Архейские предки иммунной системы человека

Локус генов Rag]/2. Суперсемейство иммуноглобулинов (Ig-SF). Реликтовая иммунная система человека. «Сборка» многоклеточных организмов. Третий акт творения — *кембрийский взрыв». Торможение эволюции.

Обычно в монографиях, описывающих функционирование иммунной системы человека (см., например, обстоятельную работу Белоцкого С. М. и Авталиона 3. 3,, 2006), ее организация представляется законченной и продуманной схемой, в соответствии с которой все ее звенья дружно противостоят враждебному проникновению опасных микроорганизмов. Понимание функционирования иммунной системы иммунологами предполагает исключительно дословное толкование лат. термина immunitas — невосприимчивость организма по отношению к возбудителям заразных болезней. Подразумевается, что где инфекция, там и иммунитет. Отсюда следует убеждение многих ученых в том, что иммунная система человека борется с ВИЧ-инфекцией, и надо только ей помочь в этой борьбе. Однако практически сделать это не удается. Для понимания причин этих неудач нам надо заглянуть в прошлое нашей иммунной системы.

Локус генов Ragl/2. Это гены ферментов, являющихся ключевыми участниками V(D)J-рекомбинации. Традиционно считается, что гуморальная иммунная система, в основе которой лежит V(D)J-рекомбинация, — эволюционное приобретение позвоночных (см. у Купера Э., 1980). Может быть, так оно и есть на самом деле,,но вот сам локус генов Ragl/2 имеет гораздо более древнее происхождение, чем позвоночные, и в эволюционный период «до позвоночных» он играл роль рекомбиназы ретро- вирусов (Fugmann S. D. et аі., 2006).

Обнаружено значительное структурное сходство между RAG-белками и белками, принадлежащими к суперсемейству интеграз ретровирусов. Для них установлены общие механизмы рассечения цепей ДНК (одноцепочечный разрыв через гидролиз и перенос нити через трансэстерификацию); потребность в дивалентных ионах металлов (Mg²⁺ или Mn²⁺); способность использовать альтернативные нуклеофилы, такие как алкоголь; образование шпилек ДНК и способность к обратной реакции (disintegration) (Polard P., Chandler M., 1995; Landree М.

Суперсемейство иммуноглобулинов (Ig-SF). Это огромное семейство белков адгезии, название которого более известно по названию одного из факторов иммунной системы позвоночных — иммуноглобулиновых антител, эволюционно появившихся в этом семействе последними. Основными критериями включения белков в суперсемейство являются определенная пространственная организация молекул и статистически достоверная гомология с известными иммуноглобулинами. Каждый домен, входящий в состав иммуноглобулина, представляет собой двухслойное молекулярное образование, построенное по принципу нескольких антипараллель- ных Р-структур, стабилизированных связями —S—S—. Так образуется молекулярная конформационная структура, свойственная только членам суперсемейства иммуноглобулинов. В англоязычной литературе она получила обозначение Ig-fold (иммуноглобулиновая складчатость) (рис. 36).

В аспекте понимания происхождения самих белков Ig-SF любопытно то, что и они не являются оригинальными структурами, появившимися исключительно для осуществления разнообразных механизмов клеточной адгезии. Да и появиться «ниоткуда» они не могли, природа экономна в том, что касается базовых структур поддержания живой материи. Их проис-

Рис. 36. Структурная организация Ѵ-домена по А. N. Barclay (7.999)

А. Диаграмма кристаллографического анализа Ѵ-домена тяжелой цепи миеломного белка New человека, демонстрирующая характер двухслойной складчатости типа Ig-fold данного домена. Б. Схема связи между P-структурными слоями и «-спиральными положениям Ig-fold. Черные линии — гипервариабельные участки (рисунок из книги Галактионова В. Г., 2005)

хождение уходит к очень древним белкам адгезии — гистонам, осуществляющим управление работой генов и стабилизирующим вторичную структуру ДНК и хроматина (см. разд. 1.1). Гистоны управляют скоростью V(D)J-рекомбинации у индивидуума (Espinoza С. et аі., 2005). Ho Ig-SF в «гистоновом мире» играет более древнюю роль, чем сами гистоны — роль шаперонов, т.

Следовательно, конформационная структура типа Ig-fold берет свое начало в эпоху протоклеточных образований, когда каждый домен гистонового белка образовывался в результате ретротранспозиционной активности первых ретроэлементов. Сформировавшиеся на основе структур типа Ig-fold гидрофобные белки оказались востребованными эволюцией как строительный материал многоклеточное™. Посредством дупликаций и перестановок генов, кодирующих Ig-fold, сформировалось суперсемейство иммуноглобулинов.

Сегодня к этому семейству относятся молекулы Т-клсточного антиген- распознающего комплекса, молекулы I и II классов МНС, корецепторы Т-клеток CD4 и CD8, однодоменные белки — Thy-Ι, β₂'^Μ> Po; различные адгезины и рецепторные молекулы, способствующие контактному взаимодействию иммунокомпетентных клеток или адсорбции различных классов иммуноглобулинов на клеточной поверхности. На лимфоидных клетках одна треть поверхностных молекул — это члены суперсемейства иммуноглобулинов (Галактионов В. Г., 2005).

Рис. 37. Ig-SF шаперонов гистоновых белков

А. Общая структура шаперона AsflN, связывающего гистоновые белки НЗаЗ:

I — AsflN, связывающийся со спиралью НЗосЗ; 2 — β-цепи (обозначены посредством номенклатуры, принятой для переключающегося типа Ig-подоб- ной складчатости; switched-type Ig-Itke folds). Б. Структурные детали взаимодействия шаперона AsflN с гистоновыми белками: I — AsflN; 2 — гистоновые белки НЗаЗ. вандерваальсовы взаимодействия показаны полукружиями. Ионное спаривание и взаимодействие за счет образования водородных связей показаны пунктирными линиями. По А. J. Antczak et аі. (2006)

Наиболее древними в этом суперсемействе являются белки Po и Thy-I₁ так как они представляют собой однодоменные белки, не связанные на клеточной поверхности с какими-либо другими.

Реликтовая иммунная система человека. В разд. 2.1 («Простейшие и их паразиты») приведены экспериментальные данные S. Blazquez et аі. (2006), показывающие существование ответных реакций у амеб на фактор некроза опухолей (TNF), интерлейкин-1 р (IL-Ιβ), интерлейкин-8 (1L-8) и циклооксигеназу 2, аналогичные таковым у нейтрофилов и макрофагов многоклеточных организмов. Следовательно, не только эти хемокты и цитокины стали «средством общения» между эукариотами-простейишми задолго до появления нейтрофилов и макрофагов как клеток иммунной системы позвоночных организмов, но и рецепторы, посредством которых осуществлялось взаимодействие простейших. Эти же рецепторы за миллиарды лет совместной эволюции научились использовать внутриклеточные прокариотические паразиты простейших. В ходе эволюции многоклеточных форм жизни они были унаследованы «всем пакетом».

Хемокины. Термин «хемокин» был применен к этим молекулам, поскольку считали, что их основная биологическая активность является хемотаксической, т, е., направляющей движение клеток по градиентам концентрации хемокинов во время воспалительных реакций. Хотя хемокины представляют только один класс многих типов известных хемотакт иное (chemotactins), включающих широкий молекулярный спектр веществ от липидов до нуклеотидов, они выгодно отличаются от остальных благодаря своей молекулярной стабильности и специфичности клеток-мишеней. Любопытно и то, что хемокины представляют собой гомологичное суперсемейство сравнительно небольших белков от 8 до 17 кДа, появившегося в результате дупликации и модификации одного анцестраль- ного гена (Chensue S. W., 2001).

Сравнительный анализ аминокислотных последовательностей млекопитающих и примитивных позвоночных показывает, что группы CXC- и СС-хемокинов разошлись от предкового гена еще до появления самих позвоночных (Najakshin А. М. et аі., 1999) (рис. 38).

Рецепторы хемокинов. Впервые они были описаны на «опережающем объекте» таких исследований, на лейкоцитах. Впоследствии рецепторы хемокинов обнаружены на эндодермальных, мезенхимных, эктодермальных и нейроэктодермальных клетках многоклеточных организмов. Однако если сопоставить данные, приведенные на рис. 38, с данными, обобщенными в табл. 9, то следует сделать вывод, что основные подсемейства лимфокинов, взаимодействующих с клетками современных позвоночных,

Рис. 38. Эволюция семейств хемокинов

Суперсемейство хемокинов делится на подклассы (подсемейства) на основе расположения цистеиновых остатков, локализованных в N-терминальной области этих молекул. Подклассы обозначены как С, СС, CXC и СХХХС, где C означает количество цистеиновых остатков в N-терминальной области, а X представляет количество лежащих между ними аминокислот. Подсемейство CXC разделяется иногда еше на типы ELR и non-ELR на основании присутствия или отсутствия последовательности из трех аминокислот (Глу-Лей-Арг), которая предшествует первому цистеиновому аминокислотному остатку первичной структуры этих хемокинов.

Рецепторы хемокинов*

Таблица 9

ч

Продолжение табл. 9

[1] По S, W. Chensue (2001).

[1] ч, — человеческие; м. — мышиные.

г

и соответственно их рецепторы существовали еще до сформирования этого таксона, и при определенной настойчивости их всех можно найти и у простейших. Работа S. Blazquez et а). (2006) — это сигнал о «созревающем» направлении таких исследований.

Все хемокины оказывают действие на фагоцитирующие клетки по одному механизму — через рецепторы, связанные с гуанозиннуклеотидом- белком (GPCR). Подобно всем рецепторам, связанным с GPCR, рецепторы хемокинов имеют семь трансмембранных гидрофобных доменов с тремя внутриклеточными и тремя внеклеточными гидрофильными петлями. Потенциально гликозилированная внеклеточная аминотерминальная область участвует в связывании хемокина, тогда как внутриклеточная карбокситерминальная область участвует в связывании с белком G и подвержена регуляторному фосфорилированию. Активация рецепторов хемокинов начинается со связывания с внеклеточным лигандом, что инициирует взаимодействие с внутриклеточными покоящимися ГДФ-несущими тримерными белками G. Это приводит к обмену ГДФ на ГТФ, вызывая распад белка G на субъединицы α-G и β/γ-G. Последняя субъединица, в свою очередь, активирует такие ферменты как фосфолипаза C и фосфоинозитид-3-кина- за, которые конвертируют фосфотидилинозитол-4,5-дифосфат (IP₂) в фос- фошцилинозитол-1,4,5-трифосфат (IP_j) и диацилглицерин (DAG), IP₃ стимулирует приток ионов кальция, и DAG активирует изоформы протеин- киназы C (РК.С). Таким образом, подготавливается внутриклеточная среда для фосфорилирования с участием ряда киназ (например, активированная митогеном протеинкиназа, протеинтрипсинкиназа) и небольших ГТФ-аз (например, Ras и Rho), которые в конечном счете оказывают влияние на клеточные функции, такие как адгезия, хемотаксис, дегрануляция и взрыв респираторной активности (Luttrell L. М. et аі., 1997).

Белки трансдукции сигналов. Интересным аспектом биологии макрофагов было обнаружение связи их рецепторов с белками G, представляющими большой класс белков трансдукции клеточных сигналов (Locati M., Murphy Р. M., 1999). Но и у этих белков эволюционная история начинается в архее. Анализ последовательностей α-субъединиц гетеротримерно- го G-белка Protozoa, проведенный D. С. New и J. Т. Wong (1998), показал , что они имеют не только обширную гомологию со своими двойниками у млекопитающих, но и абсолютную гомологию последовательностей наиболее значимых функциональных регионов этих белков.

GPCR относятся к суперсемейству родственных рецепторов, участвующих в трансдукции широкого спектра внеклеточных сигнальных молекул, таких как гормоны, нейротрансмиттеры, цитокины (интерлейкины, факторы некроза опухоли и интерфероны — способны регулировать экспрессию

хемокинов и наоборот), ароматизаторы, свет и др. Рецепторы хемокинов имеют д лину от 320 до 3S0 аминокислот. Также как и сами хемокины, они обнаруживают значительную гомологию последовательностей. Всего их более тысячи, и их рассмотрение не входит в задачу этой работы (более подробно о рецепторах хемокинов см. у Chensue S. W., 2001).

Как «не по учебнику» в отношении некоторых бактерий и вирусов ведут себя мобилизованные хемокинами фагоцитирующие клетки позвоночных, мы уже кратко рассмотрели выше (см. раза. 2.1). Но выбросы фагоцитирующими клетками хемокинов дают и другие эффекты, обычно не включаемые в однозначные схемы функционирования иммунной системы, предназначенные для студентов. Например, этиологический агент болезни Лайма, Borrelia burgdorferi, стимулирует синтез MIP-lcc, IL-8, GRO-oc, MCP-I и RANTES человеческими моноцитами. Но их появление в крови в повышенных количествах не только не приводит к эффективной элиминации макрофагами боррелий из организма человека, но и вызывает повреждение его тканей и хронический артрит (Sprenger Н. et аі., 1997). Н. Yoneyama с сотр. (1998) продемонстрировали, что внезапно и быстро развивающийся гепатит, индуцированный Propionibacterium acnes и эндотоксином, зависел от TARC — лиганда CCR4, ответственного за мобилизацию печеночных CD4⁺ Т-клеток CCR4⁺ хозяина. Мобилизация иммунных клеток ассоциировалась с печеночной недостаточностью, приводящей к летальным исходам. Здесь важно отметить и другую сторону повреждения паразитическим организмом тканей хозяина и следующего за этим летального исхода болезни — они оказываются совершенно бессмысленными для поддержания в природе самого паразита.

Нет необходимости приводить такие наблюдения дальше. Их более чем достаточно, что бы усомниться в «разумном устройстве» (с точки зрения человека, конечно) организации нашей иммунной системы на уровне взаимодействия фагоцитирующих клеток между собой и с паразитическими микроорганизмами. Да и сами паразиты не могут «похвастать» целесообразным поведением в отношении макрофагов.

Впрочем, эту иммунную систему специально никто и не создавал по какому-то заранее продуманному плану, предполагая, что ее основное предназначение состоит в элиминации патогенных микроорганизмов. Она случайно сложилась из клеток, первоначально предназначенных выполнять всего лишь роль «мусорщиков» у первых многоклеточных организмов (как, например, это делают блуждающие амебоциты у губок), но в ходе эволюции хордовых закрепилась за ними естественным отбором. В интересах дальнейшего изложения материала данной книги назовем ее реликтовой иммунной системой.