Наша иммунная система — это биохимический шедевр эволюции. Каждый день она защищает нас от миллионов вирусов, бактерий и патогенов, которые мы даже не замечаем. Это противостояние не знает конца — иммунная система жестко подавляет инфекции, ну а они, в свою очередь, из кожи вон лезут, чтобы иммунитет обойти. Поэтому главный контур нашей системы безопасности — система опознавания «свой—чужой», причем под второе определение должны попадать также и свои собственные клетки, перешедшие на «темную сторону» — например, раковые или безнадежно пораженные вирусами. В общем, враг поджидает как снаружи, так и изнутри — как же в итоге иммунная система определяет, кого казнить, а кого помиловать? И почему в норме она не нападает на собственный организм?

Долгое время ученые думали, что знают ответ на этот вопрос. Им казалось, что всё определяет центральная иммунологическая толерантность — способность не реагировать на собственные антигены организма, — вырабатываемая в первичных (центральных) органах иммунитета: тимусе для Т-клеток и костном мозге для В-клеток (рис. 1). В недрах этих органов выявляются и уничтожаются аутореактивные лимфоциты — «предатели», распознающие и связывающиеся со здоровыми клетками организма. Кроме того, в этих же органах происходит аннергия — перевод лимфоцитов в неактивное состояние из-за недостатка сигналов для их активации.

Однако на деле всё оказалось сложнее. Центральная иммунологическая толерантность — лишь первый уровень самоконтроля иммунной системы. Дальше в ход идет уже периферическая иммунная толерантность, подключающаяся во вторичных лимфоидных органах (лимфатические узлы, селезенка) и затем в остальных тканях организма. Использует эта система совершенно иные механизмы — такие как регуляторные Т-клетки и секвестрация (изоляция) антигенов. И именно за открытие этих механизмов были удостоены премии Нобелевские лауреаты этого года .

Надо сказать, что эта Нобелевка — далеко не первая иммунологическая премия: например, в 2011 году уже отметили открытия в области как врожденного, так и приобретенного иммунитета: «Иммунологическая Нобелевская премия (2011)» [1]. Впрочем, тогда основное внимание досталось врожденным системам распознавания патогенов, таким как Toll-подобные рецепторы; в этот же раз мы глубже окунемся в мир приобретенного, или адаптивного иммунитета, рассмотрев нюансы его регуляции. Читателям, знакомым со всем этим лишь понаслышке, мы настоятельно рекомендуем насладиться нашей небольшой, но вполне энциклопедической статьей: «Иммунитет: борьба с чужими и... своими» [2]. — Ред.

Как Т-клетки распознают врага?

Поскольку Т-клетки занимают центральное место в нашей истории, давайте вначале выясним, что о них было известно еще с давних пор — далеких 1990-х годов. В первую очередь, что существует две их главные разновидности:

• Т-хелперы постоянно патрулируют организм. Обнаружив вторгшийся патоген, они предупреждают другие иммунные клетки, которые затем начинают атаку.
• Т-киллеры уничтожают клетки, инфицированные вирусом или другими патогенами. Они также могут атаковать опухолевые клетки.

На поверхности Т-клеток имеются особые белковые датчики, способные отделять свои клетки от чужеродных, — Т-клеточные рецепторы. Все они имеют разную форму своих распознающих частей благодаря механизму генетической рекомбинации — подробнее об этом см. во врезке. Теоретически организм способен выдавать астрономические 10¹⁵ различных генных комбинаций для сборки Т-клеточных рецепторов, уникальных для каждого человека: «Анализ индивидуальных репертуаров Т-клеточных рецепторов» [3]. А нужны они для того, чтобы безошибочно распознавать инфекцию, сколь бы многоликой она не была (рис. 2Б).

Благодаря огромному разнообразию репертуаров T-клеточных рецепторов, организм подберет ключик даже к новейшему и ранее неопознанному микробу — на этом изобретении держится весь приобретенный иммунитет. Однако при этом организм создает также большое количество рецепторов, способных распознать и собственные клетки организма. Почему же в таком случае иммунные клетки не атакуют — по большей части — наш организм изнутри?

Иммунная система должна иметь своего надзирателя — мнение лауреата Симона Сакагути

Разобраться в вопросе предстояло японскому исследователю Симону Сакагути (рис. 3), который работал в Научно-исследовательском институте онкологического центра Айти в Нагое, Япония. В 1970-х годах возникла концепция «супрессорных Т-клеток», согласно которой некоторые T-клетки могут подавлять иммунитет [5]. Однако эта область страдала от непоследовательных методик, отсутствия специфических маркеров и невозможности окончательно отличить супрессорные и все прочие Т-клетки.

Чтобы понять, что же еще контролирует иммунную систему, кроме центральной иммунологической толерантности, японские ученые Ясуаки Нисидзука и Тэруё Сакакура в 1969 году провели ряд экспериментов на новорожденных мышах, хирургическим путем удаляя им тимус. Ученые предположили, что в таком случае Т-клеток будет вырабатываться меньше, а иммунная система ослабнет. Однако, если операция проводилась через три дня после рождения мышей, иммунная система начинала работать с перегрузкой и выходила из-под контроля, что приводило к развитию у мышей ряда аутоиммунных заболеваний [6].

В 1973 году Уильям Пенхейл расширил эти наблюдения, показав, что удаление тимуса у крысят приводит к аутоиммунному тиреоидиту с развитием аутоантител к клетки щитовидной железы [7]. Позже он продемонстрировал, что тиреоидит можно предотвратить, если ввести таким крысам лимфоциты от здоровых животных [8].

Чтобы разобраться в этом феномене, за дело взялся наш будущий лауреат — молодой японский исследователь Симон Сакагути. В начале 1980-х годов он повторил эксперименты коллег и выделил Т-клетки, созревшие у генетически идентичных мышей (фактически однояйцевых близнецов), и ввел их мышам с хирургически удаленным тимусом (рис. 4). Эта процедура привела к интересному эффекту — развитие аутоиммунных реакций у мышей без тимуса подавлялось введением лишь некоторых фракций Т-клеток [9].

Этот и другие подобные результаты убедили Сакагути в том, что у иммунной системы должен быть механизм защиты, «успокаивающий» и держащий Т-клетки под контролем. Причем развитие аутоиммунных реакций сдерживали лишь некоторые фракции выделенных Т-клеток — но какие?

Сакагути открывает новый класс Т-клеток

Иммунологи описывают T-клетки по набору белков, расположенных на их поверхности — в частности, Т-хелперы распознаются благодаря белку CD4, а Т-киллеры — по CD8. Вскоре выяснилось, что в эксперименте, в котором Сакагути защищал мышей от аутоиммунных заболеваний, он использовал клетки с CD4 на поверхности — Т-хелперы. Обычно они пробуждают и активируют иммунную систему, но в эксперименте Сакагути всё было наоборот. Он пришел к выводу, что должны существовать различные формы CD4-Т-клеток. Чтобы проверить свою гипотезу, Сакагути необходимо было научиться отличать одни T-клетки от других.

Направление, заданное Сакагути, подхватили Фиона Поури и Дон Мейсон из Оксфордского университета, которые при помощи моноклональных антител показали, что CD4±Т-хелперы, экспрессирующие много белка CD45RB, при введении бестимусным мышам вызывали тяжелое изнуряющее заболевание, характеризующееся системным воспалением внутренних органов. При этом инъекция других CD4+ лимфоцитов — с низким уровнем CD45RB — защищала животных от заболевания [10]. Они пришли к выводу, что функциональная гетерогенность и специализация в популяции периферических CD4+Т-клеток смогут объяснить механизмы иммунной регуляции. Однако понять, чем же отличаются эти клеточные популяции, ученые всё же не смогли.

После того, как Сакагути определил подгруппу CD4+CD25+ как совершенно новый тип Т-клеток, термин «регуляторные Т-клетки» получил широкое признание в научном сообществе [12]. Кроме того, Сакагути и его коллеги продемонстрировали, что большинство регуляторных Т-клеток вырабатывается именно в тимусе [13]. Они также идентифицировали рецепторный белок CTLA-4 как дополнительный маркер этих клеток [14].

Однако многие исследователи все еще скептически отнеслись к открытию; им требовались дополнительные доказательства участия регуляторных Т-клеток в подавлении аутоиммунных расстройств. Ключевую информацию смогли предоставить два других лауреата — Мэри Бранкоу и Фред Рамсделл. Настало время для второго акта Нобелевских открытий — а начинается он с рождения больных самцов мышей в секретной американской лаборатории в 1940-х годах.

Мутация, нарушающая иммунную систему, и Манхэттенский проект

В этой лаборатории, расположенной в городе Оук-Ридж, штат Теннесси, исследователи изучали последствия радиации — их работа была частью Манхэттенского проекта по разработке атомной бомбы. Ключевая для Нобелевки этого года линия мышей стала эволюционной случайностью: некоторые самцы, подвергшиеся в утробе действию радиации, родились с чешуйчатой и шелушащейся кожей, чрезвычайно увеличенной селезенкой и лимфатическими узлами и прожили всего несколько недель [15].

Линия мышей, получившая название scurfy, привлекла внимание исследователей. Молекулярная генетика тогда только зарождалась, но при дальнейшем скрещивании потомков этих мышей исследователи поняли, что мутация, вызывающая это заболевание, должна быть локализована в X-хромосоме. Половина всех самцов мышей были больны, но самки могли жить нормально, поскольку у них две X-хромосомы, одна из которых имеет здоровую ДНК. Таким образом, самки передают мутацию scurfy в Х-хромосоме следующим поколениям.

В 1990-х годах, когда молекулярные инструменты значительно усовершенствовались, исследователи начали изучать причины такого заболевания у самцов мышей, страдающих от множественных аутоиммунных реакций. Оказалось, что их органы подвергались атаке Т-клеток, разрушающих ткани. По какой-то причине мутация, вызывающая шелушение кожи, по-видимому, поднимала «восстание» иммунной системы.

Бранкоу и Рамсделл ищут объяснения аутоиммунных заболеваний

Двое исследователей, заинтересовавшихся мутацией, вызывающей шелушение и мультиорганную недостаточность, были Мэри Бранкоу и Фредом Рамсделлом (рис. 7). Они работали в биотехнологической компании Celltech Chiroscience в Ботхелле, штат Вашингтон, США. Компания разрабатывала фармацевтические препараты для лечения аутоиммунных заболеваний. Изучая линию мышей sf/Y, Бранкоу и Рамсделл поняли, что эти мыши, пораженные шелушением, являются ключом к сути их работы. Если бы они смогли понять молекулярный механизм, лежащий в основе заболевания мышей, секрет аутоиммунных заболеваний вышел бы наружу. Исследователи приняли важное решение: они будут искать тот самый мутантный ген, приводящий к шелушению кожи у несчастных мышей.

Сегодня можно картировать весь геном мыши и найти мутировавший ген за несколько дней. В 1990-х годах это было похоже на поиск иголки в гигантском стоге сена. Цепочка ДНК, образующая Х-хромосому мышей, состоит примерно из 170 миллионов пар оснований нуклеотидов. Обнаружение мутации в этой массе ДНК было возможно, но требовало времени, терпения и творческого использования инструментов молекулярной биологии той эпохи.

— Полагаю, дело в том, что вы, конечно, выдающийся генетик, и клонирование гена, его обнаружение в 1998 году — это было совсем не то же самое, что поиск генов сейчас. Вам пришлось провести целый комплекс сложных исследований.
— Да, поразительно, насколько изменилась наука. И то, как мы это делаем сегодня, совершенно отличается от того, как нам приходилось делать это тогда.

Иголка в стоге ДНК-сена

Картирование показало, что мутация scurfy должна находиться где-то в середине X-хромосомы. Бранкоу и Рамсделлу удалось сузить потенциальную область до примерно 500 000 нуклеотидов; затем они приступили к кропотливой работе по детальному картированию этой области X-хромосомы.

Это заняло много времени. Когда Бранкоу и Рамсделл закончили, они установили, что эта область содержит 20 потенциальных генов. Следующей задачей было сравнить эти гены у здоровых и больных мышей, перебрав их один за другим. Только с двадцатым — последним! — геном они смогли сказать: «бинго!». После многих лет упорной работы мутация, отвечающая за шелушение кожи, наконец-то была найдена (рис. 8).

Дефектный ген ранее не был известен, но имел много общего с группой генов, называемых forkhead box или FOX. Они кодируют белки, регулирующие активность других генов (транскрипционные факторы), что может влиять на развитие иммунных клеток. Поэтому Мэри Бранкоу и Фред Рамсделл назвали новый ген Foxp3.

Открытие поломанного гена выявило причину серьезного аутоиммунного заболевания у людей

В ходе своей работы Бранков и Рамсделл начали подозревать, что редкое аутоиммунное генетическое заболевание IPEX, также связанное с Х-хромосомой, может быть человеческим вариантом расстройства, от которого страдают мыши sf/Y. Синдром IPEX также приводит к экземам на коже, полиорганной недостаточности и эндокринным нарушениям вроде диабета первого типа.

В базе данных, где исследователи хранят информацию о недавно открытых генах, они нашли человеческий эквивалент поломанного мышиного гена Foxp3. С помощью педиатров со всего мира они собрали образцы геномов у мальчиков, страдающих IPEX. При картировании образцов они действительно обнаружили опасные мутации в гене FOXP3.

В 2001 году в журнале Nature Genetics Мэри Бранкоу и Фред Рамсделл выпустили работу, в которой описали, что мутации в гене FOXP3 вызывают как заболевание человека, называемое синдромом IPEX, так и проблемы со здоровьем у мышей линии sf/Y [16]. Эти ключевые открытия привели к научному переполоху в нескольких ведущих иммунологических лабораториях мира. Собрав воедино фрагменты головоломки, исследователи поняли, что ген FOXP3 может быть важен для экспрессии регуляторных Т-клеток, открытых Сакагути.

Регуляторные Т-клетки — стражи организма

Два года спустя Симон Сакагути, а вскоре и другие исследователи смогли убедительно доказать, что ген FOXP3 контролирует развитие регуляторных Т-клеток. Эти клетки предотвращают ошибочную атаку других Т-клеток на собственные ткани организма (рис. 9), что важно для процесса, называемого периферической иммунной толерантностью. Регуляторные Т-клетки также обеспечивают торможение иммунной системы после устранения патогенной угрозы для организма, как бы завершая аврал.

Фундаментальные знания, полученные исследователями благодаря открытию регуляторных Т-клеток и их роли в периферической иммунной толерантности, стимулировали разработку потенциальных новых методов лечения. Картирование опухолей показывает, что они могут привлекать большое количество регуляторных Т-клеток, защищающих их от иммунной системы . Поэтому исследователи пытаются найти способы разрушить этот барьер из регуляторных Т-клеток, чтобы иммунная система могла получить доступ к опухолям [19].

Опять-таки, среди «нобелевских» тем мы не впервые видим раковые клетки, обманывающие иммунитет: «Иммунитет без тормозов: Нобелевская премия за антитела против рака (2018)» [20]. — Ред.

При аутоиммунных заболеваниях исследователи вместо этого пытаются стимулировать образование большего количества регуляторных Т-клеток. В пилотных исследованиях пациентам вводят специально мутированный интерлейкин-2 — вещество, на которое больше не реагируют обычные Т-клетки, но которые «интересны» T_reg [21]. Исследователи также изучают, можно ли использовать интерлейкин-2 для предотвращения отторжения органов после трансплантации.

Другая стратегия, которую исследователи тестируют для замедления гиперактивности иммунной системы, заключается в выделении регуляторных Т-клеток пациента и их размножении в лабораторных условиях. Затем их возвращают пациенту, что приводит к увеличению количества регуляторных Т-клеток в его организме. В некоторых случаях исследователи также модифицируют Т-клетки, добавляя на их поверхность антитела, которые выполняют функцию адресной метки. Это позволяет исследователям, например, отправлять этих защитников клеток в трансплантированную печень или почку и защищать орган от атак иммунной системы.

Существует еще и третье направление — CAR-T_reg. Так, ген FOXP3 могут модифицировать, чтобы его было больше и/или чтобы он был стабильным. Это делают по аналогии с CAR-T-клетками (chimeric antigen receptor T cells), так как у этих клеток тоже модифицируется Т-клеточный рецептор [22].

Сейчас существует множество примеров исследований, в которых ученые проверяют возможности использования регуляторных Т-клеток для борьбы с заболеваниями. Благодаря своим революционным открытиям Мэри Бранкоу, Фред Рамсделл и Симон Сакагути предоставили фундаментальные знания о регуляции и контроле иммунной системы. Тем самым они принесли человечеству величайшую пользу.

На основе пресс-релиза Нобелевского комитета.

Литература

1. Иммунологическая Нобелевская премия (2011);
2. Иммунитет: борьба с чужими и… своими;
3. Анализ индивидуальных репертуаров Т-клеточных рецепторов;
4. Susumu Tonegawa. (1983). Somatic generation of antibody diversity. Nature. 302, 575-581;
5. Gershon R. K., Kondo K. (1970). Cell interactions in the induction of tolerance: the role of thymic lymphocytes. Immunology. 18, 723;
6. Yasuaki Nishizuka, Teruyo Sakakura. (1969). Thymus and Reproduction: Sex-Linked Dysgenesia of the Gonad after Neonatal Thymectomy in Mice. Science. 166, 753-755;
7. Penhale W. J. (1973). Spontaneous thyroiditis in thymectomized and irradiated Wistar rats. Clinical and experimental immunology. 15, 225;
8. Penhale W. J. (1976). Thyroiditis in T cell-depleted rats: suppression of the autoallergic response by reconstitution with normal lymphoid cells. Clinical and experimental immunology. 25, 6;
9. S Sakaguchi, T Takahashi, Y Nishizuka. (1982). Study on cellular events in post-thymectomy autoimmune oophoritis in mice. II. Requirement of Lyt-1 cells in normal female mice for the prevention of oophoritis.. The Journal of experimental medicine. 156, 1577-1586;
10. F Powrie, D Mason. (1990). OX-22high CD4+ T cells induce wasting disease with multiple organ pathology: prevention by the OX-22low subset.. The Journal of experimental medicine. 172, 1701-1708;
11. Sakaguchi S. (1995). Immunologic self-tolerance maintained by activated T cells expressing IL-2 receptor alpha-chains (CD25). Breakdown of a single mechanism of self-tolerance causes various autoimmune diseases. Journal of immunology. 155, 1151–1164;
12. Takeshi Takahashi, Tomoyuki Tagami, Sayuri Yamazaki, Toshimitsu Uede, Jun Shimizu, et. al.. (2000). Immunologic Self-Tolerance Maintained by Cd25+Cd4+Regulatory T Cells Constitutively Expressing Cytotoxic T Lymphocyte–Associated Antigen 4. The Journal of Experimental Medicine. 192, 303-310;
13. Itoh M. (1999). Thymus and autoimmunity: production of CD25+ CD4+ naturally anergic and suppressive T cells as a key function of the thymus in maintaining immunologic self-tolerance. The Journal of Immunology. 162, 5317–5326;
14. Simon Read, Vivianne Malmström, Fiona Powrie. (2000). Cytotoxic T Lymphocyte–Associated Antigen 4 Plays an Essential Role in the Function of Cd25+Cd4+ Regulatory Cells That Control Intestinal Inflammation. The Journal of Experimental Medicine. 192, 295-302;
15. Godfrey V. L., Wilkinson J. E., Russell L. B. (1991). X-linked lymphoreticular disease in the scurfy (sf) mutant mouse. The American journal of pathology. 138, 1379;
16. Robert S. Wildin, Fred Ramsdell, Jane Peake, Francesca Faravelli, Jean-Laurent Casanova, et. al.. (2001). X-linked neonatal diabetes mellitus, enteropathy and endocrinopathy syndrome is the human equivalent of mouse scurfy. Nat Genet. 27, 18-20;
17. S Sakaguchi, K Fukuma, K Kuribayashi, T Masuda. (1985). Organ-specific autoimmune diseases induced in mice by elimination of T cell subset. I. Evidence for the active participation of T cells in natural self-tolerance; deficit of a T cell subset as a possible cause of autoimmune disease.. The Journal of experimental medicine. 161, 72-87;
18. S Sakaguchi, N Sakaguchi. (1988). Thymus and autoimmunity. Transplantation of the thymus from cyclosporin A-treated mice causes organ-specific autoimmune disease in athymic nude mice.. The Journal of experimental medicine. 167, 1479-1485;
19. Tatiana Akimova, Liqing Wang, Zhanna Bartosh, Lanette M. Christensen, Evgeniy Eruslanov, et. al.. (2024). Antisense targeting of FOXP3+ Tregs to boost anti-tumor immunity. Front. Immunol.. 15;
20. Иммунитет без тормозов: Нобелевская премия за антитела против рака (2018);
21. Liliane Khoryati, Minh Nguyet Pham, McKenna Sherve, Swarnima Kumari, Kevin Cook, et. al.. (2020). An IL-2 mutein engineered to promote expansion of regulatory T cells arrests ongoing autoimmunity in mice. Sci. Immunol.. 5;
22. Sebastian Bittner, Thomas Hehlgans, Markus Feuerer. (2023). Engineered Treg cells as putative therapeutics against inflammatory diseases and beyond. Trends in Immunology. 44, 468-483.