И.В. Кудрявцев, А.В. Полевщиков Биолого почвенный факультет Санкт Петербургского государственного университета; НИИ экспериментальной медицины РАМН, Санкт Петербург Эволюция каскада комплемента: ранние этапы
В обзоре литературы проводится анализ ранних этапов эволюции каскада комплемента от иглокожих до костных рыб в сравнении с млекопитающими. Данные литературы указывают, что белки комплемента найдены только у вторичноротых животных. Принципиальной чертой каскада комплемента уже с самых ранних этапов его эволюции становится совмещение функций распознавания патогена, его опсонизации и привлечения фагоцитов. Установление взаимодействия с лектинами и полиморфизм молекулы С3 резко расширили набор распознаваемых паттернов и обеспечили высокую эффективность каскада задолго до появления иммуноглобулинов. Обосновывается, что появление C1q и формирование классического пути активации также предшествовало появлению антител. Возникновение трех путей запуска каскада комплемента можно рассматривать как способ увеличения числа распознаваемых лигандов, подлежащих опсонизации и последующей элиминации путем фагоцитоза. (Цитокины и воспаление. 2005. Т. 4, № 1. С. 11–21.)
Ключевые слова: комплемент, эволюция.
Система комплемента млекопитающих включает не менее 30 компонентов и играет важнейшую роль в защите организма от инвазий различных патогенов. У позвоночных усложнение системы комплемента шло параллельно с повышением общего уровня организации, тканевой дифференцировки и совершенствования реакций врожденного и приобретенного иммунитета. Однако уже у круглоротых (миног и миксин)—низшего таксона ныне живущих позвоночных—система комплемента представлена альтернативным и лектиновым путями, а у эволюционно более продвинутых хрящевых рыб впервые появляется классический путь активации комплемента (рис. 1). Поэтому для анализа процесса становления каскада комплемента, эволюционных причин и механизмов его появления представляется совершенно необходимым обратиться к беспозвоночным животным и уже у них искать начальные этапы становления системы комплемента. Анализ примитивных комплемент подобных каскадов беспозвоночных и низших позвоночных животных может пролить свет на пути зарождения системы комплемента, ее первичные функции, а также взаимосвязи реакций врожденного и приобретенного иммунитета на ранних этапах их становления. Однако наиболее многочисленны работы по изучению каскада комплемента млекопитающих, у которых установлено наличие трех стартовых путей активации (альтернативного, лектинового и классического), приводящих к запуску сборки мембрано атакующего комплекса (МАК), общего для всех трех путей активации [16, 64]. Поэтому основные исследования по данному вопросу проводятся в направлении поиска гомологов или аналогов компонентов трех стартовых каскадов и МАК в различных таксонах позвоночных и беспозвоночных животных. Этот план изложения материалов будет принят и в рамках данного обзора. Активация системы комплемента млекопитающих В настоящее время считается, что из трех путей активации каскада комплемента альтернативный путь, впервые описанный у иглокожих, является наиболее древним (рис. 2).
Рис. 1. Эволюционное древо вторично ротых и распространенность компонентов комплемента в различных таксонах
Позвоночные животные (подтип Vertebrata типа Chordata) принадлежат к группе вторичноротых животных (Deuterostomia), к которым помимо хордовых относятся несколько типов беспозвоночных. Особенный интерес представляют иглокожие (Echinodermata), наиболее близкие к вероятным предкам хордовых, рано обособившиеся от основной ветви эволюции Deuterostomia. Другой филогенетически значимой группой являются асцидии (подтип Tunicata типа Chordata) – низшие хордовые животные, наиболее близкие к предкам современных позвоночных. Амфибии, рептилии, птицы и млекопитающие имеют компоненты комплемента, составляющие все три каскада.
Рис. 2. Три стартовых пути активации комплемента млекопитающих
Здесь и далее по тексту MASP — MBLAssociated Serine Protease, MBL — Mannose Binding Lectin, Bf — фактор В, Df — фактор D, CR — рецепторы комплемента, CRP — Среактивный белок, SAP — сывороточный амилоид Р.
У млекопитающих запуск альтернативного каскада, индуцированный компонентами клеточной стенки бактерий грибов и не связанный с присутствием иммуноглобулиновых молекул, основан на гидролизе тиоэфирной связи в молекуле С3 с формированием активированной формы С3(Н2О), способной к взаимодействию с фактором В. При этом сам фактор В становится доступным для фактора D, который отщепляет от него фактор Ва, а сам диссоциирует от комплекса С3(Н2О)Bb, последний, в свою очередь, обретает свойства С3 конвертазы. Этому же способствует и фактор Р, также присоединяющийся к этому комплексу. Комплекс С3(Н2О)Bb расщепляет молекулы С3 с формированием C3b, которые садятся на мембрану атакуемой клетки, обеспечивая петлю усиления альтернативного каскада через сборку новых комплексов C3bBbP, а также подключение мембрано атакующего комплекса через формирование C5b. Запуск классического пути инициируется взаимодействием С1q компонента с комплексом антиген антитело. Связывание с иммунными комплексами ведет к изменению конформации С1q, который становится доступным для взаимодействия с гомодимерама С1r и C1s. Формирующийся комплекс C1qrs обладает активностью сериновой протеазы, проявляющейся в отношении компонентов С4 и С2. Традиционно все малые протеолитические фрагменты компонентов комплемента обозначаются как «a», в то время как более крупные продукты протеолиза обозначаются как «b». Исключение здесь составляет С2, у которого, в силу исторических причин, наоборот, малый фрагмент нередко обозначается как С2b, в то время как большой—как С2а. Формирующиеся под действием C1qrs фрагменты С4b и С2а составляют комплекс, обладающий собственной протеазной активностью и обозначаемый как С3 конвертаза. Через расщепление С3 происходит опсонизация атакуемой частицы и подключение альтернативного пути, а расщепление С5 означает начало сборки МАК. Образование С3 конвертазы, состоящей из С4bC2a, также наблюдается в результате активации лектинового пути каскада комплемента. Его запуск связан с наличием в сыворотке крови маннозосвязывающего белка (MBL) и фиколинов, относящихся к коллектиновому семейству и способных к взаимодействию с углеводными группировками на поверхности патогенов (см. рис. 2, 3). В циркуляции коллектины находятся в ассоциации с сывороточными сериновыми протеазами MASP1, 2, 3 и Map19 [10]. Вместе они составляют большой комплекс, способный связываться с углеводными группировками на поверхности бактерий и обладающий протеолитической активностью не только в отношеии С4 и С2 компонентов классического пути, но и С3 компонента альтернативного пути активации комплемента [28]. Накопление пула активированных молекул С3 компонента приводит к их взаимодействию с комплексами С4bC2a и С3bBbP и формированию С5 конвертазы. Результатом деятельности любой С5 конвертазы является расщепление фактора С5 на фрагменты С5b и С5а. Для инициации литического каскада ключевое значение имеет С5b, основная функция которого заключается в связывании С6 компонента. Особую стабильность эта связь приобретает в случае фиксации С5 конвертазы на клеточной поверхности. С образования С5b6 начинается сборка МАК на мембране, затем к комплексу присоединяются молекулы С7 и С8. Завершающим этапом литического каскада является присоединение 12–20 молекул С9, которые полимеризуются в плоскости мембраны и образуют нерегулируемый ионный трансмембранный канал. Возникновение и эволюция альтернативного пути Наиболее древним из трех стартовых путей активации каскада комплемента является альтернативный, возникновение которого связано с появлением первых вторичноротых животных. Его становление может быть связано с иглокожими животными, комплементодобная система которых в литературе получила название «археосистемы комплемента». Не исключено, что становление этой археосистемы произошло уже у предков иглокожих (самых первых вторичноротых животных), поскольку у самих иглокожих она существует в сформированном виде. Так или иначе, у иглокожих присутствуют в циркуляции С3 подобные молекулы, несущие тиоэфирный сайт, фактор В подобные молекулы, обладающие протеолитической активностью по отношению к С3, а также, возможно, на поверхности фагоцитирующих клеток имеются рецепторы для продуктов ограниченного протеолиза С3 подобных молекул, обеспечивающих опсонизацию патогенов [49]. С3 компонент. Среди белков всего каскада комплемента ключевую роль играет С3 компонент, вовлеченный во все три начальных пути активации комплемента. С3 принадлежит к ? 2 макроглобулиновому семейству, куда также входят С4 С5 компоненты комплемента и ? 2 макроглобулин. По мнению ряда исследователей [35, 65], родоначальником семейства С3/С4/С5 мог быть ? 2 макроглобулин—сывороточный ингибитор протеаз, гомологи которого обнаружены у некоторых первичноротых животных [5, 23]. Наиболее древним представителем семейства ?2 макроглобулина у вторичноротых является С3 компонент морских ежей, получивший название SpC3 [4]. Данный белок состоит из полипептидных ? и ? цепей, соединенных дисульфидной связью. На ? цепи находятся тиоэфирный сайт GCGEQ и остаток гистидина (принимающий участие в ковалентном связывании данного сайта с аминокислотными или гидроксильными группами на поверхности мишеней), расположенный на расстоянии ~100 аминокислотных остатков по направлению к С концу [48]. Кроме того, были обнаружены сайты, гомологичные участкам связывания С3 и его продуктов с рецепторами CR1 и CR3 человека. На молекуле SpC3 выделены высококонсервативные участки, принимающие участие в образовании С3 конвертазы, и два сайта для расщепления фактором I [4]. Экспрессия гена SpC3 наблюдается исключительно в целомоцитах (циркулирующих клетках целомической жидкости) иглокожих в ответ на стимуляцию бактериальным липополисахаридом [9]. Процент гомологии аминокислотной последовательности SpC3 с компонентами комплемента различных представителей хордовых колеблется в пределах от 23,1 до 27,9 %. У асцидий из циркулирующих гемоцитов и клеток пищеварительной железы был выделен другой гомолог С3 (AsC3), имеющий сходное строение с SpC3, тиоэфирный сайт CGEQ и остаток гистидина в консервативном положении на ? цепи [36]. На N конце ? цепи AsС3 находится последовательность VSR для расщепления сериновой протеазой MASP, что может быть связано с появлением у асцидий не только альтернативного, но и лектинового пути активации комплемента. Особенностью строения С3 ланцетников, помимо типичного для С3 двуцепочечного строения и функционально активного тиоэфирного сайта, является присутствие в его молекуле С3а подобного участка (LXLAR) [56]. Для миног также характерно наличие консервативного С 3а участка, хотя их С3, подобно С4 компоненту млекопитающих, состоит из трех полипептидных цепей: ?, ?, ? [40]. Появление хемоатрактантных свойств у системы комплемента, повидимому, является достаточно древним эволюционным приобретением: в ходе активации С3 асцидий ? цепь расщепляется на два фрагмента [47], причем меньший фрагмент
Рис. 3. Структура молекул MBL и Lфиколина [29] Коллагеновые домены обеих молекул обозначены штрихованными участками, углевод связывающие домены MBL — темносерые, фибриногенподобные домены фиколина — светлосерые.
с ММ ? 8,5 кДа гомологичен С3а млекопитающих и обладает провоспалительными свойствами, вызывая миграцию гемоцитов [42]. При этом у С3 асцидий отсутствует LXLAR последовательность, которая играет ключевую роль в проявлении хемоатрактантных свойств С3а у более высокоорганизованных хордовых. У хрящевых акул [39], а также у костных лососевых и окунеобразных рыб удается обнаружить несколько функционально активных изоформ С3 компонента [34, 53]. Так, уже у радужной форели обнаружено 4 изоформы С3: С31, функционально не активная С32, С33 и С34 [55]. Несмотря на весьма высокий процент гомологии этих изоформ (от 51,5 до 81 %), их сродство к различным субстратам значительно варьирует. Например, С31 обладает наибольшим сродством к зимозану, но не связывается с эритроцитами барана (ЭБ), а С33 и С34, наоборот, не взаимодействуют с зимозаном, но активно опсонизируют тени ЭБ. Аналогично у морского карася выделено 5 изоформ С3, различающихся по молекулярной массе, сайтам гликозилирования, способности к взаимодействию с антителами, а также по аминокислотной последовательности N концов ? и ? цепей и, возможно, по генам [53]. Следствием полиморфизма рыб по С3 является формирование целого репертуара молекул, специфичных к разным лигандам. Одновременно динамика развития специфического иммунного ответа рыб, опосредованного иммуноглобулинами, весьма замедлена, что накладывает ограничения на эффективность антителозависимого лизиса клеток мишеней. Поэтому главная роль в защитных реакциях костных рыб принадлежит альтернативному пути активации комплемента. Фактор В. Вторым компонентом альтернативного пути активации комплемента является сериновая протеаза—фактор В (Bf). Фактор В относится к семейству трипсина и является гомологом С2 компонента. У позвоночных этот белок принимает участие в образовании конвертазы для С3 и С5 [2]. Среди вторичноротых животных фактор В впервые появляется у морских ежей (SpBf) [49]. Подобно Вf позвоночных, аминокислотная последовательность SpBf включает несколько доменов. Фактор Bf морских ежей содержит 5 повторов Суши, домен, гомологичный фактору Виллебранта, и протеазный домен AGY типа. Повторами Суши, или SCR последовательностями (short consequence repeats), называют участки, состоящие из 60–70 аминокислот, содержащие 4 остатка цистеина. Кроме того, имеется сайт Arg378 — Lys379, аналогичный последовательности для связывания фактора D— сериновой протеазы позвоночных, но сведения о существовании самого фактора D у иглокожих отсутствуют. Особенностью строения фактора В асцидий, помимо пяти повторов Суши, является наличие трех доменов, гомологичных рецепторам для липопротеинов низкой плотности [35]. Среди белков системы комплемента подобные домены характерны и для фактора I, ответственного за расщепление С3b и обнаруженного у акул [58], а также для компонентов МАК позвоночных [18]. У низших позвоночных—миног—фактор В несет три повтора Суши, и его ген находится в одном кластере с антигенами МНС III класса [41]. Подобная структура и локализация характерна для двух генов Bf акул [59] и фактора В млекопитающих [2]. У костных рыб фактор В (как и С3 компонент комплемента) может быть представлен несколькими изоформами [32]. Например, у радужной форели удалось выделить две формы Bf Bf1 и Bf2, имеющие 75 % гомологии [54]. В присутствии С3, фактора D и Mg2+ обе эти молекулы подвергаются ограниченному протеолизу и способны к активации альтернативного каскада, а фактор Bf2 запускает и классический путь. Концентрация Bf2 у рыб примерно в 10 раз превышает концентрацию Вf у человека, в то время как Bf1 является минорным компонентом сыворотки рыб. По мнению авторов, общий предок Bf/C2 мог принимать участие в активации как классического, так и альтернативного путей каскада комплемента, выполняя функции С2 и Bf, что свидетельствуют о ведущей роли альтернативного каскада в защитных реакциях низших позвоночных [54]. До сих пор остается нерешенным вопрос о взаимодействии изоформ фактора В с изоформами С3. Третьим компонентом археосистемы комплемента являются рецепторы для С3 на фагоцитах. Литература дает основания предполагать наличие на целомоцитах морских ежей рецептора CR3 для C3bi и CR1—для C3b [6]. К тому же ингибиторы комплемента человека способны устранять опсонизирующее действие целомической жидкости морских ежей [7]. Но данные о гомологии аминокислотной последовательности найденных рецепторов и CR млекопитающих отсутствуют. У асцидий также обнаружены CR3 и CR4подобные рецепторы, отнесенные к интегриновому семейству. Фагоцитарная реакция гемоцитов асцидий подавляется антителами к интегриновым рецепторам, ЭДТА и антителами к глюкозо связывающему белку (GBP)—активатору лектинового пути каскада комплемента асцидий [31, 47]. Следовательно, наиболее древним среди всех трех путей активации комплемента является альтернативный путь, и его изначальной функцией была опсонизация патогенов, как это показано для иглокожих [49], асцидий [36], а также миног и миксин [37]. В пользу исходной опсонизирующей функции каскада комплемента свидетельствует и наличие хематтрактантных свойств продуктов ограниченного протеолиза компонентов археокомплемента [35, 42]. Обретение литической функции этого каскада, связанное с появлением МАК у рыб, привело к становлению альтернативного каскада комплемента в его современном понимании. Возникновение и эволюция лектинового пути Повидимому, лектиновый путь также изначально выполнял функцию опсонизации и впервые появился у других представителей беспозвоночных—асцидий. Однако существенную трудность в анализе собственно лектинового пути представляет его тесное переплетение с компонентами классического пути. Различие между этими двумя путями фактически основано на наличии MBL, MASP1 и 2 белков в лектиновом пути и C1q, C1r и С1s в классическом пути, причем белки семейства MASP и С1r и C1s являются гомологами, а MBL и C1q имеют очень сходный план строения молекулы. Для анализа лектинового пути особый интерес представляют коллектины, к которым относятся MBL и фиколины (см. рис. 3). Эти молекулы объединяет наличие коллагенового домена, цепи которого объединены цистеинбогатым доменом, и 4–6 распознающих доменов, а также участие в опсонизации патогенов через взаимодействие с рецепторами фагоцитов [57]. Коллектины циркулируют в виде комплекса с сериновыми протеазами, либо взаимодействуют с ними после связывания с лигандами, что и запускает лектиновый путь комплемента (табл. 1). Считается, что в основании семейства сериновых протеаз MASP1/MASP2/C1r/C1s лежит один предковый ген (табл. 2) [65]. На роль такого предшественника могут претендовать MASPa и MASPb асцидий, гомологичные MASP1 млекопитающих, структура которого является наиболее полной [17]. Этот же тип MASP найден и у ланцетника [11]. У круглоротых впервые появляется сериновая протеаза, которая положила начало группе MASP 2 позвоночных [12, 27]. В результате дальнейшей дупликации этого гена у рыб и наземных позвоночных появляются протеазы C1r и C1s [33, 35]. Возможно, что у костных рыб произошло разделение на сериновые протеазы лектинового (MASP1, 2) и классического (C1r/s) путей. При этом нельзя исключить, что у костных рыб эти молекулы принимают участие в обоих путях каскада комплемента, как это было показано для Bf/C2 подобных молекул форели [54]. Помимо MBL сериновые протеазы MASP взаимодействуют с другими лектинами (см. табл. 1). Так, лектин GBL асцидий, родственный MBL, при связывании с зимозаном формирует комплекс GBLMASPa, способный активировать С3, что приводит к усилению фагоцитарной активности гемоцитов через гомологи CR3 и CR4 млекопитающих [31]. У хрящевых и костных рыб появляются дополнительные компоненты лектинового и классического путей—С4 [51, 25] и Bf/C2 подобные молекулы [65], а у костных рыб—еще и С5 [13]. У этих групп животных также происходит обретение литической функции каскадом комплемента. Возникновение и эволюция классического пути Ключевым моментом, определившим становление классического пути и его отличие от альтернативного и лектинового путей, является возникновение субкомпонентов C1q, C1r, C1s, поскольку по всем остальным компонентам классический путь ничем не отличается от эволюционно более раннего лектинового пути. Классический путь комплемента запускается в присутствии антигенспецифических антител либо белков пентраксинового семейства, ассоциированных с лигандами [2]. С1q млекопитающих состоит из 6 субъединиц, в состав каждой из которых водят цепи А, В и С типов.
