Для чего нужны цитокины?
Защитные механизмы организмов
Леонид Марголис, ПостНаука
Иммунная система организма – это потрясающе сложная система, состоящая из многих ступеней, которые формировались на протяжении всей эволюции. Защитные механизмы для борьбы с вирусами есть у клеток, отдельных организмов и целой популяции. О том, как от вирусов защищаются бактерии, растения и животные, ПостНауке рассказал вирусолог Леонид Марголис.
Как вирус проникает в организм?
Вирусы очень маленькие. Так, например, размер частицы коронавируса или ВИЧ составляет всего порядка 150 нанометров. Благодаря размеру вирусу очень легко проникнуть в организм: мы можем его вдохнуть или проглотить, можем прикоснуться к поверхности, на которой он находится. При этом вирусу не обязательно попадать в кровь, чтобы спровоцировать инфекцию. Разные вирусы избирают разные пути заражения человека. Например, энтеровирусы попадают в желудок и вызывают расстройство и желудка, и ваших планов.
Далеко не каждый вирус сможет проникнуть внутрь клетки и заразить нас чем-нибудь неприятным. Это предусмотрено эволюционно: среди вирусных частиц очень много дефектных, с нарушенной последовательностью РНК или ДНК. Такие вирусы могут проникнуть сквозь клеточную мембрану, но размножаться внутри клетки у них не выйдет.
Невозможно сказать, сколько вирусных частиц необходимо, чтобы наверняка заразить человека. Это вероятностный процесс, на который в каждый момент времени влияет множество факторов. Разумеется, чем больше частиц вас окружает, тем выше вероятность, что какой-то из них удастся проникнуть внутрь и запустить инфекцию. Но точно просчитать шансы заболеть невозможно.
Работа иммунной системы
Защита организма от вирусной угрозы – это война с постоянной гонкой вооружений. Наша иммунная система адаптируется к новым условиям, но основные принципы остаются неизменными. В процессе эволюции человеческий организм выработал несколько ступеней защиты. Они предусматривают иммунный ответ на уровне клетки, организма или даже всей популяции.
Врожденный иммунитет, который мы получили в процессе эволюции, позволяет нашему организму обезвредить потенциально опасный или чужеродный патоген еще до заражения клеток. Такая система реагирует на появление патогена очень быстро, но недостаточно точно, так как реакция провоцируется не конкретными антигенами (вирусами), а определенными классами антигенов. Приобретенный иммунитет, называемый также адаптивным, специфическим, работает по принципу создания в клетках иммунологической памяти – запоминания реакции на первый контакт с патогеном и усиления реакции на каждый последующий. Благодаря этому механизму, к примеру, людям достаточно переболеть ветрянкой только один раз, чтобы получить иммунитет к этому заболеванию.
Некоторые механизмы защиты люди унаследовали от растений и бактерий. Растения, например, продуцируют новую РНК, которая не дает вирусу размножаться дальше. Такой механизм называется подавлением экспрессии генов (silencing). Она связывается с вирусным геномом таким образом, что запрещает репликацию, то есть воспроизведение новой копии этого генома.
Бактерии умеют считывать маленький кусочек ДНК бактериофага, попавшего в клетку, и переводит этот кусочек в РНК с механизмом вырезания генов. А вырезает она те гены, которые принадлежат вирусу, оставляя здоровую ДНК клетки.
Молекулярная память, называемая CRISPR, – бактериальный эквивалент приобретенной иммунной системы, способной отличить полезные вирусы от вредных. Эта система вносит изменения в геном бактерии и добавляет в него вирусные гены, называемые спейсерами. Спейсеры формируют память о прошлых вирусах-интервентах. Специальные ферменты затем распознают и разрушают вирусы, как только они предпринимают попытку повторного инфицирования бактерии.
Защитная система организмов более высокого уровня устроена намного сложнее. Например, клетки могут узнать вирус по чужеродной РНК и индуцировать внутриклеточный ответ, а именно выработку интерферона – белка, отвечающего за блокирование репликации вируса. Он подавляет размножение вируса внутри клетки и «оповещает» (выходит из зараженной клетки) соседние клетки организма о том, что поблизости враг – вирус. Таким образом происходит межуровневый переход от внутриклеточной защиты к уровню защиты всего организма.
Когда вирусу удается заразить клетку и запустить механизм репликации своих копий, она может ликвидировать сама себя еще до того момента, когда вирусных частиц станет слишком много и они смогут заставить клетку лизировать – раствориться, чтобы выпустить новые вирусные частицы вовне. Этот процесс самоликвидации клетки называется апоптозом.
Еще один противовирусный барьер – специальные клетки, предназначенные для того, чтобы и узнавать вирус, попадающий в организм, и идентифицировать зараженные клетки. Такие клетки реагируют на белки вируса, которые отличаются от белков здоровой клетки своим химическим составом, и производят специальные агенты – антитела, предназначенные для уничтожения патогенов.
Эта система имеет свои недостатки: ее калибровка требует много времени, так как антитела специфичны и настроены на распознавание только одного определенного типа вирусного белка. Поэтому, когда система активизируется, ей требуется несколько дней, чтобы размножиться и настроить производство антител. Когда вирус проникает внутрь, клетка атакует его белки, «разрубает» их на кусочки и экспонирует на своей поверхности. Затем антитела могут идентифицировать зараженные клетки, потому что на поверхности клеточной мембраны остаются вирусные белки в сочетании с комплексом гистосовместимости МНС 1 – специального семейства генов для распознавания «свой – чужой».
Однако эту систему вирусы тоже научились обходить. Есть, к примеру, вирусы, подавляющие механизм экспонирования чужеродных белков, и клетка не может подать сигнал о заражении. У нашей иммунной системы и на это есть ответ. Лимфоциты, которые называются natural killers, реагируют на отсутствие на поверхности клеток комплекса гистосовместимости МНС 1, который подавляет вирус. Для лимфоцитов отсутствие МНС 1 – уже достаточный повод, чтобы уничтожить такую клетку.
Еще один помощник в борьбе с вторжением вирусов – температура. На рост температуры через пироген и гипоталамус напрямую влияют интерферон и цитокины интерлейкины 1 и 6. Многие бактерии и вирусы температурно-зависимы: под влиянием высокой температуры они разрушаются или снижают свою активность. Поэтому сбивать неопасную для жизни температуру не нужно: так вы можете помешать естественной борьбе организма с болезнью.
Интерферон и цитокины
Взаимодействия между иммунными клетками, которые атакуют вирус, очень сложны. Для того чтобы нейтрализовать вирус, некоторые из них производят специальные молекулы – цитокины (от лат. cyto – «клетка», kines – «движение»). Цитокины регулируют иммунную систему клеток, их взаимодействие между собой, отвечают за апоптоз, стимуляцию и подавление их роста.
Одним из классов цитокинов является хорошо известный нам интерферон. На самом деле интерферонов много, и их задача – регулировать взаимодействие между иммунными клетками. Интерфероны запускают в клетках процессы, приводящие к подавлению синтеза вирусных белков, сборки и выхода вирусных частиц. Интерфероны также активируют гены, которые важны для защиты клетки от вирусов.
В настоящее время наука еще далека от понимания механизмов, при помощи которых цитокины связываются между собой. Но уже сейчас известно, к примеру, что один цитокин может заменить другой: если у вас нет какого-то из необходимых цитокинов, его функцию возьмет на себя другой.
Каждый цитокин крайне важен, однако механизм их действия может быть опасен и приводить к несоразмерно сильной реакции иммунной системы на угрозу – цитокиновому шторму. Когда организм не способен справиться с болезнью, иммунная система начинает неконтролируемо выпускать цитокины и вместо помощи вредить организму, разрушая здоровые клетки вместе с пораженными.
Подавление иммунитета и чрезмерная активация
Человеческий организм существует в очень тонком, особом балансе: ему необходимо чередовать стимулы и подавление стимулов. Постоянно активированная иммунная система скорее опасна для человека, чем полезна. С чрезмерно активированным иммунитетом связаны многие болезни человека – от диабета до старения (хоть старость и нельзя назвать болезнью в прямом смысле слова).
В качестве примера можно привести знакомый всем грипп: если вы заболели, ваша иммунная система выработала цитокины и активизировала Т-клетки, которые победили вирус. Но после этого нужно их остановить, выключить, иначе они могут замедлять работу здоровых клеток.
По этому принципу лечатся аутоиммунные заболевания – при помощи препаратов, подавляющих иммунитет. Несмотря на то, что механизм таких заболеваний достаточно хорошо изучен, причина их возникновения до сих пор остается предметом научных изысканий и споров. Аутоиммунные заболевания, такие как волчанка или астма, протекают по единому сценарию: антитела, выработанные клетками организма, почему-то начинают атаковать собственные ткани организма. Яркий пример – ВИЧ-инфекция. Вопреки тому, что это заболевание иммунной системы, болезнь поддерживается именно иммунной активацией, потому что вирус размножается только в активированных клетках.
Иммунитет новорожденных
Значительная часть нашей иммунной защиты формируется еще в утробе матери через плаценту. Однако если бы иммунитет беременной женщины работал по всем правилам иммунной системы, то эмбрион не имел бы ни малейшего шанса выжить: организм отторг бы его как чужеродную клетку. Ведь беременность – это трансплантация ткани, в которой есть чужие для матери частицы. Для того чтобы отторжения не происходило, существуют специальные регулирующие Т- клетки, которые подавляют иммунитет матки и позволяют закрепиться плодному яйцу.
Если вернуться к вопросу, передается ли иммунитет от матери через плаценту, то ответ однозначный: передается. Хоть плацента и фильтрует молекулы, однако пропускает антитела, которые развились у матери. Это позволяет защитить новорожденного в первые дни жизни в агрессивной, незнакомой ему окружающей среде. Довольно много антител передается ребенку и с молоком матери, но только в первые несколько недель. Дальше у ребенка в течение нескольких месяцев развивается собственный иммунитет. Этот период считается очень опасным в плане заражения вирусами, но благодаря прививкам иммунитет ребенка получает дополнительную поддержку.
Конечно, генетическая составляющая иммунитета все-таки присутствует – например, аутоиммунные заболевания, передающиеся по наследству, или резистентность к ВИЧ, которая наблюдается у некоторых людей.
Об авторе: Леонид Марголис – доктор биологических наук, заведующий отделом межклеточного взаимодействия Национальных институтов здоровья США, профессор факультета Биоинженерии и биоинформатики МГУ им. Ломоносова.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru