Место апоптоза в иммунологических процессах

Апоптоз является столь же важным компонентом иммунологических процессов, как пролиферация и дифференцировка. Особенно многообразны, хорошо изучены и значимы для системы иммунитета проявления апоптоза лимфоцитов, отраженные в таблице 27. Апоптоз клеток иммунной системы проявляется в активном и пассивном вариантах, которые можно свести к вариантам апоптоза по умолчанию и активационного апоптоза.

Апоптоз и развитие клеток иммунной системы. Юные представители лимфоидного и миелоидного рядов дифференцировки, недавно освободившиеся от прямых контактов с клетками стромы кроветворных органов, проявляют сильную зависимость от гуморальных факторов выживания, в отсутствие которых они подвергаются апоптозу по умолчанию. Для миелоидных клеток (предшественников гранулоцитов и моноцитов) факторами выживания являются гранулоцитарно–макрофагальный (ГМ–КСФ), а также гранулоцитарный (Г–КСФ) и макрофагальный (М-КСФ) колониестимулирующие факторы, для лимфоидных клеток — фактор стволовых клеток и ИЛ–7. Численность клеток–предшественниц зависит от содержания в их окружении указанных цитокинов, которые секретируются клетками микроокружения. Клетки, которым не хватило факторов выживания, погибают.

Участие апоптоза в формировании иммунной системы и в реализации иммунологических процессов показано в табл. 27. Наиболее полно изучен апоптоз лимфоидных предшественников в отсутствие ИЛ–7 [101]. Эта форма гибели реализуется по преимуществу на стадии про-В и про-Т лимфоцитов (то есть до начала перестройки генов иммунорецепторов). В случае про-T–, но не про–B–клеток, апоптоз, обусловленный депривацией ИЛ–7, можно предотвратить трансфекцией гена Вс1–2. Эксперессия этого гена в клетках–предшественницах повышается при связывании Рц для ряда цитокинов (ИЛ–2, ИЛ–4, ИЛ–7, ИЛ–9, ИЛ–15, ИЛ–21), имеющих общую g–цепь — g(с)–цепь, через которую и поступает сигнал к выживанию. У человека мутация гена этой цепи, а также тирозинкиназы Jac3, которая передаёт сигнал от g(с)–цепи, проявляется как тяжёлый комбинированный иммунодефицит с отсутствием перестройки генов иммунорецепторов и дальнейшего развития T–клеток (у мышей — также B–клеток) [436].

Таблица 27. Участие апоптоза в формировании иммунной системы и реализации иммунологических процессов

Принципиальной особенностью лимфопоэза, отличающей его от миелопоэза, является наличие стадии формирования антигенраспознающих Рц (BCR и TCR в случае B– и T–клеток, соответственно) и последующей селекции формирующихся при этом клонов. Осуществление обеих стадий связано с высоким риском развития апоптоза, который выступает в качестве фактора отбора клеток. На стадии формирования Рц (пре–B–, пре-T–клетки) сохраняется зависимость выживания клеток от присутствия ИЛ–7, однако ситуация усложняется. Поскольку перестройка указанных генов включает неоднократные двунитевые разрывы ДНК, она сопряжена с повышением риска развития апоптоза, включаемого через механизмы контроля целостности генома, которые реализуются с участием белка p53. Как отмечалось выше, p53–зависимый апоптоз, как и апоптоз по умолчанию, реализуется по митохондриальному механизму. Поэтому блокада развития апоптоза при перестройке генов иммунорецепторов может быть достигнута гиперэкспрессией Вс1–2 [385, 462].

Перестройка двух типов генов, детерминирующих компоненты антигенраспознающих Рц, происходит не одновременно: в пре–B–клетках сначала перестраивается ген H–цепи, в пре-T–клетках — b–цепи. После завершения перестройки первого гена на поверхности клетки экспрессируется Рц–предшественник (пре–BCR, пpe-TCR) и осуществляется «контроль качества» перестройки гена на уровне сниженной экспрессии Вс1–2. Только при условии нормального взаимодействия Рц–предшественников с тканевыми структурами клетка получает поддерживающий сигнал. В противном случае клетка подвергается апоптозу. Для развития апоптоза пре-T– клеток помимо отсутствия поддерживающего сигнала необходим сигнал от белка p53, а также от Рц смерти. В рассмотренном случае апоптоз служит для отбора лимфоцитов, в которых перестройка первого гена иммунорецептора и экспрессия проторецепторов для Аг произошли без ошибок [580].

Вслед за этим в выживших незрелых лимфоцитах происходит перестройка второго гена иммунорецептора (генов L–цепи BCR и a–цепи TCR), что также сопровождается временным запретом апоптоза. Однако после завершения процесса реаранжировки генов и экспрессии Рц на поверхности незрелой B–клетки фенотипа IgM⁺IgD– или тимоцита фенотипа CD4⁺CD8⁺ вновь снимается защита в виде высокой экспрессии Вс1–2 и риск развития апоптоза опять повышается. Вначале элиминируются клетки с неудавшейся перестройкой генов, на поверхности которых не появился антигенраспознающий Рц. Затем лимфоциты, экспрессировавшие Рц, подвергаются селекции, в основе которой лежит не конкуренция всех клеток популяции за общий для них фактор отбора, как это было на предыдущих этапах развития, а поиск клетками клонов «своих» лигандов, присутствующих или отсутствующих в микроокружении.

Для B–клеток на этом этапе фактически протекают три процесса: отбор клеток, несущих полноценный Рц (положительная селекция), выбраковка аутореактивных клонов (отрицательная селекция) и конкуренция за фактор выживания, каковым являются цитокины BAFF семейства фактора некроза опухоли (вступление в пул долгоживущих клеток). Контакт незрелых B–лимфоцитов с Аг может иметь три результата: «редактирование» Рц (то есть новая перестройка генов, изменяющая специфичность Рц), апоптоз и анергию. Выбор реакции B–клетки зависит от дозы Аг (высокая в случае индукции апоптоза) и уровня экспрессии BCR (развитию апоптоза благоприятствует слабая экспрессия). Механизм апоптоза используется для удаления аутоспецифических клеток (отрицательная селекция), в то время как индукция анергии является менее радикальным решением задачи устранения опасности аутоагрессии. Отметим, что эти процессы практически не затрагивают популяцию В1–клеток, которые вырабатывают низкоаффинные аутоспецифические АТ. Апоптоз в рассмотренном случае развивается по митохондриальному типу: в качестве ключевого фактора выступает «только-ВН3»–фактор Bim, а повышенная экспрессия Вс1–2 позволяет предотвратить его. BAFF предохраняет B–клетки от преждевременной гибели, и его защитное действие реализуется черезBAFF–Рц 3–го типа при участии транскрипционного фактора NFkB [426].

Роль апоптоза в селекции T–лимфоцитов изучена полнее (рис. 53). Как известно, развитие T–клеток происходит в тимусе. В его субкапсулярном слое происходит формирование TCR, о чем уже говорилось выше. Случайный характер перестройки генов TCR и независимость этого процесса в индивидуальных тимоцитах приводят к тому, что, во-первых, структура и специфичность TCRкаждого тимоцита, завершившего этот этап развития, уникальна (потомство этих клеток образуют клоны, отличающиеся специфичностью TCR), во-вторых, специфичность образующихся Рц никак не сообразуется с потребностями иммунной системы. Эти потребности состоят в том, чтобы клетка узнавала «искажения» в структуре комплекса «молекула MHC–аутологичный пептид», то есть фактически наличие в этом комплексе чужеродного пептида. Все остальные варианты распознавания являются ненужными (отсутствие распознавания комплексов MHC–пептид) или опасными (высокое сродство TCR к аутологичным комплексам MHC–пептид). Суть селекции тимоцитов и состоит в установлении соответствия специфичности клонов T–клеток потребностям иммунной защиты организма, что достигается отбором клеток, распознающих комплекс аутологичных молекул MHC и пептидов с умеренной степенью сродства. Именно эти клетки способны распознавать комплексы своих молекул MHC с чужеродными пептидами, что служит основой иммунологической функции T–клеток. Таким образом, в настоящее время принята точка зрения, согласно которой критерием селекции клонов тимоцитов служит степень сродства их TCR к комплексам MHC–пептид, экспрессированным на клетках микроокружения [501].

Рис. 53. Роль апоптоза в селекции тимоцитов: три варианта исходов селекции. Селекция поддерживает только клетки, распознающие аутологичные комплексы «молекула MHC–пептид» с невысоким сродством. Отсутствие сродства и высокое сродство приводят к апоптозу тимоцитов, включаемому различными механизмами.

Инструментом селекции тимоцитов служит апоптоз [536]. Природа аутологичных пептидов, вовлекаемых в селекцию, точно не установлена, однако в большинстве случаев они гомологичны чужеродному пептиду, распознаваемому соответствующим клоном клеток. При низком сродстве TCR к распознаваемому комплексу или отсутствии сродства сигнал выживания не поступает в клетку и она подвергается апоптозу по умолчанию (на этом этапе гибнет около 97% тимоцитов). Промежуточная степень сродства обеспечивает поступление в тимоцит поддерживающего сигнала, и клетка выживает (положительная селекция). Слишком высокое сродство к аутологичному комплексу MHC–пептид порождает сильный сигнал, вызывающий апоптоз активационного типа (отрицательная селекция); на этом этапе гибнет половина тимоцитов, поддержанных положительным отбором. Большинство исследователей считает, что названные этапы селекции разграничены во времени и пространстве. Положительная селекция происходит в глубоких слоях коры тимуса и распознаваемые лиганды (комплексы MHC–пептид) локализуются на поверхности эпителиальных клеток. Отрицательная селекция в принципе может осуществляться при участии эпителиальных клеток, однако наиболее эффективно она реализуется при распознавании комплексов, экспрессируемых дендритными клетками, которые локализуются глубже — в кортико-медуллярной и медуллярной зонах, то есть этот вид селекции осуществляется позже [493].

С селекцией связана дифференцировка субпопуляций T–клеток, в которую также вовлечён апоптоз. В процессе своего развития тимоциты фенотипа CD4⁺CD8⁺ прекращают экспрессировать (спонтанно или под влиянием контакта с молекулами MHC) один из генов корецепторов — CD4 или CD8. Как известно, TCR распознаёт не только пептид, но и прилегающую к нему часть молекулы MHC, а корецепторы обладают сродством к молекуле MHC: CD4 — к MHC класса II, CD8 — к MHC класса I. В том случае, если сохранившийся на поверхности тимоцита корецептор по своей специфичности соответствует TCR, клетка выживает, а в случае несоответствия она подвергается апоптозу [220]. Вероятно, в случае несоответствия Рц и корецептора по специфичности не может генерироваться сигнал, достаточный для того, чтобы поддержать выживание клетки.

При положительной селекции гибель клеток, не поддержанных отбором, развивается по типу пассивного апоптоза и может быть ослаблена гиперэкспрессией Вс1–2. Важную роль в передаче сигнала к выживанию при этом играет d–цепь TCR. Дальнейшая сигнализация проходит этапы Lck — ZAP–70 — LAT с активацией факторов Gads, SLP70 и Itk, а также включением параллельных сигнальных путей — Ca²⁺–зависимого, приводящего к формированию транскрипционного фактора NFAT, и Ras–зависимого, завершающегося экспрессией транскрипционного фактора Erk [536]. Полагают, что в гибели тимоцитов, не поддержанных положительной селекцией, принимают участие глюкокортикоиды, секретируемые эпителиальными клетками тимуса, пуриновые нуклеотиды, образующиеся при распаде ДНК погибших тимоцитов, а также контактные сигналы, источником которых могут быть эпителиальные клетки.

Как уже отмечалось, условием индукции апоптоза при отрицательной селекции является высокоаффинное распознавание, осуществляемое Рц (TCR). Показана зависимость апоптоза от присутствия в константном домене a–цепи Рц последовательности a–СРМ. Участие корецептора (CD4 или CD8) в распознавании не является абсолютно обязательным, в то время как костимулирующие молекулы (в частности, CD28) принимают участие в распознавании, приводящем к реализации рассматриваемой формы апоптоза. Первоначально полагали, что апоптоз при отрицательной селекции протекает по рецепторному механизму. Однако сигнализация через известные Рц семейства Рц TNF, в частности через Fas–Рц и TNF–RI, не играет существенной роли в его индукции. Более того, нокаут гена FADD, продукт которого участвует в реализации практически всех форм рецепторного апоптоза, не только не отменяет отрицательную селекцию, но даже усиливает её. С другой стороны, получены свидетельства участия в этой форме апоптоза факторов семейства Вс1–2. Так, ключевая роль в запуске этой формы апоптоза принадлежит фактору Bim, а гиперэкспрессия Вс1–2 может предотвратить гибель аутоспецифических тимоцитов. Важную роль в реализации апоптоза играет фактор Nur–77, экспрессию которого рассматривают как маркёр тимоцитов, элиминируемых при отрицательной селекции. Анализ роли факторов передачи внутриклеточных сигналов в реализации отрицательной селекции показал, что сигнализация при этом отличается от сигнализации при индукции поддерживающего сигнала при положительной селекции. Высокоаффинное распознавание при отрицательной селекции приводит к более полному фосфорилированию фактора LAT и рекрутирования им несколько иных адаптерных белков — Grb2 и Sos1, что приводит к избыточной экспрессии транскрипционного фактора Erk, а также вовлечению в сигнализацию белков р38, JNK и NFkB [453].

Таким образом, процесс развития клеток иммунной системы реализуется при постоянном участии апоптоза, который определяет размер популяции клеток–предшественниц, а в случае лимфоцитов контролирует правильность реаранжировки генов иммунорецепторов и адекватность антигенраспознающего репертуара лимфоцитов задачам иммунной защиты организма от чужеродных агентов.