(Нобелевская премия. «ХиЖ» 2025 №11)
Нобелевская премия по физиологии и медицине будет вручена Мэри Брункоу, Фредерику Рамсделлу (США) и Симону Сакагути (Япония) за «открытия, касающиеся периферической иммунной толерантности». Точнее, за открытие регуляторных Т-клеток, которые, в отличие от других Т-клеток, не занимаются истреблением инфекции или опухоли, а следят, чтобы само это истребление не стало опасным для организма — модулируют силу иммунного ответа.
«Вымышленные персонажи иммунологии»
В крови есть клетки трех типов: эритроциты, тромбоциты и лейкоциты. Не менее четверти клеток нашего тела — эритроциты, которые транспортируют кислород от легких ко всем тканям организма и везут обратно углекислый газ. Но они не особенно интересные: по сути, просто мешочки с гемоглобином, в зрелых эритроцитах даже ядра нет. Тромбоциты, при всей их необходимости в аварийных ситуациях, — просто маленькие кусочки, отрывающиеся от клеток-породителей.
А вот лейкоциты, они же белые кровяные клетки, сложны и многообразны, как население большого города. Их задачи — защита организма от патогенов и удаление всего, что нужно удалить, например, опухолевых клеток или останков разрушенных клеток. Для решения этих задач они проходят обучение и отбор, образуют альянсы, подают друг другу сигналы, чтобы координировать работу, или пускаются на провокации, хранят приобретенную информацию (иногда десятилетиями) и делают еще много удивительного.
Клетки иммунной системы часто сравнивают с людьми (например, с сотрудниками полицейского управления, среди которых есть аналитики и не склонные к рефлексии патрульные с дубинками, юные стажеры и опытные детективы…). Но корректнее было бы сравнение с микроскопическими роботами, которые точно не обладают разумом и все же делают поразительно сложные вещи благодаря программам, заложенным в ДНК. История Нобелевской премии 2025 года — про одну из разновидностей этих клеток и расшифровку некоторых программ.
Одна из групп лейкоцитов — лимфоциты, клетки, которые отвечают за специфический иммунный ответ на определенные антигены, то есть Т-клетки и В-клетки. (К лимфоцитам также относят «естественные киллеры» — natural killer cells, NK-клетки, но о них как-нибудь в другой раз.) Другие клетки иммунной системы в тонкости не вдаются — просто пожирают все чужое и разрушенное, или сами разрушают клетки попавшего в организм паразита, или выделяют вещества, провоцирующие реакцию других иммунных клеток, либо активные формы кислорода — спасайся кто может. Т- и В-лимфоциты замечательны тем, что они избирательно нацелены на конкретный вражеский антиген — определенный участок зубца «короны» коронавируса, гемагглютинин вируса гриппа или один из белков арахиса, вызывающих аллергию. Арахис нам не враг, а скорее друг, орехи полезны и питательны, но если он по ошибке попадет в черный список — реакция на него будет как на врага.
В статье о новом российском препарате против болезни Бехтерева (см. «Химию и жизнь» 2024 №6) мы разобрались, откуда в организме берутся Т- и В-клетки, распознающие каждый из огромного множества антигенов, даже те, которых пять лет назад и в природе не было, как, например, белки коронавируса SARS-CoV-2. Никакой геном не вместит такого разнообразия, но комбинаторика — страшная сила. Гены рецепторов (поверхностных белков, нацеленных на антигены) формируются в ходе созревания Т- и В-клеток путем комбинирования кодирующих участков. Получается огромное количество вариантов — теоретически их может быть больше 10 в 15-й степени, квадриллион с чем-то. Достаточно, чтобы противостоять всему враждебному миру.
У млекопитающих В-клетки созревают в костном мозге, а Т-клетки — в тимусе. В процессе созревания происходит еще одно важное событие — развивается иммунная толерантность. Если рецепторы формируются путем комбинаторики, то среди них неизбежно оказываются те, которые способны распознавать собственные белки организма, а это может привести к аутоиммунному заболеванию. Такие Т- и В-клетки не выходят в кровоток, потому что погибают от апоптоза. Все или почти все.
Никакой контроль не бывает идеальным: самому мирному социуму нужны правоохранительные органы, самым лучшим писателям не повредит редактор. Механизм уничтожения иммунных клеток, реагирующих на свои антигены, называется «центральной иммунной толерантностью». Но что, если он пропустит какой-то Т- или В-лимфоцит или же клетка, активированная антигеном бактерии, начнет по ошибке нападать на похожие антигены собственных клеток? (В частности, вероятно, что именно так начинается болезнь Бехтерева.)
На этот случай у организма есть еще один рубеж обороны — периферическая иммунная толерантность. Специальные клетки, которые тоже созревают в тимусе и затем патрулируют организм во избежание полицейских злоупотреблений.
С В-лимфоцитами все понятно: они производят антитела, распознающие чужеродные молекулы (и такие же Y-образные молекулы служат им рецепторами, очень удобно). У Т-лимфоцитов рецепторы антигенов неразветвленные, но по сути такие же. Однако что происходит после распознавания мишени, что дальше делает Т-клетка? Смотря какая.
Когда наше поколение готовилось поступать на биологические и медицинские факультеты, полагалось говорить, что Т-лимфоциты бывают трех видов: Т-киллеры, уничтожающие зараженные и раковые клетки; Т-хелперы, которые соответственно помогают Т-киллерам, В-лимфоцитам и прочим клеткам иммунной системы, и Т-супрессоры, которые тормозят излишне сильный иммунный ответ. Но пока мы учились, буквально на наших глазах тема Т-супрессоров увяла. В 1990-е годы выходили даже научные статьи с заголовками вроде «Хелперы и супрессоры: о вымышленных персонажах в иммунологии». С Т-хелперами было все в порядке, чего нельзя сказать о Т-супрессорах. В университете я по иммунологии не специализировалось, и что с ними было не так, узнала только после объявления нобелевских лауреатов 2025 года.
CD-коды лимфоцитов
Симон Сакагути, заслуженный профессор Университета Осаки и почетный профессор университета Киото, работал в различных научных центрах Японии и США. Фред Рамсделл — в настоящее время научный консультант Sonoma Biotherapeutics, Мэри Брункоу — старший менеджер программ по генетике в Институте системной биологии (Сиэтл), а на рубеже тысячелетий они оба работали в одной биотехнологической компании. Интересно, что биография Мэри Брункоу в основном связана с компаниями, а не с фундаментальными исследованиями, — довольно редкий случай среди нобелиатов.
Сейчас в научной литературе Т-хелперы чаще называют CD4+ T-клетками, а Т-киллеры, они же цитотоксические клетки, — CD8+ T-клетками; это означает, что на их поверхности есть соответственно белки CD4 и CD8. (Помните, как во время пандемии специалисты спорили, какая вакцина лучше, и ключевым аргументом «против» было: «Да ладно, она активирует только CD4+ T, CD8+ T не растут!» В переводе с иммунологического: у человека, привитого этой недостаточно хорошей вакциной, не появятся цитотоксические лимфоциты, которые уничтожат зараженные клетки и окончательно расправятся с инфекцией.) Однако не все клетки с CD4 — Т-хелперы и не все клетки с CD8 — Т-киллеры.
Ну и кому от этого стало лучше, спросит небиолог, зачем выразительные прозвища киллеров и хелперов заменили цифробуквенными кодами? Эти коды позволяют их различать более надежно и точно.
Лейкоциты, при всем огромном разнообразии их ролей в организме, внешне довольно похожи, одно слово — белые кровяные клетки. Классическая иммунология различала их по таким чудесным признакам, как «имеют сегментированное ядро» или «окрашиваются в фиолетовый цвет, ядро крупное и округлое». На самом деле это были тонкие и проницательные наблюдения, но хотелось бы маркеров, четко связанных с функцией. Как мы поймем, что клетка — киллер, а не хелпер, если она не убила ни одной клетки, пока мы смотрим?
Люди тоже довольно похожие, и лица не очень помогают определить, чем они занимаются. Но мы узнаём, кто есть кто в толпе, по набору внешних признаков и по обстоятельствам встречи. Например, человек с мощным ноутбуком последней модели может быть и ученым, которому ноутбук нужен для работы, и дочкой богатых родителей, у которой таких еще три. Человек с большим гаечным ключом может быть и ремонтником, и грабителем. Чтобы понять, кто перед нами, надо смотреть на другие признаки и обстоятельства. Если у человека с ноутбуком толстовка с гербом университета, вы видите его на конференции по биоинформатике, и он идет в комнату для докладчиков — точно ученый. А если человек показывает вам гаечный ключ в темном переулке, то он, возможно, не ремонтник.
Такими внешними признаками для лейкоцитов стали белки CD, от английского cluster of differentiation, или cluster designation, по-русски обычно «кластер дифференцировки». Эту систему предложили в 1982 году на конференции в Париже, посвященной проблемам распознавания лейкоцитов человека. Исследователи начали идентифицировать поверхностные белки лейкоцитов (а потом и других клеток) и обозначать их буквами CD и числом. Это могут быть рецепторные белки, на которые садятся сигнальные молекулы, или лиганды, с помощью которых клетки «общаются» друг с другом, или белки с какими-то другими функциями. Сейчас CD больше 400; «короткие номера», которые получили CD4+ и CD8+ T-клетки, говорят о том, что CD4 и CD8 были описаны одними из первых. (И да, эти белки связаны с их функцией: они участвуют во взаимодействии с антигенами, которые предъявляют Т-лимфоцитам другие клетки.)
Так вот, комбинации CD-белков под теми или иными номерами на поверхности клетки позволяют нам определить, с кем мы имеем дело. Помогают и обстоятельства, например, «этих клеток полным-полно в тимусе» или «их концентрация в крови выросла, когда человек заболел гриппом».
Но как идентифицировать молекулы белков? Можно «окрасить» клетку антителами к определенному белку, несущими цветную или флуоресцентную метку. (Препараты, содержащие идентичные молекулы антител к интересующему антигену — так называемые моноклональные антитела, в отличие от пестрой смеси поликлональных антител, которые присутствуют, например, в крови, — научились получать в середине 1970-х гг., общедоступными лабораторными инструментами они стали в 1980-е.) Сейчас есть еще более изящные способы. Например, можно модифицировать ген белка в геноме мыши таким образом, чтобы он всегда и с самого начала нес метку, или даже прочитать все РНК в отдельной клетке (сортировать живые клетки по группам и отбирать из них единичные теперь тоже можно) и понять, какие поверхностные белки она для себя строит. Но эти способы были доступны не всегда.
То, что существует приобретенная иммунная толерантность, было известно еще в середине XX века. Например, если корова вынашивает двух телят с разными группами крови и клетки одного попадают в организм другого, у них нет иммунной реакции на антигены «чужой» группы, хотя должна быть, как и у людей. То же наблюдалось, когда в эмбрион мыши вводили клетки другой линии мышей: после этого первой мыши можно было пересаживать кожный лоскут от мыши второй линии, и отторжения не происходило. Но каков механизм? Может быть, Т-клетки в этом случае не получают какого-то дополнительного сигнала для активации? Или антигенпрезентирующие клетки как-то по-особому показывают им те антигены, на которые больше не надо нападать? Или есть особый тип клеток, которые запрещают им это делать?
