Теория тканевого параллелизма в сравнительной иммунологии

УДК 612.017.11 Вестник СПбГУ. Сер. 3, 2005. вып. 3

А. В. Полевщиков, И. В. Кудрявцев, И. С. Дьячков, А. Д. Харазова

ТЕОРИЯ ТКАНЕВОГО ПАРАЛЛЕЛИЗМА В СРАВНИТЕЛЬНОЙ ИММУНОЛОГИИ

Данная публикация основана на материалах доклада, прочитанного на заседании кафедры цитологии и гистологии СПбГУ и Санкт-Петербургского общества естествоиспытателей, посвященном памяти профессора А. А. Заварзина, которое состоялось в Санкт-Петербургском университете в ознаменование 80-летия со дня его рождения.

Я (А. В. Полевщиков) всегда с гордостью говорю, что я окончил кафедру цитологии и гистологии под руководством профессора Алексея Алексеевича Заварзина. Помню, что в восприятии студентов лекции А. А. Заварзина были совершенно необычными, на них нельзя было не заразиться его интересом к предмету.

Любая лекция проходила динамично и насыщенно, и хотя начало лекции было степенным и академичным, постепенно сам А. А. Заварзин, а вместе с ним и вся аудитория входили в какое-то совершенно особенное состояние сопричастности к истине, к великой проблеме, решение которой происходило прямо на наших глазах. В эти лекции логично и совершенно естественно вписывалось и то обстоятельство, что уже к концу первого лекционного часа профессор начинал стирать рисунки с доски рукавом халата, а концу лекции сам профессор, кафедра знаменитой 133-й аудитории и первые ряды были покрыты ровным слоем мела. При это не заразиться интересом А. А. Заварзина, не проникнуться его интересами и оценками было совершенно невозможно.

Я был как раз в числе тех, кого профессор А. А. Заварзин увлек изучением сравнительно-гистологических проблем. Но так сложилось, что всю свою научную жизнь мне до-.велось заниматься одним из самых трудных для теории сравнительного параллелизма разделов - гистологией тканей внутренней среды, а точнее - сравнительной иммунологией. Интерес А. А. Заварзина к сравнительной иммунологии, вероятно, возник в середине - конце 1970-х годов. Но уровень развития этой науки в то время был таким, что неоднократно в беседах с коллегами за чаем на кафедре и со студентами на лекциях профессор сокрушался о том, что все остальные тканевые типы и системы органов великолепно подчиняются закономерностям теории тканевого параллелизма по принципу функциональной аналогии, разработанной академиком А. А. Заварзиным, но этого нельзя сказать об иммунной системе, о всех защитных реакциях. Его особенно смущало, что у беспозвоночных не обнаружено молекул иммуноглобулинового суперсемейства, с наличием которых в то время однозначно связывали функционирование иммунной системы. Сколь изменились наши представления за последнее время, каковы базовые концепции сравнительной иммунологии и действительно ли ткани внутренней среды не подчиняются теории тканевого параллелизма - обо всем этом далее и пойдет разговор.

В середине - конце 1980-х годов однозначно было доказано наличие молекул иммуноглобулинового суперсемейства у всех позвоночных животных, подозревалось их наличие у всех вторичноротых животных. Что касается первичноротых животных, то их защитные реакции рассматривались вне связи с иммуноглобулиновым суперсемейством. Представления о механизмах защиты первичноротых опирались на механизмы врожденного иммунитета, втом числе наличие антибиотиков животного происхождения (цекропины, аттацины),

© А. В. Полевщиков, И. В. Кудрявцев. И. С. Дьячков, А. Д. Харазова, 2005

роль фенол-оксидазной системы, наличие опсонинов и фагоцитоз. Тем более что отрицательные результаты ранее были получены и при оценке наличия иммунологической памяти у первичноротых, равно как и способности к тонкому, прецизионному распознаванию чужеродных структур.

В настоящее время молекулы иммуноглобулинового супермейства найдены у совершенно разных беспозвоночных: насекомых, моллюсков и даже губок (рисунок), но загадки их иммунной системы оказались связаны отнюдь не только с иммуноглобулиновой природой рецепторов. Тем более что до настоящего времени у беспозвоночных действительно не обнаружено механизмов реаражировки (соматической рекомбинации) иммуноглобулино-вых генов, что как раз и является материальной основой высочайшей специфичности иммунного ответа позвоночных.

I» ШМ1-

с*с* Гей (ей Гей

FN FN FN FN FN

P

(Я),_„

s-5 M FIBRINOGEN}-

I I

26 lgC2 31 FN

HEMOLIN Hyalophora

LACHESIN

AMALGAM

PEROXIDASIN

DTRX

FASCILIN II

РАБСИЛ III

NEUROGLIAN

FREP

MDM

Drosophila

Biomphalaria

Lymnaea

TWITCH IN Coenorhabditis

Рее. ТК

Geodia

Молекулы иммуноглобулинового суперсемейства у беспозвоночных

Анализ эффективности механизмов врожденного и приобретенного иммунитета приводит к .парадоксальным выводам (табл. 1). С одной стороны, врожденный иммунитет основан на распознающих молекулах, закрепленных в геноме, реаранжировка которых не является необходимой, отсутствием клонального размножения вовлеченных в ответ однотипных клеток. При этом распознавание идет за счет высоко консервативных паттернов, открытие которых в середине 1990-х годов Ч. Дженуэем и Р. Меджитовым вывело сравнительно-иммунологические исследования на принципиально новый уровень и оказалось исключительно плодотворным. Для врожденного иммунитета характерно принципиальное решение проблемы распознавания «свое»—«чужое». Эволюция привела к сохранению паттернов распознавания только «не-своего», аутоспецифичности были отбракованы. Реакции врожденного иммунитета отличает и немедленная активация клеток-эффекторов.

Таблица 1. Сравнение врожденного и приобретенного иммунитета

Признаки Врожденный иммунитет Приобретенный иммунитет

Рецепторы Закреплены в геноме Кодируются генетическими сегментами

Реаражировка не является необходимой Реаражировка необходима

Размножение Неклональное, все клетки класса одинаковы Клональное, все клетки класса различны

Распознаваемые Консервативные паттерны Структурные особенности

лиганды

Распознавание Завершенное, Незавершенное,

«Свое»-«чужое» сформировалось в ходе эволюции осуществляется в каждой клетке

Время действия Немедленная активация эффекторов Отложенная активация эффекторов

Результаты Костимуляторные молекулы; цитокины

Что касается приобретенного иммунитета, то его рецепторы кодируются как раз различными генетическими сегментами, для функционирования рецепторов необходима реаранжировка генов. Клонально-селекционная теория Ф.-М. Бернета с 1959 г. является одним из краеугольных камней современной иммунологии. Распознавание антигена идет не за счет паттернов распознавания, т. е. наборов консервативных и чужеродных структур, а за счет наличия в молекулах белков, углеводов и т. д. уникальных молекулярных группировок, формирующих антигенные детерминанты. При этом распознаются как «свои», так и «не-свои» антигены, поэтому проблема предотвращения аутоиммунной реакции, разрушительного ответа на аутоантигены, является очень актуальной именно для системы приобретенного иммунитета и решается в ходе дифференцировки каждой имму но компетентной клетки. Если врожденный иммунитет отличает немедленный ответ клеток-эффекторов, то для приобретенного иммунитета свойственен отложенный ответ, гораздо более поздний по сравнению с врожденным иммунитетом. О том, что эффективнее можно спорить очень долго.

Однако целями любой защитной реакции, развивающейся через механизмы как врожденного, так и приобретенного иммунитета, являются:

• блокада проникновения патогена;

• его иммобилизация;

• ограничение и полная блокада его размножения;

• уничтожение патогена;

• элиминация патогена;

• изоляция патогена, если уничтожение и элиминация были неэффективными.

Каково участие систем врожденного и приобретенного иммунитета в реализации этих целей? Краткий анализ приведен в табл. 2. В блокаде проникновения патогена задействованы барьерные эпителии, слизистые слои на них, механизмы мукоцшгаарного клиренса покровов со стороны врожденного иммунитета и секреторный ^А как фактор приобретенного иммунитета.

Таблица 2. Роль врожденного и приобретенного иммунитета в реализации этих целей

Цели Врожденный иммунитет Приобретенный иммунитет

защитной реакции- Участие Пример Участие Пример

1. Блокада проникновения + Покровы + Б^А

2. Иммобилизация + Закисление среды, Tf, Lf, Нф -/+ Очень поздно

3. Блокада размножения + Дефенсины, МРО, С' -/+ АТ

4. Уничтожение + МРО, С', лектины, опсонины, фагоцитоз +/- Через механизмы врожденного иммунитета

5. Элиминация + Фагоцитоз - То же

6. Изоляция + Фб, капсулы +/- «

Примечание. Tf - трансферрин, Lf - лактоферрин, МРО - миелопероксидаза, С' - комплемент, Нф -нейтрофилы, Фб - фибробласты, AT - антитела, slgA - секреторный IgA.

Иммобилизация патогена осуществляется такими факторами неспецифической резистентности как закисление среды в очаге воспаления, бактериостатическое действие желе-зо-связывающих трансферрина, ферритина, лактоферрина и бактерицидное действие де-фенсинов, несомненная роль нейтрофилов. Аналоги нейтрофилов, т. е. специализированных гранулоцитов, вовлеченных в защитные и репаративные реакции, можно выявить практически у всех беспозвоночных, что как раз может рассматриваться как один из примеров возникновения сходных структур по принципу функциональной аналогии. Что касается приобретенного иммунитета, то его роль скорее очень поздняя в этом процессе. Более того, именно эта отложенность реакций приобретенного иммунитета может стать критичной для организма, примером чего является огромное количество жертв чумных эпидемий. Ведь от момента инфицирования до летального исхода при легочной форме чумы может проходить всего 24-48 ч, в то время как период эффективности приобретенного иммунитета начинается по меньшей мере с 4-5 суток.

Механизмы врожденного иммунитета осуществляют и главную блокаду размножения патогенов. Здесь уместно вспомнить участие дефенсинов, миелопероксидазы, каскада комплемента, роль процесса фагоцитоза. Роль факторов приобретенного иммунитета гораздо скромнее. Эффективные концентрации антиген-специфических антител еще только должны сформироваться в результате иммунного ответа, точно так же как и цитотоксиче-ские CD8+ Т-лимфоциты. Поэтому в начале защитной реакции основная нагрузка по блокаде размножения патогенов принадлежит факторам врожденного иммунитета.

В уничтожение патогена вовлечено множество факторов врожденного иммунитета. Одновременно когда мы говорим о том, что антитела осуществляют уничтожение патогена, не стоит забывать, что сами антитела выступают только в роли векторов, наводящих удар эффекторных систем врожденного иммунитета, например, каскада комплемента в ходе гуморальных реакций или фагоцитов в случае опсонизации патогена. Иными словами, эффекторами и в этом процессе выступают механизмы врожденного иммунитета. То же самое можно сказать и о процессе элиминации.

Что касается процесса изоляции, то роль фибробластов - факторов врожденного иммунитета, несомненное гистогенетическое единство тканей внутренней среды, в том числе и клеток, вовлеченных в иммунные реакции, все это указывает на преобладание роли врожденного иммунитета.

