Система реактивности клетки. Воспроизведение клеток.
Обновлено: 14.05.2024
Иммунитет - это способ защиты организма от чужеродных тел и веществ, являющихся носителем инородной информации.
Функция иммунной системы связана с распознаванием «своего» (молекулы собственного организма) и «чужого». Эта система ответственна за инактивацию чужеродных веществ и молекул, обозначаемых термином антигены.
Антигены бывают 2-х видов:
1. Растворимые (белки, полисахариды, нуклеопротеины);
2. Нерастворимые (бактерии, простейшие, опухолевые клетки или клетки, заражённые вирусом).
При этом клетки иммунной системы распознают не весь антиген, а небольшой молекулярный домен, известный как антигенная детерминанта или эпитоп.
Реакции, разыгрывающиеся в организме в ответ на поступление антигена, условно делят на два вида:
1 реакции клеточного типа;
2. реакции гуморального типа.
Эти реакции осуществляются иммунокомпетентными клетками. При этом реакция гуморального иммунитета направлена против растворимых антигенов. Она завершается образованием антител, то есть высокомолекулярных веществ инактивирующих этот антиген.
Реакция клеточного иммунитета разыгрывается в ответ на поступление нерастворимого антигена и завершается образованием цитотоксических клеток или Т-лимфоцитов киллеров.
Классификация иммунокомпетентных клеток
Это обширная группа, включающая Т- и В-лимфоциты, макрофаги, тучные клетки, основана на функции этих клеток и делит их на следующие группы:
1. Антигенпрезентирующие клетки (АПК);
2. Эффекторные клетки;
3. Вспомогательные клетки;
4. Регуляторные клетки;
5. Клетки иммунологической памяти.
Антигенпрезентирующие клетки - это система клеток, передающих информацию об антигене Т- и В-лимфоцитам. К ним относятся макрофаги и моноциты, дендритные клетки лимфоидных фолликулов, отдельные субпопуляции В-лимфоцитов и М-клетки пейеровых бляшек.
Эффекторные клетки - это цитотоксические Т-лимфоциты и плазматические клетки. Иногда к этой группе относят и NK-клетки.
Вспомогательные клетки иммуногенеза - включают гранулоциты, тучные клетки (тканевые базофилы), натуральные киллеры (NK-клетки);
Регуляторные клетки - к ним относятся Т-хелперы (Тх), Т-супрессоры и В-супрессоры. В качестве регуляторных клеток иммунных реакций могут выступать моноциты, макрофаги, гранулоциты и тучные клетки.
Клетки иммунологической памяти - это клетки сохраняющие память об антигене после его первого попадания в организм. К ним относят: Т- и В-лимфоциты памяти (долгоживущие лимфоциты), а также интердигитирующие клетки и фолликулярные дендритные клетки.
Основными клетками иммунных реакций являются лимфоциты, которые как известно делятся на Т- и В-лимфоциты. В основу их обозначения положено место их дифференцировки: для В-лимфоцита - красный костный мозг, а для Т-лимфоцитов - тимус. Процесс дифференцировки этих клеток в названных органах получает название антигеннезависимой дифференцировки или соответственно В- и Т-лимфоцитопоэз.
Происходит в зоне красного костного мозга по следующей схеме:
СКК → КОЕ-Л → унипотентный предшественник → пре-В-лимфоцит (лимфобласт) → незрелый В-лимфоцит (про-лимфоцит) → зрелый В-лимфоцит (малый лимфоцит)
Образующиеся зрелые лимфоциты подразделяются на множество клонов (порядка 10 9 ), различающихся антигенной специфичностью своих Ig-рецепторов. При этом В-клетки одного клона имеют на поверхности Ig-белок лишь одной иммуноспецифичности. Эти рецепторы образуются в результате перестройки той области генома, которая кодирует полипептидные фрагменты иммуноглобулинов.
Происходит по схеме:
СКК → КОЕ-Л → унипотентный предшественник → пре-Т-лимфоцит (лимфобласт) → про-Т-лимфоцит (пролимфоцит) → зрелый Т-лимфоцит (малый лимфоцит)
Эта дифференцировка Т-лимфоцитов происходит в тимусе и заканчивается образованием на поверхности Т-клеток - ТCR-рецепторов. Клетки проходят через стадию положительной селекции и на поверхности Т-лимфоцита (стадия пре-Т-клетка) появляются два белка, по которым различают Т-киллеров и Т-хелперов - это CD4 и CD8. Дальнейшая дифференцировка связана с сохранением у Т-лимфоцитов только одного белка соответственно CD4 или CD8.
Иммунологическая реакция гуморального типа
Это последовательные стадии реакции В-лимфоцита на растворимый антиген, антигензависимая дифференцировка. Первая фаза определяется как стадия распознавания антигена антигенпрезентирующей клеткой (АПК).
I фаза
(Стадия распознавания антигена)
1. Эндоцитоз антигена АПК;
2. Процессинг антигена, то есть частичное расщепление антигенных молекул с сохранением высокоиммуных антигенных детерминант, имеющих вид линейных пептидных цепочек, длинной от 8 до 11 аминокислот.
3. Формирование комплекса эпитоп с молекулой главного комплекса гистосовместимости (МНС) и появление его на поверхности АПК;
4. Презентация комплекса (эпитоп + МНС 2 класса) на поверхности АПК;
5. Секреция АПК интерлейкина 1.
Главным действующим комплексом в этой схеме распознавания антигена является АПК, которая обладает способностью к синтезу МНС 2 класса. Эти молекулы синтезируются в зоне гранулярной ЭПС, но не в свободном виде, а в виде комплекса с инвариантной пептидной цепью, функция которой связана с транспортом МНС внутри АПК. Именно она направляет молекулу МНС к эндосоме, содержащей эпитоп, при этом пузырёк с МНС сливается с эндосомой и комплекс МНС-эпитоп появляется на поверхности АПК.
Итак, МНС 2 класса имеются только у «профессиональных» АПК, все остальные клетки обнаруживают на своей поверхности молекулы МНС 1 класса, что позволяет распознавание этих клеток цитотоксическими лимфоцитами. См. рис. 36
Рис. 36: Схема иммунологической гуморального типа
II фаза
Она связана с активацией Т-лимфоцита хелпера (Тх) комплекосм МНС 2 класса с антигеном, находящимся на поверхности АПК. Активация Тх завершается выделением лимфокинов, которые регулируют деятельность Т- и В-лимфоцитов. При этом в условиях развития гуморального иммунитета происходит выделение ИЛ - 4, - 5, -6, - 9, -10. Интерлейкины активируют В-лимфоциты, которые вступают в стадию клональной пролиферации, а затем и дифференцировку в плазматические клетки.
III фаза
Эта выработка плазматической клеткой, образовавшийся из В-лимфоцитов после стимуляции его антигенами Т-хелпером/индуктором, антител (иммуноглобулинов). Выделяемые антитела инактивируют антиген, при этом антитела характеризуются специфичностью к антигенам и связываются только с тем антигеном, на который они выработались.
