CC BY
255
Медицинская Иммунология 2004, Т. 6, № 3-5 ©2004, СПбРОРААКИ
ПРОБЛЕМЫ ЭВОЛЮЦИОННОЙ ИММУНОЛОГИИ
Галактионов В.Г.
Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН, Москва, Россия Ключевые слова: эволюция, филогенез, Т-лимфоциты, В-лимфоциты, интерлейкины
Среди проблем современной эволюционной иммунологии наиболее существенными являются следующие: 1) филогенетические отношения между неспецифическим (врожденным) и специфическим (адаптационным) иммунитетом; 2) эволюция трансплантационного иммунитета; 3) эволюционное становление и развитие Т- и В-систем иммунитета; 4) филогенез клеток иммунной системы; 5) возникновение и развитие способности к специфическому иммунному распознаванию (эволюция суперсемейства иммуноглобулинов); 6) роль исторически развивающегося иммунитета в прогрессивной эволюции животных; 7) принципы монофилии и сохранения признаков предков при эволюционном развитии иммунитета. Некоторые из них будут представлены ниже.
Филогенетическая связь между неспецифическим (врожденным) и специфическим (приобретенным, адаптационным) иммунитетом
Развитию специфического иммунитета предшествует формирование неспецифической реакции защиты организма от инфекционного агента (рис. 1). Молекулярные и клеточные механизмы, обеспечивающие неспсцифическую защиту у позвоночных животных, фактически не отличаются от проявления такой защиты у беспозвоночных.
При возникновении ран - “ворот” проникновения патогенов — у большинства целомических животных заживление пораженного участка включает несколько форм реактивности, которые в разных группах животных могут быть представлены в том или ином сочетании.
Фагоцитоз. Фагоцитоз - наиболее древний и общий клеточный механизм, который совместно с естественными гуморальными факторами обеспечива-
Адрес для переписки:
Галактионов ВТ.
Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН, 117334, Москва, ул. Вавилова, 26 E-mail: [email protected]
ет мощную линию неспецифической защиты от патогенных микроорганизмов.
Процесс захвата чужеродного материала у большинства беспозвоночных с циркулирующей системой осуществляется амебоцитами, которые, очевидно, представляют собой прямых потомков блуждающих клеток губок и кишечнополостных. У губок такими клетками являются, в первую очередь архе-оциты мезоглеи.
Натуральные киллерные клетки (НК-клетки). Естественная клеточная цитотоксичность как неспецифическая форма защиты от трансформированных собственных или трансплантированных чужеродных клеток хорошо охарактеризована у млекопитающих. Клетками-эффекторами, наряду с Т-лимфоцитами и активированными макрофагами, разрушающими мишени, являются натуральные киллеры.
Естественная цитотоксичность, реализуемая, главным образом, лейкоцитами целома или гемолимфы, обнаружена и у беспозвоночных. Она описана у губок и кишечнополостных, сипункулид и кольчатых червей, моллюсков, членистоногих, оболочников [31, 48, 49, 54].
Функциональная идентичность между целомоци-тами беспозвоночных и НК-клетками млекопитающих, их филогенетическая преемственность, подтверждаются прямым наблюдением. При работе с цело-моцитами пурпурного морского ежа Arbaciapunctulata была установлены их естественная цитотоксичность по отношению к клеткам человека и мыши при прямом контакте с клетками-мишенями и, что самое главное, наличие рецепторов, свойственных НК-клеткам млекопитающих: CD56 (NKH-1) и CD158b (KIR), относящихся к суперсемейству иммуноглобулинов. При этом отмечено отсутствие главных рецепторов субпопуляций Т-клеток: CD4, CD8, CD3 [40].
Цитокины. Явление взаимодействия клеток при формировании иммунного ответа подразумевает наличие клеточных гуморальных факторов, реализующих это взаимодействие.
В таблице 1 суммированы данные о распространенности некоторых цитокинов в мире животных. Большинство из них принимают непосредственное участие в формировании очага воспаления.
Неспецифический иммунитет: I. Внешние покровы, собственная микрофлора
эпителия препятствуют колонизации патогена
2. Нарушение целостности эпителия. Проникновение патогена в организм
3. Фагоцитоз. Секреция медиаторов воспаления. Тромбирование раны
4. Привлечение клеток воспаления в зону проник новенпя патогена
Ir®*1 Ус ' / \ Цитокины №
С пеци ф и ч ее ки й им му н итет:
т
о0о
Оу
О
Ш
.0 о
о
с-
5. Проникновение патогена в лимфоидную ткань
6. Презентация антигена в пммуно-генноп форме
7. Взаимодействие клеток
Э О / О у о г\г- т о
8. Оораювание клонов 1 - и В-кл.
9. Образование клеток памяти
- фагоцитирующие кл. (макрофаги); @ - Т-, В-кл., кл. воспаления; I -патоген Y - антитела; Цитокины: 1Ь-1,1Ь-6,1Ь-8,1Ь-12, ТОТсс
Рис. 1 . Этапы становления и соотношение между неспецифическим (врожденным) и специфическим (приобретенным) иммунитетом (Галактионов В.Г., 2004).
ТАБЛИЦА 1 ■ ОСНОВНЫЕ ЦИТОКИНЫ У ПРЕДСТАВИТЕЛЕЙ РАЗЛИЧНЫХ КЛАССОВ ЖИВОТНЫХ
Таксоны: типы, классы Цитокины или цитокинподобные факторы
Губки TNF-a
Иглокожие Морские звезды IL-1 IL-2 IL-6 IFN
Оболочники Асцидии IL-1
Моллюски Двустворчатые Брюхоногие IL-1 IL-1 IL-2 IL-2 IL-6 IL-6 TNF-a TNF-a
Членистоногие Насекомые IL-1 TNF-a
Позвоночные
Костные рыбы Амфибии Рептилии Птицы Млекопитающие IL-1 IL-1 IL-1 IL-1 IL-2 IL-2 IL-2 IL-2 IL-2 IL-6 IL-6 IL-6 MIF MIF MIF IFN IFN IFN TGF-|3 TGF-p TGF-(3 MAF MAF TNF-a TNF-a
Примечание: пропуски означают отсутствие информации. (Составлено по данным: Ottaviani et al., 1993; Legac et al., 1996; Koniski, Cohen, 1998; Kaiseretal., 1998; Du Pasqiuer, Flajnik, 1998; Mulleretal., 1999; Wittweretal., 1999; идр.)
