58277 (Нобелевские лауреаты в иммунологии), страница 7

Если теория естественного отбора трактует вопросы созревания иммунной системы после того, как она приобрела способность реагировать с антигеном, то в теории соматического природы иммунного распознавания (1971) Ерне объяснил, как созревают лимфоциты, способные реагировать с антигеном. Он предположил, что каждый индивид обладает всеми генами, необходимыми для производства антител и антителоподобных молекул, которые могут связывать все сильные трансплантационные антигены. Ерне полагал, что лимфоциты созревают в тимусе и в других лимфоидных органах. Клетки, распознавшие антигены, активируются и начинают делиться. По мере того, как в быстро делящихся клетках накапливаются мутации, могут развиваться новые иммунологические специфичности. В то же самое время специфичности лимфоцитов к собственным трансплантационным антигенам ослабляются. Зрелые лимфоциты распознают чужеродный антиген. Теория объясняет, как иммунная система нормально созревает под влиянием собственных антигенов. Она также объясняет, как иммунологическая специфичность регулируется генами, принадлежащими к системе трансплантационных генов.

В теории сети Ерне (1974) объясняет, как регулируется специфический иммунный ответ. Основанием для теории стало наблюдение того, что антитела могут вызывать образование апти-антител, направленных против антиген-связывающих структур первого антитела. Кроме того, анти-антитела могут стимулировать производство следующею поколения антител - анти-анти-антител. По существу, этот каскад антител бесконечен, он последовательно добавляет иммунной системе всё новые специфические свойства. Различные поколения антител или стимулируют, или подавляют производство друг друга. В обычных условиях сеть сбалансирована. Однако когда появляется антиген, равновесие нарушается. Иммунная система пробует восстановить равновесие, что ведет к иммунному ответу на антиген. Теория мощно стимулировала исследования и привела к более глубокому проникновению в природу иммунной системы. Позднее она была приложена к диагностике и лечению болезней.

Георг Й. Келлер и Сезар Мильштейн

Известно, что в организме есть клетки - лимфоциты, которые могут производить миллионы различных антител. Однако каждая отдельная клетка может производить антитела только с определенной специфичностью. Причина возникновения множества антител - не более, чем обилие лимфоцитов. Если организму представлен некий чужеродный антиген, может произойти активация лимфоцита, который случайно обладает способностью опознавать именно данный антиген. Этот лимфоцит начинает делиться и формирует клеточный клон, производящий идентичные моноклинальные антитела. В обычных условиях развитие клона находится под жестким контролем. Иногда же организм теряет контроль над антителопродуцируюшим клоном, что может привести к возникновению особого типа опухоли - миеломы. Клетки миеломы обычно сохраняют способность производить определенные антитела.

Антителопродуцирующие лейкоциты - это высокоспециализированные клетки. Поэтому они не могут долго жить в культуре клеток (вне организма). Клетки миеломы,

наоборот, иногда удается выращивать в питательной среде непрерывно. Долгое время биологи и медики лелеяли мечту получить клоны клеток, производящих антитела заданной специфичности. Эта мечта осуществилась, когда Кёлер и Мильштейн в 1975 году предложили гибридомную технологию производства моноклональных антител [5]. Принципиально способ получения гибридомы таков. Мышей иммунизируют избранным антигеном. Затем клетки их селезенки перемешивают с культурой миеломных клеток. Результат смешивания называется гибридомой. Как ни странно, гибрид двух типов клеток способен выживать и делиться. В этот гибрид клетки миеломы вносят способность к выживанию, в то время как клетки селезенки направляют синтез на производство антител с заданной специфичностью. Специальными мерами можно достичь размножения клеток гибридомы, а не только клеток миеломы. Полученную гибридную культуру разбавляют, чтобы выделить колонии, происходящие от единичных гибридных клеток. При помощи специального чувствительного метода определяют клоны, производящие специфичные антитела. Полученную гибридому можно использовать для безграничного производства высокоспецифичных антител.

Глава 14. 1987 Сусуму Тонегава (1939)

Формулировка нобелевского комитета: «за открытие генетического принципа происхождения разнообразия антител».

