15.4Q: Вроджений імунітет

Здатність багатоклітинного організму захищатися від інвазії хвороботворних мікроорганізмів (бактерій, грибів, вірусів і т.д.) залежить від його здатності монтувати імунні реакції. Всі метазони (ймовірно) мають вроджені захисні механізми, які складають вроджений імунітет. Хребетні мають не тільки вроджений імунітет, але і здатні встановлювати захисні механізми, що складають адаптивний імунітет. У цій таблиці наведені деякі відмінні риси кожного виду імунітету.

вроджений імунітет	Адаптивний імунітет
Збудник розпізнається рецепторами, закодованими в зародковій лінії	Збудник розпізнається рецепторами, генеруються випадково
Рецептори мають широку специфічність, тобто розпізнають багато споріднених молекулярних структур, які називаються pAMP (pathogen- асоційовані m молекулярні p візерунки)	Рецептори мають дуже вузьку специфічність; тобто розпізнають певний епітоп
ПАМПС - це незамінні полісахариди та полінуклеотиди, які мало відрізняються від одного збудника до іншого, але не зустрічаються у господаря.	Більшість епітопів походять з поліпептидів (білків) і відображають індивідуальність збудника.
Рецептори - це PRRs (зразок або визнання або рецептори)	У щелепних хребетних рецепторами є В-клітинні (BCR) і Т-клітинні (TCR) рецептори антигену
Негайне реагування	Повільна (3—5 днів) відповідь (через необхідність розвитку клонів відповідаючих клітин)
Мало або зовсім немає пам'яті про попередню експозицію	Пам'ять про попередню експозицію
Зустрічається у всіх метазоях	Зустрічається тільки у хребетних

Клітини вродженої імунної системи

У вродженому імунітеті беруть участь безліч різних типів клітин. Те, що всі вони мають спільне, полягає в тому, що рецептори, за якими вони розпізнають збудників, обмежені у своїй специфічності. Це на відміну від В-клітин і Т-клітин адаптивної імунної системи, які генерують рецептори - BCRs і TCR відповідно - які є вишукано специфічними для збудника. Гравці:

• Кілька гранулоцитів крові і тканин
  • нейтрофіли
  • еозинофіли
  • базофіли і огрядні клітини
• моноцити і макрофаги
• дендритні клітини
• Вроджені лімфоїдні клітини (ILC). Це клітини, схожі на лімфоцити, але не мають рецепторів антигену, виявлених на В-лімфоцитах (BCRs) та Т-лімфоцитах (TCR). Вони включають цитотоксичні клітини Natural Killer (NK) та кілька підмножин нецитотоксичних клітин (ILC1, ILC2, ILC3 тощо), кожен з власним малюнком секреції цитокінів та сприятливими мішенями.

Молекулярні моделі, асоційовані з патогенами

Патогени, особливо бактерії, мають молекулярні структури, які не поділяються зі своїм господарем і поділяються багатьма спорідненими патогенами. Вони відносно інваріантні; тобто не розвиваються швидко (на відміну, наприклад, до таких молекул збудника, як гемаглютинін і нейрамінідаза вірусів грипу).

Приклади:

• джгутики бактеріальних джгутиків
• пептидоглікан грампозитивних бактерій
• ліпополісахарид (ЛПС, також званий ендотоксином) грамнегативних бактерій
• двожильна РНК. (Деякі віруси як рослин, так і тварин мають геном dsRNA. І багато інших вірусів як рослин, так і тварин мають геном РНК, який в клітині-господаря ненадовго перетворюється в dsRNA).
• неметильована ДНК (еукаріоти мають у багато разів більше цитозинів, в динуклеотиді CpG, з приєднаними метильними групами).

Рецептори розпізнавання образів (PRR)

Виділяють три групи:

1. виділяються молекули, які циркулюють в крові і лімфі;
2. поверхневі рецептори на фагоцитарних клітині на зразок макрофагів, які зв'язують збудника для поглинання;
3. клітинно-поверхневі рецептори, які зв'язують збудника, ініціюючи сигнал, що веде до вивільнення ефекторних молекул (цитокінів).

Секретні PRR

Приклад: Циркулюючі білки (наприклад, С-реактивний білок), які зв'язуються з PAMP на поверхні багатьох патогенів. Ця взаємодія запускає каскад комплементу, що призводить до опсонізації збудника і його швидкому фагоцитозу.

Рецептори фагоцитозу

Макрофаги мають рецептори поверхні клітин, які розпізнають певні PAMP, наприклад, ті, що містять маннозу. Коли збудник, покритий полісахаридом з маннозою на кінчиках, зв'язується з ними, він поглинається в фагосому.

