8.3.2. Иммуноглобулины, структура и роль в реализации специфического иммунного ответа

Иммуноглобулины. Иммуноглобулины (Ig) представляют собой группу сывороточных белков, обладающих рядом общих свойств и играющих важную роль в реализации иммунного ответа высших позвоночных (табл. 8.2). По общему мнению исследователей, занимающихся изучением эволюционного иммуногенеза, способность к синтезу антител является привилегией позвоночных животных. У представителя иглокожих (морская звезда Asterias rubens), эволюционно предшествовавших позвоночным, найдены антителоподобные продукты. Однако прямая филогенетическая связь между антителоподобным белком иглокожих и иммуноглобулинами позвоночных не установлена.

Молекула иммуноглобулина состоит из двух тяжелых (Н) и двух легких (L) цепей, соединенных между собой дисульфидными связями (рис. 8.40). Н и L—цепи одной молекулы полностью идентичны.

Рис. 8.40 Структурная организация молекулы IgG, показывающая, как антиген связывается между вариабельными участками легкой и тяжелой цепи

1 — константные участки, где последовательность аминокислот одинакова во всех молекулах данного типа, 2 — антигенный связывающий участок, 3 — вариабельные участки, где последовательность аминокислот различна в разных молекулах, 4 — легкая цепь, 5 — тяжелая цепь, 6 — шарнирная область, 7— дисульфидная связь. Остальные пояснения в тексте.

Молекулы антител отличаются исключительным разнообразием, связанным, в первую очередь, с вариабельными областями, расположенными в N—концевых участках легких и тяжелых цепей молекулы иммуноглобулина. Остальные участки относительно неизменны. Это позволяет выделить в молекуле иммуноглобулина вариабельные и константные области тяжелых и легких цепей. Отдельные участки вариабельных областей (так называемые гипервариабельные участки) отличаются особым разнообразием. В зависимости от строения константных и вариабельных областей Иммуноглобулины могут быть разделены на изотипы, аллотипы и идиотипы.

Изотипы отражают разнообразие иммуноглобулинов на уровне биологического вида. При иммунизации животных одного вида сывороткой крови особи

Таблица 8.2

Классы иммуноглобулинов и их биологическая активность

Иммуноглобулин	Тяжелая цепь	Активность
IgM	μ(мю)	Первый класс антител, появляющийся в сыворотке после введения антигена; начинает первичный иммунный ответ
IgG	γ (гамма); 1, 2, 3, 4	Основной класс антител в сыворотке; начинает вторичный иммунный ответ
IgA	α (альфа); 1, 2	Основной класс антител, выделяемых с такими секретами, как слюна, слезная жидкость, бронхиальная и кишечная слизь; составляет первую линию обороны организма против бактериальных и вирусных антигенов
IgD	δ (дельта)	Почти не секретируются; связаны с мембранами. Функция неизвестна
IgE	ε(эпсилон)	Возможно, участвуют в аллергических реакциях. Другие функции неизвестны.

Рис. 8.41 Структура глобулярные вариабельного (VL) и константного (СL) доменов легкой цепи. Одна поверхность домена состоит из четырех цепей (пунктирные стрелки), образующих антипараллельную β—складчатую структуру. Другая поверхность домена образована тремя цепями (сплошные стрелки). Черная полоса — межцепочечная дисульфидная связь. Гипервариабельные области в трех отдельных петлях, находящихся в непосредственной близости друг от друга, вносят вклад в образование антигенсвязывающего центра. Цифрами обозначены номера некоторых аминокислотных остатков в каждой из комплементарных детерминант.

другого вида образуются антитела, распознающие изотипические специфичности молекулы иммуноглобулина. Каждый класс иммуноглобулинов имеет свою изотипическую специфичность, против которой могут быть получены специфические антитела, например, кроличьи антитела против IgG мыши. Характеристика основных классов иммуноглобулинов представлена в табл. 8.2.

Наличие аллотипов обусловлено генетическим разнообразием внутри вида и касается особенностей строения константных областей молекул иммуноглобулинов у отдельных лиц или семей. Это разнообразие имеет такую же природу, как и различия людей по группам крови системы АВО.

Идиотипы представляют собой участки вариабельной части молекулы иммуноглобулина, которые сами являются антигенными детерминантами. Антитела, полученные против таких антигенных детерминант (антиидиотипические антитела), способны различать антитела разной специфичности. С помощью антиидиотипических сывороток можно обнаружить одну и ту же вариабельную область на разных тяжелых цепях и в разных клетках.

Пространственная структура молекулы иммуноглобулина обеспечивается дисульфидными связями внутри цепей. Гипервариабельные области легких и тяжелых цепей совместно образуют антигенсвязывающий центр, «отвечая», таким образом, за специфичность антитела (рис. 8.41, 8.42). По химической природе иммуноглобулины являются гликопротеинами: к двум тяжелым цепям через боковые цепи остатков аспарагина присоединяются углеводные группы.

Антитела, принадлежащие к разным классам, отличаются друг от друга во многих отношениях по периоду полураспада, распределению в организме, способности фиксировать комплемент и связываться с поверхностными Fc—рецепторами иммунокомпетентных клеток. Поскольку иммуноглобулины всех классов содержат одни и те же κ и λ легкие цепи, а также одинаковые вариабельные домены тяжелых и легких цепей, указанные выше различия должны быть обусловлены константными областями тяжелых цепей. На рис. 8.43 представлена модель молекулы IgG, на которой видно пространственное расположение и взаимодействие доменов молекулы, а также взаимосвязи между отдельными структурами и их биологическими функциями.

IgG — основной класс иммуноглобулинов, находящихся в сыворотке крови (80% всех иммуноглобулинов) и тканевых жидкостях. Имеет мономерное строение. Вырабатывается в большом количестве при вторичном иммунном ответе. Антитела этого класса способны активировать систему комплемента и связываться с рецепторами на нейтрофилах и макрофагах. IgG является главным опсонизирующим иммуноглобулином при фагоцитозе. Поскольку IgG способен

Рис. 8.42 Двухмерное изображение антигенсвязывающего центра иммуноглобулиновой молекулы, представляющего собой полость, образованную пептидными петлями, содержащими гипервариабельные участки (обозначены серым цветом) легких и тяжелых цепей

G — остатки глицина. Цифры — номера аминокислотных остатков. G отличаются постоянным месторасположением вне зависимости от специфичности или видовой принадлежности Ig. Они позволяют пептидным цепям образовывать антипараллельную β—складчатую структуру, которая обеспечивает сближение гипервариабельных областей. Каждый антигенсвязывающий центр при участии разных гипервариабельных областей способен образовывать комплекс с рядом разнообразных антигенных детерминант.

преодолевать плацентарный барьер, ему принадлежит главная роль в защите от инфекций в течение первых недель жизни. Иммунитет новорожденных усиливается также благодаря проникновению IgG в кровь через слизистую оболочку кишки после поступления туда молозива, содержащего большие количества этого иммуноглобулина. Содержание IgG в крови зависит от антигенной стимуляции: уровень его чрезвычайно низкий у животных, содержащихся в стерильных условиях. Он быстро повышается при помещении животного в нормальные условия.

IgM составляет примерно 6% иммуноглобулинов сыворотки крови. Молекула образована комплексом из пяти связанных мономерных субъединиц (пентамер). Синтез IgM начинается до рождения. Это первые антитела, продуцируемые развивающимися В—лимфоцитами. Кроме того, они первыми появляются в мембраносвязанной мономерной форме на поверхности В—лимфоцитов. Полагают, что IgM в филогенезе иммунного ответа позвоночных появился раньше, чем IgG. Антитела этого класса выделяются в кровь на ранних стадиях первичного иммунного ответа (рис. 8.44). Связывание антигена с IgM вызывает присоединение Clq компонента комплемента и его активацию, что приводит к гибели микроорганизмов. Антитела этого класса играют ведущую роль в выведении микроорганизмов из кровотока. Если у новорожденных в крови обнаруживается

	Рис. 8.43 Расположение, взаимодействие и биологические свойства доменов в молекуле IgG, vh — вариабельный домен тяжелой цепи; vl — вариабельный домен легкой цепи. Сγ1, Сγ2 и СγЗ — домены константной области тяжелой цепи. Пояснения в тексте.
Рис. 8.44 Динамика образования IgM и IgG при первичном и вторичном иммунном ответе на введение антигена По оси абсцисс — время после первой иммунизации, недели. По оси ординат — концентрация антител в сыворотке, относительные единицы. Вторичный ответ выражается в усилении продукции антител класса IgG.

высокий уровень IgM, то это обычно указывает на внутриутробное заражение плода. У Млекопитающих, птиц и пресмыкающихся IgM является пентамером, у земноводных — гексамером, а у большинства костистых рыб — тетрамером. При этом в аминокислотном составе константных участков легких и тяжелых цепей IgM различных классов позвоночных не выявлено существенных различий.

IgA существует в двух формах: в сыворотке крови и в секретах экзокринных желез. Сывороточный IgA составляет примерно 13% общего содержания иммуноглобулинов в крови. Представлены димерные (преобладают), а также три и тетрамерные формы. IgA в крови обладает способностью связывать и активировать комплемент. Секреторный IgA (sIgA) — основной класс антител в секретах экзокринных желез и на поверхности слизистых оболочек. Он представлен двумя мономерными субъединицами, связанными с особым гликопротеином — секреторным компонентом. Последний вырабатывается клетками железистого эпителия и обеспечивает связывание и транспорт IgA в секреты экзокринных желез. Секреторный IgA блокирует прикрепление (адгезию) микроорганизмов к поверхности слизистых оболочек и ее заселение ими. sIgA может также играть роль опсонина. Высокие уровни секреторного IgA в молоке матери защищают слизистые оболочки пищеварительного тракта младенца от кишечных инфекций. При сопоставлении различных секретов оказалось, что максимальный уровень sIgA обнаружен в слезах, а наибольшие концентрации секреторного компонента — в слезных железах (причем у мужчин больше, чем у женщин).

IgD составляет менее 1% общего содержания иммуноглобулинов в сыворотке крови. Антитела этого класса имеют мономерное строение. Они содержат большое количество углеводов (918%). Этот иммуноглобулин отличается чрезвычайно высокой чувствительностью к протеолизу и небольшим периодом полураспада в плазме крови (около 2,8 сут). Последнее, возможно, обусловлено большой протяженностью шарнирной области молекулы. Почти весь IgD вместе с IgM находится на поверхности лимфоцитов крови. Полагают что эти антигенные рецепторы могут взаимодействовать между собой, контролируя активацию и супрессию лимфоцитов. Известно, что чувствительность IgD к протеолизу возрастает после связывания с антигеном.

Плазматические клетки, секретирующие IgD, были найдены в миндалинах. Они редко встречаются в селезенке, лимфатических узлах и лимфоидных тканях кишки. Иммуноглобулины этого класса являются главной мембранной фракцией на поверхности В—лимфоцитов, выделенных из крови больных хроническими лейкозами. На основании этих наблюдений была выдвинута гипотеза о том, что молекулы IgD являются рецепторами лимфоцитов и, возможно участвуют в индукции иммунологической толерантности.

IgE присутствует в крови в следовых количествах, составляя лишь 0— 002% всех иммуноглобулинов в сыворотке крови. Подобно IgG и IgD, имеет мономерное строение. Вырабатывается преимущественно плазмоцитами в слизистых оболочках пищеварительного тракта и респираторных путей. Содержание углеводов в молекуле IgE составляет 12%. При подкожной инъекции человеку этот иммуноглобулин задерживается в коже на длительное время, связываясь с тучными клетками. В последующем взаимодействие антигена с такой сенсибилизированной тучной клеткой приводит к ее дегрануляции с высвобождением вазоактивных аминов. Этот процесс обусловливает симптомы сенной лихорадки и бронхиальной астмы при контакте с антигеном (например, с пыльцой цветущих растений) у людей, страдающих аллергией.

Основной физиологической функцией IgE является, очевидно, защита слизистых оболочек организма путем локальной активации факторов плазмы крови и эффекторных клеток благодаря индукции острой воспалительной реакции. Болезнетворные микробы, способные прорвать линию обороны, образованную IgA, будут связываться со специфическими IgE на поверхности тучных клеток, в результате чего последние получат сигнал к высвобождению вазоактивных аминов и хемотаксических факторов, а это в свою очередь вызовет приток циркулирующих в крови IgG, комплемента, нейтрофилов и эозинофилов. Возможно, локальная выработка IgE способствует защите от гельминтов, так как этот иммуноглобулин стимулирует цитотоксическое действие эозинофилов и макрофагов.

Уровни иммуноглобулинов, характерные для взрослого человека, обеспечивающие полноценную иммунную защиту организма, достигаются лишь в подростковом возрасте.

Врожденная или приобретенная α—гаммаглобулинемия — иммунодефицитное состояние, связанное с нарушением образования плазмоцитов, которые отсутствуют или имеются в незначительном количестве. При этом содержание иммуноглобулинов в крови, тканевых жидкостях и секретах резко снижается. Описаны заболевания, обусловленные избирательным нарушением дифференцировки клеток, продуцирующих IgA (реже — IgM, IgG), или выработкой аномальных иммуноглобулинов. Такие дефекты гуморального иммунитета предрасполагают к развитию рецидивирующих инфекций, тяжесть которых определяется степенью и характером угнетения реакций гуморального иммунитета. В некоторых случаях имеет место развитие дефектов клеточного иммунитета.

Механизмы, обеспечивающие разнообразие антител. При анализе строения иммуноглобулинов следует различать два понятия — гетерогенность и вариабельность. Гетерогенность определяет те свойства иммуноглобулинов, которые обусловлены константной частью молекулы, вариабельность — индивидуальная характеристика антител, относящихся к одному и тому же классу. Последняя проявляется в специфической антигенсвязывающей активности, обусловленной изменениями последовательности аминокислотных остатков в N—концевой части молекулы. В организме синтезируются миллионы различных антител, способных распознать практически любой антиген, который может проникнуть в организм.

Гены, кодирующие молекулу антитела, подразделяются на три кластера, которые расположены в трех различных хромосомах. Гены каждого кластера кодируют κ (каппа), λ {ламбда) и тяжелые (Н) цепи. В синтезе λ—цепи принимает участие всего один V—ген (рис. 8.45). Как и другие белки, λ—цепь кодируется отдельными сегментами ДНК, разделенными промежуточными нуклеотидными последовательностями — интронами. Интроны удаляются либо при транслокации ДНК, либо путем вырезания соответствующих последовательностей из про—мРНК. Продукт трансляции мРНК содержит лидерную последовательность, необходимую для прохождения его через эндоплазматический ретикулум; пептид, кодируемый V_λ (аминокислотные остатки 198); пептид, кодируемый соединительным J—сегментом (остальные 11 аминокислот вариабельной области); пептид, кодируемый сегментом С_λ (константная область).

Гены, кодирующие к и тяжелые цепи, устроены аналогично, хотя и несколько сложнее (рис. 8.46). Около 200 генов Ук объединены в 5 групп, каждая из которых содержит похожие гены. Хотя гены каждой группы допускают определенное разнообразие структуры каркаса и гипервариабельных участков, они Обладают значительно большим сходством между собой, чем с генами V_κ других групп.

Рис. 8.45 Генетический контроль образования λ—цепи мыши

В В—лимфоците участок, кодирующий вариабельную область, формируется в результате соединения сегмента Vλ, и соединительного сегмента J. Этот процесс облегчается тем, что последовательности нуклеотидов интрона, расположенные с 3'—конца сегмента Vλ, спариваются с последовательностями, расположенными на 5'—конце J—сегмента. Окончательное соединение сегментов происходит, когда промежуточная последовательность удаляется путем сплайсинга из транскрибированной мРНК

Рис. 8.46 Гены, кодирующие к— и тяжелые (Н) цепи иммуноглобулина G мыши

Существует около 200 Vκ— и VH—генов, образующих подсемейства или группы, имеющие сходные нуклеотидные последовательности Механизм рекомбинаций обеспечивает объединение сегментов V, D и J, которые совместно кодируют вариабельную область антител, образуемых определенной В—клеткой.

Одной из возможностей увеличения вариабельности антител являются рекомбинации, в результате которых в местах соединения сегментов V D и J возникают разнообразные последовательности нуклеотидов. Разнообразие антител достигается также за счет встраивания нуклеотидов с 5'—конца D и J—сегментов. Из—за ошибки встраивания может происходить потеря или прибавление оснований в месте стыковки «нового» 5'V_H—гена с соответствующим концевым участком сегмента D.

Эволюция иммуноглобулинов. Все гены, кодирующие молекулы, которые относятся к суперсемейству иммуноглобулинов, происходят от одного общего предка. Продуктами этих генов—предшественников была система молекул клеточной адгезии. Эволюция привела к образованию гена, кодирующего домен типа β₂—микроглобулина.

Все продукты генов, относящихся к суперсемейству иммуноглобулинов, построены из одного или большего числа таких доменов. Эти домены имеют высокую степень гомологии. Они образованы примерно 110 аминокислотными остатками, содержат чередующиеся гидрофобные и гидрофильные участки, образующие антипараллельные раскладчатые участки со вставками разной длины. В результате дупликации такого гена возник ген мультидоменного белка — древний NCAM (англ. CellAdhesion Molecules).

Дальнейшая эволюция привела к образованию генов, кодирующих рецепторы гормонов, антигены МНС, дифференцировочные антигены, миелиновые белки, антигенсвязывающие рецепторы T—клеток и иммуноглобулины (рис. 8.47). В результате перекомбинации экзонов произошло объединение доменов типа фибронектина с доменами типа NCAM, что привело к возникновению современного семейства молекул клеточной адгезии (NCAM, ICAM, NgCAM, MAG, контактин). В результате дупликации и дивергенции генов возникали взаимодействующие друг с другом семейства молекул (ТКР, антигены МНС, IgA и поли—IgА—рецептор).

Исследования в области эволюционной иммунологии позволяют выделить четыре филогенетических уровня развития иммунной системы.

На первом уровне функционирует древняя система молекул клеточной адгезии, обеспечивающих взаимодействие клеток между собой (одноклеточные эукариоты, примитивные многоклеточные). Не исключено, что это квази—иммунное распознавание чужеродного сохраняется у других представителей беспозвоночных и позвоночных животных, включая млекопитающих и человека.

На втором уровне, определяемом как примитивное клеточное распознавание, формируются домены, входящие в антиген—распознающие структуры (практически все беспозвоночные первично—, и вторичноротые).

Третий уровень, охватывающий хордовых без млекопитающих, характеризуется появлением иммуноглобулинов. Причем, у миксин, являющихся подклассом типа хордовых, иммуноглобулины имеют наиболее простую форму, тогда как у миног, составляющих другой подкласс того же типа, происходит дивергенция С—домена на Сн— и cl—домены, в результате чего появляются тяжелые и легкие цепи молекулы иммуноглобулина. Различные изотипы тяжелых Н—цепей обнаруживаются, начиная с двоякодышащих рыб и земноводных.

Четвертый филогенетический уровень включает млекопитающих и характеризуется дальнейшей дивергенцией доменов, в результате которой возникают классы и подклассы иммуноглобулинов.

Рис. 8.47 Эволюция молекул суперсемейства иммуноглобулинов

САМ — молекулы клеточной адгезии.