Клетки, в которые никто не верил
В 1970-х и начале 1980-х годов иммунология была клеточной, а не молекулярной. Ученые смешивали в пробирках различные популяции Т-клеток и В-клеток и наблюдали, как изменяется продукция антител к антигену в той или иной смеси. Если количество антител падало, добавленные клетки (о которых знали далеко не всё, а иногда почти ничего) называли «супрессорами». А если добавление третьего типа клеток восстанавливало выработку антител, эти клетки спокойно называли «контрсупрессорами». На этом этапе возникло представление о том, что супрессорные клетки — особая разновидность CD8+ Т-клеток, так что CD8+ клетки в тогдашней картине мира лимфоцитов были киллерами либо миротворцами.
Однако в начале и середине 1980-х годов исследования супрессорных Т-клеток вышли из моды. Их скомпрометировали методологически слабые работы и отсутствие доказательств, данные об их существовании не подтвердились. Удалось получить «в чистом виде» CD4+ Т-хелперы и цитотоксические CD8+ Т-клетки, продемонстрировать их характерные свойства, но никаких Т-супрессоров никто найти не мог. «С приходом молекулярной иммунологии клеточная иммунология стала восприниматься как примитивная черная магия…» — писал в 2002 году один из комментаторов, разбирая свежую статью Симона Сакагути и соавторов, которая, как мы увидим, изменила эту картину. — «Для тех из нас, кто преподает иммунологию студентам-медикам, Т-супрессоры были позором, который мы смягчали фразой: “Никто больше не верит в эти клетки”».
Но Симон Сакагути с коллегами верили. Точнее, считали обоснованным предположение, что существует подтип Т-клеток, который тормозит опасный иммунный ответ, что эти клетки обладают определенными свойствами и что их можно изолировать.
Сакагути работал в Исследовательском институте онкологического центра Аичи в Нагое, в лаборатории Ясуаки Нисидзуки. Ранее в этой лаборатории удаляли тимус у новорожденных мышат. Еще в 1960-е годы было показано, что удаление тимуса сразу после рождения вызывает у мыши тяжелый иммунодефицит и нехватку клеток иммунной системы. Однако, если тимус удаляли мышатам в возрасте трех дней, результат был парадоксальным: их иммунная система оказывалась чрезмерно агрессивной, у животных развивались аутоиммунные заболевания. В начале 1980-х годов Сакагути ввел мышам без тимуса зрелые Т-клетки от генетически идентичных мышей. И снова парадокс: Т-клетки защищали мышей от аутоиммунных заболеваний.
Этот и другие подобные результаты убеждали Сакагути в том, что «Т-супрессоры», чем бы они ни были, существуют. Ему с коллегами удалось показать, что мышат с удаленным на третий день тимусом можно спасти от аутоиммунных реакций, если ввести им клетки здоровых мышей с определенными поверхностными маркерами CD. Моноклональные антитела тогда еще не были широкодоступными, но, как только они появились, стало намного проще фракционировать клетки по дополнительным CD. Наконец в работе, результаты которой были опубликованы в 1995 году, ученые из Осаки установили, что те самые клетки — это CD4+ T-лимфоциты, несущие также поверхностный маркер CD25, альфа-цепь рецептора интерлейкина-2. (То есть в переводе с языка CD — умеющие распознавать антигены и чувствительные к интерлейкину-2, небольшому белку из семейства регуляторов иммунитета, который участвует как в иммунном ответе, так и в формировании иммунной толерантности.)
Когда мышам с удаленным на третий день жизни тимусом вводили смесь CD4+ клеток, обедненную CD4+ CD25+ T-клетками, у них по-прежнему развивались аутоиммунные поражения тимуса, желудочно-кишечного тракта, суставов и других органов. Но когда им вводили клетки именно этого подтипа, патологий не было. CD4+ CD25+ T-клетки назвали «регуляторными Т-клетками», видимо, чтобы не возвращаться к позорящим иммунологию Т-супрессорам.
Интересный факт: в те же 1980-е годы специалисты по трансплантации органов Брюс Холл и Сьюзен Дорш из Австралии установили, что отторжение донорского сердца у мышей подавляется в присутствии CD4+ CD25+ T-клеток. Как ни странно, иммунология при трансплантации и исследования иммунной толерантности в то время мало пересекались, и действие этих клеток в нормальных условиях не было изучено — шанс на Нобелевскую премию пропал.
Но реальность вечно все портит: CD25 присутствовал и на обычных Т-клетках, активированных для иммунного ответа. И оставался неустановленным конкретный механизм, с помощью которого часть Т-клеток так резко меняет свою специальность. Загадку разгадали Мэри Брункоу и Фредерик Рамсделл.
Паршивые мыши Манхэттенского проекта
История этого открытия начинается в 1940-х годах, в Национальной лаборатории Ок-Риджа, штат Теннесси, знаменитого секретного «атомного города», производственной площадки Манхэттенского проекта. Там не только производили плутоний из урана, но также изучали неблагоприятное воздействие радиации на живые организмы. Персонал лаборатории обратил внимание на мутацию у мышей, которая получила название scurfy («паршивые»). Самцы этой линии рождались с шелушащейся кожей, сильно увеличенными селезенкой и лимфатическими узлами, страдали от серьезных аутоиммунных нарушений и жили всего несколько недель. Мутация была летальной для самцов, но не для самок, что позволяло разводить мутантную линию. Также было понятно, что мутантный ген локализован в Х-хромосоме; самки мышей, имеющие две Х-хромосомы, оставались жизнеспособными, если мутация была только в одной.
Мэри Брункоу и Фред Рамсделл работали в американском филиале британской биотехнологической компании Celltech Chiroscience в Ботхелле (штат Вашингтон), которая разрабатывала препараты против аутоиммунных заболеваний. Их заинтересовала мутация scurfy, и они начали выяснять, в каком гене она находится.
Поиск гена с мутацией в 1990-е годы был нетривиальной задачей. Длина Х-хромосомы мыши — около 170 млн пар нуклеотидов, секвенирование стоило дорого, полный геном мыши был получен только в 2002 году. Различными хитроумными способами Брункоу и Рамсделл с коллегами сузили область, которая могла содержать мутацию scurfy, до полумиллиона пар нуклеотидов и установили, что в ней находится всего только 20 потенциальных генов. Они поочередно проверяли каждый, и мутация, конечно, оказалась в двадцатом («то, что вы ищете, всегда найдется в самом последнем месте»). Вставка двух лишних нуклеотидов в ген приводила к появлению преждевременного стоп-кодона и к синтезу укороченного дефектного белка.
Ранее этот ген не был описан, но он был похож на уже известные гены семейства белков FOX (forkhead box). Это транскрипционные факторы — белки, которые регулируют активность других генов, влияющих на рост, деление и дифференцировку клеток, а также на продолжительность жизни животных. Поэтому исследователи назвали новый ген Foxp3. Этот результат был опубликован в 2021 году.
В том же году Брункоу и Рамсделл с коллегами выявили причину редкого тяжелого врожденного заболевания у людей — Х-сцепленного синдрома иммунной дисрегуляции (IPEX). Симптомы напоминали те, что наблюдались у манхэттенских мышей, и ученые предположили, что эта болезнь у человека вызывается мутацией в гене, подобном мышиному Foxp3 (человеческий ген был описан как раз в это время). Исследователи обратились к детским врачам из разных стран, специализирующимся по этому заболеванию, получили образцы ДНК мальчиков с IPEX и обнаружили у них мутации в FOXP3 (человеческие гены пишут заглавными буквами, чтобы отличать их от мышиных).
Оставалось собрать вместе фрагменты картинки. Симон Сакагути, а затем и другие исследователи доказали, что ген FOXP3 контролирует развитие регуляторных CD4+ CD25+ Т-клеток, управляя активностью необходимых генов. Мутации в FOXP3 могут привести к исчезновению периферической иммунной толерантности и к аутоиммунным патологиям. Александр Руденский, американский биолог российского происхождения, показал в 2003 году, что инактивация Foxp3 у мышей вызывает фенотип, подобный scurfy. Этот ген оказался тем самым ключевым элементом, который превращает Т-клетку в регуляторную Т-клетку.
Итак, нобелевские лауреаты 2025 года выяснили, что помимо центральной иммунной толерантности есть периферическая — особый подтип клеток предотвращает развитие аутоиммунной реакции «на местах». Это не только борьба с аутоиммунными болезнями, но и нормальное вынашивание беременности (плод — это просто огромное количество чужих для матери антигенов) и приживление трансплантированных органов.
Вопросы еще остаются, например, о том, как определяется судьба регуляторной Т-клетки в тимусе во время отбора. В самом деле, какие клетки, распознающие собственные антигены организма, надо уничтожить, а какие назначить регуляторными, чтобы они подавляли иммунные реакции против «своего» антигена? Известно, что это зависит от аффинности (силы связывания с мишенью). Но только ли от этого?
Лекарство из лимфоцитов
Возможности медицинского применения регуляторных Т-клеток очевидны. Можно подавлять с их помощью нежелательные иммунные реакции против собственных тканей либо трансплантата. Можно также отключать их активность, чтобы они не мешали иммунной системе бороться с раком.
При аутоиммунных заболеваниях у пациента стимулируют продукцию регуляторных Т-клеток, например, вводя им интерлейкин-2 (белок CD25, характерный для Treg, как раз и является субъединицей его рецептора). Проводятся эксперименты по размножению регуляторных Т-клеток вне организма с последующим возвращением в организм пациента. (В одном из клинических исследований с помощью таких клеток лечат атопический дерматит.) В некоторых случаях исследователи модифицируют Т-клетки, чтобы они направлялись в определенный орган, который надо защитить от атак иммунной системы. Сейчас проводится более 200 клинических исследований, в которых регуляторные Т-клетки являются лекарством или мишенью.
Правда, пока еще ни одна терапия на основе модифицированных или просто размноженных вне организма регуляторных Т-клеток не получила разрешения, в отличие от CAR T-клеточной терапии рака. Одна из причин — этих клеток в крови относительно мало, и они неохотно растут в культуре. Совсем недавно журнал Science Translational Medicine опубликовал статьи Симона Сакагути с соавторами, в которых описано получение регуляторных Т-клеток из обычных CD4+ T-клеток, вызывающих иммунную реакцию. Эти Т-клетки проще выделить, они лучше размножаются вне организма. В экспериментах на мышах японские исследователи уже сняли с их помощью симптомы аутоиммунных заболеваний, а также получили индуцированные регуляторные клетки из Т-клеток людей с аутоиммунным заболеванием.
Индуцированные регуляторные Т-клетки, полученные по предложенному японскими авторами протоколу, долго сохраняли защитные свойства, чего раньше не удавалось добиться — регуляторные клетки переставали быть регуляторными через несколько дней. Но главная прелесть этой идеи в том, что Т-клетки из крови пациента нацелены как раз на те антигены, реакцию на которые надо подавить. Причина болезни превращается в терапевтическое средство. Этот подход можно использовать даже при идиопатических заболеваниях, когда неизвестно, какой антиген вызывает иммунную реакцию, подчеркивают авторы.
Таким образом, открытия лауреатов 2025 года — это новые фундаментальные знания о регуляции и контроле иммунной системы, о том, как наш организм балансирует между слишком слабым и слишком сильным иммунным ответом. С одной стороны — рак и инфекции, с другой — мучительные аутоиммунные заболевания, невынашивание беременности и прочие беды. Сохранять этот баланс нам помогают регуляторные Т-клетки — естественные, а в будущем, вероятно, к ним присоединятся и полученные специально для лечения.
Е. Клещенко
Купить номер или оформить подписку на «Химию и жизнь»: https://hij.ru/kiosk2024/
Благодарим за ваши «лайки», комментарии и подписку на наш канал
– Редакция «Химии и жизни»