Система комплемента. При рассмотрении вопроса о наличии элементов системы комплемента у беспозвоночных следует сразу же обратить внимание на следующее обстоятельство. Из имеющихся двух путей активации данной системы: классического и альтернативного, внимание в первую очередь должно быть обращено на второй, альтернативный путь активации. Связано подобное утверждение с очевидным фактом - отсутствием секретируемых антител у беспозвоночных.
Независимо от того по какому пути пошла активация системы комплемента (имеются в виду позвоночные животные), результатом такой активации на заключительной стадии является образование одних и тех же эффекторных молекул. Белки системы комплемента способны выполнять три основные функции: выступать в качестве медиаторов воспаления (С4а, СЗа, С5а), выполнять функцию опсонинов, взаимодействующих с патогеном (СЗЬ), образовывать на поверхности чужеродной клетки литический комплекс (С5Ь, С6, С7, С8, С9) [7].
Антимикробные факторы. В настоящее время известно около 400 антимикробных факторов, которые представлены не только у беспозвоночных, но также у позвоночных животных и у растений.
Особый интерес при изучении антимикробных пептидов вызывают исследования по индукции этих пептидов у плодовой мушки Drosophila melanogaster [28, 29].
Гемолимфа взрослых интактных мух в норме не содержит антибактериальных веществ, способных подавлять размножение бактерий. Однако после введения мухам возбудителя в их гемолимфе обнаруживается до семи новых полипептидов (табл. 2). Белки появляются в гемолимфе уже через 3-10 часов после заражения и сохраняются в организме около 60 дней.
Забегая вперед, сразу же следует отметить, что с эволюционной точки зрения важным является факт
общности механизмов при инициации данной формы неспецифического ответа у насекомых и млекопитающих.
Защитные механизмы у дрозофилы активируются двумя различными сигнальными путями. Один из них, получивший название Toll активирующий путь, контролирует резистентность к грам-положи-тельным бактериям и грибам. Второй, обозначаемый как Imd, — обеспечивает защиту от грам-отрицатель-ных бактерий.
На клетках жирового тела дрозофилы экспрессируется То11-рецептор, ассоциированный с белком Spaetzle. Всего таких гомологичных рецепторов девять, но только для одного из них известно пока участие в формировании защиты от грам-положитель-ных бактерий и грибов.
Путь активации антимикробных пептидов представлен рядом последовательных событий: поглощением патогена фагоцитирующими клетками, отсутствием прямого взаимодействия патогенов или их компонентов с ТоП-рецегггором. Активация рецептора начинается после снятия блокады со стороны Spaetzle, освобожденный после блокады ТоП-рецеп-тор обеспечивает развитие внутриклеточного каскада реакций, результатом которых является взаимодействие транскрипционного фактора DIF с промотором генов, кодирующих синтез антигрибковых пептидов и пептидов против грам-положительных бактерий (рис. 2).
В сравнительно-эволюционной плане существенным является информация о том, что клетки млекопитающих имеют То11-подобные рецепторы (англ. Toll like receptors - TLRs). Всего к настоящему времени обнаружено десять таких гомологичных рецепторов. Известно селективное взаимодействие TLRs с определенными продуктами патогенов: TLR2 распознает пептидогликаны и бактериальные лииополисахариды, TLR3 - двойную спираль РНК, TLR4 - липонолисахарид и липо-
ТАБЛИЦА 2. ИНДУЦИБЕЛЬНЫЕ АНТИМИКРОБНЫЕ ПЕПТИДЫ У DROSOPHILA SP [24]
Пептиды Активность против: Число генов Концентрация в крови Эпителий тканей (органов), продуцирующий пептиды
Диптерицин Грам-отрица-тельных бактерий 2 0,5мМ Средний кишечник
Аттацин То же 4 То же
Дрозоцин То же 1 40мМ Калике, яйцевод,трахея
Цекропин То же 4 50мМ Семяприемник, сперматека
Дефенсин Грам-положи-тельных бактерий 1 1,0мМ Семяприемник, сперматека, лабеллярные железы
Мечниковин Грибов 1 40мМ Лабеллярные железы
Дрозомицин То же 7 ЮОмМ Лабеллярные железы, семяприемник, сперматека, трахея, слюнные железы
Drosomycin и др. антибактериальные белки
Провоспалитель-ные цитокины, костимуляторы
Рис. 2. Toll-путь активации белков иммунной системы (упрощенная схема из: Hoffmann and Reichart, 2002).
Toll - рецептор Drosophila sp., индуцирующий работу генов антибактериальных белков; TLR - То11-подобный рецептор млекопитающих; Spaetzle, MD2, CD14 - блокаторы рецепторов; Cactus, IkB - блокаторы транскрипционных факторов DIF и NF-kB.
тейхоевую кислоту, TLR5 - флагеллин, TLR6 - ли-попептиды микоплазмы. Если активация То11-ре-цептора не связана с прямым взаимодействием с патогеном или его компонентами, то TLR, напротив, получает прямой сигнал от патогена через ассоциированный с TLR комплекс. Этот эффект иллюстрируется в деталях для TLR4, комплексиро-ванного с белком, связывающим LPS (LBP), рецептором CD14, взаимодействующим с LPS, и коре-цептором MD2. Взаимодействие TLRs с теми или иными продуктами микробов приводит к активации каскада внутриклеточных реакций, следствием которых является освобождение NF-kB - ядерного транскрипционного фактора, гомолога DIF дрозофилы, от блокатора IkB - гомолога Cactus. Свободный NF-kB проникает в ядро и взаимодействует с промотором для генов провоспалительных цитокинов, костимуляторных белков [28, 29].