Toll-подібні рецептори (TLR)

Макрофаги, дендритні клітини та епітеліальні клітини мають набір трансмембранних рецепторів, які розпізнають різні типи ПАМП. Вони називаються Toll-подібними рецепторами (TLR) через їх гомологію рецепторів, вперше виявлених і названих в дрозофіли. Ссавці мають 12 різних TLR, кожен з яких спеціалізується - часто за допомогою допоміжних молекул - у підмножині PAMP. Таким чином, TLR ідентифікують природу збудника і включають ефекторну реакцію, відповідну для боротьби з ним. Ці сигнальні каскади призводять до експресії різних генів цитокінів. Приклади:

• TLR-1: Утворює гетеродимер з TLR-2 на поверхні клітини, який зв'язується з пептидогліканом грампозитивних бактерій, таких як стрептококи та стафілококи.
• TLR-2: З TLR-1 зв'язує компоненти клітинної стінки грампозитивних бактерій.
• TLR-3: зв'язується з дволанцюгової РНК вірусів, охоплених ендосомами.
• TLR-4: Активується ліпополісахаридом (ендотоксином) у зовнішній мембрані грамнегативних бактерій, таких як сальмонела та кишкова паличка O157: H7
• TLR-5: зв'язується з джгутиком рухомих бактерій, таких як Listeria.
• TLR-6: Утворює гетеродимер з TLR-2 і реагує на пептидоглікан і певні ліпопротеїди.
• TLR-7 та TLR-8: Утворюють гетеродимер, який зв'язується з геномами одноланцюгової РНК (SsRNA) таких вірусів, як грип, кір та свинка, які були охоплені ендосомами.
• TLR-9: зв'язується з неметильованим CpG ДНК бактерій, які були поглинені ендосомами. (Цитозини в динуклеотидах CpG господаря часто мають прикріплені метильні групи.)
• TLR-11: У мишей він пов'язує білки, експресовані декількома інфекційними найпростішими (Apicomplexa), а також, як TLR-5, з джгутиками. Люди не мають TLR-11.

У всіх цих випадках зв'язування збудника з TLR ініціює сигнальний шлях, що веде до активації NF-КБ. Цей фактор транскрипції включає багато генів цитокінів, таких як для фактора некрозу пухлини-альфа (TNF-α), інтерлейкіну-1 (IL-1) та хемокінів, які залучають лейкоцити до ділянки. Всі ці ефекторні молекули призводять до запалення на ділянці. І ще до того, як відбуваються ці пізні події, зв'язування грампозитивних бактерій з TLR-2 і грамнегативних бактерій з TLR-4 підсилює фагоцитоз і злиття фагосом з лізосомами.

Вроджений імунітет може викликати адаптивний імунітет

Це може відбуватися декількома способами:

Макрофаги та дендритні клітини є фагоцитами, а також відповідають за «представлення» антигенів Т-клітинам для ініціювання як клітинних, так і опосередкованих антитілами адаптивних імунних реакцій.

• Перетравлені фрагменти охопленого збудника повертаються на клітинну поверхню, розташовану в порожнині молекул гістосумісності II класу.
• Транскрипція генів, включена взаємодією PAMP і TLR, призводить до появи трансмембранних молекул під назвою B7 на поверхні клітини.
• Т-клітини мають рецептор для B7 під назвою CD28.
• Одночасна прив'язка
  • CD28 до В7 і
  • комплекс антиген/класу II до TCR, специфічних для нього
• активує Т-клітину.
• Це призводить до повторних мітотичних поділів, що виробляють клони ^CD4+ Т-клітин, які можуть здійснювати клітинні імунні реакції та/або стимулювати В-клітини секретувати антитіла відповідної специфічності.

Дендритні клітини також поглинають самоантигени, наприклад, клітини організму, які померли від апоптозу, але оскільки вони не мають пов'язаних з ними ПАМП, другого сигналу для активації Т-клітин немає.

Взаємодія PAMP і TLR на дендритних клітині змушує їх секретувати цитокіни, в тому числі

• інтерлейкін 12 (IL-12), який стимулює вироблення клітин Th1
• інтерлейкін 23 (IL-23), який стимулює вироблення клітин Th17
• інтерлейкін 6 (IL-6), який перешкоджає здатності регуляторних Т-клітин придушувати реакції ефекторних Т-клітин на антиген. Подвійний негатив - позитивний.

В-клітини також є антигенпрезентуючими клітинами. Вони пов'язують антиген зі своїми БЦР і поглинають його в лізосоми. Потім вони транспортують перетравлені фрагменти на поверхню клітин, включені в молекули гістосумісності класу II так само, як це роблять макрофаги та дендритні клітини. В-клітини також мають TLR. Коли PAMP, такий як LPS, зв'язує TLR, це підсилює реакцію В-клітини на антиген.

Протягом багатьох років відомо, що для того, щоб вакцини були ефективними, препарат повинен містити не тільки антиген, але і матеріали, звані ад'ювантами. Кілька ад'ювантів містять ПАМП, а їх стимул до вродженої імунної системи підсилює реакцію адаптивної імунної системи на антиген у вакцині. Збудники, покриті фрагментами білка комплементу С3, не тільки опсонізовані для фагоцитозу, але і сильніше зв'язуються з В-клітинами, які зв'язали збудника через їх BCR. Цей синергетичний ефект дозволяє виробленню антитіл відбуватися при дозах антигену набагато нижчих, ніж було б потрібно в іншому випадку. Деякі працівники відчувають, що, по суті, адаптивний імунітет неможливий без сприяння механізмів вродженого імунітету.

