Антитела

Антитела́, иммуноглобулины — крупные глобулярные белки плазмы крови, выделяющиеся плазматическими клетками иммунной системы и служащие для нейтрализации клеток патогенов и вирусов, а также белковых ядов и некоторых других чужеродных веществ. Каждое антитело распознаёт уникальный элемент патогена, отсутствующий в самом организме, — антиген, а в пределах данно

Антитела́, иммуноглобулины — крупные глобулярные белки плазмы крови, выделяющиеся плазматическими клетками иммунной системы и служащие для нейтрализации клеток патогенов (бактерий, грибов, многоклеточных паразитов) и вирусов, а также белковых ядов и некоторых других чужеродных веществ. Каждое антитело распознаёт уникальный элемент патогена, отсутствующий в самом организме, — антиген, а в пределах данного антигена — определённый его участок, эпитоп. Связываясь с антигенами на поверхности патогенов, антитела могут либо непосредственно нейтрализовать их, либо привлекать другие компоненты иммунной системы, такие как система комплемента и фагоциты, чтобы уничтожить чужеродные клетки или вирусные частицы. Антитела — важнейший компонент гуморального специфического иммунитета.

Антитела (иммуноглобулины) образуют белковое суперсемейство. Молекула антитела имеет Y-образную форму, на двух концах молекулы располагаются два одинаковых сайта связывания антигенов, а третий конец бывает одного из нескольких видов, в зависимости от него антитела относят к тому или иному классу. В состав одного антитела в большинстве случаев входят две тяжёлые цепи и две лёгкие цепи. У млекопитающих существует пять типов тяжёлых цепей — α, γ, δ, ε и μ, которым соответствуют пять изотипов[англ.] (классов) антител — IgA, IgG, IgD, IgE и IgM[1]. Антитела каждого изотипа отличаются от других функциями и особенностями структуры. Колоссальная вариабельность антител обеспечивается перестройками локусов, кодирующих тяжёлые и лёгкие цепи, в ходе V(D)J-рекомбинации.

Образование антител, распознающих нормальные белки организма (аутоантител), составляет основу развития аутоиммунных заболеваний, например, системной красной волчанки, ревматоидного артрита, диабета 1-го типа и других. Полное или частичное отсутствие антител приводит к развитию иммунодефицитных состояний.

Строение

Молекулы иммуноглобулинов (антител) имеют форму буквы «Y» и состоят из двух одинаковых лёгких и двух одинаковых тяжёлых полипептидных цепей, соединённых вместе дисульфидными связями. Полипептидные цепи на «верхних» концах «буквы Y» завершаются аминогруппами и являются антигенсвязывающими участками, «ножка» — карбоксильными группами[2].

Известны растворимые и мембранные формы антител. Мембранные антитела встречаются у B-лимфоцитов и называются B-клеточными рецепторами. Растворимые антитела по строению практически идентичны мембранным, различия касаются лишь C-концевой (константной) части. Молекула мономерного иммуноглобулина имеет молекулярную массу 150—170 кДа и состоит из четырёх полипептидных цепей: двух лёгких, или L-цепей (англ. Light) (масса 50—60 кДа), и двух тяжёлых, или H-цепей (англ. Heavy) (масса 100—120 кДа), которые располагаются симметрично и соединены дисульфидными связями. H- и L-цепи соединены единственной дисульфидной связью, расположенной недалеко от C-конца лёгкой цепи, остальные дисульфидные связи скрепляют H-цепи. В состав лёгких цепей входит два гомологичных сегмента (домена), а в состав тяжёлых — 4—5 доменов. Домены состоят из приблизительно 110 аминокислотных остатков (а. о.) и имеют сходную пространственную структуру, которая стабилизирована одной дисульфидной связью, однако их функции различаются[3]. Эти домены относятся к так называемым иммуноглобулиновым доменам, содержащим характерный структурный мотив[англ.], известный как иммуноглобулиновая укладка, представленная двумя β-слоями, которые взаимодействуют друг с другом с помощью дисульфидных связей и электростатических взаимодействий, формируя нечто наподобие сэндвича[4]. Домены взаимодействуют друг с другом посредством гидрофобных взаимодействий[5].