В 1976 году Тонегава сумел путем ряда изобретательных экспериментов показать, как части генома клетки (ДНК) перераспределяются в ходе дифференцировки от зародышевой клетки до В-лимфоцита, производящего антитела. К 1978 году Тонегава уже мог детально разъяснить, как те части генома, которые порождают, антитело, перемещаются так, чтобы позволить каждому В-лимфоциту производить; свои собственные уникальные антитела. Тонегава ответил на вопрос, как генетический материал В-клеток может создавать бесконечное число структур различных антител [6]. В 1976 году он убедительным и изящным способом смог показать как различные гены иммуноглобулина, которые были далеко друг от друга в зародышевой клетке, в В-лимфоците входят в более близкий контакт. В ходе развития от зародышевых клеток к антителобразующему В-лимфоциту гены, формирующие иммуноглобулины, перераспределяются. Различные части генома перемещаются, повторно объединяются и могут быть даже «потеряны», чтобы, наконец, создать ДНК, которую находят в зрелом В-лимфоците.

У человека гены для длинных цепей расположены в хромосоме 14, для κ- на хромосоме 2 и для λ-цепей - на хромосоме 22. Три группы генов участвуют» создании переменной части длинной цепи, которая вместе с неременной частью короткой цепи является специфичной для каждою антитела. Эти гены получили названия V, D и J. Короткая цепь детерминируется генами V и J. У человека число V-генов для длинных цепей примерно 200, и, кроме того, есть приблизительно 20 D генов и 4J-гена. Когда для синтеза антитела нужен функционирующий ген, по одному V-,D- и J-гену в случайном порядке берется от трех групп генов. Этот можно сравнить с лотереей, где число номеров равно 16000, то есть 200 х 20 х 4.

Случайный порядок сборки генов V, D и J еще более увеличивает обилие вари тов. И поскольку гены V и D часто неодинаковы (наследуются и от отца, и от матери), это уже означает уже возможность примерно 5 млн. различных вариантов переменной части длинной цепи. Последний вклад вносит легкая цель с ее 10 тыс. антов. Итоговая сумма составляет много миллиардов возможных форм антитела.

Человек хорошо подготовлен к встрече с любым возможным антигеном. Вероятно, только незначительная часть типов антител когда-либо используется. Иммунная система чрезвычайно экономична в использовании ДНК. В то же самое время производится большое количество лимфоцитов, и только некоторые из них будут когда-либо участвовать в иммунной защите организма. Экономия ДНК, таким образом, соседствует с очевидным расходованием клеток. Однако такой порядок позволяет сохранять состояние высокой готовности, которая требуется против возможных новых инфекционных болезней.

Глава 15. 1996 Питер К. Догерти (1940) и Рольф М. Цинкернагель (1944)

Формулировка нобелевского комитета:

«за открытия, касающиеся специфичности клеточно-опосредованной иммунной защиты».

Цинкернагель и Догерти в опытах на мышах изучали, как иммунная система и особенно Т-лимфоциты, защищают организм от проникших в него вирусов менингита. В организме инфицированных мышей развивались Т-лимфоциты-киллеры, которые in vitro могли убивать клетки,]инфицированные вирусом. Но было сделано и неожиданное открытие: Т-лимфоциты, полученные от мыши линии А, в пробирке успешно уничтожали пораженные вирусом клетки, полученные от мышей той же линии А, но оказывались неактивны против таких же пораженных вирусом менингита клеток, полученных от мышей В. Таким образом, для того,чтобы пораженная клетка была уничтожена лимфоцитами-килерами, она должна быть не только инфицирована вирусом, но и нести на своей поверхности то же вариант антигенов гистосовместимости, что и в организме, из которого были взяты лимфоциты-киллеры. Несколько упрощая, можно сказать что лимфоциты уничтожали пораженные клетки только в собственном организме, а в чужом теряли свою активность.

Результаты работы Цинкернагеля и Догерти, которые были опубликованы в Nature в 1974 году [7], убедительно продемонстрировали, что клеточная иммунная система должна одновременно распознавать и чужеродную молекулу, например, молекулу вируса, и молекулу МНС собственного организма. Стало очевидным, что антигены МНС играют важнейшую роль в нормальном иммунном ответе, а не только в отторжении трансплантатов.

Впоследствии Догерти и Цинкернагель предложили две модели. Одна описывает единичное распознавание измененных тканей собственного организма (когда антиген гистосовместимости изменен вирусом). Вторая модель объясняет двойное распознавание «чужого» и «своего». В течение нескольких лет было продемонстрировано, что только те Т-лимфоциты, которые оказываются способными распознавать трансплантационные антигены собственного организма, выживают и созревают, остальные - элиминируются (не получают развития и исчезают). Поэтому, принцип одновременного (двойного) распознавания важен для способности иммунной системы отличать «свое» от «не-своего». Дальнейшие молекулярные исследования подтвердили обе модели Цинкернагеля и Догерти, а также разъяснили структурную основу их открытия. Небольшая часть молекулы, например, пептид из состава вируса, непосредственно привязана к определенной переменной части антигенов гистосовместимости организма. И именно этот комплекс узнается специфичными молекулами распознавания Т-лимфоцитов (рецепторами Т-клеток).

Раскрыв механизмы, используемые иммунной системой, для того, чтобы отличать микробы от молекул собственного тела, открытие Догерти и Цинкернагеля существенно изменило представления о развитии и нормальном функционировании иммунной системы и обеспечило новые возможности для направленного влияния на иммунные реакции.

Глава 16. 1997 Стенли Б. Прузинер (1942)

Формулировка нобелевского комитета: «за его открытие прионов – новой биологической причины инфекций».

Вначале 1970-х годов в клинике Калифорнийского университета Прузинер наблюдал пациента, который медленно умирал от ВКЯ. При этом возбудителя столь грозного заболевания никак не удавалось выявить. Этот «медленный вирус», как его тогда называли, поразил воображение Прузинера, и он подумал, что определение молекулярной структуры этого неуловимого агента могло бы стать прекрасной темой для исследовательской работы.

Чем больше он читал о куру и скрапи, тем больше его интересовала эта проблема. Прузинер получил место ассистента и начал обустраивать лабораторию для изучения скрапи в 1974 году, хотя было довольно трудно получить финансирование по этой тематике. Пробы упорно выявляли только белок, но не нуклеиновые кислоты.

Прузинер решил точно идентифицировать болезнетворное начало. Этому препятствовала длительность инкубационного периода болезни. Всякий раз произведя заражение животных, Прузинер был вынужден использовать множество мышей в каждом эксперименте терпеливо ждать около 200 дней до появления симптомов заболевания. Усилия по очищению ускорились, когда было показано, что скрапи может быть привита хомякам, у которых инкубационный период заметно короче.

После десяти лет усилий Прузинер и его коллеги выделили инфекционный агент из мозга больных хомяков. Эксперименты упорно свидетельствовали, что он состоял из одиночного белка, который Прузинер назвал прионом (англ. prion от Proteinaceous Infectious particle белковая инфекционная частица).

В сотрудничестве с коллегами Прузинер выделил прион-белок PrP (англ. Prion protein), определил часть последовательности аминокислот. Далее получение антител к прион-белку сделало возможным определение его локализации в клеточной мембране.

Выводы, к которым пришел Прузинер в первой половине 1980-х годов, вызвал естественное недоверие вирусологов. Его взгляды явно противоречили традиции согласно которой структура белка определяется информацией, хранимой и переносимой нуклеиновыми кислотами. Большинство биологов и врачей не желали даже всерьез рассматривать идею о существовании прионов, поскольку абсолютно все открытые за почти полтора столетия инфекционные агенты (вирусы, бактерии, грибы, простейшие) обязательно содержали в себе генетический материал (ДНК или РНК). При разрушении нуклеиновых кислот болезнетворность агента исчезала. Прузинер проявил должное упорство, и к началу 1990-х годов доказательства существования прионов возобладали над всеобщим скептицизмом. Теория прионов была принята значительной частью научного сообщества.

Ген приона (Prnp) обнаружили в 1985 году у млекопитающих и птиц, а затем и у человека [8]. Оказалось, что нормальный прионовый белок - обычный компонент лейкоцитов, но особенно часто он встречается на поверхности нейронов мозга.

Обнаружение гена приона у всех исследованных (нормальных!) животных; заставило задуматься о том, как могут прионы быть причиной тяжелейших заболеваний мозга. Казалось очевидным, что Прузинер ошибся.