Анализ сведений, приведенных в табл. 2, позволяет ставить принципиальный вопрос: какую функцию в действительности играет система приобретенного иммунитета? И так ли был далек от истины профессор А. А. Заварзин, когда в своих лекциях говорил, что именно врожденный иммунитет является универсальным механизмом защиты, характерным для всех живых существ? Следовательно, через 125 лет после работ J1. Пастера, положивших начало иммунологии как науки, мы должны признать, что функции системы приобретенного иммунитета остаются для нас не вполне понятными, а вопрос о том, является ли осуществление защиты организма против внешних патогенов главной функцией приобретенного иммунитета, остается открытым.

Позднее включение механизмов приобретенного иммунитета, их слабая роль в уничтожении и элиминации патогена косвенно свидетельствуют о том, что функция приобретенного иммунитета иная, чем осуществление антимикробной защиты. Здесь уместно обратить внимание и на тот факт, что ни одна другая система органов не дублируется по функциям. При всем многообразии межсистемных связей не дублируются функции нервной, пищеварительной или дыхательной систем. Но почему именно на иммунную систему должно выпадать дублирование функций? Обычно это объясняется тем, что именно на иммунную систему приходится особенно большая нагрузка в виде постоянного антигенного давления со стороны окружающей среды. Но так ли это? Ведь в равных условиях по этому критерию находятся и позвоночные, и беспозвоночные животные, причем последние обладают только факторами врожденного иммунитета, что не мешает им успешно выживать в течение десятков и сотен миллионов лет эволюции. Это как раз указывает на колоссальную эффективность механизмов врожденного иммунитета и еще больше подчеркивает актуальность вопроса о функциях приобретенного иммунитета.

Еще одним примером справедливости положений теории тканевого параллелизма является становление и эволюция молекул главного комплекса гистосовместимости. Если 20 лет назад этот комплекс был выявлен только у позвоночных животных, то в настоящее время аналогичные молекулы обнаружены у всех многоклеточных организмов. Они возникают совершенно независимо, на различной молекулярной основе, но их функция едина -маркирование «своих» клеток, формирование внутренней системы контроля «свое»-«чужое». Постепенно на главный комплекс гистосовместимости ложатся новые функции: участие в процессах тканевой дифференцировки, презентация антигена и даже подбор полового партнера, так как установлено, что у млекопитающих с лущенные с клеточных мембран молекулы главного комплекса гистосовместимости I класса играют роль феромонов после выделения с мочой и потом.

Возможности сравнительно-иммунологического подхода хорошо видны на примере анализа структуры и функции такого важного органа иммунной системы как тимус. Тимус найден у всех позвоночных, начиная с рыб, и во всех группах имеет примерно одинаковый план строения. Он состоит из долей, разделенных трабекулами на дольки, каждая из которых имеет корковое и мозговое вещество. В ходе сравнительно-иммунологического анализа выясняется, что тимус - центральный орган иммунной системы - вовсе не является первым ее органом. Гораздо раньше тимуса, уже у круглоротых, появляются лимфо-эпителиальные органы по ходу кишечника, которые сохраняются у всех более высокоорганизованных животных.

Гистогенез тимуса также указывает на его тесную связь с кишечной трубкой. При этом, если у человека тимус формируется с участием материала III и IV глоточных карманов, то у мыши - из материала II, III и IV глоточных карманов. Из той же эмбриональной

закладки формируется аденоидная ткань и небные миндалины, структура которых - лимфо-эпителиальный симбиоз - явно сближает их с тимусом. В этой связи несколько меняется отношение к появляющимся время от времени гипотезам, экспериментальным фактам и клиническим наблюдениям, согласно которым не только тимус, но и ткань небных миндалин, аденоидных вегетаций и лимфоидные скопления по ходу кишечника могут выступать в роли центральных органов иммунной системы, в которых происходит созревание и диффе-ренцировка имму некомпетентных клеток.

Более того, до настоящего времени точно неизвестно, из каких эмбриональных зачатков формируется тимус. В литературе можно найти свидетельства возникновения тимуса из материала только энтодермы либо эктодермы и энтодермы с последующим проникновением клеток мезодермального происхождения.

