Система комплемента , также известная как каскад комплемента , является частью иммунной системы , которая усиливает (дополняет) способность антител и фагоцитирующих клеток удалять микробы и поврежденные клетки из организма, способствовать воспалению и атаковать клеточную мембрану патогена . Это часть врожденной иммунной системы [1] , которая не адаптируется и не меняется в течение жизни человека. Однако система комплемента может быть задействована и приведена в действие антителами, вырабатываемыми адаптивной иммунной системой .
Система комплемента состоит из ряда небольших неактивных белков-предшественников , синтезируемых печенью , циркулирующих в крови. При стимуляции одним из нескольких триггеров протеазы в системе расщепляют специфические белки с высвобождением цитокинов и инициируют усиливающий каскад дальнейшего расщепления. Конечным результатом этой активации комплемента или каскада фиксации комплемента является стимуляция фагоцитов для удаления инородного и поврежденного материала, воспаление для привлечения дополнительных фагоцитов и активация мембраноатакующего комплекса, убивающего клетки . Около 50 белков и белковых фрагментов составляют систему комплемента, включая сывороточные белки и рецепторы клеточных мембран . На их долю приходится около 10% глобулиновой фракции сыворотки крови. [2]
Три биохимических пути активируют систему комплемента: классический путь комплемента , альтернативный путь комплемента и лектиновый путь . [3] На альтернативный путь приходится большая часть активации терминального пути, поэтому терапевтические усилия при заболевании вращаются вокруг его ингибирования. [4]
В 1888 году Джордж Наттолл обнаружил, что сыворотка овечьей крови обладает легкой убивающей активностью в отношении бактерии , вызывающей сибирскую язву . [5] Убийственная активность исчезла, когда он разогрел кровь. [6] В 1891 году Ганс Эрнст Август Бюхнер , отметив в своих экспериментах то же свойство крови, назвал убивающее свойство «алексин», что по-гречески означает «отражать». [7] [8] К 1894 году несколько лабораторий продемонстрировали, что сыворотка морских свинок, переболевших холерой , убивает бактерию холеры in vitro . Нагревание сыворотки уничтожило ее убийственную активность. Тем не менее, инактивированная нагреванием сыворотка при введении морским свинкам, подвергшимся воздействию бактерий холеры, сохраняла свою способность защищать животных от болезней. Жюль Борде , молодой бельгийский ученый в Париже из Института Пастера , пришел к выводу, что этот принцип состоит из двух компонентов: один, который сохраняет «сенсибилизирующий» эффект после нагревания, и другой (алексин), чей токсический эффект теряется после нагревания. [9] Термостабильный компонент отвечал за иммунитет против специфических микроорганизмов, тогда как термочувствительный компонент отвечал за неспецифическую антимикробную активность, присущую всем нормальным сывороткам. В 1899 году Пауль Эрлих переименовал термочувствительный компонент в «дополнение». [10] [6]
Эрлих ввел термин «комплемент» как часть своей более широкой теории иммунной системы. [11] Согласно этой теории, иммунная система состоит из клеток, имеющих на поверхности специфические рецепторы для распознавания антигенов . При иммунизации антигеном образуется больше этих рецепторов, которые затем выделяются из клеток и циркулируют в крови. Эти рецепторы , которые мы сейчас называем « антителами », Эрлих назвал «амбоцепторами», чтобы подчеркнуть их бифункциональную связывающую способность: они распознают специфический антиген и связываются с ним, но они также распознают и связываются с термолабильным антимикробным компонентом свежей сыворотки. . Поэтому Эрлих назвал этот термолабильный компонент «дополнением», потому что это нечто в крови, которое «дополняет» клетки иммунной системы. Эрлих считал, что каждый антигенспецифический амборецептор имеет свой 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. [ нужна цитата ]
Комплемент запускает следующие иммунные функции: [12]