Различают несколько классов иммуноглобулинов: Ig G (75% в сыворотке крови), Ig M (10%), Ig A (10%), Ig E (0,004%), Ig D (1%). Основу структурного разнообразия антител определяет последовательность аминокислот в вариабельных областях тяжёлых и лёгких цепей.
Иммунологическая реакция клеточного типа
(Стадия распознавание антигена)
В первую свою фазу, то есть фазу распознавания антигена сохраняется схема, описанная для гуморальной иммунологической реакции. Она также заканчивается появлением на поверхности АПК молекулы МНС 1 класса и эпитопа.
При этом молекулы МНС 1 класса располагаются на поверхности всех клеток, что позволяет цитотоксическим Т-лимфоцитам узнавать, а затем и уничтожать опухолевые клетки или клетки, заражённые вирусом.
(Активация Т-лимфоцитов)
Началом этой фазы являются два сигнала, подаваемые Т-лимфоциту хелперу:
1. Комплекс эпитопа антигена с молекулой МНС 1 класса. Этот комплекс распознаётся с помощью ТСR и CD8.
2. Синтез интерлейкинов или их комбинаций. См. рис. 37
Тх1 выделяет ИЛ-2 и интерферон, а также экспрессирует на своей поверхности рецепторы к ИЛ-2. Активация Т-лимфоцита, при отсутствии на поверхности клетки «своего» антигена МНС-1 приводит их к бласттрансформации и образуется субпопуляция иммунокомпетентных Т-лимфоцитов или Т-киллеров.
Рис. 37: Схема иммунологической реакции клеточного типа
(Взаимодействие Т-киллера с клеткой-мишенью)
1. Контакт Т-киллера с клеткой мишенью;
2. Увеличение в Т-лимфоците концентрации ионов Са 2+ ;
3. Экзоцитоз гранул перфорина в межклеточное пространство;
4. Встраивание мономеров перфорина в плазмолемму клетки-мишени;
5.Формирование трансмембранных пор за счёт полимеризации белка перфорина;
6. Нарушение осмотического равновесия в клетки-мишени, набухание и её гибель.
А Б
Рис. 38: А - Взаимодействие Т-киллера с вирусинфицированной клеткой,
Б - Взаимодействие Т-хелпера с антигенперзентирующей клеткой.
Самое популярное на сайте:
Теоретические основы конкурентоспособности УПРАВЛЕНИЕ КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТЬЮ 1.1. Теоретические основы конкурентоспособности. Значение и роль конкуренции в рыночных условиях.
Социализация личности Понятие социализации. С первых дней своего существования человек окружен другими людьми. С самого начала жизни он включен в.
Способы проведения соревнований по спортивным играм (системы розыгрыша) В практике спортивных игр, как уже упоминалось, сложились три способа (системы) проведения соревнований (розыгрыша).
Миссия и цели предприятия Миссия организации является важнейшей составляющей стратегического плана развития любой компании.
ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ВОЛЕЙБОЛА ПЛАН. Введение. 1. История развития.
Клеточные механизмы реактивности и резистентности
Реактивность клеток любой ткани определяется уровнем и характером метаболизма. Различные биологически активные вещества (нейромедиаторы, гормоны эндокринных желез, тканевые гормоны) являются сигналами, действующими на клетки. Чувствительность к этим сигналам обеспечивается существованием специальных рецепторов, расположенных на поверхности (в цитоплазматической мембране) или внутри клетки. Рецепторные белки содержат локус, взаимодействующий с соответствующим биологически активным веществом (лигандом) и характеризующийся высокой специфичностью и аффинностью. Специфичность рецептора - свойство различать молекулы с минимальными структурными модификациями. Аффинность - способность рецептора взаимодействовать с соответствующим веществом при его низкой концентрации (в нано- и пикограммах). Специфичность и аффинность рецепторов обеспечивают узнавание биологического сигнала, начиная с его низких значений. Взаимодействие с лигандом приводит к активации рецептора, которая, в свою очередь, вызывает серию биохимических изменений, продуцирующих физиологический ответ.
В настоящее время установлены рецепторы для большинства активных веществ. При этом в зависимости от локализации рецепторов выделяют мембранный тип рецепции и внутриклеточный, разделяющийся в свою очередь на цитозольный и ядерный варианты (рис.8).
Мембранный тип рецепции
Этот тип рецепции характерен для нейромедиаторов и пептидных гормонов. Рецептор встроен в цитоплазматическую мембрану, активируется при взаимодействии с лигандом и передает биологическую информацию внутрь клетки, вызывая ее ответ через вторичные мессенджеры (посредники) (рис. 6). В настоящее время главными системами вторичных мессенджеров являются:
Циклические нуклеотиды - аденозинмонофосфат (цАМФ) и гуанозинмонофосфат (цГМФ).
Фосфатидилинозитоловая система, включающая ионы кальция и диацилглицерол.
1. Системы циклических нуклеотидов
Формирование клеточного ответа на сигнал при участии циклических нуклеотидов включает следующие взаимодействия. Активный комплекс «лиганд + рецептор» вызывает активацию соответствующей каталитической циклазы: аденилатциклазы или гуанилатциклазы (в зависимости от специализации рецептора), которая способствует образованию из АТФ (или ГТФ) циклического АМФ (или ц-ГМФ). При этом активируется соответствующая протеинкиназа, которая в свою очередь активирует синтез и фосфорилирование клеточных белков и ферментов, а также синтез рибонуклеиновых кислот. По современным представлениям фосфорилирование является одним из основных биохимических механизмов регуляции функциональной активности белков.
Специфические биологические эффекты, вызванные увеличением внутриклеточного содержания циклических нуклеотидов, зависят от генетической экспрессии соответствующего типа клетки, т.е. потенциальных субстратов, подлежащих фосфорилированию. Например, повышение содержания ц-АМФ в печеночных клетках приводит к гликогенолизу и глюконеогенезу, а в клетках коры надпочечников - к увеличению синтеза стероидных гормонов. Следует отметить при этом явление амплификации (прогрессивного усиления) сигнала, возникшего при взаимодействии лиганда с рецептором. Однако эффекты циклических нуклеотидов регулируются в своей выраженности и продолжительности не только количеством лиганда и свойствами рецептора, но и механизмом инактивации циклических нуклеотидов: она обеспечивается специальными ферментами - фосфодиэстеразами, вызывающими превращение циклических нуклеотидов в обычные (нециклические). Прекращению эффектов ц-АМФ и ц-ГМФ способствует также их удаление из клетки.
Циклический АМФ - внутриклеточный медиатор для многих гормонов, включая адренокортикотропный, антидиуретический, меланоцитостимулирующий, паратиреоидный, кальцитонин и др., а также для β-адренергических катехоламинов. Через ц-ГМФ оказывают свое действие холинергические агенты, β-адренергические катехоламины, гонадотропин-рилизинг гормон, окситоцин, соматостатин и другие биологически активные вещества.
