Песнь клетки. Медицинские исследования и новый человек - Сиддхартха Мукерджи
Приблизительно в то же время, когда была установлена структура молекул ГКГС класса I, несколько исследовательских групп, включая группу Марка Дейвиса в Стэнфорде, Така Мака в Торонто и Джима Эллисона в Хьюстоне, занимались изучением гена, кодирующего Т-клеточный рецептор – молекулу на поверхности Т-клетки, которая распознает молекулу ГКГС со связанным пептидом10. И когда в конечном итоге строение рецептора было установлено, опять-таки обнаружилось глубокое соответствие структуры и функции.
Т-клеточный рецептор похож на два вытянутых пальца. Одни участки пальцев касаются “своего”, т. е. раздвинутых половинок молекулы ГКГС вокруг пептида, а другие участки касаются чужеродного пептида, уложенного в ложбинке. “Чужое” и “свое” распознается одновременно; в структуре рецептора выполняются оба требования, необходимых для обнаружения инфицированной клетки. Один участок пальца касается “своего”, другой контактирует с “чужим”. Распознавание происходит при двойном соприкосновении.
Соответствие структуры и функции – одна из красивейших концепций биологии, впервые озвученная столетия назад такими мыслителями, как Аристотель. В структуре этих двух молекул – ГКГС и Т-клеточного рецептора – отражаются главные идеи иммунологии и клеточной биологии. Наша иммунная система действует за счет распознавания “своего” и его искажений. Эволюция научила ее обнаруживать изменения собственного состава. Как заключил Ален в своей знаменитой статье, “стало возможным использовать Т-клеточное распознавание рациональным образом”.
Но давайте на минуту отвлечемся от темы соответствия структуры и функции. Таунсенд понимал, что решение вопроса о Т-клеточном распознавании создаст новую проблему. Родится новый вопрос: как вирусный белок, скажем нуклеопротеин, синтезированный в клетке, выходит на поверхность, где его может обнаружить Т-клетка?
По мере углубления молекулярных исследований Таунсенд и другие ученые начали открывать сложный внутриклеточный аппарат, выполняющий задачу представления клеточных внутренностей внешнему миру. Теперь известно, что этот процесс запускается в тот момент, когда внутри клетки начинается синтез вирусного белка. Клетка не знает, является ли этот белок частью ее нормального ассортимента, или он чужой; у вирусного белка нет никаких специфических, выдающих его признаков.
По этой причине нуклеопротеин, как и все белки, рано или поздно попадает в аппарат по утилизации отходов, в клеточную дробилку – протеасому, где он расщепляется на мелкие фрагменты (пептиды), которые затем возвращаются в клетку. Далее по специализированным каналам эти пептиды переносятся в компартмент, где связываются с молекулами ГКГС класса I. Нагруженные молекулы ГКГС класса I несут вирусные пептиды к поверхности клетки и представляют их Т-клеткам. Молекулы ГКГС класса I, как показывает их структура, играют роль молекулярных “подносов”, постоянно представляющих на осмотр Т-клеткам лакомства, состоящие из клеточных внутренностей.
В этом заключается один из самых хитроумных способов перепрофилирования внутриклеточного аппарата: природный клеточный аппарат по переработке отходов обращается с вирусными белками точно так же, как со всеми другими белками, подлежащими уничтожению, – загружает их на молекулу белкового переносчика и выводит на поверхность клетки.
Так внутренности клетки оказываются снаружи. Клетка отсылает на инспекцию иммунной системе образцы своей внутренней жизни в правильной рамке. Проплывающая мимо CD8+ Т-клетка, обнюхивая клеточную поверхность, обнаруживает широкий ассортимент пептидов из клеточных внутренностей, теперь выставленных снаружи, среди которых, понятное дело, обнаруживаются вирусные пептиды. И только если чужеродный пептид представлен собственными молекулами ГКГС (измененное “свое”), возникает иммунный ответ, приводящий к уничтожению инфицированной клетки.
До сих пор мы обсуждали “внутренний” мир клетки, т. е. клетку с находящимся внутри нее патогенным организмом. Но “внешний” мир с патогенами, свободно перемещающимися внутри тела, вызывает иные вопросы: как происходит активация Т-клеточного ответа под действием вирусов и бактерий, находящихся за пределами клетки?
Теоретически активация Т-клеточного ответа до инфицирования вирусом клетки-мишени (пока он еще циркулирует по телу, скажем, в крови или в лимфатической системе) давала бы организму множество преимуществ: он мог бы подготовить несколько механизмов иммунного ответа для сдерживания инфекции. В организме запускались бы сигналы тревоги: повышение температуры, воспаление и синтез антител, – что способствовало бы нейтрализации инфекции на ранней стадии.
Как мы уже видели, клетки врожденной иммунной системы (макрофаги, нейтрофилы и моноциты) постоянно обследуют тело, выявляя признаки повреждений и инфекций. Как только такие признаки обнаружены, клетки бросаются к инфицированному участку, чтобы в процессе фагоцитоза поглотить бактерии или вирусные частицы. Клетки заглатывают захватчиков, интернализируют их и направляют в специальные отделы. Эти отделы (в их числе лизосомы) заполнены ферментами, которые расщепляют вирусы на мелкие фрагменты, включая фрагменты белков – пептиды.
Это тоже своеобразная форма “интернализации” (поглощения), но не такая, как при инфекции. Здесь вирус играет роль чужака, которого необходимо уничтожить. Ему еще предстоит пробраться в клетку, произвести новые вирусные частицы и стать “своим”. Упомянутая выше работа Алена Таунсенда была посвящена изучению ответа CD8 + Т-клеток, происходящего уже после того, как вирус укрывается в клетке. Но как реагируют Т-клетки в тот момент, когда система наблюдения только обнаружила наличие в организме патогена?
В 1990-е годы Эмиль Унануэ, ныне профессор медицинского факультета Вашингтонского университета, начал исследовать ответ Т-клеток при встрече с микробами, находящимися вне клетки11. Он обнаружил, что этот тип иммунной реакции следует принципам, во многом аналогичным тем, которые открыл Таунсенд.
В результате фагоцитоза бактерии и вирусы направляются в лизосомы и расщепляются на отдельные пептиды[101]. Аналогично тому, как молекулы ГКГС класса I представляют Т-клеткам внутренние пептиды, родственные белки – молекулы ГКГС класса II – в основном представляют Т-клеткам пептиды внешние. У этих молекул похожая структура: “рука”, удерживающая две половинки “булочки”, а между ними ложбинка для пептида.
Иными словами, в целом картина такова:
Но именно здесь происходит диверсификация иммунного ответа – возникает новый атакующий фланг. Внутренние пептиды, представляемые молекулами ГКГС класса I, как показали Цинкернагель и Доэрти, выявляются группой Т-клеток, называемых CD8 + Т-киллерами. Как вы помните, последние уничтожают инфицированные клетки, при этом освобождая организм от вируса.
Большая же часть пептидов, образованных из патогенов вне клетки (а также небольшое количество пептидов, образующихся в лизосоме из внутриклеточного содержимого), напротив, представляется молекулами ГКГС класса II. Их распознает другая группа Т-клеток – СИ4-положительные12.
CD4+ Т-клетки не являются киллерами (и это логично: вирус уже мертв и расщеплен на части, так зачем убивать клетку, которая привлекает внимание Т-клетки к мертвому вирусу?). Такие клетки служат координаторами. Обнаружив комплекс молекул ГКГС с пептидами, CD4+ клетки начинают координировать иммунный ответ. Они стимулируют В-клетки к производству антител. Секретируют вещества, повышающие способность макрофагов к фагоцитозу. Усиливают локальный кровоток и привлекают другие