Большинство белков и гликопротеинов , составляющих систему комплемента, синтезируются гепатоцитами . Однако значительные количества продуцируются также тканевыми макрофагами , моноцитами крови , эпителиальными клетками мочеполовой системы и желудочно-кишечного тракта . Все три пути активации генерируют гомологичные варианты протеазы С3 -конвертазы . Классический путь комплемента обычно требует для активации комплексов антиген-антитело (специфический иммунный ответ), тогда как альтернативный путь может быть активирован путем спонтанного гидролиза компонента 3 комплемента (C3), чужеродного материала, патогенов или поврежденных клеток. Маннозо-связывающий 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 фагоцитирующими клетками путем опсонизации . [ нужна 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, расщепляющую C5 на C5b и C5a. Конвертаза C5 также образуется классическим путем, когда C3b связывает C4b и C2b. C5a — важный хемотаксический белок , помогающий рекрутировать воспалительные клетки. C3a является предшественником важного цитокина (адипокина), называемого ASP ( хотя это не является общепринятым [13] ), и обычно быстро расщепляется карбоксипептидазой B. И C3a, и C5a обладают анафилатоксиновой активностью, непосредственно вызывая дегрануляцию тучных клеток , а также увеличивая проницаемость сосудов и сокращение гладких мышц . [13] C5b инициирует путь мембранной атаки , в результате чего образуется мембраноатакующий комплекс (MAC), состоящий из C5b, C6 , C7 , C8 и полимерного C9 . [14] MAC представляет собой цитолитический конечный продукт каскада комплемента; он образует трансмембранный канал, вызывающий осмотический лизис клетки-мишени. Клетки Купфера и другие типы клеток-макрофагов помогают удалять патогены, покрытые комплементом. Элементы каскада комплемента, как часть врожденной иммунной системы, можно обнаружить у видов раньше, чем у позвоночных; совсем недавно у протостовых мечехвостов , что отодвинуло истоки системы дальше, чем считалось ранее. [ нужна цитата ]
Классический путь запускается активацией комплекса С1. 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 в комплексе с антигенами . Один пентамерный IgM может инициировать этот путь, тогда как необходимо несколько, в идеале шесть, IgG. Это также происходит, когда C1q связывается непосредственно с поверхностью патогена. Такое связывание приводит к конформационным изменениям молекулы C1q, что приводит к активации двух молекул C1r . C1r представляет собой сериновую протеазу. 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 называется C2b). C4b и C2b связываются с образованием классического пути C3-конвертазы (комплекс C4b2b), который способствует расщеплению C3 на C3a и C3b. Позже C3b соединяется с C4b2b, образуя конвертазу C5 (комплекс C4b2b3b). [15]
Альтернативный путь постоянно активируется на низком уровне, аналогично работе двигателя автомобиля на холостом ходу, в результате спонтанного гидролиза С3 из-за разрушения внутренней тиоэфирной связи (С3 умеренно нестабилен в водной среде). Альтернативный путь не основан на антителах, связывающих патоген, как другие пути. [3] C3b, который образуется из C3 с помощью ферментного комплекса 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 с образованием C3bB. Этот комплекс в присутствии фактора D будет расщепляться на Ba и Bb. Bb останется связанным с C3b, образуя C3bBb, который представляет собой альтернативный путь конвертазы C3. [16]
Комплекс C3bBb стабилизируется связыванием олигомеров фактора Р (пропердина). Стабилизированная конвертаза C3, C3bBbP, затем действует ферментативно, расщепляя гораздо больше C3, часть которого ковалентно прикрепляется к той же поверхности, что и C3b. Этот вновь 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 (есть много исключений, отражающих адаптацию микробных возбудителей к иммунной защите позвоночных). Таким образом, альтернативный путь комплемента способен отличать свои от чужих на основе поверхностной экспрессии регуляторных белков комплемента. Клетки-хозяева не накапливают C3b на клеточной поверхности (и протеолитический фрагмент C3b, называемый iC3b), поскольку этому препятствуют регуляторные белки комплемента, в то время как чужеродные клетки, патогены и аномальные поверхности могут быть сильно декорированы C3b и iC3b. Соответственно, альтернативный путь комплемента является одним из элементов врожденного иммунитета . [ нужна цитата ]
Как только альтернативный фермент конвертазы C3 образуется на патогене или поверхности клетки, он может ковалентно связываться с другим C3b, образуя C3bBbC3bP, конвертазу C5. Затем этот фермент расщепляет C5 до C5a, мощного анафилатоксина , и C5b. Затем C5b рекрутирует и собирает молекулы C6, C7, C8 и несколько молекул C9 для сборки мембраноатакующего комплекса . Это создает отверстие или пору в мембране, которая может убить или повредить патоген или клетку. [1]
Лектиновый путь гомологичен классическому пути, но содержит опсонин, маннозосвязывающий лектин (MBL) и фиколины вместо C1q. Этот путь активируется путем связывания MBL с остатками маннозы на поверхности патогена, что активирует MBL-ассоциированные сериновые протеазы MASP-1 и MASP-2 (очень похожие на C1r и C1s соответственно), которые затем могут расщеплять C4 на C4a, C4b и C2 в C2a и C2b. Затем C4b и C2b связываются вместе, образуя классическую C3-конвертазу, как и в классическом пути. Фиколины гомологичны MBL и действуют через MASP аналогичным образом. Описано несколько однонуклеотидных полиморфизмов М-фиколина у людей, влияющих на способность связывания лигандов и уровни в сыворотке. Исторически более крупный фрагмент C2 назывался C2a, но теперь он называется C2b. [17] У беспозвоночных без адаптивной иммунной системы количество фиколинов увеличивается, а их специфичность связывания диверсифицируется, чтобы компенсировать недостаток молекул, специфичных для распознавания патогенов. [ нужна цитата ]
В учебниках по иммунологии для меньших и больших фрагментов C2 используются разные названия, такие как C2a и C2b. Предпочтительным назначением, по-видимому, является то, чтобы меньший фрагмент обозначался как C2a: еще в 1994 году в известном учебнике рекомендовалось обозначать больший фрагмент C2 C2b. [18] Однако в их 4-м издании 1999 года это было расширено, в котором говорится: [19] «Также полезно знать, что более крупный активный фрагмент C2 первоначально обозначался C2a и до сих пор называется так в некоторых текстах и Здесь для последовательности мы будем называть все крупные фрагменты комплемента b , поэтому больший фрагмент C2 будет обозначаться C2b. В классическом и лектиновом путях фермент конвертаза C3 образуется из мембраносвязанного C4b с C2b. [19]
Эта номенклатура используется в другой литературе: [20] Однако в последней литературе назначение неоднозначное. Некоторые источники обозначают более крупные 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, согласно широко распространенному соглашению, C2b здесь представляет собой более крупный фрагмент, который по классическому пути образует C4b2b (классически C4b2a). Примечательно, что в ряде изданий книги Джейнвей, с 1-го по 7-е, в последнем издании [28] они отказываются от позиции, указывающей более крупный 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 фрагментами Fc (состоящими из области CH2) IgG или IgM, которые образуют комплекс с антигенами. C4b и C3b также способны связываться с антиген-ассоциированным IgG или IgM, с его Fc-частью. [20] [25] [28]
Такое опосредованное иммуноглобулином связывание комплемента можно интерпретировать как то, что комплемент использует способность иммуноглобулина обнаруживать и связываться с чужеродными антигенами в качестве своего ориентира. Сам комплемент может связывать чужеродные патогены после обнаружения их молекулярных структур, связанных с патогенами (PAMP), [28] однако, используя специфичность антитела, комплементы могут обнаруживать чужеродные мишени гораздо более специфично. [ нужна цитата ]
Некоторые компоненты имеют множество сайтов связывания. В классическом пути C4 связывается с Ig-ассоциированным C1q, а фермент C1r 2 s 2 расщепляет C4 до C4b и 4a. C4b связывается с C1q, антиген-ассоциированным Ig (в частности, с его Fc-частью) и даже с поверхностью микроба. C3b связывается с антиген-ассоциированным Ig и с поверхностью микроба. Способность C3b связываться с антиген-ассоциированными Ig будет эффективно действовать против комплексов антиген-антитело, делая их растворимыми. [ нужна цитата ]
Система комплемента потенциально может быть чрезвычайно разрушительной для тканей хозяина, а это означает, что ее активация должна строго регулироваться. Система комплемента регулируется белками, контролирующими комплемент , которые присутствуют в плазме крови и мембране клетки-хозяина. [34] Некоторые белки, контролирующие комплемент, присутствуют на мембранах собственных клеток, предотвращая воздействие на них комплемента. Одним из примеров является CD59 , также известный как протектин, который ингибирует полимеризацию C9 во время образования мембраноатакующего комплекса . Классический путь ингибируется ингибитором C1 , который связывается с C1, предотвращая его активацию. [35] Другим примером является белок плазмы, называемый фактором H (FH), который играет ключевую роль в подавлении альтернативного пути. [36] Фактор H вместе с другим белком, называемым Фактором I , инактивирует C3b, активную форму C3. Этот процесс предотвращает образование конвертазы С3 и останавливает развитие каскада комплемента. C3-конвертаза также может ингибироваться фактором ускорения распада (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 , пароксизмальные ночная гемоглобинурия , атипичный гемолитико-уремический синдром и ишемически-реперфузионное повреждение [37] [38] и отторжение трансплантированных органов. [39]
Система комплемента также становится все более вовлеченной в заболевания центральной нервной системы, такие 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 (особенно 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 MAC-компонентов комплемента. [44] 40–50% людей с дефицитом MAC испытывают 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 этих расстройства возникают из-за сверхактивации комплемента либо на поверхности клеток-хозяев, либо в плазме, при этом молекулярное расположение генетических вариаций в белках комплемента дает ключ к разгадке основных процессов заболевания. [4] Более того, несколько однонуклеотидных полиморфизмов и мутаций в гене фактора комплемента H (наиболее распространенная из которых приводит к изменению белка p.Y402H) были связаны с распространенным заболеванием глаз, связанным с возрастной дегенерацией желтого пятна . [4] Полиморфизмы компонента комплемента 3 , фактора комплемента B и фактора комплемента I , а также удаление фактора комплемента H, связанного с 3, и фактора комплемента H, связанного с 1, также влияют на риск развития у человека возрастной дегенерации желтого пятна . [4] [48]
Мутации в гене ингибитора C1 могут вызвать наследственный ангионевротический отек — генетическое состояние, возникающее в результате снижения регуляции брадикинина с помощью C1-INH. [ нужна цитата ]
Пароксизмальная ночная гемоглобинурия вызвана распадом комплемента эритроцитов из-за неспособности вырабатывать ГФИ. Таким образом, эритроциты не защищены белками, заякоренными в GPI, такими как DAF. [49]
Диагностические инструменты для измерения активности комплемента включают тест на общую активность комплемента . [50]
Наличие или отсутствие фиксации комплемента при заражении может указывать на наличие в крови определенных антигенов или антител. Это принцип теста фиксации комплемента .
Чрезмерная активность комплемента способствует развитию тяжелых симптомов и заболеваний Covid-19. [51] Хотя комплемент предназначен для защиты систем организма, при стрессе может быть больше вреда, чем защиты. Исследования показали, что во время ВИЧ / СПИДа система комплемента подвергается манипуляциям , что приводит к еще большему повреждению организма. [52]
Исследования последнего десятилетия показали, что белки комплемента классического пути комплемента играют важную роль в обрезке синапсов в мозге на ранних стадиях развития. [53] [54]
Обратите внимание, что в более старых текстах меньший фрагмент часто называют C2b, а больший — C2a по историческим причинам.