Τα κύτταρα του ανοσοποιητικού μετρούν τον χρόνο για τον εντοπισμό ξένων πρωτεϊνών

Για να δημιουργήσει μια επιτυχή άμυνα ενάντια στους εισβάλλοντες οργανισμούς, το ανοσοποιητικό σύστημα πρέπει να προσδιορίσει γρήγορα και με ακρίβεια ποια κύτταρα ανήκουν στο σώμα και ποια όχι. Αυτό μπορεί να φαίνεται αρκετά απλό, αλλά δεν είναι τόσο εύκολο να επιτευχθεί. Η ευθύνη πέφτει σε μεγάλο βαθμό στους ώμους των Τ-κυττάρων, των λευκών αιμοσφαιρίων με εξειδικευμένους υποδοχείς ενσωματωμένους στην επιφάνειά τους που τους επιτρέπουν να δεσμεύονται μοναδικά σε διάφορα πεπτιδικά θραύσματα. Αφού δεσμευτούν, τα Τ-κύτταρα μπορούν στη συνέχεια να ξεκινήσουν μια εστιασμένη επίθεση εναντίον του στόχου.

«Είναι μια καταπληκτική βελόνα σε μια θημωνιά που προσπαθούν να αναγνωρίσουν», είπε ο Orion Weiner, βιοχημικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Φρανσίσκο. «Το να μπορείς να βρεις αυτό το απίστευτα σπάνιο [ξένο] πεπτίδιο σε μια θάλασσα από αρκετά παρόμοια αυτοπεπτίδια είναι μια εκπληκτική πρόκληση. Απαιτεί έναν βαθμό εξειδίκευσης και ευαισθησίας που είναι πραγματικά στα όρια αυτού που είναι φυσικά εφικτό.»

Αλλά υπάρχει ένα πρόβλημα:Κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης, παράγονται τυχαία εκατομμύρια Τ-κύτταρα με διακριτούς υποδοχείς - ο τρόπος του ανοσοποιητικού συστήματος να καλύπτει όλες τις βάσεις του, να προετοιμάζεται για την αστρονομική ποικιλία των πεπτιδίων που μπορεί να συναντήσει. Πολλά από αυτά τα πεπτίδια, ωστόσο, είναι αναπόφευκτα μέρη πρωτεϊνών που ανήκουν στο σώμα. Ενώ τα περισσότερα από τα Τ-κύτταρα που αντιδρούν σε τέτοια μόρια «εαυτού» εξαλείφονται καθώς προχωρά η ανάπτυξη, μερικά από αυτά συνεχίζουν να κυκλοφορούν σε όλη τη ζωή, προστατεύοντας από μολυσμένα και μη φυσιολογικά κύτταρα χωρίς να βλάπτουν το σώμα. Κάτι τους κρατά υπό έλεγχο.

Το πώς αυτά τα Τ-κύτταρα είναι σε θέση να κάνουν τη διάκριση μεταξύ εαυτού και μη εαυτού, μεταξύ κάτι που πρέπει να μείνει μόνο του και κάτι που δεν θα έπρεπε να είναι, ήταν ένα από τα κεντρικά ερωτήματα που καθοδηγούν την έρευνα της ανοσολογίας.

Τώρα, οι ερευνητές φαίνονται έτοιμοι να δώσουν μια οριστική απάντηση. Ένα ζευγάρι μελετών, δημοσιευμένο στο eLife τον Απρίλιο, επιβεβαίωσαν πειραματικά μια θεωρία που απολάμβανε αυξανόμενης υποστήριξης από τη δεκαετία του 1990. Το κλειδί βρίσκεται στο χρονοδιάγραμμα των πραγμάτων:Οι ουσίες που συνδέονται με τους υποδοχείς των Τ-κυττάρων για λιγότερο από περίπου πέντε δευτερόλεπτα θεωρούνται ασφαλείς, ενώ τα μόρια με μεγαλύτερη δέσμευση αναμένεται να καταστραφούν. «Το κύτταρο θα μπορούσε να έχει έναν τρόπο να παίρνει πολύ, πολύ μικρές διαφορές στη διάρκεια της δέσμευσης του υποδοχέα», είπε ο Weiner, συγγραφέας μιας από τις εργασίες, «και να το ενισχύσει σε μια πολύ μεγαλύτερη κυτταρική απόκριση».

Η Θεωρία της Κινητικής Διόρθωσης

Αυτή η θεωρία, γνωστή ως κινητική διόρθωση, ξεκίνησε (και το όνομά της) μερικές δεκαετίες νωρίτερα. Εξηγεί πώς τα ριβοσώματα δημιουργούν αλυσίδες πρωτεΐνης από τις σωστές αλληλουχίες αμινοξέων:Κάθε αμινοξύ προστίθεται στην αλυσίδα μόνο εάν ο εμπλεκόμενος κυτταρικός μηχανισμός παραμείνει συνδεδεμένος για αρκετό χρόνο. Οι επιστήμονες μπόρεσαν να καταλάβουν πλήρως όλα τα βήματα αυτής της διαδικασίας διόρθωσης βάσει χρόνου.

Αλλά η έκδοση των Τ-κυττάρων της κινητικής διόρθωσης δεν ήταν τόσο καλά κατανοητή. Δεν υπήρχε τρόπος να γνωρίζουμε με βεβαιότητα ότι αυτό συνέβαινε:Οι δοκιμές της υπόθεσης βρήκαν υποδηλωτικές συσχετίσεις μεταξύ του χρόνου δέσμευσης και της ενεργοποίησης των Τ-κυττάρων, ακριβώς όπως θα το έκανε η κινητική διόρθωση, αλλά αυτές οι μέθοδοι δοκιμής δεν μπόρεσαν να ξεμπερδέψουν την επίδραση του χρονοδιάγραμμα από τις επιδράσεις άλλων βιοφυσικών παραγόντων, όπως οι δομικές αλλαγές στα μόρια και οι διαφορές στην ισχύ δέσμευσης. Ακόμη χειρότερα, οι ερευνητές γνώριζαν ότι υπήρχαν πολλές δυνητικά σημαντικές παράμετροι που δεν μπορούσαν να μετρήσουν ή δεν είχαν καν εξετάσει.

Μέχρι τώρα δηλαδή. Δύο ομάδες — η μία με επικεφαλής τον Weiner στο Σαν Φρανσίσκο, η άλλη από τον Wolfgang Schamel, ανοσολόγο στο Πανεπιστήμιο του Φράιμπουργκ στη Γερμανία — παρείχαν ανεξάρτητες σταθερές αποδείξεις χρησιμοποιώντας ένα νέο μηχανικό σύστημα.

Και οι δύο ομάδες στράφηκαν στην οπτογενετική, ένα πεδίο έρευνας που χρησιμοποιεί το φως για τον έλεγχο των κυττάρων. Συνήθως, περιλαμβάνει τη διέγερση ή τη σίγαση νευρώνων που έχουν κατασκευαστεί γενετικά για να είναι ευαίσθητοι στο φως, αλλά την τελευταία δεκαετία, «υπήρξε επίσης αυτή η ανάπτυξη αυτού που θα ονόμαζα κυτταρική οπτογενετική, όπου οι άνθρωποι χρησιμοποιούν πρωτεΐνες που ανταποκρίνονται στο φως στο κάντε κάθε είδους άλλα πράγματα, όπως τον έλεγχο των αλληλεπιδράσεων πρωτεΐνης-πρωτεΐνης», είπε η Chandra Tucker, βιολόγος στην Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου του Κολοράντο, η οποία δεν συμμετείχε σε καμία από τις μελέτες.

Η νέα εργασία εφάρμοσε την οπτογενετική στα Τ-κύτταρα για πρώτη φορά — και στην επιφάνεια των κυττάρων, παρά σε μια διαδικασία μέσα σε αυτά. Ο Schamel και οι συνεργάτες του εκμεταλλεύτηκαν ένα συγκεκριμένο ζεύγος φυτικών πρωτεϊνών που συνδέονται μεταξύ τους μόνο όταν εκτίθενται στο φως. Κατασκεύασαν έναν υποδοχέα Τ-κυττάρων για να εμφανίσει μία από αυτές τις πρωτεΐνες και χρησιμοποίησαν την άλλη ως στόχο δέσμευσης. Με το να ακτινοβολούν φως στα κύτταρα, μπορούσαν να ρυθμίσουν με ακρίβεια πόσο καιρό ήταν δεσμευμένος ο υποδοχέας των Τ-κυττάρων, κάτι που τους έδωσε τελικά τον επιλεκτικό έλεγχο της διάρκειας δέσμευσης που διέφευγαν οι ερευνητές για τόσο καιρό. (Αυτό το επίτευγμα αποδείχτηκε επίπονο:Χρειάστηκαν αρκετά χρόνια δοκιμών και σφαλμάτων, μορφωμένων εικασιών και πειραματισμών, μαζί με εξειδικευμένο εξοπλισμό, για να λειτουργήσει το σύστημα.)

«Ήμουν ενθουσιασμένος όταν το είδα», είπε ο Τζέι Γκρόβς, χημικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ, ο οποίος δεν συμμετείχε σε καμία από τις δύο μελέτες. "Σκέφτηκα, ουάου, αυτό θα μπορούσε πραγματικά να γίνει ισχυρό."

Ο Weiner και ένας από τους μεταπτυχιακούς φοιτητές του, ο Doug Tischer, χρησιμοποίησαν ένα διαφορετικό ζεύγος φωτοευαίσθητων φυτικών πρωτεϊνών και έναν απογυμνωμένο υποδοχέα Τ-κυττάρων και όχι έναν φυσικό. Διάφορες άλλες πτυχές της μεθοδολογίας τους διέφεραν επίσης από αυτές του Schamel, αλλά και στις δύο περιπτώσεις, όλες οι παράμετροι εκτός από τη διάρκεια της δέσμευσης διατηρήθηκαν σταθερές.

Και το εντυπωσιακό είναι ότι και οι δύο ομάδες είχαν τα ίδια αποτελέσματα:Όταν ένα δεσμευτικό γεγονός διήρκεσε για περισσότερο από περίπου πέντε δευτερόλεπτα, το Τ-κύτταρο έγινε ενεργό, αλλά δεν το έκανε για τίποτα λιγότερο από αυτό. «Κατά κάποιο τρόπο», είπε ο Groves, «όλο το δίκτυο σηματοδότησης υποδοχέων Τ-κυττάρων είναι σαν ένας μικρός χημικός υπολογιστής που μετρά τους χρόνους δέσμευσης και είναι επίσης ένας αισθητήρας ενός μορίου πάνω από όλα αυτά».

Αυτή η διαδικασία λειτουργεί επειδή το ανοσοποιητικό σύστημα υφίσταται ένα είδος περιόδου εκγύμνασης κατά την πρώιμη ανάπτυξή του:Τα εκκολαπτόμενα Τ-κύτταρα παρουσιάζονται με όλα τα μόρια του εαυτού του στο σώμα και τα κύτταρα που συνδέονται για περισσότερα από πέντε δευτερόλεπτα σε οτιδήποτε ξεριζώνονται. Με αυτόν τον τρόπο, τα Τ-κύτταρα που απομένουν για να συγκροτήσουν το ανοσοποιητικό σύστημα του σώματος είναι αυτά που συνδέονται για μεγάλο χρονικό διάστημα μόνο με πράγματα που δεν έχουν ξαναδεί.

Μια καθυστερημένη έναρξη

Το πώς τα κύτταρα μετρούν τη διάρκεια ενός γεγονότος δέσμευσης είναι ακόμα άγνωστο, αλλά οι ειδικοί έχουν σκιαγραφήσει μια ιδέα για το τι πιθανότατα συμβαίνει:Από τη στιγμή που ένας υποδοχέας Τ-κυττάρων δεσμεύεται σε ένα μόριο, πρέπει να λάβει χώρα μια σειρά από μη αναστρέψιμα βιοχημικά βήματα. πριν ενεργοποιηθεί το κελί. Εάν το μόριο αποκολληθεί πολύ νωρίς κατά τη διάρκεια αυτού του καταρράκτη σηματοδότησης, όλα πρέπει να ξεκινήσουν από το πρώτο βήμα. Οι ερευνητές, συμπεριλαμβανομένων των Weiner, Schamel και Groves, εξακολουθούν να προσπαθούν να καταλάβουν ποια είναι αυτά τα ενδιάμεσα βήματα και πώς καθένα από αυτά τα βήματα συμβάλλει στην ικανότητα του Τ-κυττάρου να παρακολουθεί τον χρόνο δέσμευσης.

Αλλά το απλοποιημένο πείραμα των Τ-κυττάρων των Tischer και Weiner έδωσε μια προκαταρκτική και εκπληκτική υπόδειξη:Το ρολόι δεν φαίνεται να ξεκινά αμέσως μετά τη δέσμευση του μορίου στόχου στον υποδοχέα των Τ-κυττάρων. μάλλον, υπάρχει κάποιο είδος απροσδιόριστου διαλείμματος.

Αυτό πρέπει ακόμα να επιβεβαιωθεί σε ένα φυσικό σύστημα Τ-κυττάρων και ορισμένοι ερευνητές έχουν τις αμφιβολίες τους (ο Groves, για παράδειγμα, πιστεύει ότι πολλαπλά επίπεδα του καταρράκτη σηματοδότησης παρακολουθούν το χρόνο δέσμευσης και ότι ο υποδοχέας συμβάλλει σε αυτό). Ωστόσο, αν είναι αλήθεια, «θα ήταν πολύ περίεργο», είπε ο Schamel, ο οποίος επίσης δεν είναι ακόμη πλήρως πεπεισμένος. «Είναι ένα πολύ αινιγματικό και απροσδόκητο αποτέλεσμα, γιατί πάντα θα πίστευες ότι ο χρόνος θα άρχιζε να μετράει με το πρώτο γεγονός, όταν το [μόριο] δεσμευτεί. Αλλά όχι, ο χρόνος φαίνεται να αρχίζει να μετράει αργότερα.”

Ο Weiner πρόσθεσε, «Το βήμα που πιστεύαμε ότι ήταν το πιο πιθανό [για την κινητική διόρθωση] φαίνεται να μην είναι το κρίσιμο». Μάλλον, φαίνεται να εμπλέκονται βήματα που λαμβάνουν χώρα πιο κάτω και που συνδέονται λιγότερο άμεσα με ό,τι συμβαίνει στο σημείο δεσίματος. Για αυτόν αυτό υποδηλώνει ότι «η διάκριση του εαυτού από τον μη εαυτό είναι ιδιότητα του πιο εκτεταμένου δικτύου σηματοδότησης… και [εγείρει] το πολύ ενδιαφέρον ερώτημα του τι ακριβώς συμβάλλει ο δέκτης σε αυτή τη διαδικασία».

Φυσικά, απομένουν ακόμη πολλά για να ανακαλύψουμε πώς ακριβώς ενεργοποιούνται τα Τ-κύτταρα. Σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Science Ο Γκρόουβς και οι συνεργάτες του συμπλήρωσαν μερικά από τα μηχανιστικά κενά. Ο Ronald Germain, ένας ανοσολόγος στο Εθνικό Ινστιτούτο Υγείας στο Μέριλαντ, επεσήμανε ότι η εργασία των Schamel και Weiner πρέπει επίσης να ενσωματωθεί με τη συνεχιζόμενη έρευνα για συγκεκριμένα είδη αλληλεπιδράσεων που σχετίζονται επίσης με το χρόνο δέσμευσης.

Στο μέλλον, οι ερευνητές πιστεύουν ότι η πειραματική τους προσέγγιση μπορεί να βοηθήσει στην αποκάλυψη του ρόλου της μοριακής κινητικής σε μια ποικιλία διαδικασιών, από τη ρύθμιση του σχήματος των κυττάρων έως την έκφραση γονιδίων. Μπορεί επίσης να ενημερώσει πιθανές ανοσοθεραπείες και να φωτίσει τους μηχανισμούς που κρύβονται πίσω από διαταραχές στις οποίες το ανοσοποιητικό σύστημα είτε στρέφεται εναντίον των κυττάρων του ίδιου του σώματος είτε αποτυγχάνει να ανταποκριθεί σε πραγματικούς εισβολείς.

«Είναι συναρπαστικό», είπε ο Groves. "Υπάρχει ακόμη πολύς δρόμος για αυτό, αλλά είναι ένα σπουδαίο βήμα προς μια πολύ ενδιαφέρουσα κατεύθυνση."