От содержания циклических нуклеотидов зависит внешняя деятельность клетки. Так, повышение уровня ц-АМФ подавляет выделение медиаторов аллергической реакции, синтез реагинов, снижает тонус гладкой мускулатуры, проницаемость лизосомальных мембран, т. е. уменьшает внешнюю деятельность клетки. Повышение же уровня ц-ГМФ вызывает противоположные эффекты. Имеются данные о том, что противоположное действие циклических нуклеотидов в некоторой степени определяется их разной зависимостью от концентрации ионов кальция.
Вопрос 7. Жизненный цикл клетки. Способы клеточной репродукции
Это жизнь клетки от деления до гибели или до следующего деления (тогда - клеточный цикл). Включает интерфазу и митоз. Интерфаза делится на G1, S , G2-периоды. B G1-периоде клетка активно синтезирует белки и РНК, быстро растет и формирует необходимое число органелл.
Одновременно синтезируются и запускающие белки - активаторы S -периода. При определенной концентрации клетка оказывается в точке рестрикции и вступает в S-период.
Если клетка не достигает этой точки, то вступает в период репродуктивного покоя. И либо дифференцируется и выполняет свои функции, либо переживает неблагоприятных условиях, либо осуществляет репарацию поврежденной ДНК. Способна ли клетка вернуться обратно в митотический цикл, зависит от типа ткани.
Есть три основных типа клеток, различных по жизненному циклу:
Стволовые клетки. Эти клетки способны к постоянному делению, но делают это редко. А вот их потомки делятся интенсивно.
Дифференцированные клетки.
а) Необратимые постмитотические клетки. Они потеряли способность к делению и выходят в G0-период. Это нейроны и сердечные мышечные клетки. Они дифференцируются, функционируют и погибают.
б) Обратимые постмитотические клетки. Эти клетки (например, клетки печени) входят в период G0, но сохраняют возможность делиться.
В соответствии с этим и ткани могут быть:
1. Статические. Только дифференцированные клетки. Стволовых нет. Нервная и сердечная мышечная ткани.
2. Растущие. Содержат дифференцированные клетки обоих типов.
Такова паренхима печени, почек, щитовидной железы. При определенных ситуациях (удаление части органа) покоящиеся клетки быстро возвращаются в митотический цикл и, размножаясь, восстанавливают численность клеточной популяции.
3. Обновляющиеся. В них высока скорость и митозов и апоптоза. Обязательно содержат как дифференцированные, так и стволовые клетки.
Способность клетки или ткани восстанавливать утраченные части называется регенерацией. Физиологическая регенерация — это естественное обновление старых компонентов или целых клеток, репаративная регенерация — восстановление клеток или тканией после повреждения.
Внутриклеточная регенерация — восстановление старых, разрушившихся частей клетки. Клеточная регенерация — это регенерация ткани за счет деления клеток.
Вопрос 8. Реактивные свойства клеток
Реактивные изменения клеток — изменения структуры и функции клеток под воздействием внешних факторов. Если вредный фактор не вызывает гибели клеток, то происходят компенсаторные изменения.
Если клетка не может делиться, она может увеличиваться в размерах. Это гипертрофия.
Могут образовываться полиплоидные и двуядерные клетки. Они также менее чувствительны к повреждающему фактору. Может возрастать метаболизм и функциональная активность.
Однако, при воздействии на клетку запредельных факторов она подвергается разрушению — некрозу.
Обычно некроз захватывает целые группы клеток.
При некрозе происходит разрушение ядерной оболочки, плазмолеммы и мембран органелл, разрушение и растворение ядра, набухание цитоплазмы, исчезновение клеточных границ и распад клетки.
Продукты распада клеток попадают в межклеточные пространства и вызывают воспаление.
апоптоз - физиологическая (запрограммированная) гибель клеток, которой заканчивается жизненный цикл. Противопоставляется некрозу. Апоптоз (от греч. apoptosis - листопад) - "смерть клетки в результате самоубийства (самоуничтожения)" - активный, генетически контролируемый процесс клеточной гибели, регулируемый внутренней программой, которая запускается внешними факторами. Развитие апоптоза индуцируется особыми генами (киллерными генами). Апоптоз происходит асинхронно в отдельных клетках, разделенных жизнеспособными клетками.
На ранних этапах (до 12 ч) происходит синтез ферментов, которые необходимы для осуществления гибели клетки. На этой стадии часть клеток выживает благодаря "спасению" в результате активации особых "генов-спасителей".
Сначала клетки округляются и отделяются от соседей. Ядро и цитоплазма уплотняются, но мембрана и органеллы сохраняют свою целостность. Специальный фермент эндонуклеаза расщепляет ядерную ДНК на равные нуклеосомные сегменты и хроматин приобретает форму крупных полулуний. Наконец клетка образует многочисленные вздутия и выпячивания («вскипает»). Они отшнуровываются, формируя апоптозные тела. Образование апоптозных тел связано с преобразованиями цитоскелета. Апоптозные тела быстро захватываются соседними клетками посредством фагоцитоза и перевариваются . Воспалительная реакция отсутствует.
Процесс апоптоза развивается сравнительно быстро и обычно длится от нескольких минут до нескольких часов
CD-ландшафт клеток
Изучая объект, мы пытаемся его охарактеризовать, сравнить с уже известными и найти ему место на полке нашего сознания. Наука и жизнь немыслимы без классификации. Системы рождаются, устаревают, приходят в забвение… Или же успешно трансформируются и развиваются, превращаясь в настоящие звезды. Итак, встречайте — неподражаемые кластеры дифференцировки. У армии их фанатов нет громоздких СD-ROM, но в закладках браузера CD Maps [1, 2].
Кластер дифференцировки (cluster of differentiation, cluster designation, CD) — это маркер, который идентифицирует конкретный паттерн клеточной дифференцировки, выявляемый специфическим моноклональным антителом [3].
Номенклатура CD завоевала официальный статус: она принята научным сообществом и одобрена Международным союзом иммунологических обществ и Всемирной организацией здравоохранения.
Рожденные гибридомной революцией
Возникновению системы CD способствовало получение моноклональных антител с уникальной специфичностью (Георг Келер, Цезарь Мильштейн, 1975 год) [4]. Это стало возможным благодаря разработке метода гибридом, воплощающего мечту «приставить губы Никанора Ивановича к носу Ивана Кузьмича». Соматический гибрид нормальной антителообразующей и опухолевой клетки (гибридома) передает своим потомкам как бессмертие злокачественно трансформируемой клетки, так и возможность синтезировать антитела. Белки имеют специальный узор из опознавательных знаков — детерминантных групп, каждая из которых представлена несколькими остатками аминокислот или сахаров. То есть один белок имеет несколько различных детерминант и, следовательно, широкий спектр антител, с которыми возможно образование связи. Узнавание молекулы антителом подразумевает образование с ней значительно более прочной связи по сравнению с другими молекулами. Крепость «уз» в данном случае измеряется сродством или константой диссоциации. Для многих исследований требуются структуры с более четкими характеристиками. Моноклональные антитела нацелены на одну конкретную детерминанту, а их физико-химическая однородность превращает их в высокочувствительные реагенты [5].
Открывшиеся перспективы поражали воображение, и радостные иммунологи генерировали все большее количество антител. Однако новой технологии отчаянно не хватало упорядоченности. Иногда полученные в разных лабораториях разноименные структуры фактически распознавали одни и те же паттерны. Это привело к хаотичному называнию молекул — Вавилонской башне терминологии [6].
Для ликвидации все нарастающей путаницы в 1982 году Ален Бернард и Лоуренс Бумселл организовали в Париже I Международное рабочее совещание по дифференцировочным антигенам лейкоцитов человека (the I International Workshop of Нuman Leukocyte Differentiation Antigens, HLDA). 55 коллективов ученых из 14 стран согласованно работали по единому протоколу. В итоге удалось объединить исследованные на тот момент антигены в 15 кластеров, обозначенных буквами CD [7].
Мультилабораторный слепой анализ антител обеспечил независимую проверку специфичности молекул и послужил основой для уверенного использования этих реагентов в фундаментальных исследованиях и клинической практике. Сложные коммуникации клеток иммунной системы и невозможность рассматривать ее изолированно привели к расширению объектов исследований экспертов HLDA. На сегодняшний день, помимо классического анализа лейкоцитов, в качестве объектов рассматриваются и другие типы клеток: гемопоэтические стволовые, кроветворные клетки-предшественницы, тромбоциты, дендритные и эндотелиальные клетки. В настоящее время проведение рабочих совещаний HLDA осуществляет неправительственная организация Молекулы дифференцировки клеток человека (Human Cell Differentiation Molecules, HCDM) со штаб-квартирой в Барселоне (Испания). Актуальный список маркеров включает 371 CD [8].
Таблица 1 | Рабочие совещания HLDA I-X (1982-2014) [8]
Термин CD сбросил чешую и оброс перьями, то есть успешно эволюционировал. Строгое определение СD как поверхностных белков лейкоцитов утратило свою актуальность. Не все CD — белки, не все поверхностные, не все встречаются на лейкоцитах. Научный прогресс вынуждает отказываться от категоричных определений фундаментальных свойств, чтобы избежать необходимости постоянных уточнений и абсурдных ситуаций, когда исключений больше, чем соответствий правилу. Рационально вводить четкие критерии, основанные на воспроизводимых параметрах.
Для признания нового CD требуется представить на суд инквизиторов HCDM свидетелей — моноклональные антитела из независимых лабораторий с идентичным характером реактивности, которые к тому же опознают одну и ту же молекулу. Протокол заседания строго контролируется. Основные лаборатории-участники тестируют реактивность антител с несколькими типами клеток, используя многоцветную проточную цитометрию. В других лабораториях проводят проверку специфической реактивности с использованием методов иммунобиохимии (иммунопреципитация, вестерн-блоттинг) и иммуногистохимии. Моноклональные антитела должны специфически распознавать как антиген в трансфицированных клетках, так и его эндогенный аналог в первичных клеточных линиях [3].
- Проточная цитометрия — метод исследования дисперсных сред в режиме поштучного анализа элементов дисперсной фазы по сигналам светорассеивания (прямое светорассеивание — для определения относительного размера клеток или частиц; боковое светорассеивание — для оценки неоднородности внутриклеточного содержимого клетки, например, размеров ядра и гранулярности цитоплазмы) и флуоресценции (изучение клеточных маркеров с помощью меченных флюорохромными красителями антител к поверхностным и внутриклеточным компонентам клеток) [9].
- Иммунопреципитация — способ, с помощью которого можно выделить из смеси и осадить («precipitate») искомую молекулу за счет образования комплекса антиген-антитело.
- Вестерн-блоттинг или иммуноблотинг («blotting» — промокание) — аналитический метод, основанный на комбинации гель-электрофореза (проведение электрофоретического разделения белков) и иммунохимической реакции «антиген/антитело-исследуемый белок».
Иммуногистохимия — метод выявления специфических антигенов в тканях в результате распознавания соответствующим антителом с последующим анализом микропрепаратов на светооптическом уровне [10]. - Трансфекция — метод генной инженерии, заключающийся в изменении фенотипа путем введения в клетку (эукариотическую) чужеродной нуклеиновой кислоты без использования вирусов. Вирусная «доставка» нуклеиновой кислоты называется трансдукцией [11].
Вопрос, что было раньше, не решен для пары курица и яйцо, но определен для моноклонального антитела и идентифицируемой им молекулярной частицы. Изначально именно моноклональное антитело использовалось для характеристики своей мишени. Например, CD2-моноклональные антитела представляют собой реагенты, которые реагируют с трансмембранным гликопротеином с молекулярной массой 50 кДа, экспрессируемым в покоящихся Т-клетках. В настоящее время клеточные структуры сначала идентифицируются с помощью методов молекулярной генетики или протеомики, а затем уже моделируются специфические антитела [12].
Строчная буква «w» («workshop»), предшествующая обозначению номера, используется для еще не утвержденных кандидатов. Например, молекула все еще в листе ожидания, т. к., по данным совещаний HLDA, для нее подтверждено только одно специфическое антитело.
Анализ w-клеймированных маркеров, рассмотренных еще в начале деятельности HLDA, выявил их принадлежность к кластерам моноклональных антител, распознающих углеводные эпитопы, которые после надлежащей биохимической идентификации получили свой собственный «чистый» номер CD. Например, антиген Томсена-Фриденрайха (TF или T) открыт случайно при изучении групп крови (обнаруживался на контаминированных эритроцитах). Структурно TF — это универсальная первичная (коровая, кор-1) последовательность O-гликанов, то есть углеводный эпитоп. Присутствуя практически на всех мембранных гликопротеинах муцинового типа, он остается иммунологически замаскированным из-за удлинения углеводной цепи. Но в злокачественно трансформированных клетках происходит его демаскировка, вероятнее всего, в результате нарушения (обрыва) гликозилирования. TF характеризуется как онкофетальный углеводный эпитоп, имеет номер CD176. Он определяется примерно в 90 % опухолей преимущественно эпителиального строения (толстая кишка, молочная железа, мочевой пузырь, простата, печень, яичники и желудок), при этом уровень экспрессии вариабелен [13].
Прописные буквы после номера CD обозначают сплайсированный вариант внеклеточного домена молекулы клеточной поверхности. Например, в результате альтернативного сплайсинга гена Ptprc (Protein tyrosine-phosphatase, receptor type), кодирующего трансмембранную тирозиновую протеинфосфатазу CD45, образуются варианты с различными характеристиками. Наивные Т-лимфоциты экспрессируют преимущественно высокомолекулярные изоформы СD45 (CD45RA), имеют высокую фосфатазную активность и поддерживают Т-клеточный рецептор в премированном состоянии для распознавания антигена. Активированные Т-клетки экспрессируют короткий сплайс-вариант CD45 (CD45RO), с которым связывают более быструю и эффективную активацию, опосредованную антигеном [14].
- Сплайсинг — это процесс созревания молекул, в результате которого из предшественника удаляется внутренняя часть, а края образовавшегося дефекта лигируются за счет образования ковалентной связи. Сплайсингу подвергаются нуклеиновые кислоты и белки. Вырезание разных участков в транскриптах формирует альтернативный сплайсинг, в результате которого с одного гена считываются разные белки [15].
Строчная буква после номера CD обозначает несколько молекул, которые имеют общую цепь. Например, CD1a, CD1b, CD1c, CD1d, CD1e имеют цепь β2-микроглобулина. Интегрин бета-2 (CD18), связываясь с различными альфа-субъединицами интегрина, образует гетеродимерные комплексы (CD11a, CD11b и CD11c). В других случаях строчные буквы используются для обозначения разных членов одного и того же семейства генов, как в случае с CD66 (CD66a, CD66b, CD66c, CD66d, CD66e и CD66f).
В случае углеводных структур CD строчная буква указывает на модификацию углеводной последовательности. Например, CD65s трактуется как сиалилированный CD65; CD60b и CD60c означают 9-O- и 7-О-ацетилированный ганглиозид GD3 [3].
Символ «+» или «-» указывает на наличие или отсутствие экспрессии данной молекулы в определенном типе клеток. В некоторых случаях экспрессия уточняется количественно: «высокий» или «низкий» уровень.
Поверхность цитоплазматической мембраны — важный участник всех видов клеточной коммуникации, фактически, она осуществляет ведение внешней политики клетки. Как настоящий дипломат (студент МГИМО в случае наивных лимфоцитов, или опытный спец — клетка памяти), клеточная поверхность реагирует на потенциально опасные изменения окружающей среды, опосредует клеточную адгезию и коммуникацию между клетками (как внутри иммунной системы, так и со стромой). В состав министерства внутренних дел входят рецепторы, транспортеры, каналы, белки адгезии клеток, ферменты. Поверхностно экспрессируемые белки получают мощную «государственную» поддержку — около 26 % человеческих генов кодируют примерно 5500 трансмембранных белков [16]. Согласно оценкам in silico, 2886 таких белков фактически экспрессируются на наружной клеточной мембране, то есть непосредственно на клеточной поверхности [17]. Экспериментальные данные представлены для 1492 белков разных тканей [18]. 1015 исследованных белков обнаруживаются в одном или нескольких типах иммунных клеток, в лимфоидной ткани [19].
Ландшафт клеточной поверхности все еще загадочен. Заявленные внушительные цифры требуют тщательного анализа, уточнения и унификации информации. На фоне хаотичного разнообразия разношерстных молекул выгодно выделяются CD-маркеры (исторически определенные как белки клеточной поверхности и представляющие большинство из существующих маркеров). Длительная история исследований и ранний акцент на стандартизации методов превращает их в достаточно удобный инструмент, который позволит набросать эскиз карты клеточной поверхности и далее дополнять его (табл. 2) [20,21].
Таблица 2 | Основные дифференцировочные маркеры клеток крови [20,21]
При изучении белков используются методы сравнительной геномики, базирующиеся на следующем представлении: биомолекулы, имеющие значительное сходство на уровне последовательностей, имеют сходные структуры и функции. При этом возможно обнаружить сходство на различных структурных уровнях (гомологию), что указывает на их эволюционную взаимосвязь. Гомологичные белки образуются в результате различных событий. Например, при расхождении в ходе видообразования сходные гены обнаруживаются у разных видов. Такие белки (и кодирующие их гены) являются ортологами. У одного вида ген может дуплицироваться (то есть образовать две копии), далее каждая копия развивается по-своему — так возникают паралоги [23].
ФИО клетки прочно ассоциируется с номерами CD (рис. 1) [21-22,24-26]. Анализ экспрессионного статуса молекул CD в рамках проведения иммунофенотипирования является фундаментальным компонентом диагностики, классификации и мониторинга гемобластозов, а также аутоиммунных заболеваний и иммунодефицитов [27,28]. Морфологическое исследование на светооптическом уровне не позволяет отличить различные типы лимфоцитов, отследить степень их дифференцировки.
Для типов клеток, отмеченных символом *, приведены общие для всех субтипов маркеры. Например, пан-В-клеточным маркером является CD19, который присутствует на человеческих B-лимфоцитах на всех этапах. Ключевыми молекулами В-лимфоцитов является триада, обеспечивающая модуляцию сигнала В-клеточного рецептора: CD19, CD20 и CD22. Такая тонкая «настройка» рецептора обеспечивает поддержание выживания и селекцию В-клеточных клонов. Экспрессия СD20 и CD22 вариабельна. В онтогенезе CD20 не обнаруживается на ранних про-В- и пре-В-клетках, появляется после CD19 и отражает более поздние стадии дифференцировки [25]. Антиген CD22 экспрессируется в цитоплазме всех В-лимфоцитов, но на клеточной поверхности выявляется только у зрелых В-клеток. В отличие от CD19 и CD20, антиген CD22 сохраняется на лимфоплазмоцитоидных клетках, определяется на зрелых плазмоцитах в крайне незначительном количестве. В патологии CD22 обнаруживается при большинстве В-клеточных лейкозов, включая волосатоклеточный лейкоз, а также при различных типах В-клеточных лимфом [26].
ГСК — гемопоэтические стволовые клетки;
МПП — мультипотентный предшественник;
ОЛП — общий лимфоидный предшественник;
ОМП — общий миелоидный предшественник;
МЭП — мегакариоцит-эритроидный предшественник;
ГМП — предшественник гранулоцитов и макрофагов;
NK* — NK-клетки (натуральные киллеры)*;
Т-лф* — T -лимфоциты*;
В-лф* — B-лимфоциты*;
МоноЦ*— мoноциты*;
МФ*— мaкрофаги*;
ДК* — дендритные клетки*;
НФ — нейтрофилы;
ЭФ — эозинофилы;
БФ — базофилы;
ТК — тучные клетки;
ЭрЦ — эритроциты;
МКЦ — мегакариоциты;
ТрЦ — тромбоциты.
CD123/IL3Rα — альфа-субъединица рецептора интерлейкина 3;
NKp46 — рецептор естественной цитотоксичности 1 (NCR1), пан-NK-маркер;
HLA-DR (Human Leucocyte Antigen — антиген лейкоцитов человека) — антиген человеческого главного комплекса гистосовместимости класса II, маркер иммуногенной активации;
F4/80 — маркер популяций мышиных макрофагов. Человеческий ортолог этого белка называется EMR1: модуль, подобный человеческому эпидермальному фактору роста (EGF), содержащий рецептор муцинподобного гормона 1, является высокоспецифичным маркером эозинофилов [22];
Siglec-8 — иммуноглобулин-подобный сиало-связывающий лектин 8 (Sialic acid-binding Ig-like lectins 8) [24];
FcεRI — высокоаффинный Fc-эпсилон-рецептор I для IgE
Четкие линии эскиза появляются при хорошо заточенном карандаше. Обострить точность планируется и для CD-маркеров. В наших знаниях о паттернах экспрессии молекул CD все еще остаются значительные пробелы, в том числе из-за неоднородности исследований экспрессии и значительных изменений в технологиях проточной цитометрии за 30 лет проведения семинаров HLDA.
Организация HCDM инициировала проект CD Maps — многопрофильную исследовательскую программу для создания карты клеточной поверхности иммунных клеток человека. Планируется проверить экспрессию уже известных CD маркеров на основных клеточных типах, используя современные возможности лабораторной диагностики (рис. 2) [1]. Точность данных обеспечивается использованием стандартизированных протоколов многоцветной проточной цитометрии. CD Maps должен создать огромную базу данных профилей экспрессии молекул, которая будет представлять собой уникальный ресурс с открытым доступом для фундаментальной, трансляционной и клинической иммунологии.
Проанализированные CD-маркеры расположены в порядке возрастания номеров по вертикали в одной линии с результатами FMO (Fluorescence Minus One, «флуоресценция минус один» — способ проверки результата, когда в пробе присутствуют все планируемые флуорохромы, кроме одного).
Интенсивность флуоресценции [log10 (медиана ABC (антигенсвязывающая способность)]. Для проведения иерархического кластеризационного анализа экспрессии маркеров CD клеточные популяции лейкоцитов были сформированы в 10 подгрупп:
1. Гранулоциты.
НФ — нейтрофилы; ЭФ — эозинофилы; БФ — базофилы
2. Моноциты.
НеКласс МЦ — неклассические моноциты; Класс МЦ — классические моноциты; Пр МЦ — промежуточные моноциты.
3. Дендритные клетки.
мДК — миелоидные дендритные клетки; пцДК — плазмоцитоидные дендритные клетки.
4. Натуральные киллеры (НК).
5. Тимоциты.
днCD34 — двойной негативный CD34; днCD34/CD1a — двойной негативный CD34/CD1a.
6. CD4+ T-клетки.
CD4(1+) незрелый — незрелый единичный позитивный CD4; CD4 (1+) CD1a+ — единичный позитивный CD4 и позитивный CD1a; CD4 (1+) — единичный позитивный CD4; TCD4 наив — наивные CD4+ T-клетки; TCD4 ЦП — CD4+ T-клетки центральной памяти; TCD4 ЭП — CD4+ T-клетки эффекторной памяти; TCD4 ТЭ — терминальные эффекторные CD4+ T-клетки, реэкспрессирующие CD45RA (TEMRA).
7. CD8+ T-клетки.
CD8 (1+) CD1a — единичный позитивный CD8 и позитивный CD1a; CD8 (1+) — единичный позитивный CD8; TCD8 наив — наивные CD8+ T-клетки; TCD8 ЦП — CD8+ T-клетки центральной памяти; TCD8 ЭП — CD8+ T-клетки эффекторной памяти; TCD8 ТЭ — терминальные эффекторные CD8+ T-клетки, реэкспрессирующие CD45RA (TEMRA); CD8+T-скп — популяция CD8+Т-лимфоцитов-стволовые клетки памяти, отражающая переход наивных Т-клеток в клетки памяти с экспрессией CD27+, CD28+, CD95, а также CD45RА+ и CD45RO+ (CD45RА dim — «тусклый» фенотип) с высокой способностью к пролиферации.
8. Другие Т-клетки.
дпCD3 — двойной позитивный CD3; ϒ-Δ Т-кл — гамма-дельта Т-клетки.
10. Лимфоциты — без уточнения подтипа.
Уровень экспрессии маркера CD отражен в цветовой кодировке (негативная — синий, позитивная — красный цвет), размер точек соответствует частоте выявленных используемым флуорохромом фикоэритрином (ФЭ-положительных) клеток в процентах, обе переменные являются медианами всех измеренных образцов [1].
Как клетки выбирают путь спасения при стрессе
Рис. 1. HSP70 подавляет развитие аутофагии. (А) В клетках запускали аутофагию, помещая их в условия дефицита питательных веществ (EBSS+). В некоторых случаях в клетках экспрессировали HSP70 (Ad70+). Количество модифицированного LC3 (LC3-II, по оси ординат), который является маркером аутофагии, измеряли с помощью иммуноблоттинга спустя 2 часа после индукции аутофагии. Если сравнить голодающие клетки, в которых экспрессирован HSP70 (Ad70+, EBSS+), с клетками, которые голодают без HSP70 (Ad70-, EBSS+), то видно, что аутофагия в последнем случае сильнее. Значит, HSP70 ингибирует аутофагию. (Б) В клетках, помещенных в условия недостатка питательных веществ (Ad70-/EBSS+), запускается аутофагия. Об этом говорят красные точки — аутофагосомы. В клетках окрашен белок LC3, который находится в аутофагосомах. Если в голодающих клетках экспрессируется HSP70, то аутофагосом становится меньше. Это подтверждает, что HSP70 ингибирует аутофагию. Рисунок из обсуждаемой статьи в Journal of Biological Chemistry с изменениями
Два механизма помогают нашим клеткам выжить при стрессе — белки теплового шока (задача которых — сохранить структуру других белков) и аутофагия (самопереваривание частей клетки). Связаны ли эти системы между собой? Как клетка может сделать выбор в пользу одной из них? Оказывается, белки теплового шока управляют аутофагией, не давая клетке принять радикальные меры там, где достаточно легкой починки.
Организмы часто попадают в неблагоприятные условия, и должны каким-то образом бороться с ними, чтобы выжить. Если рассматривать эту проблему на уровне отдельной клетки, то стресс (например, повышение температуры) может нарушить структуру белков — элементарных винтиков клеточной машины. Нарушение структуры многих белков выливается в сбои целых метаболических путей, появлению свободных радикалов (так называемому окислительному стрессу) и повреждению отдельных органелл клетки (в первую очередь, митохондрий). В процессе эволюции живых организмов возникло множество механизмов защиты от подобных негативных последствий стресса.
