Описанный выше этап дифференцировки клеток характеризуется тем, что в организме появляется большое количество Т- и В-лимфоцитов, которые с помощью своих антигенраспознающих рецепторов (ТАГРР и ВАГРР) обладают способностью распознавать как собственные (self, ауто), так и чужие (non-self, алло) антигены. Это потенциально опасно, поскольку ауто-реактивные Т- и В-лимфоциты при определенных обстоятельствах могут стать причиной срыва толерантности и развития аутоиммунных заболеваний. Поэтому очередной этап развития иммунной системы со¬стоит в том, чтобы среди большого пула Т- и В-лимфоцитов отобрать (селекционировать) такие, которые бы не реагировали с собственными антигенами, но при этом сохраняли способность различать чужеродные антигены. Итак, третий этап антигеннезависимой дифференцировки лимфоидных клеток – развитие (индукция) толерантности (ареактивности, терпимости) по отношению к аутоантигенам.
Первичная функция ТАГРР на тимоцитах и ВАГРР на предшественниках В-лимфоцитов заключается в том, что с их помощью передается сигнал, который приводит к отбору (селекции) лимфоидных клеток, реагирующих на ауто-АГ.
Вторичная функция ТАГРР и ВАГРР – участие в иммунном ответе на этапе распознавания чужеродных антигенов.
Различают три пути отбора (селекции) лимфоидных клеток.
1. Разрушение (делеция) аутореактивных Т- и В-лимфоцитов, обладающих высокой авидно-стью (сродством) к ауто-АГ, – негативная селекция; происходит в центральных органах им¬мунитета.
2. Индукция (установление) анергии аутореактивных лимфоидных клеток. Этот путь селекции реализуется на периферии, лимфоциты при этом не погибают вследствие их невысокой авидности по отношению к ауто-АГ. Такая форма негативной селекции резервирует Т- и В-клетки в состоянии иммунологической толерантности (неотвечаемости), но при этом очень часто они сохраняют на своей поверхности аутореагирующие рецепторы.
Поскольку эмбриональный период является периодом формирования толерантности иммунной системы, то можно достичь толерантности к чужеродным антигенам, если в этот период искусственно ввести их в организм.
3.Позитивная селекция; состоит в том, что в тимусе и костном мозге контакт незрелых лимфоцитов и пре-В-лимфоцитов с ауто-АГ индуцирует созревание Т- и В-лимфоцитов, но поскольку сигнал клеток получается недостаточным из-за низкой авидности, то пролиферация клеток не наступает, а значит не происходит и развитие иммунного ответа.
Рассматривается также еще один – четвертый механизм толерантности за счет формирования на периферии активной супрессии в результате функции Т-регуляторных клеток либо дис-баланса Т-хелперов 1-го и 2-го типов, о чем речь будет идти ниже.
Как уже упоминалось, сохранившиеся в организме аутореактивные Т- и В-лимфоциты при определенных обстоятельствах могут стать причиной срыва толерантности и развития аутоиммунного заболевания.
На этапе индукции толерантности в вилочковой железе из тимоцитов, которые несут два дифференцировочных антигена CD4 и CD8 и являются так называемыми CD4+CD8+ клетками, образуются субпопуляции Т-лимфоцитов: Т-хелперы (CD4+CD8- клетки) и Т-киллеры/супрессоры (CD4-CD8+ клетки).
На этом заканчивается период антигеннезависимой дифференцировки Т- и В-лимфоцитов, они покидают вилочковую железу и костный мозг и расселяются в Т- и В-зонах (соответственно) периферических органов иммунной системы. Расселяющиеся лимфоциты называются зрелыми покоящимися клетками, готовыми к иммунному ответу. Все они находятся в G(0) фазе клеточ-ного цикла.
Следует помнить, что Т- и В-клетки на своей поверхности экспрессируют антигенраспознающие рецепторы, которые способны распознать только один антиген (точнее, одну детерминанту (эпитоп)).
Таким образом, специальными органами, где происходит дифференцировка гемопоэтиче-ских стволовых клеток, служат: для Т-лимфоцитов – тимус, для В-лимфоцитов – в эмбриональном периоде – печень, во взрослом организме – костный мозг.
Различают следующие основные этапы развития и дифференцировки Т- и В-лимфоцитов.
Первый этап – продуцирование большого числа Т- и В-лимфоцитов, обладающих специфичностью к различным антигенам (в том числе и к антигенам собственного организма). Этот этап имеет две важные стадии:
1. Стадию раннего предшественника, когда на поверхности будущего В-лимфоцита появляется суррогатная L-цепь иммуноглобулина. а на поверхности будущего Т-лимфоцита- ГП-33 (один из элементов ТАГРР);
2. Стадию незрелого предшественника, когда на В-лимфоцитах появляется молекула иммуноглобулина или ВГРАР, а на поверхности Т-лимфоцита – ТАГРР с альфа-, бета- или гамма-, дельта-цепями.
Второй этап – элиминация из громадного количества зрелых предшественников тех клеток, которые являются реактивными по отношению к собственным антигенам. В результате такого “обучения” иммунной системы развивается состояние толерантности.
Третий этап – дозревание оставшихся лимфоидных клеток и превращение их в зрелые покоящиеся Т- и В-лимфоциты, способные реагировать на чужеродные антигены.
Предшественники, прекоммитированные к развитию в
, непрерывно мигрируют от костного мозга в вилочковую железу, однако их число, по-видимому, очень мало. Незрелые предшественники Т-клеток поступают в область коры вилочковой железы, где созревают в функциональные субпопуляции Т-клеток. Особенностью развития тимоцитов является высокая скорость пролиферации.
У человека возможно и экстратимическое созревание Т-клеток
, однако для оптимального развития Т-лимфоцитов необходимо наличие неповрежденной вилочковой железы.
Различные стадии развития тимоцита можно определить по изменению экспрессии поверхностных и цитоплазматических молекул, рецепторов цитокинов и состояния реаранжировки генов Т-клеточного рецептора. Т-клеточный рецептор (TCR) распознает только короткие пептиды, которые заполняют полость в молекулах первого или второго класса главного комплекса гистосовместимости (МНС I и II, МНС комплекс у человека обозначается как HLA). Презентация таких пептидов Т-лимфоцитам обеспечивается антигенпредставляющими клетками.
TCR - гетеродимерный комплекс, сформированный при ассоциации а-и бета- или у- и S-субъединиц. Каждая из этих субъединиц кодируется отдельным геном. Т-клетки с рецепторами типов ар и уq являются различными линиями, которые разделяются до начала реаранжировки гена TCR.
Наименее зрелые клетки-предшественники в вилочковой железе экспрессируют антиген CD7. Некоторые из них экспрессируют также CD44. CD44, рецептор для гиалуроновой кислоты, - один из факторов, определяющих перемещение предшественников Т-клеток в вилочковую железу. Из этих предшественников далее образуются CD2+/CD7+ клетки, в цитоплазме которых присутствует CD3. Белковый комплекс CD3 обеспечивает передачу сигналов через TCR.
Пептидные цепи CD3-комплекса начинают синтезироваться на стадии про-Т-лимфоцита, и их экспрессия предшествует появлению на мембране TCR.
Т-лимфоциты уq-линии первыми начинают экспрессировать рецептор CD3, но на них нет молекул CD4 или CD8. Несколько позднее на поверхности клеток, экспрессирующих рецептор типа аb, начинают одновременно экспрессироваться антигены CD4 и CD8. К этому времени заканчивается реаранжировка генов а- и р-цепей, и на поверхности клеток экспрессируется рецепторный комплекс TCR ab/CD3.
По мере того как клетки , экспрессирующие CD4+, CD8+ и TCR (так называемые дважды положительные клетки), проходят от коры к мозговому веществу вилочковой железы, они созревают в CD4+ хелперные или CD8+ цитотоксические Т-клетки. Клетки, которые созревают до стадии CD4+ или CD8+, составляют менее 5% тимоцитов. Эти лимфоциты покидают вилочковую железу и заполняют вторичные лимфоидные ткани (лимфатические узлы, селезенку, лимфоидную ткань, ассоциированную со слизистыми оболочками).
Т-лимфоциты с рецептором уq и CD5+B1-клетки являются функционально аналогичными популяциями, которые развиваются параллельно. Т-клетки с рецептором типа уq найдены в различных тканях, включая селезенку, эпидермис и эпителий слизистой оболочки матки, влагалища и языка. Предполагается, что эта популяция клеток может исполнять роль иммунного надзора в перечисленных тканях.
Формирование комплекса Т-клеточного рецептора и положительная и отрицательная селекция в вилочковой железе
Как и гены иммуноглобулинов, гены Т-клеточного рецептора собираются из различных сегментов, находящихся первоначально в зародышевой конфигурации. Гены Т-клеточного рецептора подвергаются процессу соматической реаранжировки, при которой кодирующие сегменты присоединяются друг к другу, а присутствующие между ними интронные последовательности удаляются. Вариабельность соединений и вставок обеспечивает возникновение различий TCR и приводит к огромному количеству различных последовательностей гипервариабельного участка TCR. Репертуар различных TCR считается даже большим, чем репертуар молекул Ig (по оценкам, репертуар ab-TCR составляет 1015, а для yq-TCR - 1018). В отличие от В-лимфоцитов, Т-лимфоциты не секретируют свои рецепторы.
Дважды позитивный тимоцит проходит через многоступенчатый процесс, известный как тимическая селекция. На первой фазе, называемой положительной селекцией, TCR дважды позитивного тимоцита взаимодействуют с молекулами МНС, которые экспрессируются эпителиальными клетками в коре вилочковой железы. Тимоциты, способные распознавать комплекс антигена с молекулой HLA, ускользают от апоптоза и вступают в дальнейшую дифференцировку, в то время как тимоциты, не способные к такому взаимодействию, погибают.
Поскольку рекомбинации , затрагивающие возникновение TCR, являются случайными, в вилочковой железе могут развиваться и пройти позитивную селекцию Т-клетки, экспрессирующие TCR, специфичные к чужеродным и собственным антигенам. Существует вероятность, что Т-клетки, реактивные к собственным структурам организма, будут взаимодействовать с аутоантигенами в тканях, что может привести к нежелательным аутоиммунным реакциям. Для предотвращения этого дважды положительные клетки подвергаются второй фазе отбора, которая называется негативной селекцией. В ходе этой фазы дважды положительные клетки взаимодействуют с комплексом МНС-пептид, экспрессированным на поверхности дендритной клетки.
Т-клетки , TCR которых взаимодействует с комплексом МНС-пептид с высокой аффинностью, подвергаются апоптозу. В ходе негативной селекции удаляются Т-клетки, экспрессирующие TCR, обладающие реактивностью к собственным антигенам.
Дважды положительные клетки , пережившие негативную селекцию, снижают экспрессию корецепторов CD4 или CD8, что приводит к развитию или CD4+CD8" или CD4"CD8+ (моноположительных) Т-лимфоцитов. При этом Т-лимфоциты, распознающие антигены, представляемые молекулами МНС II класса, сохраняют экспрессию корецептора CD4+, a Т-лимфоциты, распознающие антигены, представляемые молекулами МНС I класса, сохраняют экспрессию корецептора CD8+. Эти клетки покидают вилочковую железу и образуют периферические зрелые CD4+ и CD8+ Т-клетки.
Экспрессия некоторых поверхностных молекул при развитии Т-клеток
Клетки и цитокины, регулирующие развитие Т-клеток
Вилочковая железа состоит из корковой и медуллярной областей, различающихся по количеству тимоцитов и составу стромальных клеток. Стромальные клетки вилочковой железы влияют на развитие тимоцитов как посредством прямых межклеточных взаимодействий, так и секрецией растворимых медиаторов.
Тимоциты и клетки тимического эпителия экспрессируют ряд поверхностных клеточных детерминант, некоторые из которых вовлечены в адгезию этих клеточных популяций друг к другу. Рецептор CD2 на тимоцитах определяет связывание с детерминантой CD58 (LFA-3) и межклеточной адгезионной молекулой-1 (ICAM-1), представленными на клетках тимического эпителия. Взаимодействия между развивающимися лимфоцитами и стромой могут активировать обе популяции. Например, связывание тимоцитов со стромой может стимулировать продукцию ИЛ-1 стромальными клетками и повышать экспрессию рецептора ИЛ-2 на тимоцитах.
ИЛ-7 стимулирует полиферацию тимоцитов, и фактор стволовых клеток увеличивает этот эффект. Эпителиальные клетки вилочковой железы у человека являются источником цитокинов ИЛ- 1а и b, ИЛ-3, ИЛ-6, ИЛ-8, колониестимулирующих факторов (Г-КСФ и ГМ-КСФ), лейкозингибирующего фактора (LIF) и TGF-p, а также гормонов тимозина или тимопоэтина, оказывающих влияние на пролиферацию и дифференцировку тимоцитов.
Цитокины , необходимые для развития Т-клеток, могут продуцироваться самими Т-клетками. Тимоциты производят IFN-y, ФНО-а, ИЛ-2, ИЛ-3 и ИЛ-4.
В дальнейшем выжившие Т-лимфоциты опускаются в мозговой слой тиму-са, где проходят этап отрицательной (негативной) селекции. При этом они вза-имодействуют с тимическими дендритными клетками , экспрессирующими комплексы молекул гистосовместимости с пептидами, полученными из разно-образных молекул собственного организма. В результате подобного взаимо-действия выживают только те Т-лимфоциты, чей антигенраспознающий ре-цептор не способен распознавать указанные комплексы, а остальные гибнут путем индуцированного апоптоза что достигается за счет продукции глюкокор-тикоидов. За счет механизма отрицательной селекции осуществляется профи-лактика аутоиммунных заболеваний .
В целом выживает лишь около 2-5% всех клеток, прибывших в тимус для дифференцировки, что свидетельствует о чрезвычайно жестком отборе Т-лимфоцитов и высокой степени надежности механизма формирования централь-ной иммунной толерантности . Однако все же в тимусе представлены не все имеющиеся аутоантигены, поэтому необходимо осуществление механизмов поддержания толерантности на периферии.
Получены при работе с облученными мышами, которым компенсаторно вводили костный мозг от генетически идентичных доноров и опустошенную строму тимуса от генетически идентичных или отличающихся доноров ( рис. 7.11).
Ситуация менялась, если вместо гибридного тимуса трансплантировали тимус родителей Н-2d или Н-2k. В тех случаях, когда Т-прекурсоры костного мозга колонизировали родительский тимус, формировались эффекторы цитотоксической реакции, способные разрушать клетки-мишени только того генотипа, к которому относился тимус ( рис. 7.11).
Ясно, что отсутствие соответствующих рецепторов к собственным молекулам МНС не позволяет тимоцитам пройти полный путь развития и проявить себя в цитолитической реакциии. Через 3-4 дня клетки, неспособные распознать собственные антигены, погибают в тимусе.
События, развивающиеся в тимусе при селекции клеток по их способности распознавать собственные молекулы МНС, представлены на рис. 7.12).
Завершившаяся на первом этапе реорганизация генов для альфа- и бета-цепей обеспечивает экспрессию Т-клеточного рецептора на клеточной поверхности. До окончания положительной селекции уровень экспрессии этих рецепторов незначительный, но вполне достаточный для взаимодействия с соответствующими молекулами. Поскольку реорганизация генов, контролирующих вариабельные области Т-клеточного рецептора (VDJ - для бета-цепи и VJ - для альфа-цепи), процесс случайный, то образуются самые разнообразные по специфичности рецепторы. Условно их можно разбить на три категории:
Рецепторы, которые способны взаимодействовать c молекулами MHC класса I ,
Рецепторы, которые способны взаимодействовать c молекулами MHC класса II , и
Рецепторы, которые такой способностью не обладают.
Кроме того, антигенсвязывающий центр ТКР, независимо от принадлежности к той или иной категории, имеет участок, потенциально способный взаимодействовать с экзогенным чужеродным пептидом.
На стадии умеренной экспресии Т-клеточных рецепторов тимоциты представляют собой сырой материал для отбора. В коре тимуса, обогащенной эпителиальными клетками, которые экспрессируют как молекулы I, так и II классов, происходят основные селекционные процессы. Если тимоциты обладают рецепторами, способными взаимодействовать с молекулами I или II классов, то они подвергаются дальнейшей дифференцировке. Судьба тимоцитов, чьи рецепторы не сответствуют специфичностям молекул МНС, завершается в тимусе.
Селекция тимоцитов по специфичности их рецепторов - процесс крайне жесткий. Более 90% клеток гибнет в органе и только незначительная их часть, прошедшая сито отбора (менее 5%), "обречена" на дальнейшую жизнь.
Если клетка не выдержала первичного положительного отбора, она еще некоторое время (3-4 суток) остается жизнеспособной и продолжает реорганизовывать гены альфа-цепи ТКР, представляя новые по специфичности рецепторы. Иначе, отбор не завершается на исходном сочетании альфа-бета-цепей. Клетка "стремится прийтись ко двору" посредством изменения специфичности рецепторов за счет альфа-цепей. Без этого дополнительного механизма гибель тимоцитов, не прошедших первичного отбора, была бы еще выше.
На этапе формировании клонов, способных взаимодействовать с одной из молекул МНС, процесс дифференцировки клеток не заканчивается. Тимоциты, подвергающиеся отбору, экспрессируют как CD4 , так и CD8 корецепторы. Однако как только отбор на специфичность произошел, тимоциты теряют один из корецепторов.
Во всех случаях отбор на специфичность к молекулам I класса определяет сохранение CD8 и потерю CD4.
Напротив, тимоциты прошедшие селекцию к молекулам II класса, экспрессируют CD4, и подавляют синтез CD8.
Наиболее четко корреляция фенотипических маркеров со специфичностью рецепторов показана на трансгенных мышах.
Если мышам вводили реорганизованные гены для альфа-бета-цепей ТКР со специфичностью к молекулам I класса, то все образовавшиеся зрелые Т-клетки имели фенотип T-киллеров (CD8).
В ситуации, когда специфичность касалась молекул II класса, все зрелые Т-клетки несли корецептор T-хелперов (CD4).
Коррелятивная связь корецепторов со специфичностью Т-рецепторов показана и на других экспериментальных моделях. Мутантные мыши, у которых отсутствуют молекулы II класса, не способны образовывать CD4+-лимфоциты. Введение таким мышам трансгена, кодирующего синтез молекул II класса, полностью восстанавливало формирование CD4+-клеток.
Определяющим моментом экспрессии одного из двух корецепторов в процессе созревания тимоцитов является их способность взаимодействовать с теми молекулами МНС, к которым проходит селекция:
CD4 - c молекулами II класса и
После такого распознавания завершается, наконец, путь внутритимусной дифференцировки тимоцитов с образованием T-хелперов и T-киллеров , мигрирующих на периферию.
В КМ формир-ся ранние предшественники Т-лимфоцитов. Раньше других Т-клеточных маркеров на поверхности развивающихся клеток Т-ряда человека экспрессируется (уже на стадии проТ) CD7. Эти клетки несут также мембранный маркер CD38, свойственный многим кроветворным клеткам на промежуточных этапах развития. Их размножение поддерж-ют фактор стволовых клеток и ИЛ-7, рецепторы которых присутствуют поверхности этих клеток. Пролиферация клеток может быть вызвана ИЛ-3, 2, 9, 1 и 6. На ранних этапах незрелые бластные предшеств попадают в тимус. Все этапы диф-ки будут связаны с изменением поверхностных маркеров для т-лимфоцитов.
Т-лимфоциты – CD2+ CD3- CD4- CD8-
С начала синтезир-ся β-цепь, затем α-цепь. Происходит сборка цепей и на пов-ть выходит αβTCR CD3+ CD4+ CD8+ - кортикальные тимоциты. Чувствит. К апоптозу, кот. индуцир. кортикостероиды и и.и.
С этого мом-та начин-ся этапы положит. и отрицат. селекции Т-лимфоцитов в тимусе. Положит селекция – процесс избирательного поддержания клонов лимфоцитов, отрицат селекция – процесс устранения клонов лимфоцитов. Эти процессы приводят к коррекции первичного антигенраспознающего комплекса (поддержание клонов, кот распознают пептиды в составе «своих» мол-л МНС, и устранение полностью аутореактивных клонов).
Более ранняя по времени положит. селекция осущ-тся в глубоких слоях коры тимуса. Ее основой служит взаимодействие тимоцитов с эпителиальными клетками, несущими на поверхности молекулы МНС II класса. На этом этапе поддерживаются клоны, способные распознать как полностью аутологичные комбинации молекул МНС и пептидов, так и аутологичные молекулы МНС, модифицированные чужеродными пептидами. Основой положительной селекции является контактное взаимодействие клеток вследствие комплементарности рецептора тимоцита и молекулы МНС эпителиальной клетки. В этом взаимодействии участвуют уже упоминавшиеся пары адгезивных молекул, стабилизирующие взаимодействие.
После осущ-ия фазы положит. отбора на пов-ти кл-к выживших клонов усилив-ся экспрессия CD3-TCR и вспомогат-ых мол-л CD4 и 8. Кл-ки, претерпевшие такие измен-ия, становятся субстратом для отрицат. селекции . Она осущ-ся в мозговом слое и кортико-медуллярной зоне тимуса в процессе взаимод-ия с дендритными кл-ами, богатыми продуктами МНС I и I классов. Если распознают высокоафинно собств. пептиды – ауто АГ – то уничтожаются путем апоптоза.
В рез-те 2 фаз отбора элиминируются те клоны тимоцитов, которые несут рецепторы, специфичные к АГ, не имеющим никакого отношения к аутологичным МНС, а также к комплексам аутологичных АГ-ых пептидов с аутологичными МНС.
Субпопуляции Т-лимфоцитов, основные функции. Т-хелперы, классификация, механизмы дифференцировки. Роль в развитии иммунного ответа Тх1, Тх2, Тх17 и регуляторных Т-лимфоцитов.
Лимфоциты, попадая из КМ в тимус, дифференцируются под влиянием тимических гормонов в зрелые лимфоциты. При этом они проходят разные стадии развития. Существуют 2 основные субпопуляции Т-лимфоцитов:
– Т-хелперы αβТСRCD4+ - субпопуляция =60%. В зав-ти от того, какие цитокины продуцир-ся этими лимфоцитами в ходе развития имм. ответа выделяют: Т-хелперы 1-го типа – продуцируют γ-интерферон, интерлейкин-2, ростовой фактор β. Они активируют макрофаги, участвуют в клеточном имм. ответе, принимают участие в воспалении, в реакциях ГЗТ; Т-хелперы 2-го типа – продуцируют интерлейкин-4,5,10,21,23. способны активировать В-лимфоциты, т.о. отвечают за развитие спец. гуморальных имм. реакций, осущ-ют защиту против гельминтов, парзитов, способств. реализации всех аллергич р-ций в орг-ме; Т-хелперы 17 – продуцир-ют интерлейкин-17,36, интерлейкин-17A, F – вовл. в развитие аутоимм. заболеваний, обеспечив. защиту против бактерий, кот имеют внеклеточный цикл размножения.
Все лимфоциты формируются из наивных Т-лимфоцитов. Дифференцировку обуславливает локальное микроокружение и цитокины, кот. влияют на дифф-ку.
Для Тх1 – Интерлейкин-12, Тх2 – интерлейкин-4, Тх-17 – интерлейкин-6,23. Трегулят – трансформир. ростовой фактор β.
– Цитотоксические лимфоциты – киллерные кл-ки αβТСRCD8+ =30%.
Осуществляют распознавание и уничтожение чужеродных или собственных измененных клеток. Кл-ки-предшественники Т-киллеров распознают АГ на пов-ти кл-ок в ассоциации с мол-ами МНС I-го класса. Секретируют перфорины, гранзимы, ФНО, кот вызывают повреждение мембраны и гибель кл-ки. Тк способны синтезировать интерферон альфа, обладающий противовирусной активностью.