Иммунный ответ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Иммунный ответ

Иммунный ответ

иммуноанализ антитело вирус иммуноглобулин

Вирусы, бактерии, грибы и паразиты, проникающие в организм позвоночных, могут узнаваться иммунной системой и уничтожаться ею. По аналогичному механизму опознаются системой и устраняются трансформированные клетки организма, например опухолевые. Иммунная система в состоянии опознавать инородные тела, специфически реагировать на них и сохранять это событие в «памяти».

Ответ на структуру чужеродного вещества, антиген, осуществляемый клетками иммунной системы, лимфоцитами, бывает различного типа.

За клеточный иммунитет ответственны Т - лимфоциты (Т - клетки). Эти иммунные клетки названы так из-за тимуса, в котором они подвергаются основным стадиям своей дифференциации (школа Т-клеток). Активность Т-клеток направлена против зараженной вирусом клетки организма, а также на защиту от грибов и паразитов. Т-Клетки принимают активное участие в процессе отторжения чужеродной ткани и помогают в формировании гуморального иммунного ответа (см. ниже). По своей функции они делятся на цитотоксические Т-клетки -- Т-киллеры (на схеме зеленого цвета) и клетки-помощники -- Т-хелперы (на схеме голубого цвета). В свою очередь гуморальный иммунный ответ направлен на активацию В-лимфоцитов (В-клетки, на схеме светло-коричневый цвет), которые созревают в костном мозге в отличие от Т-клеток тимуса. В-Клетки несут на своей поверхности антитела и выделяют их в плазму. Антитела обладают способностью специфически связывать соответствующие антигены. Связывание антител с антигенами -- решающее звено в системе защиты организма от внеклеточных вирусов и бактерий. В результате такого связывания последние опознаются как инородные тела и в дальнейшем уничтожаются. "Память" иммунной системы представлена так называемыми "клетками памяти". Эти наиболее долгоживущие клетки существуют для каждого типа иммунных клеток. Проникший в организм вирус эндоцитируется макрофагами и затем частично разрушается в эндоплазматическом ретикулуме. В результате образуются чужеродные фрагменты, которые экспонируются на клеточной поверхности макрофагов. Эти фрагменты «презентируются» специальной группой мембранных белков. Комплекс из вирусного фрагмента и белка главного комплекса гистосовместимости [ГКГС (МНС)] распознается и связывается Т-клетками с помощью специфических (Т-клеточных) рецепторов. Среди огромного числа Т-клеток только немногие обладают подходящим рецептором, Связывание приводит к активации этих Т-клеток и появлению их селективных копий ( "клональная селекция"). В активации Т-клеток участвуют различные гормоноподобные Сигнальные белки, интерлейкины. Эти белки секретируются теми клетками иммунной системы, которые активируются при связывании с Т-клетками. Так, активированные макрофаги с презентируемым вирусным фрагментом секретируют IL-1 , а Т-клетки продуцируют IL-2 , который стимулирует их собственное клональное копирование и репликацию Т-хелперных клеток. Клонированные и активированные Т-клетки осуществляют различные функции в зависимости от их типа. Цитотоксические Т-клетки (на схеме зеленого цвета) способны узнавать и связывать те клетки организма, которые инфицированы вирусами и на своих рецепторах ГКГС несут фрагменты вируса. Цитотоксические Т-клетки секретируют перфорин -- белок, который делает проницаемой мембрану связанной инфицированной клетки, что и приводит к ее лизису. Т-Хелперы (на схеме голубого цвета), напротив, связываются с В-клетками, которые презентируют на своей поверхности фрагменты вируса, связанные с белком ГКГС. Это ведет к селективному клонированию индивидуальных В-клеток и их массированной пролиферации, Интерлейкин стимулирует созревание В-клеток превращение в плазматические клетки, способные синтезировать и секретировать антитела.