Антимікробні пептиди

Крім своїх вроджених систем розпізнавання збудників, хребетні (включаючи нас самих), безхребетні (наприклад, дрозофіли), навіть рослини і гриби виділяють антимікробні пептиди, які захищають їх від вторгнення бактерій та інших патогенів. Насправді, напевно, всі багатоклітинні організми отримують користь від цієї форми вродженого імунітету. Для людини найбільш вивченими антимікробними пептидами є дефенсіни, гепцидин і кателіцидини

Дефенсінс

Всі наші епітеліальні поверхні

• шкіри
• вистилання шлунково-кишкового тракту
• облицювання сечостатевих шляхів
• облицювання носових ходів і легенів

захищені дефенсинами.

• Деякі дефенсіни секретуються самими епітеліальними клітинами; інші клітинами Th17 і нейтрофілами.
• Одні виділяються весь час; інші тільки у відповідь на атаку хвороботворних мікроорганізмів. (У деяких випадках їх гени включаються активованими TLR.)
• Вони синтезуються з більших прекурсорів, кодованих геном, які
• вирізати для отримання активного пептиду.
• Вони варіюються в довжину від 25 до 45 амінокислот.
• У людей вони містять 6 інваріантних цистеїнів, які утворюють 3 дисульфідні зв'язки, які допомагають виробляти вторинну структуру, яка складається з 3 ниток антипаралельного бета-листа.
• Вони атакують зовнішню поверхню клітинної мембрани, що оточує збудника, з часом пробиваючи в ній летальні отвори. (На відміну від еукаріотів, фосфоліпіди у зовнішній мембрані бактерій несуть надлишок негативних зарядів, а позитивні заряди на дефенсини, ймовірно, дозволяють їм проникати в бактеріальні мембрани, зберігаючи мембрани господаря.)

Цікаво, що деякі дефенсіни (β-дефенсин) також впливають на колір шерсті (у собак та мишей) та іншими способами імітують вплив меланоцитстимулюючого гормону (MSH).

Гепцидин

Гепцидин - пептид з 25 амінокислот з вторинною структурою (бета-лист), як у дефенсінів. Він секретується печінкою і контролює рівень заліза в крові і ЕКФ, регулюючи його виділення з внутрішньоклітинних запасів. Секреція гепсидину підвищується у відповідь на інвазію хвороботворних мікроорганізмів (грибів і бактерій). Багато з них вимагають заліза за свою вірулентність і, блокуючи виділення заліза в кров, гепцидин голодує їх від цього важливого фактора.

кателіцидини

Найвідомішим людським кателіцидином є LL37, пептид з 37 амінокислот, синтезованих макрофагами, нейтрофілами, адипоцитами та епітеліальними клітинами (забезпечуючи антимікробний захист нашої шкіри та слизової оболонки наших сечовивідних шляхів). На відміну від дефенсинів, його вторинна структура - альфа-спіраль.

Як і дефенсіни, ген для LL37 може бути включений активованими TLR. У макрофагах, наприклад, синтез кателіцидину всередині клітини сприяє знищенню поглинаних бактерій, таких як M. tuberculosis, збудник туберкульозу. Активація гена кателіцидину вимагає наявності активної форми вітаміну D (1,25 [ОН] ₂ вітаміну D ₃). Це може пояснити:

• чому люди з дефіцитом вітаміну D більш схильні до туберкульозу;
• фізіологічна основа практики впливу хворих на сонячне світло в протитуберкульозних санітаріях (перед днями прийому антибіотиків).

Протимікробні пептиди і шлунково-кишковий тракт

Вміст шлунково-кишкового тракту (особливо товстої кишки) завантажується бактеріями. Але більшість з них не доставляють ніяких турбот завдяки різноманітним захисним силам. Серед них - бар'єр антимікробних пептидів, який існує від рота до заднього проходу.

• Епітелій рота і мови захищений шаром антимікробних пептидів, а також тих, що виділяються в слині.
• Шлунок також захищений антимікробними пептидами (розрізаними пепсином від більшого попередника), а також низьким рН шлункового соку.
• Розріджений вміст, що виходить зі шлунка, швидко нейтралізується іонами бікарбонату в підшлунковій рідині. Однак будь-які бактерії, які пережили поїздку через шлунок (наприклад, кишкова паличка має протонний насос, який дозволяє йому вижити сильну кислоту шлункового соку), контролюються антимікробними пептидами, що виділяються клітинами Панета тонкої кишки. Так, вміст тонкої кишки в нормі містить лише невелику популяцію мікробів.
• Не так для товстої кишки (товстої кишки). Товста кишка підтримує величезну популяцію (> 10 ¹³) мікроорганізмів, але вони рідко вторгаються в її оболонку завдяки
  • захисний бар'єр антимікробних пептидів, а також
  • захисних дій безперервної стимуляції
    • TLR-2s за грампозитивними коментарями та
    • TLR-4s за грамнегативними коментарями
• Пряма кишка також захищена епітеліальним бар'єром антимікробних пептидів.