N-концы всех цепей участвуют в распознавании антигена, то есть образуют два одинаковых сайта связывания антигена. Ключевую роль в процессе распознавания антигена играет соответствие структур антигена (точнее, части молекулы антигена — эпитопа) и антигенраспознающего участка антитела, или паратопа по принципу «ключ-замок». Специфичность иммуноглобулинов определяется аминокислотной последовательностью антигенраспознающих доменов, которые называют вариабельными, или V-доменами (их также называют FV-участками). Антигенсвязывающий участок формируется V-доменами тяжёлых и лёгких цепей (VH- и VL-домены соответственно). Его формируют вариабельные петли β-листов, три из которых относятся к VL-доменам, а оставшиеся три — к VH-доменам. Эти петли иногда называют участками, определяющими комплементарность[англ.] (англ. complementarity-determining regions, CDRs)[6]. CDRs также известны как гипервариабельные участки. В молекуле иммуноглобулина обычно имеется 3 гипервариабельных участка, положение которых в цепи может быть различным. Кроме того, в состав каждого V-домена входит 4 участка относительно постоянного состава (каркасные участки)[7]. Сверхвысокая вариабельность CDRs обеспечивает огромное разнообразие иммуноглобулинов[8].

Остальные домены молекулы иммуноглобулина имеют фиксированную структуру, поэтому их называют константными, или C-доменами. L-цепь содержит один C-домен (обозначается CL), а H-цепь — 3 или 4 домена, которые обозначаются CH1, CH2, CH3, CH4. C-домены не участвуют в распознавании антигенов и необходимы для взаимодействия с рецепторами иммунных клеток, активации системы комплемента и других эффекторных функций[3].

Доля гипервариабельных положений в V-доменах по сравнению с относительно инвариантными невелико и составляет 15—20 % от всех аминокислотных остатков. Кроме того, в эволюции позвоночных животных V-домены оказались более консервативными, чем константные домены, причём их консервативность связана с константными участками. Так, гомология VL-доменов между тигровой и галапагосской акулами составляет около 75 %, а между человеком и собакой — около 50 %[9].

Антитело называют моноспецифичным[англ.], если оно может распознавать только один антиген или эпитоп, и биспецифичным, если оно связывается с двумя разными антигенами или двумя разными эпитопами в составе одного антигена[10]. Некоторые антитела называют поливалентными, или неспецифичными, если они распознают несколько антигенов[11].

Под действием протеаз молекулы иммуноглобулинов расщепляются на фрагменты, которые имеют специальные названия. Так, папаин расщепляет молекулу иммуноглобулина на три фрагмента: два фрагмента Fab (от англ. Fragment antigen binding) и один фрагмент Fc (от англ. Fragment cristallizable). В состав фрагментов Fab входят V-домены, а также CL- и CH1-домены, а Fc содержит остальные C-домены и соединяющие их дисульфидные связи. Пепсин разрезает молекулу иммуноглобулина немного иначе и даёт двухвалентный антигенсвязывающий F(ab')2-фрагмент и укороченный Fc'-фрагмент[12].

В области C-доменов находится большая часть участков, взаимодействующих с рецепторами клеток, такими как Fc-рецепторы. Так, в домене Сγ2 расположены участки связывания с компонентом комплемента С4b, а также с рецепторами FcγRI и FcγRII. В домене Сγ3 локализован участок связывания с FcγRIII. Продолжительность пребывания антитела в кровотоке зависит от особенностей строения домена CH2[8]. Между доменами СН1 и СН2 располагается участок, различный по протяжённости в Н-цепях разных изотипов и не входящий в состав доменов. В связи высоким содержанием пролина этот участок обладает высокой гибкостью, поэтому его также называют шарнирным участком. Именно в нём располагаются сайты расщепления иммуноглобулинов протеазами[13].

Молекулы антител подвергаются гликозилированию, то есть являются гликопротеинами. L-цепи лишены стабильных участков гликозилирования, а в Н-цепях они представлены во всех доменах, кроме вариабельного (больше всего их находится в СН2-домене). Сайтов N-гликозилирования в составе антител больше, чем сайтов O-гликозилирования. Углеводная составляющая антител не влияет на их специфичность, однако гликозилирование необходимо для стабилизации функционально важных характеристик молекулы, обеспечивает взаимодействие с лектинами, определяет особенности катаболизма и биологические свойства антител. Углеводные фрагменты в составе антител чаще всего имеют основу из остатков маннозы и хитобиозы[14].

Классы

Тяжёлые и лёгкие цепи существуют в нескольких вариантах, отличающихся структурой и функциями, в связи с чем антитела делят на классы, или изотипы. Выделяют два типа L цепей (κ и λ) и пять изотипов H-цепей (μ, γ, α, δ и ε). В состав одной молекулы иммуноглобулина могут входить только H-цепи одного вида. У млекопитающих существует пять основных типов антител: IgM, IgG, IgA, IgD и IgE (латинские буквы в названиях классов антител соответствуют греческим в обозначении изотипов Н-цепей). Иммуноглобулины классов IgG и IgA разделяют на подклассы (субтипы), также в зависимости от особенностей Н-цепей. Иммуноглобулины всех классов могут принадлежать к К- и L-типам в зависимости от присутствия в их составе L-цепей κ- или λ-типов соответственно[15]. Разные изотипы H-цепей имеют отличающееся количество C-доменов: γ-, α- и δ-цепи имеют по 3 C-домена, а в состав μ- и ε-цепей входит по 4 C-домена[8]. Классы антител также различаются степенью гликозилирования, в частности, наименее гликозилированы антитела класса IgG[14].

Основные свойства классов антител перечислены в таблице ниже[15].

Помимо перечисленных выше классов антител млекопитающих, у некоторых позвоночных животных имеются другие классы антител. Например, у костных рыб имеется особый класс антител IgT/Z, а у амфибий, рептилий и птиц имеются иммуноглобулины Y (IgY), которые состоят из двух тяжёлых и двух лёгких цепей и в больших количествах накапливаются в яичном желтке[16]. У хрящевых рыб и млекопитающих семейства верблюдовых имеются антитела из тяжёлых цепей, лишённые лёгких цепей. Считается, что антитела из тяжёлых цепей хрящевых рыб и верблюдовых — результат конвергентной эволюции, и они появились в связи с функциональными особенностями. Около 50 % антител верблюдов и близких видов составляют типичные для млекопитающих антитела из четырёх цепей. Существуют ли животные, обладающие только антителами из тяжёлых цепей, неизвестно[17].

Функции

К основным функциям антител в иммунной системе можно отнести:

• нейтрализацию[англ.], в ходе которой нейтрализующие антитела блокируют часть поверхности бактериальной клетки или вириона и делают их неактивными;
• агглютинацию, при которой антитела «склеивают» чужеродные клетки в комки, которые уничтожаются путём фагоцитоза;
• преципитацию, в ходе которой антитела собирают растворимые в плазме крови антигены в скопления, выпадающие в осадок, подвергающийся фагоцитозу;
• активацию комплемента, при которой антитела присоединяются к поверхности патогенной клетки, благодаря чему её могут атаковать компоненты системы комплемента, вызвать её лизис и запустить воспаление[18].

Антитела, которые связываются с поверхностью чужеродной клетки, активируют первый компонент каскада комплемента с помощью своих Fc-участков; такой способ активации комплемента получил название классического пути активации комплемента[19]. В результате клетка, покрытая антителами, может погибнуть двумя способами. Во-первых, связывание антител и компонентов комплемента с поверхностью клетки помечает её как мишень для уничтожения фагоцитами, которые привлекаются к клетке некоторыми компонентами каскада комплемента. Во-вторых, компоненты комплемента формируют мембраноатакующий комплекс на поверхности клетки, который вызывает её гибель в результате лизиса[20].

Чтобы противодействовать размножению внеклеточных патогенов, антитела «склеивают» патогенные клетки вместе, вызывая их агглютинацию[21]. Поскольку минимальная валентность (то есть число одновременно связанных антигенов) антитела равна двум, оно может связать две молекулы антигена, расположенные на разных клетках, и тем самым соединить их. Покрывая поверхность патогена, антитела привлекают к нему эффекторные иммунные клетки с помощью Fc-участков. Клетки, которые распознают Fc-участки антител, имеют специальные Fc-рецепторы (FcR), которые могут связываться с Fc-участками IgA, IgG и IgE. Связывание Fc-рецептора клетки с антителом активирует её, что у фагоцитов проявляется в запуске фагоцитоза, у тучных клеток и нейтрофилов — дегрануляции[англ.], натуральных киллеров — высвобождении цитокинов и цитотоксических молекул, что в конце концов приводит к уничтожению микроорганизма. Активация натуральных киллеров антителами запускает механизм, известный как зависимая от антител клеточная цитотоксичность[англ.] (англ. antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity, ADCC). Этот механизм может объяснить эффективность моноклональных антител в лечении рака. Поскольку Fc-рецепторы специфичны только к антителам определённого изотипа, иммунная система обладает достаточной гибкостью, чтобы запускать определённый вид иммунного ответа на данного патогена[22].

У человека и высших приматов в плазме крови постоянно присутствуют так называемые натуральные антитела[англ.], которые образуются без предшествующей инфекции, вакцинации или иного воздействия. Благодаря этим антителам система комплемента может запускать лизис клеток микроорганизмов и вирионов оболочечных вирусов без предшествующей активации адаптивного иммунитета. Многие натуральные антитела специфичны к дисахариду галактозе-α(1,3)-галактозе (α-Gal), который является концевым сахаром гликозилированных белков поверхности клетки. Выработка этих антител запускается в ответ на синтез α-Gal симбиотическими кишечными бактериями[23]. Отторжение ксенотрансплантата отчасти можно объяснить действием натуральных антител реципиента, атакующих α-Gal в составе белков трансплантата[24].

Активированные B-клетки претерпевают дифференцировку в плазматические клетки, способные секретировать антитела, или B-клетки памяти, которые сохраняются в организме в течение долгого времени и хранят память об антигенах, с которыми организм ранее сталкивался[18]. В пренетальном и неонатальном периодах антитела поступают в организм младенца от матери. Начало выработки собственных антител различается в разных классах антител и обычно происходит в течение первых лет жизни[19].

Помимо перечисленных выше функций в иммунной системе, антитела могут выполнять и другие, неканонические роли. У некоторых антител композиция аминокислотных остатков в сайте связывания антигена очень близка к таковой в активном центре некоторых ферментов, поэтому антитела могут катализировать некоторые химические реакции. Антитела, обладающие каталитической активностью, называют абзимами. Показано, что синтез антител с различной каталитической активностью начинается при иммунизации промежуточными соединениями соответствующих реакций. Однако по каталитической активности абзимы сильно уступают «истинным» ферментам. У человека как в норме, так и при патологии нередко детектируются антитела с протеолитической активностью, которые расщепляют молекулы, специфичные для патогенов. Протеолитические антитела относятся к классам IgG, IgA и IgM. Некоторые антитела классов IgM и IgG могут убивать клетки микроорганизмов в одиночку без участия других эффекторных механизмов, однако механизм их действия известен лишь в нескольких случаях. В частности, показано, что инактивирующие моноклональные антитела IgM и IgG вызывают изменения экспрессии генов и метаболизма у патогенного гриба Cryptococcus neoformans при связывании с поверхностью его клеток. Связывание антител с поверхностью болезнетворной бактерии Borrelia burgdorferi[англ.] вызывает формирование пор и гибель клетки в результате осмотического шока[англ.]. Иногда разные антитела инактивируют патогена за счёт синергического действия без участия дополнительных эффекторных путей. Особые неканонические функции описаны у антител класса IgA. Так, они могут опосредовать трансэпителиальный транспорт бактерий в кишечнике у мышей и регулировать проникновение бактериальных метаболитов в клетки хозяина. Кроме того, антитела могут работать как шапероны и переносчики разнообразных соединений и в здоровом организме[25].

Разнообразие

Практически все микроорганизмы могут вызывать иммунный ответ. Для успешного распознавания и уничтожения патогенов необходимо большое разнообразие антител, распознающих разные антигены[26]. По некоторым оценкам, в организме человека образуется 10 млрд различных антител, каждое из которых распознаёт уникальный эпитоп[27]. Хотя в каждой особи образуется огромное количество антител, количество генов, которые их кодируют, ограничено размером генома. Существует несколько механизмов, которые дают возможность позвоночным животным получать огромное число различных антител с относительно небольшого количества генов[28].

Вариабельность доменов

Участки, кодирующие компоненты антител, у человека располагаются на нескольких хромосомах. На хромосоме 14 собраны гены, кодирующие варианты тяжёлой цепи, лёгкие цепи κ и λ закодированы на хромосомах 22 и 2. Вариабельные домены, образованные участками как лёгкой, так и тяжёлой цепей, отличаются между антителами, образованными разными плазматическими клетками. Различия между вариабельными доменами затрагивают три петли, известные как гипервариабельные участки (HV-1, HV-2 and HV-3) или участки, определяющие комплементарность (CDR1, CDR2 и CDR3). Локус тяжёлых цепей кодирует 65 вариабельных доменов с разными CDRs. Комбинация каждого из этих вариантов в пределах линейно расположенных генов, кодирующих другие домены тяжёлой цепи, обеспечивает огромное разнообразие антител. Эта комбинация происходит в результате V(D)J-рекомбинации, механизм которой описан ниже[29].

V(D)J-рекомбинация

В ходе процесса V(D)J-рекомбинации формируется уникальный участок ДНК, кодирующий вариабельный домен. Вариабельный участок тяжёлой или лёгкой цепи кодируется локусом, разбитым на несколько фрагментов — субгенов, которые обозначаются V (от англ. variable), D (от англ. diversity) и J (от англ. joining)[28]. Субгены V, D и J кодируют вариабельный участок тяжёлой цепи, в то время как вариабельный участок лёгкой цепи кодируют субгены V и J. Каждый субген представлен несколькими вариантами, тандемно расположенными друг за другом на хромосоме. В костном мозге при созревании B-клетки в её локусах, кодирующих вариабельные домены, происходят перестройки, в результате которых в составе локуса остаётся по одному варианту субгенов V, D и J, а остальные варианты навсегда удаляются из генома. Поскольку каждый субген присутствует в нескольких вариантах, их комбинации будут давать антитела с разной специфичностью к антигенам. Важную роль в V(D)J-рекомбинации играют белки RAG[англ.]*, которые вносят разрывы в определённые участки, и в их отсутствие V(D)J-рекомбинация невозможна[30]. После того, как в ходе созревания в геноме B-клетки для тяжёлой и лёгкой цепей появился один функциональный ген, кодирующий вариабельный домен, остальные локусы, кодирующие вариабельные домены, перестают экспрессироваться (аллельное исключение), так что каждая B-клетка может производить антитела только с одним вариабельным доменом[22][31].