющие взаимодействие с лимфоцитами. Наряду с уже упомянутым CD64 к ним относят:

- рецепторы для цитокинов, вырабатываемых активированными лимфоцитами. Связывание с ИФНу и фактором некроза опухоли (ФНО) активирует макрофаг. Через рецептор для ИЛ-10 макрофаг, напротив, инактивируется;

- CD40, B7, MHC-II - мембранные молекулы для контактов с комплементарными мембранными молекулами лимфоцитов, т.е. для непосредственных межклеточных взаимодействий. У нейтрофилов такие рецепторы отсутствуют.

Последствия фагоцитоза. После того как фагоцит охватывает своей мембраной поглощаемый объект и заключает его в мембранную везикулу, называемую фагосомой, происходят следующие события.

.Расщепление фагоцитированного материала. Этот процесс идёт по одинаковым биохимическим механизмам во всех фагоцитах.

- Лизосомы - специальные внутриклеточные органеллы, содержащие набор гидролитических ферментов (кислых протеаз и гидролаз) с оптимумом pH порядка 4,0. В клетке лизосомы сливаются с фагосомами в фаголизосому, где и происходят реакции расщепления поглощённого материала.

- Ферментные системы. НАДФ-Н-оксидазы, супероксиддисмутаза, NO-синтазы, генерируют активные формы неорганических окислителей, участвующих в деструкции фагоцитированного объекта: пероксид водорода (Н 2 О 2), супероксид анион (О 2 -), синглетный кислород (1 O 2), радикал гидроксила (OH -), гипохлорид (OCl -), оксид азота (NO). Активация НАДФ-Н-оксидазы приводит к формированию так называемого «кислодородного взрыва» (рис. 3-8). Первичным продуктом «кислородного взрыва» является супероксидный анион О 2 - , который образуется при переносе НАДФ-H-оксидазой электрона на кислород. Супероксидный анион обладает слабым бактерицидным эффектом и является недолговечным. В результате реакции, катализируемой ферментом супероксидисмутазой (СОД), из двух молекул супероксидного аниона формируется перекись водорода, обла-

Рис. 3-8. Образование активных форм кислорода фагоцитами («кислородный взрыв»). Обозначения: NADPH-оксидаза - НАДФ-Н-оксидаза, NADP - НАДФ

дающая сильным микробицидным эффектом. При окислении хлоридов перекисью водорода в присутствии миелопероксидазы (МПО) образуется мощный цитотоксический агент - гипохлорная кислота HOCl, при её окислении супероксидным радикалом - гидроксильный радикал ОН, при окислении гипохлорит-иона перекисью водорода формируется синглетный кислород 1 О 2 , который является источником образования другого бактерицидного вещества - озона О 3 (на рис. не показан). При взаимодействии гипохлорной кислоты с аминогруппой

формируется микробицидное производное монохлорамина - R-NHCl.

.Секреция литических ферментов и окислительных радикалов в межклеточное пространство, где они также оказывают бактерицидное действие, но при этом поражают и собственные ткани. Нейтрофилы, помимо уже названных веществ, продуцируют и секретируют коллагеназу, катепсин G, желатиназу, эластазу и фосфолипазу A2.

.Образование и секреция цитокинов. Макрофаги и нейтрофилы, активированные продуктами микроорганизмов, начинают продуцировать цитокины и другие биологически активные медиаторы, инициирующие воспалительные реакции в очаге проникновения чужеродных агентов, подготавливая возможность развития адаптивного иммунного ответа.

Макрофаги продуцируют интерлейкины (ИЛ-1, ИЛ-6, ИЛ-12); хемокин ИЛ-8; фактор некроза опухоли а (ФНОа); простагландины; лейкотриен В4 (LTB4); фактор, активирующий тромбоциты (ФАТ).

Нейтрофилы продуцируют ФНОа, ИЛ-12, хемокин ИЛ-8, LTB4

и ФАТ.

.Процессинг и презентация антигена - образование внутри клеток комплексов из продуктов расщепления фагоцитированного материала с собственными молекулами MHC-II и экспрессия этих комплексов на поверхности клетки для презентации антигенов T-лимфоцитам. Этот процесс осуществляется АПК: ДК, макрофагами и др.

