Система комплемента , также известная как каскад комплемента , является частью гуморальной , врожденной иммунной системы и усиливает (дополняет) способность антител и фагоцитарных клеток очищать организм от микробов и поврежденных клеток, способствовать воспалению и атаковать клеточную мембрану патогена . [1] Несмотря на то , что она является частью врожденной иммунной системы, система комплемента может быть задействована и приведена в действие антителами, вырабатываемыми адаптивной иммунной системой .
Система комплемента состоит из ряда небольших, неактивных, синтезируемых печенью предшественников белков, циркулирующих в крови . При стимуляции одним из нескольких триггеров протеазы в системе расщепляют определенные белки , чтобы высвободить цитокины и инициировать усиливающийся каскад дальнейших расщеплений. Конечным результатом этой активации комплемента или каскада фиксации комплемента является стимуляция фагоцитов для очистки от чужеродного и поврежденного материала, воспаление для привлечения дополнительных фагоцитов и активация комплекса мембранной атаки, убивающего клетки . Около 50 белков и фрагментов белков составляют систему комплемента, включая белки плазмы и рецепторы клеточных мембран . Они составляют около 10% фракции глобулинов сыворотки крови. [2]
Три биохимических пути активируют систему комплемента: классический путь комплемента , альтернативный путь комплемента и лектиновый путь . [3] Альтернативный путь отвечает за большую часть активации терминального пути, поэтому терапевтические усилия при заболеваниях вращаются вокруг его ингибирования. [4]
В 1888 году Джордж Наттолл обнаружил, что сыворотка крови овец обладает слабой убивающей активностью против бактерии, вызывающей сибирскую язву . [5] Убивающая активность исчезала, когда он нагревал кровь. [6] В 1891 году Ганс Эрнст Август Бухнер , отметив то же свойство крови в своих экспериментах, назвал убивающее свойство «алексин», что в переводе с греческого означает «отпугивать». [7] [8] К 1894 году несколько лабораторий продемонстрировали, что сыворотка от морских свинок, выздоровевших от холеры, убивала бактерию холеры in vitro . Нагревание сыворотки разрушало ее убивающую активность. Тем не менее, инактивированная нагреванием сыворотка при введении морским свинкам, подвергшимся воздействию бактерий холеры, сохраняла свою способность защищать животных от болезни. Жюль Борде , молодой бельгийский ученый в Париже в Институте Пастера , пришел к выводу, что этот принцип имеет два компонента: один, который сохраняет «сенсибилизирующий» эффект после нагревания, и один (алексин), токсический эффект которого теряется после нагревания. [9] Термостабильный компонент отвечает за иммунитет против определенных микроорганизмов, тогда как термочувствительный компонент отвечает за неспецифическую антимикробную активность, присущую всем нормальным сывороткам. В 1899 году Пауль Эрлих переименовал термочувствительный компонент в «комплемент». [10] [6]
Эрлих ввел термин «комплемент» как часть своей более обширной теории иммунной системы. [11] Согласно этой теории, иммунная система состоит из клеток, которые имеют специфические рецепторы на своей поверхности для распознавания антигенов . При иммунизации антигеном образуется больше таких рецепторов, и затем они высвобождаются из клеток для циркуляции в крови. Эти рецепторы , которые мы теперь называем « антителами », Эрлих назвал «амбоцепторами», чтобы подчеркнуть их бифункциональную связывающую способность: они распознают и связываются с определенным антигеном, но они также распознают и связываются с термолабильным антимикробным компонентом свежей сыворотки. Поэтому Эрлих назвал этот термолабильный компонент «комплементом», потому что это что-то в крови, что «дополняет» клетки иммунной системы. Эрлих считал, что каждый антиген-специфический амбоцептор имеет свой собственный специфический комплемент, тогда как Борде считал, что существует только один тип комплемента. В начале 20 века этот спор разрешился, когда стало понятно, что комплемент может действовать в сочетании со специфическими антителами или сам по себе неспецифическим образом. [ необходима цитата ]
Комплемент запускает следующие иммунные функции: [12]