Особый интерес для выяснения истоков становления специфического иммунитета и его связи с не-специфическим иммунным реагированием имеют те антибактериальные пептиды, которые построе-
ны из иммуноглобулинподобных доменов. К ним относятся антибактериальный пептид гемолин гигантской шелковичной моли Hyalophora cecropia [53] и защитная молекула моллюска (MDM) Lymnaea stagnalis [27]. Первый из них содержит четыре и второй - пять С2-доменов, способных к распознаванию и нейтрализации бактериальных патогенов. К этой же категории белков относятся ингибиторные рецепторы натуральных киллеров (KIR НК-клеток), способные взаимодействовать с молекулами первого класса главного комплекса гистосовместимости (МНС). Они включают два или три С2-домена и известны не только у позвоночных животных, но и у беспозвоночных - иглокожих [40]. Эти белки неспецифического иммунного реагирования могут также претендовать на первичные молекулы, давшие начало специфическим молекулам распознавания - антигенному рецептору Т-клеток и поверхностному иммуноглобулину В-клеток. Вопрос пока не решен и ответ на него кроется в анализе всех членов суперсемейства иммуноглобулинов (IgSF).
Эволюция трансплантационного иммунитета
Познание проблем эволюции иммунитета невозможно без сравнительного изучения явлений, объединенных общим понятием - трансплантационный иммунитет. По определению трансплантационный иммунитет есть специфическая реакция организма на генетически отличающийся материал, проявляющаяся в отторжении не родственных структур и в создании иммунологической памяти от первичного контакта с чужеродностыо. Констатация факта специфической реакции на трансплантационные антигены у представителей того или иного таксона позволяет говорить о филогенетическом уровне, начиная с которого проявляется специфическая форма иммунной защиты.
В середине 60-х годов, когда господствовало мнение об отсутствии какой-либо формы специфического иммунитета у всех без исключения беспозвоночных, три исследователя - Valembois [55], Duprat [23] и Cooper [19] показали, что представители сем. Lumbricidae способны к специфическому распознаванию чужеродного трансплантата и созданию иммунологической памяти. Эксперименты проводили с кусочками покровных тканей. Аутологичная ткань полностью срасталась с тканью хозяина. В то же время при алло- или ксенотрансплантации регистрировались депигментация клеток пересаженной ткани, ее набухание и в итоге - отмирание трансплантата.
Более неожиданными и вызвавшими большой научный интерес явились опыты W.H.Hildemann’a, проведенные в конце 70-х годов прошлого столетия с гавайской губкой Callispongia diffusa [25, 26, 52]. Аутотрансплантаты у данного вида постоянно срастались. В то же время между аллогенными контактирующими тканями формировалась зона некроза. Через 4-5 дней после трансплантации она достигала 1 мм. Среднее время отторжения равнялось 11,3 дням. Самое важное состоит в том, что пересадка вторичного трансплантата парабионту приводила к ускоренному отторжению такого трансплантата - приблизительно за 7 дней. Эти факты явились прямой демонстрацией формирования иммунологической памяти у изученного вида.
Однако, именно они вошли в противоречие с последними данными по выявлению антигенраспозна-ющих рецепторов в мире животных методом клонирования кДНК. Подобных рецепторов у беспозвоночных и бесчелюстных позвоночных животных (класс круглоротых) пока не обнаружено [21]. Способ специфического распознавания с созданием иммунологической памяти у беспозвоночных остается не понятым. Обнаружение у губок полиморфных, имеющих до 40 полигенных копий иммуноглобулин-подобных белков: рецепторную тирозин киназу (RTK) и адгезивную молекулу губок (SAM), не про-
ясняет картины [46]. Можно лишь предполагать, что эту функцию в своем примитивном виде взяли на себя два этих полигенных белка, экспрессия которых увеличивается при ауто- и аллотрансплантации.
Эволюционное развитие Т- и В-систем иммунитета
Т-система иммунитета. Тимус как центральный орган иммунной системы представляет собой эволюционное приобретение позвоночных животных. У всех беспозвоночных он отсутствует, даже в зачаточной форме. Возникновение данного органа у примитивных позвоночных животных было бесспорно ключевым событием в эволюции иммунитета и по своей значимости его следует отнести к эволюционному явлению, подходящему под определение аро-морфоза по Северцеву [11]. Действительно, появление специальной органной структуры, основное назначение которой - генерализация в онтогенезе Т-клеточного пути развития, значительно повысило эффективность работы всей системы специфической иммунной защиты. Именно в тимусе происходит формирование основных функционально самостоятельных субпопуляций Т-клеток, именно в тимусе медиаторы иммунитета находят свое наиболее эффективное выражение в регуляции созревания Т-клеточного пула и, наконец, именно от тимуса зависит заселение периферии дифференцированными эффекторными и регуляторными клетками, принимающими непосредственное участие в иммунном реагировании.
В классе круглоротых произошло важное эволюционное событие, определившее формирование Т-системы иммунитета в качестве самостоятельного морфо-функционального образования, входящего в общую систему специфической иммунной защиты. Это событие связано с возникновением в данном классе зачаточного тимуса. В дальнейшем, начиная с хрящевых рыб, орган совершенствовался как морфологически, так и функционально.
Нельзя обойти молчание тот факт, что уже у низших позвоночных, каковыми являются амфибии (данные экспериментов с X. 1аеи1з), тимус проявляет одно из фундаментальных своих свойств - способность к селекции клонов Т-клеток, распознающих собственные антигены гистосовместимости. Напомним, что явление внутритимусной аллоантигенспе-цифической селекции впервые было описано у мышей и оценивается как наиболее важное событие в дифференцировке тимоцитов. В результате селекционного процесса отбираются для дальнейшей жизнедеятельности только те клетки, Т-клеточные ан-тигенраспознающие рецепторы (ТКР) которых способны распознавать собственные антигены гистосовместимости [22].
Эволюционное развитие Т-системы связано с возникновением Т-лимфоцита. Знаменательно, что еще до появления специализированного органа, где собственно и происходит “оформление” недифференцированного предшественника в Т- лимфоцит, бести-мусные животные (кольчатые черви, иглокожие, оболочники и др.) уже имеют целомоциты с некоторыми свойствами Т-клеток.
О преадаптации целомоцитов беспозвоночных к Т-клеточному пути развития говорит целый ряд фактов:
1. В очагах отторжения алло(ксено)транспланта-тов у беспозвоночных представлены клетки, морфологически неотличимы от лимфоцитов позвоночных животных.
2. На целомоцитах представителей многих филу-мов беспозвоночных обнаружены структуры, родственные наиболее характерному маркеру Т-клеток млекопитающих - антигену Thy-1.
