Что значит слово антитела
Значение слова антитела
Словарь Ожегова
АНТИТЕЛА, ел, ед. антитело, а, ср. (спец.). Сложные белки вещества, образующиеся в организме при введении в него чужеродных веществ и нейтрализующие их вредное действие.
Словарь Ефремовой
Словарь медицинских терминов
глобулины сыворотки крови человека и животных, образующиеся в ответ на попадание в организм различных антигенов (принадлежащих бактериям, вирусам, белковым токсинам и др.)и специфически взаимодействующие с этими антигенами.
Энциклопедический словарь
глобулярные белки (иммуно-глобулины) плазмы крови человека и теплокровных животных, обладающие способностью специфически связываться с антигенами. Взаимодействуя с микроорганизмами, препятствуют их размножению или нейтрализуют выделяемые ими токсические вещества. При некоторых патологических состояниях в организме появляются антитела к собственным антигенам, что вызывает повреждение различных органов. Реакции антител с антигеном применяют для диагностики различных болезней, идентификации микроорганизмов и некоторых веществ.
Большая Советская Энциклопедия
Энциклопедия «Биология»
, специфические белки (иммуноглобулины), образующиеся плазматическими клетками (потомками В-лимфоцитов) в организме человека и животных при попадании антигенов. Осуществляют специфический гуморальный иммунитет. Взаимодействуя с антигенами вирусов, бактерий и других микроорганизмов, антитела препятствуют их размножению, блокируют выделяемые ими токсины, т. е. обеспечивают защиту организма. При последующем попадании антигена в организм происходит более эффективный и быстрый синтез антител. Антитела к перенесенным детским инфекционным болезням (корь, ветряная оспа и др.) вырабатываются в организме на протяжении всей последующей жизни, и повторного заболевания не возникает. При некоторых заболеваниях в организме могут появляться антитела к собственным антигенам, т. н. аутоиммунный конфликт, что приводит к тяжёлым последствиям. Строение и свойства антител, их взаимодействие с антигенами изучает иммунохимия.
Антропологический толковый словарь
одна из фракций белков крови (гамма-глобулинов), которая синтезируется лимфоцитами для специфической связи с чужеродными для организма молекулами (антигенами). Появление чужеродных антигенов индуцирует синтез антител и запуск механизма иммунной защиты.
Начала Современного Естествознания. Тезаурус
сложные белки группы иммуноглобулинов, образующиеся в организме человека и теплокровных животных при попадании в них антигенов и нейтрализующие их вредное действие, способствуя выработке иммунитета.
Антитела. Что нужно знать
Сейчас это слово у всех на слуху. Но какова роль антител в защите организма? Действительно ли анализ на антитела снимает все вопросы о том, сталкивались ли вы с вирусом? Насколько он точен? Почему антитела могут усугубить болезнь? Читайте в нашем разборе
Коротко
Антитела создаются клетками иммунитета для борьбы с конкретным вредителем: вирусом, бактерией или паразитом.
Они появляются не сразу, потому что организму нужно время на изучение вредителя (патогена).
Чем больше антител, тем сильнее защита. Со временем они могут исчезнуть, но клетки способны создавать их вновь при столкновении со знакомой опасностью.
Вариантов антител для одного патогена может быть много. Тесты могут «увидеть» не все, поэтому их точность не абсолютна.
Вирус может мутировать, и тогда старые антитела не смогут его распознать. Или, распознав, не смогут обезвредить и сами станут его проводниками в клетки.
Как антитела связаны с иммунитетом?
Это один из главных его инструментов в борьбе с угрозами. Антитела — не самостоятельные клетки, а белковые структуры, которые создаются защитными клетками (лимфоцитами) под определенную мишень. Бывает, что ею оказываются и вполне безобидные вещества — например, пыльца или белок куриных яиц. Так возникает аллергическая реакция. Но чаще всего антитела борются с вирусами, бактериями, паразитами и прочими «диверсантами».
Антитела могут вырабатываться и против собственных клеток организма — их называют аутоиммунными. На каждой клетке тела есть специальные белковые молекулы — опознавательные знаки, которые говорят, что она «своя». Но если клетка состарилась, погибла или переродилась в злокачественную, против нее тоже высылают «наряд» на уничтожение.
То есть антитела уничтожают вирусы и бактерии?
Не совсем. Задача антител в том, чтобы обезвредить «нарушителя», чтобы он не мог размножаться, или пометить его для уничтожения. Например, они налипают на вирусные частицы, мешая им проникать в клетку. Так как вирус не способен размножаться вне клеток, он погибает. Также антитела могут склеивать бактерии в комочки, которые затем пожираются фагоцитами, или активировать систему иммунных белков, которые прорвут мембрану бактерии и убьют ее.
Антитело работает как молекулярная отмычка: оно рождается на свет уже заточенным под определенную особенность строения чужеродного тела. Например, это может быть участок (шип) на поверхности вирусной частицы, с помощью которого она связывается с клеткой. Антитело блокирует шип, и вирус не может заразить клетку. У родственных вирусов могут быть схожие элементы строения, и тогда антитела к одному представителю семейства будут эффективны против другого. Например, некоторые люди, переболевшие в прошлом атипичной пневмонией (ее вызывает вирус SARS-CoV-1), уже имеют эффективные антитела против его родственника — SARS-CoV-2, который вызывает инфекцию COVID-19.
Почему антитела во время болезни образуются не сразу?
Чтобы создать нужное антитело, иммунной системе сначала нужно изучить нарушителя. Для этого в организме сотрудничают разные «ведомства». Сначала клетки-перехватчики (макрофаги) поглощают и переваривают чужеродные частицы. Затем знакомят с их строением клетки-«лаборатории» (B-лимфоциты). Те, в свою очередь, образуют множество своих копий с разными вариантами «отмычек». Подходящие варианты отправляются на конвейер.
Весь процесс занимает несколько дней, а устойчивый иммунитет достигается за неделю-две. Например, на 14-й день заболевания COVID-19 антитела появляются у половины зараженных, а спустя 20–24 дня — почти у всех пациентов. А тесты на наличие антител к коронавирусу специалисты советуют сдавать только через одну-две недели через одну-три недели с момента возникновения первых симптомов.
Если нет антител, значит, не было заражения?
Возможно, было, но иммунитет не успел отреагировать выработкой антител. Такое случается, например, когда в организм попало мало возбудителей или ему активно помогали с помощью лекарств. С одной стороны, это хорошо, ведь такие люди обычно переносят инфекцию в легкой форме. С другой стороны, в иммунной системе не остается следов — так называемой антительной памяти. А значит, во второй раз заражение может протекать так же, как и в первый. Или даже серьезнее.
У меня нашли антитела. Я больше не заболею?
Есть связь между концентрацией в крови антител и устойчивостью к заражению. Чем выше концентрация, тем сильнее иммунитет. Особенно важно содержание антител класса G — они вырабатываются на последней стадии, когда организм уже победил инфекцию. Людей с высокой концентрацией таких антител даже призывают стать донорами плазмы. С помощью их крови врачи пытаются помочь тем, кто переносит инфекцию особенно тяжело. Хотя эффективность лечения COVID-19 с помощью донорской плазмы пока не доказана.
Другой вопрос, что концентрация антител со временем падает. Для разных инфекций это происходит с разной скоростью. Например, после кори они остаются в организме на всю жизнь, а после сальмонеллеза — только полгода-год. Если говорить о коронавирусе, данные обследования 20 тыс. человек говорят о том, что у большинства переболевших стойкий антительный иммунитет сохраняется как минимум три месяца.
Иммунитет зависит только от антител?
Не только. Хорошая новость в том, что «память» иммунитета держится не на одних антителах. Ею обладают и клетки. Лимфоциты, которые производят антитела, пребывают в спящем состоянии до повторной встречи с вредителем. В нужный момент они могут быстро наделать новых «снарядов». Правда, у такой подготовки есть и обратная сторона, которая мешает создавать эффективные вакцины от некоторых вирусов.
Сталкиваясь со знакомым вирусом, организм бросает в бой в первую очередь клетки, которые были натасканы на него. Разработку новых антител он приостанавливает, чтобы сэкономить силы. Но вирус может мутировать таким образом, что его уязвимые места окажутся защищенными, а иммунитет этого не распознает. Даже хуже: вирус может использовать прикрепленное к нему антитело, чтобы проникнуть в иммунную клетку и заразить ее.
Как делается тест на антитела?
Для выявления антител в тестах используются антигены — участки с поверхности вируса, с которыми связываются эти самые антитела. Их закрепляют в лунках специальных планшетов, или плашек, а в лунки добавляют кровь пациента. Затем с помощью окрашивания выявляют антитела, которые должны были прикрепиться к антигенам. Если проба меняет цвет, это должно означать, что антитела есть.
Быстрые тесты на антитела, как правило, используются для получения простого результата «да/нет». В них две полоски, как в тесте на беременность. Есть и такие, которые ищут отдельно белки классов M (которые образуются во время болезни) и G (которые остаются в крови после выздоровления). В этом случае в тесте полосок уже три.
Есть и количественные тесты. Они уже позволяют определить не только наличие антител, но и их концентрацию. По ней можно судить и о состоянии иммунитета, и о стадии инфекционного процесса: находится он в острой форме или дело идет к выздоровлению. Для проведения количественных тестов разработчики отталкиваются от устоявшейся нормы антител, которая соответствует разными стадиям.
Стоит ли всегда доверять результатам тестов?
Результат во многом зависит от набора антигенов, которые использовали разработчики. Если выбранные антигены недостаточно специфичны, к ним прицепятся белки, вырабатываемые в ответ на другие патогены, например, родственные коронавирусы, вызывающие обычную простуду. В этом случае тест дает ложноположительный результат.
Бывают и ложноотрицательные результаты — когда у человека есть антитела к тому антигену, который в тесте не представлен. Например, так бывает с вирусами, которые открыли недавно, как в случае с SARS-CoV-2. Ложноотрицательный результат может быть и тогда, когда кровь взяли слишком рано и в ней еще недостаточно антител.
Как выбрать качественный тест на антитела?
Смотрите на показатели чувствительности и специфичности. Чувствительность — это совпадение положительных результатов теста и реальных диагнозов. Специфичность — это способность теста выявлять именно те антитела, которые относятся к конкретному патогену. Недостаточно чувствительный тест может «прозевать» часть случаев, а недостаточно специфичный — заподозрить вирус у тех, у кого его нет.
По результатам недавнего метаанализа самым надежным в определении антител к SARS-CoV-2 оказался тест ИФА — иммуноферментный тест. Его специфичность равна 99%, а чувствительность — 90–94%. Он делается в лабораторных условиях и занимает один-два дня. Менее точен экспресс-тест ИХА (иммунохроматографический), зато он занимает минут десять. На разные типы антител показатели чувствительности/специфичности могут быть разные.
Важно помнить, что тест на антитела показывает не наличие вируса, а лишь возможную реакцию организма на него. Самым точным и надежным методом диагностики вирусной инфекции ВОЗ (Всемирная организация здравоохранения) считает ПЦР-тест. Он позволяет выявить присутствие генетического материала вируса в крови. Помните, что в постановке окончательного диагноза определяющим служит не тест, а клиническая картина.
Антитело: лучший способ распознать чужого
Универсальная структура антитела позволяет распознавать не только чужеродные, но и собственные молекулы организма, а также передавать различные сигналы между клетками
Автор
Редакторы
Процесс связывания антигена с антителом состоит из множества этапов. Организму нужно создать разнообразные антитела, научить их отличать свои антигены от чужих, отобрать лучшие варианты и заставить клетки их массово производить. И это только начало иммунного ответа: связывание с антигеном влечет за собой длинную цепь молекулярных и клеточных взаимодействий, приводящих к уничтожению врага. Мы попробуем описать сложную жизнь антител в организме, поговорим о разных видах антител (не только у человека) и о том, как люди научились использовать оба свойства антител — узнавать чужого и запускать иммунный ответ — в научных и медицинских целях. Эта статья — вторая в цикле работ, посвященных терапевтическим антителам.
Терапевтические антитела
Спецпроект об антителах, истории их изучения, методах работы с ними, а также о применении антител в современной медицине и биотехнологии.
Партнер спецпроекта — Департамент вычислительной биологии одной из крупнейших российских биотехнологических компаний — BIOCAD. BIOCAD заслужил серьезные позиции на мировом фармацевтическом рынке благодаря выпуску лекарственных препаратов на основе антител.
Эта статья — вторая в цикле работ о терапевтических антителах. Первый текст был посвящен истории изучения антител и введения их в медицинскую практику [1]. По результатам сотни лет исследований мы знаем, что антитела — это молекулы, которые производятся В-лимфоцитами (В-клетками). Они обладают постоянной (константной) и изменяющейся (вариабельной) частями и умеют, с одной стороны, распознавать антиген, а с другой — активировать клетки иммунной системы и запускать иммунный ответ. Попробуем подробнее разобраться, откуда появляются антитела и как они живут в организме до и после встречи с антигеном.
Как узнать чужого
Иммунная система — это система охраны организма от внешних вторжений, например, паразитов (о том, как она работает, подробно рассказано в статье «Иммунитет: борьба с чужими и. своими» [2]). Для того, чтобы быстро обнаружить нарушителя порядка, необходимы дозорные — молекулы, которые смогут его распознать и отличить от собственных клеток. Если у группы паразитов есть какой-нибудь общий и неизменный отличительный признак, это существенно упрощает задачу. Примером могут служить бактерии, чьи жгутики по строению принципиально отличаются от эукариотических: они состоят из белка флагеллина, который в нашем организме не встречается. В таком случае нам достаточно иметь всего одну молекулу, распознающую флагеллин, и она будет сигнализировать о присутствии любой бактерии со жгутиком.
Значения терминов, выделенных полужирным шрифтом, можно посмотреть в «Словарике» в конце статьи.
Иммунная система человека делится на две большие ветви — врожденный и приобретенный (адаптивный) иммунитеты, — за изучение которых в 2011 году была вручена Нобелевская премия [3]. Врожденный иммунитет способен защищать организм сразу же, как только в того проник патоген. Приобретенный же иммунный ответ разворачивается намного дольше, однако действует более изощренно и, кроме того, быстро активируется при повторном контакте с врагом. Врожденный иммунитет можно сравнить со стремительным авангардом, который в случае серьезной угрозы зовет на помощь основные силы организма — приобретенный иммунитет. — Ред.
Но что делать, если в организм попал паразит без РАМР? Или даже не весь паразит целиком, а отдельные его части или продукты обмена? Нужно создать систему, которая не будет заточена на узнавание набора молекул, а сможет точечно опознать практически любую незнакомую молекулу и запустить иммунные реакции. Такую молекулу, которая может вызвать в организме иммунный ответ, называют антигеном.
Антигеном может стать далеко не любая молекула. Для того чтобы иммунитет на нее отреагировал, должны выполняться два важных условия. Первое — чужеродность. Молекула должна быть незнакомой, то есть непохожей на собственные молекулы организма. Пусть у нас есть белок — последовательность аминокислот. В опухолевой клетке белок мутирует, и аминокислоты заменяются на другие. Чем больше таких аминокислотных отличий от исходной молекулы, тем сильнее иммунный ответ, который вызовет такой белок. А если это не собственный белок, а чужой, не имеющий аналогов в организме, то ответ будет максимальным.
Аминокислоты, распознаваемые антителом, могут находиться как друг за другом, так и в разных участках белка. Последовательно расположенные аминокислоты образуют линейный антиген. Если же аминокислоты расположены далеко, то они могут сближаться, так как белки находятся, как правило, в свернутом состоянии (так называемые вторичная и третичная структуры). При этом возникает конформационный антиген (рис. 1).
Рисунок 1. Линейные и конформационные антигены. Конформационные антигены доступны для связывания только в интактном белке; при денатурации они исчезают. Линейные антигены присутствуют в любом белке, но денатурация делает некоторые из них доступными.
Чужеродность зависит еще и от того, с какими собственными молекулами иммунная система встречалась раньше [2]. Если, например, какой-нибудь белок находится в глазном яблоке, где нет кровеносных сосудов, то у иммунной системы нет возможности с ним познакомиться и узнать, что он свой. При повреждении глазного яблока белок может попасть в кровоток, и тогда иммунная система распознает его как чужой. Собственные антигены организма называют аутоантигенами в противоположность чужим — аллоантигенам. Когда иммунная система реагирует на аутоантигены, развиваются аутоиммунные заболевания (На «Биомолекуле» есть спецпроект, посвященный тому, почему такие заболевания возникают, и как их лечить).
Второе условие, необходимое, чтобы молекула стала антигеном, — иммуногенность (рис. 2). Иными словами — иммунная система должна иметь возможность встретиться с молекулой и ее распознать. Поэтому, например, антигенами не могут быть мел или масло — они просто не растворяются в воде. Еще антигеном не может быть очень маленькая молекула, например, отдельно взятая аминокислота — ее сложно уловить в растворе, она не свяжется прочно с антителом. Поэтому, например, для белков минимальный размер антигена — от 7 аминокислот. Но многие вещества (например, отдельные металлы) могут стать антигенами, если связаны с белком. В таком случае белок называют носителем: он «отвечает» за то, чтобы иммунная система смогла встретиться с новым веществом, а сам антиген — гаптеном: он «отвечает» за специфичность связывания. Используя носители, можно вызвать иммунный ответ на самые разные вещества, например, анилин [4] или никель [5].
Напротив, большие молекулы хорошо вызывают иммунный ответ: чем длиннее молекула, тем больше в ней участков, которые можно узнать — эпитопов. Также иммуногенность зависит от жесткости структуры — если молекула будет постоянно изменять структуру, то не получится уловить конкретный эпитоп. Поэтому, например, желатин (длинные нити) практически не вызывает иммунный ответ, если его искусственно не стабилизировать. Наконец, чтобы обладать иммуногенностью, антиген должен напоминать по структуре собственные молекулы организма. Это связано с тем, что клетки иммунной системы периодически поглощают антигены, расщепляют их и «демонстрируют» друг другу (см. ниже). А чтобы антиген было легко переварить, он должен быть похож по структуре на собственные молекулы или на молекулы, которыми питается организм, — для них в клетках есть расщепляющие ферменты. Таким образом, в большинстве случаев антигены — это белки или углеводы, в то время как остальные молекулы (например, полиэтилен или другие небиологические полимеры) вызывают иммунный ответ реже и слабее.
Рисунок 2. От чего зависит иммуногенность антигена? Каждое антитело специфично к одному эпитопу и может реагировать на близкие к нему по строению эпитопы. Чем больше эпитопов на молекуле и чем выше их разнообразие, тем сильнее иммунный ответ на антиген.
Итак, чтобы сигнализировать о патогене, необходима молекула, распознающая небольшие отличия в белках и углеводах и активирующая клетки иммунной системы. Такими молекулами служат антитела, или иммуноглобулины (Ig).
Как устроено антитело
Антитела — это растворимые белки, которые производят В-лимфоциты. У незрелых или покоящихся В-клеток на мембране закреплен предшественник антитела — В-клеточный рецептор, посредством которого В-клетка определяет присутствие антигена. И антитела, и В-клеточные рецепторы построены по одному принципу (рис. 3). Это белки, которые состоят из четырех аминокислотных последовательностей (цепей): двух тяжелых (H-цепи) и двух легких (L-цепи), прочно соединенных дисульфидными связями попарно и между парами. Два конца тяжелых цепей образуют константную часть; она не создает разнообразия и бывает всего нескольких типов. Антитела с одинаковой константной частью составляют один изотип или класс. Самые распространенные изотипы: IgG, IgM, IgD, IgA и IgE. Константная часть определяет, как антитело будет взаимодействовать с клетками или другими антителами:
С другого конца антител находится вариабельная часть, обеспечивающая их разнообразие. Концы легких и тяжелых цепей образуют две одинаковые ямки — антигенсвязывающие участки. Антитела, несущие одинаковые вариабельные части, составляют один идиотип (и могут связывать один и тот же антиген). Антитела разных идиотипов связывают разные антигены благодаря различию в форме и зарядах антигенсвязывающих участков. Можно представить себе антитело как туфельку, которая должна найти свою Золушку. Собственно отверстие туфельки — это антигенсвязывающий участок, куда помещается нога (антиген) претендентки, а константная часть — каблук, за который ее может ухватить принц (иммунная клетка).
Рисунок 3. Строение и типы антител. 1. Схема строения антитела. Две тяжелые цепи находятся внутри молекулы, две легкие — снаружи. Все они сшиты друг с другом дисульфидными мостиками (S-S). 2. Изотипы антител. Они определяются типом константной части. Некоторые изотипы могут образовывать димеры (IgA) и пентамеры (IgM) с помощью соединительной цепи (joining chain).
Антитела производят В-лимфоциты (или В-клетки). Каждый В-лимфоцит синтезирует свой идиотип антитела. Всего в нашем организме существует около миллиона типов В-клеток. У каждого человека этот миллион немного разный: это зависит не только от отличий в генах иммуноглобулинов, но и от того, как антитело формируется и какие антитела отбирает для себя организм (подробнее об этом можно прочитать в статье «Анализ индивидуальных репертуаров Т-клеточных рецепторов» [6]). Откуда берется такое разнообразие антител, учитывая, что ДНК во всех клетках организма изначально одинаковая, а генов иммуноглобулинов — ограниченное количество?
Как добиться разнообразия
В геноме человека содержится несколько кластеров генов, кодирующих иммуноглобулины, — по одному кластеру для каждой цепи (тяжелой и легкой). Цепи состоят из следующих частей: константная (неизменная), вариабельная (V — variable) и связывающая их (J — joining). В тяжелой цепи между участками V и J есть дополнительная, «разнообразная» часть (D — diversity). Кластер генов содержит множество сегментов — вариантов V, D и J-частей. Из них каждая молодая В-клетка случайным образом отбирает себе по одному, создавая уникальную последовательность антигенсвязывающих участков. Этот процесс называют рекомбинацией генов иммуноглобулинов, или V(D)J-рекомбинацией (рис. 4).
Происходит это следующим образом. Все сегменты окружены специальными сигнальными последовательностями нуклеотидов (recombination signal sequences, RSS). Между каждыми двумя V-сегментами расположен набор из 7, 23 и 9 нуклеотидов. Между каждыми двумя J-сегментами — из 9, 12 и 7. Рекомбинация происходит с участием ферментов RAG: они связываются случайным образом с одной из RSS между V-сегментами и с другой — между J-сегментами. Последовательности из 7 и 9 нуклеотидов комплементарны друг другу, поэтому образуется шпилька, в середине которой — все промежуточные, ненужные V- и J-сегменты. Ферменты катализируют образование разрывов в ДНК, вырезая шпильку. При этом два сегмента до и после шпильки соединяются. Таким образом, клетка отрезает «ненужные» части от своей ДНК, оставляя последовательность иммуноглобулина из константной части и по одному V-, D- (в тяжелой цепи) и J-сегменту. Это первый этап, на котором возникает разнообразие. Учитывая, что V- и J-сегментов содержится в геноме по нескольку десятков (а в тяжелой цепи добавляется еще и около десяти D-сегментов), в результате рекомбинации можно образовать тысячи вариантов цепей.
Рисунок 4. Рекомбинация генов иммуноглобулинов, первый этап. Сегменты в каждой группе обозначены цифрами — V1, V2, V3, J1, J2 и так далее. Нонамер (9 нуклеотидов) и гептамер (7 нуклеотидов) — сигнальные последовательности нуклеотидов, комплементарные друг другу. Их связывание друг с другом позволяет образовать кольцо. Таким образом остаются соединены только один из V- и один из J-сегментов.
иллюстрация Елены Беловой по книге Ярилина А.А. Иммунология («ГЭОТАР-Медиа», 2010)
В-клетка может переключаться с одного изотипа антитела на другой, меняя его константную часть. Происходит это с помощью механизма, похожего на рекомбинацию. Гены, кодирующие константную часть, расположены друг за другом (M, D, G, A, E) и разделены S-последовательностями (от switch — переключение). Следовательно, можно соединить две S-последовательности с образованием шпильки и вырезать то, что между ними. Таким образом, переключение изотипов оказывается необратимым: если один раз вырезать участок, кодирующий, например, константную цепь типа G, вернуть его обратно не получится.
У развивающейся В-клетки иммуноглобулин изначально относится к классу М и прикреплен к мембране в составе B-клеточного рецептора (BCR). Этот рецептор нужен, чтобы сортировать В-клетки и избирательно активировать только те, чье антитело подходит для борьбы с конкретным патогеном. Только после активации клетка начинает производить антитело и выбрасывать его в окружающую среду. Таким образом, каждая В-клетка может производить и антитела, и В-клеточные рецепторы одинаковой специфичности. Это две молекулы, очень похожие по строению, но разные по функциям, которые не стоит путать. Кроме того, в организме человека есть и еще одна молекула, похожая по строению на антитело — Т-клеточный рецептор. Она находится на поверхности Т-лимфоцитов и тоже нужна для распознавания антигена. Но это уже совсем другая история — о взаимодействии Т-лимфоцитов с клетками организма [7].
Как работает антитело
Допустим, перед нами уже активированная В-клетка, которая производит и выделяет антитела. Куда им отправиться на поиски антигена? Здесь возможно несколько вариантов.
Растворимые антигены можно встретить свободно плавающими в крови. Это могут быть частички покровов патогена, продукты его обмена веществ или испорченные белки собственного организма — например, мутировавшие, как в случае раковых клеток, или неправильно свернутые. Последствия встречи антитела с растворимым антигеном могут быть разными.
Поверхностные антигены ждут антитела на мембранах клеток. Это могут быть клетки бактерий или собственные клетки человека, например, пораженные вирусом. В случае бактерий антитела тоже могут блокировать работу антигена (например, если прилипнут к белкам бактериального жгутика, — тогда бактерия не сможет передвигаться) или служить опсонином. На антитело, связанное с клеткой, снова реагирует комплемент — в результате каскада реакций в мембране образуются сквозные каналы, и клетку буквально превращают в решето. Кроме того, «черная метка» служит сигналом для иммунных клеток, запуская фагоцитоз или выделение токсичных веществ (рис. 5) [8].
Рисунок 5. Разнообразие функций антител. Помимо прямой — связывания с мишенью, — антитела обладают также набором других функций. Они активируют комплемент и иммунные клетки, направляя их действие на мишень, а в медицине и молекулярной биологии могут использоваться как специфические транспортеры веществ.
Презентация антигена
Кроме того, в организме есть клетки-шпионы, их называют антигенпрезентирующими клетками. К ним относятся специализированные клетки в тканях (дендритные клетки), а также макрофаги и В-клетки. Они несут на поверхности комплекс МНС II типа (МНС II), с которым связаны фрагменты белков, захваченных клеткой из окружающей среды. Клетки-шпионы постоянно поглощают вещества извне, пропускают их через протеасому и так же выставляют на поверхность. Это уже не опись имущества, а настоящий донос — «а я видел, тут мимо проплывал. ». Сами по себе антитела не узнают антигены, связанные с МНС. Зато их отлично узнают родственные антителам Т-клеточные рецепторы, что позволяет им атаковать клетки, демонстрирующие необычные белки (на МНС I) и активироваться при «доносе» о необычных белках (на МНС II) (рис. 6) [9].
Рисунок 6. Функционирование комплексов МНС. а — Комплекс МНС I связывается с расщепленными фрагментами внутриклеточных белков. Он презентирует антиген Т-киллерным лимфоцитам. Если антиген Т-киллеру не знаком, значит, в клетке находятся вирусные или мутировавшие (опухолевые) белки, и клетка подлежит уничтожению. б — Комплекс МНС II соединяется с фрагментами белков, поглощенных извне (экзогенных). Он презентирует антиген Т-хелперным лимфоцитам. Когда они узнают «свой» антиген, они активируются и могут, в свою очередь, активировать Т-киллера или В-клетку.
Жизнь антител в организме
Теперь соберем весь пазл вместе. Проследим за жизнью В-лимфоцитов и их антител с самого начала. Молодые В-клетки развиваются в красном костном мозге. Там, под действием окружающих клеток соединительной ткани, каждой В-клетке предстоит сформировать свое собственное антитело.
Как мы уже писали выше, В-клетки умеют создавать множество уникальных генов иммуноглобулинов. Но не все эти гены будут рабочими — где-то возникнут поломки из-за многочисленных разрезов и перестроек, где-то итоговый белок не сможет принять правильную структуру. Следующая веха в жизни В-клетки — проверка профпригодности антител. Сначала В-клетка перестраивает ген тяжелой цепи на одной из двух хромосом. Потом синтезирует соответствующие белковые цепи, собирает из них псевдоантитело (вместо легких цепей в нем суррогатные цепи) и выставляет его на мембрану. Если все прошло успешно, то антитело с поверхности клетки посылает сигнал, блокирующий дальнейшую перестройку тяжелой цепи и программу апоптоза — механизма клеточного самоубийства, при котором клетка расщепляет себя изнутри. Если псевдоантитело по каким-то причинам собрать не удалось, запускается перестройка генов на второй хромосоме. Если и со второй попытки не удается сделать рабочую цепь, включается программа апоптоза, и клетка гибнет. Если же тяжелая цепь собрана правильно, у клетки есть две попытки сформировать работающую легкую цепь. Как только иммуноглобулин полностью собран, он появляется на мембране В-лимфоцита, и перестройка генов заканчивается. Теперь у клетки появилось свое уникальное антитело и своя специфичность.
После того, как В-лимфоцит собрал свое антитело, он проходит через строгий отбор (селекцию). Цель его — уничтожить клетки, которые реагируют на собственные антигены организма и могут вызвать аутоиммунную реакцию. А таких среди молодых В-лимфоцитов до 75%! Селекция устроена следующим образом: вокруг В-клеток в красном костном мозге сидят поддерживающие клетки, каждая из которых «показывает» В-клеточному рецептору свои антигены. Каждое связывание В-клеточного рецептора с антигеном посылает в клетку сигнал, стимулирующий апоптоз. В то же время, на поверхности В-клеток есть рецепторы к белкам BAFF и APRIL, которые тоже находятся на поддерживающих клетках. Через рецепторы к BAFF и APRIL поступает сигнал, запрещающий апоптоз. Но этих рецепторов довольно мало. Поэтому, если В-клетка хорошо связывает антигены на окружающих клетках, то проапоптотических сигналов становится больше, чем противоапоптотических, и клетка погибает. А если она связывает антигены плохо или не связывает вообще, то сигналов от BAFF и APRIL рецепторов достаточно для ее выживания. При условии, что селекция работает нормально, из всего разнообразия В-клеток и их антител выживают только те, которые узнают что-то, отличное от собственных молекул организма (рис. 7).
Рисунок 7. Схема развития В-клеток. Прежде чем зрелая В-клетка будет готова синтезировать антитела, она проходит многоэтапную селекцию. Это нужно, чтобы отсеять нерабочие и опасные для организма варианты антител.
Молодая В-клетка плавает с током крови по организму до тех пор, пока не встретит свой антиген. В-клеточный рецептор (BCR) связывается с антигеном, но этого недостаточно для активации. Нужно, чтобы иммунная система официально подтвердила — да, этот антиген действительно опасен. Поэтому В-клетка поглощает комплекс ВCR—антиген, разрезает антиген на части и выставляет их на поверхность в составе комплекса МНС-II. Тем самым она сигнализирует о том, что может создать антитело к вот такому антигену.
В это же время по организму путешествуют Т-хелперные лимфоциты, клетки-помощники. У них есть Т-клеточный рецептор, тоже специфичный к конкретному антигену. Для выполнения своих функций Т-хелперам надо активироваться. Это происходит при встрече с антигенпрезентирующей клеткой, несущей в составе MHC-II антиген, подходящий к Т-клеточному рецептору. Антигенпрезентирующими клетками могут быть как «профессионалы» (дендритные клетки), так и сами В-клетки. Проконтактировав с ними, Т-хелпер получает сигнал тревоги и активируется. Теперь он «знает», что в организме есть такой антиген, и способен активировать В-клетку, если они встретятся. Почему Т-хелпер не может сразу в ответ активировать В-лимфоцит, если он сам выступает в роли антигенпрезентирующей клетки? Контакт с антигенпрезентирующей клеткой протекает очень быстро, а Т-хелперу требуется время, чтобы синтезировать необходимые для активации вещества, поэтому он просто не успевает это сделать и уходит в поисках других подходящих В-клеток. Долгожданная встреча обычно происходит в лимфатических узлах или более крупных лимфоидных органах — красном костном мозге и селезенке. В-клетка показывает с помощью МНС-II антиген, который она способна узнать. Т-хелпер связывается с этим антигеном, «подтверждая», что это тот самый опасный антиген, который уже встречался в организме, и активирует В-клетку (рис. 8) [10].
Рисунок 8. Схема встречи В-клетки и активированного Т-хелпера. В-клетка связывает антиген с помощью рецептора (BCR), поглощает его и выставляет в составе МНС-II. Активированный Т-хелпер связывается с МНС с помощью молекулы CD4 и узнаёт антиген своим Т-клеточным рецептором (TCR). Затем Т-хелпер выделяет интерлейкины (IL2/4/5), которые связываются с соответствующими рецепторами (ILR) на В-клетке и активируют ее.
Затем происходит процесс усовершенствования антител — соматический гипермутагенез. В-лимфоцит делится, образуя клон — группу клеток, производящих одинаковые антитела. Клетки клона получают шанс сделать антитело, которое еще лучше связывается с их антигеном, чем предыдущая его версия. При этом клетки случайным образом заменяют нуклеотиды в вариабельных частях гена иммуноглобулина, создавая разнообразные вариации на тему исходного антитела, точнее, его антигенсвязывающей части. Те из них, которые будут распознавать антиген лучше всего, получат сигнал к делению, и образуют окончательный В-клеточный клон. Все клетки клона способны производить один и тот же идиотип (с одинаковой вариабельной частью), но могут переключаться между изотипами (изменять константные части) в зависимости от условий. Большинство из клеток клона превращаются в плазматические клетки. Они перестают производить В-клеточный рецептор и начинают выделять полноценные растворимые антитела. Антитела попадают в кровь, разносятся по организму и связываются с антигеном. Где-то они просто его обезвреживают и в составе иммунных комплексов выводятся из организма. Где-то они работают опсонинами («черными метками») и активируют другие клетки иммунной системы.
После успешного иммунного ответа польза антител для организма не заканчивается. Часть клеток клона становится клетками памяти, они не участвуют в первичном иммунном ответе. Зато при повторной встрече с антигеном они помогут развить вторичный иммунный ответ. Им уже не понадобится искать «своего» Т-хелпера: при первой же встрече с антигеном они начинают производить антитела. Поэтому вторичный иммунный ответ развивается быстрее первичного и работает эффективнее. На этом основан эффект вакцинации — мы знакомим организм с новыми антигенами. Их можно вводить в составе убитого или ослабленного возбудителя заболевания или в виде отдельных молекул. Но принцип остается одним — мы вводим в организм антиген, он запускает иммунный ответ. Первичный ответ, как правило, будет слабым, так как антигена немного и он не вредит организму, но при этом формируется пул клеток памяти. И если через какое-то время приходится иметь дело с настоящим живым патогеном, то развивается вторичный ответ.
На измерении количества (титра) антител в крови основана диагностика многих заболеваний. Например, если мы хотим выяснить, есть ли в организме человека какая-нибудь бактерия, можно проверить кровь на антитела к ее ключевым антигенам. По количеству и типу антител мы можем сказать, насколько тяжело протекает заболевание и давно ли оно началось (в первичном ответе сначала участвуют IgM, потом IgG, во вторичном — в основном IgG, и их гораздо больше).
Какие еще бывают антитела
Можно представить себе антитело как конструктор: изменяя отдельные части молекулы, мы можем влиять на ее функцию. Изменится вариабельная часть — она станет специфична к другому антигену, изменится константная — ее станут узнавать другие иммунные клетки, и она сможет работать в других условиях (например, IgA — в слизистой оболочке). Этот принцип работает у всех позвоночных животных [11], и некоторые из них даже разработали полезные дополнения к этому конструктору, которые стоит взять на заметку [12].
