CC BY
894
ШКОЛА ДЕТСКОГО АЛЛЕРГОЛОГА-ИММУНОЛОГА / SCHOOL OF THE CHILDREN'S ALLERGIST-IMMUNOLOGIST
РАЗДЕЛ XVII
СИСТЕМА КОМПЛЕМЕНТА
Часть 1
К.В. Сердобинцев
Научно-клинический консультативный центр аллергологии и иммунологии, Москва
Система естественного иммунитета состоит из клеточного фагоцитарного звена и гуморальных факторов, основным из которых является комплемент.
Система комплемента была открыта раньше других гуморальных систем врожденного иммунитета. Она является основой защитных сил организма. Комплемент представляет собой логичную, точнейшим образом сбалансированную и реагирующую на многие воздействия систему, имеющую важнейшее значение для клинических проявлений воспалительных реакций [1, 2].
Комплемент — система сывороточных белков, вовлекаемых в регуляцию воспаления, активацию фагоцитов и лизис клеточных мембран [3].
Система комплемента была открыта в конце XIX века сотрудником Института Пастера в Париже Ж. Борде (J. Bürdet). Он обнаружил термолабильный компонент сыворотки, усиливающий (дополняющий) ее бактерицидные свойства лизирования бактерий специфическими антителами. Изначально был предложен термином «алексин» (термин «комплемент», от лат. cоmplementare — дополнять, введен П. Эрлихом позже). Вскоре выяснилось, что комплемент — не одиночный фактор, а целая система факторов, состоящая из нескольких компонентов. Определение состава и свойств белков комплемента является примером блестящих разработок классической биохимии середины XX века [1, 2, 6].
Девять первых открытых белков системы комплемента обозначают буквой «С» (по первой букве слова «complement») с цифрой: С1, С2, СЗ, С4, С5, С6, С7, С8, С9. Первые четыре из них, пронумерованные в порядке открытия, в настоящее время называют компонентами классического пути активации комплемента [1-3].
В процессе реализации своей биологической активности первые пять белков комплемента расщепляются в определенной последовательности на активные действующие продукты «запланированного» расщепления. Фрагменты компонентов, образующиеся при расщеплении другими компонентами системы, действующими как ферменты, обозначаются строчными буквами «а», «Ь», «с», «ё», или «е». Меньший фрагмент, попадающий в окружающую жидкость, обозначается буквой «а», а более крупная часть молекулы, остающаяся связанной с другими компонентами или какой-либо частью иммунного комплекса, — буквой «Ь» (например, С3а и С3Ь) [3, 6].
Комплемент включает примерно 24 компонента (включая белки плазмы и регуляторы системы), составляющих около 15% бета-гло-булиновой фракции сыворотки крови (таблица 1). Концентрации сывороточных компонентов комплемента изменяются с возрастом; для новорожденных характерна от небольшой до умеренной недостаточность всех компонентов системы комплемента.
В настоящее время выяснена роль восьми сывороточных и четырех мембранных регуля-торных белков. Охарактеризованы серозный регуляторный белок и семь мембранных рецепторов, связывающих компоненты комплемента или их фрагменты.
Образование компонентов комплемента происходит преимущественно в печени, костном мозге и селезенке, а С1, очевидно, образуется в эпителии тонкого кишечника. Определенную роль в синтезе компонентов комплемента играют макрофаги, что отражает тесную связь между этими двумя системами. Синтез идет с большой скоростью (например, С3 синтезируется со скоростью 0,5 — 1 мг белка/кг массы тела за час) [4].
