Медуллярные эпителиальные клетки тимуса (mTECs)

mTECs – это клетки мозгового вещества тимуса. В отличие от большинства других антигенпрезентирующих клеток (APC), mTECs экспрессируют как молекулы MHC класса I, так и MHC класса II. Они используют неканонические пути загрузки пептидов, которые в основном происходят из внутриклеточных источников. Уникальная особенность mTECs – их способность экспрессировать аутоантигены, характерные для других тканей организма. Это помогает обучать иммунную систему распознавать собственные клетки и не атаковать их. Это явление называется беспорядочной экспрессией генов (PGE), и ключевую роль в его регуляции играет белок AIRE.

Беспорядочная экспрессия генов менее случайна, чем предполагалось

Ученые долго не понимали, случайна ли экспрессия антигенов, характерных для одной или нескольких периферических тканей (TRA), в отдельных mTEC или она следует определенным закономерностям. Недавние исследования показали, что паттерны экспрессии TRA повторяются, причем каждая группа антигенов характерна только для определенного подмножества клеток mTEC. Это может быть связано с временными стадиями развития mTEC или с их дифференцировкой на определенных этапах. Еще более значимой эту гипотезу делает то, что последние данные также указывают на большое разнообразие специализированных типов mTEC.

Неожиданное разнообразие mTEC

На основе различий в экспрессии MHC класса II клетки mTEC делят на незрелые (mTEClow) и зрелые (mTEChi). Примерно половина зрелых клеток экспрессирует AIRE (AIRE+ mTEChi) и ранее считалась конечной стадией развития mTEC, склонной к апоптозу. Однако исследования выявили наличие пост-AIRE клеток, которые теряют экспрессию AIRE и MHC класса II, делая их неотличимыми от незрелых mTEC. Кроме того, была обнаружена новая группа mTEC — около 5-10% всех клеток, которые демонстрируют свойства, напоминающие различные периферические ткани: кишечные пучковые клетки, эпителий кишечника и печени, мышечные и эндокринные клетки.

Эти клетки, названные миметическими, обладают свойствами, схожими с тканями, которые они имитируют. Многие, если не все, типы миметических клеток обладают характеристиками mTEC пост-AIRE. Поэтому заманчиво предположить, что по крайней мере некоторые из клеток AIRE+ mTEChi представляют собой промежуточные этапы развития и готовы к последующей дифференцировке в миметические клетки.

Хотя миметические клетки экспрессируют низкие уровни MHC класса II, они могут участвовать в представлении антигенов через другие APC – дендритные клетки. Например, мыши с экспрессией искусственных антигенов в миметических mTEC демонстрировали толерантность к этим антигенам. А у мышей, лишенных «эндокринных mTEC», в сыворотке вырабатывались аутоантитела к тканям, богатым эндокринными клетками – щитовидной железе и желудку.

Кроме механизма иммунологической толерантности, миметические mTEC выполняют и другие функции: регулируют гомеостаз врожденных лимфоидных клеток и возрастные изменения тимуса.

Дендритные клетки тимуса

CD11c+ клетки тимуса включают плазмоцитоидные дендритные клетки и классические дендритные клетки (cDC), которые делятся на два подтипа: cDC1 (SIRPα-CD8+XCR1+) и cDC2 (SIRPα+CD8– XCR1-). Эти подтипы напоминают разделение на cDC1 и cDC2, характерное для вторичных лимфоидных тканей. cDC1 развиваются непосредственно в тимусе, поэтому их называют резидентными клетками. Считается, что cDC2 мигрируют с периферии, но это предположение требует уточнения.

Большинство cDC находится в мозговом веществе тимуса. Из-за недостатка данных о плазмоцитоидных дендритных клетках и моноцитарных дендритных клетках тимуса далее основное внимание уделяется подтипам cDC1 и cDC2.

