Гормональный контроль развития Т-клеток в норме и при патологии
Автор: old.medach.pro
Wilson Savino, Daniella Arêas Mendes-da-Cruz, Ailin Lepletier и Mireille Dardenne Абстракт. Физиология тимуса – первичного лимфоидного органа, в котором образуются Т-клетки, контролируется гормонами. Данные, полученные на животных моделях, свидетельствуют о множественном воздействии гормонов белковой и небелковой природы на тимус: они модулируют пролиферацию, дифференцировку, миграцию и апоптотическую гибель развивающихся тимоцитов. Например, гормон роста и пролактин могут усиливать пролиферацию и миграцию тимоцитов, в то время как глюкокортикоиды ведут к апоптозу этих развивающихся клеток. С возрастом тимус подвергается прогрессирующей атрофии с потерей числа генерируемых и экспортируемых клеток, таким образом, терапия на основе гормонов может стать альтернативной стратегией для восстановления органа, а также для увеличения пролиферации тимоцитов и экспорта зрелых Т-клеток в периферические лимфоидные органы. Некоторые гормоны (такие как гормон роста и прогонадолиберин-1) при этом используются как лекарственные средства для лечения иммунодефицитных расстройств, ассоциированных с атрофией тимуса, таких как ВИЧ-инфекция. В этом обзоре мы рассмотрим накопившиеся данные о том, что тимус находится под комплексным многофакторным гормональным контролем, который влияет на процесс развития Т-клеток в норме и при заболеваниях.
Введение
Сформировавшись в тимусе, зрелая Т-клетка мигрирует в периферические лимфоидные органы для инициации клеточного иммунного ответа. Важно, что гормоны могут контролировать физиологию тимуса, в том числе и развитие Т-клеток, а сам тимус может влиять на эндокринные оси. Открытия 1970х и 1980х годов показали, что неонатальная тимэктомия вызывает ненормальное развитие вторичных половых признаков и что клеточно-опосредованная антигенная стимуляция вызывает обратный ответ с продукцией глюкокортикоидов и интерлейкина-1. В течение 1980х было предположено существование обычной системы связи в нейроэндокринной и лимфоидной тканях: иммунные клетки могут продуцировать и выделять молекулы, которые обычно называют гормонами, а клетки нервной и эндокринной ткани в свою очередь продуцируют цитокины. В одном исследовании было показано, что стресс-индуцируемая активация гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой оси запускала сильно выраженную атрофию тимуса. С момента публикации этой новаторской работы, было обнаружено, что взаимовлияние иммунной и нейроэндокринной систем распространяется на другие эндокринные оси, включая те, что опосредованы взаимодействиями между лимфоцитами и клетками микроокружения в тимусе, селезенке и в лимфатических узлах и гормонами, секретируемыми гипоталамо-гипофизарно-гонадной, гипоталамо-гипофизарно-щитовидной и гипоталамо-соматотропиной/ пролактиновой осями. В добавок ко всему прочему, нервная система может влиять на тимус посредством прямой иннервации кровеносных сосудов и паренхиматозных клеток, но это рассматривается в других источниках. Принимая во внимание разнообразие взаимодействий между нейронами, клетками эндокринной и иммунной систем, неудивительно, что нарушение работы одной из этих систем может влиять на другие и ведет к развитию тех заболеваний, которые встречаются во время старения, и к некоторым инфекционным заболеваниям, таким как болезнь Чагаса и малярия. В этом обзоре мы описываем эффект гормонов на функционирование тимуса и их роль в развитии Т-клеток в норме и при болезнях.

Ключевые моменты

  • Тимус – первичный лимфоидный орган, ответственный за образование Т-клеток.
  • Физиология тимуса и развитие Т-клеток находятся под гормональным контролем посредством разнообразных эндокринных и паракринных путей.
  • Клетки микроокружения в тимусе постоянно продуцируют гормоны, которые характерны для гипофиза, такие как гормон роста, пролактин, окситоцин, вазопрессин.
  • Глюкокортикоиды вызывают элиминацию тимоцитов посредством апоптоза с участием каспаз, в то время как гормон роста усиливает пролиферацию и миграцию тимоцитов.
  • Учитывая разнообразие взаимодействий между эндокринной, нервной и иммунной системами можно заключить, что нарушения нормальной деятельности в одной из этих систем могут сказываться на других системах.
  • Острая инфекция, вызванная Trypanosoma cruzi (возбудитель болезни Чагаса), индуцирует атрофию тимуса посредством глюкокортикоид-зависимой элиминации тимоцитов, которой может препятствовать экзогенный пролактин.