Большинство белков и гликопротеинов , составляющих систему комплемента, синтезируются гепатоцитами . Но значительные количества также продуцируются тканевыми макрофагами , моноцитами крови и эпителиальными клетками мочеполовой системы и желудочно-кишечного тракта . Все три пути активации генерируют гомологичные варианты протеазы C3 -конвертазы . Классический путь комплемента обычно требует комплексов антиген-антитело для активации (специфический иммунный ответ), тогда как альтернативный путь может быть активирован спонтанным гидролизом компонента комплемента 3 (C3), инородным материалом, патогенами или поврежденными клетками. Маннозосвязывающий лектиновый путь может быть активирован гидролизом C3 или антигенами без присутствия антител (неспецифический иммунный ответ). Во всех трех путях C3-конвертаза расщепляет и активирует компонент C3, создавая C3a и C3b, и вызывает каскад дальнейших событий расщепления и активации. C3b связывается с поверхностью патогенов, что приводит к большей интернализации фагоцитарными клетками путем опсонизации . [ необходима цитата ]
В альтернативном пути C3b связывается с фактором B. Фактор D высвобождает фактор Ba из фактора B, связанного с C3b. Комплекс C3b(2)Bb представляет собой протеазу, которая расщепляет C5 на C5b и C5a. Конвертаза C5 также образуется классическим путем, когда C3b связывает C4b и C2b. C5a является важным хемотаксическим белком , помогающим рекрутировать воспалительные клетки. C3a является предшественником важного цитокина ( адипокина ), называемого ASP (хотя это не является общепринятым [13] ), и обычно быстро расщепляется карбоксипептидазой B. Как C3a, так и C5a обладают анафилатоксиновой активностью, напрямую вызывая дегрануляцию тучных клеток , а также увеличивая проницаемость сосудов и сокращение гладких мышц . [13] C5b инициирует путь мембранной атаки , что приводит к комплексу мембранной атаки (MAC), состоящему из C5b, C6 , C7 , C8 и полимерного C9 . [14] MAC является цитолитическим конечным продуктом каскада комплемента; он образует трансмембранный канал, который вызывает осмотический лизис целевой клетки. Клетки Купфера и другие типы макрофагальных клеток помогают очищать покрытые комплементом патогены. Как часть врожденной иммунной системы, элементы каскада комплемента можно обнаружить у видов, более ранних, чем позвоночные; совсем недавно у вида первичноротых мечехвостов , что отодвигает истоки системы дальше назад, чем считалось ранее. [ необходима цитата ]
Классический путь запускается активацией комплекса C1. Комплекс C1 состоит из 1 молекулы C1q , 2 молекул C1r и 2 молекул C1s, или C1qr 2 s 2 . Это происходит, когда C1q связывается с IgM или IgG, комплексированными с антигенами . Один пентамерный IgM может инициировать путь, в то время как необходимо несколько, в идеале шесть, IgG. Это также происходит, когда C1q связывается непосредственно с поверхностью патогена. Такое связывание приводит к конформационным изменениям в молекуле C1q, что приводит к активации двух молекул C1r . C1r является сериновой протеазой. Затем они расщепляют C1s (еще одну сериновую протеазу). Компонент C1r 2 s 2 теперь расщепляет C4 , а затем C2 , образуя C4a, C4b, C2a и C2b (исторически более крупный фрагмент C2 назывался C2a, но теперь его называют C2b). C4b и C2b связываются, образуя классический путь C3-конвертазы (комплекс C4b2b), который способствует расщеплению C3 на C3a и C3b. C3b позже соединяется с C4b2b, образуя C5-конвертазу (комплекс C4b2b3b). [15]
Альтернативный путь непрерывно активируется на низком уровне, аналогично двигателю автомобиля на холостом ходу, в результате спонтанного гидролиза C3 из-за разрыва внутренней тиоэфирной связи (C3 умеренно нестабилен в водной среде). Альтернативный путь не зависит от антител, связывающих патоген, как другие пути. [3] C3b, который генерируется из C3 комплексом фермента конвертазы C3 в жидкой фазе, быстро инактивируется фактором H и фактором I , как и C3b-подобный C3, который является продуктом спонтанного расщепления внутреннего тиоэфира. Напротив, когда внутренний тиоэфир C3 реагирует с гидроксильной или аминогруппой молекулы на поверхности клетки или патогена, C3b, который теперь ковалентно связан с поверхностью, защищен от инактивации, опосредованной фактором H. Связанный с поверхностью C3b теперь может связывать фактор B, образуя C3bB. Этот комплекс в присутствии фактора D будет расщеплен на Ba и Bb. Bb останется связанным с C3b, образуя C3bBb, который является альтернативным путем конвертазы C3. [16]
Комплекс C3bBb стабилизируется путем связывания олигомеров фактора P (пропердина). Стабилизированная конвертаза C3, C3bBbP, затем действует ферментативно, расщепляя гораздо больше C3, часть из которых ковалентно прикрепляется к той же поверхности, что и C3b. Этот недавно связанный C3b привлекает больше активности B, D и P и значительно усиливает активацию комплемента. Когда комплемент активируется на поверхности клетки, активация ограничивается эндогенными регуляторными белками комплемента, которые включают CD35 , CD46 , CD55 и CD59 , в зависимости от клетки. Патогены, как правило, не имеют регуляторных белков комплемента (существует много исключений, которые отражают адаптацию микробных патогенов к иммунной защите позвоночных). Таким образом, альтернативный путь комплемента способен отличать свое от чужого на основе поверхностной экспрессии регуляторных белков комплемента. Клетки-хозяева не накапливают C3b на клеточной поверхности (и протеолитический фрагмент C3b, называемый iC3b), поскольку это предотвращается регуляторными белками комплемента, в то время как чужеродные клетки, патогены и аномальные поверхности могут быть в значительной степени декорированы C3b и iC3b. Соответственно, альтернативный путь комплемента является одним из элементов врожденного иммунитета . [ необходима цитата ]
Как только альтернативный фермент конвертазы C3 образуется на поверхности патогена или клетки, он может ковалентно связываться с другим C3b, образуя C3bBbC3bP, конвертазу C5. Затем этот фермент расщепляет C5 до C5a, сильного анафилатоксина , и C5b. Затем C5b рекрутирует и собирает молекулы C6, C7, C8 и несколько молекул C9 для сборки комплекса атаки мембраны . Это создает отверстие или пору в мембране, которая может убить или повредить патоген или клетку. [1]
Лектиновый путь гомологичен классическому пути, но с опсонином, маннозосвязывающим лектином (MBL) и фиколинами вместо C1q. Этот путь активируется связыванием MBL с остатками маннозы на поверхности патогена, что активирует сериновые протеазы, ассоциированные с MBL, MASP -1 и MASP-2 (очень похожие на C1r и C1s соответственно), которые затем могут расщеплять C4 на C4a и C4b, а C2 на C2a и C2b. Затем C4b и C2b связываются вместе, образуя классическую C3-конвертазу, как в классическом пути. Фиколины гомологичны MBL и функционируют через MASP аналогичным образом. Было описано несколько однонуклеотидных полиморфизмов в M-фиколине у людей, которые влияют на способность связывать лиганд и уровни в сыворотке. Исторически более крупный фрагмент C2 назывался C2a, но теперь его называют C2b. [17] У беспозвоночных без адаптивной иммунной системы фиколины расширены, а их специфичность связывания диверсифицирована, чтобы компенсировать отсутствие молекул распознавания патогенов. [ необходима цитата ]
Учебники по иммунологии использовали разные обозначения для меньших и больших фрагментов C2 как C2a и C2b. Предпочтительным обозначением, по-видимому, является обозначение меньшего фрагмента как C2a: еще в 1994 году известный учебник рекомендовал обозначать больший фрагмент C2 C2b. [18] Однако это было усилено в их 4-м издании 1999 года, где говорилось, что: [19] «Также полезно знать, что больший активный фрагмент C2 изначально обозначался как C2a и до сих пор так называется в некоторых текстах и исследовательских работах. Здесь, для согласованности, мы будем называть все большие фрагменты комплемента b , поэтому больший фрагмент C2 будет обозначаться как C2b. В классическом и лектиновом путях фермент конвертаза C3 образуется из связанного с мембраной C4b с C2b». [19]
Эта номенклатура используется в другой литературе: [20] Однако в последней литературе назначение смешано. Некоторые источники обозначают большие и меньшие фрагменты как C2a и C2b соответственно [21] [22] [23] [24] [ 25] [26] [27] [28] [29] в то время как другие источники применяют обратное. [18] [19] [30] [31] [32] Однако из-за широко распространенного соглашения C2b здесь является большим фрагментом, который в классическом пути образует C4b2b (классически C4b2a). Можно отметить, что в серии изданий книги Джейнвэя, с 1-го по 7-е, в последнем издании [28] они отказываются от позиции обозначать больший фрагмент C2 как C2b.
Также было показано, что фиксация белка MBL на вирусных поверхностях усиливает нейтрализацию вирусных патогенов. [33]
В классическом пути C1 связывается своими субъединицами C1q с Fc-фрагментами (составленными из области CH2) IgG или IgM, которые образовали комплекс с антигенами. C4b и C3b также способны связываться с антиген-ассоциированными IgG или IgM, с его Fc-частью. [20] [25] [28]
Такое иммуноглобулин-опосредованное связывание комплемента можно интерпретировать так, что комплемент использует способность иммуноглобулина обнаруживать и связываться с чужеродными антигенами в качестве своей направляющей палки. Сам комплемент может связывать чужеродные патогены после обнаружения их патоген-ассоциированных молекулярных паттернов (PAMPs), [28] однако, используя специфичность антитела, комплементы могут обнаруживать чужеродные цели гораздо более конкретно. [ необходима цитата ]
Некоторые компоненты имеют различные сайты связывания. В классическом пути C4 связывается с Ig-ассоциированным C1q, а фермент C1r 2 s 2 расщепляет C4 на C4b и 4a. C4b связывается с C1q, антиген-ассоциированным Ig (особенно с его Fc-частью) и даже с поверхностью микроба. C3b связывается с антиген-ассоциированным Ig и с поверхностью микроба. Способность C3b связываться с антиген-ассоциированным Ig будет эффективно работать против комплексов антиген-антитело, делая их растворимыми. [ необходима цитата ]
Система комплемента может быть чрезвычайно разрушительной для тканей хозяина, поэтому ее активация должна строго регулироваться. Система комплемента регулируется белками контроля комплемента , которые присутствуют в плазме крови и мембране клетки хозяина. [34] Некоторые белки контроля комплемента присутствуют на мембранах собственных клеток, предотвращая их воздействие на комплемент. Одним из примеров является CD59 , также известный как протектин, который ингибирует полимеризацию C9 во время формирования комплекса мембранной атаки . Классический путь ингибируется ингибитором C1 , который связывается с C1, чтобы предотвратить его активацию. [35] Другим примером является плазменный белок, называемый фактором H (FH), который играет ключевую роль в подавлении альтернативного пути. [36] Фактор H, наряду с другим белком, называемым фактором I , инактивирует C3b, активную форму C3. Этот процесс предотвращает образование конвертазы C3 и останавливает прогрессирование каскада комплемента. C3-конвертазу также можно ингибировать фактором, ускоряющим распад (DAF), который связан с плазматическими мембранами эритроцитов через якорь GPI . [35]
Считается, что система комплемента может играть роль во многих заболеваниях с иммунным компонентом, таких как синдром Барракера-Саймонса , астма , красная волчанка , гломерулонефрит , различные формы артрита , аутоиммунные заболевания сердца , рассеянный склероз , воспалительные заболевания кишечника , пароксизмальная ночная гемоглобинурия , атипичный гемолитико-уремический синдром и ишемически-реперфузионные повреждения [37] [38] и отторжение трансплантированных органов. [39]
Система комплемента также все чаще участвует в заболеваниях центральной нервной системы, таких как болезнь Альцгеймера и другие нейродегенеративные состояния, такие как травмы спинного мозга. [40] [41] [42]
Дефицит терминального пути предрасполагает как к аутоиммунным заболеваниям , так и к инфекциям (в частности, Neisseria meningitidis , из-за роли, которую мембраноатакующий комплекс («MAC») играет в атаке на грамотрицательные бактерии). [43]
Инфекции, вызванные N. meningitidis и N. gonorrhoeae, являются единственными состояниями, которые, как известно, связаны с дефицитом компонентов MAC комплемента. [44] У 40–50% людей с дефицитом MAC наблюдаются рецидивирующие инфекции, вызванные N. meningitidis . [45]
Мутации в генах регуляторов комплемента, особенно фактора H , были связаны с атипичным гемолитико-уремическим синдромом [ 4] [46] [47] и гломерулопатией C3. [4] В настоящее время считается, что оба эти расстройства вызваны чрезмерной активацией комплемента либо на поверхности клеток хозяина, либо в плазме, при этом молекулярная локализация генетической изменчивости в белках комплемента дает ключи к основным процессам заболевания. [4] Более того, несколько однонуклеотидных полиморфизмов и мутаций в гене фактора комплемента H (наиболее распространенный из которых приводит к изменению белка p.Y402H) были связаны с распространенным заболеванием глаз — возрастной макулярной дегенерацией [ 4] Полиморфизмы компонента комплемента 3 , фактора комплемента B и фактора комплемента I , а также делеция фактора комплемента H-related 3 и фактора комплемента H-related 1 также влияют на риск развития у человека возрастной макулярной дегенерации [ 4] [48]
Мутации в гене ингибитора C1 могут вызывать наследственный ангионевротический отек — генетическое заболевание, возникающее в результате снижения регуляции брадикинина C1-INH. [ необходима цитата ]
Пароксизмальная ночная гемоглобинурия вызвана распадом комплемента эритроцитов из-за неспособности производить GPI. Таким образом, эритроциты не защищены белками, закрепленными на GPI, такими как DAF. [49]
Диагностические инструменты для измерения активности комплемента включают тест на общую активность комплемента . [50]
Наличие или отсутствие фиксации комплемента при испытании может указывать на наличие в крови определенных антигенов или антител. Это принцип реакции фиксации комплемента . [ необходима цитата ]
Избыточная активность комплемента способствует тяжелым симптомам и заболеванию Covid-19. [51] Хотя комплемент предназначен для защиты систем организма, в условиях стресса может быть больше вреда, чем защиты. Исследования показали, что система комплемента подвергается манипуляциям во время ВИЧ / СПИДа таким образом, что это еще больше повреждает организм. [52]
Исследования последнего десятилетия показали, что белки комплемента классического пути комплемента играют важную роль в синаптической обрезке в мозге на раннем этапе развития. [53] [54]
Обратите внимание, что в более старых текстах меньший фрагмент часто называют C2b, а больший — C2a по историческим причинам.