Механика лимфоцита

механика лимфоцита

В этом посте я возвращаюсь к серии публикаций рассказывавшей о микроокружении и физических условиях, в которых работают иммунные процессы, да и вообще все процессы в организме.

Мы говорили о межклеточном матриксе и его роли в патофизиологических и физиологических процессах, обсуждали влияние трехмерного окружения на поведение клеток, говорили о роли времени и том, как оно влияет на наше восприятие происходящих процессов.

В статье Калланетика для лейкоцита я рассказал о том, какие биомеханические процессы позволяют иммунной клетке передвигаться, менять форму и вступать во взаимодействие с окружающими структурами. Сегодня же я начну разговор о том, какую роль в иммунных процессах играют механические взаимодействия между клетками иммунной системы.

В- и Т-лимфоциты распознают специфичные им антигены на поверхности других клеток. В-клеточный рецептор взаимодействует только с цельными молекулыми, закрепленными на мембране другой клетки, а Т-клеточный рецептор – с пептидными фрагментами, представленными на мембране другой клетки в комплексе с молекулой MHC.

Контакт В- и Т-клеточного рецепторов со своими лигандами в течение нескольких минут приводит к формированию иммунного синапса – механизма, приводящего в действие внутриклеточные события, лежащие в основе иммунного ответа.

Иммунный синапс – это мембранный контакт между клетками, в котором кластер взаимодействующих молекул (лигандов и рецепторов) окружен концентрическими кольцами молекул интегрина и F-актина.

иммунный синапс

Считается, что такая архитектура контакта способствует лучшей адгезии и поляризации цитоскелета клеток навстречу друг другу и формированию иммунного синапса.

Иммунный синапс может сохраняться часами, в течение которых лимфоцит получает сигналы, необходимые для его активации и реализации иммунного ответа.

Мы обычно привыкли думать о контакте антиген-презентирующей клетки и лимфоцита, как о каком-то бесплотном событии – просто одна клетка должна «нажать на кнопочки» на другой клетке, и «всё заверте…». Однако, свежие эксперименты показывают, что результат их взаимодействия зависит не только от того, подходят ли В/Т-клеточный рецептор и антиген друг другу, а также баланса ко-стимулирующих и ингибирующих сигналов, но и от ньютоновской механики самого контакта.

Так, эксперименты, в которых лиганды ко-стимулирующих рецепторов, а также антигены и комплексы MHC/пептид фиксировали на специальных матрицах различной плотности и жесткости, показали, что активация лимфоцита зависит от физических характеристик поверхности, на которой иммобилизованы молекулы.

Увидеть этот феномен своими глазами, а не только косвенно – посредством наблюдения за признаками активации клеток, позволил метод магнито-оптической, или просто оптической, ловушки (optical trap).

В основе этого метода лежит принцип удержания микроскопической сферы (bead), сделанной из диэлектрического материла, в электромагнитном поле, формируемом лазерным лучом. Дорогие товарищи физики, если я чего-то напутал здесь и дальше – поправьте меня в комментариях.

На поверхность этой сферы наносят, скажем, нативные антигены или комплекс MHC/пептид. Сферу фиксируют лазерным лучом с какой-то ультрамископической точностью. Я так понимаю, что размер этих микросфер измеряется в сотнях нанометров. Думаю, что и их позиционирование – тоже, а, может, и точнее.

Вот, как выглядит управление этими микросферами в реальном времени при помощи лазерного луча –

К фиксированной в луче сфере при помощи, например,  микропипетки подносят лимфоцит с рецептором против иммобилизованного на сфере антигена – так, чтобы между ними произошел контакт –

оптическая ловушка

Затем лимфоцит начинают тянуть от сферы с дозированным на уровне пиконьютонов (pN) усилием. Возможен вариант, когда клетку оттягивают не пипеткой, а другой сферой, фиксированной в другом луче.

Регистрирующим устройством в установке оптической ловушки служит Quadrant Photo Diode (QPD) – фотоэлемент, состоящих их четырех единиц. В стартовом положении лазерный луч, в котором находится сфера фокусируется на QPD таким образом, что каждый их его четырех элементов получает одинаковое количество фотонов и генерирует одинаковое электрическое напряжение.

В момент оттягивания клетки сфера смещается вслед за ней на расстояние, пропорциональное силе контакта между сферой и клеткой. При этом изменяется и количество фотонов, попадающее на каждый из элементов QPD.

Quadrant Photo Diode

Измеряя изменение напряжения на элементах QPD можно рассчитать силу, с которой лимфоцит оттягивает на себя сферу.

Одновременно, меняя силу натяжения, можно измерять крепость контакта между антигенами и лимфоцитарным рецептором и зависимость степени активации клетки от степени натяжения.

Такие эксперименты показали, например, что существует «оптимальное натяжение» между Т-клеточным рецептором и комплексом MHC/пептид (в одном из экспериментов ~ 10pN), при котором агонистическое взаимодействие длится максимально долго. Это сопровождается максимальным потоком Ca2+ в клетку и активацией лимфоцита.

Такое взаимодействие между клетками, при котором контакт долго не разрывается при нарастающем натяжении, называют catch bonds.

catch bond

Возможно, такое взаимодействие является обязательным условием агонистического эффекта лиганда на рецепторы лимфоцита. Возможно также, что это один из предохранительных механизмов, защищающих организм от аутоиммунной агрессии, поскольку сила связывания ауто-антигенов с ТКР на порядок ниже, чем между чужеродными антигенами и ТКР.

Более того, говорят, что есть экспериментальные данные, показывающие, что дискриминационную способность лимфоцита (то есть способность отличать свое от чужого) можно модулировать, изменяя натяжение между лимфоцитом и его мишенью. Это значит, что при увеличении натяжения аутоиммунный контакт «порвется» значительно раньше, чем контакт с чужеродным антигеном.

То, как именно натяжение увеличивает агонистичность контакта рецептора лимфоцита со своим лигандом, еще пока не понятно, но есть некоторые интересные наблюдения. Например, активация Т-клеточного рецептора включает фосфорилирование внутриклеточного домена молекулы CD3, с чего начинается цепь внутриклеточных событий активации лимфоцита.

Так вот, внутриклеточный «хвост» CD3 в «спокойном состоянии» прижат к внутренней поверхности клеточной мембраны, что не способствует его фосфорилированию и активации всего комплекса.

Но при контакте Т-клеточного рецептора с его лигандом цитоскелет лимфоцита начинает перестраиваться таким образом, что хвосты CD3 отлипают от мембраны и вытягиваются в цитоплазму, где на них накидываются ферменты, отвечающие за фосфорилирование.

Пока точно не доказано, но пишут, что эксперименты с оптической ловушкой показали, что отрыв внутриклеточного хвоста CD3 от мембраны тоже можно модулировать, изменяя натяжение между лимфоцитом и его мишенью.

С В-лимфоцитами всё не менее интересно – недавние эксперименты с т.н. «ограничителями натяжения» (tension gauge tethers; TGT) показали, что активация В-клеточного рецептора тоже зависит от определенной прочности взаимосвязи между ним и нативным антигеном.

TGT – это двуцепочечная ДНК с заданным количеством и набором комплементарных пар. Этот набор задает пороговое усилие, при котором одна цепочка ДНК оторвется от другой (как сломанная молния на куртке). TGT устанавливают между нативным антигеном и какой-нибудь поверхностью. Лимфоцит начнет тянуть антиген на себя, и когда сила натяжения достигнет порога – TGT порвется.

tension gauge tether

Так вот, эксперименты показали, что на «слабых предохранителях» (≤ 16pN) стимуляции наивных В-клеток, несущих рецептор класса IgM, при контакте со специфичным для них антигеном, не происходит. Измеряемые изменения, говорящие об активации лимфоцитов, наблюдались на «средних предохранителях» (23-43 pN), а для самой сильной активации нужна была максимальная мощность – более 50 pN.

А  В-лимфоциты, несущие рецептор класса IgG, могли активироваться уже при натяжении в 12 pN и меньше, что, вероятно, отчасти объясняет то, почему активированный лимфоцит и клетки памяти реагируют на антиген резче, чем наивные лимфоциты.

Более высокий механический порог активации IgM В-лимфоцита – это еще и предохранительный механизм против их реакции на ауто-антигены, для которых, как я уже говорил, характерно более слабое натяжение контакта с рецептором, чем для чужеродных.

Пока хватит. Продолжение – в будущих постах.


Новые посты проще всего отслеживать по анонсам в наших пабликах ВКонтакте и Фейсбуке.

Добавить комментарий

Такой e-mail уже зарегистрирован. Воспользуйтесь формой входа или введите другой.

Вы ввели некорректные логин или пароль

Извините, для комментирования необходимо войти.