У птиц репертуар антител менее разнообразен, чем у нас. В частности, у них нет отдельно взятых антител класса G и Е, зато есть промежуточный класс, сочетающий свойства и тех и других — IgY (Y — от yolk, «желток», поскольку этих антител много в яичном желтке). Молекулы IgY чуть тяжелее, чем наши IgG, и более жесткие. Зато их константную часть могут распознавать рецепторы и к IgG, и к IgЕ [13]. Если мы научимся создавать вакцины на основе куриных антител, то они будут лучше стимулировать иммунный ответ. И использовать их будет просто: берем курицу, заражаем ее каким-то патогеном (или просто его антигеном), а она откладывает нам яйца, богатые IgY, специфичным к этому патогену. Этот метод предполагают использовать для лечения разных воспалительных процессов, в том числе бактериальных инфекций. На данный момент он проходит клинические испытания, но конкретные препараты пока не разработаны.
Коровы пошли по пути удлинения антител. В их желудке обнаружены иммуноглобулины М со своеобразной «ручкой» — дополнительным отделом вариабельной части. Каждая «ручка» специфична к своему вирусному антигену. Полагают, что это уникальное изобретение жвачных для защиты пищеварительной системы. В их желудке пища задерживается надолго для переваривания желудочной микрофлорой. И для защиты этой микрофлоры от патогенов сформировались антитела с ручкой, которые могут дотянуться до эпитопов, спрятанных глубоко внутри молекулы антигена. Можно предположить, что, пришивая такую ручку к нашим иммуноглобулинам, мы сможем повысить их разнообразие, и они начнут связываться с эпитопами, до которых раньше не доставали. Но это пока теоретические размышления, до практических применений должно пройти еще немало времени.
А вот верблюды, сумчатые млекопитающие и хрящевые рыбы используют обратную стратегию — уменьшение антител (рис. 9). Среди их иммуноглобулинов есть фракция молекул, лишенных легких цепей, — их назвали HCAb (heavy chain antibody). Антигенсвязывающий участок у них образован только тяжелой цепью. Это легкое антитело оказалось очень выгодным, не зря оно появлялось в эволюции позвоночных несколько раз независимо. С одной стороны, оно легче, поэтому лучше путешествует по организму и выводится почками. С другой стороны, антигенсвязывающий участок меньше, поэтому может проникать, например, в активные центры ферментов. При этом антитело не только опсонизирует фермент, но и блокирует его работу. Это свойство ученые собираются использовать для борьбы против онкологических заболеваний. Можно от антитела верблюда отрезать константную часть, оставив только вариабельную — получится совсем маленькое нанотело. С помощью него можно, например, избирательно блокировать факторы роста раковых клеток [14], [15].
Рисунок 9. Необычные антитела у животных. Иммуноглобулины верблюда состоят из одних лишь тяжелых цепей (слева) а иммуноглобулин коровы несет дополнительную «ручку» на вариабельной цепи (справа).
Что мы можем сделать с антителами
Современные ученые не отстают от наших младших позвоночных братьев и тоже разрабатывают модифицированные антитела. Можно выделить два крупных направления работы с антителами. Первое — молекулярно-биологическое. Коль скоро антитела умеют специфично связываться с антигенами, можно использовать их как метку. Об этом мы подробно рассказывали в статье, посвященной иммунологическим методам [16]. Например, можно пришить к антителам светящиеся метки и окрашивать ими гистологические препараты: там, где мы увидим свечение, находится интересующее нас вещество.
Второе направление — медицинское [1]. С помощью антител можно не только иммунизировать человека, но и адресно доставлять в его организм вещества. Например, можно взять антитело, специфичное к белку опухоли, и пришить к нему (конъюгировать) токсичное вещество. Таким образом лекарство будет избирательно накапливаться в опухоли.
Антитела, безусловно, являются очень многообещающим конструктором. Однако для того, чтобы их широко применять, нужно научиться их производить в больших количествах. А для того чтобы ими лечить — убедиться в специфичности их действия и отсутствии побочных эффектов. О том, как лаборатории справляются с разработкой и производством антител, читайте в следующих статьях нашего цикла.
Департамент вычислительной биологии компании BIOCAD — спонсор спецпроекта
BIOCAD — международная биотехнологическая компания, которая создала умную технологическую платформу, объединившую в себе компьютерное моделирование и современные принципы синтеза генов de novo.
В компании реализован полный цикл выпуска лекарственных препаратов: от поиска лекарственной молекулы до массового производства и маркетинговой поддержки.
Компания ведет два масштабных проекта:
Для разработки лекарственных препаратов BIOCAD применяет технологию structure-based drug design, использующую методы компьютерного моделирования. Это позволяет сделать поиск молекул направленным. С помощью математического моделирования отобранная молекула оптимизируется под конкретную мишень, а затем воспроизводится в реальной лаборатории.
В основе большинства разработок компании лежит математическое моделирование. То, что раньше было возможно осуществить исключительно in vitro в стенах лабораторий, по мнению исследователей BIOCAD, сегодня может быть воплощено in silico силой чистого разума.
Здесь собрали одну из лучших команд биоинформатиков в стране, которая занимается научными исследованиями, разрабатывает и внедряет новейшие методы интеллектуального анализа данных. В ее распоряжении один из мощнейших вычислительных кластеров, и если еще 2–3 года назад можно было только мечтать о решении задач направленного дизайна белковых молекул, то сейчас это одно из направлений работ Департамента вычислительной биологии.
Материал предоставлен партнёром — Департаментом вычислительной биологии компании BIOCAD