Иммунологи подтверждают давнее предположение: T-клетки определяют, что принадлежит данному организму, засекая продолжительность связывания.
Чтобы обеспечить успешную защиту от нежелательных вторжений, иммунная система должна быстро и точно определять, какие клетки организма его собственные, а какие нет. Обязанность, вроде бы, довольно простая, однако выполнять её нелегко. В основном за её выполнение отвечают T-клетки — белые кровяные клетки со специализированными рецепторами, встроенными в клеточную поверхность. Эти рецепторы позволяют уникальным образом связываться с различными пептидными фрагментами. После привязки T-клетки могут сосредоточенно атаковать мишень.
«Удивительно: то, что они стремятся обнаружить, — всё равно что иголка в стоге сена, — говорит Орион Уэйнер (Orion Weiner), биохимик Калифорнийского университета в Сан-Франциско (University of California, San Francisco). — Проявить способность отыскать этот невероятно редкий [чужеродный] пептид в море очень похожих собственных пептидов организма — поразительно сложная задача. Здесь нужен такой уровень специфичности и чувствительности, какой без всяких преувеличений представляет собой предел физически возможного».
Но есть проблема: в процессе своего развития организм случайным образом создаёт миллионы T-клеток со специфическими рецепторами. Это позволяет иммунной системе заполнить все позиции и подготовиться к астрономическому разнообразию пептидов, которые могут оказаться в сфере её действия. Однако многие из этих пептидов неизбежно являются фрагментами белков, принадлежащих организму. В то время как по мере его развития большинство T-клеток, реагирующих на такие «собственные» молекулы, удаляется, некоторые из этих клеток продолжают циркулировать на протяжении всей жизни организма, защищая его от инфицированных и ненормальных клеток и не причиняя ему вреда. Что-то держит их под контролем.
То, каким образом эти T-клетки различают своё и чужое, что следует оставлять в покое, а что не следует, — один из центральных вопросов, определяющих направление иммунологических исследований.
Сейчас иммунологи, похоже, готовы дать окончательный ответ. В апреле в eLife были опубликованы результаты двух (первое и второе) исследований, давших экспериментальное подтверждение теории, которая с 90-х годов ХХ века пользуется растущей поддержкой. Всё дело в измерении времени: вещества, которые связываются с рецепторами T-клетки менее чем на пять (примерно) секунд, считаются безопасными, в то время как молекулы, вступающие в более долгую связь, попадают в разряд подлежащих уничтожению. «По-видимому, — утверждает Уэйнер, автор одной из статей, — эта клетка способна как-то улавливать очень-очень крохотные различия в продолжительности рецепторной связи, и усиливать её до гораздо более мощного клеточного ответа».
Теория кинетической коррекции
Теория кинетической коррекции появилась (и обрела имя) несколько десятилетий назад. Она объясняет, как рибосомы строят белковые цепи из правильных последовательностей аминокислот: каждая аминокислота добавляется в цепь только в том случае, если задействованный клеточный механизм остаётся связанным достаточно долго. Учёные сумели полностью выяснить все этапы этого процесса коррекции, в основе которого лежит измерение времени.
Однако применительно к T-клеткам кинетическая коррекция оставалась не очень понятным процессом, ибо никак не получалось твёрдо установить, что именно происходит. Проверки гипотезы обнаружили наводящие на размышления корреляции между временем связывания и активацией T-клеток, точь-в-точь такие, какие должны быть при кинетической коррекции, однако при этом не удалось наблюдать эффект измерения времени в чистом виде, отделив его от эффектов, порождаемых другими биофизическими факторами — такими как структурные изменения в молекулах и различия в силе связывания. Хуже того: учёные не могли измерить или даже не рассматривали множество параметров, которые, как было известно, потенциально важно учитывать в данном случае.
Такая ситуация сохранялась вплоть до нынешних дней. И вот две команды — Уэйнера (Сан-Франциско) и иммунолога Вольфганга Шамеля (Wolfgang Schamel) (Фрайбургский университет (нем. Albert-Ludwigs-Universität Freiburg), Германия) — независимо друг от друга представили убедительные доказательства, применив новую методологию.
Обе группы обратились к оптогенетике — области исследования клеток с помощью света. Обычно здесь применяется стимулирование или подавление активности нейронов, генетически спроектированных так, чтобы они были чувствительными к свету, но в последнее десятилетие, отмечает Чандра Такер (Chandra Tucker), биолог Медицинской школы Университета Колорадо (University of Colorado School of Medicine), не участвовавшая в указанных исследованиях, «развивалось и то, что я бы назвала клеточной оптогенетикой, — использование белков, которые, реагируя на свет, способны делать всё, что угодно, например, контролировать белково-белковые взаимодействия».
В новых исследованиях оптогенетику впервые применили для изучения T-клеток, причём того, что происходит на их поверхности, а не внутри. Шамель и его коллеги воспользовались парой растительных белков, способных связываться друг с другом только под воздействием света. Они построили T-клеточный рецептор, в котором представлен один из этих белков, и использовали другой как мишень для связывания. Освещая клетки, учёные обрели возможность точно регулировать время, в течение которого T-клеточные рецепторы остаются связанными. В конце концов исследователи достигли того, чего очень долго не могли достичь: они научились селективно управлять продолжительностью связывания. (Это единственное достижение далось ценой напряжённого труда: чтобы заставить систему работать, понадобились годы проб и ошибок, размышлений, создания специального оборудования и проведения экспериментов).
«Я был восхищён, когда увидел это, — говорит Джей Гроувз (Jay Groves), химик Калифорнийского университета в Беркли (University of California, Berkeley), не участвовавший в данных исследованиях. — Я подумал: вау, это действительно может стать мощным рывком вперёд».
Уэйнер и один из его аспирантов, Даг Тишер (Doug Tischer), использовали иную пару светочувствительных растительных белков и урезанный, а не натуральный T-клеточный рецептор. Их методология отличалась от методологии Шамеля и в других аспектах, но в обоих случаях все параметры, кроме продолжительности связывания, оставались неизменными.
И вот что поразительно: результат, полученный обеими командами, оказался одинаковым. Когда процесс связывания продолжался более пяти (примерно) секунд, T-клетка становилась активной, но при меньшей продолжительности связывания активация никогда не наблюдалась. «В некоторых отношениях, — говорит Гроувз, — вся сигнальная сеть T-клеточного рецептора напоминает маленький химический компьютер, который измеряет время связывания, а также, в дополнение ко всему, представляет собой молекулу-датчик».
Данный механизм работает в силу того, что на раннем этапе своего развития иммунная система проходит своеобразный тренинг: возникающим T-клеткам демонстрируются все собственные молекулы организма, при этом клетки, которые связываются с чем-либо дольше, чем на пять секунд, устраняются. В результате T-клетки, оставляемые в организме для формирования его иммунной системы, вступают в длительную связь только с тем, что прежде они никогда не встречали.
Задержка старта
Как T-клетки измеряют продолжительность связывания, пока неизвестно, но у иммунологов есть предположение о том, что вероятнее всего происходит: T-клетка, связавшись при помощи рецептора с молекулой, активируется только по завершении ряда необратимых биохимических процессов. Если во время этого сигнального каскада молекула слишком рано отсоединяется, всё начинается заново с первого шага. Исследователи, включая Уэйнера, Шамеля и Гроувза, всё ещё пытаются выяснить, что представляет собой эта последовательность шагов и как они помогают T-клетке отслеживать время связывания.
Впрочем, эксперименты Тишера и Уэйнера с урезанными T-клетками дали исходную подсказку, которая вызвала удивление: по-видимому, часы не запускаются сразу же после того, как рецептор T-клетки вступил в связь с молекулой-мишенью; скорее, имеет место какая-то неопределённая пауза.
Данная гипотеза всё ещё не получила подтверждения в опытах с природной T-клеточной системой, и у некоторых исследователей остаются сомнения (например, Гроувз считает, что множество уровней сигнального каскада служит для отслеживания времени связывания и что рецептор вносит в это свой вклад). Шамель, который тоже не уверен в существовании паузы, называет её «очень странной». «Это весьма удивительный и неожиданный результат, ибо все считали, что начало отсчёта времени совпадает с моментом установления связи [с молекулой]. Ан нет, похоже, отсчёт начинается позже».
«Шаг, который мы считали наиболее вероятным [для кинетической коррекции], — добавляет Уэйнер, — по-видимому, вовсе не является критическим». Скорее, больший интерес представляют дальнейшие шаги в сигнальном каскаде, которые менее непосредственно связаны с происходящим в месте связывания. По мнению Уэйнера, данное обстоятельство указывает на то, что «отличать своё от чужого — свойство более широкой сигнальной сети… и [вызывает] очень интересный вопрос о том, как именно рецептор способствует этому процессу».
Конечно, о механизме активации T-клетки пока что известно очень мало. В статье, недавно опубликованной в Science, Гроувз и его коллеги, анализируя этот механизм, устранили лишь некоторые пробелы. Рональд Жермен (Ronald Germain), иммунолог из Национальных институтов здоровья США (National Institutes of Health) в Мэриленде, отметил, что работу Шамеля и Уэйнера следует интегрировать в текущие исследования конкретных видов взаимодействия, где тоже фигурирует время связывания.
По мнению Шамеля и Уэйнера, в дальнейшем их экспериментальный подход способен помочь выяснить роль молекулярной кинетики в самых разных процессах — от регуляции формы клеток до экспрессии генов. Кроме того, он может предоставить полезную информацию для создания новых видов иммунотерапии и осветить механизмы, лежащие в основе расстройств, при которых иммунная система нападает на собственные клетки организма или не реагирует на опасные вторжения.
«Перспективы захватывают дух, — говорит Гроувз. — До всего этого ещё далеко, но уже сделан важный шаг в очень интересном направлении».
Автор: Джордана Цепелевич (Jordana Cepelewicz), Перевод: Александр Горлов