ШКОЛА ДЕТСКОГО АЛЛЕРГОЛОГА-ИММУНОЛОГА / SCHOOL OF THE CHILDREN'S ALLERGIST-IMMUNOLOGIST
Таблица 1. Состав системы комплемента [2,6]:
Сывороточные компоненты Мембранные регуляторные белки
Классический путь РК1
С1ц Мембранный ко-факторный белок
С1г Фактор, ускоряющий распад СБ59
СЬ (мембранный ингибитор реактивного лизиса)
С4
С2
С3
Альтернативный путь
Фактор В
Фактор Б
Путь с участием МСЛ Серозный регуляторный белок
МСЛ Инактиватор С5а/ИЛ-8
МСЛ-ассоциированные протеазы 1 и 2
Мембраноатакующий комплекс
С5
С6
С7
С8
С9
Регуляторный белок, активирующий Мембранные рецепторы
Пропердин (фактор Р) РК1
Регуляторные белки, ингибирующие РК2 (СБ21)
Ингибитор С1 ркз (Саиь/СБ18)
С4-связывающий белок РК4 (СБ11с/СБ18)
Фактор Н Рецептор С3а
Фактор I Рецептор С5а
Протеин Б Рецептор С1ц
Кластерин
Инактиватор анафилатоксинов
Примечание. РК - рецептор комплемента. МСЛ - маннозосвязывающий лектин.
В процессе эволюции система комплемента возникла очень рано, еще до появления адаптивной иммунной системы (даже морские звезды и черви имеют функциональную систему комплемента). Установлено, что уже на 6-й неделе плод способен синтезировать отдельные компоненты системы, а на 10-й — все, хотя в меньших количествах [4].
Система комплемента представляет один из важнейших факторов иммунной защиты организма и осуществляетследующие функции [1,
4, 6]:
• «запуск» и усиление воспалительных реакций;
• активацию фагоцитоза;
• привлечение фагоцитов путем хемотаксиса;
• выведение иммунных комплексов;
• клеточную активацию;
• прямую деструкцию («киллинг») патогенных микроорганизмов;
• участие в продукции антител.
Одна из основных функций комплемента состоит в том, чтобы выявить и «пометить» патогены, другие чужеродные или токсичные факторы, которые необходимо уничтожить или удалить из организма. Эта функция реализуется разными путями, связанными с активацией системы комплемента, и усиливается внутренними механизмами. В результате этого осуществляется распознавание и выведение (клиренс) чужеродных антигенов. Наличие нескольких путей активации придает системе комплемента «гибкость», способность активироваться в различных ситуациях.
Комплемент - это система взаимодействующих белков. В норме компоненты комплемента неактивны. Активация комплемента приводит к лизису клеток, на поверхности которых происходит каскад реакций комплемента [5].
Функция всей системы зависит от последовательного, каскадного взаимодействия ее отдельных компонентов. Активация каждого компонента, за исключением первого, требует активации предыдущего компонента (-ов) каскада. Взаимодействия происходят по трем направлениям (путям) [2].
Первым был открыт классический путь активации, инициируемый антителами, связанными с поверхностью клеток-мишеней. Этот
путь активации довольно эффективен, но для его запуска необходим предварительный контакт с микроорганизмом и продукция противо-микробных антител.
Альтернативный путь активации, изученный в 50-х годах ХХ века, представляет собой независимый от антител механизм активации комплемента, происходящей на поверхности патогенов.
Классический и альтернативный путь взаимодействуют друг с другом через их способность активировать компонент С3. Поэтому в некоторых случаях антитела все же могут активировать альтернативный путь.
Открытый позднее других лектиновый путь активации (с участием маннозосвязывающего лектина - МСЛ) также не требует присутствия антител, и активация происходит на поверхности клеток-мишеней.
Общими признаками всех трех путей являются:
• активация С3 - самого важного и присутствующего в большом количестве компонента комплемента;
• каскадный тип протеолитической реакции, при котором активированные белки комплемента приобретают свойства ферментов и расщепляют другие компоненты, сообщая им ферментативные свойства. Те, в свою очередь, расщепляют следующий компонент и т.д. Этот комплекс последовательных и упорядоченных реакций определяет нарастающий и поддерживаемый эффект каскадной активации системы комплемента.
Таким образом, сравнительно слабый первоначальный стимул может обусловить проявление быстрого и выраженного эффекта. В таблице 2 представлена краткая характеристика каждого из путей активации.
На заключительном этапе все пути активации конвергируют в общий терминальный путь, который характеризуется неферментативным разрывом мембраны и литическим киллингом патогенов.