Презентация аутоантигенов, передающихся через кровь

Исследования показали, что cDC2 более эффективно поглощают циркулирующие антигены, чем cDC1, хотя степень этих различий варьируется в зависимости от экспериментов и свойств антигенов. Мелкие молекулы могут пассивно проникать через сосудистые барьеры и достигать дендритных клеток, тогда как крупные молекулы — нет.

Недавние исследования обнаружили трансэндотелиальные дендритные клетки тимуса, расположенные рядом с микрососудами мозгового вещества. Эти клетки могут проникать своими отростками через эндотелий в кровоток. В основном они обладают характеристиками cDC2 и постоянно находятся на границе тимуса и крови. Трансэндотелиальные дендритные клетки тимуса играют ключевую роль в захвате антигенов из крови и участвуют в отрицательном отборе тимоцитов, что важно для формирования центральной толерантности. Похожие функции обнаружены у cDC2 в коре головного мозга, где они группируются вокруг сосудов.

cDC2 особенно эффективны в представлении эндоцитированных антигенов CD4+ Т-клеткам через MHC класса II. А cDC1 лучше справляются с перекрестной презентацией антигенов CD8+ Т-клеткам.

Сотрудничество cDC с mTECs

Презентация антигенов, синтезируемых mTEC, может выполняться напрямую этими же клетками или передаваться для презентации дендритным клеткам тимуса. Исследования показали, что передача антигенов происходит в одном направлении — от mTEC к cDC, но не наоборот. Особенно активно cDC1 поглощают материал от AIRE+ mTEC, а cDC2 участвуют в этом процессе наравне с cDC1, если антигены равномерно экспрессируются всеми TEC.

Ключевую роль в передаче антигенов играет хемокиновая ось XCR1-XCL1: cDC1 имеют рецептор XCR1, а mTEChi выделяют хемокин XCL1, который привлекает cDC1 в непосредственную близость к AIRE+ mTEC. Среди cDC1 только зрелые CCR7+ клетки эффективно захватывают и презентуют антигены от mTEC. Это говорит о том, что XCL1 и другие хемокины (CCL19, CCL21) работают вместе, облегчая передачу антигенов к зрелым cDC1.

Хотя механизмы этого процесса еще не до конца изучены, ученые предполагают, что разные типы cDC взаимодействуют с разными подтипами mTEC, получая антигены из различных источников. Также остается открытым вопрос о том, как миметические mTEC передают свои антигены – ведь у них нет типичных функций антигенпрезентирующих клеток.

cDC1 и cDC2: разделение труда или избыточность?

Разные подтипы дендритных клеток тимуса могут представлять различные группы аутоантигенов. Если каждый из них играет уникальную роль в развитии центральной толерантности, то отсутствие одного из подтипов должно изменять судьбу аутореактивных тимоцитов и состав Т-клеточного репертуара.

Однако исследования показали, что отсутствие cDC1 практически не влияет на репертуар CD8+ Т-клеток и регуляторных CD4+ Treg-клеток, а также не изменяет уровень отрицательного отбора тимоцитов. Это указывает на избыточность функции cDC1. В то же время другие исследования показали, что cDC1 важны для презентации антигенов, полученных от mTEC, и для стимуляции Treg-клеток.

Изучение cDC2 затруднено из-за отсутствия методов их полного удаления. Но частичное уменьшение их количества (на 2/3) замедляло удаление CD4+ Т-клеток. Однако репертуар Treg-клеток при этом не изменялся.

Антигены могут одновременно презентироваться более чем одним типом APC, что делает презентацию антигенов избыточной. Когда антиген был мембраносвязанным, cDC1, cDC2 и mTEC одинаково способствовали удалению CD4+ и CD8+ Т-клеток. Если же антиген секретировался mTEC, его презентацию брали на себя в основном cDC, так как он становился доступным в тканевой жидкости.

Неожиданным результатом стало то, что не только CD4+ Т-клетки, но и CD8+ Т-клетки передают сигналы преимущественно при взаимодействии с cDC2, хотя ранее считалось, что cDC1 более эффективны в перекрестной презентации. Возможно, в данном эксперименте решающим фактором была скорость поглощения антигена, а не эффективность механизма перекрестной презентации.

