Книга: 100 великих тайн человека

ПАРАДОКСЫ АНТИТЕЛ

ПАРАДОКСЫ АНТИТЕЛ

Учитывая тот факт, что для нейтрализации практически каждого антигена в организме находится соответствующее антитело, легко догадаться, что их в организме должно быть огромное количество. Но как они могут появиться в таком невероятном разнообразии?

Именно ответ на этот вопрос и попытался дать австрийский врач и иммунолог Карл Ландштейнер. В ходе многочисленных экспериментов ученый установил огромное разнообразие антител, которые появлялись у лабораторных животных.

Когда Ландштейнер присоединял короткие, полученные в лабораторных условиях молекулы углеродных колец к антигенам различных типов, и вводил эти соединения в организм кроликов и мышей, то наблюдал у этих животных появление специфических антител к этим веществам.

Правда, в самом этом факте ничего удивительного не было, поскольку иммунологи давно научились получать антитела в результате искусственной вакцинации различных животных. Поразило Ландштейнера другое: он обнаружил антитела против всех химических соединений и лекарств, которые были синтезированы в то время химиками и фармацевтами в лабораторных условиях. То есть в естественной среде эти вещества не существовали. Но, тем не менее, организм с ними боролся. То есть получалось, что млекопитающие могут вырабатывать практически бесчисленное количество разновидностей антител.

Но эти факты сразу же поставили перед учеными ряд труднообъяснимых проблем. Например: почему химические вещества, отсутствующие в природе, вызывают иммунную реакцию? Или: как могут появляться антитела, которые ранее отсутствовали у того или иного вида?

Ученые подсчитали, что для существования 1 миллиона различных антител в геноме человека должно находиться почти 2 миллиарда оснований, которые должны кодировать это их разнообразие. И даже если ограничиться только наиболее важной информацией, то это число все равно уменьшится до довольно значительной цифры, равной 600 000 000 оснований. В целом же в геноме человека содержится около 3–4 миллиардов оснований! Таким образом, даже по самым скромным подсчетам, от 15 % до 40 % всей ДНК должны кодировать только молекулярную структуру антител.

Исходя из этих цифр, иммунологи пришли к выводу, что гены, которые кодируют антитела, сохраняют информацию неким особым, отличающимся от других генов, образом. Но все по порядку.

В ходе тонких экспериментов иммунологи установили, что все антитела – это всегда белки, называемые иммуноглобулинами. Для всех них характерен схожий план строения, основу которого составляют несколько более простых единиц. Так, наиболее обычное антитело – глобулин G, в своем составе имеет две тяжелые (Н) и две легкие (L) цепочки, которые собраны в одну молекулу, и в этой единой структуре сосуществуют благодаря ковалентным дисульфидным связям.

В свою очередь, каждая из этих цепочек состоит из лабильной части (VL и VH для L–  и Н-цепей, соответственно) и постоянной (С), которая у Н-цепей разделена на несколько участков, или доменов: CH1, СН2, СНЗ. L-цепь имеет один постоянный участок – CL. При взаимодействии VH–  и VL-областей и появляются специфические особенности иммуноглобулинов.

В белковой молекуле доменов присутствуют очень изменчивые участки, для которых характерно регулярное появление в них новых аминокислот, и участки с более или менее постоянным аминокислотным составом.

Наличие переменного и постоянного участков в молекуле иммуноглобулинов дало повод американским ученым Дрейеру и Беннету еще в середине семидесятых годов прошлого века выдвинуть идею, что в синтезе тяжелой или легкой цепи белка заняты два гена – V и С.

А ведь это было очень смелое для того времени предположение, поскольку тогда в молекулярной биологии господствовала догма «один ген – одна полипептидная цепь». Но в настоящее время эта гипотеза подтвердилась, хотя и в несколько измененном виде.

Известно, что в молодых В-клетках, в формировании которых в основном заняты иммуноглобулины, или в любых других клеточных структурах организма, V–  и С-гены находятся на одной и той же хромосомной нити, но, правда, на значительном удалении один от другого.

Однако в процессе созревания В-клетокудаленные генные участки сближаются и в конце концов формируют единую информационную область. Но поскольку такое изменение положения на участке хромосом, названное рекомбинацией, происходит только в соматических клетках, а в случае с генами иммуноглобулинов – только в В-клетках, то оно будущим потомкам по наследству не передается.

Синтез тяжелых цепей иммуноглобулина контролируется тремя видами генных сегментов для V-доменов – V, D и J, и десятью – для С-области. Всего же ученые выделили около 500 V-генных сегментов, 15 D-сегментов и четыре J-сегмента.

В то же время в синтезе легких цепей заняты 250 V-гена, четыре J-генных сегмента и С-гена для постоянной части полипептида.

Изучение распределения иммуноглобулиновых генов в хромосоме и последовательности их реорганизации во время развития В-клеток дало возможность установить причину разнообразия иммуноглобулинов. Оказалось, что связана такая вариабельность этих белков с многочисленными и абсолютно случайными соединениями отдельных генных участков друг с другом во время рекомбинации хромосом: V, D, J – для тяжелых цепей и V, J – для легких цепей.

Расчеты показали, что в результате рекомбинаций количество вариантов V-доменов для тяжелых цепей иммуноглобулинов составит 120 тысяч, а для легких цепей – 2 тысячи. А поскольку конкретная молекула иммуноглобулинов образуется в ходе случайной комбинации тяжелых и легких цепей, общее число специфических иммуноглобулинов составит 240 000 000.

Некоторые же исследователи считают, что в связи с дополнительными рекомбинациями число различных вариантов может достигать сотен триллионов.

Понятно, что такое количество вариантов дает организму возможность защититься от самых разных патогенных вторжений.

Итак, антитела уничтожают всякое образование, которое не соответствует принятым в организме стандартам. С этим вроде бы все понятно. Вопрос в другом: почему у здоровых людей иммунная система практически не вырабатывает антител и киллерных Т-клеток против тканей собственного организма? А ведь химический состав белков собственного организма почти ничем не отличается от молекулярных соединений чужеродных антигенов.

Эта особенность организма названа аутотолерантностью. И открыл ее в начале прошлого столетия известный уже нам немецкий микробиолог Пауль Эрлих. А механизм, заставляющий иммунную систему организма отличать «свои» клетки от «чужих», он назвал «страхом самоотравления».

Так какие же механизмы лежат в основе аутотолерантности? Как она сохраняется на протяжении всей жизни организма? Может, мы получаем ее по наследству вместе с родительскими генами? А возможно, мы ее приобретаем со временем в ходе индивидуального развития?

Пауль Эрлих в рабочем кабинете

Однако прежде чем ответить на эти вопросы, требуется познакомиться с так называемой клонально-селекционной теорией, предложенной в 1957 году Макфарлейном Бернетом. Суть ее сводится к тому, что «одна клетка производит только одно антитело», точнее, антитела одной специализации.

Известно, что различные клетки лимфоцитов синтезируют и несут на своей поверхности разные антитела. И если структура антигена совпадает с антителом, которое произвела определенная клетка, она начинает размножаться, воспроизводя группу, или клон точно таких же клеток. При этом все клетки клона производят только узкоспециализированные антитела. В соответствии с этой теорией, в иммунной системе имеется некий механизм, обеспечивающий появление на поверхности этих клеток с направленным действием лишь одного-единственного признака, позволяющего заблокировать развитие остальных антител.

В настоящее время уже известно, что «специализация» будущего антитела, которое будет синтезировано в В-клетке, определяется в самом начале развития лимфоцита. И этому явлению Вернет нашел экспериментальное подтверждение. Кроме того, на основе этой теории он, в частности, объяснил принцип, лежащий в основе аутотолерантности. А он, согласно Бернету, довольно прост: если рецептор на поверхности молодого лимфоцита вступает в реакцию взаимодействия с собственным антигеном, клетка получает сигнал на уничтожение. А поскольку молодые лейкоциты в самом начале своего жизненного пути как раз и сталкиваются с собственными антигенами, то устранение «ненужных» клеток осуществляется именно в тех местах, где появляются новые лимфоциты.

Таким образом, лишь те лимфоциты, которым удалось выдержать этот своеобразный экзамен на качество, продолжат дальнейшее развитие и, созрев, могут связываться с инородными антигенами.

Вернет свою клонально-селекционную теорию разработал в 1957 году. В течение последующих десятилетий проводились многочисленные иммунологические эксперименты. В результате этих работ были открыты разные виды лимфоцитов и выявлена их роль в иммунных реакциях. И, тем не менее, основные положения теории Бернета до настоящего времени остаются справедливы.