VFP #019. Базовая иммунология III. Антитела

Переходим к адаптивному иммунитему и начнем с антител.

Перед записью я был все микрофонны кабели, поэтому звук значительно хуже. Будет надеяться, что это разовая акция и будущем я буду собранней.

Содержание:

  • Гуморальный иммунитет;
  • Структура, функции и изотипы антител;
  • Вред антител организму

Презентация на SpeakerDeck (на ПК, стрелками, нет ссылок);

Презентация на Google.Disk (на мобильном, ссылки работают);

P.S. На иммунологию я «поднажму», так как она необходима, что поднимать дальнейший курс аллергологии для клиницистов.

Поделиться:

VFP #012. Базовая иммунология 2

Во втором эпизоде подкастов о базовой иммунологии мы затронем темы:

  • Антивирусное состояние;
  • Распознание патогенов врожденным иммунитетом;
  • Внутриклеточные сигналы;
  • Комплименты;
  • Агглутинины;
  • Примеры с интерфероном-альфа, лектинами, серотонином и кинуренином.

Напомню, что цель данной серии рассказать вам о базовых механизмам иммунитета. Моя цель — рассказать вам как можно меньше. На что любопытный человек сам без труда положит знание, а нелюбопытный все равно получили и базу, и памятку к ней в виде презентации.

Ссылка на Google.Disk — работают ссылки, удобно на смартфоне, ссылки работают, можно скачать;

Ссылка на SpeakerDeak — удобно перелистывать стрелками на ПК и планшете, нельзя сказать, ссылки не работают.

Предыдущий подкаст серии:

VFP #004. Базовая иммунология. Часть 1. Врожденный иммунитет и воспаление

Поделиться:

VFP #004. Базовая иммунология. Часть 1. Врожденный иммунитет и воспаление

Базовая иммунология. Часть 1

Врожденный иммунитет и воспаление

Содержание:

  • Врожденный и адаптивный иммунитет;
  • Основные лейкоциты врожденного иммунитета: дозорные и циркулирующие;
  • Иммунный ответ дозорных клеток;
  • Иммунный ответ циркулирующих клеток;
  • Гной и клинические примеры.

Презентация на Google.DIsk: Базовая иммунология I. Врожденный иммунитет и воспаление — ссылки работают только тут.

Презентация на SpeakerDeck: Базовая иммунология I. Врожденный иммунитет и воспаление

Поделиться:

Эпигенетика, «либертарианский» взгляд

Эпигенетика – злободневная и противоречивая тема современной науки. Противоречивая, потому что нет единого научного консенсуса в том, что входит понятие эпигенетика.

Я буду исходить из того, что эпигенетические изменения – это наследуемые изменения функции или экспрессии генетического аппарата, не связанные с последовательностью нуклеотидов в ДНК.

Эпигенетика часто сводится к метилированию ДНК и [пост-трансляционной] модификации «хвостиков» гистонов. Я обнаглею и позволю себе посмотреть на этот вопрос немного шире и более фрагментарно одновременно, чтобы подчеркнуть связь генетического аппарата с внешней средой и образом жизни. Содержание постараюсь сделать доступным и буду приводить примеры с конкретными заболеваниями.

Короткое содержание заметки:

  • мтДНК, митохондриальные болезни, заместительная митохондриальная терапия;
  • Unstable repeats;
  • Модификация гистонов;
  • Генетический импринтинг;
  • Х-инактивация у женщин;

Эпигенетика, митохондрии и мтДНК

Пожалуй, самый спорный раздел из вышеуказанных, но без митохондрий никуда.

Митохондрия – это энергостанции наших клеток, база всей многоклеточной жизни на планете. Про мтДНК и эволюцию я писал ранее на основе работ Doug Wallace. Также рекомендую книги Ника Лэйна для ознакомления с историей симбиоза наших предков с митохондриями.

Коротко, митохондрии:

  • Свой набор ДНК, митохондриальные ДНК, мтДНК;
  • В митохондрии примерно 5 копий мтДНК;
  • Размер мтДНК 16,5 килобаз, против 3 гигабаз ядерной ДНК;
  • мтДНК содержит 14 protein coding regions, ядерная ДНК содержит примерно 20 000 protein coding regions;
  • мтДНК мутирует в 20 быстрее ДНК;
  • мтДНК передается (за редчайшим исключением) только от матери

Гены митоходрий кодируют только белки дыхательной цепи переноса электронов, места синтеза АТФ. Большинство необходимых белков митохондрии импортируют из цитозоли. Современный консенсус состоит в том, что было сильное эволюционное давление на то, чтобы определенные белки дыхательной цепи кодировали сами митохондрии.

мтДНК меньше защищена от внешнего воздействия, чем ядерная ДНК, поэтому митоходрия является сенсором изменений окружающего мира. Я ранее приводил в пример климат и расстояние между цитохромами дыхательной цепи. В теплом климате цитохромы ближе к друг другу, что уменьшает энергопотери в процессе переноса электронов и улучшает эффективность синтеза АТФ. Что, допустим, положительно влияет на подвижность спермы, которая обеспечивается как раз АТФ. На холоде же дыхательные комплексы дальше друг от друга. При удалении комплексов друг от друга передача электронов будет сопровождаться большими теплопотерями (даже не говоря о термогенине и разобщении H+ градиента), что является полезным для проживания на этом самом холоде.

Или более простой пример. Голод или сытость определяются наличием отсутствием реактивных видов кислорода, затем через UCP2 (разобращающий белок 2) влияет на POMC нейроны гипоталамуса и затем на чувство сытости. А наличие/отсутствие реактивных видов кислородов в митоходриях – это наличие/отсутствие носителей электронов NADH/FADH2 (итога метаболизма еды) в дыхательной цепи.

Я надеюсь, что вкратце сумел аргументировать, почему эпигенетика как тема не может идти отдельно от разговора от митохондриях. Один из важнейших наших детекторов внешней среды, который запускает многие адаптивные процессы. Как элементарный пример.

Митохондриальные болезни, синдром Ли и пересадка здоровых митохондрий

Митохондриальные болезни могут быть связаны не только с мтДНК, но и с 100+ генов ДНК, что задачу только усложняет [1]. В целом болезни, связанные с мутациями именно мтДНК имеют частоту распространения 1:5000.

Как пример серьезного недуга именно митохондриальной природы – синдром Ли (иногда пишут Лея) [2], он же подострая некротизирующая энцефаломиопатия. Примерно ¾ случаев обусловлены мутациями ДНК, ¼ — мтДНК. Итог схожий – недостаток окислительного фосфорилирования (в частности работы цитохрома С) приводит к недостатку энергоснабжения клеток и последующей ранней смерти.

Mitochondrial replacement therapy – это одно из последних серьезных новаторств ЭКО. Берется ДНК из ооцита пациентки c патологией мтДНК и пересаживается в цитозоль ооцита женщины-донора со здоровыми митохондриями, откуда вынули ДНК донора [3, 4]. В новостях это называли «ребенок трёх родителей» [4].

Я не зря выбрал синдром Ли. Первой пациентой, ооцитам которой успешно пересадили здоровые митохондрии, была женщина с синдромом Ли [4]. Этические споры до сих пор не утихают, что никак не мешает совсем молодому человеку жить по крайней мере без синдрома Ли и недостатка в АТФ.

Эпигенетика и unstable repeats

В некоторых частях ДНК есть так называемые нестабильные повторения, когда небольшая последовательность нуклеодитов многократно повторяется [5, 6, 7]. Считается, что в некоторых частях ДНК механизмы починки и репликации «соскальзывают», давая подобные повторения [5, 6, 7].

Проблема нестабильных повторений в том, что они с поколениями могут увеличиваться [5-6]. Увеличение unstable repeats с поколениями называется anticipation.

Unstable repeats, HTT ген и хорея Гентингтона

Хорея Гентинтона – в основном генетическая болезнь. Белок huntingtin, роль которого в развитии профильного заболевания толком не ясна, кодирует ген HTT, находящийcя в позиции 4p16.3 (короткая «ручка» 4-й хромосомы). Когда число повторений становится слишком большим – белок теряет свою функцию, и последующие поколения постепенно приходят к болезни Гентингтона.

Обычно есть такая пирамида, в случае хореи Гентингтона это:

  • Доброкачественная (benign) вариация — Меньше 26 повторений CAG;
  • Промежуточная (intermediate) вариация – 27 – 35 повторений CAG;
  • Пре-мутация – 36-40 повторений CAG;
  • Патологическая мутация – больше 40 повторений CAG

Может ли эпигенетика включать наследуемую патологию роста количества нестабильных повторений в HТТ гене? Будем считать, что я много могу себе позволить в собственной же заметке.

Эпигенетика и пост-трансляционная модификация гистонов

3 гигабазы ДНК занимают примерно 2 метра, будучи (в воображении) вытянутыми в длину. Эти 2 метра кода упакованы по хромосомам.

Хроматин – вещество хромосом, которое кроме ДНК включает в себя РНК и белки.

Нуклеосомы – это часть ДНК, обвитая вокруг октамерных белков гистонов (обычно два раза).

Эпигенетика

Гистоновый октамер состоит из 2 копий гистонов H2A, H2B, H3 и H4, как это видно на рисунке выше. N (и реже С) терминалы гистонов проходят пост-трансляционную модификацию. К ним ковалентно могут присоединяться различные молекулы. Например, метиловая группа (CH3) или ацетиловая группа (C2H3O).

Проблема модификации гистонов к комплексности и объемности происходящего. Допустим, H3K4 – самая изученная часть гистонов, ее метилирование и ацетилирование усиливают транскрипцию гена, а метилирование H3K9 на том же H3 гистоне подавляет транскрипцию гена. Разные виды пострансляционных модификаций разных частей гистонов делает картину эпигеном/геном куда более сложной, чем сам геном.

Очевидный пример – возрастные изменения [9]. Какие-то модификации гистонов и хроматина аккумулируются, какие-то теряются.

Эпигенетика и генетический импринтинг

Метилированию может подвергнуться и сама ДНК. В зависимости от места метилирования по отношению к гену эта модификация может как усилить экспрессию гена, так и прекратить его выраженность вовсе.

«Рычажки» метилирования ДНК сбрасываются примерно на 5-й день существования зиготы. Но иногда эпигенетика преподносит нам сюрприз – метилирование участков ДНК частично сохраняется. Это и есть генетический импринтинг.

Классический пример генетического импринтинга – синдромы Ангельмана и Прадера-Вилли.

Эпигенетика преподнесла сюрпризы, потому что со временем оказалось, что у двух редких и различных заболеваний схожая природа – удаление в 15q11 части хромосомы в виду импринтинга (конкретный механизм пропущу, потому что начинаю скучать во время написания).

Синдром Ангельмана – удаление отцовской части 15q11 и выраженность материнской. Синдром Прадера-Вилли – наоборот.

Материнская и отцовская части транскриптируются на встречу друг другу. ДНК у нас двойная спиральная, поэтому может транскриптироваться в обе стороны.

Либо продолжительная и некодирующая белок РНК помешает выраженности UBE3A гена, и мы столкнемся с синдром Прадера-Вилли. Или, как в случае с выраженностью материнской копии, у нас не будет трансприптирован ряд генов (синих на рисунке выше), важных для развития в том числе нервной системы.

Эпигенетика и деактивация Х-хромосомы у женщин

Женщины – генетическая мозаика. Ряд несознательных граждан склонных это интерпретировать как телегонию. То, что контакты женщин с мужчинами (особенно половые), оставляют в женщинах свой генетический след. Я бы не писал про эту глупость, если бы так часть ее не видел. Но учитывая то, что в каждом из нас есть части хромосом двух бабушек и двух дедушек, то найти различные части ДНК у женщин не так сложно, учитывая следующий феномен.

Мужчины, как вы помните, ХУ, а женщины ХХ. Пол определяет наличие/отсутствие У хромосомы. Но у женщин активна только одна Х хромосома. В каждой клетке какая именно Х хромосома будет активна выбирается более или менее случайно.

XIST ген кодирует большую РНК (которая не транслируется в белок). Эта РНК деактивирует одну из Х хромосом.

С этим феноменом связан эффект manifesting carriers, когда женщины частично экспрессируют патогенный фенотип, связанный с рецессивным Х-аллелем (нужна хотя бы одна рабочая копия, чтобы не было болезни): и в каких-то клетках у нас «здоровая» вариация, в каких-то патогенная.

P.S. Выводов не будет. Для себя я понял, что писать общеобразовательные вещи в формате заметок мне скучно: нет моей мысли, нет моей аналитики, не надо создавать структуру для общего понимания итд.

Источники:

  1. Mitochondrial Disorders Overview;
  2. Leigh syndrome;
  3. Biomedicine: Replacing the cell’s power plants (Nature, 2016);
  4. First ‘three person baby’ born using new method;
  5. Unstable Triplet Repeat Diseases;
  6. R loops stimulate genetic instability of CTG·CAG repeats (PNAS, 2010);
  7. Genetic diseases caused by expandable repeats — dynamic mutations by Dr. István Balogh, Dr. János Kappelmayer, Dr. József Tőzsér (2011);
  8. HTT gene
  9. Epigenetic Regulation in Neurodegenerative Diseases;
  10. Histone modifications (Nature, Figure);
Поделиться:

B-клетки, антитела, реакции герминативных центров

B-клетки – основа гуморальной части адаптивного иммунитета. Я хочу продолжить тему базовой информации об иммунной системе, а в конце расскажу про небольшую революцию в понимании работы B-клеток. Предыдущую заметку рекомендую почитать, так как текст этой подразумевает знание предыдущего материала. В будущем я буду довольно глубоко зарываться в иммунологию и генетику. Хочу, чтобы на моем сайте была минимальная база, на которую я всегда смогу дать ссылку любопытному читателю. Поэтому помимо привычных статей у меня будут такие общеобразовательные вещи.

Примерный план:

  • B-клетки и функции антител;
  • Строение и классы антител;
  • Активация B-клеток CD4+ клетками;
  • Реакции герминативных центров;
  • Относительно недавние открытие в области гуморального иммунитета;

B-клетки и антитела

B-клетки – это клетки адаптивной иммунной системы. Их основная особенность – способность секретировать антитела.

Антиген – всё, что угодно. Любая молекула, которая может связаться с антителами.

Антитело – белковая молекула, выполняющая ряд важных функций. Особенность антител в том, что их может быть 10˄10 — 10˄11 различных разновидностей. Антитела могут связываться практическим с любым антигеном. В отличие, допустим, от T-клеток, для активации которых нужны пептиды, презентованные на MHC-белках;

Функции антител:

Нейтрализация. Антитело может связаться с патогенным компонентом (допустим, вирусом), не давая ему связываться с клеточными целями;

Опсонизация. Фагоциты могут не видеть часть патогенов. В том числе антитела обволакивают антигены, делая их доступными для фагоцитоза;

Фиксация комплиментов. Комплименты в свою очередь способствуют воспалению, опсонизируют патогены или с помощью C9 MAC (membrane attack complex) разрушают клеточную стенку бактерий (лизис), тем самым их уничтожая.

Цитотоксичность, опосредованная антителами.  NK-клетки и цитотоксичные Т-клетки могут присоединяться к антителам, выпуская смертоносные гранулы в зараженные (в идеале) клетки.

Строение антитела

Антитело состоит из двух Heavy Chains и двух Light Chains.

Fc часть неизменяема, с ней связываются другие клетки, комплименты итд.

Fab часть содержит у N-терминалов гипервариативные регионы. V(D)J рекомбинация гена, контролирующего 3 петли (loops) у каждого из гипервариабельных регионов обеспечивает все многообразие антител.

Антигены связываются с Antigen binding site.

Углубляться не будем, чтобы не забыть про основную тему.

Классы антител (иммуноглобулинов)

IgM – это базовый иммуноглобулин. Визуально его отличает J-chain, соединяющая 5 антител в одно. Изначально B-клетки секретируют именно IgM и только последующие события позволяют менять этот изотип на другой.

IgG — рабочая лошадка антител, самый распространенный иммуноглобулин. Обладает большинством функций, которые мы ассоциируем с антителами. В том числе наследование антител от матери детям.

IgA – также обладает J-chain, в данном случае устойчивой к протеазам. Что определяет место действия этого Ig – желудочно-кишечный тракт.

IgE – активирует эозинофилы, важно для реакции на паразитов, также участвует в аллергических проблемах.

IgD – менее важный и менее понимаемый Ig. Играет роль в том числе в работе легких.

B-клетки. Активация CD4+ клеткок в лимфоузлах

B-клетки и T-клетки происходят из hematopoietic stem cell (гематопоэтические стволовые клетки или гемоцитобласты). Но их судьба разделяется после common lymphoid progenitor, общего предка всех лимфоцитов. B-клетки большую часть «взросления» проходят в костном мозге, а Т-клетки в тимусе. Возмужавшие, но все еще незрелые (immature) клетки обоих типов затем отправляются во вторичные лимфоидные органы, в первую очередь в лимфатические узлы.

B-клетки населяют фолликулярную часть лимфоузлов, в том время как Т-клетки населяют межфолликулярное пространство, где (как помните) активируются дендритными клетками.

Сближают клетки хемокины Т-клеток и CCR7 рецепторы B-клеток, знакомый нам по активации дендритных клеток.

B-клетки также являются антиген-презентующими клетками (вместе с DC и МФ). Они интернализируют патоген, расщепляют его белки на пептиды в лизосомах, затем представляют пептидные фрагменты патогена на MHC II белках. Раз речь идет об MHC II, то и активировать B-клетки будут CD4+ (T helper) лимфоциты.

Пока у нас B-клетки, презентующими пептид на MHC II белках и с активированным CCR7 рецептором, позволяющим воспринимать хемокины Т-клеток и мигрировать в межфоликулярное пространство.

Затем нам нужна Т-клетка с рецептором (TCR, T cell receptor), аффинитивным представленному пептиду.

В данном случае также работает принцип «двойного рукопожатия» и мембранный лиганд CD40L Т-клеток должен соединиться с CD40 белком B-клеток.

После этого обе клетки мигрируют в герминативные центры (germinal center), где произойдет реакция герминативных центров (germinal center reaction).

Germinal center reactions

Активированная Т-клетка (назовем ее для простаты фолликулярная Т-клетка, fTh) от обычной будет отличаться:

  • Белком CD40L;
  • CXCR5 (он же BLR1, он же CD185)

CXCR5 рецептор позволяет B-клетке и Т-клетке вместе мигрировать в герминативный центр, где и происходит самое интересное.

Действующие лица реакции герминативных центров:

  • B-клетки;
  • Фолликулярные Т-клетки;
  • Фолликулярные дендритные клетки.

B-клетки:

  • Проходят реакцию массивную клональную экспансию;
  • Которая сопровождается соматической гипермутацией (в 10^5 – 10^6 бодрее, чем мутации ДНК) частей ДНК, отвечающих за антигены;
  • Соматическая гипермутация приводит к affinity maturation, резкому росту аффинитивности антигенов патогену;
  • Антитела за счет генной рекомбинации (разрезке и склейке) проходят isotype switching, антитела/иммуноглобулины меняют базовый изотип IgM на какой-то другой из вышеописанных.

Фолликулярные T-клетки:

  • CD40L как раз и позволяет B-клеткам инициировать процедуру смены изотипа иммуноглобулина;
  • Также проходят клональную экспансию, но в значительно меньше количестве, чуть дальше вы поймете, почему

Фолликулярные дендритные клетки:

Презентуют антиген B-клеткам; Во время клональной экспансии и соматической гипермутации B-клеток аффинитивность патогену будет меняться не только в большую, но и в меньшую сторону. Фолликулярные дендритные клетки с помощьюх химических сигналов добиваются того, что в живых остаются только B-клетки с рецепторами/антителами высоко-аффинитивными патогену. B-клетки с низкой и нормальной аффинитивностью погибают. Так и происходит affinity maturation.

Результаты germinal center reaction:

  • Долгоживующие плазма-клетки (long-lived plasma cells), секретирующие антитела, высоко аффинитивные патогену;
  • Memory B-cells, клетки гуморальной памяти; они неактивные, но при контакте с патогеном «оживают» и начинают секретировать антитела;
  • Isotype switching (смену изотипа иммуноглобулина) c IgM на IgG и другие типы.

B-клетки

Под конец позволю себе немного лирики про разнообразие B-клеток в герминативных центрах

Иногда в науке бывают лже-аксиомы. Какие-то вещи принимаются по умолчанию, хотя никогда толком не обсуждались и не доказывались. Всегда считалось, что в germinal center reaction участвует 1 (ну изредка 2) разных клона B-клеток (в смысле презентующих разные пептидные части патогена).

Visualizing Antibody Affinity Maturation in Germinal Centers – в этой по-настоящему крутой статье авторы задались подобным вопросом, используя интересные технологии клеточной визуализации и смогли продемонстрировать однозначный результат, опровергающий лже-аксиому.

Если вы внимательно посмотрите картинки, а еще лучше если почитаете текст, то увидите, что в герминативном центре десятки разные клонов B-клеток. Это говорит о том, что наша иммунная система нападает не просто на какую-то отдельную «пептидную сигнатуру», а атакует вражеские белки «с разных сторон».

B-клетки и итоги

Так как выше скорее экспресс-вводная по функции B-клеток и реакции герминативных центров, то уместны не выводы, а напоминание того, что нужно знать применительно к гуморальному иммунитету и этой заметке:

  • Ключевая функция B-клетки;
  • Что такое антигены;
  • Что такое антитела;
  • Функции антител:
    • Опсонизация;
    • Нейтрализация;
    • Фиксация комплиментов;
    • Цитотоксичность, опосредованная антителами;
  • Структуру антитела:
    • Fab / Fc; что связывается с антигенами, с чем связываются другие иммунные клетки;
    • Heavy chains, Light Chains;
    • Antigen binding site;
    • Гипервариативный домен антител; V(D)J рекомбинация;
  • Классы антител: IgG, IgM, IgA, IgE, IgD и их основные особенности;
  • В самом примитивном виде структуру лимфатического узла (где какие клетки);
  • Антиген-презентующая функция B-клеток;
  • CCR7 и миграция в межфолликулярное пространство;
  • Активация Т-клеток (MHCII + TCR; CD40 + CD40L);
  • Отличия активированной (фолликулярной) Т-клетки от обычной:
    • CD40L;
    • CXCR5;
  • За счет чего (CXCR5) клетки потом мигируют в герминативный центр;
  • Клетки герминативных центров и их функции;
  • Основные процессы внутри герминативных центров (соматическая гипермутация, affinity maturation, isotype switching);
  • Итоги реакции герминативных центров (плазма-клетки, memory B cells, isotype switching);
  • Количество видов B-клеток в герминативных центрах: устоявшееся мнение и последние исследования.
Поделиться: