Органы иммунной системы человека

Красный костный мозг
Это вещество, которое заполняет всё внутреннее пространство костной губчатой ткани. Самая большая концентрация красного костного мозга содержится в самых концах длинных костей.
Основные функции красного костного мозга – это кроветворение и формирование иммунитета, так называемый иммуногенез. Он всегда работает в постоянном режиме и воспроизводит кровяные клетки — лейкоциты, эритроциты и тромбоциты.
Тимус (вилочковая железа)
Это эндокринная железа, которая расположена в верхней части грудной клетки, за грудиной. Она играет важнейшую роль в формировании иммунитета и стимулирует развитие «тимусных клеток» в ткани.
Эти клетки распознают и атакуют попавшие в организм извне чужеродные вещества, вирусы и бактерии, а также они контролируют выработку антител.

Основные функции селезёнки:
высвобождение накопленной крови, повышение общего кровоснабжения организма и обогащение тканей тела кислородом;
разрушение отживших эритроцитов;
служит как главный источник лимфоцитов;
является фильтром для всякого рода опасных бактерий, производит антитела и обеспечивает организму детоксикацию
Лимфатические узлы
Это многочисленные органы иммунной системы. У взрослого человека их около пятисот. Они расположены по пути тока лимфы. Это такие образования круглой или овальной формы, размер которых от 2 до 20 мм. Находятся они в местах слияния лимфатических сосудов — под мышками, в паху, в шее, в области таза.
Лимфатический узел состоит из соединительнотканной капсулы и лимфоидной ткани. Он служит барьером для распространения инфекции и раковых клеток по организму. В лимфатическом узле образуются лимфоциты, которые активно участвуют в уничтожении чужеродных веществ и клеток.
Основные функции лимфатических узлов: задержка бактерий и вирусов по пути тока лимфы; кроветворная функция.
Пейеровы бляшки
Это узелковые скопления овальной или круглой формы, которые находятся в лимфоидной ткани. Располагаются они в слизистой оболочке тонкой кишки. Их диаметр — от 0,5 до 3 мм.
Основные функции пейеровых бляшек:
участие в процессе созревания Т- и В-лимфоцитов;
формирование иммунного ответа организма.

Общий план строения иммуноглобулинов класса IgG:
1) Fab; 2) Fc; 3) тяжёлая цепь;
4) лёгкая цепь;
5) антиген-связывающийся
участок;
6) шарнирный участок
Это основной класс иммуноглобулинов, содержащихся в сыворотке крови (70-75% от всех антител); представлен четырьмя подклассами (IgG1, IgG2, IgG3, IgG4), обеспечивает иммунитет, направленный на нейтрализацию вредных токсических веществ
Общий план строения иммуноглобулинов класса IgG

IgM начинает вырабатываться сразу после попадания неизвестного чужеродного агента в организм, являясь первой линией защиты от антигенов; в норме его количество – около 10% от общего числа иммуноглобулинов; антитела класса М - наиболее крупные
IgA В сыворотке крови его содержание - около 15-20% от всех иммуноглобулинов; он находится в основном в мономерной форме, а в молоке – димерной форме (sIgA), где две молекулы соединены секреторным компонентом. Его основная функция – защита слизистых оболочек от микроорганизмов и других чужеродных веществ, поэтому его также называют секреторным; иммуноглобулины класса А обнаруживаются в секретах слюнных и слезных желез, молоке, на слизистых оболочках дыхательной и мочеполовой систем
Иммуноглобулин Е (IgE) В норме практически отсутствует в крови; участвует в возникновении аллергических реакций, защите от паразитарных инфекций
IgD В норме его концентрация в крови крайне мала (менее 1% от общего количества антител), а функции до конца неясны

ГЕНЕТИКА ИММУНОГЛОБУЛИНОВ
В биологии существовует принцип «один ген — одна полипептидная цепь. Однако в случае Ig есть несколько генов, которые кодируют одну полипептидную цепь.
Иммуноглобулины контролируются и создаются тремя семействами генов, расположенными в разных хромосомах. Одно семейство генов кодирует синтез всех классов тяжелых цепей (Н), другое — синтез легких каппа-цепей (каппа-L), а третье — синтез легких ламбда цепей (лямбда-L).

Исходные структуры генов ДНК, используемые для создания ДНК, кодириющих синтез иммуноглобулинов V – вариабельные сегменты ДНК (variable)
J – связывающие сегменты ДНК (joining)
D - сегменты разнообразия (diversity)
C – константные части будущих цепей

Перестройка ДНК из разных фрагментов V и J сегментов
Кодирующая ДНК для каждой из легких цепей иммуноглобулинов собирается в зависимости от антигена из разных сегментов, извлекаемых из отдельных кластеров вариабельного сегмента ДНК
В начале получается первичный РНК-транскрипт
Затем в результате сплайсинга первичного транскрипта образуется мРНК
мРНК поступает на рибосому и в результате трансляции происходит синтез легкой цепи антител
Исходная зародышевая ДНК
для создания легких цепей
Перестройка
Транскрипция
Сплайсинг
мРНК
Трансляция

Перестройка зародышевой ДНК для тяжелых цепей происходит из разных фрагментов V, J и D сегментов
Кодирующая ДНК для каждой из тяжелых цепей иммуноглобулинов собирается в зависимости от антигена из разных сегментов, извлекаемых из отдельных кластеров вариабельного сегмента ДНК
В начале получается первичный РНК-транскрипт
Затем идет его пост-модификация с добавлением ААА -фрагментв
Затем в результате сплайсинга первичного транскрипта образуется мРНК
мРНК поступает на рибосому и в результате трансляции происходит синтез тяжелой цепи антител
Перестройка
Транскрипция
Сплайсинг
Трансляция
Пост модификация
мРНК
Синтез цепи

При синтезе антител разных классов происходит переключение к набору фрагментов из разных частей константных частей зародышевых ДНК тяжелых цепей. Структура и мол. массы тяжелых цепей разных и целых антител отличаются.

Переключение синтеза генов, кодирующих иммуноглобулины одного класса на другой происходит с помощью рекомбинации ДНК
Например, сначала происходит синтез IgM, а позже IgG
Схема переключения с синтеза IgM на IgG3
Рекомбинацию ДНК катализируют специальные ферменты
рекомбиназы .

Переключение синтеза генов, кодирующих иммуноглобулины одного класса на другой происходит с помощью рекомбинации ДНК
Например, сначала происходит синтез IgM, а позже IgG
Схема переключения с синтеза IgM на IgG3
Рекомбинацию ДНК катализируют специальные ферменты
рекомбиназы . В ДНК есть сигнальные последовательности для начала рекомбинации, которые фланкируют основные последовательности. Самый первый акт при рекомбинации осуществляют гетеродимерные эндонукдеазы

В результате рекомбинации в непрерывную цепь ДНК соединяется
по одному сегменту V-, D и J-областей - этот процесс называется
VDJ-рекомбинацией
Вся остальная ДНК V-, D и J-областей вырезается и выбрасывается
из генома. Поэтому приобретение В-лимфоцитом в результате
своей дифференцировки специфичности по отношению к
антигену происходит раз и навсегда и строго необратимо
на уровне ДНК.
В каждом единичном В-лимфоците получается своя
специфическая уникальная комбинация VDJ для тяжелой
и VJ для легкой цепей

Теоретически В результате рекомбинаций число
вариантов антител по одной специфичности к одному антигену исходя из правил случайной рекомбинаторики
Каппа цепь - 200 ВАРИАНТОВ V-области
Ламбда-цепь -120 вариантов V-области
Всего 320 ВАРИАНТОВ V-области легкой цепи
Для тяжелой цепи всего -9000 ВАРИАНТОВ
В целом, в молекулах иммуноглобулинов разные
цепи легких и тяжелых цепей объединяются в
тетрамер L2H2 также случайным образом.
В ИТОГЕ: число случайных сочетаний составляет примерно около трех миллионов
Дополнительное разнообразие получается в результате гипермутагенеза - ТОЧЕЧНЫХ МУТАЦИЙ

Не все варианты рекомбинаций абсолютно
правильные – эффективные
Под неточностью формирования VDJ понимают тот
факт, что иногда при рекомбинации происходит включение
лишних нуклеотидов, которые возникают на концах сегментов при
вырезании одноцепочечных петлей ДНК и достройки хвостов
ферментами репарации.
Это приводит к тому, что добавление некодируемых нуклеотидов
сдвигает рамку считывания в матричной РНК.
Платой за неточность и синтез неверных иммуноглобулинов является
то, что 2/3 лимфоцитов со временем погибает и остается только
примерно 30 %, синтезирующих наиболее эффективные антитела.
При этом в реальной действительности количество лимфоцитов,
синтезирующих антитела против одного антигена намного меньше,
чем это возможно теоретически

Одним из четких показателей повышенной техногенной нагрузки у различных групп населения является повышенный процент индивидов, проявляющих признаки аутоиммунных заболеваний
Самыми опасными факторами риска для возникновения аутоиммунных заболеваний являются: повышенный уровень радиоактивности и повышение концентрации вредных веществ (мутагенов, канцерогенов, токсичных соединений)
В настоящее время известно около 80 различных аутоиммунных заболеваний, среди которых наиболее широко распространены:
Системная красная волчанка
Полиартрит и полимиозит
Рассеянный склероз
Аутоиммунный тереоиодит

В норме иммунная система человека четко различает “свое” и “чужое”. В крови здоровых людей отсутствуют антитела к собственным компонентам: белкам, ДНК, РНК, полисахаридам, липидам и т.д. или концентрация таких антител очень низкая.
Основной составляющей патогенеза аутоиммунных заболеваний является наработка аутоантител – антител к собственным компонентам организма.
Повышенный титр антител к ДНК наблюдается в первую очередь у больных системной красной волчанкой. Однако ввиду того, что иммунные заболевания имеют разные фазы протекания: пассивное или активное обострение, ремиссия и т.д. повышенный по сравнению с нормой титр анти-ДНК антител обнаруживается только у 30-38 % больных.
Кроме того, повышенный титр анти-ДНК антител наблюдается у больных с полимиозитом (38 %), рассеянным склерозом (17-18 %),
и ряде других аутоиммунных заболеваний (6- 20 %).

Фундаментальным и наиболее исследованным свойством иммуноглобулинов является их способность связывать и нейтрализовать самые разнообразные по структуре соединения –антигены.
Однако за последние два десятилетия открыты первые природные антитела c каталитической активностью, катализирующие самые разные химические реакции
Антитела-ферменты (АntiBody - enzyme) получили название “абзимы” (ABZYME)
Такие антитела появляются в биологических жидкостях больных
различными аутоиммунными заболеваниями

В настоящее время показано существование двух путей наработки антител ферментов.
Первый путь – наработка антител к молекулам, моделирующим переходные состояния химических реакций

Еще одним путем генерации индуцированных абзимов является аутоиммунизация организма различными ферментами и наработка антител против активных центров ферментов.
Активный центр фермента в этом случае играет роль первого антигена (АГ1), на который вырабатываются первые идиотипические АТ1, которые являются слепком с активного центра фермента. АТ1 в свою очередь также являются антигеном, на который вырабатываются вторичные –антиидиотипические АТ2, которые содержат элементы, соответствующие внутреннему образу активного центра фермента и могут обладать каталитической активностью
Согласно сети Эрне могут быть вплоть до нескольких этапов наработки антител – экспериментально показано формирование АТ4

К настоящему моменту открыты природные абзимы, гидролизующие:
1. Белки
2. ДНК
3. РНК
4. Полисахариды
5. Нуклеотиды (АТР и т.д.)
ФОСФОРИЛИРУЮЩИЕ:
Белки
2. Липиды
3. Полисахариды
С функциями фермента пероксидаз и оксидоредуктаз

К настоящему моменту показано, что ДНК-гидролизующие абзимы отсутствуют у здоровых доноров, но есть в крови пациентов с :
Системная красная волчанка
Рассеянный склероз
Полиартрит и полимиозит
Аутоимунный тиреоидит (Тиреореодит Хашимото)
5. ВИЧ-инфекция
6. Клещевой энцефалит
7. Вирусный гепатит
8. Шизофрения
9. Сахарный диабет
10. Кровь и молоко лактирующих женщин

а) Совпадение положения пиков IgG и ДНКазной активности при
гель-фильтрации в кислом буфере
г) Совпадение положения полос белковых и ДНКазной активности
после SDS-PAGE с использованием геля, содержащего ролимерную
ДНК

Показано, что анализ относительной активности антител в гидролизе ДНК может быть использован для оценки глубины аутоиммунных реакций при аутоиммунных заболеваниях
Относительная активность ДНК-гидролизующих антитед очень сильно
зависит от пациента
K1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 K2 K3
Относительная активность антител 10 пациентов

Эффект лечения больных
аутоиммунным тиреоидитом плаквинилом

Относительная активность и субстрантная специфичность РНК-гидролизующих антитед очень сильно зависит от типа аутоиммунного заболевания
Гидролиз тРНК антителами
Из крови пациентов с
Разными заболеваниями
происходит по разным
сайтам

Впервые показано, что абзимы крови больных рассеянным склерозом специфично гидролизуют основный белок миелина – белково-липидной оболочки аксонов, такие активности появляются на ранних стадиях заболевания и анализ их активности может быть использован для диагностики заболевания.
Активность IgG антител существенно ниже, чем IgM абзимов; у здоровых доноров такой активности иммуноглобулинов нет

а) Гидролиз ОБМ
б) Адсорбция АТ человека
антителаами мышей
против IgG и элюция
кислым буфером
в) Совпадение положения
пиков IgG и активности при
гель-фильтрации в кислом
буфере
г) Совпадение положения
пиков IgG и активности
После SDS-PAGE

На примере антител, гидролизующих основной белок миелина, нами впервые показано, что антитела с протеолитической активностью могут быть металло-протеазами
Небольшая фракция антител имеет сродство к сорбенту Chelex, связывающему металлы. Эта фракция антител гидролизует основной белок миелина только в присутствии ионов металлов:
Дорожка 1 – hMBP инкубиро- ванный без АТ, дорожки 2 – 6 в присутствии IgG: 2 – без Me2+ ионов, 3 – 5 мМ CaCl2 4 – 5 мМ CuCl2, 5 – 5 мМ MnCl2 6 – 5 мМ MgCl2.
Металло-протеаза

Зависимые и независимые от ионов металлов антитела, гидролизующие основной белок миелина обнаружены в крови пациентов с:
Рассеянный склероз
Системная красная волчанка
Шизофрения

В крови больных ВИЧ-инфецированных больных кроме ДНК-. РНК- гидролизующих, обнаружены антитела гидролизующие
вирусные обратную транскриптазу и интегразу, а также казеин человека
Анализ продуктов гидролиза антителами и классическими протеазами обратной транскриптазы
Дорожки 1-3 - антитела;
4, 5 –трипсин;
6, 7 – протеиназа К;
8 – химотрипсин;
9 –контроль без протеазы.
Продукты расщепления антителами и протеазами существенно различаются

Как указывалось ранее, теоретически количество антител против одного антигена может быть очень большим – до одного миллиона. Реально их образуется в организме человека намного меньше, но все равно много.
У больных АИЗ может формироваться в зависимости от индивида и его заболевания относительно узкий или достаточно обширный набор моноклональных ДНК-, РНК- и белок- и других гидролизующих абзимов в составе поликлональных IgG, IgA и IgM, которые исключительно гетерогенны и могут содержать легкие цепи как k-, так l-типа, быть антителами разных классов и подклассов, проявлять максимальную активность при различных значениях pH, иметь различные суммарные заряды, характеризоваться разным сродством к ДНК, РНК и белкам, проявлять различную зависимость активности от ионов одно- и двухвалентных металлов, самое разное сродство к антигенам-субстратам, а абзимы с протеолитической активностью могут быть протеазами четырех разных типов – сериновыми, тиоловыми, кислыми и металло-протеазами.

Одним из путей разделения разных абзимов является аффинная хроматография на сорбентах с иммобилизованными субстратами.
Например, аффинная хроматография антител на ДНК-целлюлозе приводит к разделению IgG с ДНКазной активностью на очень большое число подфракций. Эти подфракции демонстрируют различное сродство к ДНК и различные уровни относительной активности в присутствии и отсутствии ионов разных металлов (Mg2 +, Mn2 + и Ca2 +).

.
Множество разных рН
оптимумов в гидролизе
ДНК антителами из
крови разных больных
СКВ
Такое же множество разных рН оптимумов наблюдается в гидролизе антителами из крови разных больных РНК, белков, полисахаридов
Нуклеотидов и т. д.

Аффинная хроматография фаговых частиц на ДНК-целлюлозе: (—) и (---), поглощение при 280 нм материала, соответствующего частицам с плазмидами, содержащими и несодержащими кДНК легких цепей, соответственно
Столбики соответствуют относительной активности

Относительная активность (ОА, %) 22 МЛЦ в гидролизе ОБМ после их предынкубации со специфическими ингибиторами трех типов протеаз; 50 мM ЭДТА, 1 мM PMSF, 1 мМ йодацетамид.
Было показано, что 12 из 22 препаратов МЛЦ (1–3, 5, 7, 8, 12, 13, 15–17 и 19) являются металлопротеазами; четыре МЛЦ (4, 6, 9, и 11) оказались сериновыми протеазами; Эффекты PMSF и ЭДТА в случае трех МЛЦ (20, 21 и 22) были сопоставимыми: ~40% и 40–60 %, соответственно Совершенно необычными оказались свойства трех других МЛЦ (18, 14 и 10); ЭДТА и PMSF не снижали активности этих препаратов. Они оказались тиоловыми протеазами.

Относительная активность моноклональной NGTA1-Me-pro в гидролизе ОБМ до и после ее предынкубации со специфическими ингибиторами протеаз четырех типов (а), в присутствии ЭДТА и ионов различных металлов (2 мМ) (б) и при различных рН реакционной смеси (в). Зависимость активности МЛЦ-25 от концентрации СаСl2 при 6,0 и и 8,5 (г)
Моноклональная легкая цепь с двумя
активными центрами с металлопротеазной
активности

Относительная активность (ОА, %) NGTA2-Me-pro-Tr (МЛЦ-24) в гидролизе ОБМ до и после ее прединкубации со специфическими ингибиторами протеаз четырех типов (а), в присутствии ЭДТА и ионов различных металлов (2 мМ) (б) и при различных рН реакционной смеси до и после обработки с помощью PMSF и ЭДТА (в). Зависимость МВР-гидролизующей активности от концентрации PMSF при различных рН реакционной среды (г).
Моноклональная
легкая цепь с двумя
активностями:
сериновой и
металлопротеазной

Моноклональная
легкая цепь с тремя активностями:
Сериновой
Металлопротеазной
ДНКазной

Современная теория кроветворения, основанная на унитарной теории отечественного гистолога А.А. Максимова, различает шесть классов кроветворных клеток. Нормальное кроветворение поликлональное, т.е. с одновременным участием многих клеточных клонов. Все клетки крови происходят из единой родоначальной клетки — полипотентной стволовой кроветворной клетки. При делении стволовая клетка образует две клетки, одна из них сохраняет свойства стволовой, а другая обладает способностью к дифференцировке во все без исключения клетки крови.
1. Мегакариоцитарному, заканчивающемуся образованием тромбоцитов.
2) Эритроидному, приводящему к формированию безъядерных, переносящих кислородэритроцитов крови;
3) Гранулоцитарному - с тремя дополнительными направлениями дифференцировки, заканчивающимися образованием трех самостоятельных клеточных типов: базофилов,эозинофилов и нейтрофилов.

4) Моноцитарно-макрофагальному. На территории костного мозга дифференцировка в данном направлении завершается образованием моноцитов, мигрирующих в кровь; окончательные зрелые их формы в виде тканевых макрофагов локализуются в различных органах и тканях, где они получили специфические названия: гистиоциты соединительной ткани, звездчатые ретикулоциты печени, макрофаги селезенки, макрофаги лимфатических узлов, перитонеальные макрофаги, плевральные макрофаги, клетки микроглии нервной ткани.
5) Т-клеточному. Данный росток дифференцировки на территории костного мозга проходит только самый начальный этап развития: формирование предшественника Т-клеток (пре-Т-клеток) от лимфоидной стволовой клетки; основные события по созреванию различных субпопуляций клоноспецифических Т-клеток разворачиваются в тимусе ;
6) В-клеточному. В отличие от Т-клеточного направления развития В-клеточная дифференцировка характеризуется практически полной завершенностью; в связи с этим не случайно костный мозг относят к центральному органу иммунитета.
Кроме развивающихся B-клеток в постнатальном костном мозге присутствуют зрелые плазматические и T-клетки. Следовательно, у человека костный мозг функционирует и как важный вторичный лимфоидный орган.
Большинство антиген-презентирующих клеток также образуется в костном мозге, хотя их гемопоэтический предшественник остается неизвестным.
Мы будем анализировать пять типов гомопоэтических предшественников
1. BFU-E, erythroid burst-forming unit (early erythroid colonies);
2. CFU-GM, granulocytic-macrophagic colony-forming unit,
3. CFU-E, erythroid burst-forming unit (late erythroid colonies)
4. CFU-GEMM, granulocytic-erythroid-megacaryocytic-macrophagic colony-forming unit
5. Lymphocytes (T and B-cells)