А. Доменная структура иммуноглобулина G Иммуноглобулины (Ig), или антитела, являются семейством Y-образных (по пространственной структуре) гликопротеинов, у которых обе вершины («буквы Y») могут связывать антиген. Иммуноглобулины находятся в виде мембранных белков на поверхности лимфоцитов и в свободном виде в плазме крови. На схеме показана структура наиболее важного из них -- иммуноглобулина класса G (IgG). Молекула представляет собой крупный тетрамер (Н₂L₂ с 150 кДа) из двух идентичных тяжелых цепей (Н-цепей, на схеме красного или оранжевого цвета) и двух идентичных легких цепей (L-цепей, на схеме желтого цвета). В обеих H-цепях имеется ковалентно связанный олигосахарид. Иммуноглобулины расщепляются протеиназой папаином на два F_ab-фрагмента и один F_c-фрагмент. Оба F_ab-фрагмента (от англ. antigen binding fragment -- антиген-связывающий фрагмент) состоят соответственно из одной L-цепи и N-концевой части H-цепи. Изолированные F_ab-фрагменты сохраняют способность связывать антиген. F_с-Фрагмент (от англ. fragment crystallizable -- способный кристаллизоваться) состоит из С-концевой половины обеих H-цепей. Эта часть IgG выполняет функции связывания с клеточной поверхностью, взаимодействия с системой комплемента и участвует в переносе антител клетками.

Несмотря на большое разнообразие в иммуноглобулинах соблюдается общий принцип строения. Обе тяжелые пептидные цепи (Н-цепи) IgG состоят из четырех глобулярных доменов V_H, С_H1, С_H2 и С_H3, обе легкие (L- цепи) -- из двух глобулярных доменов C_L и V_L. При этом буквы С и V соответственно обозначают константные (англ. constant) и вариабельные (англ. variable) области. Обе тяжелые цепи, а также тяжелая цепь с легкой, связаны дисульфидными мостиками. Дисульфидные мостики внутри доменов стабилизируют третичную структуру. Домены имеют длину около 110 аминокислот и обладают взаимной гомологией . Такая структура антител, очевидно, возникла благодаря дупликации гена.В центральной области молекул иммуноглобулинов расположен шарнирный участок, который придает антителам внутримолекулярную подвижность. Иммуноглобулины человека по структуре тяжелых цепей делятся на пять классов. Различия между IgA (с двумя подклассами), IgD, IgE, IgG (с четырьмя подклассами) и IgM определяются H-цепями, которые обозначаются греческими буквами -- ?, ?, ?, ? и ?. L-Цепи имеют только две разновидности (? и ?). IgM могут существовать в различных формах. Секретируемые IgM состоят из пяти взаимосвязанных димеров. IgA могут быть образованы из одного, двух или трех димеров. Олигомерные IgM и IgA удерживаются вместе благодаря связывающему J-пептиду (от англ. joining).

Иммуноглобулины всех пяти классов являются секретируемыми белками. Они поставляются в кровь зрелыми В-клетками, Ранние варианты IgM и IgD найдены также в виде интегральных мембранных белков на поверхности В-клеток .

Антитела имеют различные функции. При контакте с чужеродным антигеном первыми образуются lgM-антитела. Ранние формы IgM связаны с поверхностью В-клеток, более поздние формы секретируются в виде пентамеров плазматическими клетками. Антитела IgM особенно активны против микроорганизмов. В количественном отношении превалируют антитела IgG (см. таблицу сывороточных концентраций белков). Они находятся в крови и в интерстициальной жидкости; с помощью рецепторов они могут также проходить в плаценту и вследствие этого переноситься от матери к плоду. IgA обнаруживаются преимущественно в кишечном тракте и секретах. IgE присутствуют в плазме здорового человека лишь в незначительных, концентрациях. Повышение уровня IgE наблюдается при аллергических реакциях и паразитарных инфекциях*. Количества в плазме IgD, функция которого еще не выяснена, также весьма малы. Несмотря на сходство своей основной структуры иммуноглобулины (Ig) чрезвычайно разнообразны. Считается, что в организме человека имеется примерно 10⁸ различных вариантов антител. Вариабельность Ig относится как к легким, так и тяжелым цепям. Имеется пять разновидностей тяжелых H-цепей, которые и определяют классы антител, и две разновидности легких L-цепей (? и ?). Эти типы вариаций называют изотопическими. При биосинтезе Ig может происходить переключение плазматических клеток с продукции одного изотипа на другой («переключение генов»). Аллотипические вариации относятся к вариабельности аллелей в пределах вида, т. е. к генетически определяемым различиям одного индивидуума от другого. Идиотипические вариации определяют различия в антигенсвязывающем участке антител, Они касаются вариабельных доменов (на схеме розового цвета) легкой и тяжелой цепей. Некоторые их участки являются гипервариабельными (красного цвета на рисунке), т.е. их отличия особенно велики. Эти последовательности непосредственно участвуют в связывании антигена.

Исключительная вариабельность антител обусловлена тремя причинами.

1. Множественность генов. Имеется множество генов, кодирующих белки вариабельных доменов, однако выбирается и экспрессируется только один ген.

2. Соматические рекомбинации. Гены разделены на несколько сегментов, для которых имеются различные версии. Во время созревания В-клеток благодаря случайной комбинации сегментов возникают новые гены (мозаичные гены).

3. Соматические мутации. Во время дифференциации В-клеток и превращения в плазматические клетки происходят мутации в кодирующих генах. Таким образом, изначальные гены терминальной линии могут стать различными соматическими генами в индивидуальных клонах В-клеток.

Рассмотрим основные особенности организации гена иммуноглобулина и его экспрессии на примере биосинтеза мышиной ?-цепи. Сегменты гена, кодирующие эту легкую цепь, обозначаются как L,V,J и С. Они локализованы на хромосоме 6 в ДНК (DNA) терминальной линии клеток мыши (у человека на хромосоме 2) и разделены друг от друга интронами различной длины. Примерно 150 идентичных сегментов L гена кодируют сигнальный пептид (17-20 аминокислот) для секреции продукта. Наибольшая часть вариабельного домена (95 из 108 аминокислотных остатков) кодируется около 150 различными V-сегментами, расположенными рядом с L-сегментом. L- и V-сегменты всегда расположены парами, так называемым тандемом. Напротив, для J-сегмента (от англ. joining) существует максимально только пять вариантов. Они кодируют пептид из 13 аминокислотных остатков, который связывает вариабельную и константную части ?-цепи. Константная часть легкой цепи (84 аминокислоты) кодируется единственным С-сегментом. Во время дифференциации В-лимфоцитов уникальная V/J-комбинация возникает в каждой В-клетке. Один из 150 сегментов L-V-тандема выбирается и связывается с одним из пяти J-сегментов. Это приводит к возникновению соматического гена, который значительно меньше по сравнению с геном терминальной линии. Транскрипция этого гена ведет к образованию гяРНК (hnRNA) для ?-цепи. Из этой РНК удаляются путем сплайсинга интроны и лишние J-сегменты . Зрелая мРНК (mRNA) содержит сегменты L-V-J-C и после транспорта в цитоплазму готова для трансляции. Последующие шаги биосинтеза Ig те же, что и для других мембранных или секреторных белков.

Общие функции белков этого семейства состоят в способности специфически узнавать и отличать макромолекулы друг от друга при клеточном взаимодействии. В определенных случаях связывание чужеродных молекул приводит к передаче сигнала в клетку. Общий признак этих белков -- наличие в их структуре одного или нескольких так называемых иммуноглобулиновых доменов, для которых характерными являются пептидные последовательности длиной в 70-110 аминокислотных остатков, присутствующих также в иммуноглобулинах (Ig) . Ig-домены имеют структуру сэндвича, который построен из антипараллельных ?-складчатых листов, соединенных дисульфидным мостиком. Представителями этого суперсемейства белков являются иммуноглобулины, белки ГКГС (МНС) и рецепторы Т-клеток (см. ниже), F_c-рецепторы, мембранные белки CD3, CD4, CD8, молекулы клеточной адгезии и рецепторы для различных факторов роста. Многие из этих белков состоят из константных (на схеме коричневого или зеленого цвета) и вариабельных (оранжевого цвета) участков. Гомологичные домены показаны одним цветом. За исключением секретируемых форм почти все белки суперсемейства имеют трансмембранные сегменты на С-конце молекулы, которые могут быть встроены в мембрану. Дисульфидные связи расположены в характерных местах пептидной цепи и могут быть внутри- и межмолекулярными.

Иммуноглобулины IgM -- интегральный мембранный белок, который участвует в ранней стадии образования антител на поверхности В-клеток.

Т-Клеточные рецепторы расположены на поверхности Т-клеток. Они имеют антителоподобную структуру с одной ?- и одной ?-цепями, которые содержат константный и вариабельный домены. В отличие от антител Т-клеточные рецепторы имеют только один связывающий участок, который может узнавать и связывать фрагменты чужеродных белков. Такие фрагменты презентируются белками ГКГС, локализованными на поверхности клеток .

CD8 -- мембранный белок, который образуется цитотоксическими Т-клетками. Он принадлежит к белкам ГКГС класса I и действует как корецептор (схема Б).

Белки ГКГС (главного комплекса гистосовместимости), названы так, поскольку кодируются последовательностью ДНК, известной как главный комплекс гистосовместимости. Белки ГКГС человека относятся к антигенам лейкоцитов -- HLA (от англ. human-leucocyte-associated antigens). Белки ГКГС образуются всеми метками позвоночных. Полиморфизм этих белков настолько велик, что представляется маловероятным, чтобы два индивидуума несли одинаковый набор белков ГКГС, если они не являются однояйцевыми близнецами. Белки ГКГС связывают на своей вариабельной части небольшие пептиды, которые презентируются Т-клетками.

Белки ГКГС подразделяются на два больших класса. Белки ГКГС класса I найдены на поверхности почти всех ядерных клеток организма. Именно эти белки вызывают отторжение тканей при трансплантации от другого индивидуума. Они состоят только из ?-цепи, связанной с ?₂-микроглобулином небольшим инвариантным белком. Молекулы белков ГКГС класса II построены из двух гомологичных пептидных цепей (? и ?). Они находятся на поверхности клеток иммунной системы и отличают последние от остальных клеток организма.

Б. Активация цитотоксических Т-клеток

Инфицированная клетка презентирует с помощью белков ГКГС класса I небольшой чужеродный пептид, который может связываться с поверхностью Т-клетки с помощью Т-клеточных рецепторов. Цитотоксическая Т-клетка несет на поверхности кроме Т-клеточных рецепторов также белок CD8, связывающий комплекс из молекул ГКГС и чужеродного пептида. Это активирует цитотоксическую Т-клетку и делает ее способной разрушать инфицированную клетку. В рамке на рисунке показан пептидпрезентирующий домен молекулы ГКГС класса I со связанным чужеродным пептидом (на схеме фиолетового цвета). Система комплемента является частью иммунной системы, она осуществляет неспецифическую защиту от бактерий и других проникающих в организм возбудителей болезней. Система комплемента состоит примерно из 20 различных белков -- «факторов (компонентов) комплемента», которые находятся в плазме крови и составляют около 4% от всех белков плазмы.

Система комплемента может действовать тремя различными способами:

через хемотаксис: различные компоненты (факторы) комплемента могут привлекать иммунные клетки, которые атакуют бактерии и пожирают их (фагоцитируют);

через лизис: компоненты комплемента присоединяются к бактериальным мембранам, в результате чего образуется отверстие в мембране и бактерия лизируется;

через опсонизацию: компоненты комплемента присоединяются к бактерии, в результате чего образуется метка для узнавания фагоцитирующими клетками (например, макрофагами и лейкоцитами). имеющими рецепторы к компонентам комплемента.

Реакции системы комплемента осуществляются, как правило, молекулами на поверхности микроорганизма. Факторы (компоненты) с С1 по С9 (С от англ. complement) формируют так называемый «классический путь» (1) активации комплемента, факторы В и D участвуют в активации «альтернативного пути» (2). Другие компоненты системы комплемента, здесь не показанные, выполняют регуляторные функции.

Ранние компоненты системы комплемента являются сериновыми протеиназами. Они создают амплифицирующий ферментативный каскад реакций. Классический путь инициируется связыванием компонента C1 (3) с несколькими молекулами IgG или с пентамерным IgM на поверхности микроорганизма (см. ниже). Альтернативный путь инициируется связыванием фактора В, например, с бактериальным липополисахаридом (эндотоксином). Оба пути ведут к расщеплению компонента С3 комплемента на два фрагмента, обладающих различными функциями. Меньший фрагмент С3а принимает участие в развитии воспалительного процесса, индуцируя хемотаксис лейкоцитов к очагу воспаления (хемотаксис, воспалительные процессы). Более крупный фрагмент С3b связывается ковалентно на поверхности бактериальной клетки и инициирует цепь реакций, приводящих к образованию мембраноатакующего комплекса (см. ниже) поздними компонентами системы комплемента.

Компонент C1 комплемента представляет собой сложный молекулярный комплекс, состоящий из трех различных компонентов C1q, C1r и C1s (3). Гексамерный C1q по форме напоминает букет нераскрытых тюльпанов, «бутоны» которого могут связываться с F_с-фрагментом антител. При связывании нескольких C1q с антителами активируется серин-протеиназа C1r, с которой начинается протеолитический каскад классического пути.

Компонент СЗ комплемента стоит в центре активации системы. СЗ подвергается протеолизу СЗ-конвертазой с расщеплением на СЗа и СЗb фрагменты и участвует в формировании С5-конвертазы. СЗ-конвертаза представляет собой комплекс из C4b и С2а (в случае классического пути) или из СЗb и Bb (в случае альтернативного пути). При гидролизе СЗ в СЗb становится доступной очень реакционноспособная тиолслож-ноэфирная группа, которая реагирует с гидроксильной или аминогруппой (4). Вследствие этого СЗb ковалентно связывается с молекулами бактериальной мембраны (опсонизация).