В целом, данные говорят о частичной специализации cDC1 и cDC2, но при этом многие их функции перекрываются.

В-клетки тимуса

В тимусе В-клетки встречаются так же часто, как и дендритные клетки. В отличие от покоящихся периферических В-клеток, они имеют высокий уровень MHC класса II и костимулирующих молекул. Около трети В-клеток тимуса несут иммуноглобулины с переключенным классом.

В-клетки тимуса напоминают клетки зародышевого центра или предшественники B-клеток памяти. Их уникальная особенность – экспрессия AIRE, которой нет у периферических В-клеток. Хотя только 2% В-клеток тимуса экспрессируют AIRE, его влияние на функции этих клеток требует дополнительного изучения. В-клетки тимуса могут способствовать толерантности Т-клеток.

В-клетки тимуса способствуют иммунологической толерантности

В-клетки тимуса играют ключевую роль в центральной толерантности. Экспрессии MHC класса II только в В-клетках достаточно для удаления суперантиген-реактивных Т-клеток и отрицательного отбора тимоцитов. У мышей без В-клеток увеличивается количество CD4SP клеток, а количество Treg-клеток тимуса уменьшается. Однако, природа аутоантигенов, представленных В-клетками тимуса, остается неясной.

Захват аутоантигенов B-клеточным рецептором (BCR)

Захват аутоантигенов с помощью BCR помогает представлять толерогенные антигены. Когда В-клетки тимуса экспрессируют BCR, специфические для аутоантигена, они более эффективно проводят отрицательный отбор CD4+ Т-клеток, распознающих этот аутоантиген.

В В-клетках тимуса происходит клональная экспансия – процесс, при котором клетка делится и образует множество идентичных клеток. Например, так происходит, когда иммунные клетки распознают патоген и начинают активно размножаться, чтобы усилить ответ на этот патоген. При клональной экспансии некоторые В-клетки тимуса становятся аутореактивными или полиреактивными. Это может быть связано с тем, как В-клетки развиваются в тимусе, а не с привлечением аутореактивных клеток с периферии.

Переключение классов может влиять на толерогенность В-клеток тимуса

Интересно, что, хотя иммуноглобулины разных типов циркулируют в организме в больших количествах, только В-клетки тимуса эффективно представляют эпитопы, полученные из иммуноглобулинов. Это может объясняться тем, что В-клетки более эффективно загружают эпитопы на MHC класса II по сравнению с дендритными клетками, и этот процесс усиливается при активации В-клеток. Исследование на мышах, предрасположенных к диабету 1 типа, показало, что снижение переключения классов В-клеток тимуса приводит к ухудшению центральной толерантности и увеличению заболеваемости диабетом.

Эндогенные аутоантигены В-клеток

Более 70% пептидов, связанных с MHC класса II на В-клетках, происходят из белков, которые производятся самой клеткой. Это предполагает, что лигандом pMHC класса II в В-клетках тимуса будет содержать множество аутоантигенов. AIRE может участвовать в формировании лигандома, но его влияние может быть не таким значительным из-за ограниченного числа генов, которые он активирует.

С другой стороны, В-клетки тимуса похожи на клетки памяти и клетки зародышевого центра, и их эпитопы формируются эндогенно активированными аутоантигенами В-клеток. Эти клетки могут имитировать лигандом pMHC В-клеток зародышевого центра, что помогает удалить специфические T-клетки из репертуара и направить аутоантиген-специфические CD4+ Т-клетки в клеточный компартмент TFH (фолликулярные T-хелперы).

В-клетки тимуса могут обеспечивать толерантность к более широкому спектру аутоантигенов, чем считалось раньше

Недавние исследования показали, что В-клетки тимуса играют важную роль в поддержании толерантности к аутоантигенам – например, к аквапорину 4 (AQP4), который связан с аутоиммунным заболеванием – оптикомиелитом. Хотя AQP4 не является типичным аутоантигеном для В-клеток тимуса, было показано, что при удалении Aqp4 в В-клетках мышей возникает риск нарушения толерантности Т-клеток к этому антигену, что приводит к развитию патологии, похожей на оптикомиелит.

Перекрестное взаимодействие с аутореактивными тимоцитами

Функции антигенпрезентирующих клеток mTEC, cDC и В-клеток тимуса не определяются фиксированными программами дифференцировки, а формируются через сложные взаимодействия с развивающимися тимоцитами и другими клетками. Недавние исследования показали, что механизмы, управляющие фенотипическими изменениями CDC и B-клеток тимуса, очень похожи.

Гомеостатическое созревание cDC

В отличие от периферических дендритных клеток, как cDC1, так и cDC2 тимуса содержат значительную долю зрелых клеток с высоким уровнем MHCII и CD86. Этот фенотип сохраняется даже у мышей, не имеющих микробов, и не зависит от врожденных адаптерных белков, что указывает на «стерильный» процесс их созревания. Созреванию cDC тимуса способствуют сигналы CD40 и взаимодействие с аутореактивными тимоцитами CD4SP.

Интересно, что транскрипционные программы, регулирующие воспалительное и гомеостатическое созревание cDC, схожи. В отличие от микробно-стимулированных cDC, зрелые cDC тимуса сохраняют способность к поглощению антигенов и синтезу MHC класса II, что позволяет им эффективно представлять аутоантигены.

Лицензирование В-клеток тимуса

Как и mTEC и cDC, В-клетки тимуса подвергаются перепрограммированию, которое регулируется сигналами CD40 при взаимодействии с аутореактивными тимоцитами CD4SP. Это приводит к лицензированию В-клеток – активации MHC класса II и костимулирующих молекул и запуску экспрессии AIRE. В-клетки тимуса могут развиваться как из внутритимических клеток, так и мигрировать с периферии, при этом обе группы клеток приобретают лицензированный фенотип.

Лицензирование В-клеток тимуса имеет сходства с реакцией зародышевого центра, включая активацию MHC II, CD80 и переключение класса иммуноглобулинов. Хотя тимус не содержит настоящих зародышевых центров, это подтверждает гипотезу о том, что В-клетки тимуса могут представлять собой толерогенное зеркальное отражение В-клеток зародышевого центра.

Функциональная настройка посредством тонического воспаления

mTEC, cDC и B-клетки тимуса получают расширенные функции APC через взаимодействие с аутореактивными тимоцитами. У каждого типа клеток есть свои особенности, но все они используют воспалительные сигнальные пути. Эти пути помогают развивать толерогенные характеристики APC тимуса, а также разнообразят их лигандомы pMHC, добавляя аутоантигены, которые в противном случае будут способствовать воспалению в периферических тканях.

Настройка mTEC с помощью передачи сигналов Toll-подобного рецептора и интерферона III типа

mTEC экспрессируют Toll-подобные рецепторы (TLR), которые участвуют в регуляции иммунных процессов. Удаление сигнального адаптера MyD88 у этих клеток снижает уровень хемокинов, которые привлекают дендритные клетки, что приводит к изменению состава дендритных клеток тимуса и снижению передачи антигенов от mTEC. Это также снижает образование Treg-клеток тимуса, влияя на состав CD4+ Т-клеток.

Сигналы TLR важны для перехода AIRE+ mTEC в их конечное состояние – к пост-AIRE кератиноцитоподобным mTEC. Активация TLR, вероятно, происходит за счет эндогенных молекул. Так как mTECs наиболее заметно экспрессируют TLR9, функцией которого является обнаружение «чужой» ДНК, вполне возможно, что высвобождение эндогенной ДНК из апоптотических тимоцитов может быть достаточным для запуска сигналов TLR.

Интерферон III типа (ИФН-III) усиливает антиген-презентирующую функцию mTEC, повышая экспрессию MHC класса I. mTEC также сами вырабатывают ИФН-III, что увеличивает их способность обеспечивать толерантность CD8+ Т-клеток.

Активация cDC2 цитокинами 2 типа

Большая часть cDC2 тимуса, независимо от стадии их созревания, экспрессирует маркер активации CD301b и демонстрирует признаки воздействия цитокинов 2 типа – IL-4, IL-5, IL-9 и IL-13. У мышей, лишенных цитокинов IL-4 и IL-13 или инвариантных естественных Т-киллеров, производящих IL-4, количество активированных cDC2 значительно снижено. Это указывает на аддитивные эффекты цитокинов IL-4 и IL-13 в активации cDC2.

Будущие исследования должны выяснить, как генетический фон влияет на популяцию cDC2 тимуса и их способность поддерживать толерантность. Считается, что цитокины 2 типа не только усиливают толерантность cDC2, но и помогают формировать лигандомы pMHC, способствуя обогащению их аутоантигенами, связанными с воспалительными реакциями в периферических тканях.

Настройка В-клеток с помощью цитокинов внутри тимуса

В-клетки тимуса имеют ярко выраженную сигнатуру интерферона, отличающую их от В-клеток зародышевого центра из вторичных лимфоидных тканей. Удаление рецептора к ИФН-III значительно сокращает количество лицензированных В-клеток тимуса, что нарушает формирование Treg-клеток. Этот эффект аналогичен полному отсутствию В-клеток. Как именно интерферон регулирует лицензированные В-клетки — через выживание, деление, активацию или переключение классов — пока неизвестно. Однако известно, что регуляцию переключения классов, скорее всего, определяют такие молекулы, как IL-4, TGFβ и ИФН-γ.

Недавние исследования выявили небольшую популяцию плазматических клеток IgE+ с переключенным классом в тимусе мышей BALB/c. Эти клетки зависят от IL-4, секретируемого инвариантными естественными Т-киллерами, и служат источником антител IgE. Эти плазматические клетки тимуса развиваются непосредственно в тимусе, без участия зародышевого центра, и экспрессируют AIRE, что указывает на то, что они могут возникать в результате лицензирования В-клеток. Аналогичные клетки обнаружены и у новорожденных людей, у которых они обеспечивают ранний врожденный гуморальный иммунитет.

Выводы

Современные методы исследования на уровне отдельных клеток значительно расширили знания об антигенпрезентирующих клетках тимуса. Открытие миметических mTEC добавило новый уровень сложности в изучение тимуса.

Роль В-клеток в тимусе остается двойственной. С одной стороны, их способность представлять аутоантигены способствует формированию центральной толерантности. С другой — существует риск аномальной дифференцировки В-клеток в плазматические клетки, что может привести к развитию аутоиммунных заболеваний – миастении гравис и волчанки. Исследования показывают, что в тимусе пациентов с миастенией образуются структуры, напоминающие зародышевые центры, но пока неясно, являются ли они причиной или следствием болезни.

Возраст также влияет на работу тимуса. В раннем возрасте формируются уникальные популяции Treg-клеток, а в подростковом периоде усиливается отрицательный отбор, что может подавлять развитие Treg-клеток с точно такими же рецепторами в более поздние периоды. Однако с возрастом толерогенная функция тимуса снижается: ухудшается экспрессия PGE в mTEC, снижается подвижность тимоцитов, что может ограничивать их контакт с антигенами, и уменьшается количество лицензированных В-клеток. Эти изменения могут способствовать возрастному аутоиммунитету.

Остается открытым вопрос, способны ли методы омоложения тимуса, например, трансплантация стволовых клеток, полностью восстановить его толерогенную функцию.

Полезная статья, нужная информация? Поделитесь ею!

Кому-то она тоже будет полезной и нужной:

Источник

Antigen presentation for central tolerance induction

Наш канал в Telegram: