Цитотоксические Т-клетки: убийцы раковых и инфицированных клеток.

Введение

Т-клетка, которая убивает инфицированные, поврежденные или раковые клетки.

Цитотоксическая Т-клетка (также известная как ТК, цитотоксический Т-лимфоцит, CTL, Т-киллер, цитолитическая Т-клетка, CD8+ Т-клетка или киллерная Т-клетка) – это Т-лимфоцит (тип лейкоцитов), который уничтожает раковые клетки, клетки, инфицированные внутриклеточными патогенами (такими как вирусы или бактерии), или клетки, поврежденные иным образом. Большинство цитотоксических Т-клеток экспрессируют Т-клеточные рецепторы (ТКР), способные распознавать специфический антиген. Антиген – это молекула, способная стимулировать иммунный ответ и часто продуцируемая раковыми клетками, вирусами, бактериями или внутриклеточными сигналами. Антигены внутри клетки связываются с молекулами главного комплекса гистосовместимости I класса (МГК I класса) и транспортируются на поверхность клетки молекулой МГК I класса, где они могут быть распознаны Т-клеткой. Если ТКР специфичен к данному антигену, он связывается с комплексом молекулы МГК I класса и антигена, после чего Т-клетка разрушает клетку. Для связывания ТКР с молекулой МГК I класса, ему необходим гликопротеин CD8, который связывается с постоянной областью молекулы МГК I класса. Поэтому эти Т-клетки называются CD8+ Т-клетками. Сродство между CD8 и молекулой МГК поддерживает тесный контакт между цитотоксической Т-клеткой и клеткой-мишенью во время антиген-специфической активации. CD8+ Т-клетки идентифицируются как цитотоксические Т-клетки после активации и обычно классифицируются как клетки с предопределенной цитотоксической ролью в иммунной системе. Однако, CD8+ Т-клетки также способны продуцировать некоторые цитокины, такие как TNF α и IFN γ, обладающие противоопухолевым и противомикробным действием.

Разработка

Иммунная система должна распознавать миллионы потенциальных антигенов. В человеческом организме менее 30 000 генов, поэтому невозможно иметь один ген для каждого антигена. Вместо этого ДНК миллионов лейкоцитов в костном мозге подвергается перетасовке, чтобы создать клетки с уникальными рецепторами, каждый из которых может связываться с различным антигеном. Некоторые рецепторы связываются с тканями самого организма, поэтому, чтобы предотвратить аутоагрессию, эти самореактивные лейкоциты уничтожаются в процессе дальнейшего развития в тимусе, для развития и функционирования которого необходим йод. TCR состоят из двух частей, обычно альфа- и бета-цепей. (Некоторые TCR имеют гамма- и дельта-цепи. Они способны противодействовать стрессу и являются частью эпителиального барьера). Гематопоэтические стволовые клетки костного мозга мигрируют в тимус, где они подвергаются V(D)J-рекомбинации ДНК бета-цепи TCR, формируя предшественник белка TCR, известный как пре-TCR. Если эта перестройка успешна, клетки затем перестраивают ДНК альфа-цепи TCR, чтобы создать функциональный альфа-бета-TCR-комплекс. Этот высоковариабельный продукт генетической перестройки в генах TCR помогает создать миллионы различных Т-клеток с разными TCR, позволяя иммунной системе организма реагировать практически на любой белок чужеродного агента. Подавляющее большинство Т-клеток экспрессируют альфа-бета-TCR (αβ-Т-клетки), но некоторые Т-клетки в эпителиальных тканях (например, в кишечнике) экспрессируют гамма-дельта-TCR (гамма-дельта-Т-клетки), которые распознают небелковые антигены. Последние характеризуются способностью распознавать антигены, которые не представлены. Кроме того, они могут распознавать микробные токсические шоковые белки и стрессовые белки собственных клеток. Т-γδ клетки обладают широкой функциональной пластичностью после распознавания инфицированных или трансформированных клеток, поскольку способны продуцировать цитокины (IFN γ, TNF α, IL 17) и хемокины (IP 10, лимфотактин), вызывать цитолиз клеток-мишеней (перфорины, гранзимы) и взаимодействовать с другими клетками, такими как эпителиальные клетки, моноциты, дендритные клетки, нейтрофилы и B-клетки. При некоторых инфекциях, таких как цитомегаловирус человека, наблюдается клональная экспансия периферических γδ Т-клеток, обладающих специфическими TCR, что указывает на адаптивный характер иммунного ответа, опосредованного этими клетками. Т-клетки с функционально стабильными TCR экспрессируют как CD4, так и CD8 корецепторы и поэтому называются "двойными положительными" (DP) Т-клетками (CD4+CD8+). Двойные положительные Т-клетки подвергаются воздействию широкого спектра собственных антигенов в тимусе и проходят два этапа отбора: положительный отбор, в котором выживают те двойные положительные Т-клетки, которые связываются с чужеродным антигеном в присутствии собственных молекул MHC. Они дифференцируются либо в CD4+, либо в CD8+, в зависимости от того, с какой молекулой MHC ассоциирован представленный антиген (MHC I для CD8, MHC II для CD4). В этом случае клеткам был представлен антиген в контексте MHC I. Положительный отбор означает выбор TCR, способных распознавать собственные молекулы MHC. отрицательный отбор, в котором те двойные положительные Т-клетки, которые слишком сильно связываются с самоантигенами, представленными MHC, подвергаются апоптозу, поскольку в противном случае они могут стать аутореактивными, что приведет к аутоиммунитету. Положительно отбираются только те Т-клетки, которые слабо связываются с комплексами самоантиген-MHC. Клетки, пережившие положительный и отрицательный отбор, дифференцируются в одноположительные Т-клетки (CD4+ или CD8+), в зависимости от того, распознает ли их TCR антиген, представленный молекулой MHC I класса (CD8), или антиген, представленный молекулой MHC II класса (CD4). Именно CD8+ Т-клетки созревают и превращаются в цитотоксические Т-клетки после активации антигеном, ограниченным классом I.

The immune system must recognize millions of potential antigens. There are fewer than 30,000 genes in the human body, so it is impossible to have one gene for every antigen. Instead, the DNA in millions of white blood cells in the bone marrow is shuffled to create cells with unique receptors, each of which can bind to a different antigen. Some receptors bind to tissues in the human body itself, so to prevent the body from attacking itself, those self reactive white blood cells are destroyed during further development in the thymus, in which iodine is necessary for its development and activity. TCRs have two parts, usually an alpha and a beta chain. (Some TCRs have a gamma and a delta chain. They are inherent to act against stress and form part of the epithelial barrier). Hematopoietic stem cells in the bone marrow migrate into the thymus, where they undergo V(D)J recombination of their beta chain TCR DNA to form a developmental form of the TCR protein, known as pre TCR. If that rearrangement is successful, the cells then rearrange their alpha chain TCR DNA to create a functional alpha beta TCR complex. This highly variable genetic rearrangement product in the TCR genes helps create millions of different T cells with different TCRs, helping the body's immune system respond to virtually any protein of an invader. The vast majority of T cells express alpha beta TCRs (αβ T cells), but some T cells in epithelial tissues (like the gut) express gamma delta TCRs (gamma delta T cells), which recognize non protein antigens. The latter are characterised by their ability to recognise antigens that are not presented. In addition, they can recognise microbial toxic shock proteins and self cell stress proteins. T γδ cells possess a wide functional plasticity after recognising infected or transformed cells, as they are able to produce cytokines (IFN γ, TNF α, IL 17) and chemokines (IP 10, lymphotactin), trigger cytolysis of target cells (perforins, granzymes ), and interact with other cells, such as epithelial cells, monocytes, dendritic cells, neutrophils and B cells. In some infections, such as human cytomegalovirus, there is a clonal expansion of peripheral γδ T cells that have specific TCRs, indicating the adaptive nature of the immune response mediated by these cells. T cells with functionally stable TCRs express both the CD4 and CD8 co receptors and are therefore termed "double positive" (DP) T cells (CD4+CD8+). The double positive T cells are exposed to a wide variety of self antigens in the thymus and undergo two selection criteria:
positive selection, in which those double positive T cells that bind to foreign antigen in the presence of self MHC. They will differentiate into either CD4+ or CD8+ depending on which MHC is associated with the antigen presented (MHC1 for CD8, MHC2 for CD4). In this case, the cells would have been presented antigen in the context of MHC1. Positive selection means selecting those TCRs capable of recognizing self MHC molecules. negative selection, in which those double positive T cells that bind too strongly to MHC presented self antigens undergo apoptosis because they could otherwise become autoreactive, leading to autoimmunity. Only those T cells that bind to the MHC self antigen complexes weakly are positively selected. Those cells that survive positive and negative selection differentiate into single positive T cells (either CD4+ or CD8+), depending on whether their TCR recognizes an MHC class I presented antigen (CD8) or an MHC class II presented antigen (CD4). It is the CD8+ T cells that will mature and go on to become cytotoxic T cells following their activation with a class I restricted antigen.

Функции эффектора

При контакте с инфицированными/дисфункциональными соматическими клетками ТК-клетки высвобождают цитотоксины перфорин, гранзимы и гранулизин. Благодаря действию перфорина, гранзимы проникают в цитоплазму клетки-мишени, и их серинпротеазная функция запускает каскад каспаз – серию цистеиновых протеаз, которые в конечном итоге приводят к апоптозу (программированной гибели клетки). Это называется «летальным ударом» и позволяет наблюдать волнообразную гибель клеток-мишеней. Благодаря высокому липидному порядку и отрицательно заряженному фосфатидилсерину, присутствующему в их плазменной мембране, ТК-клетки устойчивы к действию своих цитотоксинов – перфорина и гранзимов. Второй способ индуцирования апоптоза – взаимодействие между поверхностью ТК-клеток и инфицированных клеток. При активации ТК-клетка начинает экспрессировать поверхностный белок FAS-лиганд (FasL) (Apo1L) (CD95L), который может связываться с молекулами Fas (Apo1) (CD95), экспрессируемыми на клетке-мишени. Однако считается, что это взаимодействие Fas-FasL более важно для удаления нежелательных Т-лимфоцитов в процессе их развития или для литической активности некоторых Т-хелперов, чем для цитолитической активности ТК-эффекторов. Взаимодействие Fas с FasL позволяет рекрутировать индукцию смерти сигнальным комплексом (DISC). Fas-ассоциированный домен смерти (FADD) транслоцируется с DISC, обеспечивая рекрутирование про-каспаз 8 и 10. Транскрипционный фактор Eomesodermin предположительно играет ключевую роль в функции CD8+ Т-клеток, действуя как регуляторный ген в адаптивном иммунном ответе. Исследования, изучающие эффект потери функции Eomesodermin, показали, что снижение экспрессии этого транскрипционного фактора приводит к уменьшению количества перфорина, продуцируемого CD8+ Т-клетками. Во время инфекции вирусом гепатита B (ВГВ) цитотоксические Т-клетки уничтожают инфицированные клетки и продуцируют противовирусные цитокины, способные элиминировать ВГВ из жизнеспособных гепатоцитов. Они также играют важную патогенную роль, способствуя почти всему повреждению печени, связанному с инфекцией ВГВ. Показано, что тромбоциты способствуют аккумуляции вирус-специфических цитотоксических Т-клеток в инфицированной печени. В некоторых исследованиях на мышах инъекция клеток CXCR5+CD8+T показала значительное снижение уровня HBsAg. Кроме того, увеличение уровня CXCL13 способствовало рекрутированию внутрипеченочных клеток CXCR5+CD8+T, которые продуцировали высокие уровни вирус-специфического интерферона (IFN) γ и IL-21 ВГВ, что может помочь улучшить контроль хронической ВГВ-инфекции. Цитотоксические Т-клетки были вовлечены в прогрессирование артрита. Основным проявлением ревматоидного артрита является поражение суставов. Синовиальная мембрана характеризуется гиперплазией, повышенной васкуляризацией и инфильтрацией воспалительными клетками, преимущественно CD4+ Т-лимфоцитами, которые являются основными организаторами клеточного иммунного ответа. В различных исследованиях ревматоидный артрит тесно связан с антигенами главного комплекса гистосовместимости (MHC) класса II. Единственные клетки в организме, экспрессирующие антигены MHC класса II, – это конститутивные антигенпрезентирующие клетки. Это убедительно свидетельствует о том, что ревматоидный артрит вызван неустановленными артритогенными антигенами. Антигеном может быть любой экзогенный антиген, например вирусные белки, или эндогенный белок. Недавно был идентифицирован ряд возможных эндогенных антигенов, например, гликопротеин хрящевой ткани человека 39, белок, связывающий тяжелую цепь, и цитруллинированный белок. Активированные CD4+ Т-лимфоциты стимулируют моноциты, макрофаги и синовиальные фибробласты к выработке цитокинов интерлейкина 1, интерлейкина 6 и фактора некроза опухоли альфа (TNFα) и к секреции металлопротеиназ. Первые три из них играют ключевую роль в развитии воспаления при ревматоидном артрите. Эти активированные лимфоциты также стимулируют B-клетки к выработке иммуноглобулинов, включая ревматоидный фактор. Их патогенная роль неизвестна, но может быть связана с активацией комплемента через образование иммунных комплексов. Кроме того, ряд исследований на животных показывают, что цитотоксические Т-клетки могут оказывать преимущественно провоспалительное действие при этом заболевании. Также изучается, что продукция цитокинов CD8+ клетками может ускорить прогрессирование артрита. CD8+ Т-клетки играют роль при инфекции ВИЧ. ВИЧ со временем разработал множество стратегий для уклонения от иммунной системы хозяина. Например, ВИЧ приобрел очень высокие темпы мутаций, позволяющие ему избегать распознавания CD8+ Т-клетками. Он также способен снижать экспрессию поверхностных белков MHC класса I в инфицированных клетках, чтобы еще больше избежать уничтожения CD8+ Т-клетками. Исследования на диабетической мышиной модели показали, что CD4+ клетки ответственны за массивную инфильтрацию мононуклеарных лейкоцитов в островковые клетки поджелудочной железы. Однако показано, что CD8+ клетки играют эффекторную роль, ответственную за окончательное разрушение бета-клеток островков. Однако в исследованиях на мышах NOD с нуль-мутацией в локусе бета-2 микроглобулина (B2M) и, следовательно, без молекул главного комплекса гистосовместимости класса I и CD8+ Т-клеток было обнаружено, что они не развивают диабет. CD8+ Т-клетки могут быть необходимы для разрешения химиотерапевтической индуцированной периферической нейропатии (CIPN). Мыши без CD8+ Т-клеток демонстрируют затяжную CIPN по сравнению с нормальными мышами, а введение обученных CD8+ Т-клеток устраняет или предотвращает CIPN. Цитотоксические Т-лимфоциты были вовлечены в развитие различных заболеваний и расстройств, например, в отторжение трансплантата (цитотоксические Т-лимфоциты атакуют новый орган после обнаружения его как чужеродного из-за вариации HLA между донором и реципиентом); в избыточную продукцию цитокинов при тяжелой инфекции SARS-CoV-2 (из-за чрезмерного лимфоцитарного ответа генерируется большое количество провоспалительных цитокинов, повреждающих организм); воспалительные и дегенеративные заболевания центральной нервной системы, такие как рассеянный склероз (Т-клетки становятся сенсибилизированными к определенным белкам, таким как миелин, атакуя здоровые клетки и рекрутируя больше иммунных клеток, усугубляя заболевание).

When exposed to infected/dysfunctional somatic cells, TC cells release the cytotoxins perforin, granzymes, and granulysin. Through the action of perforin, granzymes enter the cytoplasm of the target cell and their serine protease function triggers the caspase cascade, which is a series of cysteine proteases that eventually lead to apoptosis (programmed cell death). This is called a "lethal hit” and allows to observe a wave like death of the target cells. Due to high lipid order and negatively charged phosphatidylserine present in their plasma membrane, TC cells are resistant to the effects of their perforin and granzyme cytotoxins. A second way to induce apoptosis is via cell surface interaction between the TC and the infected cell. When a TC is activated it starts to express the surface protein FAS ligand (FasL)(Apo1L)(CD95L), which can bind to Fas (Apo1)(CD95) molecules expressed on the target cell. However, this Fas Fas ligand interaction is thought to be more important to the disposal of unwanted T lymphocytes during their development or to the lytic activity of certain TH cells than it is to the cytolytic activity of TC effector cells. Engagement of Fas with FasL allows for recruitment of the death induced signaling complex (DISC). The Fas associated death domain (FADD) translocates with the DISC, allowing recruitment of procaspases 8 and 10. The transcription factor Eomesodermin is suggested to play a key role in CD8+ T cell function, acting as a regulatory gene in the adaptive immune response. Studies investigating the effect of loss of function Eomesodermin found that a decrease in expression of this transcription factor resulted in decreased amount of perforin produced by CD8+ T cells. During hepatitis B virus (HBV) infection, cytotoxic T cells kill infected cells and produce antiviral cytokines capable of purging HBV from viable hepatocytes. They also play an important pathogenic role, contributing to nearly all of the liver injury associated with HBV infection. Platelets have been shown to facilitate the accumulation of virus specific cytotoxic T cells into the infected liver. In some studies with mice, the injection with CXCR5+CD8+T cells show a significant decrease of HBsAg. Also, an increase of CXCL13 levels facilitated the recruitment of intrahepatic CXCR5+CD8+T cells and, these types of cells produced high levels of HBV specific interferon (IFN) γ and IL 21, which can help to improve the control of chronic HBV infection. Cytotoxic T cells have been implicated in the progression of arthritis. The main involvement of rheumatoid arthritis is its joint involvement. The synovial membrane is characterised by hyperplasia, increased vascularity and infiltration of inflammatory cells; mainly CD4+ T lymphocytes, which are the main organisers of cell mediated immune responses. In different studies, rheumatoid arthritis is strongly linked to major histocompatibility complex (MHC) class II antigens. The only cells in the body that express MHC class II antigens are constitutive antigen presenting cells. This strongly suggests that rheumatoid arthritis is caused by unidentified arthritogenic antigens. The antigen could be any exogenous antigen, such as viral proteins, or an endogenous protein. Recently, a number of possible endogenous antigens have been identified, for example, human cartilage glycoprotein 39, heavy chain binding protein and citrullinated protein. Activated CD4+ T lymphocytes stimulate monocytes, macrophages and synovial fibroblasts to elaborate the cytokines interleukin 1, interleukin 6 and tumour necrosis factor alpha (TNFa), and to secrete metalloproteinases. The first three of which are key in driving inflammation in rheumatoid arthritis. These activated lymphocytes also stimulate B cells to produce immunoglobulins, including rheumatoid factor. Their pathogenic role is unknown, but may be due to complement activation through immune complex formation. Moreover, several animal studies suggest that cytotoxic T cells may have a predominantly proinflammatory effect in the disease. It is also studied that the production of cytokines by the CD8+ cells may accelerate the progresses of the arthritis disease. CD8+ T cells have been found to play a role in HIV infection. HIV over time has developed many strategies to evade the host cell immune system. For example, HIV has adopted very high mutation rates to allow them to escape recognition by CD8+ T cells. They are also able to down regulate expression of surface MHC Class I proteins of cells that they infect, in order to further evade destruction by CD8+ T cells. Studies in a diabetic mouse model showed that CD4+ cells are responsible for the massive infiltration of mononuclear leukocytes into pancreatic islets. However, CD8+ cells have been shown to play an effector role, responsible for the ultimate destruction of islet beta cells. However, in studies with NOD mice carrying a null mutation at the beta 2 microglobulin (B2M) locus and thus lacking major histocompatibility complex class I molecules and CD8+ T cells, it was found that they did not develop diabetes. CD8+ T cells may be necessary to resolve chemotherapy induced peripheral neuropathy (CIPN). Mice without CD8+ T cells show prolonged CIPN compared to normal mice and injection of educated CD8+ T cells resolve or prevent CIPN. Cytotoxic T lymphocytes have been implicated in the development of various diseases and disorders, for example in transplant rejection (cytotoxic T lymphocytes attack the new organ after detecting it as foreign, due to HLA variation between donor and recipient); in excessive cytokine production in severe SARS CoV 2 infection (due to an exaggerated lymphocyte response, a large amount of pro inflammatory cytokines are generated, damaging the subject); inflammatory and degenerative diseases of the central nervous system, such as multiple sclerosis (T cells become sensitised to certain proteins, such as myelin, attacking healthy cells and recruiting more immune cells, aggravating the disease).