Мембраноатакующий комплекс -- это ионный канал (пора), в плазматической мембране бактериальной клетки, в формировании которого участвуют компоненты СЗb, С5b, С6, С7, С8 и главным образом С9 (5). При этом молекулы С9 последовательно присоединяются к агрегату, формируя кольцевую структуру, через центр которой могут диффундировать небольшие молекулы, такие, как вода и ионы. Осмотические силы способствуют «накачиванию» воды внутрь бактериальной клетки, которая набухает и лопается (лизирует).

Активность системы комплемента контролируется ингибиторами в плазме крови, блокирующими избыточную реакцию.

Моноклональные антитела (МАТ) секретируются иммунными клетками, происходящими от единственной антителообразующей клетки. Поэтому МАТ направлены только против определенного эпитопа иммуногенного вещества, так называемой "антигенной детерминанты". Для получения МАТ изолируют лимфоциты из селезенки иммунизированной мыши (1) и производят их слияние с опухолевыми клетками мыши (клетками миеломы) (2). Это необходимо, так как жизнеспособность антителопродуцирующих лимфоцитов в культуре ограничена лишь несколькими неделями. При слиянии с опухолевой клеткой возникают гибридные клетки, так называемые гибридомы, которые являются потенциально бессмертными.

Слияние клеток (2) является редким событием, частота которого повышается в присутствии полиэтиленгликоля [ПЭГ (PEG)]. Отбор продуктивных гибридных клеток проводится при длительной инкубации первичной культуры в ГАТ-среде (НАТ-среде) (3), содержащей гипоксантин, аминоптерин и тимидин. Аминоптерин, аналог дигидрофолиевой кислоты, конкурентно ингибирует дигидрофолат-редуктазу и тем самым биосинтез дТМФ. Поскольку дТМФ существенно необходим для синтеза ДНК, миеломные клетки не могут выживать в присутствии аминоптерина. С другой стороны, клетки селезенки могут преодолевать действие ингибитора, используя для синтеза ДНК гипоксантин и тимидин, однако и они существуют в течение ограниченного времени. Только гибридома выживает в виде культуры в среде ГАТ, так как эти клетки обладают одновременно бессмертием миеломных клеток и способностью клеток селезенки приспосабливаться к аминоптерину в действительности продуцировать антитела способны только единичные гибридомные клетки. Такие клетки необходимо выделить и размножить клонированием. После тестирования клонов на способность образовывать антитела отбираются положительные культуры, которые снова клонируются и подвергаются последующей селекции . В результате получают гибридому, продуцирующую моноклональные антитела. Производство моноклональных антител этими клетками осуществляют in vitro в биореакторе или in vivo в асцитной жидкости мыши .

Иммуноанализ -- это полуколичественный метод определения содержания веществ, присутствующих в очень низких концентрациях. В принципе иммуноанализом можно определять любые соединения, вызывающие образование антител.

Основой этого метода является «реакция» антиген-антитело, т. е. специфическое связывание антитела с определяемым веществом. Из многих разработанных методов иммуноанализа, таких, как радиоммунный анализ (РИА), хемилюминесцентный иммуноанализ и т.д., здесь рассматривается вариант иммуноферментного анализа (ИФА).

Образцы сыворотки крови, содержащие определяемое вещество, к примеру гормон тироксин, помещаются в лунки планшета для микротитрования , на стенках которых сорбированы антитела, способные специфически связывать гормон. Одновременно в инкубационную смесь вносится небольшое количество тироксина, химически связанного с ферментом, так называемый конъюгат. Конъюгат и определяемый гормон конкурируют между собой за связывание с ограниченным количеством сорбированных антител. После того как связывание антигенов произошло, несвязавшиеся молекулы отмывают. Для определения количества связавшегося конъюгированного антигена в лунки вносят раствор хромогенного субстрата (субстратный буфер) и окрашенные продукты ферментативной реакции (3) определяют фотометрически .

Чем большее количество конъюгата свяжется с антителами, сорбированными на стенках лунки микропланшета, тем выше содержание окрашенного продукта ферментативной реакции. В то же время, чем больше гормона в тестируемой пробе, тем меньше конъюгата будет связываться с антителами. Количественная оценка осуществляется с помощью градуировочной кривой, которую строят по стандартным образцам с известной концентрацией, проводя несколько параллельных измерений.

Размещено на Allbest.ru