Сравнительно-иммунологический анализ позволяет по-новому взглянуть на процессы созревания и диффренцировки тимоцитов. Согласно установившейся точке зрения, в ходе созревания путем апоптоза гибнет 95-99% формирующихся тимоцитов. Однако морфологические данные позволяют с большим трудом выявить даже 10-15% апоптотических клеток в тимусе. Причиной такого существенного расхождения данных теории и экспериментальных наблюдений может механический перенос результатов, полученных in vitro на картину процессов in vivo. На опасность таких экстраполяции очень любил в своих лекциях указывать профессор А. А. Заварзин. Оказывается, что сведения о 95-99% гибнущих путем апоптоза тимоцитов получены на основе данных конца 1960-х годов о проценте меченых тимоцитов в культуре, но эти результаты никогда не проверялись in vivo. Мы по сей день реально не знаем, что происходит в тимусе в ходе созревания и дифференцировки Т-клеток, имеют ли место процессы позитивной и негативной селекции, случайный или направленный характер носит формирование специфичностей Т-клеток.

Существует еще одно явление, на которое до сих пор обращается явно недостаточное внимание. Речь вдет о запустевании тимуса с возрастом (возрастная инволюция) или в результате стресса (акцидентальная трансформация). Неясным остается биологический смысл этих явлений. Почему в ответ на стресс незрелые тимоцйты, прежде всего, кортикальные и субкортикальные, покидают тимус? Версия о роли повышения концентраций глюкокорти-коидных гормонов при стрессе не выдерживает критики. Во-первых, концентрации глюко-кортикоидных гормонов, использовавшихся для индукции апоптоза тимоцитов, в десятки раз превышали физиологические, и, во-вторых, сами клетки тимуса, его кортикального эпителия синтезируют глюкокортикоиды, которые, как выясняется, совершенно необходимы для нормального созревания этих клеток. Но тогда запустевание тимуса в ответ на стресс, на микробную инфекцию становится совершенно необъяснимым с точки зрения классической иммунологии, ибо выход в циркуляцию функционально незрелых клеток не способен обеспечить успех в борьбе с инфекцией.

Однако все накопившиеся противоречия и экспериментальные факты получают логичное объяснение, если мы предположим, что функцией системы приобретенного иммунитета является вовсе не защита внутренней среды от внешних патогенов, а контроль регенерации и репарации. Тимус в этом случае становится не только местом формирования новых Т-лимфоцитов, но и местом накопления пула стволовых клеток взрослого организма. Получает свое объяснение факт отложенного запуска приобретенного иммунитета, так как репарация всегда следует за завершением защитной реакции, осуществляемого механизмами врожденного иммунитета. Факт запустевания тимуса на фоне инфекции также может быть объяснен в рамках этой гипотезы необходимостью повышения уровня циркулирующих стволовых клеток. Мы также получаем объяснение, почему лимфоциты способны синтезировать все или почти все ростовые факторы: факторы роста эпителия, фибробластов, гепа-тоцитов и т. д. Именно эти ростовые факторы запускают превращение стволовой клетки в сторону того или иного тканевого ростка.

И, завершая этот анализ, хотелось бы еще раз подчеркнуть, как был прав Алексей Алексеевич Заварзин - энтузиаст и провидец - когда говорил об иммунной системе, что «все-таки должно же что-то там из параллелизмов быть!»

Summary

Polevschikov А. V., Kudryavtsev I. V., Dyachkov I. S., Kharazova A. D. The theory of tissue parallelisms in comparative immunology.

The article includes the speech given at the meeting held in St. Petersburg University and dedicated to the 80-th anniversary of Professor A. A. Zavarzin. Modern views of parallelisms in defense mechanisms of invertebrate and vertebrate animals are presented.

Статья поступила в редакцию 5 мая 2005 г.