https://www.dia-m.ru/catalog/reactive/?utm_source=biomol&utm_campaign=up-baner#reactive-order
Подписаться
Оглавление
Биомолекула

Трогоцитоз: зачем клетки делают «кусь»?

Трогоцитоз: зачем клетки делают «кусь»?

  • 556
  • 0,0
  • 0
  • 2
Добавить в избранное print
Обзор

Рисунок в полном размере.

рисунок с сайта Hindawi, глаза добавила автор:)

Статья на конкурс «Био/Мол/Текст»: Кусающаяся клетка? Звучит необычно... Ведь еще на школьных уроках биологии нам объясняли, что клетка поглощает различные субстанции путем фагоцитоза (то есть захвата относительно крупных твердых частиц), пиноцитоза (поглощения жидкости с растворенными в ней веществами) либо эндоцитоза (впячивания клеточной мембраны вместе со связавшимся с рецептором лигандом). Но, как говорится, «забудьте все, чему вас учили в школе». А еще лучше не забывать, а обновлять и пополнять свои знания, ведь в последнее время открывают все новые способы взаимодействия живых клеток с окружающей средой и друг с другом: экзосомы, нанотрубочки, а также трогоцитоз, о котором мы вам сейчас расскажем поподробнее.

Конкурс «Био/Мол/Текст»-2021/2022

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «Био/Мол/Текст»-2021/2022.

SkyGen

Партнер номинации — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.


BIOCAD

Генеральный партнер конкурса — международная инновационная биотехнологическая компания BIOCAD.


«Диаэм»

Генеральный партнер конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.


«Альпина нон-фикшн»

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Трофозоит

Рисунок 1. Трофозоит (T) N. fowleri «откусывает» фрагмент цитоплазмы мышиного эмбриона (ME). В углу более крупным планом показаны верхушки псевдоподий, а стрелочки указывают на структуры, похожие на микрофиламенты. Это говорит о том, что активную роль в данном процессе играет цитоскелет, давая клетке механическую силу для трогоцитоза.

[1]

В переводе с греческого τρωγω (trogo-) — «грызть». То есть трогоцитоз описывает процесс, когда одна клетка буквально откусывает кусочек другой, живой клетки. Этот феномен помогли обнаружить маленькие одноклеточные существа. В 1971 году микробиолог Ц. Г. Кульбертсон (C. G. Culbertson), изучавший поведение свободноживущих патогенных амеб под микроскопом, описал, как они расправлялись с эритроцитами, «словно отщипывая кусочек за кусочком, пока в конце концов это не приводило к гемолизу красных кровяных телец». Спустя несколько лет его коллега Т. Браун (T. Brown) наблюдал похожую картину на примере Naegleria fowleri, известной как «амебы, пожирающей мозг», которая порционно поглощала клетки мышиного эмбриона с помощью похожих на клешни псевдоподий (рис. 1). Именно он впервые употребил термин «трогоцитоз» в качестве противопоставления фагоцитозу, когда клетка поглощает какую-то довольно крупную частицу целиком [1].

Примерно в это же время, в 70-е годы XX века, иммунологи тоже начали замечать нечто странное: например, Т-клетки с иммуноглобулинами В-клеточного происхождения на своей поверхности (позже станет понятно, что это были молекулы главного комплекса гистосовместимости (MHC) класса II, которые экспрессируют многие антигенпрезентирующие клетки, например, дендритные клетки, просто в то время подобные структуры знали только у В-клеток). И откуда бы им там взяться? Ведь Т-клетки не особо умеют сами экспрессировать эти молекулы [2]. В течение следующих десятилетий дело становилось все интереснее и запутаннее: в краже чужих поверхностных молекул были заподозрены еще и дендритные клетки, макрофаги, нейтрофилы, базофилы и другие клетки иммунной системы. Разные группы ученых сначала давали различные названия наблюдаемому феномену: частичный фагоцитоз, клеточный каннибализм, поглощение (absorption), приобретение (acquisition), откусывание (nibbling), сбривание (shaving), выхватывние (snatching), и даже раздевание другой клетки (stripping) [3]. Но со временем термин «трогоцитоз» (дословно «обгрызание», «обгладывание») стал общепринятым и самым распространенным. Постепенно начали вырисовываться и общие характеристики, свойственные трогоцитозу. Это действие, во-первых, активное, а не пассивное со стороны клетки, во-вторых, достаточно оперативное (всего несколько минут), в-третьих, предполагает физическое межклеточное взаимодействие, и, наконец, происходит между двумя живыми (по крайне мере, изначально) клетками, что отличает трогоцитоз от фагоцитоза апоптотических телец. Содержимое же откусанного может варьировать: в зависимости от типа взаимодействующих клеток, это могут быть разные поверхностные молекулы, чаще всего с фрагментом окружающей их клеточной мембраны, а иногда и с примесью цитоплазмы (рис. 2) [4].

Различия между фагоцитозом и трогоцитозом

Рисунок 2. Различия между фагоцитозом (а) и трогоцитозом (б). Трогоцитоз-опосредованный лизис означает, что в результате данного процесса клетка, подвергаемая трогоцитозу, уходит в апоптоз, то есть погибает. Трогоцитоз-опосредованный трансфер более характерен для общения между иммунными клетками и подразумевает перенос трансмембранных белков от одной клетке (донор) к другой (реципиент).

[4], рисунок адаптирован автором

В дальнейшем, по мере усовершенствования методов микроскопии, трогоцитоз вышел за пределы микробиологии и иммунологии и был замечен в самых разных областях, включая нейробиологию и эмбриологию, и в самых разных типах клеток, в том числе стромальных, мезенхимальных и даже раковых, намекая на то, что трогоцитоз является достаточно консервативным инструментом эукариотической клетки (рис. 3) [5].

Примеры трогоцитоза

Рисунок 3. Примеры трогоцитоза. Белые стрелочки указывают на откусанные фрагменты.

(а) — Entamoeba histolitica (отмечена зеленым) отщипывает фрагменты Т-лимфоцитов (фиолетовые);
(б) — нейтрофилы (фиолетовые) уничтожают Trichomonas vaginalis (зеленый) посредством трогоцитоза;
(в) — макрофаги (зеленые) убивают опсонизированную В-клетку (красная);
(г) — Entamoeba histolitica (зеленый цвет) презентирует на своей поверхности украденные путем трогоцитоза MHC-I (красные).

[5]

Чтобы проиллюстрировать все разнообразие биологических контекстов, в которых был зафиксирован трогоцитоз, ниже мы рассмотрим четыре основные причины, по которым клетка бывает кусачей.

Причина № 1: кусь сигнальный

Трогоцитоз между клетками иммунной системы является самым изученным и разнообразным. Чаще всего он стимулируется лиганд-рецепторным взаимодействием, например, между Т-клеточным рецептором (TCR) Т-лимфоцитов и комплексом pMHC (главный комплекс гистосовместимости, связанный с пептидом) на поверхности антигенпрезентирующих клеток (АПК) (подробнее про роль TCR-MHC взаимодействия мы уже писали в статье «Тимоцитов ведут в зоопарк. Что такое эктопическая экспрессия и как она защищает нас от аутоиммунитета» [6]). В результате узнавания антигена связавшиеся с pMHC Т-клеточные рецепторы начинают собираться в большой кластер, и между Т-клеткой и АПК формируется так называемый иммунологический синапс. Затем этот кластер интернализуется внутрь Т-клетки, утаскивая за собой фрагмент АПК прямо вместе с pMHC, пока он окончательно не оторвется от клетки. Этот процесс регулируется ГТФазами TC21 и RhoG: TC21 запускает PI3K-зависимый сигнальный путь, активирующий RhoG, который, в свою очередь, стимулирует полимеризацию актина. Некоторые компоненты этого сигналинга участвуют и в фагоцитозе, а некоторые специфичны только для трогоцитоза, то есть в чем-то эти два механизма схожи, но не идентичны [7].

Интернализация и трогоцитоз у Т-лимфоцитов

Рисунок 4. Интернализация и трогоцитоз у Т-лимфоцитов. После активации в ответ на антиген нанокластеры, состоящие из Т-клеточных рецепторов, начинают собираться в более крупные микрокластеры, и под действием ряда ГТФаз стимулируется полимеризация актина, которая создает механическую силу для трогоцитоза. Фрагменты АПК, заключенные в везикулы, затем могут быть снова транспортированы к поверхности Т-клетки и начать экспрессироваться там или же отправиться на деградацию.

cSMAC — supramolecular activation cluster, кластер TCR в центре иммунологического синапса;
pSMAC — peripheral supramolecular activation cluster, кластеры на периферии иммунологического синапса.

[7], рисунок адаптирован автором

Зачем же Т-клеткам трогоцитоз и какие сигналы он посылает? Это до сих пор остается предметом споров. С одной стороны, считается, что с помощью трогоцитоза Т-лимфоцит продлевает себе время взаимодействия с pMHC, ведь для полноценной активации требуется до 6 часов стимуляции T-лимфоцита антигеном, а в непосредственном контакте друг с другом Т-лимфоцит и АПК находятся недолго [2]. Поэтому обычно активирующий сигнал суммируется в результате многих кратковременных взаимодействий между клетками или же за счет интернализации кластера с pMHC, как было показано на рисунке 4.

