Авторы
предыдущая
статья

следующая
статья

22.06.2007 | Наука

Система, которой не может быть

Если представить себе задачи, которые приходится решать иммунной системе, то само ее существование покажется невероятным

Сегодня все знают, что такое иммунитет: это защита от любых чужеродных клеток, частиц или даже крупных молекул, которую нам обеспечивает особая физиологическая система нашего тела, следящая, чтобы в нем не было ничего чужого. Стоит болезнетворному микроорганизму, пересаженному органу или просто раствору какого-нибудь белка оказаться внутри нашего организма, как иммунная система тут же атакует его и обезвреживает.

Способность иммунной системы распознавать и уничтожать любой чужеродный биологический материал кажется нормальной и естественной. Между тем если представить себе задачи, которые приходится решать такой системе, то само ее существование покажется удивительным и невероятным. Но прежде, чем говорить о об этом подробнее, давайте вспомним, как выглядит рутинная работа этой системы.


Замки против ключей

В будущем году исполнится сто лет со дня присуждения Нобелевской премии Илье Мечникову и Паулю Эрлиху. Трудно назвать другой случай, когда высшая научная награда одновременно увенчала не единомышленников, даже не конкурентов, а авторов противостоящих друг другу научных теорий. Как известно, Эрлих полагал, что иммунитет обеспечивается специфическими белковыми молекулами – антителами. Мечников же, открывший феномен фагоцитоза (поглощения и переваривания клетками органических частиц), счел, что этот древний способ клеточного питания у высокоразвитых животных обеспечивает уничтожение вторгающихся микроорганизмов. Нобелевский комитет взял на себя смелость решить, что в этом споре правы обе стороны – и не ошибся. Сегодня мы знаем, что оба описанных механизма (названные гуморальным и клеточным иммунитетом) не только реально существуют, но и очень тесно переплетаются. По сути дела это не два альтернативных механизма, а составляющие единой реакции. Или, если угодно, разные рода войск с разным вооружением, действующие в составе единого соединения.

Когда бактерия, вирус или иной нежеланный гость вторгается в организм, главное оружие против него – антитела. Эти белки имеют множество разновидностей (сколько именно – об этом мы поговорим чуть позже), каждая из которых точно соответствует определенной макромолекуле – антигену.

Взаимодействие антигена и антитела принято сравнивать с ключом и замком, причем антитело – это «замок», обладающий свойством надеваться на «ключ»-антиген и намертво сцепляться с ним. Это не только не дает возбудителю болезни связываться с теми клетками, на которые он нацелен, но и служит прелюдией для более крутых мер.

Комплексы «антиген – антитело» привлекают к себе белки системы комплемента, разрушающие чужеродную частицу, и/или клетки-макрофаги, в полном соответствии с теорией Мечникова проглатывающие получившийся комок.

Производством антител занимаются так называемые В-лимфоциты. Если организм уже встречался с данным антигеном, продукция антител против него начинается немедленно по обнаружении, если антиген новый – иммунный ответ на него (то есть массовый выпуск антител) начинается через 5-6 дней. Но за этот срок, скажем, вирус успешно проникнет в нужные ему клетки организма, внутри которых он будет недоступен для антител. Это и в самом деле происходит, но при этом спасение вирусу отнюдь не гарантировано. Зараженная клетка выводит на поверхность характерные участки вирусных антигенов (белков или гликопротеидов, т. е. соединений белков с сахарами), сцепленные с ее собственными антигенами. Это служит сигналом для других иммунных клеток – Т-лимфоцитов. На взгляд микроскописта они ничем не отличаются от В-лимфоцитов, но в отличие от них вызревают не в костном мозге, а в специальной железе – тимусе. Обнаружив на поверхности зараженной клетки комплекс клеточных и вирусных антигенов, они просто уничтожают клетку вместе со всем ее содержимым, а останки подъедают опять-таки макрофаги.

Некоторые вирусы (например, вирус герпеса) научились заставлять захваченную клетку убирать с поверхности сигнальные молекулы-антигены. Но и это их не спасает:

клетка «без опознавательных знаков» немедленно привлекает к себе внимание еще одной разновидности лимфоцитов – NK-клеток. NK означает natural killers, т. е. «естественные убийцы».

NK-лимфоциты – это своего рода клеточная полиция или внутренние войска: их основная задача – не противостояние чужеродным агентам, а выявление и ликвидация «неблагонадежных элементов» среди собственных клеток организма. Их мишени – клетки мутантные, дефектные, перерождающиеся (в том числе и в раковую опухоль), затесавшиеся в чужую ткань и вообще чем-либо не соответствующие установленному внешнему виду. В эту категорию попадают и клетки, «замаскировавшиеся» по приказу вируса.

На самом деле механизм иммунной реакции намного сложнее, в ней участвует много других типов клеток (в одной только популяции Т-лимфоцитов, помимо описанных Т-киллеров, есть еще и так называемые Т-хелперы – клетки, которые сами никого не убивают и ничего не разрушают, но без них В-лимфоциты не будут производить антитела, а макрофаги – поглощать чужеродные частицы; существуют еще и Т-супрессоры, ослабляющие иммунную реакцию, и т. д.). Но нам сейчас важно, что любая из ветвей этого механизма требует точного опознания индивидуального высокомолекулярного вещества и срабатывает только на него. Исключительно высокая чувствительность и специфичность антител хорошо известна: в современных лабораториях они превратились не только в тончайшее (и в то же время наиболее надежное) средство идентификации индивидуальных веществ, но и в инструмент доставки молекулярных грузов (лекарств, изотопной метки и т. д.) точно по адресу. Но столь же специфичны молекулы-рецепторы на поверхности Т- и В-лимфоцитов: это, собственно, те же самые антитела, только снабженные дополнительным аппаратом для закрепления в клеточной мембране и взаимодействия с ней. Кстати, гипотезу о единой природе антител и клеточных рецепторов – разумеется, в понятиях своего времени – впервые высказал еще Пауль Эрлих, но только спустя много десятилетий она была экспериментально подтверждена.


Клоны внутри нас

Способность нашего организма в считанные дни найти достойный иммунный ответ на любое чужеродное вещество, конечно, восхищает. Но сколько же разных типов антител нужно для этого иметь? Одних только белков сегодня выделено и идентифицировано несколько сот тысяч, а общее их число в биосфере оценивается миллионами. И это без учета индивидуальных версий одного и того же белка, отличающихся заменами одной-двух аминокислот, – а ведь иммунная система различает их. И на белках свет клином не сошелся, есть и другие вещества. Правда, к тем из них, которые весят меньше 10 000 дальтон (это примерно 60 – 70 аминокислот или дюжина пар нуклеотидов), антитела не вырабатываются, но и того, что превышает этот порог, слишком много. Кроме того, еще в 1920-е годы Карл Ландштайнер (прославившийся открытием групп крови) показал, что можно получить специфические антитела на вещества, вообще никогда не существовавшие в природе и синтезированные специально для эксперимента.

Возвращаясь к метафоре «ключ – замок», естественно предположить, что при появлении нового «ключа» с него каким-то образом делают слепок и по нему изготавливают соответствующий «замок». То есть когда организм сталкивается с новым антигеном, антитело целенаправленно «лепится» под конфигурацию этого антигена.

Теорий того, как это могло бы проиходить, в первой половине ХХ века было выдвинуто немало. Все они имеют общее название «инструкционистских» и общую слабость: следуя им, трудно понять, почему организм не вырабатывает антитела на собственные белки и другие биополимеры? Ведь они постоянно предъявлены В-лимфоцитам в огромных количествах. Откуда же маленькие иммунные клеточки знают, какой белок свой, а какой чужой?

В конце 1940-х годов австралийский иммунолог Фрэнк Макфарлейн Бернет предложил иное объяснение. Он постулировал, что в начале индивидуального развития в организме закладывается огромное множество клонов В-лимфоцитов. Каждый клон несет рецепторы (и способен производить антитела) только к одному индивидуальному антигену. Но общее их число так велико, что любая крупная молекула найдет «свой» клон. Разумеется, среди этих клонов поначалу есть и такие, чьи антитела «заточены» под собственные антигены организма. Однако до поры до времени лимфоцит, чьи рецепторы нашли «свой» антиген, немедленно уничтожается. Так что к определенному моменту (предположительно – к выходу организма из яйца или материнского лона во внешнюю среду) в нем не остается лимфоцитов, нацеленных на его собственные ткани. Тут срабатывает какой-то переключатель – и отныне лимфоцит, нашедший «свой» антиген, не только не уничтожается, но наоборот, получает санкцию на бурное размножение и тиражирование своих антител.

Идея Бернета, получившая имя клонально-селекционной теории, на первый взгляд выглядела абсолютным безумием. Однако из нее следовал четкий и проверяемый вывод: если ввести в организм чужой антиген во время эмбрионального развития, он не только не вызовет иммунного ответа в этот момент, но и в течение всей дальнейшей жизни будет восприниматься как «свой».

У самого Бернета, правда, соответствующий опыт не получился (позже выяснилось, что для полного истребления соответствующих клонов антиген должен присутствовать в тканях эмбриона довольно долго), но в 1953 году предсказанный им эффект «искусственной иммунной толерантности» обнаружили независимо друг от друга англичанин Питер Медавар и чех Милан Гашек. После этого новая теория быстро стала господствующей, а инструкционистские гипотезы (которые как раз тогда получили неожиданный удар со стороны новорожденной молекулярной биологии – расшифрованный ею механизм синтеза белка не давал возможности формировать белковую молекулу под какую-то наперед заданную конфигурацию) были списаны в архив.

Клонально-селекционная теория в самом деле позволила понять многие известные, но необъяснимые в рамках прежних представлений факты. Например, безрезультатность многочисленных поисков специальной «метки», которой каждый организм метит свои макромолекулы. Стало ясно и то, почему некоторые ткани организма оказываются мишенями для собственной иммунной системы: это ткани, в которые при нормальном функционировании организма лимфоциты вообще не попадают, а значит, не могут своевременно научиться игнорировать их антигены. (В частности, так обстоит дело с головным мозгом – и именно поэтому крохотный кровоподтек, который в мышце был бы микроскопическим синяком, в мозгу становится инсультом.) И даже упомянутый факт обнаружения антител на несуществовавшие прежде вещества вполне укладывался в эту теорию: откуда формирующимся клонам знать, какое вещество реально существует, а какое – нет? В них закладываются «замки» для всех в принципе возможных молекулярных «ключей». А коль скоро вещества в природе нет, то и толерантности к нему неоткуда взяться...


Генератор случайных аминокислот

Наиболее слабым и уязвимым местом теории Бернета было то, что для получения миллиона разных белков-антител нужно иметь в геноме миллион разных генов. Впрочем, и это до поры выглядело хоть и странным, но в принципе возможным. В самом деле, средний белок – это несколько сот аминокислот. Примем для простоты, что 333 – это недалеко от истины. Тогда для его кодирования нужна тысяча нуклеотидов. Объем, скажем, человеческого генома уже был известен: около 3 млрд нуклеотидов. Делим одно на другое – получаем три миллиона разных белков. Ну хорошо, два – с поправкой на узнающие, регуляторные и прочие некодирующие участки ДНК (об их существовании тогда уже знали, но не догадывались, какова их доля в геноме). Отдаем миллион на антитела – оставшегося миллиона нам за глаза хватит на обеспечение всех остальных функций. Странно, конечно, что на одну довольно специальную задачу выделена половина, если не больше, всей библиотеки генетических программ – но пути эволюции непредсказуемы.

Однако чем больше биологи узнавали об устройстве генома, тем яснее становилось, что генов у нас далеко не миллионы. Окончательная оценка (20 – 25 тысяч генов) сложилась только в конце 1990-х.

Но еще задолго до этого стало ясно, что ситуация, когда для каждого мыслимого вещества (кроме собственных антигенов) в организме уже есть специфическое антитело, кодируемое собственным персональным геном, абсурдна.

Выходы предлагались разные. Например, такой: первоначально в организме закладывается какое-то разумное число клонов, но при дальнейшем размножении они очень интенсивно мутируют, что и дает в итоге необходимые миллионы отличающихся друг от друга клеток. Но в такой редакции теория утрачивала главные козыри: если «какие угодно» клоны могут образовываться в течение всей жизни, то почему не возникают клоны с антителами к собственным антигенам? А если они возникают и уничтожаются, то как механизм этого уничтожения распознает, какие клоны нацелены на свои антигены, а какие – на чужие?

Среди высказанных гипотез была и такая: гены антител – составные, они включают в себя несколько участков, каждый из которых представлен множеством вариантов. Сочетания разных вариантов разных частей гена и порождают ошеломляющее разнообразие антител. Доказать, что так оно и есть (а заодно выяснить конкретное устройство этого уникального механизма) удалось японскому молекулярному биологу Сусуму Тонегаве.

Обычно антитела состоят из четырех самостоятельных аминокислотных цепочек – двух длинных и двух коротких. В каждой цепочке есть участок с неизменной последовательностью (им антитело взаимодействует с иммунной клеткой – лимфоцитом, макрофагом и т. д.) и вариабельный участок – он-то и связывается с антигеном. Тонегава показал, что этот участок на самом деле состоит из трех независимо варьирующих отрезков: V, D и J (в коротких цепочках участок D отсутствует). Каждый из них представлен в геноме множеством версий: V – около сотни, D – двадцатью и J – четырьмя. В хромосоме незрелой клетке они «стоят по сортам»: сначала все V, потом все D, потом J, затем длинный некодирующий «пробел», а за ним – участок, кодирующий неизменную часть цепочки (С). Но в таком виде это никогда не считывается: при созревании В-лимфоцита специальные ферменты редактируют этот ген, оставляя в случайном порядке один вариант V, один – D и один – J. Все это сшивают напрямую с универсальным участком С – и готов ген специфического антитела (вернее, одной из его цепочек). Так можно получить 100х20х4 = 8 000 длинных цепочек. А комбинируя их с 400 вариантами цепочек коротких – 3,2 млн несовпадающих антител. Что и требовалось доказать.

Правда, надо еще, чтобы это антитело не только отличалось от прочих, но и точно соответствовало какой-либо макромолекуле. Кажется невероятным, что простой перебор ограниченного числа аминокислот может создать специфический «замок» для любого молекулярного «ключа». Однако это не более невероятно, чем составление фоторобота: лицо делится на несколько элементов, каждый из которых представлен некоторым числом вариантов. Этого оказывается достаточно, чтобы подобрать нужный образ – единственный даже не из миллионов, а из миллиардов. В конце концов, биологические макромолекулы состоят из довольно ограниченного набора элементов, и их уникальность – это уникальность взаимного расположения этих элементов. Вот ее-то и надо угадать антителу.

Схема Тонегавы избавила клонально-селекционную теорию от ее главной  трудности, однако это не значит, что у нее больше нет проблем. Возьмем, к примеру, любимый объект иммунологов – мышь. Животное небольшое, и зрелых В-лимфоцитов у него сравнительно немного – около 50 млн. Если общее число их клонов – те самые 3 млн, то на каждый клон приходится в среднем 17 клеток. Совершенно непонятно, как это ничтожное число может воспрепятствовать, скажем, любой бактериальной инфекции – при том, что бактерии размножаются гораздо быстрее лимфоцитов.

Впрочем, история изучения иммунитета не раз демонстрировала, как сегодняшние противоречия и несообразности вырастают в завтрашние открытия.



Источник: «Что нового в науке и технике», № 5, 2007,








Рекомендованные материалы


05.12.2018
Наука

Эволюция против образования

Еще с XIX века, с первых шагов демографической статистики, было известно, что социальный успех и социально одобряемые черты совершенно не совпадают с показателями эволюционной приспособленности. Проще говоря, богатые оставляют в среднем меньше детей, чем бедные, а образованные – меньше, чем необразованные.

26.11.2018
Наука

Червь в сомнении

«Даже у червяка есть свободная воля». Эта фраза взята не из верлибра или философского трактата – ею открывается пресс-релиз нью-йоркского Рокфеллеровского университета. Речь в нем идет об экспериментах, поставленных сотрудниками университетской лаборатории нейронных цепей и поведения на нематодах (круглых червях) Caenorhabditis elegans.