Один из механизмов выживания клетки в экстремальных условиях связан с так называемыми белками теплового шока (БТШ, HSP — Heat shock protein). Их задача — контролировать правильное сворачивание белковых молекул. При повышении температуры, как и при целом ряде других возможных воздействий на клетку, белки разворачиваются, теряя правильную структуру, а при понижении температуры могут неправильно свернуться обратно, что помешает нормальному функционированию белка. (Все сталкивались с этим эффектом в быту: белки куриного яйца при варке приобретают другую структуру, за счет чего содержимое яйца затвердевает.) В таком случае белки теплового шока связываются с развернутым белком и удерживают его от слишком быстрого сворачивания, которое, скорее всего, окажется неправильным. Некоторые БТШ представляют собой большую бочку, внутри которой белок может спокойно свернуться. Если же после нескольких попыток белок всё равно оказывается свернут неправильно, то БТШ направляют его на уничтожение. На самом деле, белки, регулирующие структуру белка (шапероны), в том числе БТШ, работают в клетке и в нормальных условиях. Однако в условиях стресса, когда риск нарушения структуры белков повышается, роль БТШ усиливается и их количество увеличивается.
Недостаток питательных веществ — тоже один из типов стресса. В этом случае в клетке может возникнуть необходимость «разобрать» некоторые органеллы на отдельные молекулы и использовать получившийся «строительный материал». Такое часто происходит при травмах или инфекционных заболеваниях (которые сопровождаются и снижением аппетита). Разрушение белков до аминокислот в одной части организма требуется для поддержания их усиленного синтеза в поврежденной части, а также для синтеза антител, необходимых для защиты от инфекции. Для обеспечения клеток строительным материалом в таких экстренных случаях предусмотрен механизм аутофагии.
Второй тип аутофагии связан с образованием мембранной структуры — аутофагосомы — вокруг той части клетки, которую предполагается уничтожить. В этом процессе играют роль белки семейства Atg (один из них — LC3, являющийся маркером начала аутофагии). Интересно, что эти белки — родственники убиквитина, который участвует в уничтожении белков-мишеней протеасомой. Убиквитин, на который похож белок LC3, — это та самая молекулярная «метка смерти», которая обеспечивает его узнавание и, в конечном итоге, разрушение протеасомой. Следовательно, две системы — протеасомы и аутофагия — оказываются как бы родственниками: они регулируются сходным образом, а также выполняют сходные функции.
В последнее время аутофагия всё чаще привлекает внимание исследователей. Нарушения в молекулярных механизмах ее запуска связаны со старением, развитием рака и нейродегенеративных заболеваний. Например, было доказано, что усиление аутофагии при травмах спинного мозга связано с ускорением восстановления нарушенных функций (см.: Kanno et al., 2012. The role of mTOR signaling pathway in spinal cord injury).
Таким образом, у клетки есть два пути спасения в условиях стресса — прибегнуть к помощи БТШ или же запустить аутофагию. В эволюции эти два пути появились в разное время. БТШ — древний механизм, имеющийся не только у эукариот, но и у бактерий. А вот аутофагия появилась только у эукариот. Есть мнение, что все механизмы, необходимые для данного процесса, существовали уже у последнего общего предка всех эукариот. Аутофагии нет только у сильно деградировавших облигатных внутриклеточных паразитов, таких как некоторые микроспоридии.
Среди предположений по поводу роли макроаутофагии первое и самое очевидное — поддержание жизни в неблагоприятных условиях за счет использования частей клетки. Прежде всего, речь идет о получении аминокислот для построения новых белков. С другой стороны, аутофагия может быть древнейшей системой защиты клеток от «вторжения извне», если вместе с частью цитоплазмы будут захвачены вирусы или другие внутриклеточные паразиты.
Могут ли самопереваривание при помощи аутофагии и починка при помощи БТШ уживаться друг с другом? Есть ли контроль одного процесса со стороны другого? Существует ряд работ, посвященных этой проблеме. Например, недавно была показана роль HSP70 в развитии аутофагии в клетках сердца (кардиомиоцитах) (см.: Hsu et al., 2013. Attenuating heat-induced cellular autophagy, apoptosis and damage in H9c2 cardiomyocytes by pre-inducing HSP70 with heat shock preconditioning). Если клетки нагревали до высокой температуры (44°C), развивалась сильная аутофагии, и клетки гибли. Однако если предварительно клетки держали при 37°C (что приводило к активному синтезу БТШ), то при последующем сильном увеличении температуры снижалась интенсивности аутофагии и выживаемость клеток увеличивалась. Судя по всему, БТШ могут смягчать проявления аутофагии в определенных условиях.
В этой работе, как и в некоторых других, в качестве индуктора аутофагии выступало повышение температуры. Однако, как было сказано, вероятнее всего в процессе эволюции аутофагия развилась как приспособление к недостатку питательных веществ. В таком случае между БТШ и аутофагией нет очевидной связи. Удивительно, но только недавно появилась работа исследователей из США и Дании, которые занялись исследованием этого вопроса.
Один из важных белков теплового шока — HSP70. Он играет важную роль в «спасении» клетки при повышении температуры, а также при отравлении тяжелыми металлами, которые также нарушают структуру белков. Сначала исследователи проверили, может ли HSP70 влиять на аутофагию в культуре клеток. В качестве индуктора аутофагии использовали голод: клетки росли в среде, не содержащей питательных веществ. Аутофагию можно зафиксировать, наблюдая за белком LC3 (он один из участников этого процесса и родственник убиквитина). При развитии аутофагии происходит модификация этого белка. Количество модифицированного белка можно определить методом иммуноблоттинга. Уже через 2 часа в голодающих клетках аутофагия становилась хорошо заметной (рис. 1А). Но если в таких клетках увеличить количество HSP70, то аутофагия замедлялась. Таким образом, HSP70 предотвращает развитие аутофагии при голодании.
Этот результат удалось подтвердить и другим методом, когда аутофагию отслеживали по изменению локализации LC3 в клетках (рис. 1Б). При запуске аутофагии в клетках появляются характерные органеллы — аутофагосомы. Белок LC3 локализуется на их поверхности. Положение LC3 можно определить, если покрасить клетки флуоресцирующими (светящимися при определенных условиях) антителами против него (см. Флуоресцентный иммуноанализ). Клетки, в которых запущена аутофагия, не окрашены равномерно. LC3 собирается на поверхности аутофагосом, поэтому клетка выглядит пятнистой. И снова, если в голодающих клетках увеличена экспрессия белка HSP70, аутофагия в них развивается медленнее. Таким образом, белок HSP70 ингибирует аутофагию в культуре клеток.
Аутофагия может быть вызвана не только голоданием, но и ингибированием белка mTOR. Свое название этот белок получил из-за того, что с ним связывается антибиотик рапамицин (mTOR = mammalian target of rapamycin, «мишень рапамицина у млекопитающих»). mTOR — один из основных регуляторов метаболизма. В зависимости от условий он запускает процессы запасания или расходования энергии. Если mTOR активен, то аутофагия не запускается. Оказалось, что и запущенная ингибированием mTOR аутофагия подавляется в присутствии HSP70.
HSP70 является только одним звеном в развитии ответа на тепловой шок. Точнее, он — непосредственный исполнитель, который участвует в стабилизации структуры других белков и ее исправлении. Одним из регуляторов экспрессии HSP70 является белок HSF-1. Чтобы проверить, участвует ли он в развитии аутофагии в условиях стресса, исследователи подавили экспрессию HSF-1 при помощи миРНК (короткой молекулы РНК — около 20 нуклеотидов, комплементарной участку мРНК определенного гена (в данном случае, HSF-1), и способной вызывать «выключение» конкретного гена) (рис. 2). Это само по себе вызвало развитие аутофагии, что было показано по увеличившемуся количеству модифицированного белка LC3. Повышение экспрессии HSP70 в таких условиях предотвращало развитие аутофагии. Следовательно, можно сделать вывод, что именно HSP70 является промежуточным звеном между HSF-1 и предотвращением развития аутофагии. При этом важна именно каталитическая активность HSP70 — мутация в той его части, которая ответственна за проявление активности, приводит к развитию аутофагии в стрессовых условиях.
Рис. 2. Аутофагия зависит от активности HSP70 и его регулятора — HSF-1. Клетки помещали в нормальные условия (белые столбики) или в среду с недостатком питательных веществ (EBSS, черные столбики). В них выключали HSF-1 (siHSF1+) или увеличивали экспрессию HSP70 (Ad70+) и измеряли количество модифицированного LC3. Видно, что аутофагия запускается при выключении HSF-1 (siHSF1+/Ad70-/EBSS, 3-й черный столбик). При этом HSP70 предотвращает развитие аутофагии (siHSF1+/Ad70+/EBSS, 4-й черный столбик). Рисунок из обсуждаемой статьи в Journal of Biological Chemistry
Все описанные эксперименты были проведены на культуре клеток. Это хорошая модель, однако организм — более сложная система. И проверка полученных результатов на уровне организма необходима. Авторы исследования не остановились на модельных экспериментах и изучили аутофагию у людей (рис. 3). Простейшим способом вызвать стресс является выполнение упражнений. Было показано, что у людей после физической нагрузки интенсивность аутофагии в мононуклеарных клетках крови (лимфоциты, моноциты, макрофаги) увеличивается (рис. 3, группа плацебо). Но как доказать, что в этом процессе участвует HSP70? В культуре клеток всё просто — надо выключить его и посмотреть, как изменится ответ. Если вы работаете с мышами, то можно вывести животных с дефицитом интересующего белка — такназываемых нокаутных животных (подробнее про нокаутных животных см.: Нобелевская премия по физиологии и медицине — 2007, «Элементы», 12.10.2007). Но если в эксперименте принимают участие люди, то остается надеяться только на физиологические способы изменения активности белков.
В случае HSP70 известно, что его активность увеличивается при добавлении глутамина в пищу. Исследователи использовали такой подход: одна группа добровольцев в течение недели три раза в день выпивала раствор глутамина, а вторая группа — раствор, не содержащий глутамина (плацебо). На восьмой день проводили тест с физической нагрузкой. После него у добровольцев брали кровь, выделяли из нее мононуклеарные клетки и уже в них анализировали интенсивность протекания аутофагии и количество HSP70. Оказалось, что прием глутамина значительно снижает проявление аутофагии, что согласовывалось с повышением количества HSP70. Сам по себе этот факт — только интересная корреляция. Однако вместе с экспериментами на культуре клеток он говорит о том, что аутофагия непосредственно связана с белками теплового шока.
Рис. 3. Аутофагия (А) и уровень HSP70 (Б) в мононуклеарных клетках крови добровольцев после физической нагрузки. Показатели для добровольцев, принимавших глутамин, показаны черными столбиками, для принимавших плацебо — белыми. По оси абсцисс показано время после физической нагрузки. Видно, что у добровольцев, принимавших плацебо, с течением времени развивается аутофагия, а у принимавших глутамин — остается на низком уровне. Напротив, количество HSP70 у принимавших глутамин больше, чем у принимавших плацебо. Рисунок из обсуждаемой статьи в Journal of Biological Chemistry
В недавней работе японских ученых также было получено важное подтверждение участия HSP70 и его регулятора — HSF — в развитии аутофагии (см.: Funasaka et al., 2012. Regulation of autophagy by nucleoporin Tpr). Эта команда изучала эффекты выключения одного из белков-компонентов ядерной поры. Внезапно оказалось, что удаление белка Tpr вызывает активацию аутофагии. Исследователи установили, что этот белок контролирует транспорт мРНК HSP70 и его регулятора HSF из ядра в цитоплазму. Участвует он и в транспорте мРНК других белков, участвующих в развитии аутофагии, а также вообще обладает свойствами регулятора транскрипции. Нарушение регуляции транспорта мРНК HSP70 из ядра в цитоплазму приводит к развитию аутофагии.
Что эти исследования дают для общего понимания процессов, происходящих при стрессе? Системы аутофагии и белков теплового шока имеют одну цель — выживание клетки в трудных условиях. БТШ способствуют этому путем исправления ошибок в сворачивании белков. Аутофагия обеспечивает клетки строительным материалом. Однако она может использоваться при стрессе и для уничтожения поврежденных органелл вместе с неправильно свернутыми белками. Следовательно, аутофагия — это более радикальный способ решения проблем. Логично, что ее стоит «включать» тогда, когда БТШ не справляются со своей задачей. В обсуждаемых работах показано, что усиление функции БТШ предотвращает запуск аутофагии. Был найден и один из возможных регуляторов связи между БТШ и аутофагией на уровне клеточного ядра. Кроме того, с определенной долей уверенности можно сказать, что и в организме в целом система БТШ подчиняет себе аутофагию.
Надо сказать, что БТШ регулируют не только аутофагию, но и воспалительный ответ — реакцию на «вторжение чужаков». Следовательно, БТШ — не простые исполнители. Возможно, на них сходятся важные регуляторные сигналы от разных систем, участвующих в ответе организма на стресс.
Источник: Karol Dokladny, Micah Nathaniel Zuhl, Michael Mandell, Dhruva Bhattacharya, Suzanne Schneider, Vojo Deretic, Pope Lloyd Moseley. Regulatory coordination between two major intracellular homeostatic systems: heat shock response and autophagy // Journal of Biological Chemistry. 2013. V. 288. P. 14959-14972.
См. также:
1) Haruo Kanno, Hiroshi Ozawa, Akira Sekiguchi, Seiji Yamaya, Satoshi Tateda, Kenichiro Yahata and Eiji Itoi. The role of mTOR signaling pathway in spinal cord injury // Cell Cycle. 2012. V. 11. P. 3175-3179.
2) Shu-Fen Hsu, Chien-Ming Chao, Wu-Tein Huang, Mao-Tsun Lin, Bor-Chih Cheng. Attenuating heat-induced cellular autophagy, apoptosis and damage in H9c2 cardiomyocytes by pre-inducing HSP70 with heat shock preconditioning // International Journal of Hyperthermia. 2013. V. 29. P. 239-247.
3) Tatsuyoshi Funasaka, Eriko Tsuka, Richard W. Wong. Regulation of autophagy by nucleoporin Tpr // Scientific Reports. 2012. V. 2. P. 878.
Читайте также: