Естественные киллеры

Активация NK-клетки отсутствием комплекса MHC-I на инфицированной клетке

Есте́ственные ки́ллеры^[1], также натура́льные ки́ллеры^[2], NK-кле́тки^[1] (англ. Natural killer cells, NK cells), — тип цитотоксических лимфоцитов, участвующих в функционировании врождённого иммунитета. Функционально NK-клетки аналогичны цитотоксическим T-лимфоцитам (T-киллерам) адаптивного иммунитета позвоночных. NK-клетки обеспечивают ответ на заражение внутриклеточными бактериями и вирусами, уничтожая инфицированные клетки, а также принимают участие в работе противоопухолевого иммунитета. В отличие от других иммунных клеток, NK-клетки распознают заражённые клетки без участия главного комплекса гистосовместимости (MHC) на их мембране, а также антител, благодаря чему ответ, опосредуемый NK-клетками, является очень быстрым^[3][4].

Общая характеристика

NK-клетки являются одной из трёх линий клеток, наряду с T- и B-клетками, которые происходят от общей клетки-предшественника лимфоидных клеток. NK-клетки дифференцируются и созревают в костном мозге, лимфатических узлах, селезёнке, миндалинах и тимусе, откуда они выходят в кровоток^[5]. На долю NK-клеток приходится от 5 % до 15 % мононуклеарных клеток в кровотоке и селезёнке. В других лимфоидных органах зрелых NK-клеток немного, но они в больших количествах присутствуют в печени и эндометрии матки. NK-клетки, находящиеся в кровотоке, представляют собой крупные (10—12 мкм в диаметре) лимфоциты с многочисленными азурофильными гранулами в цитоплазме. Как и другие клетки врождённого иммунитета, NK-клетки не экспрессируют многочисленные рецепторы антигенов, как T- и B-клетки. Вместо этого на поверхности NK-клеток присутствуют рецепторы, позволяющие им узнавать инфицированные клетки без участия MHC, причём гены рецепторов NK-клеток не претерпевают перестроек во время дифференцировки клеток. Среди клеток крови NK-клетки можно отличить по экспрессии гликопротеина CD56 и отсутствию маркера T-клеток CD3. У человека большая часть NK-клеток, находящихся в крови, также экспрессируют CD16, благодаря которому они распознают клетки, покрытые антителами^[4][1].

Выделяют две популяции NK-клеток, которые различаются по функциям и соотношению мембранных маркеров: CD56^hiCD16^- и CD56^loCD16⁺ клетки, где hi и lo обозначают высокий и низкий уровень экспрессии маркера соответственно. NK-клетки, слабо экспрессирующие CD56, преобладают в кровотоке (на их долю приходится от 90 % до 95 % NK-клеток крови), а NK-клетки с высокой экспрессией CD56 преобладают в печени, лимфатических узлах, эндометрии матки и децидуальной^[англ.] оболочке плода. Клетки популяции CD56^loCD16⁺ обладают выраженной цитотоксичностью и мало секретируют цитокины, а клетки популяции CD56^hiCD16^-, напротив, активно секретируют интерферон γ (INF-γ) и другие цитокины^[6]. Показано, что NK-клетки печени могут принимать участие в контроле фиброза печени^[7][8].

Функции

Главные функции NK-клеток заключаются в уничтожении клеток, заражённых вирусами или внутриклеточными бактериями, а также в продукции INF-γ, который активирует макрофаги и запускает разрушение фагоцитированных ими клеток микроорганизмов. Механизм цитотоксичности NK-клеток напоминает таковой у T-киллеров. Как и T-киллеры, NK-клетки содержат цитоплазматические гранулы, в состав которых входят белки, убивающие клетки-мишени. При активации NK-клеток эти гранулы подвергаются экзоцитозу и высвобождают своё содержимое во внеклеточное пространство вблизи клеток-мишеней. Один из белков, входящих в гранулы NK-клеток, перфорин, облегчает вход в клетку-мишень других белков из гранул, которые называют гранзимами^[англ.]. Гранзимы представляют собой ферменты из группы сериновых протеаз, которые запускают в клетке-мишени каскад сигнальных путей, в конечном счёте приводящих к гибели инфицированной клетки путём апоптоза. Перфорин является аналогом терминального компонента системы комплемента C9^[англ.] и полимеризуется в мембране клетки-мишени, образуя поры. Помимо перфорина и гранзимов, гранулы NK-клеток содержат амины (гистамин, серотонин), протеогликаны (хондроитинсульфат, гепарин), катехоламины (адреналин, норадреналин), ферменты (катепсины, химотрипсинподобные протеазы, кислые фосфатазы) и некоторые пептидные гормоны. В зрелых гранулах в связанной с липидами форме содержатся гранулизины^{[англ.][9][1]}.

Убивая заражённые клетки, NK-клетки уничтожают резервуары инфекции в организме. На ранних стадиях вирусной инфекции происходит экспансия (размножение) NK-клеток, их активация под действием интерлейкинов IL-12^[англ.] и IL-15, благодаря чему NK-клетки начинают быстро уничтожать заражённые клетки ещё до того, как активируются T-киллеры. NK-клетки также играют важную роль на поздних стадиях вирусной инфекции, убивая те заражённые клетки, которые избежали уничтожения T-киллерами, снизив экспрессию MHC I класса^[англ.] (MHC-I). NK-клетки могут убивать и злокачественные клетки, которые часто не экспрессируют MHC-I на достаточном уровне, чтобы быть распознанными другими лимфоцитами^[9].

В процессе цитолиза, вызываемом NK-клетками, выделяют несколько стадий. На первой стадии NK-клетка распознаёт клетку-мишень и образует с ней контакт. На второй стадии NK-клетка активируется, и на третьей стадии она запускает сигнальные каскады, которые приводят к гибели клетки-мишени на четвёртой стадии. Контакт между клеткой-мишенью и NK-клеткой является иммунологическим синапсом, причём для установления контакта необходимы ионы магния. При формировании иммунологического синапса происходит взаимодействие молекул адгезии, а затем активирующих и ингибирующих рецепторов NK-клеток с их лигандами на поверхности клетки-мишени. При взаимодействии рецепторов с лигандами происходит активация NK-клеток, в результате которых содержимое гранул NK-клеток попадает в клетку-мишень. После этого этапа предотвратить апоптоз клетки-мишени уже невозможно, даже если разорвать её контакт с NK-клеткой^[10].

INF-γ, продуцируемый NK-клетками, повышает способность макрофагов убивать поглощённые ими бактерии. Такую же роль выполняет и INF-γ, секретируемый T-клетками. Благодаря взаимодействию NK-клеток и макрофагов иммунной системе удаётся сдерживать инфекцию, вызванную внутриклеточной бактерией (например, Listeria monocytogenes^[англ.]) в течение нескольких дней или недель до того момента, пока в борьбу не включатся T-клетки. INF-γ, продуцируемый NK-клетками, находящимися в лимфоузлах, запускает дифференцировку наивных T-клеток в T-хелперы T_H1. У человека некоторые NK-клетки вовсе не экспрессируют CD16 и не имеют цитотоксических свойств, однако продуцируют большое количество INF-γ. Малое количество NK-клеток повышает уязвимость организма к инфекциям, вызванным вирусами или внутриклеточными бактериями. У мышей, лишённых T-клеток, NK-клетки могут сдерживать развитие таких инфекций в течение некоторого времени, однако без T-клеток животные всё равно умирают^[9].

Хотя NK-клетки принято считать компонентом врождённого иммунитета, они обладают рядом свойств, характерных для клеток адаптивного иммунитета — T- и B-клеток. Так, отдельные популяции NK-клеток могут претерпевать быструю экспансию или сокращение численности, кроме того, NK-клетки образуют особую форму иммунологической памяти, благодаря которой их ответ на повторное вторжение патогена становится более стремительным, чем при первичном контакте^[11][12]. У мышей были описаны NK-клетки памяти, возникшие после заражения мышиным цитомегаловирусом, благодаря которым развивается адаптивный ответ NK-клеток^[13]. NK-клетки памяти обнаруживаются в печени, селезёнке, лёгких, почках, лимфоидных органах и кровотоке^[2]. У человека в случае инфекций, вызванных такими вирусами, как цитомегаловирус человека, Orthohantavirus, вирус Чикунгунья, ВИЧ, а также при вирусных гепатитах удалось продемонстрировать явление экспансии популяции NK-клеток, несущих активирующий рецептор NKG2C^[англ.] (KLRC2)^[14]. Адаптивные NK-клетки, обладающие этим рецептором, могут использовать его непосредственно для связывания с пептидными антигенами человеческого цитомегаловируса и далее претерпевать активацию, экспансию и дифференцировку, что ранее было описано только у T-клеток^[15].

Рецепторы

Ингибирующий и активирующий сигналы в NK-клетках

Функционирование NK-клеток регулируется балансом сигналов, поступающих от активирующих рецепторов и ингибирующих рецепторов. Эти рецепторы распознают определённые молекулы на поверхности других клеток и запускают активирующий или ингибирующий сигналы, которые активируют NK-клетки или подавляют их соответственно. Активирующие рецепторы стимулируют протеинкиназы, которые фосфорилируют дальнейших участников активирующего сигнального каскада, а ингибирующие рецепторы, напротив, запускают фосфатазы, противодействующие киназам. Активирующие рецепторы распознают лиганды на инфицированных клетках, которые необходимо уничтожить, а ингибирующие рецепторы распознают лиганды на поверхности нормальных клеток, которые не подлежат уничтожению. Конечный итог взаимодействия NK-клетки с другой клетки определяется тем, какой сигнал перевесит — активирующий или ингибирующий. Активирующие и ингибирующие рецепторы, экспрессируемые NK-клетками, весьма разнообразны даже в пределах одного организма, благодаря чему NK-клетки могут распознавать клетки, инфицированные разными патогенами. Гены, кодирующие рецепторы NK-клеток, демонстрируют выраженный полиморфизм^[англ.], поэтому репертуар рецепторов в одном организме сильно отличается от такового у другого организма^[9].

Цитоплазматические «хвосты» активирующих и ингибирующих рецепторов содержат структурные мотивы^[англ.], которые связаны с активацией или подавлением сигнальных путей, приводящих к секреции цитокинов и активации или подавлению цитотоксичности соответственно. Активирующие рецепторы содержат мотивы, известные как ITAMs^[англ.] (от англ. immunoreceptor tyrosine-based activation motifs). ITAMs содержат остатки тирозина, которые фосфорилируются киназами при связывании лиганда с активирующим рецептором. Фосфорилированные ITAMs привлекают к себе другие киназы, которые благодаря этому активируются и фосфорилируют другие белки, что в конечном счёте приводит к запуску цитотоксической программы и секреции цитокинов. ITAMs содержатся в цитоплазматических «хвостах» и других рецепторов иммунных клеток. У некоторых активирующих рецепторов и внеклеточная лиганд-связывающая часть, и ITAMs входят в состав одной полипептидной цепи, а у других ITAMs входят в состав отдельной полипептидной цепи. Ингибирующие рецепторы содержат в цитоплазматической части мотивы ITIMs^[англ.] (от англ. immunoreceptor tyrosine-based inhibition motifs). Эти мотивы активируют молекулы, блокирующие сигнальные пути, запускаемые активирующими рецепторами. Когда ингибирующий рецептор связывается с лигандом, то остатки тирозина в составе ITIMs фосфорилируются, что активирует фосфатазы, дефосфорилирующие некоторые сигнальные белки и липиды, фосфорилированные в ходе активирующего каскада. В результате активирующий сигнал блокируется. Как и ITAMs, ITIMs, помимо ингибирующих рецепторов NK-клеток, встречаются в других рецепторах иммунных клеток^[16].

Активирующие рецепторы

Активирующие рецепторы распознают широкий спектр лигандов, некоторые из которых присутствуют и на поверхности нормальных клеток, однако большинство из них уникальны для инфицированных и злокачественных клеток. Одна из многочисленных групп активирующих рецепторов NK-клеток называется KIRs^[англ.] от англ. killer cell immunoglobulin-like receptors, поскольку они содержат в своём составе иммуноглобулиновый домен. Другая важная группа активирующих рецепторов относится к числу лектинов типа C и, как все лектины, обладает способностью связывать углеводные фрагменты. Некоторые активирующие рецепторы могут связываться с молекулами MHC-I, что больше свойственно ингибирующим рецепторам, и функциональное значение взаимодействия активирующих рецепторов с MHC-I неизвестно. Активирующий рецептор NKG2D связывает белки, похожие на MHC-I, которые имеются только у инфицированных и злокачественных клеток, но не нормальных клеток. Другой активирующий рецептор NK-клеток, CD16 (также известный как FcγRIIIA), обладает слабым сродством к антителам класса IgG. Благодаря этому рецептору NK-клетки могут взаимодействовать с клетками, покрытыми антителами (этот путь действия NK-клеток называют цитотоксичностью, опосредованной антителами)^[17].

Ингибирующие рецепторы

Большинство NK-клеток экспрессируют ингибирующие рецепторы, которые распознают молекулы MHC-I, присутствующие на поверхности всех нормальных здоровых клеток, имеющих ядро. Чаще всего клетки, инфицированные вирусами или внутриклеточными патогенами, перестают экспрессировать MHC-I. Рецепторы NK-клеток, распознающие MHC-I, фундаментально отличаются от T-клеточных рецепторов, взаимодействующих с MHC-I. Самые многочисленные ингибирующие рецепторы NK-клеток относятся к группе KIRs и распознают широкий спектр молекул MHC I класса. Многие ингибирующие рецепторы являются лектинами (например, гетеродимерный рецептор CD94/NKG2A). Третьим по многочисленности семейством ингибирующих рецепторов NK-клеток является LIRs (от англ. leucocyte immunoglobulin-like receptors). Эти рецепторы, как и KIRs, имеют иммуноглобулиновый домен и связываются с молекулами MHC-I, но с меньшим сродством, чем KIRs. LIRs больше экспрессируются B-клетками, чем NK-клетками^[18].

История изучения

NK-клетки стали первыми описанными и наиболее хорошо изученными лимфоидными клетками врождённого иммунитета. Открытие уникальной группы лимфоцитов, имеющих «естественную» или «спонтанную» цитотоксичность (отсюда название «естественные киллеры»), у мышей было сделано Рольфом Кисслингом (англ. Rolf Kiessling и Хью Проссом (англ. Hugh Pross) в 1975 году^[19], а у человека их открыли Хью Просс и Майкл Джондал (англ. Mikael Jondal) в том же году^[20][21]. В 1980 году NK-клетки удалось изолировать с помощью градиентного центрифугирования^[англ.] и впервые изучить с помощью микроскопии^[22].

Клиническое значение

NK-клетки являются привлекательными объектами для использования в иммунотерапии рака. Некоторые особенности NK-клеток делают их более перспективными в иммунотерапии онкологических заболеваний по сравнению с T-клетками. При введении NK-клеток почти исключается развитие реакции «трансплантант против хозяина^[англ.]», кроме того, NK-клетки практически не оказывают цитотоксического действия на нормальные клетки, что снижает вероятность побочных эффектов иммунотерапии. Однако получить NK-клетки в достаточном для терапии количестве очень сложно, что значительно затрудняет их применение в медицинских целях^[2].

Примечания

1. Ярилин, 2010, с. 149.
2. Боробова Е. А., Жеравин А. А. Натуральные киллеры в иммунотерапии онкологических заболеваний // Сибирский онкологический журнал. — 2018. — Т. 17, № 6. — С. 97—104. — doi:10.21294/1814-4861-2018-17-6-97-104. Архивировано 23 марта 2020 года.
3. Vivier E., Raulet D. H., Moretta A., Caligiuri M. A., Zitvogel L., Lanier L. L., Yokoyama W. M., Ugolini S. Innate or adaptive immunity? The example of natural killer cells. (англ.) // Science (New York, N.Y.). — 2011. — 7 January (vol. 331, no. 6013). — P. 44—49. — doi:10.1126/science.1198687. — PMID 21212348. [исправить]
4. Abbas, Lichtman, Pillai, 2015, p. 65.
5. Iannello A., Debbeche O., Samarani S., Ahmad A. Antiviral NK cell responses in HIV infection: I. NK cell receptor genes as determinants of HIV resistance and progression to AIDS. (англ.) // Journal Of Leukocyte Biology. — 2008. — July (vol. 84, no. 1). — P. 1—26. — doi:10.1189/jlb.0907650. — PMID 18388298. [исправить]
6. Ярилин, 2010, с. 150.
7. Hudspeth K., Donadon M., Cimino M., Pontarini E., Tentorio P., Preti M., Hong M., Bertoletti A., Bicciato S., Invernizzi P., Lugli E., Torzilli G., Gershwin M. E., Mavilio D. Human liver-resident CD56(bright)/CD16(neg) NK cells are retained within hepatic sinusoids via the engagement of CCR5 and CXCR6 pathways. (англ.) // Journal Of Autoimmunity. — 2016. — January (vol. 66). — P. 40—50. — doi:10.1016/j.jaut.2015.08.011. — PMID 26330348. [исправить]
8. Fasbender F., Widera A., Hengstler J. G., Watzl C. Natural Killer Cells and Liver Fibrosis. (англ.) // Frontiers In Immunology. — 2016. — Vol. 7. — P. 19—19. — doi:10.3389/fimmu.2016.00019. — PMID 26858722. [исправить]
9. Abbas, Lichtman, Pillai, 2015, p. 66.
10. Ярилин, 2010, с. 160.
11. Rölle A., Pollmann J., Cerwenka A. Memory of infections: an emerging role for natural killer cells. (англ.) // PLoS Pathogens. — 2013. — Vol. 9, no. 9. — P. e1003548—1003548. — doi:10.1371/journal.ppat.1003548. — PMID 24086127. [исправить]
12. Pyzik M., Vidal S. M. Natural killer cells: NK cells stroll down the memory lane. (англ.) // Immunology And Cell Biology. — 2009. — May (vol. 87, no. 4). — P. 261—263. — doi:10.1038/icb.2009.10. — PMID 19290015. [исправить]
13. Sun J. C., Beilke J. N., Lanier L. L. Adaptive immune features of natural killer cells. (англ.) // Nature. — 2009. — 29 January (vol. 457, no. 7229). — P. 557—561. — doi:10.1038/nature07665. — PMID 19136945. [исправить]
14. Gumá M., Angulo A., Vilches C., Gómez-Lozano N., Malats N., López-Botet M. Imprint of human cytomegalovirus infection on the NK cell receptor repertoire. (англ.) // Blood. — 2004. — 1 December (vol. 104, no. 12). — P. 3664—3671. — doi:10.1182/blood-2004-05-2058. — PMID 15304389. [исправить]
15. Hammer Q., Rückert T., Borst E. M., Dunst J., Haubner A., Durek P., Heinrich F., Gasparoni G., Babic M., Tomic A., Pietra G., Nienen M., Blau I. W., Hofmann J., Na I. K., Prinz I., Koenecke C., Hemmati P., Babel N., Arnold R., Walter J., Thurley K., Mashreghi M. F., Messerle M., Romagnani C. Peptide-specific recognition of human cytomegalovirus strains controls adaptive natural killer cells. (англ.) // Nature Immunology. — 2018. — May (vol. 19, no. 5). — P. 453—463. — doi:10.1038/s41590-018-0082-6. — PMID 29632329. [исправить]
16. Abbas, Lichtman, Pillai, 2015, p. 68—69.
17. Abbas, Lichtman, Pillai, 2015, p. 66—67.
18. Abbas, Lichtman, Pillai, 2015, p. 67.
19. Kiessling R., Klein E., Pross H., Wigzell H. "Natural" killer cells in the mouse. II. Cytotoxic cells with specificity for mouse Moloney leukemia cells. Characteristics of the killer cell. (англ.) // European Journal Of Immunology. — 1975. — February (vol. 5, no. 2). — P. 117—121. — doi:10.1002/eji.1830050209. — PMID 1086218. [исправить]
20. Pross H. F., Jondal M. Cytotoxic lymphocytes from normal donors. A functional marker of human non-T lymphocytes. (англ.) // Clinical And Experimental Immunology. — 1975. — August (vol. 21, no. 2). — P. 226—235. — PMID 810282. [исправить]
21. Jondal M., Pross H. Surface markers on human b and t lymphocytes. VI. Cytotoxicity against cell lines as a functional marker for lymphocyte subpopulations. (англ.) // International Journal Of Cancer. — 1975. — 15 April (vol. 15, no. 4). — P. 596—605. — doi:10.1002/ijc.2910150409. — PMID 806545. [исправить]
22. Timonen T., Saksela E. Isolation of human NK cells by density gradient centrifugation. (англ.) // Journal Of Immunological Methods. — 1980. — Vol. 36, no. 3-4. — P. 285—291. — doi:10.1016/0022-1759(80)90133-7. — PMID 7430655. [исправить]

Литература

• Ярилин А. А. Иммунология. — М.: ГЭОТАР-Медиа, 2010. — 752 с. — ISBN 978-5-9704-1319-7.
• Abul K. Abbas, Andrew H. Lichtman, Shiv Pillai. Cellular and Molecular Immunology (англ.). — Philadelphia: Elsevier Saunders, 2015. — ISBN 978-0-323-22275-4.