Введение

Ян Клейн (18 января 1936 - 7 мая 2023) - чешско-американский иммунолог.

Профессиональная жизнь

Ян Клейн был чешским американским иммунологом, наиболее известным своей работой над комплексом главной гистосовместимости (MHC). Родился в 1936 году в Штемпловеце, Опава, Чехия. Он окончил Карловский университет в Праге в 1955 году и получил степень магистра (magna cum laude) по ботанике в той же школе в 1958 году. С 1958 по 1961 год был учителем в средней школе Неруды в Праге. Он получил степень доктора философии. В 1965 году получил степень доктора генетики в Чехословацкой академии наук, в том же году перешел в Стэнфордский университет в качестве аспиранта. Он стал ассистентом профессора в 1969 году и доцентом в 1973 году в Университете Мичигана. В 1975 году он занял должность профессора в Юго-Западной медицинской школе Техасского университета. С 1977 года до выхода на пенсию в 2004 году он был директором Института биологии Макса Планка в Тюбингене, Германия. С 2004 года до своей смерти в 2023 году он был приглашенным профессором наук Франсис Р. и Хелен М. Пенц и адъюнкт-профессором биологии в Университете штата Пенсильвания.

Научные интересы

Научная деятельность Кляйна включает 600 публикаций в научных журналах и дюжину книг, которые он написал или редактировал. Она охватывает три основные дисциплины: генетику, иммунологию и эволюционную биологию, а также одну дисциплину интерфейса: иммуногенетику. Его основной фокус исследований был сосредоточен на комплексе гистосовместимости (MHC или Mhc), который включает в себя ряд генов, которые играют важную роль в инициировании адаптивного иммунного ответа (AIS), на примере производства антител, специфичных для различных патогенов.

Переопределение иммунологии

В своих учебниках и других трудах Клейн ввёл новую концепцию иммунологии, в которой он рассматривал дисциплину как раздел биологических наук, а не как узкую область медицинских исследований, как это было представлено традиционно. Он определил иммунологию как науку о саморазграничении, которая касается не только человеческого вида и его животных моделей (мышь, кролик и другие), но и всех организмов; и не только с вопросами здоровья человека, но и с нормальными физиологическими функциями, выполняемыми специализированными системами организма. Он был первым, кто включил в учебник по иммунологии разделы, подчеркивающие важность так называемой неадаптивной иммунной системы (NAIS; он предпочитал называть ее непредвиденной). Он также дал иммунологии логическую внутреннюю структуру. Вместо того, чтобы организовать свои учебники в такие разделы, как иммунохимия, иммунобиология, иммуногенетика, иммунопатология и т. д., как это было тогда принято (т. е. в соответствии с интерфейсами иммунологии с другими дисциплинами и оставляя очень мало для самой иммунологии), он представил ее как самостоятельную науку. Он организовал ее как науку, работающую со специализированными органами, клетками, генами, молекулами, механизмами, фенотипами и функциями.

Переопределение иммуногенетики

В своей экспериментальной работе, в течение 25 лет, проведенных в качестве директора отдела иммуногенетики Института биологии Макса Планка, и почти в течение того же периода времени, проведенного в качестве руководителя журнала "Имуногенетика", Клейн стремился пересмотреть дисциплину иммуногенетики. Иммуногенетика возникла в 1930-х годах как изучение генов, контролирующих антигены (такие как различные системы групп крови), обнаруженные антителами. Это было очень искусственным разграничением дисциплины, основанной, по сути, на методе, а не на внутреннем содержании. В концепции Кляйна иммуногенетика должна была иметь дело с тем, что иммунология и генетика имеют общего - набор генов, которые контролируют и влияют на иммунные реакции любого рода.

Открытие генов класса II и концепция Mhc

В адаптивной иммунной системе три основных набора генов - это те, которые кодируют белки Mhc, рецептора Т-клеток (Tcr) и рецептора В-клеток (Bcr, антитела). Клейн внес вклад в изучение всех трех систем, но его основной интерес был в системе Mhc. Он разработал современную концепцию Mhc, состоящую из двух основных типов генов, для которых он придумал обозначения I и II классов генов. Гены класса I были обнаружены в 1936 году (в год рождения Яна Кляйна) как кодирующие антигены группы крови (красные кровяные клетки), которые, однако, также отвечали за отторжение несовместимых трансплантатов. Клейн вместе со своей коллегой Верай Хауптфельд и его женой Дагмар Клейн первыми описали продукт генов класса II и определили их как молекулы, контролирующие уровень антител, синтезируемых в ответ на чужеродные антигены. Ранее Хью О. Макдевит и его коллеги отобразили в Mhc локус иммунного ответа 1 (Ir 1), влияющий на уровень производства антител против синтетического полипептида (T, G) LA. Клейн и его коллеги, обнаружив, что их локус неотделим от постулированного локуса Ir 1, пришли к выводу, что антигены класса II, которые они продемонстрировали на поверхностях лимфоцитов, были продуктом локуса Ir 1. Позднее исследования подтвердили эту интерпретацию. Генетическое отображение локусов, контролирующих антигены класса I и класса II мыши, показало, что они являются частью кластера, который Клейн отобразил на хромосоме 17 и для которого он защитил название основного локуса гистосовместимости, Mhc. Название относится к тому факту, что гены были частью набора, который контролировал совместимость тканей, и в этом наборе один кластер имел наиболее сильный (главный) эффект. Джордж Д. Снелл назвал гены совместимости тканей гистосовместимостью 1, 2, 3 и т. д. в порядке открытия, и поскольку гены H2 оказались сильнее всех, они стали первыми известными Mhc. Все остальные гены гистосовместимости стали называться второстепенными. Первоначально генетическое отображение антигенов класса I мыши предполагало существование нескольких локусов класса I в комплексе H2. Однако вскоре несоответствия в назначении определенных антигенов локусам сигнализировали о том, что что-то не так с картами H2, как они были нарисованы. Клейн и Дональд Шрефлер решили проблему, продемонстрировав, что данный антиген может присутствовать на молекулах, контролируемых различными локусами. Учитывая это, они смогли сократить число локусов класса I до двух, H2K и H2D. Эта "модель двух локусов" сыграла важную роль в последующих интерпретациях Mhc. Модель также соответствовала результатам ранней докторской работы Кляйна, в которой он обнаружил, что иммунный отбор для потери определенных антигенов H2 на соматических клетках сопровождался потерей некоторых, но не других невыбранных антигенов. В этом отношении антигены были разделены на две группы, как будто они неслись двумя разными молекулами. Открытие генов класса II было встроено в модель демонстрацией того, что они отображали между H2K и H2D. Шрефлер также продемонстрировал существование другого соотношения между двумя локами класса I. Он кодировал то, что он назвал "серологическим сывороткой" или белком Ss, присутствующим в растворимой форме в жидкой фазе крови, в отличие от антигенов класса I и II, которые экспрессировались на поверхности клеток. На этом этапе комплекс H2 можно разделить на четыре области: класс I (H2K) класс II (Ir1) Ss класс I (H2D). Эти события привели к тому, что иммунологи, с одной стороны, и биологи трансплантации, с другой, осознали потенциальную важность Mhc для своих соответствующих дисциплин. В результате появилось множество сообщений, описывающих связь различных явлений с этим комплексом. Связь была продемонстрирована путем тестирования реакций врожденных штаммов, отличающихся в комплексе H2, и отображения генов, контролирующих реакции внутри комплекса H2, с помощью штаммов, несущих гаплотипы H2, полученные путем внутри- H2 рекомбинаций. Эти штаммы были разработаны Джорджем Д. Снеллом, Джеком Х. Стимпфлингом, Дональдом С. Шрефлером и Ян Клейн. Феномены включали контроль реакции антител на различные антигены, как природные, так и синтетические; подавление иммунной реакции специальными клетками-супрессорами или растворимыми факторами; пролиферацию лимфоцитов в культуре in vitro, вызванной несовместимыми с H2 стимулирующими клетками (так называемая смешанная лимфоцитарная реакция, MLR); уничтожение несовместимых с H2 клеток-мишени сенсибилизирован...

Природа иммунного ответа, контролируемого МХК

Контроль реакции антител МХК вызвал много вопросов. Главным вопросом, который стоял на повестке дня иммунологов, было: почему некоторые люди с определенным гаплотипом H2 реагируют на определенный антиген, в то время как другие, с определенным другим гаплотипом, реагируют или не реагируют? Это явление может быть воспроизведено in vitro путем воздействия антигена. Лимфоциты, выделенные из группы с высоким уровнем отклика, пролиферировали в гораздо более высокой степени, чем лимфоциты, выделенные из группы с низким уровнем отклика. Для анализа, помимо лимфоцитов, полученных из тимуса, также требовались "макрофаги" или клетки, представляющие антиген (APC), от одного и того же индивидуума. В этом случае вопрос сводился к следующему: Т-лимфоциты или АПК отвечают за разницу в реакции? Многие иммунологи склонны возлагать вину на APC, но группа Кляйна Наги в серии элегантных экспериментов опровергла эту гипотезу и объяснила, почему Т-лимфоциты, несущие различные гаплотипы Mhc, могут отличаться в своем ответе на конкретные антигены. Рецепторы Т-лимфоцитов распознают антиген в сочетании с их собственными молекулами Mhc. Различные особенности Tcrs, порождаемые отдельными Т-клетками, генерируются специальным механизмом во время развития лимфоцитов из клеток-прекурсоров в тимусе. Поколение происходит совершенно случайно, так что рецепторы возникают против всех возможных антигенов, включая те, которые несет индивид, в котором происходит дифференциация (самомомолекулы). Клетки с рецепторами для самостоятельных молекул должны быть устранены, чтобы предотвратить иммунную реакцию против собственных компонентов индивида. Однако устраненные Tcrs могли случайно иметь способность распознавать определенные чужеродные антигены (не себя) в сочетании с собственными молекулами Mhc, не отвечающими. Таким образом, репертуар Т-клеток имеет "слепые точки", что делает человека нечувствительным не только к самому себе, но и к некоторым чужеродным антигенам.

Полиморфизм Mhc, изменение числа хромосом и т-хаплотипы

Типизация инбридных штаммов показала, что Mhc может проявляться необычно высокой изменчивостью (полиморфизмом). Однако инбридные штаммы не подходили для определения полиморфизма, поскольку для его оценки требовалось измерение частоты генов в популяциях. С такими усилиями были связаны всевозможные проблемы, большинство из которых, однако, можно было уменьшить, перенеся образец гаплотипов H2 от диких мышей на инбридную (C57BL/10 или B10) фоновую систему и, таким образом, получив набор врожденного B10. В линий. Эти линии оказались необходимыми для полной характеристики новых гаплотипов; для идентификации естественных рекомбинантов внутри H2; и для их использования в качестве инструмента для отображения связанных с H2 признаков. Используя различные методы, Клейн и его коллеги смогли охарактеризовать полиморфизм H2 в популяциях диких мышей из разных частей мира. Исследования показали, что полиморфизм действительно ошеломляющий, как по количеству аллелей, так и по гаплотипам (гаплотип - это конкретная комбинация аллелей, несущихся определенным хромосомным сегментом), которые встречаются в популяциях с ощутимой частотой. Исключения из высокого полиморфизма были обнаружены только в некоторых островных популяциях и в популяциях, которые недавно прошли через фазу узкого горла. Полиморфизм H2, в сочетании с другими маркерами, может быть использован для характеристики популяции. Типизация H2 глобальной популяции диких мышей показала, что она фрагментирована на большое количество небольших субпопуляций (демы), которые отличаются по наличию и частоте аллелей в отдельных локусах. Присадка кожи и другие методы указывали на инбридинг внутри демонов, но совместное использование определенных аллелей между демонами предполагало непрерывный поток генов между демонами. Эти результаты были подтверждены анализом других маркеров, в первую очередь хромосомного полиморфизма и t- гаплотипов. Кариотип домашней мыши обычно состоит из 40 телоцентрических хромосом, но в некоторых регионах Европы можно найти мышей с кариотипами, содержащими менее 40 хромосом. Сокращение числа хромосом связано с центральным слиянием (робертосоновская транслокация) двух телоцентриков в один метацентрик. Группа Кляйна обнаружила популяции с метацентрическими хромосомами в разных регионах Европы, но сосредоточила свои усилия на системе метацентриков в южной Германии. Углубленное изучение этих популяций показало подразделение на субпопуляции, которые коррелировали с теми, которые были установлены исследованиями полиморфизма H2. Т-гаплотип - это обозначение хромосомной области, прилегающей к комплексу H2 или его окружающей. Три особенности характеризуют t-регион: подавление рекомбинации на всей длине полного t-гаплотипа; искажение сегрегации (t/+ самцы передают т-хромосому более чем в 90 процентов своего потомства); и частое присутствие гомозиготных летальных генов. Объединенные исследования группы Клейна по t и H2 на диких мышах со всего мира привели к идентификации и характеристике ряда новых гаплотипов t. Их характеристика показала, что все гаплотипы были получены из одного предшествующего гаплотипа; что предшествующий гаплотип возник в западноевропейском Mus domesticus; что он возник недавно; и что из M. domesticus один гаплотип t проник в восточноевропейский M. musculus, где затем он претерпел ограниченную диверсификацию.

Трансвидовый полиморфизм

Словари определяют генетический полиморфизм как наличие в значительной частоте двух или более аллелей в локусе в виде. Следовательно, ожидалось, что полиморфизм H2 возник из-за необычно высокой скорости мутации (эволюции) у домашней мыши после ее расхождения от ее ближайшего родственника. Однако не было никаких признаков того, что это было так. Напротив, Клейн и его коллеги обнаружили, используя доступные тогда методы, неразличимые аллели в двух европейских видах домашних мышей, Mus domesticus и M. musculus, которые отделились друг от друга около 1 - 2 миллионов лет назад. Аналогичным образом, в популяциях M. domesticus, чьи разрывы можно было датировать, они не нашли новых вариантов. Группа Кляйна также не смогла найти никаких новых вариантов Mhc (HLA) в изолированных человеческих популяциях, таких как индейцы Южной Америки и коренное население Сибири. Эти и другие наблюдения привели Кляйна к формулированию гипотезы транс-полиморфизма видов (TSP), утверждающей, что дивергенция подобных аллелей Mhc предшествует дивергенции видов, в которых они встречаются. Первоначальное обнаружение полиморфизма транс-видов основано на серологической (на основе антител) идентификации антигенных молекул. Однако позже идентичность аллелей в разных видах могла быть подтверждена анализом пептидного отображения антигенных белков. В конечном счете, секвенирование ДНК не только подтвердило результаты, полученные с помощью предыдущих методов, но и внедрило новое измерение в исследования TSP. Испытания показали, что близкородственные виды, такие как M. domesticus и M. musculus, многие виды гаплохроминовых рыб в восточноафриканских озерах и реках, или дарвиновские свинки на Галапагосских островах, имеют много аллелей не только на Mhc, но и на некоторых из не Mhc loci. У более отдаленных родственных видов, таких как человек и шимпанзе или домашняя мышь и норвежская крыса, совместное использование идентичных аллелей больше не может быть продемонстрировано, но общие родственные аллели были четко доказаны. Это открытие привело к концепции аллельных линий, в которых члены данной линии в одном виде были более похожи на членов той же линии в другом виде, чем на другие аллели в любом из двух видов, TSP Mhc и других локусов с тех пор было задокументировано во многих видах и нашли применение к различным вопросам в эволюционной биологии.

Применение концепции TSP в эволюционной биологии

Суть концепции TSP заключается в том, что определенное количество аллелей в локусе должно пройти фазу видообразования от предка к потомку, чтобы обеспечить сохранение предков полиморфизма в новых видах. Если это число известно, можно оценить размер основной популяции новых видов. Таким образом, TSP открывает окно в иначе труднодоступную фазу эволюции. Группа Кляйна использовала концепцию TSP для оценки размеров популяций нескольких видов. Для человеческого вида размер, оцененный на основе полиморфизма HLA, составлял 10 000 размножающихся особей. Аналогично большие популяции основателей должны были быть постулированы для двух родословных, от которых большинство из сотен видов, населяющих озеро Виктория в Восточной Африке, отклонились. И даже для дарвиновских свинков, которые, как считается, произошли от одной пары основателей, Винчек и его коллеги пришли к выводу, что стадо основателей было, по крайней мере, 30 голов. Эти исследования стали мостом Кляйна к эволюционной биологии. Он пересек этот мост в серии исследований природы процесса видообразования у дарвиновских свинков и у гаплохроминовых рыб Восточной Африки. С Аки Сато и его коллегами они предоставили молекулярные доказательства того, что 14 существующих видов дарвиновских свинков на Галапагосских островах и один вид на Кокосовом острове произошли от одного вида, который прибыл на острова около 5 тысяч лет назад. Они определили, что предков этого вида можно отнести к тиарусу темному, который сейчас обитает в Эквадоре и других частях южноамериканского континента. Используя маркеры ДНК, они смогли определить филогенетические отношения среди существующих дарвиновских свинков, за исключением группы грунтовых свинков. В последнем случае морфологически плохо различимые виды были неразличимы на молекулярном уровне. Этот результат может означать, что виды разошлись совсем недавно и что полиморфизмы их геномов не имели достаточно времени, чтобы разобраться между видами, или что виды продолжают обмениваться генами. Гаплохромины - одна из двух основных групп цихлид в Восточной Африке; другая группа - тилапиновые рыбы. Клейн и его коллеги изучили обе группы и с помощью различных молекулярных маркеров способствовали разрешению их филогенетических отношений. Затем они сосредоточились на гаплохроминах как озер, больших и малых, так и рек. Исследования показали степень родства между различными группами, которая примерно коррелировала с их географическим распределением. Однако основным направлением деятельности группы Кляйна стало озеро Виктория. Озеро является самым молодым из всех крупных озер в Восточной Африке, его последнее пополнение после высыхания датируется 14 600 лет назад. Озеро населено более чем 200 видами гаплохроминов, отличающимися морфологически и поведенчески. В отличие от предыдущих утверждений, группа Кляйна продемонстрировала, что виды не являются монофилетическими и ни в коем случае не обеднели в своем генетическом полиморфизме. Они попадают по крайней мере в две линии, которые отделились друг от друга 41 500 лет назад, предположительно за пределами озера. Поколения отделились от гаплохроминов, обитавших в небольших озерах к западу от озера Виктория более 80 000 лет назад. Как и в случае с земляными свинками Галапагосских островов, гаплохроминовые виды озера Виктория не отличаются ни одним молекулярным маркером, который группа Клейна использовала в своих исследованиях. Все методы популяционной генетики, используемые для расчета генетических расстояний, не показали существенных различий между видами и между популяциями одного и того же вида. В этом случае, однако, группа Кляйна смогла исключить недостаточное время разделения в качестве объяснения данных и утверждать, что объяснение заключается в продолжении потока генов между зарождающимися видами. Они далее утверждают, что видообразование - это затяжной процесс, в ходе которого возникающие виды расходятся в нескольких генах, ответственных за фенотипические различия, но продолжают обмениваться генами до тех пор, пока возникновение репродуктивного барьера не остановит процесс. Они утверждают, что из-за этого явления многие филогены так называемых адаптивных излучений останутся неразрешенными. Одним из таких случаев является излучение, которое породило тетраподы в эволюции челюстных позвоночных. В этом случае группа Кляйна продемонстрировала, что увеличение числа г�...

Эволюция МХК

Три важных предположения лежат в основе изучения эволюции Mhc: во-первых, Mhc отсутствует у всех не позвоночных. Во-вторых, беспошёлые позвоночные (Агната) являются монофилетическими и являются сестринской группой позвоночных с челюстями (Гнатостома). И в-третьих, у позвоночных без челюстей отсутствует Mhc, который присутствует у всех позвоночных с челюстями. Группа Кляйна внесла значительный вклад в нынешнее общее признание этих предположений. Отсутствие Mhc у не позвоночных стало очевидным, когда исследование геномов не позвоночных не смогло идентифицировать гомологи генов Mhc. Группа Клейна оказала сильную поддержку монофильному агнатану путем клонирования, секвенирования и анализа длинных участков ДНК представительных видов агнатана и гнатхостомы. В сотрудничестве с группой Макса Купера они выделили лимфоциты, похожие на клетки, клонировали, секвенировали и проанализировали гены, экспрессируемые в этих клетках, и не нашли доказательств экспрессированных гомологов гена Mhc. Однако они нашли доказательства постепенной эволюции адаптивной иммунной системы. Они смогли продемонстрировать присутствие у беспошёвых позвоночных нескольких вспомогательных компонентов и путей, которые AIS использовал, когда три центральных рецептора (Mhc, Tcr и Bcr) появились у позвоночных с челюстями. Они также предоставили доказательства повсеместного присутствия генов Mhc у челюстных позвоночных, идентифицировав такие гены у широкого спектра костных рыб [зебра-рыба (Danio rerio), цихлида Aulonocara hansbaenschi, тилапия (Oreochromis niloticus), карп (Cyprinus carpio), гуппи (Poecilia reticulata), трехспиновидный stickleback (Gasterosteus aculeatus), swordtail (Xiphophorus) ]; через коэлакант (Latimeria chalumnae), африканскую легкую рыбу (Protopterus aethiopicus); птицы [бенгальский финч (Lonchura striata), финчи Дарвина и их южноамериканские родственники]; метатерийные млекопитающие [красноекожие (Macropus rufogrise) и эфирные млекопитающие [проходные животные, такие как муравьи (Spalax epalax) и множество приматов Старого Света, включая обезьян, обезьян и новозеров (Myrhini). У нескольких из этих видов они также выработали организацию Mhcs, особенно у рыбы-зебры. Что касается эволюции самих генов Mhc, то группа Кляйна внесла значительный вклад в описание его общего контура. В сотрудничестве с Йоко Сатта и Наоюки Такахата они разработали метод оценки эволюционных скоростей генов Mhc и продемонстрировали, что скорость была близка к средней скорости большинства генов, не относящихся к Mhc, и они предоставили доказательства того, что гены Mhc подвергаются сбалансированному отбору. Они также предоставили доказательства того, что отбор приводит к независимым, повторяющимся появлениям подобных или идентичных коротких последовательностей мотивов путем конвергентной эволюции. Сам Клейн долгое время отстаивал мнение, что этот механизм и механизмы, подобные ему, а не общепринятая "конверсия генов", объясняют происхождение мотивов. Группа Клейна продемонстрировала, что во время своей эволюции Mhc подвергается повторным раундам расширения и сокращения путем дублирования и удаления генов - в терминологии Клейна, аккордеонный способ эволюции. Так, например, они показали, что в каждой из трех основных линий приматов - просимиан, NWM и OWM - эволюция некоторых семейств генов класса II началась заново после сокращения до одного генета предка. На примере двух генов "класса III", C4 и CYP21, они проиллюстрировали механизм, благодаря которому аккордеон может расширяться и сжиматься. Как уже было сказано, ген C4 кодирует компонент системы комплемента; ген CYP21 - ключевой фермент в синтезе глюкокортикоидов и минеральных кортикоидов. Таким образом, два гена не связаны друг с другом и с генами класса I и класса II, но они случайно соединены вместе в модуль, который, как было установлено, дублируется или триблируется как единица во время эволюции приматов. Похоже, что связь возникла, когда идентичный короткий последовательности мотив возник случайно на обоих флангах первоначального C4 CYP21 дублет. С тех пор, случайные неравномерные пересечения противоположных флангов приводили к неравномерному пересечению и, таким образом, к дублированию или удалению модуля.