С другой стороны, после интернализации часто следует так называемый кросс-дрессинг, когда клетка реэкспрессирует проглоченные белки на собственной мембране, словно надевая маску на маскараде. В случае с CD4+ T-клетками (или Т-хелперами) такие игры в переодевания приводят к неоднозначному результату: какие-то исследователи наблюдали их дифференцировку в субпопуляцию Th2 (которые участвуют в противопаразитарном иммунитете), другие — в регуляторные T-клетки. А еще обратили внимание на взаимодействие CD4+ клеток после кросс-дрессинга с простыми CD4+ клетками, где исход зависит от степени зрелости последних. Так, CD4+ T-клетки памяти при встрече с переодетым товарищем впадали в спячку (анергию), а наивная CD4+ клетка, наоборот, ускоряла свою диффиренцировку в субпопуляцию Th17 (помогают бороться с внеклеточными патогенами, особенно в районе слизистых оболочек). В свою очередь, «оголившиеся» АПК начинают хуже справляться с функцией презентирования антигенов, поскольку Т-клетки «отобрали» у них MHC — их главный инструмент для антигенной презентации и активации иммунных клеток, а том числе и самих Т-лимфоцитов [4]. В общем, до сих пор все довольно запутанно и требует дополнительных исследований.

Последствия трогоцитоза для CD4+ субпопуляции Т-лимфоцитов

Рисунок 5. Последствия трогоцитоза для CD4+ субпопуляции Т-лимфоцитов. После трогоцитоза CD4+ Т-клетки забирают себе комплексы pMHC-II и могут сами начать взаимодействовать с другими CD4+ клетками. В зависимости от того, какой фенотип имеют последние (например, наивная ли клетка или клетка памяти), возможны разные исходы: анергия или дифференцировка.

[4], рисунок адаптирован автором

Трогоцитоз MHC-I комплексов CD8+ (или эффекторными) Т-лимфоцитами и их последующий кросс-дрессинг более однозначно демонстрирует регуляторные функции. Так, переодетые Т-клетки демонстрируют на своей поверхности пептид, который ею же был опознан как чужой, и потому становятся мишенью своих Т-собратьев — такое явление даже получило название «Т-клеточное братоубийство» (T cell fratricide) [4]. Особенно ярко оно проявляется при сильном супрафизиологичном избытке антигенов (выше физиологической нормы). Как в случае с Т-хелперами, трогоцитоз MHC-I также способствует прореживанию антигенов на АПК, что оставляет стимул для пролиферации наиболее специфичных Т-клонов против определенного антигена, которые умеют довольствоваться и малым количеством pMHC. Поскольку на один и тот же антиген могут среагировать Т-клетки с разными TCR и разной степенью сродства к антигену, количественное уменьшение комплексов pMHC-I приводит к конкуренции за связывание, в результате чего «побеждают» самые антигенспецифичные, а значит, эффективные Т-клоны.

Обратная сторона медали заключается в том, что, в отличие от MHC-II, которые экспрессируются в основном на поверхности профессиональных антигенпрезентирующих клеток, MHC класса I можно встретить фактически на всех ядросодержащих клетках, в том числе и раковых, которым выгодно избавляться от MHC-I, чтобы спрятать от иммунных клеток экспонируемые на их поверхности неоантигены. Таким образом, трогоцитоз MHC-I с поверхности раковых клеток укрывает их от иммунного ответа.

Существует также интересная интерпретация Т-лимфоцитарного трогоцитоза как симбиотического отношения с многоклеточным организмом по типу «государство—армия». Согласно ей, Т-лимфоциты берут своего рода «налог» с других клеток в виде высокоэнергетических мембранных липидов для собственной пролиферации в обмен на защиту организма от врагов [8].

Последствия трогоцитоза для CD8+ субпопуляции Т-лимфоцитов

Рисунок 6. Последствия трогоцитоза для CD8+ субпопуляции Т-лимфоцитов. Эффекторные Т-клетки видят специфичный для себя пептид на поверхности другой клетки, что в контексте MHC-I приводит к лизису последней. Узнавание подобного эпитопа на поверхности другой Т-клетки тоже распознается как сигнал к атаке, даже если она позаимствовала данный pMHC у кого-то. Такой феномен называется Т-клеточным «братоубийством». Параллельно, снижение числа pMHC вызывает конкуренцию Т-клеток с различными рецепторами за свой лиганд, а также помогает опухоли уходить от надзора Т-клеток.

[4], рисунок адаптирован автором

Трансфер молекул MHC существует не только между Т-клетками и АПК, есть и другие сценарии. Например, передача MHC возможна между дендритными клетками, которые являются профессиональными АПК. Одалживая друг другу антиген в комплексе MHC-I, а затем представляя их Т-лимфоцитам, дендритные клетки могут ускорить иммунный ответ. Это происходит за счет того, что такой взаимообмен убирает для некоторых дендритных клеток этап встречи антигена и его процессинга, как это происходит по классической схеме. Так что они могут сразу использовать уже готовое решение для активации лимфоцитов [4].

Причина № 2: кусь смертельный

Если иммунные клетки собственного организма лишь слегка друг друга покусывают, то вражеские друг другу клетки грызутся не на жизнь, а на смерть. Как, например, нейтрофилы и раковые или паразитарные клетки простейших. Нейтрофилы — самая многочисленная популяция лейкоцитов. Они являются «группой быстрого реагирования» врожденного иммунитета, потому что быстрее всех добираются до очага воспаления и начинают поглощать патогенные частицы, разрушая их внутри себя. Кроме того, нейтрофилы имеют цитотоксические гранулы, генерируют активные формы кислорода, либо же самоотверженно погибают, выбрасывая наружу самое ценное, что есть у любой клетки: свою ДНК, которая превращается в сеть и опутывает неприятеля (такое «харакири» нейтрофилов называется нетоз). Так вот, оказалось, что среди богатого инструментария нейтрофилов есть еще и трогоцитоз. Поскольку, в отличие от макрофагов, нейтрофилы не могут заглотить такой большой объект, как раковая клетка или крупных размеров паразит, они берут не качеством, а количеством: большой командой окружают клетку и со всех сторон «кусают» ее до тех пор, пока раковая клетка не потеряет свою целостность, не в силах больше компенсировать эти бреши. По словам Тима ван де Берга, описавшего это явление, нейтрофилы были похожи на «пираний, набросившихся на свою жертву» [9]. Он даже придумал новый термин — «трогоптоз», то есть трогоцитоз, доводящий клетку до апоптоза. Такую же стратегию нейтрофилы используют, например, в борьбе с простейшим Trichomonas vaginalis (см. рис. 3б). Интересно, что против живых паразитов они применяют трогоцитоз, а против мертвых пускают в ход классический фагоцитоз (кстати, вышеупомянутая E. histolytica делает так же, о чем будет сказано ниже).

Схема трогоцитоза для амебы и нейтрофилов

Рисунок 7. Схема трогоцитоза для амебы (а) и нейтрофилов (б). Амебы для связывания с поверхностью клетки-мишени и последующего трогоцитоза используют рецепторы протеогликана, в то время как нейтрофилы для связывания с раковой клеткой — Fcγ-рецепторы и интегрин.

[4], рисунок адаптирован автором

А вот в контексте противораковой терапии антителами роль трогоцитоза оказалась противоречивой. С одной стороны, предполагается, что опсонизация антителами привлекает макрофагов и нейтрофилов, взаимодействующих своим Fcγ-рецептором с константной частью антитела, что приводит к поглощению и лизису опсонизированной клетки. Такое явление еще называют антителозависимой клеточной цитотоксичностью (antibody dependent cell cytotoxicity, ADCC). Действительно, иногда так оно и происходит: антитела стимулируют трогоцитоз и элиминацию нежелательной клетки. Но иногда процесс зависает будто посередине: трогоцитоз есть, а лизиса нет. В такой ситуации происходит лишь бесполезный забор антител с клетки, что позволяет последней уйти от иммунного ответа. Такую ситуацию, названную «сбриванием» (от англ. shaving), особо часто наблюдают при терапии анти-CD20 антителами, такими как ритуксимаб или офатумумаб (используются в иммунотерапии В-клеточной неходжкинской лимфомы). Частично проблема решается снижением дозы препарата [4].

Схема трогоцитоза опсонизированных раковых клеток

Рисунок 8. Схема трогоцитоза опсонизированных раковых клеток. Снижение числа CD20 на поверхности раковых клеток за счет трогоцитоза макрофагами приводит к снижению эффективности иммунотерапии анти-CD20-антителами.

ХЛЛ — хронический лимфоцитарный лейкоз, ХЛЛ-клетка — имеется в виду злокачественный В-лимфоцит.

[4], рисунок адаптирован автором

Однако раковые клетки — не единственная мишень нейтрофилов. В прошлом году испанские ученые обнаружили, что нейтрофилы используют трогоцитоз для нейтрализации сперматозоидов [10]. Поскольку до яйцеклетки добирается только один самый везучий сперматозоид, всех остальных через какое-то время нужно утилизировать (особенно в период вне овуляции), ведь эти клетки являются все же чужеродными для женского организма. Поэтому при длительном нахождении во влагалище они могут вызвать воспаление. Поскольку с учетом длинного жгутика спарматозоиды нейтрофилам для фагоцитоза «не по зубам», они кусают их спереди, тем самым снижая их подвижность и жизнеспособность.

Кстати сказать, самый удачливый сперматозоид может взять своего рода «реванш» за своих товарищей: добравшись до яйцеклетки и запустив акросомную реакцию (разрушение защитной оболочки ооцита путем экзоцитоза специальных ферментов), сперматозоиды также могут осуществлять трансфер мембраны яйцеклетки вместе с поверхностными белками путем трогоцитоза [11]. Возможно, на поверхности мембраны яйцеклетки есть какие-то белки, гены которых не экспрессируются или мало экспрессируются у сперматозоидов, но которые имеют регуляторные функции и как-то влияют на слияние сперматозоида с яйцеклеткой. Учитывая, что трогоцитоз наблюдается непосредственно перед зачатием, возможно, он играет какую-то важную сигнальную роль в оплодотворении, но детали этого процесса еще предстоит выяснить.

Одноклеточные организмы тоже умеют достаточно агрессивно нападать на свою жертву, о чем уже было упомянуто в начале нашей статьи. Кроме того, они могут использовать откусанные поверхностные молекулы в качестве маскировки, чтобы уходить от иммунного ответа. Такой клеточный маскарад, когда одна клетка начинает показывать на своей поверхности чужие белки, которые не производит сама, называется кросс-дрессинг (cross-dressing). Например, человеческий паразит Entamoeba histolytica с помощью лектин-зависимого трогоцитоза клеток хозяина выставляет на своей мембране некие белки, которые защищают амебу от лизиса системой комплемента. В настоящее время исследователи пытаются разобраться, какие именно белки участвуют в этом защитном механизме и по какому сигнальному пути происходит ингибирование системы комплемента [12].

Предполагаемые модели трансфера мембранных белков от человеческой клетки к амебе, который помогает ей уходить от иммунного ответа

Рисунок 9. Предполагаемые модели трансфера мембранных белков от человеческой клетки к амебе, который помогает ей уходить от иммунного ответа.

[12], рисунок адаптирован

Причина № 3: кусь косметический

В биологии развития роль трогоцитоза по сравнению с фагоцитозом — это что-то типа косметического ремонта по сравнению с капитальным, или как попросить парикмахера «подровнять кончики» вместо «сбрить под корень». Иными словами, трогоцитоз используется там, где фагоцитоз был бы слишком радикальным инструментом.

Возьмем, к примеру, мозг. Его нервная ткань состоит из двух классов клеток: нейронов и глиальных клеток. Среди последних есть микроглия — резидентные макрофаги ЦНС. А макрофаги, как известно, считаются профессиональными фагоцитами. Когда мозг травмируется, то часть нейронов отмирает, и микроглия срочно мигрирует в место повреждения, чтобы зачистить ткань от клеточного дебриса. Но в свободное от клеточной уборки время микроглия занята еще одним важным делом: она участвует в ремоделировании синапсов. Ведь для эффективной работы ЦНС одной элиминации апоптотических или просто излишних нейронов недостаточно, необходимо еще и интегрировать новые, ветвистые нейроны в сложную, запутанную сеть, удаляя избыточные синаптические связи и повышая эффективность оставшихся. Этот процесс еще называют синаптическим прунингом — от англ. prune — прореживать, подрезать ветви. Особо интенсивно прунинг происходит в детстве, но в целом нейроны должны обновляться на протяжении всей жизни организма, во всяком случае, в гиппокампе — структуре мозга, ответственной за обучение и память.

Долгое время считали, что клетки микроглии участвуют в поддержании синаптического гомеостаза, просто фагоцитируя лишние синапсы целиком. Когда с помощью более современного метода микроскопии (CLEM) удалось взглянуть на этот процесс повнимательнее, оказалось, что микроглия «подстригает» избыточные ответвления нейронов именно за счет трогоцитоза, причем преимущественно аксонов и пресинаптической области. В свою очередь, нейроны могут регулировать трогоцитоз с помощью ингибирующих молекул системы комплемента. Возможно, соотношение этих процессов динамично во времени: на ранних этапах развития, еще до рождения, преобладает фагоцитоз избыточных нейронов, а после рождения микроглия переключается на трогоцитоз как на более тонкий механизм регуляции нейронных связей [13].

Другой тип глиальных клеток, астроциты, тоже были замечены в трогоцитозе участков нейронов, покрытых миелином. Они захватывали богатые митохондриями фрагменты, участвуя, таким образом, в рекомпозиции состава органелл в нейронах [5]. Митофагия — деградация лишних или поврежденных митохондрий — это контролируемый клеткой процесс, но, оказывается, некоторые нейроны, например, в области диска зрительного нерва, предпочитают отдавать этот процесс «на аутсорс».

Нематода Caenorhabditis elegans, популярный модельный организм для изучения биологии развития, подкинула ученым еще один пример трогоцитоза. На личиночной стадии у нематоды развиваются две примордиальные половые клетки (ППК). Они образуются из шарообразной клетки, которая сначала приобретает гантелевидную форму, верхняя часть которой выпирает в слой эндодермы. Эта верхняя доля затем рассасывается, а из нижней, собственно, и развиваются две ППК. Как вы уже догадались, оказалось, что клетки эндодермы удаляют этот выступ именно трогоцитозом, что сами авторы исследования назвали клеточным каннибализмом [14]. По их мнению, биологический смысл этого заключается в профилактике повреждений ДНК в ППК: поскольку трогоцитируемая область особо богата митохондриями, которые являются источником свободных радикалов, их элиминация эндодермальными клетками предотвращает двуцепочечные разрывы и таким образом поддерживает стабильность генома, который будет передан будущим поколениям.

Трогоцитоз у нематоды C. elegans

Рисунок 10. Трогоцитоз у нематоды C. elegans. Динамин, LST-4 и актин отвечают за механичесое сдавливание и откусывание везикулы.

(а) — стадии формирования ППК; (б) — молекулярный механизм трогоцитоза верхней доли ППК, особо богатой митохондриями.

[14], рисунок адаптирован автором

Причина № 4: кусь безбилетный

Это даже скорее не причина, а следствие трогоцитоза для его косвенных бенефициаров. Находчивый внутриклеточный паразит, Francisella tularensis, умеющий выживать внутри макрофагов и разгуливать по их цитоплазме, научился использовать трогоцитоз с пользой для себя. Ведь когда один макрофаг кусает другой, для F. tularensis появляется прекрасная возможность инфицировать новые клетки, не вылезая из укрытия и не попадая в поле зрения иммунной системы во внеклеточном пространстве. Чтобы это продемонстрировать, микробиолог Том Кавула проделал следующий эксперимент. Культуру макрофагов заражали F. tularensis в количестве около 500 бактерий. На следующий день выяснилось, что уже более 500 макрофагов успели инфицироваться, хотя этого времени было совершенно недостаточно, чтобы бактерии успели пройти свой обычный цикл размножения и проникнуть в новые хозяйские клетки [9]. В последнее время такой феномен получил свое собственное название: мероцитофагия. Некоторые исследователи считают, что бактерия просто пассивно пользуется такой возможностью, в то время как другие предполагают, что, возможно, существуют какие-то бактериальные механизмы стимуляции подобного поведения со стороны макрофагов.

Другому исследователю, Шауну Стилу, даже удалось заснять этот процесс на видео, пометив бактерию зеленым флуоресцентным белком. На видео видно, как паразит переходит от одного макрофага к другому во время их физического контакта. Тогда Стил дополнительно окрасил цитозоль инфицированных макрофагов красным и показал, что бактериальные клетки переходят к незараженным макрофагам вместе с цитоплазмой, а не как-то изолированно [9].

Видео 1. F. tularensis (окрашены зеленым цветом) «путешествуют» от инфицированных макрофагов к другим, таким образом их заражая.

Видео 2. Покадровая съемка: F. tularensis (окрашены зеленым цветом) «путешествуют» от инфицированных макрофагов к другим, таким образом их заражая.

Как изучение трогоцитоза может помочь в онкотерапии?

За последние годы иммунотерапия CAR-T клетками продемонстрировала многообещающие результаты для лечения В-клеточных лимфом, но, к сожалению, у некоторых пациентов все равно наблюдались рецидивы, и часть из них объяснялась снижением числа антигенов на раковых клетках. В 2019 г. в Nature вышла статья, где говорилось, что в этом виноваты сами CAR-T, как удалось выяснить на мышиной модели лейкоза [15]. С помощью трогоцитоза они мало того что забирали антигены у раковых клеток, так еще и провоцировали братоубийство за счет кросс-дрессинга, в результате чего другие CAR-T клетки начинали нападать на собратьев, зачем-то нацепивших на себя эти опухолевые антигены. Авторы предполагают, что возможно найти механизмы, регулирующие «склонность» CAR-T клеток к трогоцитозу. А в перспективе это дает надежду на усовершенствование CAR-T терапии, если эти молекулярные механизмы регуляции трогоцитоза будут еще лучше изучены.

Трогоцитоз помогает ученым находить MHC-ассоциированные антигены

Одна из нетривиальных задач иммунологии — это находить, какие Т-клеточные рецепторы (TCR) к каким антигенам специфичны. Секвенировать TCR сегодня умеют весьма неплохо (о чем рассказывает статья «Анализ индивидуальных репертуаров Т-клеточных рецепторов» [16]), но вот сама по себе последовательность Т-клеточного рецептора ничего не говорит о его антиген-специфичности. Так же, как и знание антигена не подскажет нам, какой клонотип Т-лимфоцитов мог бы стать, например, хорошим кандидатом для инфузионной иммунотерапии. При этом существующие биоинформатические методы предсказания еще недостаточно точны, а экспериментальные способы валидации весьма дороги и трудоемки. Поэтому поиск новых методов установления антиген-специфичности остается актуальным.

Еще в 2003 году ученые попытались использовать трогоцитоз для решения данной проблемы [17]. Они сконструировали АПК, экспрессирующие сшитые с зеленым флуоресцирующим белком (GFP) MHC-I. Такие АПК затем нагружались антигеном и после культивации с Т-клетками активировали специфичные к антигену цитотоксические (CD8+) Т-лимфоциты, что стимулировало в том числе трогоцитоз. Когда эти Т-клетки отщипывали от АПК фрагменты с искусственными pMHC, их можно было легко выявить на клеточном сортере, так как они становили GFP-положительными. Таким способом удалось обнаружить в крови Т-клетки, специфичные к Т-лимфотропному вирусу человека первого типа (HTLV-I), у пациентов с HTLV-I-связанной миелопатией.

Вышеописаный метод был ограничен определенными клеточными линиями, подходящими для трансфекции, спектром поглощения GFP и необходимостью заново создавать такие конструкции для каждого отдельного гена и аллели MHC. Поэтому, чтобы обойти эти сложности, вместо экспрессии химерных белков ученые начали неспецифично биотинилировать мембранные белки АПК с их последующим окрашиванием флурофором [18]. Биотинилированные белки можно легко визуализировать с помощью стрептавидина, конъюгированного с ферментом (например, пероксидазой хрена), субстрат для которого при окислении начинает люминисцировать, и это можно зафиксировать спектрофотометром. В остальном принцип оставался тот же: сортинг Т-клеток, которые после трогоцитоза становились флуорохром-положительными. Плюсом этого метода, который назвали TRAP (-cell recognition of APCs by protein transfer), является возможность вылавливать реагирующие на антиген Т-клетки вне зависимости от их MHC-специфичности.

Еще одна научная группа во главе с Дэвидом Балтимором умудрилась перевернуть трогоцитоз с ног на голову. Обычно Т-клеточный трогоцитоз антигенпрезентирующих клеток (АПК) является однонаправленным, то есть Т-клетки забирают кусочки мембраны с белками у АПК, но не наоборот. Но исследователи продемонстрировали, что искусственно сконструированные АПК, экспрессирующие супрафизиологический уровень эпитопа, могут и сами отбирать мембрану с TCR у Т-клеток, которые специфичны к этим эпитопам [19]. Если пометить мембранные белки Т-клеток с трансдуцированными TCR специальной модификацией биотина, а АПК — каким-то другим флуоресцентным красителем, то по их сочетанию можно на клеточном сортере детектировать АПК, захватившие фрагменты Т-клеток. А если заранее знать специфичность Т-клеточных рецепторов, с одной стороны, а также библиотеку эпитопов, экспонируемых АПК, с другой стороны, то с помощью секвенирования трогоцитоз-положительных АПК мы сможем установить соответствие между эпитопом и TCR, который спровоцировал трогоцитоз у АПК. Звучит запутанно, но суть заключается в том, что таким образом мы можем сопоставить известный нам TCR с одним из заранее известных эпитопов, презентируемых АПК. Метод оригинальный, но он пока еще далек от внедрения в рутинную клиническую диагностику, поскольку построен на искусственно сконструированной системе с известными характеристиками. Поэтому этот метод скорее применим как способ валидации каких-то отобранных другими способами кандидатных антигенов. Например, против какого-то патогена, чьи возможные эпитопы были смоделированы биоинформатически и затем искусственно синтезированны.

Заключение

Любопытно, что трогоцитоз оказался таким явлением, которое было открыто независимо и неожиданно в совершенно разных областях — от микробиологии до иммунологии. Поэтому долгое время у него не было ни единого названия, ни оформленной характеристики, вокруг которой можно было бы объединить усилия различных научных групп, которые уже столкнулись в своей работе с этим консервативным и интересным механизмом. Ведь, если не объединить усилия и не дать феномену название, он может остаться незамеченным в ходе будущих исследований. Но со временем у ученых появилось осознание, что такие спорадические наблюдения могут быть не просто погрешностью экспериментаторов, а еще неизученным способом межклеточного взаимодействия. Как сказала нейробиолог Кейти Ральтон, «Мне кажется, что трогоцитоз сильно недооценен» [9].

Однако сейчас ситуация меняется, и за последние годы появилось множество обзоров, собирающих воедино все эти разрозненные открытия в попытках вывести какие-то общие молекулярные механизмы, лежащие в основе трогоцитоза и отличающие его от близких понятий, таких как фагоцитоз или эндоцитоз. Определенные успехи в этом уже достигнуты, но остается еще много нерешенных вопросов: как клетка «решает», прибегать ли в данной ситуации к трогоцитозу или фагоцитозу? Ведь с молекулярной точки зрения эти процессы хоть и различаются, но имеют частично общие сигнальные пути, и многие клетки умеют делать и то, и другое. Вероятнее всего, здесь дело в различных лиганд-рецепторных взаимодействиях, о чем свидетельствует тот факт, что живые клетки предпочтительно подвергаются трогоцитозу, а мертвые — фагоцитозу, а живые и мертвые клетки различаются между собой поверхностными молекулами. Эта гипотеза подтверждается и экспериментально с использованием искусственно встроенных в макрофаг рецепторов, «заставляющих» их кусать те объекты, которые в обычной жизни были бы скорее поглощены целиком [5].

Кроме того, механизмы трогоцитоза тоже различаются у разных клеток — по крайней мере с точки зрения лиганд-рецепторных взаимодействий, поэтому можно поспорить насчет того, можно ли объединять эти феномены в одно общее понятие трогоцитоза по принципу функциональной схожести. Да и сами-то механизмы изучены пока лишь частично.

Также остается не до конца понятно, есть ли какая-то закономерность в наличии или отсутствии в откусываемом куске цитоплазмы, митохондрий и прочих органелл, но не ядра, которые иногда (но не всегда) захватываются вместе с мембраной, либо же это процесс скорее случайный? Или же это зависит от дизайна эксперимента, и эти компоненты просто не всегда попадали в поле зрения исследователей, которые были сосредоточены прежде всего на поверхностных мембранных белках?

Насколько универсален кросс-дрессинг, и требует ли он каких-то дополнительных механизмов? С одной стороны, его наблюдали у таких неблизких друг другу типов клеток, как паразитирующие простейшие и клетки иммунной системы, но с другой стороны — далеко не в каждом случае.

Наконец, какие факторы определяют дальнейшую судьбу той клетки, которая стала мишенью трогоцитоза? Почему в каких-то ситуациях клетки погибают, а в каких-то просто меняют свое поведение или направление дифференцировки? Определяется ли это просто интенсивностью трогоцитоза или какими-то дополнительными сигналами?

Прямо сейчас множество научных групп пытаются найти ответы на все эти еще открытые вопросы, и в скором времени наверняка мы услышим о каких-то новых контекстах, в которых клетки делают «кусь».

Литература

  1. T. Brown. (1979). OBSERVATIONS BY IMMUNOFLUORESCENCE MICROSCOPY AND ELECTRON MICROSCOPY ON THE CYTOPATHOGENICITY OF NAEGLERIA FOWLERI IN MOUSE EMBRYO-CELL CULTURES. Journal of Medical Microbiology. 12, 363-371;
  2. Jim Reed, Madison Reichelt, Scott A. Wetzel. (2021). Lymphocytes and Trogocytosis-Mediated Signaling. Cells. 10, 1478;
  3. Masafumi Nakayama, Arisa Hori, Saori Toyoura, Shin-Ichiro Yamaguchi. (2021). Shaping of T Cell Functions by Trogocytosis. Cells. 10, 1155;
  4. Kensuke Miyake, Hajime Karasuyama. (2021). The Role of Trogocytosis in the Modulation of Immune Cell Functions. Cells. 10, 1255;
  5. Akhila Bettadapur, Hannah W. Miller, Katherine S. Ralston. (2020). Biting Off What Can Be Chewed: Trogocytosis in Health, Infection, and Disease. Infect Immun. 88;
  6. Тимоцитов ведут в зоопарк. Что такое эктопическая экспрессия и как она защищает нас от аутоиммунитета;
  7. Elaine Pashupati Dopfer, Susana Minguet, Wolfgang W.A. Schamel. (2011). A New Vampire Saga: The Molecular Mechanism of T Cell Trogocytosis. Immunity. 35, 151-153;
  8. Etienne Joly, Denis Hudrisier. (2003). What is trogocytosis and what is its purpose?. Nat Immunol. 4, 815-815;
  9. Amber Dance. (2019). Core Concept: Cells nibble one another via the under-appreciated process of trogocytosis. Proc Natl Acad Sci USA. 116, 17608-17610;
  10. I Olivera-Valle, M C Latorre, M Calvo, B Gaspar, C Gómez-Oro, et. al.. (2020). Vaginal neutrophils eliminate sperm by trogocytosis. Human Reproduction. 35, 2567-2578;
  11. Virginie Barraud-Lange, Céline Chalas Boissonnas, Catherine Serres, Jana Auer, Alain Schmitt, et. al.. (2012). Membrane transfer from oocyte to sperm occurs in two CD9-independent ways that do not supply the fertilising ability of Cd9-deleted oocytes. REPRODUCTION. 144, 53-66;
  12. Hannah W. Miller, Rene L. Suleiman, Katherine S. Ralston. (2019). Trogocytosis by Entamoeba histolytica Mediates Acquisition and Display of Human Cell Membrane Proteins and Evasion of Lysis by Human Serum. mBio. 10;
  13. Laetitia Weinhard, Giulia di Bartolomei, Giulia Bolasco, Pedro Machado, Nicole L. Schieber, et. al.. (2018). Microglia remodel synapses by presynaptic trogocytosis and spine head filopodia induction. Nat Commun. 9;
  14. Yusuff Abdu, Chelsea Maniscalco, John M. Heddleston, Teng-Leong Chew, Jeremy Nance. (2016). Developmentally programmed germ cell remodelling by endodermal cell cannibalism. Nat Cell Biol. 18, 1302-1310;
  15. Mohamad Hamieh, Anton Dobrin, Annalisa Cabriolu, Sjoukje J. C. van der Stegen, Theodoros Giavridis, et. al.. (2019). CAR T cell trogocytosis and cooperative killing regulate tumour antigen escape. Nature. 568, 112-116;
  16. Анализ индивидуальных репертуаров Т-клеточных рецепторов;
  17. Utano Tomaru, Yoshihisa Yamano, Masahiro Nagai, Dragan Maric, Previn T.P. Kaumaya, et. al.. (2003). Detection of virus-specific T cells and CD8+ T-cell epitopes by acquisition of peptide–HLA-GFP complexes: analysis of T-cell phenotype and function in chronic viral infections. Nat Med. 9, 469-475;
  18. Carol Beadling, Mark K Slifka. (2006). Quantifying viable virus-specific T cells without a priori knowledge of fine epitope specificity. Nat Med. 12, 1208-1212;
  19. Guideng Li, Michael T. Bethune, Stephanie Wong, Alok V. Joglekar, Michael T. Leonard, et. al.. (2019). T cell antigen discovery via trogocytosis. Nat Methods. 16, 183-190.

Комментарии