Таблица 1 Лектины, принимающие участие в активации каскада комплемента
В собранном виде структура данной молекулы получила название «букета тюльпанов», причем «ствол» образован переплетенными спиралями коллагено подобных участков субъединиц, а шесть расходящихся «ветвей» и их окончания представлены глобулярными доменами. Именно последние принимают участие в связывании с тяжелыми цепями иммуноглобулинов [43]. За взаимодействие с СН2 доменом ? цепи IgG отвечает лишь небольшой участок В цепи глобулярного домена C1q [14]. Участки, ответственные за связывание C1q с СН3 доменом µ цепи IgM, вероятно, находятся на С цепи C1q [22], а С реактивный белок (CRP) и сывороточный амилоид Р (SAP) комплексируются с А и В цепями C1q, причем взаимодействие с В цепью происходит по остаткам, отличным от сайтов связывания IgG [14]. Кроме того, С1q способен напрямую садиться на бактериальные клеточные стенки E. coli и Klebsiella pneumoniae, запуская классический каскад в отсутствие антител [43]. На поверхности клеток миелоидного ряда, эндотелия сосудов и кровяных пластинок млекопитающих найдены рецепторы для C1q, получившие обозначение C1qR [22].
Таблица 2 Общая характеристика MASP хордовых [11, 12, 27, 33]
Примечание. АЦ — активный центр сериновой протеазы; АК — аминокислота. В наиболее общем случае сериновая протеаза MASP состоит из Н и Lцепей, соединенных дисульфидной связью, которая после активации разрывается. На Н цепи остаются два повтора Суши, а также домен, гомологичный эпидермальному фактору роста. На L цепи расположен сайт, включающий остатки His, Asp и Ser, придающий всей молекуле свойства сериновой протеазы [12]. Все сериновые протеазы MASP по нуклеотидной последовательности серина активного центра разделяются на типы TCN и AGY, где N это любой из четырех нуклеотидов, в то время как Y это цитидин или тимин. Эти сериновые протеазы MASP, важные для анализа эволюции каскада комплемента, также различаются между собой по ряду других признаков. У млекопитающих и ланцетника также выделяют протеазу MASP3, которая является результатом альтернативного сплайсинга MASP1 [11].
У позвоночных животных возникновение С1q компонента [50], равно как и молекул иммуноглобулинового суперсемейства, способных к активации классического пути и опсонизации патогенов с помощью Fc рецепторов, связано с хрящевыми рыбами [30]. Точная структура С1q акул остается малоизученной, есть основания предполагать наличие как минимум двух типов цепей, которые имеют 50% ную гомологию с А и В цепями млекопитающих. При анализе аминокислотной последовательности концевых глобулярных доменов С1q акул было показано, что их организация напоминает структуру глобулярных доменов С1q млекопитающих, но не MBL [50]. Структура C1q во всех таксонах от костных рыб до птиц остается неизученной. Что касается возникновения C1r и C1s субкомпонентов, то их эволюционная связь с сериновыми протеазами семейства MASP, точнее протеазой MASP2 (см. табл. 2), не вызывает сомнений [38]. Гораздо труднее определить момент возникновения C1r и C1s. С одной стороны, у круглоротых и хрящевых рыб найдена только протеаза MASP2. С другой стороны, у карпа, относящегося к костным рыбам, уже выделены примитивные формы сериновых протеаз C1r/s [33]. При этом эффекты комплекса C1qrs ничем принципиально не отличаются от эффектов комплекса MBLMASP1MASP2. Все дальнейшие этапы лектинового и классического путей совпадают. Однако при анализе структуры молекулы C1q можно заметить некоторые аспекты, которые не имеют однозначного решения как с точки зрения становления каскада комплемента, так и в связи с эволюцией факторов врожденного и приобретенного иммунитета в целом. Так, труднообъяснимым является факт наличия и сохранения в процессе эволюции в молекуле C1q именно шести «ветвей», в то время как в молекуле наиболее древнего класса IgM имеется только пять потенциальных участков для посадки C1q. Факт возникновения гексагональной молекулы C1q у акул можно объяснить либо наличием шести сайтов связывания у каких либо древних лигандов C1q, либо его гомологией с MBL, чему пока не удается найти свидетельств в литературе. На роль древних «посадочных площадок» для C1q могут претендовать пентраксины CRP и SAP (см. табл. 1) [45, 46]. Более того, у хрящевых рыб сывороточные концентрации пентамерного и мономерного IgM весьма низки [1]. Напротив, CRP и SAP у акул являются одними из главных белков сыворотки крови, а факт отрицательной связи их концентраций с концентрациями IgM давно привлек внимание исследователей [61]. При этом эволюционно очень древний CRP часто сам рассматривается в качестве протоантитела с заданной лигадной специфичностью и является классическим примером индуцибельного фактора врожденного иммунитета [3]. Однако против этой гипотезы говорит тот факт, что с одной молекулой пентраксинов связывается только одна из шести «ветвей» C1q [14]. Гомология C1q и MBL также способна объяснить шестилучевую симметрию молекулы C1q. При этом обе гипотезы косвенно свидетельствуют в пользу независимого от антител становления молекулы C1q и, следовательно, всего классического пути активации комплемента. Похоже, что C1q был способен осуществлять опсонизацию и лизис патогенов еще до возникновения молекул антител. Иными словами, тесная взаимосвязь между антителами некоторых изотипов и каскадом комплемента представляется одним из поздних эволюционных приобретений, а причина появления иммуноглобулинов как факторов приобретенного гуморального иммунитета в этой связи представляется несколько иной, чем их наиболее изученное и демонстративное участие в противо инфекционной защите. Однако анализ этой проблемы может стать предметом самостоятельного обзора. Литический каскад системы комплемента Необходимым условием для инициации сборки МАК является наличие С5 компонента комплемента, который к настоящему моменту выделен у млекопитающих и костных рыб [13]. Данный белок состоит из ? и ? цепей, но, в отличие от С3, тиоэфирный сайт ? цепи не активен. Под действием С3/С5конвертаз, образовавшихся в результате активации любого из трех стартовых каскадов, С5 расщепляется на два фрагмента— С5а и С5b, из которых первый обладает хемотактической активностью, а второй несет сайт для связывания компонентов литического каскада. По некоторым данным, С5а подобная активность обнаружена в плазме круглоротых [44] и акул [50], однако вопрос о присутствии у этих животных молекул, гомологичных С5 млекопитающих, остается открытым. С фиксации на поверхности клеткимишени С5b начинается формирование литического комплекса, состоящего из С6С9 компонентов. Считается, что перфорин и С6/С7/С8/С9 компоненты комплемента произошли от одного общего предшественника, причем дупликация генов, возможно, имела место еще до расхождения головохордовых (ланцетников) и позвоночных (рис. 4) [56]. При этом у ланцетников пока найден только С6 компонент. Принимая во внимание, что у ланцетников также найдены только MASP и С3 компоненты, остается неясным, является ли С6 родоначальником семейства С6С9, либо эти белки имели независимое происхождение от перфорина, либо находка остальных белков у ланцетника является вопросом времени.
Рис. 4. Доменная организация генов МАС [56]
TSP — тромбоспондинподобный домен, LDLRA — домен, гомологичный рецептору липопротеинов низкой плотности типа А, МАС/Р — общий сегмент для компонентов МАК и перфорина, EGF — домен, гомологичный эпидермальному ростовому фактору, SCR — повторы Суши, FIM — домен, гомологичный фактору I. Компоненты С6С9 формируют отдельное семейство молекул, гомологичных перфорину — порообразующему белку цитотоксичных лимфоцитов и NKклеток. Все они включают общий сегмент МАС/Р, входящий в состав перфорина и мембрано атакующего комплекса, а также домены, гомологичные тромбоспондину, рецептору для липопротеинов низкой плотности, эпидермальному фактору роста [15].
Гомологи С8 и С9 найдены уже у хрящевых и костных рыб [50, 18]. У всех позвоночных, от костных рыб до млекопитающих, составляющих единую линию эволюции, С8 компонент состоит из ?, ? и ? цепей [18]. При этом гомология аминокислотной последовательности ? цепи в пределах класса костных рыб составляет около 72 %, а с ? цепью млекопитающих—47 % [19]. В пределах той же эволюционной линии С9 компонент состоит из одной полипептидной цепочки, хотя у рыб на С конце молекулы имеется дополнительный тромбоспондин подобный домен (см. рис. 4) [18]. При контакте С9 с фосфолипидами плазматической мембраны клетки мишени происходит его полимеризация и образование поры, проницаемой для ионов и воды. При исследовании МАК форели выяснилось, что диаметр поры примерно на 30 % меньше, чем у млекопитающих [60], что дает основание предполагать сборку в один поровый комплекс меньшего, чем у млекопитающих, числа С9. Регуляция системы комплемента Развитие столь эффективной системы элиминации патогенов шло параллельно с выработкой способов и систем защиты организма от случайной или неуправляемой активации каскада. В наиболее полном виде система ингибиторов представлена у млекопитающих. Например, такие сывороточные ингибиторы как факторы Н и I, С4b связывающий белок (C4bp) оказывают прямое действие на протеиназы, вызывая диссоциацию С3/С5 конвертазы. Для защиты поверхности собственных клеток также имеются мембранные белковые регуляторы (фактор, ускоряющий распад (DAF)—CD55, мембранный кофакторный белок (MCP)—CD46, протектин—CD59), которые предотвращают посадки терминальных компонентов литического каскада на поверхность мембраны [16]. Большинство ингибиторов (CD46, CD55, фактор Н, С4 bp, а также CD35—рецептор CR1) несут в своем составе SCR последовательности и формируют семейство белков регуляторов активности комплемента—RCA [24]. Другими регуляторами активности комплемента являются галектины (лектины S типа, специфически связывающие галактозу), обнаруженные уже у асцидий, которые способны связывать CR3 и регулировать его активность [62]. У миног выделен мембранный белок, гомологичный протектину, который связывает С9 и блокирует аутолиз клеток хозяина [44]. Но ключевое место в негативной регуляции всех трех путей активации занимает ингибирование сборки С3/С5 конвертазы. Диссоциация комплекса C3bBb ускоряется в присутствии фактора Н, который вытесняет Bb, а также является кофактором при расщеплении ? цепи С3 фактором I [52]. Белок С4bp ускоряет диссоциацию С2а от комплекса C4bC2a. Иногда их свойства совмещаются в одном белке, что описано для форели, камбалы и одного из видов окуней [20, 65]. Отличительной чертой этих белков, которые могут быть общими предшественниками всех RCA белков, является наличие множества (до 17) повторов Суши (SCR). Другой ингибитор, фактор I, к настоящему времени выделен только у акул, амфибий и млекопитающих. Его структура консервативна во всех трех классах и включает домены, гомологичные рецепторам для липопротеинов низкой плотности, шесть остатков цистеина и некоторые другие признаки [58].
Заключение
На основании анализа ранних этапов возникновения и эволюции каскада комплемента можно отметить ряд новых аспектов данной проблемы, позволяющих по новому взглянуть на причины появления и функции этого важнейшего компонента врожденного иммунитета. Данные литературы указывают, что белки комплемента найдены только у вторичноротых животных, в то время как первичноротые беспозвоночные имеют иные аналогичные, но не гомологичные белковые каскады, выполняющие ряд общих функций с каскадом комплемента. Принципиальной новизной каскада комплемента уже с самых ранних этапов его эволюции становится совмещение функций распознавания патогена, его опсонизации и привлечения фагоцитов, реализуемого за счет продуктов ограниченного протеолиза молекулы опсонина. Поэтому уже у иглокожих наряду с опсонином С3, который может быть связан в своем происхождении с семейством ?2 макроглобулина, появляется и специфичный к нему фермент— фактор В, берущий свое начало от ферментов семейства трипсина. Наличие даже этой пары белков дает уникальную возможность каскадной амплификации ответа, равно как и формирования хематтрактантов, что, несомненно, ускоряет элиминацию патогена. На эволюционную ценность возникшей системы археокомплемента указывает не только ее сохранение во всех более высокоорганизованных таксонах вторичноротых животных, но и появление новых компонентов комплемента и установление взаимосвязей с другими молекулами, вовлеченными в защитные реакции, например, с лектинами на примере коллектинов (MBL, GBL, фиколины). Это позволило резко расширить набор распознаваемых паттернов, повысить эффективность каскада, а также обеспечить возможность регуляции его активности на разных этапах. На тесную взаимосвязь археокомплемента с системой фагоцитов указывает факт появления на клетках специфических рецепторов для компонентов данной системы на ранних этапах эволюции, как это показано уже на гемоцитах асцидий. Полиморфизм компонентов комплемента, установленный на примере С3, свидетельствует, что на ранних этапах эволюции каскада параллельно развивалось несколько путей увеличения числа распознаваемых лигандов, что можно рассматривать как альтернативу взаимодействию компонентов комплемента с лектинами и другими паттерн распознающими факторами врожденного иммунитета. Особый интерес представляет и тот факт, что полиморфизм С3 показан для хрящевых и костных рыб—таксонов, для которых достоверно установлено наличие циркулирующих молекул иммуноглобулинового семейства. Следовательно, эволюция распознающих способностей компонентов комплемента продолжалась, несмотря на появление лектинового пути активации и даже молекул антител. В этой связи возникновение трех путей запуска каскада комплемента можно рассматривать как еще один способ увеличения числа распознаваемых лигандов, подлежащих опсонизации и последующей элиминации путем фагоцитоза. Поэтому появление компонентов мембрано атакующего комплекса, сложившегося не ранее, чем у рыб, а также возникновение антителозависимого лизиса следует рассматривать как весьма поздние с эволюционной точки зрения приобретения, ставшие развитием исходной опсонизирующей и хематтрактантной функций. В дальнейшем в ходе параллельной эволюции компонентов комплемента в пределах разных каскадов активации сформировались и новые свойства, например регуляторные функции при развитии воспалительной реакции, а также взаимосвязь реакций врожденного и приобретенного иммунитета [8].
Таким образом, анализ эволюции каскада комплемента позволяет утверждать, что процесс фагоцитоза и возникшая как необходимое дополнение к нему система опсонинов и хематтрактантов в виде каскада комплемента были ключевыми факторами врожденного иммунитета, направленного против внешних патогенов, сложившегося и эффективно функционировавшего задолго до возникновения системы приобретенного иммунитета, на что указывал еще И.И. Мечников.
ЛИТЕРАТУРА
1. Галактионов В.Г. Очерки эволюционной иммунологии. — М.: Наука, 1995. — 256 с.
3. Назаров П.Г., Софронов Б.Н. Среактивный белок в системе иммунорегуляции // Иммунология. — 1986. — № 4. — С. 12–18.
4. Al Sharif W.Z., Sunyer J.O., Lambris J.D., Smith L.C. Sea Urchin Coelomocytes Specifically Express a Homologue of the Complement Component C3 // J. Immunol. — 1998. — Vol. 160. — P. 2983–2997.
5. Armstrong P.B., Quigley J.P. ?2 macroglobulin: an evolutionarily conserved arm of the innate immune system // Dev. Comp. Immunol. — 1999. — Vol. 23. — P. 375–390.
6. Bertheussen K. Receptors for complement on echinoid phagocytes. II. Purified human complement mediates echinoid phagocytosis // Dev. Comp. Immunol. — 1982. — Vol. 6. — P. 635–642.
7. Bertheussen K. Complementlike activity in sea urchin coelomic fluid // Dev. Comp. Immunol. — 1983. — Vol. 7. — P. 21.
8. Carroll M.C., Prodeus А.Р. Linkages of innate and adaptive immunity // Current Opinion in Immunology. — 1998. — Vol. 10. — P. 36–40.
9. Clow L.A., Gross P.S., Shih C.S., Smith L.C. Expression of SpC3, the sea urchin complement component, in response to lipopolysaccharide // Immunogenetics. — 2000. — Vol. 51. — P. 1021–1033.
10. Cseh S., Vera L., Matsushita M. et al. Characterization of the interaction between Lficolin/P35 and mannanbinding lectinassociated serine proteases 1 and 2 // J. Immunol. — 2002. — Vol. 169. — P. 5735–5743.
11. Endo Y., Nonaka M., Saiga H. et al. Origin of mannosebinding lectin associated serine protease (MASP1 and MASP3) involved in the lectin complement pathway traced back to the invertebrate, amphioxus // J. Immunol. — 2003. — Vol. 170. — P. 4701–4707.
12. Endo Y., Takahashi M., Nakao M. et al. Two lineages of mannosebinding lectin associated serine protease (MASP) in vertebrates // J. Immunol. 1998. — Vol.161. — P. 4924–4930.
13. Franchini S., Zarkadis I.K., Sfyroera G. et al. Cloning and purification of the rainbow trout fifth component of complement (C5) // Dev. Comp. Immunol. — 2001. — Vol. 25. — P. 419–430.
14. Gaboriaud C., Juanhuix J., Gruez A. et al. The crystal structure of the globular head of complement protein C1q provides a basis for its versatile recognition properties // J. Biol. Chem. — 2003. — Vol. 278. — P. 46974–46982.
15. Hobart M.J., Fernie B.A., DiScipio R.G. Structure of the human C7 gene and comparison with the C6, C8a, C8b, and C9 genes // J. Immunol. — 1995. — Vol.154. — P. 5188–5194.
16. Janeway Ch., Travers P., Walport M., Capra J.D. Immunobiology: the immune sys tem in health and disease. — 4th ed. — Current Biology Ltd. — 1999. — 740 p.
17. Ji X., Azumi K., Sasaki M., Nonaka M. Ancient origin of the complement lectin pathway revealed by molecular cloning of mannan binding proteinassociat edserine protease from a urochordate, theJapanese ascidian, Halocynthia roretzi // PNAS. — 1997. — Vol. 94. — P. 6340–6345.
18. Katagiri T., Hirono I., Aoki T. Molecular analysis of complement component C8beta and C9 cDNAs of Japanese flounder, Paralichthys olivaceus // Immuno genetics. — 1999. — Vol. 50. — P. 43–48.
19. Kazantzia A., Sfyroera G., Holland M.C.H. et al. Molecular cloning of the в sub unit of complement component eight of rainbow trout // Dev. Comp. Immunol. — 2003. — Vol. 27. — P. 167–174.
20. Kemper C., Zipfel P.F., Gigli I. The complement cofactor protein (SBP1) from the barred sand bass (Paralabrax nebulifer) mediates overlapping regulatory activities of both human C4b binding protein and factor H // J. Biol. Chem. — 1998. — Vol. 273. — P. 19398–19404.
21.Kenjo A., Takahashi M., Matsushita M. et al. Cloning and Characterization of Novel Ficolins from the Solitary Ascidian, Halocynthia roretzi // J. Biol. Chem. — 2001. — Vol. 276. — P. 19959–19965.
23. Kopaek P., Weise C., Saravanan T. et al. Characterization of an ?2 macroglobu linlike glucoprotein isolated from the plasma of soft tick Ornithodoros mouba> ta // Eur. J. Biochem. — 2000. — Vol. 267. — P. 465–475.
24. Krushkal J., Bat O., Gigli I. Evolutionary relationships among proteins encoded by the regulator of complement activation gene cluster // Mol. Biol. Evol. — 2000. — Vol. 17. — P. 1718–1730.
25. Kuroda N., Naruse K., Shima A. et al. Molecular cloning and linkage analysis of complement C3 and C4 genes of the Japanese medaka fish // Immunogenet ics. — 2000. — Vol. 51. — P. 117–128.
26.Lund V., Olafsen J.A. A comparative study of pentraxinlike proteins in different fish species // Dev. Comp. Immunol. — 1998. — Vol. 22. — P. 185–194.
27. Matsushita M., Endo Y., Nonaka M., Fujita T. Complementrelated serine proteases in tunicates and vertebrates // Current Opinion in Immunology. — 1998. — Vol. 10. — P. 29–35.
28. Matsushita M., Endo Y., Fujita T. Cutting edge: complementactivating complex of ficolin and mannosebinding lectinassociated serine protease // J. Immu nol. — 2000. — Vol. 164. — P. 2281–2284.
29. Matsushita M., Endo Y., Hamasaki N., Fujita T. Activation of the lectin complement pathway by ficolins // Int. Immunopharm. — 2001. — Vol. 1. — P. 359–363.
30. McKinney E.C., Flajnik F.M. IgMmediated opsonization and cytotoxicity in the shark // J. Leukoc. Biol. — 1997. — Vol. 61. — P. 141–146.
31. Miyazawa S., Azumi K., Nonaka M. Cloning and characterization of integrin ? subunits from the solitary ascidian, Halocynthia roretzi // J. Immunol. — 2001. — Vol. 166. — P. 1710–1715.
32. Nakao M., Fushitani Y., Fujiki K. et al. Two diverged complement factor B/C2 like cDNA sequences from a teleost, the common carp (Cyprinus carpio) // J. Im munol. — 1998. — Vol. 161. — P. 4811–4818.
33. Nakao M., Mutsuro J., Nakahara M. et al. Expansion of genes encoding complement components in bony fish: biological implications of the complement diversity // Dev. Comp. Immunol. — 2003. — Vol. 27. — P. 749–762.
34. Nakao M., Yano T. Structural and functional identification of complement components of the bony fish, carp (Cyprinus carpio) // Immunol. Rev. — 1998. — Vol. 66. — P. 27–38.
35. Nonaka M. Evolution of the complement system // Current Opinion in Immunology. — 2001. — Vol. 13. — P. 69–73.
36. Nonaka M., Azumi K., Ji X. et al. Opsonic complement component C3 in the solitary ascidian, Halocynthia roretzi // J. Immunol. — 1999. — Vol. 162. — P. 387–391.
37. Nonaka M., Fujii T., Kaidoh T. et al. Purification of a lamprey complement pro tein homologous to the third component of the mammalian complement sys tem // J. Immunol. — 1984. — Vol.133. — P. 3242–3249.
38. Nonaka M., Miyazawa S. Evolution of the initiating enzymes of the complement system // Genome Biology. — 2001. — Vol. 3. — P. 1001.1–1001.5.
39.Nonaka M., Smith S.L. Complement system of bony and cartilaginous fish // Fish Shellfish Immunol. — 2000. — Vol. 10. — P. 215–228.
40.Nonaka M., Takahashi M. Complete complementary DNA sequence of the third component of complement of lamprey. Implication for the evolution of thioester containing proteins // J. Immunol. — 1992. — Vol. 148. — P. 3290–3295.
41. Nonaka M., Takahashi M., Sasaki M. Molecular cloning of a lamprey homologue of the mammalian MHC class III gene, complement factor B // J. Immunol. — 1994. — Vol. 152. — P. 2263–2269.
42.Raftos D.A., Robbins J., Newton R.A., Nair S.V. A complement component C3a like peptide stimulates chemotaxisby hemocytes from an invertebrate chordate — the tunicate, Pyura stolonifera // Comp. Biochem. Physiol. Part A. — 2003. — Vol. 134. — P. 377–386.
43. Reid K.B.M., Colomb M.G., Loos M. Complement component C1 and collectins: parallels between routes of acquired and innate immunity // Immunol. Today. — 1998. — Vol. 19. — P. 56–59.
44. dos Remedios N.J., Ramsland P.A., Hook J.W., Raison R.L. Identification of a homologue of CD59 in a cyclostome: implications for the evolutionary development of the complement system // Dev. Comp. Immunol. — 1999. — Vol. 23. — P. 1–14.
45. Robey F.A., Liu T. Synthesis and use of new spin labeled derivatives of phosphorylcholine in a comparative study of human, dogfish, and Limulus Creac tive proteins // J. Biol. Chem. — 1983. — Vol. 258. — P. 3895–3900.
46. Robey F.A., Tanaka T., Liu T. Isolation and characterization of two major serum proteins from the dogfish, Mustelus canis, Creactive protein and amyloid P component // Biol. Chem. — 1983. — Vol. 258. — P. 3889–3894.
47. Sekine H., Kenjo A., Azumi K. et al. An ancient lectindependent complement system in an ascidian: novel lectin isolated from the plasma of the solitary ascidian, Halocynthia roretzi // J. Immunol. — 2001. — Vol. 167. — P. 4504–4510.
48. Smith L.C. Thioester function is conserved in SpC3, the sea urchin homologue of the complement component C3 // Dev. Comp. Immunol. — 2002. — Vol. 26. — P. 603–614.
49. Smith L.C., Shin C.S., Dachenhausen S.G. Coelomocytes express SpBf, a homo logue of factor B, the second component in the sea urchin complement system // J. Immunol. — 1998. — Vol. 161. — P. 6784–6793.
50. Smith S.L. Shark complement: an assessment // Immunol. Rev. — 1998. — Vol. 166. — P. 67–78.
51.Smith S.L., Jensen J.A. The second component (C2n) of the nurse shark complement system: purification, physicochemical characterization and functional comparison with guinea pig C4 // Dev. Comp. Immunol. — 1986. — Vol. 10. — P. 191–206.
52. Soames C.J., Sim R.B. Interaction between human complement components fac tor H, Factor I and C3b // Biochem. J. — 1997. — Vol. 326. — P. 553–561.
53. Sunyer J.O., Tort L., Lambris J.D. Structural C3 diversity in fish: characterization of five forms of C3 in the diploid fish Sparus aurata // J. Immunol. — 1997. — Vol. 158. — P. 2813–2821. 54. Sunyer J.O., Zarkadis I., Sarrias M.R. et al. Cloning, structure, and function of two rainbow trout Bf molecules // J. Immunol. — 1998. — Vol. 161 — P. 4106–4114.
55. Sunyer J.O., Zarkadis I.K., Sahu A., Lambris J.D. Multiple forms of complement C3 in trout that differ in binding to complement activators // PNAS. — 1996. — Vol. 93. — P. 8546–8551. 56. Suzuki M.M., Satoh N., Nonaka M. C6like and C3like molecules from the ceph alochordate, amphioxus, suggest a cytolytic complement system in invertebrates // J. Mol. Evol. — 2002. — Vol. 54. — P. 671–679.
57. Tenner A.T. Membrane receptors for soluble defense collagens // Current Opinion in Immunology. — 1999. — Vol. 11. — P. 34–41.
58. Terado T., Nonaka M.I., Nonaka M., Kimura H. Conservation of the modular structure of complement factor I through vertebrate evolution // Dev. Comp. Immunol. — 2002. — Vol. 26. — P. 403–413.
59. Terado T., Okamura K., Ohta Y. et al. Molecular cloning of C4 gene and identifi cation of the class III complement region in the shark MHC // J. Immunol. — 2003. — Vol. 171. — P. 2461–2466.
60.Tomlinson S., Stanley K.K., Esser A.F. Domain structure, functional activi ty, and polymerization of trout complement protein C9 // Dev. Comp. Im munol. — 1993. — Vol. 17. — P. 67–76.
61. Vasta G.R. Invertebrates lectins, Creactive protein and serum amyloid — struc tural relationships and evolution // Defence Molecules. New Series. — Vol. 121. — Los Angeles: Alan R. Liss Inc., 1990. — P. 183–199.
62. Vasta G.R., Quesenberry M., Ahmed H., O’Leary N. Ctype lectins and galectins me diate innate and adaptive immune functions: their roles in the complement ac tivation pathway // Dev. Comp. Immunol. — 1999. — Vol. 23. — P. 401–420.
63. Wallis R., Drickamer K. Molecular determinants of oligomer formation and complement fixation in mannosebinding proteins // J. Biol. Chem. — 1999. — Vol. 274. — P. 3580–3589.
64. Walport M.J. Complement. First of two parts // N. Engl. J. Med. — 2001. — Vol. 344. — P. 1058–1066. 65. Zarkadis I.K., Mastellos D., Lambris J.D. Phylogenetic aspects of the complement system // Dev. Comp. Immunol. — 2001. — Vol. 25. — P. 745–762.
Complement evolution: early stages I.V. Kudryavtsev, A.V. Polevschikov Faculty of Biology and Soil Sciences, St. Petersburg State University; Institute of Experimental Medicine of the Russian Academy of Medical Sciences, St. Petersburg
In the review the evolution of early stages of complement system from Echinoderms to Teleosts is discussed. The literature data suggest that the complement components are found only in the Deuterostom branch of animals. The principle feature of complement organization from the earliest steps of evolution was combining of pathogen recognition, its opsonization and phagocyte attracting functions. Interactions with lectins and C3 polymorphisms dramatically increased the number of recognizing patterns and supplied high efficacy of the cascade before immunoglobulin appearance. It is postulated that appearance of C1q and classic pathway formation preceded antibody emergency. The origin of three complement activation pathways could be considered as a way of enhancement of recognized ligands number for their opsonization and elimination by phagocytosis. (Cytokines and Inflammation. 2005. Vol. 4, № 1. P. 11–21.)
