Ранние исследования об иммунитете

Елена Клещенко
«Химия и жизнь» №11, 2011

Нобелевскую премию по медицине 2011 года разделили на две половины. Одну получили Брюс Бютлер, профессор генетики и иммунологии Исследовательского института Скриппса (Ла-Хойя, США), и Жюль Хоффман, бывший руководитель лаборатории в Страсбургском университете, директор Института молекулярной биологии клетки, президент Французской академии наук в 2007–2008 годах (ныне в отставке), — за исследование механизмов активации врожденного иммунитета. Вторую половину присудили Ральфу Стайнману, выходцу из Канады, занимавшему пост профессора иммунологии в Рокфеллеровском университете (Нью-Йорк), — за открытие роли дендритных клеток в адаптивном иммунитете.

Сразу вслед за именами лауреатов 3 октября 2011 года в новостных лентах появились сообщения о смерти Ральфа Стайнмана. Он скончался 30 сентября, а Нобелевский комитет не получил этой информации вовремя. Согласно уставу, самая престижная научная премия не может быть присуждена человеку, которого нет в живых, однако Нобелевский комитет объявил, что Стайнман остается лауреатом: на момент принятия решения не было известно о его кончине, таким образом, сделанный выбор соответствует духу премии, если не букве. И в конце концов, альтернативное решение общественность едва ли приняла бы с симпатией.

Наши внутренние войска

Нас ежеминутно атакуют орды захватчиков. Вирусы, бактерии, паразиты, клетки микроскопических грибков и патогенных простейших — мы для них, как выражался Клоп-Говорун в «Сказке о Тройке», «бурдюки с питательной смесью». И как в подобных условиях многоклеточные организмы сумели чего-то достичь на Земле?

Благодарить за это нужно иммунную систему. Эволюция на всякое действие находит противодействие, и мы не беззащитны перед врагами. Плотные кожные покровы сами по себе дают неплохую механическую защиту: если руки не поранены, мы можем безнаказанно копаться в грязи, а царапинка сразу воспалится. В слюне и слезах содержится лизоцим — фермент, разрушающий стенки бактерий. Как ни щиплет в глазу, когда в него попадает грязь или мошка, можно утешиться мыслью, что нахальным вторженцам еще хуже.

Небольшая воспаленная царапина, скорее всего, поболит и пройдет без всякого йода (не будем рассматривать страшные случаи вроде столбняка или вируса гепатита В). Амбициозные планы микробов по захвату огромного запаса влаги, белков, жиров и углеводов окончатся крахом, потому что воспаление — это тоже защитная реакция, один из механизмов врожденного, или неспецифического, иммунитета, который в той или иной форме имеется у всех многоклеточных организмов. Болезненность, покраснение, жар и отек — все это признаки военных действий. Высокая температура, как правило, для захватчиков некомфортна, а кроме того, отек и расширение сосудов предоставляют клеткам-фагоцитам, поедающим чужеродные вещества, более свободный доступ к «добыче». К механизмам неспецифического иммунитета относится и цитотоксическое действие системы комплемента — биохимическое приспособление для пробивания мембран вражеских клеток.

Более совершенное оборонительное оружие — специфический, или адаптивный, иммунитет — имеется только у высших организмов, начиная с челюстноротых рыб. Именно тут в игру вступают антитела, или иммуноглобулины, — похожие на букву Y белковые молекулы, вырабатываемые лимфоцитами. Верхние «палочки» Y взаимодействуют с чужеродным веществом (антигеном), связывая его или помечая для уничтожения. Молекулы антител находятся и в мембране лимфоцитов, где они играют роль рецепторов, распознающих антигены.

Здесь перед учеными встала биоинформатическая проблема. Антитело состоит из четырех белковых цепей, которые, согласно Центральной Догме (ДНК-РНК-белок), должны кодироваться некими генами. Но чужеродных веществ, проникающих в организм, может быть бесконечно много — такое количество генов иммуноглобулиновых цепей не уместится ни в одном геноме!

Противоречие разрешила клонально-селекционная теория (ее предложил австралиец Макфарлейн Бернет, получивший совместно с Питером Медаваром Нобелевскую премию 1960 года за открытие искусственной иммунной толерантности). Гены иммуноглобулинов в геномах неспециализированных клеток содержатся в виде «заготовок». При созревании В-лимфоцитов эти гены претерпевают перестройки — в строго определенных участках, но с элементом случайности, так что каждая В-клетка в итоге синтезирует свое неповторимое антитело, чьи вариабельные участки идеально подходят к еще неведомому антигену. Встреча с этим антигеном (его узнают рецепторы В-лимфоцита, аналогичные его антителам), а также сигналы от других клеток иммунной системы побуждают В-лимфоцит к бурному размножению и синтезу антител. В процессе созревания В-лимфоциты проходят строгий отбор — те, которые случайно «нацелились» на собственные молекулы организма, должны быть уничтожены.

Т-лимфоциты называются так потому, что проходят последние этапы развития в тимусе (а В-лимфоциты — потому, что были впервые обнаружены у птиц в так называемой фабрициевой сумке — bursa fabricii). В их мембране тоже есть рецепторы для антигенов, не совсем такие, как антитела, но также принадлежащие к семейству иммуноглобулинов. Т-хелперы («помощники») активируют В-лимфоциты, Т-киллеры убивают собственные клетки организма, зараженные или измененные. То же делают и лимфоциты другой группы, «естественные киллеры» (NK-клетки, от natural killer), но их действие менее специфично.

Адаптивным (приобретенным) этот иммунитет называется потому, что иммунная система обладает памятью. В организме сохраняются клоны В- и Т-лимфоцитов, специфичных к определенному антигену, и при повторной встрече с тем же возбудителем именно они начинают стремительно размножаться. Вот почему вторичный иммунный ответ развивается быстрее и большинство людей болеет краснухой или ветрянкой лишь раз в жизни: при повторной инфекции наша внутренняя армия выметает захватчика поганой метлой до проявлений болезни. Вирусы простуды или гриппа умеют уходить от удара за счет быстрой изменчивости, поэтому нельзя получить иммунитет против них раз и навсегда. Но младенцы переносят их тяжелее, чем школьники и взрослые, у которых от прошлых эпидемий сохранились лимфоциты памяти с антителами, подходящими хотя бы к некоторым участкам новых вирусных белков.

На этом свойстве иммунной системы основан принцип вакцинации. Черная оспа, полиомиелит, коклюш — инфекции, первое знакомство с которыми может обойтись слишком дорого, поэтому лучше обучить «армию» заранее, предъявив ей ослабленную культуру возбудителя или отдельные характерные для него молекулы.

Понятно, как важен для нас иммунитет и как опасно его ослабление с возрастом или при заболевании. С другой стороны, армия, даже расквартированная на собственной территории, — небольшая радость для мирных жителей, если воины забудут о дисциплине. Когда иммунная система начинает реагировать на «свои» молекулы и клетки, возникают аутоиммунные болезни. С некорректным срабатыванием защиты связаны и аллергические заболевания.

Иммунологические открытия не раз награждались Нобелевскими премиями: их получили И. И. Мечников и Пауль Эрлих, создатели клеточной и гуморальной теорий иммунитета (1908), Родни Портер с Джеральдом Эдельманом, установившие структуру антител (1972). Польза этих исследований для человечества бесспорна, и, кроме того, это действительно высокая наука. За «покраснением и жжением» стоит столько разнообразных событий на клеточном и молекулярном уровне, что реконструкция Бородинской битвы кажется детской игрой.

Экспресс-анализ на бактерию

Врожденный иммунитет, эволюционно более древний, в чем-то и более загадочен. Например, почему воспалительная реакция запускается так стремительно? Быстрота как будто бы говорит о ее неспецифичности: на сложные процессы вроде выработки антител не хватило бы времени. Но как тогда организм узнает, что враг на пороге, и как понимает, что это именно враг, а не безвредная микрочастица?

Начнем с самого начала: с эмбрионального развития дрозофилы. Кристиана Нюссляйн-Фольхард (Нобелевская премия 1995 года), увидев необыкновенно уродливых личинок плодовой мушки, воскликнула: «Das war ja toll!» (по-немецки toll — поразительно, безумно). Так и назвали мутантный ген. А потом один из лауреатов этого года, Жюль Хоффман с коллегами, выяснил, что Toll отвечает не только за эмбриональное развитие мушки, но и за иммунитет у взрослых дрозофил к грибковым инфекциям. (Здесь и далее ссылки на научные работы см. в конце статьи.) Мутантные дрозофилы умирали от грибковой инфекции, не слишком опасной для нормальных особей. При этом бактериальным инфекциям они противостояли успешно.

А потом оказалось, что подобные гены есть не только у дрозофилы. Группа ученых под руководством Брюса Бютлера обнаружила такой ген у мыши. Они же показали, что продукт мышиного Toll-подобного гена — рецептор липополисахарида, вещества из клеточной стенки грамотрицательных бактерий. (Грамотрицательными называются бактерии, чьи клетки остаются бесцветными при окраске по Граму — анилиновыми красителями с фиксацией йодом и промыванием спиртом — из-за особого строения клеточной стенки. К ним относятся, например, кишечная палочка, сальмонелла, легионелла, хеликобактер.) Кроме того, исследователи продемонстрировали прямую связь между этим геном и иммунитетом мыши.

Итак, еще один рецептор в мембране клеток иммунной системы — их там столько, что устанешь запоминать, и каждый для чего-то нужен. В чем важность именно этого открытия? Во-первых, подтвердилась эволюционная древность врожденного иммунитета — о ней говорит общность молекулярных механизмов у насекомых и млекопитающих. Во-вторых, найдена «кнопка включения» врожденного иммунитета. Теперь мы знаем, что на этом этапе распознается не уникальный участок антигена, а вещество, типичное для обширной группы болезнетворных бактерий. Отсюда быстрота и неспецифичность, скажем, воспалительной реакции. Если использовать наши человеческие понятия — иммунная система проводит экспресс-анализ на присутствие маркера, общего для многих опасных бактерий. Сигнал от бактериального липополисахарида, принятый TLR, запускает каскад биохимических событий, который и приводит к реакции воспаления (а при опасном избытке липополисахарида — к септическому шоку).

Открытие вызвало большой интерес у иммунологов, и вскоре у человека и мыши были найдены десятки TLR — Toll-like receptors. Эти рецепторы опознают структурные компоненты бактерий, вирусов и грибков, как вне клеток, так и в «проглоченном» виде, в эндосомах. (Каждый тип рецепторов узнает определенное вещество и тем самым — определенную группу патогенов. Вот почему мутантные дрозофилы Хоффмана были беззащитны перед грибками, но не перед бактериями.) Они принадлежат к более обширной группе рецепторов распознавания паттерна, или образ-распознающих рецепторов, задача которых — реагировать на вещества, типичные для патогенов (см. статью Н. Л. Резник в этом же номере).

Для российских читателей тут есть еще один интересный момент. Бютлер, руководитель группы, как полагается, указан последним в списке авторов, а на первом месте (Poltorak A.) — Александр Николаевич Полторак, выпускник СПбГУ, ныне работающий в Университете Тафтса (Бостон). Совсем недавно, в сентябре, Александр Полторак получил один из сорока «мегагрантов» Минобрнауки на создание лаборатории врожденного иммунитета в Петрозаводском государственном университете. (О «мегагрантах», цель которых — привлечь в российские вузы ведущих ученых, см. «Химию и жизнь», 2010, № 12, и Сайт Министерства образования и науки Российской Федерации.)

Йельский профессор и московский аспирант

Почти сразу же после того, как были объявлены имена лауреатов, научная общественность по традиции принялась обсуждать, тех ли наградили и кого забыли. И здесь нужно рассказать о человеке, которого американские коллеги называли «парнем из России», хотя родился он в Ташкенте.

Предположение о том, что врожденный иммунитет включается распознаванием веществ, типичных для обширных групп инфекционных агентов, и что именно клетки врожденного иммунитета побуждают к активности Т- и В-лимфоциты, еще в конце 80-х высказал известный иммунолог Чарльз Джейнуэй из Йельского университета. (Его фамилия в англоязычных источниках часто пишется с добавлением Jr. — «младший», поскольку он принадлежал к знаменитой династии врачей.) Сейчас это называют «блестящим озарением», но публикация Джейнуэя 1989 года о «гипотезе распознавания паттернов» была встречена прохладно: четкое красивое взаимодействие «антиген-антитело» привлекало куда больше, чем темные тайны врожденного иммунитета.

В 1992 году статья Джейнуэя попала в руки Руслану Меджитову — выпускнику Ташкентского государственного университета и аспиранту МГУ. Как рассказывал позднее сам Меджитов, эта статья указала ему направление: он понял, что нужно найти рецепторы, существование которых постулировал Джейнуэй. Кто помнит российскую науку в 90-е годы, тот знает, что даже раздобыть и ксерокопировать иностранную публикацию было непросто, а уж съездить в Йельский университет… Однако Меджитов смог это сделать: после многих приключений он в 1994 году становится постдоком у Джейнуэя. В поисках рецептора, распознающего паттерны, он использовал методы биоинформатики и обнаружил в геноме человека ген, похожий на Toll дрозофилы и в то же время на рецептор интерлейкина (сигнального вещества из группы цитокинов, широко используемого клетками иммунной системы). В 1996 году они с Джейнуэем узнали от Хоффмана о гиперчувствительности мутантных по Toll дрозофил к грибкам, и это определило дальнейшее развитие событий. В 1997 году Меджитов, Престон-Халберт и Джейнуэй опубликовали статью о клонировании и свойствах Toll-подобного человеческого рецептора. И он действительно активировал адаптивный иммунитет — идеи Джейнуэя полностью подтвердились.

Заслуги йельских ученых и группы Бютлера вполне сопоставимы: первые работали с белком человека, а не мыши, да и опубликовались на год раньше, зато вторые яснее показали его роль в развитии заболевания. Чарльз Джейнуэй умер в 2003 году, но Меджитов, ныне профессор Йельского университета и член Национальной академии наук США, — чем не лауреат? Правда, по меркам Нобелевской премии он вызывающе молод (родился в 1966 году), но ведь и лауреаты по физике прошлого года не очень стары. И всего полгода назад, в июне, авторитетная премия Шоу, так называемая азиатская Нобелевка, была присуждена Хоффману, Бютлеру и Меджитову… С другой стороны, заслуги Стайнмана не менее значимы.

Дендроциты, ловцы антигенов

Ральф Стайнман в 1973 году открыл новый тип клеток иммунной системы, которые он назвал дендритными, или дендроцитами. Это довольно крупные клетки с длинными разветвленными отростками (отсюда название). Предположение Стайнмана, что они могут играть особую роль в формировании иммунного ответа, как и гипотеза Джейнуэя, сначала не вызвало особого интереса, но оказалось верным.

Дендроциты встречаются в различных органах и тканях, но особенно много их в коже и слизистых оболочках — на границе с внешней средой. Дендроциты кожи давно были известны цитологам под названием «клетки Лангерганса» (не путать с островками Лангерганса в поджелудочной железе; их, как и островки, описал немецкий гистолог Пауль Лангерганс еще в XIX веке, но из-за формы он счел их разновидностью нервных клеток). Также они находятся в лимфоузлах и крови.

Главная задача дендроцитов состоит в том, чтобы захватывать антигены и преподносить их Т- и В-лимфоцитам. Они могут даже высовывать «щупальца» сквозь поверхность слизистой оболочки, чтобы собирать антигены снаружи. Переварив чужеродные вещества, они выставляют их фрагменты на своей поверхности и перемещаются в лимфоузлы, где и происходит их встреча с лимфоцитами. Те инспектируют предъявленные фрагменты, опознают «образ врага», и развивается мощный иммунный ответ.

Дендритные клетки (или их клетки-предшественники) можно получать из крови, а это путь к практическому применению в медицине. Дальнейшие исследования Стайнмана и других ученых показали, что дендроциты регулируют активность иммунной системы, препятствуя атакам на собственные молекулы организма и развитию аутоиммунных болезней. (Кстати, среди рецепторов, обнаруженных на поверхности дендритных клеток, есть и TLR.)

Клетки Лангерганса могут быть мишенью вируса СПИДа при заражении половым путем. Есть данные, что ВИЧ коварно «едет» внутри дендроцита в лимфоузел, каким-то образом избегая переваривания, чтобы там поразить активированный лимфоцит — как если бы захваченный шпион, доставленный в штаб, сумел освободиться и устроил диверсию. А где уязвимое место, там и возможное лекарство. В лаборатории Стайнмана сейчас работают над вакциной против ВИЧ, использующей свойства дендритных клеток. На них возлагают надежды и онкологи. У самого Ральфа Стайнмана была агрессивная форма рака поджелудочной железы, с которой 80% пациентов умирают в течение года. Стайнман разработал для себя экспериментальную терапию с использованием дендритных клеток (их культивируют, «нагружая» опухолевыми антигенами, и потом снова вводят пациенту, чтобы они настроили иммунную систему на уничтожение рака). Он прожил больше четырех лет — но так и не узнал, что стал нобелевским лауреатом…

Не исключено, что медицинский потенциал дендроцитов повлиял на решение Нобелевского комитета: фраза в завещании Альфреда Нобеля о «наибольшей пользе человечеству» по-прежнему в силе. А у Руслана Меджитова наверняка еще все впереди.

Литература:
Lemaitre B., Nicolas E., Michaut L., Reichhart J.M., Hoffmann J.A. The dorsoventral regulatory gene cassette spätzle/Toll/cactus controls the potent antifungal response in drosophila adults. Cell, 1996, т. 86, с. 973–983.
Poltorak A., He X., Smirnova I., Liu M.Y., Van Huffel C., Du X., Birdwell D., Alejos E., Silva M., Galanos C., Freudenberg M., Ricciardi-Castagnoli P., Layton B., Beutler B. Defective LPS signaling in C3H/HeJ and C57BL/10ScCr mice: Mutations in Tlr4 gene. Science, 1998, т. 282, с. 2085–2088.
Medzhitov R., Preston-Hurlburt P., Janeway C.A. Jr. A human homologue of the Drosophila Toll protein signals activation of adaptive immunity. Nature, 1997, т. 388, № 6640, с. 394–397.