3. Лимфоциты беспозвоночных, так же как и Т-клетки позвоночных животных, способны отвечать на Т-клеточные митогены - ФГА, Кон А. Несмотря на то, что этот ответ ниже, чем у высших позвоночных животных, важен сам факт такой возможности. Он говорит, во-первых, о наличии на поверхности лимфоцитов беспозвоночных структур, взаимодействующих с митогенами Т-клеток, и, во-вторых, о способности провзаимодействовавших клеток беспозвоночных развивать ответную пролиферативную реакцию.
4. Лимфоциты иглокожих вступают в реакцию смешанной культуры лимфоцитов (СКЛ) на ксено-антигены гистосовместимости, демонстрируя тем самым способность как к распознаванию трансплантационных антигенов, так и формированию ответной реакции - явления, свойственного Т-клеткам позвоночных животных
Все эти факты, собранные вместе, позволяют утверждать, что уже на достаточно ранних этапах эволюционного развития в мире животных, задолго до возникновения тимуса как центрального органа иммунитета, прошла преадаптация целомоцитов беспозвоночных к Т-клеточному пути развития [3, 6]. Другие показатели функциональной активности Т-системы представлены в таблице 3.
Определяющим признаком Т-клеток у млекопитающих является наличие мембранного Т-клеточно-го антигенраспознающего рецептора (ТКР) двух типов: ТКРсф и ТКРуЗ.
При работе с антителами к ТКР мышей на лимфоцитах морской звезды обнаружена специфичность, гомологичная (3-цепи ТКР [38]. На В-подоб-ных клетках данная специфичность была представлена лучше, чем на Т-подобных клетках. Вполне сенсационной стала работа, выполненная с колониальным оболочником ВоЩйиз зсЫоззеп. У этих животных обнаружили а, (3 -гетеродимер, напоминающий ТКР млекопитающих [20]. Однако, к этим данным пока следует относится осторожно, т.к. они получены серологическим способом и требуют подтверждения с клонированной кДНК. До сих пор попытки определить гены для ТКР бесчелюстных (круглоротых) и беспозвоночных с использованием данного метода терпят неудачу.
В то же время при работе с кДНК у всех челюстноротых позвоночных, начиная с хрящевых рыб, выявлены гены, контролирующие домены: Уа, Са, Ур, Ср для ТКРар и Уу; Су; У8; С5 для ТКРу8.
Наибольший интерес представляют Уа и Ур-гены как те геномные структуры, которые определяют специфичность всего ТКРаЬ. Общее строение У-до-менов от акул до млекопитающих характеризуется определенным однообразием. Как и у млекопитаю-
Таблица 3. Показатели Т-системы иммунитета в различных группах животных (Галактионов В.Г., 1995)
Таксоны: типы, классы Тимус Антиген Thy-1 Ответ на Т- клеточные митогены Реакция в СКЛ Т-хелперы Т-супрессоры
Кольчатые черви - + + ? - -
Иглокожие - + + +* - .
Позвоночные
Круглоротые
Миксины - ? + + -
Миноги + 7 7 7 -
Хрящ, рыбы + + + + 7 ?
Кост, рыбы + + + + + +
Амфибии + + + + + +
Рептилии + + + + 7 +
Примечания: + — наличие признака, - — отсутствие признака, ? - отсутствие информации,
* — реакция положительная только в ксеногенном сочетании клеток.
щих локус для Ун у акул включает собственно Уа-гены и ^сегменты; Ур-домены контролируются Ур-генами, Б- и ^сегментами [41, 50].
Наличие ТКР у челюстноротых и отсутствие их у беспозвоночных и бесчелюстных, которые тем не менее способны к аллотрансплантационному отторжению с созданием иммунологической памяти, оставляет открытым вопрос о молекулярных механизмах специфического отторжения у последней группы животных. Возможно дивергентное расхождение между сравниваемыми группами за исторический период столь велико, что потеряна статистически значимая гомология между антигенраспознающими молекулами двух этих групп и, как следствие, - невозможность определения структурного родства между ними при использовании метода клонирования кДНК.
В-сисгема иммунитета. В отличии от Т-системы, первые признаки которой обнаруживаются у первично- и вторичноротых беспозвоночных и даже у некоторых видов простейших многоклеточных — губок и кишечнополостных (данные по аллотрансплантационному отторжению), В-система исторически развивалась скорее всего только в пределах подтипа позвоночных животных. Сообщения о наличии В-подобных клеток в аксиальном органе иглокожих [36,37] требуют подтверждения с тем, чтобы исключить непредвиденные ошибки.
Анализ способности к антителопродукции в филогенетическом ряду ясно указывает на постепенное усиление этой иммунологической функции от менее организованных позвоночных животных к более совершенным их формам (табл. 4).
Важное место при изучении эволюционного становления В- системы иммунитета занимает вопрос о сравнительной организации генов иммуноглобулинов. Из имеющихся данных о кодировании иммуноглобулинов у акул в виде генных кластеров следует, что первоначально генетическая детерминация специфичности иммуноглобулинов соответствовала принципу “один ген - одна полипептидная цепь ”, где V-, Б-,}-, С-гены выступают в в виде единого локуса-кластера (У^С). Разнообразие иммуноглобулинов на первых этапах эволюции позвоночных строилось посредством классического механизма тандемных, генных дупликаций. У акулы-няньки таких кластеров 200 [41,42]. Вероятно, адаптационное значение все увеличивающегося пула специфических иммуноглобулинов было столь велико (а возможности генома к расширению набора УЩС кластеров не безгранично), что природа выбрала иной генетический механизм к обеспечению все расширяющегося по специфичности разнообразия иммуноглобулинов. Гены для V- и С-областей заняли самостоятельные локусы на хромосоме, демонстрируя принцип “два гена - одна полипептидная цепь” [43]. Такая хромосомная организация соответствующих генов обеспечивала их независимое генетическое преобразование через мутационный процесс, транслокацию, конверсию. Действительно, создались условия для накопления V- генов независимо от С-генов. Известно более 500 У-генов для тяжелой цепи и около 200 - для легкой цепи им-
ТАБЛИЦА 4. ХАРАКТЕРНЫЕ ПРИЗНАКИ В-СИСТЕМЫ ИММУНИТЕТА В РАЗЛИЧНЫХ ТАКСОНОМИЧЕСКИХ ГРУППАХ (ГАЛАКТИОНОВ В.Г., 1995)
Таксоны: типы, классы Интен- сивность продук- ции антител Формиро- вание памяти В- клетки Плазмо -циты Основной антителопродуцирующий орган Число изотипов иммуно- глобули- нов Выражен- ность спектро- типов
Иглокожие - - ±(?) - Аксиальный орган - -
Круглоротые Миноги + + Жировое тело (взр.) . .
Хрящевые рыбы + + Тифлозоль (личинки) Пронефрос 4 ±
Костные рыбы + ±* + + Пронефрос 2 ±
Амфибии Хвостатые + ±* + + 2 ** ±
Бесхвостые ++ + + + Югулярные тела 3 ±
Рептилии ++ + + + Селезенка 3 ±
Птицы +++ + + + Сумка Фабрициуса 2(3?) ±
Млекопитающие ++++ + + + Селезенка 5 ++
Примечания:
* - регистрируется не у всех видов таксона;
** - аксолотль имеет два изотипа иммуноглобулинов; - - отсутствие признака;
от ± до **** - разная степень выраженности признака
муноглобулинов у млекопитающих, что привело к явной экономии потенциальных возможностей генома клетки. При этом наиболее существенным оказалось приобретение челюстноротыми позвоночными животными генов RAG-1 и RAG-2 [35]. Ферменты, контролируемые этими генами, только через процесс рекомбинации, т.е. случайного объединения V-, D-, J-генных сегментов в единый информационный участок для V-доменов дает более 108 специфических иммуноглобулинов. Таким образом, разнообразие иммуноглобулинов обеспечено эволюционно двумя процессами - увеличением V-генов за счет тандемных дупликаций и формированием механизма соматической рекомбинации с помощью ферментов RAG-1 и RAG-2.
Завершая, следует подчеркнуть, что сравнительный анализ органных, клеточных и молекулярных структур В-системы иммунитета ясно демонстрирует историческую направленность этой системы по линии морфо-функционального прогресса от хрящевых рыб к млекопитающим. Адаптационный, проти-воинфекционный смысл такого развития очевиден. Однако был ли он связан только с защитой от внешних патогенов или обеспечивал какие-то физиологические функции, связанные с индивидуальным развитием животных, не ясно.
Филогенез клеток иммунной системы
В настоящее время достаточно хорошо изучен клеточный состав представителей основных, крупных таксонов: губок, кишечнополостных, моллюсков, иглокожих и др. Однако, функциональная активность клеток упомянутых таксонов по отношению к работе иммунной системы, их рецепторная характеристика оставляют желать лучшего.
Тем не менее, используя принцип сохранения признаков предков при эволюционном развитии иммунной системы, можно попытаться воссоздать возможный путь филогенетического развития имму-нокомпетентных клеток. Филогенетический ряд в данном случае строится на рецепторной и функциональной общности клеток, участвующих в эволюционном процессе. Основные этапы становления им-мунокомпетентных клеток представлены на рис. 3.
1. В основе формирования клеточного состава внутренней (мезенхимальной) среды организма, к которой относятся и клетки иммунной системы, лежит фагоцитирующая клеточная форма первичных многоклеточных (блуждающий амебоцит губок, кишечнополостных) [???]. Показательно, что уже у этой, одной из наиболее древних клеток экспрессируются рецепторы, содержащие молекулы, в состав которых входят иммуноглобу-линподобные домены (БАР и ИТК губок) [40].
Млекопитающие, птицы, рептилии, амфибии, костистые рыбы
АЦ-МФ
щшвш.
т -
V6
НКТ;
ТІК : .
*
ч; Иглокожие \CDS6(NKHU CD158 (KIR) ;
Хрящевые рыбы
Губки SAM, RTK
Ш- .✓гТТТ-’ч.
уШ
CDS’B
Рис. 3. Филогенез клеток иммунной системы (Галактионов В.Г., 2004).
АЦ-МФ - амебоцит-макрофаг; НК - натуральный киллер; НК Т - НК Т-клетка; Т - Т-клетки; В - В-клетки; ЭАМ, 1ТГК - рецепторы губок; С056 (МКН1), С0158 (К1Р) — рецепторы НК-клеток.
2. Макрофагалъные и лимфоцитоподобные клетки (возможно НК) иглокожих имеют рецепторы, гомологичные CD56 (NKH-1) и CD158b (KIR), известные как маркеры НК клеток млекопитающих. Данные типы клеток обладают цитотоксической активностью по отношению к клеткам человека и мыши [40]. Подобные факты с одной стороны указывает на онтогенетическую связь между двумя типами клеток иглокожих, а с другой на единую филогенетическую линию от амебоцитов губок к НК-клеткам млекопитающих через функциональную и рецепторную общность.
3. Относительно недавно была описана субпопуляция Т- клеток, представляющая собой промежуточную форму между НК-клетками и Т-лимфоци-тами. Клетки этой субпопуляции имеют Т-клеточ-ные антигенраспознающие рецепторы и в то же время маркер НК-клеток - CD56 [16].
4. Следующий этап - это формирование Т-клеток, имеющих ТКРу8-типа. В отличии от ТКРнр данный тип рецептора не способен к распознаванию классических молекул I и II классов МНС, процесс рекомбинации генов ТКРу8 происходит вне тимуса, такой рецептор обладает лишь ограниченной способностью к распознаванию антигена, он часто включен в аутоиммунный процесс. Все эти факты говорят о более древнем происхождении ТКРу8 по сравнению с ТКРар-типом.
5. Дальнейшее эволюционное развитие - это возникновение Тар -клеток, зависящих от тимуса и обладающих механизмом рекомбинации при образовании ТКР. Начальной стадией эволюционного развития данного типа следует вероятно считать хрящевых рыб, которые имеют как ТКРу8, так и ТКРар [50].
На эволюционном пути от НК-клеток к Т-лимфо-цитам сохранилось несколько общих рецепторов, указывающих на филогенетическую связь между этими клетками. Среди них: CD2 - рецептор для молекулы адгезии LFA-3, упоминавшийся CD56, CD94 - рецептор, взаимодействующий с молекулами класса I МНС. Недавно описан рецептор tactil (м.в. 160 кД), имеющий три внеклеточных Ig-подобных домена, трансмембранную и хвостовую части. Он экспрессируется на Т-клет-ках и НК, его выраженность на мембране значительно увеличивается после клеточной активации.
6. Начальные этапы филогенетического развития В-клеток не определены. Очевидным однако является то, что С05+В-клетки предшествовали классическим В-клеткам. СВ5+В-клетки характеризуются низкой антигенраспознающей специфичностью, направленной главным образом против углеводных компонентов бактериальных клеток, ранним появлением в онтогенезе, доминирующей продукцией эволюционно наиболее раннего изотипа иммуноглобулинов - IgM.
7. Одним из завершающих этапов в эволюционном развитии клеток иммунной системы является возникновение полноценных В-клеток, клонально организованных и обладающих высокоаффинными антигенраспознающими рецепторами (slg).
Возникновение и развитие способности к специфическому распознаванию антигена (эволюция суперсемейства иммуноглобулинов - IgSF)
Наиболее актуальная проблема эволюционной иммунологии состоит в познании механизмов возникновения и развития способности к распознаванию чужеродности. Данной проблеме посвящена достаточно обширная литература [2, 3,14, 33, 35,42, 56]. Однако она не отвечает на один существенный вопрос. Зачем вообще возникла способность к специфическому распознаванию? Неспецифические формы иммунной защиты с их многокомпонентными, эффективными действующими силами кажутся вполне достаточными для борьбы с инфекцией самого различного толка. Тем не менее анализ имеющихся фактов ясно указывает на выраженную направленность в совершенствовании способов специфической защиты в эволюционной перспективе.
Основными критериями включения белков в суперсемейство являются определенная пространственная организация молекул и статистически достоверная гомология с известными иммуноглобулинами. Каждый домен, входящий в состав иммуноглобулина, представляет собой двухслойное молекулярное образование, построенное по принципу нескольких антипараллельных (3-структур, стабилизированных -s-s- связями. В результате образуется молекулярная, конформационная структура, свойственная только членам суперсемейства иммуноглобулинов. В англоязычной литературе она получила обозначение Ig-fold (иммуноглобулиновая складчатость).
Вторым критерием для включения анализируемых доменов и построенных из них белков в состав суперсемейства служит гомологичность их аминокислотной последовательности доменам иммуноглобулинов [14, 18].
Первым и наиболее важным событием было эволюционное возникновение Ig-fold домена, подобного тем, какие известны для шаперонов современных прокариот [15, 30] (рис. 4). Особенностью таких доменов, сыгравших столь значимую роль в эволюции антигенраспознающих рецепторов, являются аминокислотные последовательности, образующие а -пет-ли и соединяющие (3 -структуры. Именно эти петли (будущие гипервариабельные участки ТКР и Ig) подвергались повышенным аминокислотным заменам, поставляя таким образом материал для действия отбора в виде структурно меняющихся V-доменов.
Первоначальная функция таких доменов — участие в межклеточных гомофильных взаимодействиях. Эту роль в эволюционном развитии могли выполнять предшественники однодоменных, а затем и двухдоменных V-подобных белков Thy-1 (антиген тимоцитов и Т-клеток), Р0 (белок миелина), SAP (ад-
Thy-1 Ig-fold Р0
cj — Gj
SAP RTK [V2- DTRK
Л U B'G
(V2* 3CD8
' ' CD28
RAG 1/2
Гомофильное
взаимодействие
Нереорганизуемые
V-домены
TCR
V
Гетерофильное взаимодействие
Реорганизуемые V-домены
Рис. 4. Филогенез членов суперсемейства иммуноглобулинов (Галаїстионов В.Г., 2004).
Сокращения: Ig-fold - иммуноглобулиновая складчатость; Thy-1 - рецептор тимоцитов и Т-клеток; РО - белок миелина; SAP - адгезивный белок губок; RTK - рецепторная тирозинкиназа (губок); DTRK - рецепторная тирозин киназа дрозофилы; B-G - белок кур; CD8, CD28 -рецепторы млекопитающих, участвующие во взаимодействии клеток; СТХ, ChT 1, СТН, СТМ - кортикальные тимоциты лягушки Xenopus, кур, человека, мышей, соответственно; NAR - новый антигенный рецептор акул; TCR - Т-клеточный (антигенраспознающий) рецептор; IgM - мембранный или секреторный иммуноглобулин М; RAG 1/2 - гены, обеспечивающие рекомбинацию.
гезивный белок губок), RTK (рецепторная тирозин киназа губок), DTRK (рецепторная тирозин киназа дрозофилы). Их появление в эволюции не случайно. Они стояли у истоков возникновения многоклеточных, обеспечивая межклеточную адгезию посредством гомофильного взаимодействия.
При этом первичные многоклеточные животные (впрочем, как и современные), находясь в тех или иных биоценотических условиях, неизбежно подвергались агрессии патогенов внешней среды от вирусов до тех же паразитических многоклеточных. В самом этом явлении нет ничего неожиданного и современная жизнь различных видов животных дает тому бесчисленное множество примеров. Важно другое. Первичные V-гены, обладая повышенной мутабильностью, обеспечивали синтез варьирующих по специфичности V-дo-менов, некоторые из которых случайным образом взаимодействовали с лигандами патогенов. Если при таком взаимодействии снижалась патогенетическое действие внешнего агента, повышалась устойчивость особей вида, то ген, контролирующий измененный домен, подвергался сильному давлению отбора и закреплялся в популяции вида. На этом уровне отношений между первичными многоклеточными и патогенами произошло переключение гомофильного взаимодействия на гетерофильное. При этом исходный V-гeн оставался для выполнения своей основной функции. Приме-
ром служат однодоменные белки Thy-1, Р0 и др. Процесс накопления мутационно измененных V-генов, продолженный во времени, приводил в результате к все большему накоплению таких генов. Выраженная полигения V-генов у современных челюстноротых позвоночных животных прямое тому подтверждение.
Короче, при эволюционном развитии многоклеточных произошла смена функций на молекулярном уровне - переход от гомофильного межклеточного взаимодействия к гетерофильному взаимодействию для распознавания чужеродности.
Второй момент рассматриваемой проблемы связан с генами, обеспечивающими рекомбинацию (RAG-1 и RAG-2) [35]. Процесс накопления меняющихся V-генов через тандемные дупликации и случайные мутации был столь значим для выживания вида, что природа “разработала” механизм усилении возможного разнообразия V-доменов. На этом пути эволюционного преобразования в работу вступили RAG-1 и RAG-2, контролирующие процесс рекомбинации V, D, J-сегментов как Ig, так и ТКР.
Предполагается, что первоначально RAG в составе ретровируса интродуцировался в геном предко-вых позвоночных животных в ту его часть, которая была занята единым V-геном (Marchalonis et al., 1998). Подобное событие привело к расщеплению V-гена на собственно V-ген и D- и J-сегменты. Геном-
ные участки (V,D J), оказавшись самостоятельными, подвергались обычным генетическим процессам - в первую очередь тандемным дупликациям и случайным мутациям. Результатом таких процессов явилось накопление множества V-генов (у млекопитающих их более 500).
Вторая важная функция RAG состоит в обеспечении синтеза рекомбиназ - ферментов, принимающих участие в процессе реорганизации V-,D-,J-reH-ных сегментов. Случайность объединения данных сегментов при участии RAG определяет множественность синтезируемых V-доменов. Для Н-цепей Ig только за счет рекомбинации образуется около 1.2 х 105 вариантов. Ясно, что появление в эволюции механизма рекомбинации V-генов было прогрессивным событием. Как и в случае с возникновением тимуса, становление подобного механизма следует рассматривать в качестве важного арогенного события по Северцеву.
Заключение
Имеющаяся достаточно обширная литература по эволюционной иммунологии оставляет без ответа ряд не вдруг решаемых вопросов в каждом из представленных здесь направлений исследований.
Так, проблема филогенетической связи между врожденным и приобретенным иммунным реагированием ставит вопрос о биологическом значении возникновения специфического иммунитета на базе неспецифического иммунного ответа. Кажется, что сложная система неспецифической защиты от самых разнообразных патогенов вполне достаточна для успешной борьбы с внешними агентами. В свое время нами был выдвинут тезис о том, что историческое становление специфических форм иммунного реагирования было необходимо для обеспечения мор-фо-функционального прогресса по линии увеличения абсолютного количества соматических клеток тела и усложнения их дифференцированное™. При подобной трактовке историческое становление специфического иммунитета было необходимо для сдерживания неизбежного мутационного потока в соматических клетках и тем большего, чем большим количеством клеток обладали организмы [1,3].
Остается также нерешенным вопрос о наличии специфического трансплантационного отторжения с созданием иммунологической памяти у беспозвоночных и невозможностью пока продемонстрировать наличие антигенраспознающих рецепторов, обеспечивающих такое отторжение. Вероятно эту функцию в какой-то степени выполняют те иммуноглобулин-подобные молекулы, гены которых не способны к реорганизации, но продукты этих генов в виде V2-flO-менов широко представлены у беспозвоночных и характеризуются выраженной полигенией и полиморфизмом.
Не решенным до конца остается вопрос о филогенетической связи между Т- и В-клетками. В онтогенезе процесс расхождения по Т- и В- клеточным путям развития формируется на самых ранних этапах дифференцировки. Возможно, филогенетическое расхождение по двум типам клеток также затрагивает наиболее ранние этапы становления специфического иммунитета.
В целом изучение проблем эволюционной иммунологии лишний раз подтверждает тезис о том, что иммунология вышла из разряда чисто медицинских дисциплин и в настоящее время помимо прочего решает вопросы, которые являются предметом изучения биологии.
Список литературы
1. Галактионов В.Г. Генетическое постоянство соматических клеток. // Природа. 1972. V. 10. Р. 77-85.
2. Галактионов В.Г. Эволюция суперсемейства иммуноглобулинов. // Усп. совр. биол. 1992. Т. 112. С. 29-43
3. Галактионов В.Г. Очерки эволюционной иммунологии. М.: Наука. 1995. С. 256.
4. Галактионов В.Г. Иммунология. М.: МГУ. 1998. С. 479.
5. Галактионов В.Г. Механизмы иммунитета в графической форме. М.: Медицина. 2000. С. 270.
6. Галактионов В.Г. Эволюционная иммунология. М.: Академкнига. 2004. (в печати).
7. Кудрявцев И.А., Полевщиков А.В. Эволюция каскада комплемента: ранние этапы. 2004 (в печати).
8. Купер Э. Сравнительная иммунология. М.: Мир. 1980. С. 422.
9. Мечников И.И. Невосприимчивость в инфекционных болезнях. СПб. 1903.
10. Ройт А., Бростофф Дж., Мейл Д. Иммунология. М.: Мир. 2000. С. 562.
11. Северцев А.Н. Морфологические закономерности эволюции. М-Л: Изд-во АН СССР. 1939.
12. Ярилин А.А. Основы иммунологии. М.: Медицина. 1999. С. 607.
13. Ярилин А.А., Пинчюк В.Г., Гриневич Ю.А. Структура тимуса и дифференцировка Т-лимфоци-тов. Киев.: Наукова думка. 1991.
14. Barclay A.N. Ig-like domains: Evolution from simple interaction molecules to sophisticated antigen recognition. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1999. V. 96, P. 14672-14674.
15. Bateman A., Eddy S.R. et al. - Members of the immunoglobulin superfamily in bacteria. - Protein Sci., 1996, 5, 1939-1941.
16. Benoist Ch., Mathis D. T-lymphocyte differentiation and biology. // In: Fundamental Immunology. 1998. P. 303.
17. Blumbach B., Diehl-Seifert B., Seack J. et al. Cloning of new receptors of IgSF. // Immunogenetics.
1999. V. 49. P. 751-763.
18. Bork P., Holm 1. et al. - The immunoglobulin fold. Structurel classification. - J. Mol. Biol., 1994, 30, 309-320.
19. Cooper E. L. Rejection of body wall xenografts exchanged between Lumbricus terretris and Eisenia foetida. Am. Zool. 1965. V. 5. P. 665-666.
20. Danska J.S., McIntyre B.W., McDevitt H.O. et al. a,[3-chains in Botrillus schlosseri. // Intern. Immunol., 1990. V. 2. P. 795-802.
