Механізми імунітету: запалення, апоптоз

 

 

 

Апоптоз развивается изолированно в отдельных клетках, при некрозе одновременно гибнет большое количество соседних клеток.

Программа апоптоза может реализовываться  разными путями, однако на последних этапах они сходятся на самоубийстве клетки. Запуск апоптоза может начинаться в разных компартментах клетки: на мембранах, митохондриях и в самом ядре.

На клеточной мембране запуск идет со специфического рецептора FasR (АРО-1 или CD-95), кот. состоит из комплекса трансмембранных белков семейства цитокинов. Он воспринимает разнообразные внешние сигналы, которые способны индуцировать апоптоз, и передает их внутрь клетки.

Внешним индуктором чаще всего выступает Fas-лиганд (FasL), который экспрессируется на клетках лимфоидно-миелоидного ряда, эпителия кишечника, гепатоцитах и других клетках. FasL по своей структуре имеет существенное гомологию с ФНО, и также цитокин.

FasR одной клетки, связавшись специфично с FasL другой, передает сигнал на свой ​​специальный внутриклеточный домен (DD - домен гибели), который, в свою очередь, связывается с адаптороними белками FADD и TRADD. Последние взаимодействуют с цитоплазматическими белками, в том числе с RIP (receptor - interacting protein), что приводит к включению каскадного протеолиза с участием целой серии каспаз (кальций-активированных цистеиновых протеиназ). У млекопитающих уже идентифицировано 10 каспаз. Каспазы могут функционировать самостоятельно, в различных комбинациях друг с другом, а также путем последовательной каскадной активации. При гидролизе мембранных, цитоплазматических и ядерных протеинов каспазами образуется набор биологической активных пептидов, которые осуществляют последующую регуляцию апоптоза. Каспаз, вместе с Fas-рецепторами, выполняют ведущую роль в запуске апоптоза, особенно на ранних этапах.

 

 

FasR+FasL=>DD=> FADD и TRADD => RIP => каспазы – гидролиз белков => биологически активные пептиды, самоконтроль процесса.

Другой механизм: Тк, вызывающие килинг клеток-мишеней, способны индуцировать и апоптоз. Они выделяют белки-перфорина, формирующие поры в клетке-мишени, и впрыскивают через них внутрь клетки гранзимы (сериновые протеиназы лизосом). Гранзимы, и особенно гранзим В, активируют целый ряд каспаз. Каспазы, в свою очередь, включают механизм апоптоза, который сопровождается деградацией ДНК эндонуклеазами и фрагментацией ядра клетки.

Внешними сигналами, возбуждающих Fas-рецептор, могут быть цитокины и, в частности, фактор некроза опухолей (ФНО), а также нейротрансмитеры, гормоны, вирусные и бактериальные  антигены, токсины, свободные радикалы, кальций, окислительный стресс, потеря контакта клеток между собой, температура, различные виды радиации, УФП, антибиотики, цис-платина, этанол, моноклональные антитела и другие специфические лиганды.

Другой, не менее значительный механизм апоптоза осуществляется на уровне ядра клетки и реализуется путем блокады клеточного цикла при участии гена wtp 53, циклинов и киназ. Этот механизм запускается при появлении в хромосомах нелетальных повреждений. Ген wtp 53 и кодированный ним белок р53 признаны большинством авторов активными онкосупресорамы, однако их функции в клетке, очевидно, значительно шире и обеспечивают подавление транскрипции и репликации в клетках, имеющие какие-то отклонения от нормы. При каждом изменении в ДНК (мутация, рекомбинация, транспозиция, интеграция вирусно ДНК) происходит экспрессия гена wtp 53 и синтез соответствующего белка. Последний блокирует клеточный цикл на грани G1- и S-фазы, прекращая репликацию измененной ДНК и благодаря этому возникают условия для репарации поврежденного участка. Если репарация не наступает, то включается программа апоптоза или некроза.

 

 

 

 

Рис 2.1 Возможные механизмы  развития апоптоза

 

Апоптоз может включаться несколькими путями:

1) через взаимодействие Fas и FasL и активацию каспазы  8;

2) путем килинга Тк, при активации каспазы 10 гранзимами (гран В);

3) гранзим В способен активировать каспазу 3 и каспазу 7;

4) под влиянием взаимодействия ФНО-α с рецептором рФНО => активация каспазы 2;

5) цитохромом С

Все эти механизмы  ведут к активации каспазы 3. Каспаза 3 стимулирует каспазу 7, которая, в свою очередь, активирует ядерные эндонуклеазы. Последние вызывают деградацию ДНК. Это заканчивается гибелью клетки.

Важную роль в запуске  апоптоза играет белок р53 (53 кД) и родственные ему протеины, которые способны активировать Ca/Mg-зависимые эндонуклеазы при участии каспаз (особенно каспазы-3), что приводит к фрагментации ДНК. Под действием эндонуклеаз происходит межнуклеосомная деградация: сначала образуются большие фрагменты ДНК, а потом возникают разрывы в межнуклеосомних участках с образованием фрагментов длиной 180 - 200 п. н. Именно эти фрагменты при электрофорезе выявляются в виде "лестницы", в то время как при некрозе деградированная ДНК дает "размазаное пятно". Действие каспаз изменяет свойства мембран клетки. В результате ядро становится морщинистым и постепенно фрагментируется. Клеточная мембрана теряет гибкость, в ней происходит инверсия фосфолипидов, благодаря чему некоторые фрагменты мембраны выворачиваются снаружи. Затем клетка распадается на так называемые "апоптозных тельца" - отдельные фрагменты клетки, окруженные мембраной. При этом цитоплазма не вытекает в межклеточное пространство и зажигательная реакция в тканях не развивается. Образующиеся апоптозные тельца могут быть фагоцитированы макрофагами или путем эндоцитоза поглощаться дендритными клетками. Макрофаги переваривают фагоцитированные частицы до мелких метаболитов, которые затем выводятся из организма с помощью выделительной системы. Дендритные клетки частично прерабатывают вещества апоптозных телец и отдельные пептидные эпитопы выводят на поверхность мембраны в комплексе с антигенами МНС-I и II, в результате чего происходит индукция ИО на компоненты апоптозных телец. В процессе адсорбции апоптозных телец важную роль играют мембранные рецепторы макрофагов и дендритных клеток (интегрины, CD 36 и другие).

Сбои в реализации этих основных программ уничтожения могут привести к появлению клона мутантных клеток, в том числе клеток, в которых началась злокачественная трансформация. Но только клетки, которые вышли из-под внутритканевого и межтканевого гомеостатического контроля, могут стать опухолевыми и дать начало злокачественному росту. У некоторых вирусов (аденовирусов, вируса Эпштейна-Бар, африканской лихорадки свиней и др.) обнаружены гены, ингибирующие апоптоз клеток человека. Это позволяет отнести данные вирусы к потенциально онкогенным.

Механизм действия р53

Он является фактором транскрипциии, но подавляет деление клеток. Другие физиологические функции протеина еще не определены. Известно, что белок р53 может выступать в роли онкосупресора. Доказательством этого является развитие опухолевых заболеваний у мышей с нокаутом гена р53. Экспрессия гена wtp 53 вызывает активацию целого ряда дополнительных генов-онкосупресорив (р15, р16, р21, р27, р28), протеины которых являются ингибиторами циклинзависимых киназ. Последние (Cdcs 2, 4, 6) играют ведущую роль в делении клеток. Их активность проявляется только при сочетании с циклинами (А, В1, В2, С, Д1, Д2, Д3, Е). Таким образом, осуществляется двусторонняя регуляция клеточного цикла: белки онкосупресоры подавляют процессы роста и деления, циклины их активируют.

Функции белков онкосупресоров способны выполнять в особых случаях цитокины: фактор некроза опухолей (ФНО), фактор, трансформирующий рост (TGFR), эпидермальный ростовой фактор (EGF) и др. Они играют роль сигнальных молекул, индуцирующих апоптоз. В некоторых клетках, тканях и органах индуцировать или подавлять апоптоз могут и другие цитокины, такие как интерлейкины, интерфероны, фактор роста нервов и т.д..

Одним из главных ингибиторов апоптоза является эндогенный белок Bcl-2. Он принадлежит к мультигенной семье протеинов, которая уже сейчас насчитывает 16 кодирующих генов. Причем одни из них ингибируют апоптоз (Bcl-2, Bcl-XL и др.)., другие - активируют (Bax, Bad, Bid и др.). Bcl-2, найден в клетках различных тканей, особенно высокий уровень экспрессии был отмечен у долгоживущих клетках, например, нейронах, стволовых, хрящевых и некоторых других. Он локализован на наружной мембране митохондрий, стабилизирует ее, управляет транспортом ионов, образуя ионные поры; предотвращает выделение факторов, индуцирующих апоптоз. Противо апоптическое действие Bcl-2 может быть нейтрализовано присоединением к нему белка Bax. Этот белок при наличии сигнала к апоптозу переходит из цитоплазмы в мембрану митохондрий, повышает ее проницаемость и обеспечивает выход из мембранного пространства цитохрома С и AIF (апоптозиндуцирующего фактора). Последний проникает в ядро и вызывает там конденсацию хроматина и фрагментацию самого ядра. Цитохром С через ряд белковых факторов-посредников активирует каскадный протеолиз под действием каспаз. К ингибиторам апоптоза, вместе с Bcl -2, относят также эндогенный белок МDМ-2, некоторые цитокины, экзогенные вирусные протеины Е1В, Е6, Т-антиген.

Некоторые ДНК- и РНК-содержащие вирусы обладают способностью индуцировать в клетке хозяина синтез ингибиторов р53 и других онкосупресорив, тем самым блокируют апоптоз и обходят клеточный котроль. Последствиями этого могут быть как пожизненное вирусоносительство, так и возможность злокачественной трансформации.

 

Все вышеизложенное демонстрирует  очень важную роль апоптоза в реализации всей жизненной программы организма, дифференцировке тканей в эмбриогенезе, запуска иммунного ответа, поддержании  баланса между жизнью и гибелью, для освобождения от чужеродных клеток, клеток с дефектным геномом, от аутоагрессивных лимфоцитов и "отработанных" клеток, которые уже выполнили свою функцию.

В современной научной  литературе даются оптимистичные прогнозы по терапии гормонозависимых новообразований (рака простаты, молочной железы) с помощью препаратов, способных индуцировать апоптоз, свя связываясь с FasR. Как фармакологические агенты могут использоваться ингибиторы специфических протеиназ (каспаз), трех-или тетрапептиды, в состав которых входит аспарагин. Ожидается появление целого ряда лекарственных препаратов, регулирующих апоптоз, для лечения и профилактики различных заболеваний.

 

6.8. Эндогенные антибиотики

Как уже говорилось ранее, различают  реакции доимуннои (неспецифической) и иммунной (специфической) резизтентности организма. Достаточно очевидно, что даже в очень просто организованных животных, в которых еще не вырабатывались антитела, должны были существовать механизмы защиты от инфекций. Один из таких простейших механизмов был обнаружен только в последние десятилетия ХХ ст .. Речь идет о о эндогенные антибиотики, которые вырабатываются клетками насекомых, лягушек, кроликов, свиней, коров, человека и даже растений. К началу третьего тысячелетия уже было известно около 400 таких антибиотиков, способных убивать бактерии. По химической природе они представляют собой пептиды, образующиеся в клетке путем процессинга более крупных молекул белков-предшественников и, как правило, состоят из 13-80 аминокислот. Их синтез чаще всего является конститутивным, но может быть индуцибельной. Активность пептидов-антибиотиков зависит от ионного окружения. По структуре эндогенные антибиотики разделяют на три группы:

1) линейные пептиды с альфа-спиральной  структурой, в состав которых не входит цистеин. К ним относят цекропины насекомых, оболочечникив и свиней, магаинины и темпорины лягушек;

2) пептиды, содержащие несколько  молекул цистеина, между которыми  образуются дисульфидные связи  (1-4). К ним относят антибиотик  из кожаного секрета лягушки, тахиплезины крабов, протегрины свиней, а также дефензины млекопитающих. Последние синтезируются в нейтрофилах (альфа-дефензины), накапливаются в их гранулах, а в их структуре найдено 3 дисульфидных свя связки. Бета-дефензины синтезируются клетками покровных тканей - эпителием дыхательных путей и желудочно-кишечного тракта.

3) пептиды, в состав которых  входит большое количество одного  или нескольких определенных  аминокислот, например, пролина или  аргинина, или триптофана и глицина.  К этой группе относятся апидецины пчелы, 39-членный пептид нейтрофилов свиней и его аналоги из нейтрофилов коров.

Разный уровень синтеза и  активности пептидов-антибиотиков объясняет  разный уровень чувствительности к  инфекции в тех или иных лиц. Недостаточность  этих защитных веществ может быть связана с дефектами кодирующих генов, с отсутствием эффекторов синтеза или кофакторов активности, с трудностями прохождения через ионные каналы и т.д.. Сейчас устанавливаются корреляции между недостаточностью пептидов-антибиотиков и развитием тяжелых хронических болезней, вызванных инфекционными агентами. Так, выявлено, что заболевание пузырчатый фиброз (cystic fibrosis) обусловлено дефектом бета-дефензину.

Следует отметить, что эндогенные пептиды-антибиотики - не единственные факторы доимуннои резистентности к инфекциям. К этим факторам следует отнести еще несколько групп веществ, участвующих в элиминации микроорганизмов. Ниже дается их характеристика.

Лектины - вуглеводзвьязуючи протеины, к которым относятся: манозозвьязуючий лектин (МЗЛ), сурфактантного протеины легких (SP - A, SP - D), рецепторы для маннозы и бета-глюканов на макрофагах. Связывая мананвмисни и другие полисахариды клеточной стенки микроорганизмов, лектины способны активировать фагоциты, комплемент (лектиновим путем), вызвать опсонизации и фагоцитоз.

LPS-реактивные белки - это протеины, которые способны связываться с липополисахариды грамотрицательных бактерий, что ведет к активации моноцитов и макрофагов, усилению фагоцитоза и выработки макрофагами цитокинов. К этой группе относятся: LPS-связывающий протеин, интегрин Мас-1, рецептор для "мусора" (scavenger receptor). Последний, кроме липополисахаридов, может с "объединяться с другими липидами микроорганизмов.

Активаторы комплемента - гуморальные факторы, которые ускоряют каскадную активацию комплемента. Одним из них является С3 b-компонент комплемента, который всегда в сыворотке в следовых количествах и при наличии микробных антигенов вызывает активацию комплемента по альтернативному пути. К этой же группе относят колектины (collectins MBL, SP - A, SP - B), которые реагируют на углеводы микроорганизмов и активируют комплемент лектиновим путем.

Цитокины - медиаторы иммунного ответа (подробно рассмотрены в главе 7). Они выполняют роль химических сигналов, с помощью которых иммунокомпетентные клетки "общаются" между собой О них более подробно речь пойдет дальше, но следует заметить, что они тоже являются гуморальными факторами доимунного защиты. Так, фактор некроза опухолей (TNF-альфа), интерлейкины (IL -1, IL -6), вырабатываемые моноцитами и макрофагами под действием микробных антигенов, вызывают локальное воспаление в месте проникновения бактерий. Это сопровождается активацией фагоцитов, клеток эндотелия сосудов, печени, гипоталамуса, индукцией синтеза других цитокинов. Действие перечисленных цитокинов вызывает лихорадку, но провоцируемые ими развитие острого воспаления приводит к быстрой элиминации микробов.