Биотехнологии →
Иммунная система человека: биологический антивирус. Эвристические алгоритмы
Доброе время суток, уважаемое хабра-сообщество!
Это мой первый пост на Хабре, так что очень вас прошу, не судите слишком строго.
Я полагаю, все вы видели многочисленные рекламные ролики про уязвимый иммунитет, и все помнят школьные уроки, на которых рассказывалось про фагоцитов, пожирающих бактерий. Однако иммунная система организма — это сложнейший механизм, призванный оградить хозяина от любой опасности. А опасности могут быть очень разными. Я хотел бы попытаться рассказать о том, как иммунная система обнаруживает эти опасности, как она с ними борется, и как все это можно регулировать и использовать.
Что такое иммунитет и с чем его едят
Собственно, первичная задача иммунной системы — определить, что опасно, а что нет. Проблема в том, что не всегда это бывает очевидно. Наш организм имеет множество открытых портов: он должен поглощать пищу, воздух, воду, выводить отходы. К тому же мы — достаточно плохие админы и то и дело создаем новые уязвимости, например, при порезе или даже ушибе! И через каждый такой открытый порт идет огромное количество трафика, иногда просто ненужного, а иногда и опасного.
Иммунная система — это антивирус, который сканирует все пришедшее (а заодно и весь организм) и удаляет вирусы, а также бактерии, грибы и все остальное. Иногда она не справляется с задачей, и человек заболевает. Иногда в самой иммунной системе находится баг, и тогда человек страдает иммунодефицитом (не приобретенным, а одним из многочисленных врожденных). А иногда происходит ложное срабатывание, и тогда может развиться либо аллергия (если иммунная система среагировала на посторонний трафик), либо аутоиммунное заболевание навроде волчанки (если за вирус были приняты элементы организма).
Какими же способами иммунная система определят вирусы? Самое простое, как это ни странно, использовать какой-то из давно выработанных эвристических алгоритмов. Воспользоваться базой гораздо сложнее — ее ведь никто не напишет, придется генерить самому!
Эвристические алгоритмы — врожденный иммунитет
Существуют три основных врожденных механизма обнаружения инфекции: обнаружение инородного, фиксация опасности либо отсутствие специального маркера. На самом деле, в чистом виде ни один из них не встречается, и иммунная система использует все три, чтобы искоренить противника.
инородное
Эта теория была выдвинута в 1989 году британским иммунологом Чарльзом Джейнвеем. Речь в ней идет о том, что эволюция иммунной системы привела к способности распознавать некоторые характерные молекулярные особенности, которые часто встречаются среди патогенов, но отсутствуют в нормальном организме.
Эта гипотеза получила экспериментальное подтверждение в 1997 году, когда был открыт белок под названием толл-подобный рецептор 4 (TLR4). Мыши, у которых отсутствовал этот белок, не реагировали на эндотоксины грам-отрицательных бактерий, но при этом оказывались весьма уязвимыми для целого ряда инфекций.
Как потом выяснилось, толл-подобные рецепторы — это целое семейство чувствительных сенсоров, которые распознают различные элементы микробов. К примеру, TLR4 способен распознавать липополисахариды — элементы клеточной стенки некоторых бактерий; TLR5 — флаггелин, из которого сделаны бактериальные (и только бактериальные) жгутики, а TLR7 вообще расположен внутри клетки и реагирует на одноцепочечные молекулы РНК, характерные для вирусов.
Помимо семейства TLR, за распознание посторонних вторженцев отвечает целый ряд белков. К примеру, манноза-связывающий лектин распознает молекулы сахара маннозы на поверхности патогена, дектин-1 реагирует на грибы, а RIG-1, как и TLR7, находится внутри клетки и реагирует на вирусную РНК.
опасность
Все это выглядит просто прекрасно, но американский ученый Полли Матцингер поставила вполне закономерный вопрос: «Лактация у женщин начинается в зрелом возрасте, и белки молока — чужеродны для иммунной системы. Так почему иммунная система на них не реагирует?» В качестве ответа была предложена новая теория — теория опасности.
Клетки в нашем организме гибнут постоянно, много чаще, чем удаляются файлы в папке /tmp. Однако в норме организм это не беспокоит. Нормально гибнущие клетки прекращают свое существование при помощи апоптоза — сложной, почти что самурайской церемонии клеточного самоубийства. При этом мембрана клетки, которая имеет консистенцию, близкую к консистенции масляной пленки, распадается, формируя своеобразные мешки для трупов, в которых оказывается заключено бывшее содержимое клетки. С другой стороны, при травме, будь то порез, ушиб, обморожение или ожог кислотой, клетки лопаются (это называется некроз), выбрасывая свое содержимое в кровоток. Согласно теории Полли, именно это появление клеточных белков в крови должно запускать иммунную реакцию.
Помимо фактора некроза, существуют и другие сигналы опасности. В 2003 году было обнаружено, что клетки, подвергающиеся стрессу, выбрасывают в межклеточное пространство кристаллы мочевой кислоты, которая также стимулирует иммунную реакцию. Другими примерами такого рода могут служить фрагменты межклеточного матрикса, белки теплового шока и так далее. Вот почему царапина/ожог сопровождается покраснением, болью и опухлостью (хоть и небольшими), даже если заражения нет — иммунная система грузит процессор, фильтруя трафик, так как получили анонимное сообщение об угрозе вирусной атаки.
отсутствие маркера
В 1992 году было показано, что давно известные клетки под названием естественные киллеры (не путать с Т-киллерами), ответственные за борьбу с опухолями, нуждаются в постоянном сдерживании, чтобы не начать атаковать все вокруг себя. Механизмом этого подавления являются молекулы главного комплекса гистосовместимости (MHC I). В норме эти молекулы находятся на поверхности любой клетки организма, однако в опухолях производство этих молекул может быть прекращено. Также синтез MHC I могут блокировать некоторые вирусы (например, аденовирус или цитомегаловирус). Во всех этих случаях клетка-киллер прикрепляется к специальным рецепторам на поверхности клетки-жертвы и, не найдя молекул MHC, впрыскивает в жертву яд, ведущий к апоптозу — клеточной смерти.
Так или иначе, иммунная система может распознать большинство патогенов. Однако это распознавание в большинстве случаев не слишком быстрое и не слишком эффективное. Для улучшения чувствительности и производительности иммунная система может создавать собственные антивирусные базы при помощи T- и B-лимфоцитов. Об этом я постараюсь рассказать в следующей части, если кому-то это покажется интересным.
Спасибо за внимание!
P.s. Авторство данной статьи (как и возможных последующих) принадлежит Ивану Стеценко aka stetzen, у которого теперь уже есть аккаунт на Хабре (спасибо, markmariner!)
UPDATE: спасибо за карму, перенес в Биотехнологии.
UPDATE2: продолжение от автора.
Это мой первый пост на Хабре, так что очень вас прошу, не судите слишком строго.
Я полагаю, все вы видели многочисленные рекламные ролики про уязвимый иммунитет, и все помнят школьные уроки, на которых рассказывалось про фагоцитов, пожирающих бактерий. Однако иммунная система организма — это сложнейший механизм, призванный оградить хозяина от любой опасности. А опасности могут быть очень разными. Я хотел бы попытаться рассказать о том, как иммунная система обнаруживает эти опасности, как она с ними борется, и как все это можно регулировать и использовать.
Что такое иммунитет и с чем его едят
Собственно, первичная задача иммунной системы — определить, что опасно, а что нет. Проблема в том, что не всегда это бывает очевидно. Наш организм имеет множество открытых портов: он должен поглощать пищу, воздух, воду, выводить отходы. К тому же мы — достаточно плохие админы и то и дело создаем новые уязвимости, например, при порезе или даже ушибе! И через каждый такой открытый порт идет огромное количество трафика, иногда просто ненужного, а иногда и опасного.
Иммунная система — это антивирус, который сканирует все пришедшее (а заодно и весь организм) и удаляет вирусы, а также бактерии, грибы и все остальное. Иногда она не справляется с задачей, и человек заболевает. Иногда в самой иммунной системе находится баг, и тогда человек страдает иммунодефицитом (не приобретенным, а одним из многочисленных врожденных). А иногда происходит ложное срабатывание, и тогда может развиться либо аллергия (если иммунная система среагировала на посторонний трафик), либо аутоиммунное заболевание навроде волчанки (если за вирус были приняты элементы организма).
Какими же способами иммунная система определят вирусы? Самое простое, как это ни странно, использовать какой-то из давно выработанных эвристических алгоритмов. Воспользоваться базой гораздо сложнее — ее ведь никто не напишет, придется генерить самому!
Эвристические алгоритмы — врожденный иммунитет
Существуют три основных врожденных механизма обнаружения инфекции: обнаружение инородного, фиксация опасности либо отсутствие специального маркера. На самом деле, в чистом виде ни один из них не встречается, и иммунная система использует все три, чтобы искоренить противника.
инородное
Эта теория была выдвинута в 1989 году британским иммунологом Чарльзом Джейнвеем. Речь в ней идет о том, что эволюция иммунной системы привела к способности распознавать некоторые характерные молекулярные особенности, которые часто встречаются среди патогенов, но отсутствуют в нормальном организме.
Эта гипотеза получила экспериментальное подтверждение в 1997 году, когда был открыт белок под названием толл-подобный рецептор 4 (TLR4). Мыши, у которых отсутствовал этот белок, не реагировали на эндотоксины грам-отрицательных бактерий, но при этом оказывались весьма уязвимыми для целого ряда инфекций.
Как потом выяснилось, толл-подобные рецепторы — это целое семейство чувствительных сенсоров, которые распознают различные элементы микробов. К примеру, TLR4 способен распознавать липополисахариды — элементы клеточной стенки некоторых бактерий; TLR5 — флаггелин, из которого сделаны бактериальные (и только бактериальные) жгутики, а TLR7 вообще расположен внутри клетки и реагирует на одноцепочечные молекулы РНК, характерные для вирусов.
Помимо семейства TLR, за распознание посторонних вторженцев отвечает целый ряд белков. К примеру, манноза-связывающий лектин распознает молекулы сахара маннозы на поверхности патогена, дектин-1 реагирует на грибы, а RIG-1, как и TLR7, находится внутри клетки и реагирует на вирусную РНК.
опасность
Все это выглядит просто прекрасно, но американский ученый Полли Матцингер поставила вполне закономерный вопрос: «Лактация у женщин начинается в зрелом возрасте, и белки молока — чужеродны для иммунной системы. Так почему иммунная система на них не реагирует?» В качестве ответа была предложена новая теория — теория опасности.
Клетки в нашем организме гибнут постоянно, много чаще, чем удаляются файлы в папке /tmp. Однако в норме организм это не беспокоит. Нормально гибнущие клетки прекращают свое существование при помощи апоптоза — сложной, почти что самурайской церемонии клеточного самоубийства. При этом мембрана клетки, которая имеет консистенцию, близкую к консистенции масляной пленки, распадается, формируя своеобразные мешки для трупов, в которых оказывается заключено бывшее содержимое клетки. С другой стороны, при травме, будь то порез, ушиб, обморожение или ожог кислотой, клетки лопаются (это называется некроз), выбрасывая свое содержимое в кровоток. Согласно теории Полли, именно это появление клеточных белков в крови должно запускать иммунную реакцию.
Помимо фактора некроза, существуют и другие сигналы опасности. В 2003 году было обнаружено, что клетки, подвергающиеся стрессу, выбрасывают в межклеточное пространство кристаллы мочевой кислоты, которая также стимулирует иммунную реакцию. Другими примерами такого рода могут служить фрагменты межклеточного матрикса, белки теплового шока и так далее. Вот почему царапина/ожог сопровождается покраснением, болью и опухлостью (хоть и небольшими), даже если заражения нет — иммунная система грузит процессор, фильтруя трафик, так как получили анонимное сообщение об угрозе вирусной атаки.
отсутствие маркера
В 1992 году было показано, что давно известные клетки под названием естественные киллеры (не путать с Т-киллерами), ответственные за борьбу с опухолями, нуждаются в постоянном сдерживании, чтобы не начать атаковать все вокруг себя. Механизмом этого подавления являются молекулы главного комплекса гистосовместимости (MHC I). В норме эти молекулы находятся на поверхности любой клетки организма, однако в опухолях производство этих молекул может быть прекращено. Также синтез MHC I могут блокировать некоторые вирусы (например, аденовирус или цитомегаловирус). Во всех этих случаях клетка-киллер прикрепляется к специальным рецепторам на поверхности клетки-жертвы и, не найдя молекул MHC, впрыскивает в жертву яд, ведущий к апоптозу — клеточной смерти.
Так или иначе, иммунная система может распознать большинство патогенов. Однако это распознавание в большинстве случаев не слишком быстрое и не слишком эффективное. Для улучшения чувствительности и производительности иммунная система может создавать собственные антивирусные базы при помощи T- и B-лимфоцитов. Об этом я постараюсь рассказать в следующей части, если кому-то это покажется интересным.
Спасибо за внимание!
P.s. Авторство данной статьи (как и возможных последующих) принадлежит Ивану Стеценко aka stetzen, у которого теперь уже есть аккаунт на Хабре (спасибо, markmariner!)
UPDATE: спасибо за карму, перенес в Биотехнологии.
UPDATE2: продолжение от автора.
16.11.2009 19:07+0300