21. Du Pasquier L„ Flajnik M. Oridin of Immunoglobulins and T-cell receptors. // Fundamental Immunology (ed. Paul W.).LWeW. 1998. P. 191-195.
22. Du Pasquier L., SchwagerJ., Flajnik M. Amphibia immunity. // Annu. Rev. Immunol. 1989. V.7. P. 257-275.
23. Duprat P. Mise en evidens Eisenia foetida.// C. R. Acad. Sci. Paris. 1964. V.259. P. 4177.
24. Frazer J.K., Capra J.D. Immunoglobulins: stracture and function. // In: Fundamental Immunology (ed. Paul W.). 1998. P. 100.
25. Hildemann W.H., Johnston I.S., Jokiel P.L. Immunocompetence in the lowest metazoan phylum: transplantation immunity in sponges. // Science. 1979. V. 204. P. 420-433.
26. Hildemann W.H., Linthicum D,S. Transplantation immunity in the Palauan sponge Xestospongia exigula. / /Transplantation. 1981.V. 32. P. 77-87.
27. Hoek R.M., Smit A.B., Frings H. et al. A new Ig-superfamily member, molluscan defence molecule. // Eur. J. Immunol. 1996. V. 26. P. 939-944.
28. Hoffmann J.A., Kafatos F.C., Janeway Ch.A. et al. Phylogenetic perspective in innate immunity. // Science. 1999. V. 284. P. 1313-1317.
29. Hoffmann J.A., Reichhart J. — M. Drosophila innate immunity: an evolutionary perspective. // Nature immunol. 2002. V. 3. P. 121-126.
30. Holmgren A., Kuehn M,J. Conserved immunoglobulin like features in a family of periplasmic pilus chaperones in bacteria. //EMBOJ. 1992. V 11, P. 1617-1622.
31. Humphreys T., Reinherz E.L. Invertebrate immune recognition. // Immunol. Today. 1994. V. 15. P. 316-320.
32. Kaiser P., Sonnemans. Avian IFN-gamma genes. //J. Interferon Cytokine Res. 1998. V. 18. P 711-719.
33. Klein J. In immunological twilight zone. // PNAS. 1998. V. 95. P. 11504-11509.
34. Koniski A., Cohen N. Axolotl lymphocytes produce.//Dev. Comp.Immunol. 1998.V.22. P.91-102.
35. Laird D.J., De Tomaso A.W., Cooper M.D. et al. Seeking the origins of adaptive immunity. // PNAS.
2000. V.97. P. 6924-6936.
36. Leclerc M. Human kappa-like in axial organ of the sea star. // Eur. J. Immunol. 2000. V. 38. P. 206-207.
37. Leclerc M, Arneodo V.J., Legac E. et al. Identification of T-like and B-like lymphocytes in sea star. // Thymus. 1993. V. 21. P. 133-139.
38. Leclerc M., Bajelan M. Beta-chain in Asterias rubens. // Cell Biol. Intern. Rep. 1992.V. 16. P. 487-490.
39. Legac E., Vaugier G.L., Bousquet F. et al. Primitive cytokines in invertebrates. // Scand. J. Immunol. 1996. V. 44. P. 375-380.
40. Lin W., Zhang H., Beck G. Phylogeny of natural cytotoxicity: purple sea urchin. //J. Exp. Zool. 2001. V. 290. P. 741-750.
41. Litman G., Anderson M.K., Rast J.P. et al. Evolution of antigen binding receptors. // Ann. Rev. Immunol. 1999. V. 17. P. 109-147.
42. Marchalonis J.J., Schluter S.F. Bernstein R.M. et al. Antibodies of sharks: revolution and evolution. // Immunol. Rev. 1998. V. 166. P. 103-122.
43. Max E.E. Immunoglobulins: molecular genetics. // In: Fundamental Immunology. LWeW. 1998. P. 230.
44. Melchers F., Rolink A. B-lymphocyte development and biology. In Fundamental Immunology, (ed. Paul W.). LWeW. 1998. P. 200.
45. Muller W.E.G. Review: How was metazoan threshold crossed? // Comp. Biochem. Physiol. / 2001. V. 129. P. 433-460.
46. Muller W.E.G., Blumbach B., Muller I.M. Evolution of the innate and adaptive immune systems. // Transplantation. 1999. V. 69. P.1215-1227.
47. Ottaviani E., Franchini A., Franceschi C. Presence of several cytokine-like molecules in molluscan hemocytes. // Biochem. Biophys. Res. Commun. 1993. V.195. P. 984-988.
48. Peddie C.M., Smith V.J. In vitro spontaneous cytotoxic by the gemocytes of the solitary ascidian. // J. Exp. Zool. 1993. 267. P. 616-623.
49. Raftos D.A., Hutchinson A. Cytotoxicity reactions in solitory tunicate. // Dev. Comp. Immunol. 1995. V. 19. P. 463-471.
50. Rast J.P., Anderson M.K., Strong S.J. et al. alpha, beta, gamma and delta T cell antigen receptor in skate. // Immunitry. 1997. V. 6. P. 1-11.
51. Ratcliffe N.A., Rowley A.F., Fitzgerald S.W. et al. Invertebrate immunity. // Intern. Rev. Cytol. 1985. V. 97. P. 183-350.
52. Smith L.C., Hildemann W.H. Allograft reiection, autograft fusion and inflammatory responses in Callyspongia diffusa. // Proc. R. Soc. Lond. 1986. V. B226. P. 445-455.
53. Sun S.C., Lindstrom I., Boman H.G. et al. Hemolin: an insect-immune protein. // Science. 1990. V. 250. P. 1729-1732.
54. Suzuki M.M., Cooper E.L. Spontaneous cytotoxic earthworm leukocytes. // Zoolog. Sci. 1995. V.12. P. 443-451.
55. Valembois P. Etude anatomique de 1 evolution de greffons Lombriciens. // C. R. Acad. Sci. Paris. V. 257. P. 3227.
56. Williams F.F., Barclay A.N. The immunoglobulin superfamaly - domains for cell surface recognition. // Ann. Rev. Immunol. 1988. V. 6. P. 381-405.
57. Wittwer D., Franchini A., Ottaviani E. et al. Presence of IL-1 and TNF-like molecules in Galleria inellonella. // Cytokine. 1999. V. 11. P. 637-642.