Иммунную защиту и патологические эффекты опосредуют фрагменты и комплексы компонентов комплемента, образующиеся в процессе активации:
ШКОЛА ДЕТСКОГО АЛЛЕРГОЛОГА-ИММУНОЛОГА / SCHOOL OF THE CHILDREN'S ALLERGIST-IMMUNOLOGIST
Таблица 2. Активаторы системы комплемента [1]
Путь активации Иммуноглобулины М Вирусы Микроорганизмы Бактерии Другие Другие
Классический Иммунные комплексы, содержащие ^М, ^О1, или ДОЗ ВИЧ и другие ретрови-русы, вирус везикулярного стоматита Мико-плазмы Полианионы, особенно связанные с катионами, Р043-(ДНК, липид А, кардиолипин), Б042- (декстран-сульфат, гепарин, хондроитинсуль-фат)
Лектино-вый ВИЧ и другие ретрови-русы Многие грам-положительные и грамот-рицательные бактерии Структуры с концевыми маннозны-ми группами
Альтернативный Иммунные комплексы с ^О, ^А или ^Е (менее эффективны, чем по классическому пути) Клетки, инфицированные некоторыми вирусами (например, вирус Эпштейн-Барр) Многие грам-положительные и грамот-рицательные бактерии Трипаносо мы, лейш-мании, многие грибы Декстрансульфат, гетерологические эритроциты, сложные углеводы (например, зимо-зан)
• небольшие хемотаксические и провоспали-тельные фрагменты С3а и С5а;
• крупные опсонизирующие фрагменты С3Ь и С4Ь;
• литический мембрано-атакующий комплекс (тетЬгапеайасксотр1ех — МАС).
Эта структура образована пятью глобулярными белками плазмы, соединенными друг с другом, которые могут связываться с мембраной и образовывать пору.
Далее рассмотрим каждый путь активации системы комплемента подробнее [1-4, 6].
КЛАССИЧЕСКИЙ ПУТЬ
Активация по классическому пути связывает систему комплемента с адаптивной иммунной системой. Активацию индуцируют антитела, связанные с антигеном, в присутствии
Са2+, т.е. это иммунологически обусловленный процесс.
В нем выделяют следующие этапы:
1. Распознавание иммунных комплексов и активация С1 (первого компонента комплемента) осуществляется благодаря взаимодействию рецептора С1 с Fc-фрагментами антител (не связывающей антиген части молекулы антитела). Наиболее важными активаторами С1 являются иммунные комплексы, содержащие ^М, ^О.
Отдельно отметим, что фиксировать С1 могут не только антитела, но и С-реактивный белок, реагирующий с углеводом микробной стенки. Уровень этого белка возрастает при некоторых воспалительных процессах. Таким образом классический путь активации комплемента может начинаться и при отсутствии
антител. К агентам, способным прямо (без участия антител) активировать С1, принадлежат некоторые бактерии, Mycoplasma, вирусные РНК, кристаллы мочевой кислоты, липидный компонент А бактериального эндотоксина и продукты тканевого распада (апоптозные пузырьки и митохондриальные мембраны).
2. Второй этап включает образование СЗ-конвертазы и С5-конвертазы путем отщепления от гамма-цепи С4 фрагмента С4а. Образовавшийся фрагмент С4Ь может непосредственно присоединяться к мембране клетки-мишени или антителу. К этим связанным компонентам комплемента C4b в присутствии ионов Mg присоединяются С2а-фрагменты, образовавшиеся из С1, комплекс C4b-C4a представляет собой СЗ-конвертазу и вся дальнейшая активация комплемента определяется С3-конвертазой.
Классический и альтернативный пути активации комплемента взаимно влияют друг на друга через С3. С3-конвертаза отщепляет от С3 фрагмент C3a, обладающий свойствамианафи-лотоксина и хемотаксина. За счет отщепления С3а от С3 на оставшемся фрагменте C3b открывается группировка, способная образовывать эфирную связь с ОН-группами клеточной мембраны, с помощью которой СЗЬ фиксируются на мембране клетки, бактерии. В связанной (с мембраной клетки) форме СЗЬ обладает аффинностью к поверхности макрофагов, нейтрофилов, В- и Т-лимфоцитов и может соединяться с С5 и оптимизировать образовавшийся комплекс для действия С5-конвертазы. С5-конвертазной активностью обладает комплекс С4Ь, 2a, 3b классического пути активации.
