Естественные киллеры (NK-клетки): происхождение, рецепторный аппарат и механизмы иммунорегуляции

Происхождение, рецепторный аппарат и механизмы иммунорегуляции

Иммунная система млекопитающих представляет собой сложнейшую многоуровневую сеть, обеспечивающую надежную защиту организма от внедрения экзогенных патогенов и развития эндогенных мутаций. В этой системе выделяют два фундаментальных звена: врожденный (неспецифический) и приобретенный (специфический) иммунитет. Одним из наиболее важных клеточных компонентов системы врожденного иммунитета являются естественные (или натуральные) киллеры — специализированная популяция лимфоцитов, играющая критическую роль в первичном иммунном надзоре.

Естественные киллеры (от английского Natural Killers, или сокращенно NK-клетки) представляют собой уникальную субпопуляцию лимфоидных клеток. Их главная отличительная черта заключается в способности к спонтанному, не требующему предварительной сенсибилизации цитотоксическому воздействию на клетки-мишени. В качестве таких мишеней чаще всего выступают клетки, подвергшиеся злокачественной трансформации (опухолевые), а также соматические клетки, инфицированные различными внутриклеточными паразитами, в первую очередь вирусами. NK-клетки дифференцируются из общего лимфоидного предшественника, но их функциональная программа кардинально отличается от таковой у Т- и В-лимфоцитов.

В периферической крови здорового человека на долю естественных киллеров приходится примерно от 10 до 15 процентов от общего числа мононуклеарных лейкоцитов. При морфологическом исследовании мазков крови NK-клетки идентифицируются преимущественно как большие гранулярные лимфоциты. В их обширной цитоплазме содержится большое количество специфических азурофильных гранул, заполненных цитотоксическими молекулами (перфорином и гранзимами), которые и обеспечивают разрушение мембран патологических клеток.

Помимо системной циркуляции в кровеносном русле, значительный пул естественных киллеров локализован в тканях различных органов. Высокая концентрация этих клеток обнаруживается в красной пульпе селезенки, в паренхиме печени, а также в слизистых оболочках различных систем организма. В частности, NK-клетки обильно представлены в слизистой оболочке репродуктивного тракта и ротовой полости. Оптимальный местный иммунитет напрямую зависит от состояния тканей, поэтому грамотный уход за полостью рта пациента имеет огромное значение для поддержания функциональной активности тканевых лимфоцитов и предотвращения хронического истощения NK-клеточного пула на фоне длительного бактериального воспаления.

Важнейшей биологической задачей естественных киллеров является своевременная элиминация измененных клеток собственного организма. Если клетка теряет на своей поверхности молекулы главного комплекса гистосовместимости I класса (MHC-I), что часто случается при вирусных инфекциях (когда вирус блокирует экспрессию белков хозяина) или при онкогенезе, NK-клетка распознает этот дефект и немедленно запускает механизм клеточной гибели (апоптоза) мишени. Таким образом, естественные киллеры выступают в роли первой линии обороны.

Основные биологические и функциональные характеристики NK-клеток

Несмотря на общее происхождение с другими лимфоцитами, естественные киллеры обладают целым рядом уникальных физиологических и фенотипических особенностей, которые выделяют их в обособленную и крайне важную группу иммунокомпетентных клеток.

К ключевым особенностям NK-клеток относятся следующие:

1. Сходство эффекторных механизмов с цитотоксическими Т-лимфоцитами (CD8+). Подобно Т-киллерам, естественные киллеры проявляют высокую цитотоксическую активность по отношению к поврежденным клеткам-мишеням. Кроме того, они являются мощными продуцентами ряда цитокинов (например, интерферона-гамма и фактора некроза опухоли), которые стимулируют макрофаги и усиливают общий иммунный ответ.
2. Отсутствие антигенспецифичных рецепторов. В отличие от Т-клеток, NK-клетки не имеют Т-клеточного рецептора (TCR). Они не распознают классический комплекс «пептидный антиген — молекула МНС». Вместо этого они используют сложную интегрированную систему активирующих и ингибирующих рецепторов.
3. Отсутствие формирования иммунологической памяти. NK-клетки реагируют на угрозу мгновенно, но после устранения антигена они не образуют долгоживущих клеток памяти, как это делают элементы адаптивного иммунитета (хотя современные исследования на мышах показывают, что некоторые субпопуляции могут обладать свойствами, отдаленно напоминающими память).
4. Наличие ингибирующих рецепторов к молекулам MHC-I. На поверхности естественных киллеров присутствуют специализированные рецепторы (в том числе из семейства KIR), которые связываются с молекулами МНС-I собственных здоровых клеток. Такое связывание не активирует, а, напротив, тормозит цитотоксическую функцию киллера, предотвращая атаку на нормальные ткани.
5. Генетическое разнообразие рецепторного аппарата. Разнообразие молекулярных вариантов рецепторов на мембране одной NK-клетки достигается за счет процессов альтернативного сплайсинга на уровне первичного РНК-транскрипта. Каждая клетка экспрессирует более одного варианта рецепторов KIR, что позволяет ей сканировать широкий спектр клеточных структур.

Для наглядного понимания отличий, ниже приведена таблица сравнения основных классов лимфоцитов:

Особенности развития и дифференцировки

Процесс развития естественных киллеров начинается в эмбриональном периоде и продолжается на протяжении всей жизни человека. Гемопоэтические предшественники NK-клеток локализуются преимущественно в красном костном мозге. В период внутриутробного развития их можно также обнаружить в печени плода, а в меньших количествах — в тимусе (вилочковой железе).

Этот цитокин активно синтезируется стромальными клетками костного мозга и моноцитами. В отсутствие ИЛ-15 развитие NK-клеток полностью блокируется. Для завершения процессов созревания, а также для поддержания жизнеспособности и усиления цитотоксических свойств в периферической крови необходимы дополнительные сигнальные молекулы, среди которых наибольшее значение имеют интерлейкин-2 (ИЛ-2), интерлейкин-8 (ИЛ-8), интерлейкин-12 (ИЛ-12) и интерлейкин-18 (ИЛ-18).

В процессе созревания NK-клетки приобретают специфический фенотип. К типичным мембранным маркерам зрелых естественных киллеров относят:

• CD56 — молекула адгезии (NCAM), экспрессия которой позволяет классифицировать NK-клетки на две основные субпопуляции (CD56-bright и CD56-dim), различающиеся по функциональной активности.
• CD16 — низкоаффинный рецептор к Fc-фрагменту иммуноглобулина G (IgG). Наличие этого рецептора позволяет NK-клеткам осуществлять антителозависимую клеточную цитотоксичность (АЗКЦ) — процесс уничтожения клеток-мишеней, предварительно помеченных специфическими антителами.

Механизмы распознавания мишеней

Проблема того, как именно естественные киллеры отличают «свое» от «чужого» без помощи антигенспецифического Т-клеточного рецептора, долгое время оставалась одной из главных загадок иммунологии. В настоящее время установлено, что регуляция активности NK-клетки подчиняется балансу сигналов, поступающих от активирующих и ингибирующих рецепторов.

Большинство рецепторных структур, как активирующего, так и ингибирующего типа, кодируется кластером генов, расположенным на хромосоме 19 (так называемый лейкоцитарный рецепторный комплекс).

Активирующие рецепторы

Активирующие рецепторы способствуют установлению прочного контакта между NK-клеткой и потенциальной мишенью, а также запускают внутриклеточные биохимические каскады, приводящие к высвобождению цитотоксических гранул. К числу важнейших активирующих молекул относятся так называемые естественные рецепторы цитотоксичности: NKp30, NKp44 и NKp46.

Особое место среди активирующих структур занимает рецептор NKG2D. Он формирует комплекс с сигнальным полипептидом DAP10. Главными лигандами для NKG2D выступают молекулы MICA и MICB (MHC class I chain-related proteins A and B), а также белки семейства ULBP. В норме эти молекулы практически не экспрессируются на поверхности здоровых соматических клеток. Однако их синтез резко возрастает под воздействием клеточного стресса, теплового шока, вирусной инфекции или при злокачественной трансформации. Встретив клетку с высокой плотностью MICA/MICB, киллер получает мощный активирующий сигнал к ее уничтожению.

Ингибирующие рецепторы

Ингибирующие рецепторы выполняют защитную функцию, предотвращая развитие аутоиммунных реакций. Они сканируют поверхность окружающих клеток на предмет наличия нормальных молекул MHC I класса. Классическая теория «отсутствующего своего» (missing self) гласит, что если экспрессия MHC I снижена (что часто делают вирусы для уклонения от Т-лимфоцитов), ингибирующий сигнал пропадает, и киллер уничтожает клетку.

Рецепторы, узнающие молекулы главного комплекса гистосовместимости, подразделяются на три основных семейства:

1. Ig-подобные рецепторы (KIR — Killer-cell Immunoglobulin-like Receptors). Данные рецепторы имеют структуру, напоминающую иммуноглобулины, и распознают различные аллельные варианты молекул HLA (Human Leukocyte Antigen) класса I (в частности, HLA-B и HLA-C). Они экспрессируются исключительно на естественных киллерах и небольшой субпопуляции терминально дифференцированных Т-клеток.
2. Ig-подобные транскрипты (ILT — Immunoglobulin-Like Transcripts) или LIR. В отличие от KIR, молекулы семейства ILT обладают более широким тканевым распределением. Они экспрессируются не только на NK-клетках, но и на В-лимфоцитах, моноцитах, макрофагах, дендритных клетках и некоторых Т-лимфоцитах. Эти рецепторы часто распознают неклассические молекулы MHC-I (например, HLA-G).
3. Лектиноподобные рецепторы C-типа (например, гетеродимер CD94/NKG2A). Это третье семейство рецепторов, которые распознают неклассическую молекулу HLA-E, экспрессирующуюся на поверхности большинства здоровых клеток организма.

Функциональная направленность ингибирующих рецепторов обусловлена наличием в их длинном цитоплазматическом домене специфического участка — иммунорецепторного тирозин-ингибирующего мотива (ITIM). Когда ингибирующий рецептор связывается с молекулой MHC I на поверхности здоровой клетки, мотив ITIM подвергается фосфорилированию. Это приводит к привлечению и активации внутриклеточных тирозиновых фосфатаз (SHP-1 и SHP-2). Фосфатазы стремительно отщепляют фосфатные группы от сигнальных белков активирующего каскада, тем самым полностью блокируя передачу сигнала к цитотоксичности от активирующих рецепторов.

Таким образом, окончательное решение о том, уничтожать мишень или пощадить ее, является результатом сложного математического суммирования активирующих и ингибирующих сигналов, поступающих в ядро NK-клетки.