Маскировка вирусов

Вспомните, какие клетки относятся к клеткам адаптивного иммунитета. Как они будут распознавать вторжение вируса в организм? Как их обмануть?

Если вирус изменил работу клетки так, что клетки адаптивного иммунитета не могут ее распознать, у иммунной системы всё еще есть шанс найти поврежденные клетки и их уничтожить. Какие клетки иммунитета этим занимаются? Как обмануть их?

Что, в общих чертах, происходит в организме при атаке вируса?

Вирус проникает в клетки с соответствующими белками на поверхности и начинает размножаться. При этом, во-первых, есть шанс, что у зараженной клетки есть рецепторы опознавания паттерна. Эти рецепторы — белки, которые связываются с молекулами, нетипичными для наших клеток, но типичными для вирусов, бактерий, грибов. Для того, чтобы опознать вирус, нужны внутриклеточные рецепторы, например рецептор к нуклеиновым кислотам в эндосоме, рецептор к двуцепочечной РНК в цитоплазме (см. Двуцепочечные РНК-вирусы), рецепторы к неметилированным участкам ДНК (см. Метилирование ДНК). Они обязательно есть у клеток врожденного иммунитета, но эпителиальные клетки, клетки эндотелия и основные клетки соединительной ткани — фибробласты — тоже синтезируют тот или иной набор рецепторов опознавания паттерна.

Если клетке удалось отследить появление вируса, то она запускает синтез веществ, которые сигнализируют об опасности. Одно из главных веществ в противовирусном ответе — интерферон альфа (IFN-α), он включает внутриклеточные механизмы защиты от вируса, такие как остановка трансляции, и привлекает клетки врожденной иммунной системы, макрофаги, нейтрофилы и естественные киллеры. Действие клеток врожденной иммунной системы не очень специфично, и от них погибнут также какие-то здоровые клетки, а какие-то зараженные клетки, наоборот, могут остаться. Если вирус успел распространиться по ткани, то ответа врожденной иммунной системы может не хватить для выздоровления.

Во-вторых, все клетки «показывают», что происходит у них внутри, на белках главного комплекса гистосовместимости (MHC, Major histocompatibility complex), конкретнее — на MHC I. Для этого они расщепляют в протеосоме часть белков, синтезированных в клетке; получившиеся пептиды (короткие белки) соединяются с MHC I, и комплексы MHC I и пептидов «едут» на клеточную мембрану. Это нужно для работы адаптивного (приобретенного) иммунитета.

Некоторые клетки врожденного иммунитета постоянно «пробуют на вкус» всё вокруг, и если обстановка становится тревожной и срабатывают рецепторы распознавания паттерна, то они идут в лимфоузлы и активируют Т-клетки, предъявляя фрагменты съеденного на MHC I (для активации цитотоксических Т-клеток) и на MHC II (для активации Т-хелперов). При первом заражении вирусом это будут дендритные клетки, при повторных заражениях активировать Т-клетки могут и другие клетки, например макрофаги. Т-клетки обладают большим разнообразием Т-клеточных рецепторов, которые как раз связывают комплексы «MHC–пептид». То есть в лимфоузле происходит отбор Т-клеток с подходящими Т-клеточными рецепторами. Подходящие Т-клетки размножаются. Т-хелперы усиливают иммунный ответ, а вот точечным уничтожением зараженных вирусами клеток будут заниматься цитотоксические Т-клетки, узнавая MHC I со специфичными для вируса пептидами. Именно они просто необходимы для полного излечения от вируса.

Какова роль антител в противовирусной защите? Антитела продуцируются B-клетками и нацелены на распознавание поверхности чужого белка, его трехмерной структуры — в отличие от Т-клеточных рецепторов, которые узнают пептид, то есть линейный фрагмент чужого белка, получившийся при расщеплении этого белка внутри клетки. Это значит, что антитела будут отмечать зараженные клетки и наводить на них естественных киллеров, только если в мембрану зараженных клеток встраиваются вирусные белки. Антитела будут усиливать иммунный ответ. B-клетка с антителами на поверхности, связавшая чужой белок, может проглотить его, переварить и показать фрагменты на своих MHC-белках, тем самым помогая Т-клеточному ответу. Кроме того, свободно плавающие антитела могут связывать вирусные частицы и мешать им проникать в клетку (к сожалению, так бывает не всегда).

Каждый из этих шагов важен. Поэтому вирусы могут обмануть (и обманывают) иммунную систему, вмешиваясь в активацию врожденного иммунитета (в узнавание вируса внутриклеточными рецепторами, в синтез сигнальных веществ типа интерферона, в сами реакции иммунитета на эти сигнальные вещества). Успешному распространению может помочь сложная для связывания антителами поверхность вирусных белков. Но для того, чтобы вирус стал хронической болезнью, вирусу важнее всего не проявить себя на MHC I зараженной клетки — то есть вмешаться в процесс подготовки комплекса МHC I с пептидом и переноса его на поверхность клетки.

Но у организма всё равно остается шанс избавиться от вторжения. Естественные киллеры тоже проверяют поверхность клеток, хотя их рецепторы, которые они используют для этих проверок, не так разнообразны (зато разные естественные киллеры несут разные комбинации этих рецепторов). Некоторые из этих рецепторов при связывании цели будут увеличивать вероятность того, что естественный киллер убьет эту клетку, а некоторые — уменьшать. Если на клетке не хватает MHC I, то это подозрительно, и у такой клетки есть шанс погибнуть от естественного киллера. К сожалению, некоторые вирусы научились имитировать нормальное количество MHC I, не позволяющее естественным киллерам уничтожить зараженные клетки.

Разбор реальных примеров обмана иммунитета вирусами — в послесловии.

Как вы видите, иммунный ответ на вирусную инфекцию — сложный и многоступенчатый процесс. Вмешательство в иммунный ответ на любом этапе может быть благоприятно для вируса, и есть многочисленные примеры такого вмешательства.

Некоторые вирусы синтезируют аналоги наших собственных сигнальных молекул. Например, вирус Эпштейна — Барр и цитомегаловирус синтезируют противовоспалительные вещества — гомологи интерлейкина 10 и таким образом «успокаивают» Т-хелперные клетки 1-го типа, необходимые для успешного противовирусного ответа.

Некоторые вирусы блокируют антитела или рецепторы наших иммунных клеток. У вируса простого герпеса и у цитомегаловируса известен гомолог Fc-рецептора (Fc — Fragment crystallizable region). Fc-рецептор — это рецептор, присутствующий на поверхности многих иммунных клеток; он помогает им обнаружить отмеченные антителами патогены или пораженные клетки. Вирусы синтезируют растворимый белок, и этот Fc-рецептор блокирует антитела.

Вирусы могут вмешиваться в защитные процессы внутри самой клетки. У поксвирусов, к которым относится вирус натуральной оспы, обнаружен белок crmA, ингибитор каспазы. Зараженная клетка через Fas-рецептор получает от цитотоксических Т-лимфоцитов или естественных киллеров приказ умереть. Но не может его выполнить: crmA разрывает цепочку передачи этого сигнала внутри клетки.

Возможности вируса обманывать иммунитет зависят еще и от того, сколько белков закодировано в геноме вируса. РНК-вирусы обладают небольшим геномом и быстро мутируют (см. K. M. Peck, A. S. Lauring, 2018. Complexities of Viral Mutation Rates; кстати, есть оценки, что коронавирус SARS-CoV-2 мутирует в несколько раз медленнее, чем грипп, так что у нас все-таки есть надежда на хорошую вакцину). Это означает, что у них мало возможностей закодировать сложную систему обмана хозяина, но они могут продолжать циркулировать в популяции просто за счет мутаций. При повторной инфекции мутировавший вирус не будет так легко обнаруживаться антителами и Т-клетками памяти. Изменчивость вируса гриппа поддерживается еще тем, что его геном состоит из восьми молекул РНК, и в клетке, пораженной двумя разными вирусами гриппа, может происходить реассортация — перемешивание этих молекул РНК, в результате возникнут вирусные частицы с новыми комбинациями этих восьми молекул РНК.

Однако и у РНК-вирусов бывают закодированы белки, которые защищают вирус от иммунного ответа. Например, у коронавирусов известна папаиноподобная цистеиновая протеаза, способная разрушать белок p53 и таким образом подавлять продукцию интерферона (L. Yuan et al., 2015. p53 degradation by a coronavirus papain-like protease suppresses type I interferon signaling). Аналогичная протеаза есть и среди белков SARS-CoV-2. У вируса иммунодефицита человека есть ряд белков, которые позволяют ему скрыться от иммунитета и позволяют более успешно размножаться — например, белок nef, который не дает готовым MHC I достигнуть поверхности клетки и усиливает эндоцитоз рецептора CD4. Рецепторы CD4 нужны для проникновения ВИЧ в клетку: если их много на поверхности, то отпочковывающиеся вирусные частицы могут связаться с ними и, таким образом, не смогут заразить другую клетку.

Но в целом разнообразие белков, позволяющих обманывать иммунную систему, гораздо больше у ДНК-вирусов с их большим геномом и сравнительно низкой скоростью мутирования.

Вирусная защита от иммунной системы хорошо изучена у цитомегаловируса. У него есть около 10 белков, которые позволяют прятаться прежде всего от адаптивного иммунитета: эти белки мешают Т-клеткам или естественным киллерам опознать, что с зараженной клеткой что-то не так. Некоторые из них мешают нормальной экспрессии наших собственных белков MHC I и презентации фрагментов вирусных белков: вытаскивают MHC I в цитоплазму, где происходит их протеолиз, мешают пептидам загрузиться в эндоплазматическую сеть, блокируют MHC I в эндоплазматической сети и не дают им выйти на поверхность клетки. Некоторые из них имитируют картину нормального состояния клетки. UL16 связывает стрессовые молекулы, которые могли бы прореагировать с рецептором NKG2D естественных киллеров и цитотоксических Т-лимфоцитов и спровоцировать убийство клетки. UL18 — гомолог тяжелой цепи MHC I —связывается с рецептором LILRB естественных киллеров, показывая, что с клеткой всё в порядке. Пептид из белка UL40 связывается с особым типом MHC I, HLA-E, обманывая систему контроля за уровнем экспрессии обычных MHC I (которые кодируются генами HLA-A, HLA-B, HLA-C). Этот контроль осуществляют естественные киллеры.

Стратегия, которая позволяет вирусу выживать в организме в течение многих лет и даже в течение всей жизни хозяина, — это латентная стадия, когда вирус совсем или почти совсем не реплицируется в клетке. Небольшого количества разрезанных вирусных белков, связанных с MHC I, может не хватить для реакции адаптивного иммунитета. Некоторые вирусы на этой стадии прячутся в клетках с фоново низким уровнем MHC I — в нейронах. Вирус простого герпеса прячется в чувствительных нейронах (которые воспринимают раздражения, преобразуют их в нервные импульсы и передают в мозг), вирус ветрянки — в спинномозговых узлах. Вирус Эпштейна — Барр прячется в B-клетках, на покоящейся стадии экспрессируется только один белок EBNA-1, необходимый для поддержания существования вирусного генома в клетке. EBNA не презентируется на MHC I.

Почему некоторым вирусам нужно так много способов обманывать хозяина? Вероятно, потому, что работают они не идеально. Хочется отдельно упомянуть, что реакция организма на вирус зачастую зависит и от вариантов MHC I-генов. У человека есть три локуса MHC I-генов — HLA-A, HLA-B и HLA-C — и огромное разнообразие аллельных вариантов, которые отличаются по способности демонстрировать иммунным клеткам фрагменты вирусных белков. Например, известно, что вариант HLA-А*02 связан с пониженным риском развития лимфомы Ходжкина при вирусе Эпштейна — Барр: этот вариант особенно хорошо связывает пептиды вируса. Низкая или необычно высокая вирусная нагрузка при ВИЧ тоже связана с некоторыми вариантами HLA-генов. Благодаря разнообразию HLA-генов мы можем быть почти уверены в том, что при столкновении с новым патогеном хотя бы некоторые из нас выживут.

Для подготовки задачи использованы книги The Immune System (P. Parham), 4 ed. и Janeway's Immunobiology (K. Murphy), 9 ed.