ЭНДОГЕННЫЕ ПРОТИВОМИКРОБНЫЕ ПЕПТИДЫ - ПРИРОДНЫЕ АНТИБИОТИКИ

Пептиды, обладающие активностью антибиотиков, обнаружены в клетках многих эукариот - от растений до человека. Они образуются путём процессинга более крупных белков-предшественников и содержат 13-80 аминокислотных остатков. Изучение противомикробных пептидов в настоящее время - это одно из самых новых направлений исследований. В базе данных о пептидах-антибиотиках содержится свыше 1200 наименований.

Выделяют несколько групп пептидов-антибиотиков, из которых для человека важны так называемые дефензины - пептиды, содер-

жащие несколько цистеинов, между которыми сформированы 3 дисульфидные связи. α-Дефензины содержатся в гранулах нейтрофилов. Синтез β-дефензинов происходит в клетках покровных тканей - эпителия дыхательных путей и пищеварительного тракта (рис. 3-9). Главными источниками α-дефензинов I-IV типов являются нейтрофилы и макрофаги, α-дефензинов V-VI типов - клетки Пеннета кишечника; β-дефензинов - эндотелиоциты и кератиноциты. Дефензины являются многофункциональными агентами, играющими важную роль в процессе фагоцитоза и воспаления. Первый эффект - способность убивать бактерии, грибы, оболочечные вирусы. Он может реализовываться внутриклеточно (в фаголизосоме) и внеклеточно. В результате экзоцитоза довольно большие концентрации дефензинов могут накапливаться в воспалительном очаге. Дефензины индуцируют синтез ИЛ-8 и сами являются хемоаттрактантами. Они оказывают ряд не-

Рис. 3-9. Дефензины и их роль в процессе воспаления и фагоцитоза: а - источники дефензинов; б - эффекты дефензинов. Обозначения: МН - моноциты

специфических эффектов: стимулируют ангиогенез, заживление ран, индуцируют апоптоз и ингибируют синтез ФНОа, что важно на заключительных этапах воспаления. Вместе с тем дефензины стимулируют дифференцировку ДК.

Генетические дефекты пептидов-антибиотиков или необходимых для их функционирования кофакторов (например, ионных каналов, так как активность пептидов-антибиотиков «высокочувствительна» к ионной силе), вероятно, коррелируют с развитием прогредиентно текущей хронической патологии с инфекционными факторами в этиологии. Например, на сегодняшний день доказана связь развития муковисцидоза с мутацией гена регулятора мембранной проводимости CFTR, которая, возможно, определяет снижение активности β-дефензина в эпителии дыхательных путей.

ИНТЕРФЕРОНЫ ТИПА I

Как факторы противовирусной защиты интерфероны были открыты в 1957 г. А. Isaacs и J. Lindenmann. Выделяют интерфероны I, II и III типов. У человека тип I включает ИФНα, ИФНβ, ИФНκ, ИФНω, ИФНε. Главная роль во врождённой защите от вирусов принадлежит ИФНα (включает 13 членов) и ИФНβ (представлен одним членом). ИФНα и ИФНβ состоят из одной α-спиральной цепи из 165 и 166 аминокислотных остатков соответственно. Гомология между цепями составляет около 70%. К интерферонам типа II относится ИФНγ, а к интерферонам III типа - интерфероноподобные цитокины ИФН-λ1 (ИЛ-29), ИФН-λ2 (ИЛ-28A) и ИФН-λ3 (ИЛ-28B).

Считают, что основной источник интерферонов типа I в организме - плазмоцитоидные ДК. Интерфероны - небольшие белки, синтезируемые в инфицированных вирусом клетках. Индуктором синтеза интерферонов служат молекулы двуспиральной РНК. Двуспиральная РНК может быть геномной РНК вирусов или промежуточным продуктом транскрипции у ДНК-содержащих вирусов. В клетках млекопитающих собственных двуспиральных РНК нет.

Интерфероны типа I связываются со специфическими рецепторами на поверхности многих типов клеток иммунной системы и стимулируют противовирусный и в некоторых случаях противоопухолевый иммунный ответ. Подробнее эти действия описаны ниже и представлены на рис. 3-10.

Рис. 3-10. Функции ИФНα/β

Влияние ИФНα/β на дендритные клетки и В-лимфоциты (рис. 3-11)

ИФНα/β стимулируют превращение незрелых ДК (1) в зрелые (2). Это приводит к усилению ими синтеза цитокинов, хемокинов, экспрессии молекул МНС, особенно I класса, костимуляторных молекул, экспрессии и секреции главных факторов выживания и активации В2клеток - BAFF и APRIL. Эти лиганды, взаимодействуя с рецепторами В-клеток BAFFR и TACI соответственно, при участии цитокинов ИЛ10, ТФРβ и ИЛ-15, синтезируемых активированными ДК, вызывают в наивных В-клетках (3) переключение иммуноглобулиновых генов CμСγ и Cμ-Сα и их созревание в IgG(4)- и IgA(5)-плазмабласты. ИФНα/β вызывают активацию макрофагов с теми же последствиями, что и для ДК (на рис. 3-11 не показано). ИФНα/β являются необходимыми цитокинами для созревания и пролиферации В1-клеток - главных продуцентов естественных аутоантител в организме.

Влияние ИФН α/в на Т-клетки (рис. 3-11)

ИФНα/β способствуют выживанию и пролиферации CD4 + и CD8 + T-клеток. ИФНα/β усиливают цитотоксические свойства CD8 + Т-клеток, а также макрофагов и NK-клеток (на рис. 3-11 не показано). Вместе с тем ИФНα/β оказывают мощное антипролиферативное и проапоптозное действие, усиливая экспрессию проапоптотических молекул. Наличие одновременно пролиферативных и антипролиферативных свойств

Рис. 3-11. Влияние ИФНα/β на клетки иммунной системы. Обозначения: Blys и April - факторы выживания и активации В2-клеток BAFF и APRIL; BAFFR и TACI - рецепторы В-клеток. Этапы 1-5 описаны в тексте

связано, вероятно, с включением на различных этапах инфекционного процесса или адаптивного иммунного ответа различных регуляторных механизмов, определяющих чувствительность клетки к действию ИФНа/р.

Интерфероны типа I индуцируют ферменты, нарушающие репликативный цикл вирусов:

Олигоаденилатсинтетазу, полимеризующую АТФ в 2",5"-олигомеры (в норме нуклеотиды в нуклеиновых кислотах связаны по 3",5"). Аномальные 2",5"-олигомеры активируют эндорибонуклеазу, которая расщепляет их и заодно вирусные нуклеиновые кислоты;

Серинтреониновую киназу Р1 , фосфорилирующую фактор инициации синтеза белка эукариот eIF-2, что приводит к подавлению трансляции, в том числе и вирусных белков;

Белок MX - клеточный белок, необходимый для проявления резистентности клетки к размножению в ней вируса гриппа (по данным генетического нокаута гена mx).

ФАКТОРЫ ВРОЖДЁННОГО ИММУНИТЕТА

В табл. 3-4 перечислены различные факторы (молекулы) врождённой резистентности, относящиеся к разным функциональным классам (лектины, ЛПС-реактивные белки, активаторы комплемента, цитокины, липидные медиаторы, реактанты острой фазы, пентраксины).

Выживание животных в среде, изобилующей потенциально патогенными для них микроорганизмами, возможно при условии наличия у них совокупности механизмов немедленного распознавания и элиминации микробов, формирующих эволюционно древнюю форму иммунитета, именуемого врожденным (примордиальным, конституциональным, естественным).

Важную роль в становлении врожденного иммунитета играет система детекции (рекогниции, распознавания) чужеродных молекул и их носителей. Значимым достижением последнего десятилетия в этой области исследований являются данные о природе и характере взаимодействия с патогенассоциированными молекулярными паттернами группы рецепторов, известных как Толл-рецепторы (Toll receptors) у Drosophila melanogaster и Толл-подобные рецепторы (Toll-like receptors) у человека и мыши. Подобное экзотическое название рассматриваемой группе рецепторов дала известная немецкая исследовательница, лауреат Нобелевской премии по физиологии или медицине за 1996 г. Нюслен-Волхард. «Toll» переводится с немецкого как «невероятно» или «умопомрачительно». Именно так отреагировала Нюслен-Волхард на картину аномального эмбрионального развития Drosophila melanogaster, которую ей продемонстрировали сотрудники лаборатории. Этой группой исследователей анализировалась экспрессия набора генов в эмбриогенезе и их значимость в закладке органов и тканей насекомого (Anderson, 2000). Они широко использовали в своей работе методы молекулярной биологии по включению и выключению генов, имеющих отношение к морфогенезу. Ими было, в частности, выявлено критическое значение в закладке дорсовентральной оси тела дрозофилы рецепторов, которые и получили наименование «Толл-рецепторов». Уже другой группой ученых было установлено, что столь значимые для морфогенеза в эмбриональный период рецепторы у взрослых насекомых (имаго) имеют прямое отношение к формированию рекогносцировочных механизмов врожденного иммунитета (Lemaitre et al., 1996). Как выяснилось далее, взаимодействие компонентов микробных оболочек (липополисахариды, пептидогликаны, липотейхоевые кислоты, глипротеиды микобактерий, маннаны низших грибов) с клетками-носителями Толл-рецепторов инициирует в них процессы синтеза антимикробных пептидов и белков, которые участвуют в киллинге бактерий и низших грибов (Hoffmann et al., 1999). При этом одни рецепторы реагируют на липополисахариды, другие - на компоненты клеточной стенки низших грибов, третьи - на пептидогликаны и т. д. Подобная избирательность реагирования на лиганды патогенов (патогенассоциированных молекулярных паттернов - по: Janeway, 1992) рецепторов иммунных клеток организма определяет прицельность и эффективность иммунного реагирования животных на инфекцию. В последние годы выявлены Толл-подобные рецепторы, участвующие в дискриминации ДНК бактериального и животного происхождения, основанной на детекции степени метилирования цитозина в CpG-napax, которая почти на порядок выше в ДНК эукариот (Aderem, Hume, 2000). Рассматриваемое семейство рецепторов дополняет группу рецепторов, связанных с лектинами и формилметиониловыми пептидами, которые в совокупности обеспечивают эффективное распознавание «не- своего» как у беспозвоночных, так и позвоночных животных системой врожденного иммунитета (табл. 1).

Группа Толл-подобных рецепторов у млекопитающих (человек, мышь) представлена как на поверхности (ТПР2, ТПР4, ТПР5, ТПР6), так и в вакуолярном аппарате (ТПР2, ТПР7, ТПР8, ТПР9) клеток, имеющих отношение к защитным реакциям организма. Толл-подобные рецепторы у позвоночных экспрессируются на клетках мононуклеарной фагоцитирующей системы, дендритных клетках, нейтрофилах, базофилах и тучных клетках, эозинофилах, NK-клетках и эпителиоцитах (Janeway, Medzhitov, 2002), а у насекомых - на клетках жирового тела (функциональный аналог печени позвоночных) и амебоцитах (Hoffmann et al., 2003).

Гены и соответствующие им белки, принадлежащие к семейству Толл-подобных рецепторов, были выявлены и в клетках человека (Medzhitov et al., 1997). В настоящее время известно десять изоформ ТПР у человека и 12 у мыши (Rock et al., 1998; Beutler, 2004). Для многих из них установлены лиганды, а также молекулярные компоненты путей сигнальной трансдукции, приводящих к активации транскрипционных факторов, которые ответственны за регуляцию того или иного набора генов иммунного ответа у животных. У человека и мыши описано четыре адапторных белка, взаимодействующих с TIR-доменами ТПР: MyD88- myeloid differentiation factor 88; MAL/TIRAP- MyD88-adaptor-like/ TIR-associated protein; TR1F - Toll-receptor-associated activator of interferon и TRAM-Toll-receptor-associated molecule. Эти адап- торные белки обеспечивают проведение сигналов с ТПР, 1L1R, IL18R, благодаря гомофильному взаимодействию с TIR-доменами рецепторов, с одной стороны, и доменами смерти серин-тре- ониновых протеинкиназ (IRAK, ТВК1)- с другой (рис. 6, 7). Благодаря этим белкам формируются межбелковые контакты в проксимальных частях путей сигнальной трансдукции, которые завершаются активацией соответствующих транскрипционных факторов (NFkB, IRF3), транслоцирующихся из цитоплазмы в ядро и взаимодействующих со специфическими сайтами в области промоторов и энхансеров генов иммунного ответа.

Клетки иммунной системы человека экспрессируют в различных сочетаниях до десяти разнообразных Толл-подобных рецепторов, каждый из которых участвует в распознавании одного или группы патогенассоциированных молекулярных паттернов. Наибольшее внимание исследователей до настоящего времени было привлечено к ТПР2 и ТПР4. Последний рецептор имеет прямое отношение к распознаванию липополисахарида (эндотоксина) грамотрицательных бактерий, поскольку генетический нокаут его гена (lps) приводит к потере «чувствительности» организма к этому соединению (Poltorak et al., 1998). Мыши с выключенным геном lps резистентны к септическому шоку, вызываемому липополисахаридами, но чувствительны к инфекции грамотрицательной этиологии.

ТПР2 ответственен за распознавание липопротеидов микобактериального происхождения (Brightbill et al., 1999; Aliprantis et al., 1999). Этот же рецептор в кооперации с ТПР6 распознает пептидогликаны бактериальных стенок (Ozinsky et al., 2000). Другая система детекции чужеродных молекул опосредована ТПР9 (Hemmi et al., 2000). С этим рецептором связана способность распознавать неметилированные остатки цитозина в CpG- парах ДНК микробного и вирусного происхождения (Aderem, Hume, 2000; Aderem, Ulevith, 2000).

Первые рецепторы рассматриваемого семейства были выявлены у дрозофил в ходе анализа путей сигнальной трансдукции, контролирующих формирование дорсовентральной оси эмбриона плодовой мушки (Anderson et al., 1985; Hashimoto et al., 1988). Толл-гены ответственны за синтез трансмембранных белков с большим внеклеточным доменом, включающим множественные повторы, обогащенные аминокислотой лейцином (рис. 7). В эмбриогенезе рассматриваемые белки участвуют в межклеточных взаимодействиях, ответственных за морфогенетические процессы, а у взрослой мухи-имаго они опосредуют индуцибельные

гирование осуществляется внеклеточным лейцинобогащенным доменом рецептора совместно с надмолекулярным комплексом липополисахаридсвязывающий белок/CD 14/MD-2 белок (рис. 6, 7). Формирование многокомпонентного комплекса обеспечивает оптимальное связывание эндотоксина с ТПР4 и запуск пути сигнальной трансдукции, приводящего к активации транскрипционного фактора NFkB (Belvin, Anderson, 1996). Последний связывается со специфическими сайтами промоторов и энхансеров более чем 150 генов, ответственных за синтез белков и пептидов, вовлеченных в той или иной степени в иммунный ответ организма на инфекцию (Ghosh et al., 1998; Zhang, Ghosh, 2001). Путь сигнальной трансдукции, инициируемый связыванием лиганда с ТПР4, отображен на рис. 6 и 7. На этой же схеме отражен один из путей активации гомологичных по структуре NFkB фактору транскрипционных факторов дрозофилы (Dif/Relish), участвующих в иммунном реагировании насекомого на патогены грибковой и бактериальной этиологии. Поражает удивительное сходство ряда ключевых компонентов сравниваемых путей сигнальной трансдукции у животных, разделенных в эволюции несколькими сотнями миллионов лет (Hoffmann et al., 1999).

Среди соединений, синтез которых на генетическом уровне активируется транскрипционным белком NFkB, представлены цитокины: ИЛ-1, ИЛ-2, ИЛ-6, ИЛ-12, ФНОа, ЛТа, ЛТр, GM-CSF, ИЛ-8; адгезионные факторы ICAM, VCAM, ELAM; костимуля- торные молекулы CD40, CD80 и CD86; дефенсины, продуцируемые эпителиями (ТАР, hpD2, mPD2). Многие из этих белков и пептидов в той или иной степени участвуют не только в реализации иммунного ответа врожденного типа, но и регулируют ряд реакций приобретенного иммунитета у позвоночных (Janeway, 1992; Fearon, Locksley, 1996). Отдельные стороны взаимодействия механизмов врожденного и приобретенного иммунитета будут рассмотрены в гл. 4.

Отличительной особенностью системы врожденного иммунитета является ее способность распознавать широкий спектр микроорганизмов, используя для этого ограниченный репертуар рецепторов. Структура некоторых из них отличается удивительным постоянством (инвариантностью) на протяжении сотен миллионов лет эволюции животных. Наиболее показательным примером консерватизма структуры некоторых рецепторов врожденного иммунитета являются Толл-рецепторы плодовой мушки Drosophila melanogaster (Hoffmann et al., 1999; Lemaitre, 2004) и гомологичные им Толл-подобные рецепторы человека и мыши (Akira, Hemmi, 2003). Объяснение установленному структурному сходству рецепторов лежит, по-видимому, в том, что их лиганды являются также мало изменяющимися в эволюции структурными компонентами микроорганизмов, получивших название патоге- «ассоциированных молекулярных паттернов (ПАМП) (Janeway, 1989, 1992, 2002). По химической природе ПАМП относятся к липидам (липид А грамотрицательных бактерий), углеводам (маннаны, терминально локализованные остатки D-маннозы, L-фукозы, D-N-ацетилглюкозамина, D-глюкозы), пептидам (фор- милметиониловые пептиды инициальной последовательности синтезируемых белков бактерий, флагеллин жгутиков бактерий), ДНК (неметилированные по цитозину тандемы CpG ДНК бактерий и вирусов), РНК (двуспиральные и односпиральные РНК вирусов), гетеросоединениям (пептидогликаны, липотейхоевые соединения, липоарабиноманнан, липопротеиды). Для большинства из этих соединений характерно их присутствие преимущественно в мире микробов, а потому на их детекции в эволюции выстроилась комплексная система рецепторов врожденного иммунитета так называемых паттернраспознающих рецепторов (молекул) - ПРР(М) (Janeway, 1989). Паттернраспознающие рецепторы самостоятельно либо в кооперации друг с другом и системой комплемента однозначно дискриминируют (различают) патогенное (инфекционное) «несвое» от неинфекционного «своего». Благодаря этому далее развертываются эффекторные механизмы иммунитета (фагоцитоз, активация системы комплемента, синтез цитокинов и антибиотических пептидов и др.), сфокусированные на носителе ПАМП и приводящие к элиминации патогенов и их молекул. Между изоформами Толл-рецепторов насекомых и Толл-подобных рецепторов млекопитающих существует специализация по преимущественному связыванию или реагированию на тот или иной патогенассоциированный молекулярный паттерн. Уже у дрозофилы Толл-рецептор (ТР) реагирует на инфицирование грибками (Lemaitre et al., 1996), а гомологичный ему 18 Weeler рецептор - на бактериальную инфекцию (Imler, Hoffmann, 2000).

Представители этого суперсемейства рецепторов у человека были открыты в лаборатории Ч. Джэнуэя в 1997 г. (Medzhitov et al., 1997), а в лаборатории Б. Бьютлера был впервые изучен ТПР4 мыши, ответственный за реагирование клеток иммунной системы на эндотоксины (Poltorak et al., 1998; Quershi et al., 1999). Установлено, что каждая изоформа Толл-подобных рецепторов мыши и человека ответственна за детектирование какого-то одного типа или группы структурно сходных лигандов. За детекцию пептидогликанов оказались ответственны ТПР2 (Takeuchi et al., 1999) в кооперации с ТПР6 (Ozinsky et al., 2000). Флагеллин - белок жгутиков бактерий выявляется ТПР5 (Hayashi et al., 2001), а бактериальная ДНК - ТПР9 (Hemmi et al., 2000), ТПР4 лигирует непосредственно липополисахариды, а ТПРЗ детектирует двуспиральную РНК вирусов (Alexopoulou et al., 2001). Спектр ПАМП для ТПР2, по-видимому, более разнообразен: пептидо- гликаны и липопротеины бактерий, липоарабиноманнаны микобактерий, маннаны дрожжей. Есть сведения в пользу того, что предпочтение к тому или иному из лигандов формируется в ходе ассоциации ТПР2 с другими ТПР. Это доказано в случае детекции пептидогликанов связкой рецепторов ТПР2 и ТПР6 (Schwander et al., 1999; Iyshimura et al., 1999). В настоящее время доказано, что гетерологичная (как в случае ТПР2 и ТПР6) или гомологичная (в случае ТПРЗ, ТПР4, ТПР9 и др.) димеризация Толл-подобных рецепторов является необходимым условием инициации пути сигнальной трансдукции в результате связывания патогенассоци- ированных молекулярных паттернов (Beutler, 2004). У человека и мыши липополисахариды взаимодействуют с Толл-подобными рецепторами непосредственно, будучи локированными к ним в форме двойного (JiriC/CD14) или тройного (ЛПС/ЛСБ/СБМ) комплекса (Beutler, 2004). Следует обратить внимание, что в случае ТПР4 возможны как минимум два пути сигнальной трансдукции, приводящие к активации различных факторов инициации транскрипции и, как следствие, к несколько различающимся спектрам синтезируемых цитокинов (рис. 8). Основной путь, рассмотренный нами ранее в связи с активацией транскрипционного фактора NFkB, в своей проксимальной внутриклеточной части сопряжен с гетеродимерным комплексом, состоящим из белков MyD88 и MAL/TIRAP. Параллельный ему путь сигнальной трансдукции, инициируемый также связыванием липополисахаридов с ТПР4, в качестве инициального внутриклеточного звена включает гетеродимерный комплекс TRAM/TRIF, который, мобилизуя киназу ТВК1 (TANK-binding kinase 1), создает условия для фосфорилирования и переноса в ядро транскрипционного белка IRF3 (interferon regulatory factor 3). Последний может активироваться также в результате развертывания пути сигнальной трансдукции, который начинает с ТПРЗ, ответственного за детектирование двуспиральных РНК вирусов или их молекулярных имитаторов (полиинозин/цитозин). В ядре фосфорилированный IRF3 связывается с регуляторными сайтами ряда генов (IFN-a, IFN-P, RANTES, IP-10), инициируя их транскрипцию, завершающуюся синтезом цитокинов, которые необходимы в формировании защитных реакций организма.

Вопрос о том, являются ли флагеллин и ДНК бактерий непосредственными лигандами для Толл-подобных рецепторов млекопитающих или они инициируют пути сигнальной трансдукции опосредованно, как это имеет место в случае Толл-рецепто- ра у дрозофилы, остается открытым до настоящего времени. Как однозначно установлено, молекулы микробного происхождения (ПАМП) не являются непосредственными лигандами Толл-ре- цепторов у насекомых. Компоненты грамположительных бактерий избирательно связываются циркулирующим в гемолимфе

2.2. Распознавание чужого в системе врожденного иммунитета

in vivo на нокаутных животных по генам TLR (по исчезновению способности обеспечивать защиту от тех или иных патогенов). Связывающие участки TLR обладают достаточно высоким сродством к лигандам. Эти участки представляют собой подковообразные структуры, наружная часть которых образована а-спиралями, а внутренняя - связывающая лиганд - р-слоя- ми. Данные о специфичности и локализации TLR человека схематически отражены на рис. 2.11.

Чаще всего TLR распознают липидсодержащие структуры, олигонуклеотиды и углеводы; реже всего - белки (например, флагеллин в случае TLR-5). Достаточно сложно происходит образование комплекса при распознавании бактериального ЛПС рецептором TLR-4 (см. рис. 2.10). Для распознавания ЛПС прежде всего требуется его высвобождение из клеточной стенки бактерии, после чего он образует комплекс с сывороточным фактором LBP (LPS-binding complex - ЛПС-связывающий комплекс). LBP обладает сродством к мембранной молекуле CD14, что обеспечивает взаимодействие с ней комплекса ЛПС-LBP. Затем этот комплекс (уже прикрепленный к мембране через липид А, входящий в состав ЛПС) связывается с внутренней (гидрофобной) поверхностью молекулы MD2, своей наружной поверхностью взаимодействующей с внутренней поверхностью «подковы» TLR-4 (т.е. фактически TLR-4 распознает не ЛПС, а MD2). Сходная роль корецепторных молекул выявлена при распознавании паттернов TLR-2; в этом случае в качестве корецепторов выступают молекулы CD14, CD36 и интегрин avP3 (витронектин). По-видимому, для распознавания паттернов TLR необходимо участие дополнительных молекул.
Некоторые TLR распознают нуклеиновые кислоты и структуры, сходные с нуклеотидами, что важно для распознавания как вирусов, так и бактерий. Так, TLR-3 распознает двуспиральную РНК, характерную для большинства вирусов, а TLR-9 - участки ДНК, обогащенные неметилированными последовательностями CpG (Cytidine-Phosphate-Guanosine - цитидин-фос- фат гуанозин), характерными для ДНК бактерий. TLR-7 и TLR-8 обладают сродством к имидазохолиновым и гуанозиновым производным (например, при взаимодействии с ними TLR-7 мобилизуется противовирусная защита). Учитывая структурное родство этих производных с вирусной ДНК, считают, что TLR-7 и TLR-8 участвуют в распознавании односпиральной вирусной РНК. Все 4 типа TLR, распознающих нуклеиновые кислоты (TLR-3, TLR-7, TLR-8, TLR-9), локализованы внутри клетки (см. рис. 2.11). В связи с особенностями структуры трансмембранного участка этих TLR они представлены только на мембране эндоплазматического ретикулума, но не на плазмолемме. При эндоцитозе материала, содержащего PAMP, происходит мобилизация TLR из мембраны ретикулума в мембрану фаголизосомы, где они распознают паттерны и передают сигнал внутрь клетки. Локализация TLR-3, TLR-7, TLR-8, TLR-9 не на поверхности клетки, а в фаголизосоме предохраняет от распознавания собственных нуклеиновых кислот, что чревато развитием аутоиммунной патологии. Собственные ДНК или РНК попадают в фаголизосомы только при усиленном апоптозе. Кроме того, нуклеиновые кислоты, расположенные внутри вирусов и бактерий, становятся доступными для рецепторов только в фаголизосомах, где происходит разрушение патогенов. Экспрессия TLR на клетках врожденного иммунитета описана в табл. 2.10.
В результате распознавания лигандов TLR генерируется активационный сигнал. Решающую роль при этом играет внутриклеточный TIR-домен, а также связанные с ним адапторные молекулы. Процесс передачи сигнала от TLR будет рассмотрен в контексте активации клеток врожденного иммунитета (см. раздел 2.2.4).
Таблица 2.10. Экспрессия Толл-подобных рецепторов на клетках иммунной системы

Клеточный толл-подобный рецептор 9 (toll-like receptor 9 , TLR9) - один из представителей «первой линии» иммунного ответа организма - специфично связывает вирусные и бактериальные ДНК, образуя характерные m-образные димерные структуры. Взаимодействие с патогенной ДНК происходит благодаря наличию в ней особой составляющей - цитозин-фосфат-гуанин (CpG) динуклеотидного мотива, который избирательно связывается с рецептором в определенных сайтах. Установление кристаллической структуры комплекса «рецептор-мотив» помогло лучше разобраться в особенностях работы этой составляющей врожденного иммунитета.

Подробное исследование особенностей связывания СpG-мотива с рецептором показало, что иммуностимулирующая активность динуклеотида зависит от нескольких важных факторов.

Первым и самым очевидным из них является количество неметилированных последовательностей цитозин-гуанин во «враждебной» ДНК. Чем больше СpG-мотивов присутствует в нуклеотидной цепи бактерии, тем большее количество рецепторов будет ее связывать.

Второй особенностью, которую удалось выявить, является определенный «шаблон» мотива, выражаемый формулой RRCG YY (где С - цитозин, G - гуанин, а R и Y - любые пуриновые и пиримидиновые основания соответственно). Примечательно, что инверсия C и G приводит к образованию только неактивного мономерного комплекса TLR9-СpG, в то время как формирование активного подразумевает димерную m-образную структуру с соотношением рецептор:лиганд равным 2:2 .

Третьим фактором выступает процессинг рецептора, который необходим для образования стехиометрического димера. Если процессинга не было либо он проходил неверно, образовывались практически лишь мономерные формы. Несвязанный димер TLR9 представляет собой так называемую Z-петлю, состоящую из участков, богатых лейцином (leucine-rich repeat, LRR ) (рис. 1).

Механизм связывания СpG-мотива с сайтом рецептора авторы исследования красноречиво окрестили «молекулярным клеем » . Фрагмент одноцепочечной ДНК обвивается вокруг рецептора, начиная с N-конца белковой молекулы и охватывая несколько LRR-сайтов. Именно одна нуклеотидная цепь может плотно облегать необходимые участки TLR9: при попытках использования в экспериментах двухцепочечной ДНК аффинитет рецептора резко снижался.

Сам СpG-мотив, согласно вышеуказанному шаблону представленный в виде гексамера, образовывал сложную систему водородных связей с двумя десятками аминокислот и дополнительно координировался Ван-дер-Ваальсовыми взаимодействиями еще с десятком остатков. Важно, что подобной «атаке с флангов» подвергаются две молекулы ДНК, поскольку связанный комплекс рецептора существует в виде гомодимера (рис. 2). Несмотря на обилие аминокислот, связывающих СpG-мотив, мутации некоторых из них даже по отдельности могут серьезно понизить «налипание» динуклеотида на рецептор .

Чем может быть полезно такое глубинное выявление особенностей работы TLR9? Конечно же, созданием таргетных препаратов для стимуляции или, наоборот, ингибирования активности этих рецепторов. Нарушения в работе иммунной системы (как в сторону активации, так и супрессии) лежат в основе множества инфекционных и аутоиммунных заболеваний. Знание структуры и механизмов работы участников врожденного иммунитета, несомненно, позволит проводить их регуляцию и возвращать «сбившиеся» параметры в норму.