Возникающий по классическому пути С3а вместе с факторами B, D, P (это факторы альтернативного пути активации комплемента: фактор В-проактиватор С3 по альтернативному пути; фактор D-сериновая протеаза, разрушающая фактор В после его соединения с С3Ь; фактор Р-пропердин) стимулирует дальнейшее расщепление С3 и приобретает при этом активность С5-конвертазы. Оба типа активаторов: 1) С3а и 2) факторы B, D и Р действуют совместно.
Образовавшаяся С5-конвертаза расщепляет С5 на С5а (эффективный анафилотоксин и
хемотаксин) и C5b. C5b крайне лабилен и стабилизируется только при связывании с С6 и С7. Комплекс С5Ь67 может существовать в растворенной форме, а может связываться с мембраной клетки-мишени (он также обладает и свойствами хемотаксина). Связанный с мембраной комплекс С5Ь67 присоединяет к себе одну молекулу С8 и 3 молекулы С9, образуя C5b-C9 комплекс, который повреждает мембрану - в итоге наступает осмотический гемолиз, если речь идет об эритроцитах, или лизис бактерий, если речь идет о бактериях.
Среди бактерий имеются виды, устойчивые к действию комплемента. В этом случае решающим оказывается эффект опсонизации макрофагов с последующим фагоцитозом. Определенную роль при атаке комплементов грамотрицатель-ных бактерийиграет лизоцим.
Агрегированные иммуноглобулины активируют комплемент по классическому пути, что может привести к образованию большого количества анафилотоксинов с развитием анафилактического шока. Присоединение к растворимым иммунным комплексам (к Fc-фрагмен-ту Ig, входящему в иммунный комплекс; Fc-фрагмент для фиксации на клеточной мембране) С5Ь67 приводит к их отложению на клетках эндотелия и ассоциации с клетками крови, обуславливая целый ряд системных поражений. Такие иммунокомплексные механизмы создают основу для аллергических реакций III типа, каскада реакций активации комплемента, лавинообразному вовлечению в реакцию компонентов комплемента с нарастанием количества активных фрагментов комплемента.
Последовательность классического пути: антиген-антитело-С1-С4-С2-С3-С5-С6-С7-С8-С9.
АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ ПУТЬ
Перед описанием альтернативного пути активации комплемента несколько слов следует сказать о пропердине.
Исходным событием при обнаружении и дальнейшем изучении альтернативного пути активации комплемента стало открытие Л. Пиллемером в 1954 году белка пропердина. Пропердин, или фактор (белок) Р, представляет собой несколько растворенных в сыворот-
ке крови проферментов, играющих ключевую роль в системе комплемента и ее активации по альтернативному пути. Этот белок обеспечивает стабилизацию комплекса СЗЬВЬ за счет ослабления его спонтанной диссоциации. Под влиянием белка Р время полужизни комплекса увеличивается с 60 микросекунд до 90 секунд. Помимо этого, пропердин ускоряет сборку комплекса СЗЬВЬ и предотвращает действие на него фактора Н. Пропердин способен связываться с поверхностью бактериальной клетки и усиливать фиксацию на ней С3-конвертазы (СЗЬВЬ). При этом к комплексу могут присоединяться дополнительные молекулы С3Ь, что приводит к появлению на поверхности клетки избытка молекул СЗЬ, важного для проявления опсонизирующего эффекта комплемента. Комплекс Р(С3Ь)пВЬ функционирует как С5-конвертаза (хотя сохраняет активность и в отношении компонента СЗ); при этом ферментативная активность этого комплекса, как и в СЗ-конвертазе, связана с ВЬ [6].
Альтернативный путь активации системы комплемента начинается с расщепления СЗ на фрагменты СЗа и СЗЬ (при альтернативном пути в реакции не участвуют факторы С1, С4 и С2). Дальнейшее течение процесса идентично классическому пути.
В качестве активаторов могут выступать полисахариды (зимозан), инулин, высокомолекулярный декстран, бактериальные токсины, агрегированные ^О4, ^А, ^Е, иммунные комплексы с F(ab)2-фрагментами, протеазы (плаз-мин, трипсин), яд кобры, СЗЬ. При этом пути активации действует две СЗ-конвертазы: 1) СЗВЬ обладает незначительной активностью и появляется при взаимодействии СЗ с факторами В, Б, Р (пропердином). СЗВЬ способствует образованию, 2) высокоактивной СЗ-конверта-зы - СЗЬВЬ, результатом действия которой является СЗЬ.
Определяющим этапом в альтернативном пути активации является образование СЗЬ, который переносится на активированную поверхность. Процесс начинается со связывания СЗЬ с фактором В (активатор) в присутствии ионов магния; образовавшийся СЗЬВ превращается при участии фактора Б в комплекс СЗЬВЬ.
Цитолитическая активность альтернативного пути полностью определяется свойствами-оболочки микроорганизма и клеточной мембраны. Устойчивость мембране придают глико-протеины и гликолипиды, содержащие остатки сиаловой кислоты. Сиаловые кислоты играют важную роль в резистентности микроорганизмов. Большинство видов бактерий не содержит в составе оболочки сиаловых кислот, но многие патогенные виды их имеют. Однако, антитела могут изменять свойства (поверхности) оболочки микроба и таким образом повышать их чувствительность к комплементу.
Сиаловая кислота, которая присутствует на поверхности микроорганизмов или клеток, повышая активность факторов I и Н, препятствует образованию СЗ-конвертазы альтернативного пути. В любом случае, по ходу альтернативного пути образуется значительное количество активного СЗ и соединений, обладающих качественно теми же биологическими свойствами, что и вещества, образующиеся при активации С1-С4-С2 (классический путь активации).
Важным этапом в активации поверхности является связывание пропердина - в результате возникает высокоаффинный рецептор для СЗ и одновременно образуется стабильный комплекс СЗВЬ (слабоактивная конвертаза), который защищает его от инактивации факторами I и Н.
В этой связи различают два вида активаторов альтернативного пути:
• пропердин-зависимые активаторы - эндотоксины, полисахариды, антитела;
• пропердин-независимые активаторы - про-
теазы, яд кобры.
Альтернативная активация комплемента -очень важный компонент неспецифической резистентности к бактериям, вирусам и одноклеточным микроорганизмам. В качестве патогенетического звена альтернативная активация комплемента участвует во многих заболеваниях (стрептококковый гломерулонеф-рит, нефриты при системной красной волчанке, грибковые инфекции, септицемия с шоком).
Последовательность альтернативного пути: активатор - СЗЬВБ - СЗ-С5-С6-С7-С8-С9.
МСЛ-ПУТЬ
МСЛ, принадлежащему к коллективному семейству углевод-связывающих белков (кол-лектинов), отводят важную роль в формировании врожденного неспецифического иммунитета; он обладает структурной гомологией с C1q. При взаимодействии с двумя МСЛ-ассо-циированными сериновыми протеазами (МАСП) МСЛ связывается с остатками манно-зы на поверхности бактерий и грибов и, подобно C1s, расщепляет С4 и С2, активируя тем самым каскад комплемента. Кининоподобный пептид, отщепляющийся от С2, непосредственно влияет на посткапиллярные венулы, повышая их проницаемость и вызывая отек тканей. Пептид С4а обладает слабой анафилатоксино-вой активностью и, реагируя с тучными клетками, вызывает секрецию химических медиаторов аллергических реакций немедленного типа, включая гистамин. Позднее образующиеся на этом пути С3а и С5а представляют собой более активные анафилатоксины, а С5а, кроме того, играет роль хемоаттрактанта. Фиксация C4b, создает возможность присоединения комплекса к нейтрофилам, макрофагам, В-лимфоцитам, дендритным клеткам и эритроцитам.
На следующем этапе происходит расщепление С3 с образованием C3b. Среди всех компонентов комплемента С3 присутствует в наибольшей концентрации, и его активация - важнейший этап каскадного процесса. Расщеплению С3 способствует С3-конвертаза классического (С1-С4-С2) или альтернативного (C3bBb) пути. Фиксация С3Ь обеспечивает присоединение комплекса антиген-антитело к клеткам, обладающим рецептором этого компонента (рецептором комплемента 1, РК1), — В-лимфоцитам, эритроцитам и фагоцитам (ней-трофилам, моноцитам и макрофагам), что приводит к фагоцитозу. Без связывания С3 с микроорганизмами нейтрофилы не проявляют фагоцитирующей функции в экспериментах in vitro. Развитие тяжелых гнойных инфекций у больных с дефицитом С3 свидетельствует о неэффективности фагоцитоза и in vivo. Активность С3Ь зависит от его расщепления фактором I (инактиватором С3Ь) с образованием iC3b, который, связываясь с рецептором iC3b (РК3) на фагоцитах, способствует фагоцитозу.
Дальнейшая деградация Ю3Ь фактором I и протеазами приводит к появлению C3dg, а затем и C3d. Последний связывается с РК2 на В-лимфоцитах, играя роль ко-стимулятора индуцируемой антигеном активации В-клеток.
Последовательность МСЛ-пути: микробный маннан (полисахарид клеточной стенки) -МСЛ/МСЛ-ассоциированные протеазы 1 и 2 -С4-С2-С3-С5-С6-С7-С8-С9.
МЕМБРАНО-АТАКУЮЩИЙ КОМПЛЕКС (МАС)
По существу, МАС представляет собой трансмембранную пору. Участок мембраны, на котором происходит расщепление С5, является тем местом, где начинается сборка МАС.
Последовательность реакций, приводящих к цитолизу, начинается с прикрепления С5Ь к С5-активирующему ферменту классического (С4Ь2а3Ь) или альтернативного (СЗЬВЬЗЬ) пути.
Еще будучи соединенным с конвертазой, С5Ь связывает сначала С6, а затем С7, присутствующие в плазме. В процессе сборки этого тримолекулярного комплекса С5 Ь67 происходят конформационные изменения, вызывающие:
• отделение комплекса от конвертазы;
• превращение комплекса из гидрофильного в гидрофобный.
Комплекс прочно связывается с мембраной за счет своего лабильного гидрофобного участка, хотя большая часть образовавшегося С5Ь67 инактивируется в жидкой фазе. Связанный с мембраной комплекс С5Ь67 присоединяет С8, присутствующий в плазме, а затем в комплекс включается значительное число мономеров С9, завершая образование МАС. Полностью сформированный МАС образует в мембране жесткую пору, стенки которой состоят из мономеров С9 (их число достигает 12), расположенных вокруг центральной плоскости. Внутренний диаметр пор может достигать 10 нм, что приводит к следующему:
• дает возможность свободного тока жидкости и электролитов через мембрану;
• благодаря высокому внутреннему осмотическому давлению клетка разбухает и разрывается.
Метаболически неактивные клетки, например старые эритроциты, легко лизируются даже при небольшом числе повреждений, вызванных МАС, тогда как жизнеспособные ядросодержащие клетки «избегают» гибели за счет активности ионного насоса в сочетании с процессами восстановления нарушенной проницаемости мембраны (закрытия поры). Даже если клетка не погибает, повреждения, нанесенные МАС, могут существенно нарушить ее функции.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мейл, Д. Иммунология / Д. Мейл, Дж. Бростофф, Д.Б. Рот, А. Ройтт/Пер. с англ. -М.: Логосфера, 2007. - 568 с.: ил.
2. Берман Р.Э. Педиатрия по Нельсону: в 5 т.: пер. с анл. / Ричард Э. Берман, Роберт М. Клигман, Хол Б. Джексон / Под ред. А.А. Баранова. - Т. 3. - М.: ООО «Рид Элсивер»,
2009. - 1184 с.: ил.
3. Иммунология: Учебник. — М.: Медицина, 2000. — 432 с: ил. (Учеб. лит. Длястуд. медвузов)/
4. Долгих В.Т. Основы иммунопатологии - 2-е изд., переработанное и дополненное. - М.: Медицинская книга, Н. Новгород: Издательство НГМА, 2001. - 229 с.
5. П.В. Колхир. Доказательная аллергология-иммунология. - М.: Практическая медицина,
2010. - 528 с.
6. Иммунология: учебник / А. А. Ярилин. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2010. - 752 с.: ил. ■