Развитие Т-клеток
Весь процесс дифференцировки Т-клеток проходит внутри трехмерной сети тимического микроокружения (Рисунок 1). Эта сеть состоит из нелимфоидных клеток (таких как тимусные эпителиальные клетки-ТЭК), экстраклеточного матрикса и растворимых агентов – цитокинов или хемокинов, и хорошо известных тимических гормонов: тимулина, тимопоэтина и тимозина. Другие гормоны, включая гормон роста, пролактин, окситоцин и глюкокортикоиды, продуцируемые эндокринными железами - гипофизом и надпочечниками, также вовлечены в тимическое микроокружение. Из красного костного мозга предшественники лимфоцитов мигрируют в тимус, попадая в него через посткапиллярные венулы, расположенные близко к кортико-медуллярной зоне долек тимуса (Рисунок 1а). Развивающиеся тимоциты дифференциально экспрессируют молекулы, которые характеризуют хорошо выраженные стадии нормального развития Т-клеток. Среди этих молекул экспрессия Т-клеточного рецептора на мембране вместе с корецепторами CD4 и CD8 может использоваться для отслеживания дифференцировки клеток внутри тимуса с помощью цитофлуориметрии. Т-клеточный рецептор является гетеродимером (преимущественно состоит из 1 α- и 1 β-цепи) и образуется в результате соматической рекомбинации разных сегментов гена (известных как V, D и J). Такой механизм обеспечивает образование огромного числа разных Т-клеточных рецепторов, которые в совокупности формируют репертуар Т-клеточных рецепторов. Вплоть до 1020 событий рекомбинации могут происходить в течение селекции в тимусе, это ассоциировано с образованием 108 Т-клеток у мыши и 1012 Т-клеток у человека. Большинство незрелых тимоцитов не экспрессируют как Т-клеточный рецептор, так и CD4 и CD8, из-за отсутствия СD4 и CD8 на мембранах они называются двойные негативные тимоциты (далее в тексте DN-double negative). Клетки, которые начали экспрессировать корецепторы CD4 и CD8 называются двойными позитивными (далее в тексте DP-double positive). На этой стадии развивающиеся тимоциты слабо экспрессируют мембранные Т-клеточные рецепторы и могут быть охарактеризованы как TCRlowCD4+CD8+. Эти тимоциты занимают большую часть кортикальной зоны долек тимуса. В течение этой фазы DP клетки проходят позитивную селекцию, которая позволяет клеткам, которые экспрессируют Т-клеточный рецептор, взаимодействовать с клетками микроокружения и продолжить дифференцировку, в то время как клетки, которые не экспрессируют Т-клеточный рецептор подвергаются апоптозу. В процессе последующей дифференцировки эти клетки усиливают экспрессию Т-клеточного рецептора и прекращают экспрессию одного из корецепторов: CD4 или CD8, таким образом становясь моноположительными клетками (далее в тексте SP-single positive) с фенотипом TCRhighCD4+CD8– или TCRhighCD4–CD8+. Эти SP клетки подвергаются апоптозу, если они обладают слишком высоким или слишком низким сродством к T-клеточному рецептору и к комплексу эндогенный белок-главный комплекс гистосовместимости (ГКГ) I типа или эндогенный белок-ГКГ II типа, которые экспрессируются клетками микроокружения тимуса (особенно на ТЭК и на тимических дендритных клетках). В мозговом веществе тимуса ТЭК экспрессируют органоспецифические антигены. Эти антигены – белки, экспрессия которых характерна для большинства паренхиматозных органов, и которые по совместительству являются аутоантигенами, например инсулин, который экпрессируется эндокринными клетками островков Лангерганcа. Экспрессия органоспецифических антигенов находится под контролем продукта гена AIRE (Autoimmunity regulator), который позволяет ТЭК мозгового вещества презентовать аутологичные пептиды развивающимся тимоцитам. Этот процесс позволяет избежать развития клеток, реагирующих на аутоантигены, и, следовательно, препятствует аутоиммунным реакциям. Зрелые SP тимоциты, выжившие после процесса негативной селекции, могут в конечном счете переселиться из тимуса во вторичные лимфоидные органы (такие как селезенка, лимфатические узлы, миндалины и аппендикс), где они составят периферический пул Т-лимфоцитов (Рисунок 1а). В процессе дифференцировки тимоциты мигрируют вглубь долек тимуса. DN клетки обнаруживаются в субкапсулярной зоне коры долек тимуса, в то время как DP клетки обнаруживаются во внутренней части коркового вещества, а зрелые SP тимоциты находятся в мозговой зоне (Рисунок 1а). Развивающиеся тимоциты разным образом взаимодействуют с компонентами тимического микроокружения: прямые взаимодействия клетка-клетка, взаимодействие с компонентами экстраклеточного матрикса, взаимодействие с растворимыми агентами, такими как цитокины, хемокины, сфинголипиды и гормоны (Рисунок 1b и 2). В раннем развитии Т-клеток внутри тимуса ключевые взаимодействия типа клетка-клетка опосредованы белком notch (neurogenic locus notch homologue protein 1), который экспрессируется предшественниками Т-клеток и белком Dll4 (delta-like protein 4), который экспрессируется тимическим эпителием. Нарушение экспрессии DLL4 в ТЭК полностью блокирует тимопоэз. Тимус подвергается физиологической возрастной атрофии: элиминируются развивающиеся тимоциты, происходят изменения в компартментах микроокружения, жировая ткань инфильтрирует орган, вторично по отношению к фиброадипогенной трансформации. Архитектура кортико-медуллярной ткани постепенно теряется, наряду со снижением экспорта тимоцитов. Этот процесс воздействует на периферические Т-клеточные компартменты с последующим понижением иммунореактивности в процессе старения. Помимо этого, эпителиальный компартмент стареющей мыши изменяется как в корковой, так и в мозговой зоне: уменьшается количество ТЭК (включая медуллярные ТЭК, которые экспрессируют AIRE), вследствие чего редуцируются органоспецифические антигены, что в теории содействует всевозможным аутоиммунным событиям у стареющих особей. Молекулярные механизмы возрастной инволюции тимуса известны не полностью. И все же, разработано несколько доклинических и клинических методик для восстановления активности органа, которые ведут к существенному улучшению функционирования тимуса, это такие подходы как абляция половых стероидных гормонов и терапия гормоном роста и интерлейкином-7 (ИЛ-7).
Гормонально-опосредованный цикл превращений в тимусе
Гормональный контроль тимуса включает как эндокринные, так и паракринные/аутокринные пути, которые воздействуют на клетки тимического микроокружения и тимоциты через специфические рецепторы, связывающие гормоны. Таким образом, гормоны регулируют пролиферацию и выживание как лимфоидных клеток тимуса, так и клеток микроокружения, а заодно и селекцию Т-клеточного репертуара, что является механизмом, частично связанным с регуляцией активации Т-клеточного рецептора во время связывания ГКГ с белком. Многие гормоны регулируют миграцию и экспорт развивающихся Т-клеток (Таблица 1 и 2). Рисунок 1. Источник: журнал Nature. Рисунок 1. Источник: журнал Nature. A Предшественники Т-клеток входят в тимус через пост-капиллярные венулы в кортико-медуллярной зоне тимических долек и проходят через разные типы микроокружения: наружная кора, за ней внутренняя кора и мозговое вещество (медулла). Тимоциты взаимодействуют с клетками тимического микроокружения, такими как кортикальные ТЭК, медуллярные ТЭК, дендритные клетки и макрофаги. Развивающиеся Т-клетки регулируют уровни экспрессии таких белков, как Т-клеточный рецептор (гетеродимер), CD3 комплекс, CD4, CD8, CD24, CD25, CD44, CD69 и CD62 лиганд, все они могут выступать в роли маркеров для определения текущей стадии развития Т-клетки внутри органа. B Взаимодействия клеток тимического микроокружения опосредованы множеством механизмов: взаимодействие комплексов TCR и MHC/эндогенный белок (1), прямые взаимодействие клетка-клетка посредством Notch и Delta-like protein 4 (2), компоненты экстраклеточного матрикса ламинин и фибронектин связывают тимоциты с ТЭК через мембранные рецепторы интегринового типа (3), активация хемокинами и другими растворимыми агентами рецепторов, связанных с G-белками (4), активация посредством цитокинов и пептидных гормонов: IL-1, IL-7, гормон роста и пролактин (5). Аббревиатуры: ТЭК – тимические эпителиальные клетки, DN – двойные негативные лимфоциты, DP – двойные позитивные, MHC – главный комплекс гистосовместимости, TCR – Т-клеточный рецептор, SP – моноположительные. Гормоны гипоталамуса, воздействующие на тимус – это белки, полученные из особых нейронов специальных ядер гипоталамуса, аксоны этих нейронов выделяют гормональное содержимое в специализированную сосудистую сеть, которая позволяет гормонам воздействовать на аденогипофиз (переднюю долю гипофиза). Гормоны, секретируемые аденогипофизом, направленно стимулируют выработку гормонов другими эндокринные мишенями и оказывают воздействие на рост тканей, что влияет и на многие аспекты физиологии тимуса (Рисунок 2).
Гормон роста – Инсулиноподобный фактор роста 1
Изолированные ex vivo тимоциты и первичные культуры клеток ТЭК могут производить и секретировать гормон роста. Экспрессия рецепторов гормона роста первоначально описывалась в культивируемых ТЭК человека и получила подтверждение при колокализации рецепторов с мечеными цитокератинами в тимусе птиц. Экспрессия рецепторов гормона роста особенно выражена в незрелых тимоцитах как у мышей, так и у людей. Некоторые функции тимуса находятся под контролем гормона роста. Трансгенные мыши со сверхэкспрессией гормона роста имеют увеличенный тимус, подобные результаты наблюдаются у мышей и людей, получивших рекомбинантные формы гормона. Гормон роста регулирует тимическое микроокружение, повышая секрецию цитокинов, хемокинов и тимулина. Любопытно, что у пациентов с акромегалией обнаружен высокий титр тимулина в сыворотке по сравнению с соответствующей возрастной группой здоровых людей или пациентов с акромегалией, принимавших окреатид или перенесших операцию на гипофизе. Впрочем, структура тимуса у этих пациентов не обследовалась неинвазивными методами. Однако, есть единственный упомянутый в литературе случай, когда пациент с акромегалией и высоким уровнем гормона роста и ИФР-1 (инсулиноподобный фактор роста-1) обладал гиперплазией тимуса, что было выяснено с помощью рентгеноскопии и компьютерной томографии. Гормон роста способствует депонированию белков, вовлеченных в миграцию клеток, таких как ламинины и стромальный клеточный фактор-1. Миграция тимоцитов, полученных от трансгенной по гормону роста мыши или от мыши, в тимус которой был инъецирован гормон роста, усиливается в сторону источников стромального клеточного фактора-1 и ламининов. Любопытно, что число клеток, вышедших из тимуса, повышается и в периферических лимфоидных органах в обеих мышиных моделях. Эти данные наводят на мысль о том, что гормон роста индуцирует изменения репертуара Т-клеток тимуса и периферических лимфоидных органов, хотя пока нет экспериментальных данных, подтверждающих это суждение. Рисунок 2. Источник: журнал Nature. Рисунок 2. Источник: журнал Nature. Тимус находится под контролем гормонов белковой и небелковой природы. Нейроэндокринный контроль тимуса включает симпатическую и парасимпатическую иннервацию органа с локальной выработкой нейротрансмиттеров, таких как норадреналин и ацетилхолин. Аббревиатуры: АДГ – антидиуретический гормон (вазопрессин), Адр – адреналин, АКТГ – адренокортикотропный гормон, АХ – ацетилхолин, Е2 – эстрадиол, ЛГ – лютеинизирующий гормон, НА – норадреналин, ПГ – прогестерон, СРГ – соматотропин-рилизинг-гормон (соматолиберин), Т3 – трийодтиронин, Т4 – тироксин, ТРГ – тиреотропин-рилизинг-гормон (тиролиберин), ТТГ – тиреотропный гормон (тиреотропин), ФСГ – фолликулостимулирующий гормон. Большая часть эффектов гормона роста в теле контролируется производством и выработкой ИФР-1. Клетки тимуса могут продуцировать и выделять ИФР-1, а также и экспрессировать соответствующий рецептор. Усиление эффекта гормона роста в результате продукции тимулина, экспрессия элементов экстраклеточного матрикса и адгезия развивающихся тимоцитов к ТЭК - всё это может быть прекращено после обработки клеток антителами к гормону роста, к ИФР-1 или к рецептору ИФР-1. Несмотря на то, что желудок считается главным источником периферического грелина, этот гормон также экспрессируется иммунными клетками и регулирует активацию Т-клеток и последующее воспаление. Грелин способствует выработке гормона роста, воздействуя на специфический рецептор связанный с G-белком: GHS-R (GH secretagogue receptor type 1 -рецептор стимулятора секреции гормона роста типа 1). Было показано наличие мРНК GHS-R и самого белка в Т-клетках человека и грызунов; ацил-грелин и дезацил-грелин также продуцируются и секретируются при активации Т-клеток. GHS-R экспрессируется в тимусе и разнообразных субпопуляциях тимоцитов, с наибольшей экспрессией в DP клетках; уровень экспрессии падает в процессе старения. Введение грелина старой мыши ведет к обращению ассоциированных с возрастом изменений архитектуры тимуса и увеличивает количество ранних предшественников тимоцитов, что приводит к росту числа тимоцитов, а также и недавних эмигрантов из тимуса на периферии. Рецепторы гормона роста, пролактина и лептина принадлежат к 1 классу суперсемейства цитокиновых рецепторов и состоят из экстраклеточного лиганд-связывающего домена, трансмембранного домена и внутриклеточного домена. Эти рецепторы не обладают истинной киназной активностью и передают сигнал через киназы, которые взаимодействуют с цитоплазматическим хвостом рецепторов. Главный сигнальный путь, который активируется этими рецепторами – JAK/STAT путь (Рисунок 3). Связывание лиганда индуцирует димеризацию рецептора и активацию Янус-киназы 2 (JAK2), которая, в свою очередь, фосфорилирует множественные тирозиновые остатки, обеспечивая присоединение STAT1, STAT3 и STAT5. Фосфорилированный по тирозину STAT5 диссоциирует от рецептора, димеризуется и переходит в ядро, где связывается с промоторами таргетных генов.
Пролактин
Развивающиеся тимоциты конститутивно продуцируют пролактин, и медуллярные ТЭК выглядят как главный источник этого белка. Также мы показали, что рецептор пролактина экспрессируется медуллярными ТЭК, а активация рецепторов ведет к пролиферации этой клеточной субпопуляции. Более того, большинство тимических дендритных клеток экспрессируют ген PRLR (кодирует рецептор пролактина), когда эти клетки обрабатывают пролактином, они увеличивают способность реагировать в аллогенных лейкоцитарных реакциях. Подобный эффект возможно связан с повышением поверхностной экспрессии ГКГ и костимулирующей молекулы CD80. PRLR также экспрессируется тимоцитами, и этот процесс не зависит от стадии созревания тимоцита; экспрессия рецептора пролактина повышается в ответ на стимуляцию митогенными факторами, например конканавалином А, а также и на высокий уровень пролактина. Несмотря на нормальное развитие иммунной системы у мышей с недостаточной продукцией пролактина или слабой экспрессией PRLR, было показано, что пролактин – это важный фактор выживания и пролиферации ранних DN предшественников Т-клеток с фенотипом CD25+CD4–CD8–. Соответственно, моноклональные антитела к пролактину и к рецептору пролактина блокируют развитие Т-клеток, что ведет к аккумуляции DN клеток в тимусе. Эти данные свидетельствуют о том, что пролактин участвует в физиологическом регулировании работы тимуса, но не является ключевым фактором в развитии тимуса. Похоже, что пролактин противодействует иммуносупрессивному эффекту глюкокортикоидов в тимусе в условиях стресса, что было продемонстрировано in vivo на разных моделях: повышение уровня циркулирующего в крови пролактина защищает тимоциты от апоптоза, индуцированного глюкокортикоидами. Таблица 1. Источник: журнал Nature. Таблица 1. Источник: журнал Nature.
Нейропептиды
Задняя доля гипофиза (нейрогипофиз) выделяет нейропептиды окситоцин и вазопрессин, которые оказывают влияние на физиологию тимуса. ТЭК продуцируют вазопрессин и окситоцин, но в самих тимоцитах продукции вазопрессина обнаружено не было. Рецептор окситоцина, связанный с G-белком, был обнаружен на всех субпопуляциях тимоцитов, в то время как рецептор вазопрессина V1b был найден только на DP и CD8+ клетках. Функционально, ингибирование рецептора окситоцина в культуре ткани фетального тимуса повышает степень раннего апоптоза взрослых CD8+ Т-клеток, а антагонисты рецептора вазопрессина V1b, такие как nelivaptan, ингибируют дифференцировку Т-клеток и способствуют развитию CD8+ Т-клеток. И все-таки, много работы еще предстоит сделать для того, чтобы установить интратимическую роль этих нейропептидов.
Лептин
Лептин экспрессируется в тимусе и функционирует посредством связывания с лептиновым рецептором. У мышей линии db/db (диабетические мыши) развивается сахарный диабет 2 типа и ожирение, также для них характерен недостаток лептинового рецептора. Наши исследованиях позволили сделать вывод, что db/db мыши также подвержены преждевременной инволюции тимуса с большой потерей тимоцитов и аккумуляцией адипоцитов в органе. По-видимому, экспрессия лептинового рецептора в тимусе ограничена клетками микроокружения, активация этих клеток лептином защищает орган от потери лимфоидной и ТЭК популяции во время сильной стресс-индуцированной атрофии тимуса. Несмотря на это, при введении лептина здоровой мыши никакого воздействия на тимопоэз не наблюдалось. Таким образом, уровень интратимической мРНК лептина селективно повышается в клетках микроокружения у молодых крыс, рожденных лишенными белка самками, что, в свою очередь, защищает тимоциты от апоптоза. Лептин и грелин поддерживают тимопоэз. В добавок к изменяющемуся репертуару Т-клеточных рецепторов, оба гормона частично обращают возрастную инволюцию тимуса, хотя и разными механизмами.
Тиреоидные гормоны
Некоторые данные свидетельствуют о том, что метаболические каскады, ассоциированные с тиреоидным гормоном, можгут регулировать работу тимуса. К примеру, пациенты с гипертиреозом, имеют повышенное количество тимоцитов, что ведет к гиперплазии тимуса. В соответствии с этими данными, у мышей, которым ввели экзогенный Т3, было выявлено увеличение таких параметров, как размер тимуса, насыщенность тимуса клетками и количество циркулирующих тимоцитов. Более того, системное лечение или интратимическое введение Т3 усиливает адгезию и миграцию тимоцитов в сторону молекул экстраклеточного матрикса. Подобные биологические эффекты происходят из-за активации ядерных рецепторов Т3, которые экспрессируются как в развивающихся тимоцитах, так и в ТЭК. Несмотря на то, что данных о интратимической продукции тиреоидного гомона нет, данные, полученные в ходе иммуноцитохимии, свидетельствуют о том, что тиреотропный гормон (ТТГ) может продуцироваться ТЭК – это было обнаружено при иммуноцитохимическом анализе с использованием антител к субъединице бета-ТТГ в субкапсулярной и корковой зонах тимуса. Более того, TSHR (кодирует рецептор ТТГ) дифференциально экспрессируется в тимусе человека в процессе развития Т-клеток, а у мышей с недостатком экспрессии рецептора ТТГ уменьшается количество DP и SP тимоцитов в сравнении с мышью дикого типа – это свидетельствует о том, что ТТГ играет роль ростового фактора для развивающихся Т-клеток. Таким образом, нарушение TSHR-обусловленной регуляционной активности экспрессии генов посредством ингибирования транскрипционного репрессора – белка острого промиелоцитарного лейкоза (белок содержит домен типа «цинковые пальцы») в тимусе запускает аутоиммунную реакцию на щитовидную железу в связи с высвобождением TSHR-реактивных T-клеток от негативной селекции. В добавок ко всему, ген TRH, который кодирует предшественник тиреотропин-рилизинг гормона, транскрибируется в тимусе крыс. Принимая во внимание локальную продукцию предшественника тиреотропин-рилизинг гормона, интратимическую экспрессию рецептора ТТГ и тот факт, что этот нейропептид способен усиливать пролиферацию тимоцитов, можно заключить, что аутокринные/паракринные сети, контролируемые тиротропиновым рецептором, могут контролировать физиологию тимуса. Хотя до сих пор остается загадкой, осуществляется ли в тимусе полный каскад тиреотропин-рилизинг гормон – ТТГ – Т3/Т4. Таблица 2. Источник: журнал Nature. Таблица 2. Источник: журнал Nature.
Половые гормоны
Рецепторы андрогенов и эстрогенов найдены на тимоцитах и клетках микроокружения. Рецепторы андрогенов в большинстве своем обнаружены на DN и CD8+ клетках. Сигнальные пути эстрогеновых рецепторов очень важны для нормального развития тимуса у мышей. Также эстроген препятствует развитию тимомы посредством ингибирования пролиферации ТЭК – это было установлено при добавлении эстрогена и антиэстрогена в первичную культуру эпителиальных клеток тимомы человека. Несмотря на то, что эстрогены, как и андрогены оказывают ингибирующее воздействие на рост тимуса, у мышей после овариэктомии повышение числа периферических Т-клеток не было ассоциировано с усилением тимопоэза, что наблюдалось при орхиэктомии. Эффект, обнаруженный в этом исследовании, предположительно является следствием распространения на периферии уже существующих клеток. Хотя выработка половых стероидных гормонов не наблюдалась в тимусе, прогонадолиберин-1 (также известный как рилизинг-фактор лютеинизирующего гормона), который стимулирует гипоталамо-гипофизарно-гонадную ось, экспрессируется тимоцитами крыс. У крыс прогонадолиберин-1 может стимулировать пролиферацию клеток тимуса посредством направленного воздействия на специфичные рецепторы к прогонадолиберину-1.
Глюкокортикоиды
В тимусе основной мишенью для иммуносупрессии, ассоциированной с глюкокортикоидами, являются незрелые DP тимоциты, при стимуляции глюкокортикоидами в этой популяции клеток отмечены высокая частота апоптоза и пониженная степень пролиферации. По всей видимости, такое резковыраженное воздействие глюкокортикоидов на тимоциты зависит от количества воздействующих глюкокортикоидов. Хотя высокий уровень глюкокортикоидов требуется для запуска апоптоза тимоцитов, клетки, подвергшиеся воздействию глюкокортикоидов в небольших количествах, не претерпевают апоптоз, опосредованный Т-клеточными рецепторами. Локальные сети, контролируемые глюкокортикоидами (продуцируются клетками ТЭК), предположительно являются главным медиатором глюкокортикоид-позитивной роли в селекции тимоцитов, уменьшая аффинность связывания TCR собственным лигандом, представленным на MHC и спасающим тимоциты от пути негативной селекции. Несмотря на то, что отсутствие сигналинга глюкокортикоидных рецепторов не оказывает никакого влияния на развитие тимоцитов, удаление этих рецепторов до селекции ведет к увеличению размера тимуса. Этот эффект связан с повышением антиген-специфической негативной селекции DP тимоцитов и с изменением репертуара Т-клеточных рецепторов поликлональных Т-клеток. Глюкокортикоидные рецепторы экспрессируются как в цитоплазме, так и в ядре тимоцитов. После связывания глюкокортикоида со своим рецептором комплекс переносится в ядро клетки для регуляции экспрессии таргетных генов (Рисунок 4). В тимусе человека частота встречаемости глюкокортикоидных рецепторов повышается в незрелых тимоцитах, что коррелирует с повышением чувствительности к эффекту воздействия глюкокортикоидов, чего не случается со зрелыми тимоцитами. Рисунок 3. Источник: журнал Nature. Рисунок 3. Источник: журнал Nature. A Связывание гормона роста с рецептором рекрутирует и активирует связанную с рецептором тирозинкиназу JAK2, которая в свою очередь фосфорилирует собственные тирозиновые остатки и тирозиновые остатки рецептора горомна роста. Эти тирозины формируют сайты связывания для некоторых сигнальных белков – членов семейства STAT. Среди известных сигнальных молекул, участвующих в сигналинге от гормона роста, именно белки STAT5 играют чрезвычайно важную роль в регуляции транскрипции. В ядре фосфорилированный STAT5 связывается с промоторами таргетных генов, например CRE. Линия мышиных ТЭК обработана гормоном роста, можно заметить повышенную экспрессию JAK2, JAK2, STAT5, CDK2 и CDK4 (обнаружено с помощью иммуноцитохимии). Общее количество ТЭК возрастает при обработке гормоном роста по сравнению с контролем. Аббревиатуры: JAK2 – Янус-киназа 2, CDK - циклин-зависимая киназа, CRE - cAMP response element, СТГ – соматотропный гормон (гормон роста), P – фосфорилированный, STAT5 - signal transducers and activators of transcription 5, ТЭК – тимические эпителиальные клетки. График С был модифицирован с разрешения Wiley © Savino, W. et al. Scand. J. Immunol. 55, 442–452 (2002). На мышах мы продемонстрировали, что повышение количества циркулирующих глюкокортикоидов ведет к снижению экспрессии глюкокортикоидного рецептора альфа у DP клеточной субпопуляции. Глюкокортикоидные рецепторы были обнаружены в культурах клеток ТЭК, а бета изоформа рецетора была обнаружена in situ на медуллярных ТЭК. β-изоформа оказывает доминантно-негативный эффект на индуцированную глюкокортикоидом-α трансактивацию промоторов, находящихся под GRE (glucocorticoid response element) - элементом отклика глюкокортикоидов. Помимо экспрессии глюкокортикоидных рецепторов, как ТЭК, так и развивающиеся тимоциты экспрессируют все ферменты и кофакторы, необходимые для синтеза глюкокортикоидов. ТЭК синтезируют кортикостерон, а тимоциты синтезируют глюкокортикоиды - это было очень изящно продемонстрировано на клеточной линии, трансфицированной глюкокортикоидным рецептором, после чего она была коинкубирована с тимоцитами. Оказалось, что DP клетки являются главной субпопуляцией тимоцитов, которая производит глюкокортикоиды. Глюкокортикоиды, выделяемые тимоцитами, оказывают антипролиферативный эффект на клеточную линию и индуцируют апоптоз тимоцитов. Похоже, что POMC (ген, кодирующий проопиомеланокортин, молекула которого расщепляется с образованием адренокортикотропного гормона, далее АКТГ) конститутивно экспрессируется в ТЭК и дендритных клетках тимуса. ТЭК экспрессируют рецептор АКТГ и подтип 2 рецептора меланокортина, активация этих рецепторов регулирует экспансию тимоцитов, когда системная концентрация глюкокортикоидов низкая. Есть данные о продуцировании кортикотропин-рилизинг фактора тимоцитами. В совокупности, эти данные свидетельствуют о том, что схема связей, подобная той, которую можно наблюдать в гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой оси может также присутствовать внутри тимуса, но необходимы дальнейшие исследования этой системы.
Инфекция и развитие Т-клеток
Атрофия тимуса – общий признак острых инфекционных заболеваний, вызванных вирусами, бактериями, паразитами или грибами. Атрофия часто связана с гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой дисфункцией и может быть описана на примере изменений, наблюдаемых у пациентов с болезнью Чагаса (основная санитарно-гигиеническая проблема Латинской Америки). Возбудителем заболевания является паразитическое простейшее Trypanosoma cruzi. Ранее нами было показано, что атрофия, наблюдаемая у мышей с острой инфекцией, вызванной Trypanosoma cruzi, характеризуется потерей DP тимоцитов, которые экспрессируют низкий уровень Т-клеточных рецепторов в совокупности с анормальным выходом незрелых тимоцитов. Причем у некоторых тимоцитов эти Т-клеточные рецепторы относятся к семейству Vβ: при нормальных условиях тимоциты, несущие рецепторы этого семейства подвергаются апоптозу, и, возможно, именно наличие подобных тимоцитов приводит к аутоиммунным реакциям. Прогрессивная атрофия тимуса, вызванная Trypanosoma cruzi, сопровождается повышением уровня циркулирующих глюкокортикоидов, было обнаружено, что атрофию можно предотвратить у адреналэктомированных мышей, обработанных антагонистом рецепторов глюкокортикоидов RU486. Любопытно, что мы также обнаружили пониженный уровень кортиколиберина в гипоталамусе инфицированной Trypanosoma cruzi мыши с незначительными изменениями в количестве циркулирующего АКТГ, но был отмечен высокий уровень ИЛ-6, цитокина, который направленно воздействует на клетки надпочечников и стимулирует выделение кортикостерона. К тому же, с помощью иммуноцитохимии было показано уменьшение количества гормона роста и пролактина в гипофизе инфицированной Trypanosoma cruzi мыши и в in vitro инфицированных клетках линии опухоли гипофиза крысы GH3. Таким образом было выяснено, что пролактин является еще одой молекулой адаптации к стрессу, и его выработка изменяется при инфицировании Trypanosoma cruzi. Обратные динамические изменения зафиксированы для уровня глюкокортикоидов и пролактина в сыворотке у мышей, подвергшихся острой форме болезни Чагаса. Этот результат свидетельствует о том, что иммуносупрессия, которая появляется после инфицирования Trypanosoma cruzi, отчасти появляется из-за нарушения баланса гормона стресса (Рисунок 4а). Рисунок 4. Источник: журнал Nature. Рисунок 4. Источник: журнал Nature. A Инфицирование трипаносомой T. сruzi ведет к тому, что надпочечники синтезируют глюкокортикоиды без изменения уровня АКТГ. В это же время, инфекция понижает синтез пролактина и/или его выделение гипофизом. Инфицирование T. сruzi также ведет к понижению интратимического содержания глюкокортикоидов и увеличивает количество локально производимого пролактина. B Незрелые DP тимоциты, чувствительные к апоптозу, вызванному инфекцией T. сruzi, обладают повышенным уровнем рецепторов к глюкокортикоидам (синий прямоугольник). Связавшийся с глюкокортикоидами рецепторный комплекс транслоцируется в ядро, где он активирует транскрипцию проапоптотических белков, связавшись с GRE. C Пролактин контролирует STAT5 сигнальный путь (опосредованный введением экзогенного пролактина), который обладает защитным воздействием от инфекции T. сruzi, посредством связывания с комплексом глюкокортикоидного рецептора и ингибирования про-апоптотических эффектов глюкокортикоидов. Аббревиатуры: GRE - glucocorticoid response element (элемент отклика глюкокортикоидов), JAK2 – Янус-киназа 2, Р - фосфорилирование, STAT5 - signal transducers and activators of transcription 5, АКТГ – адренокортикотропный гормон, ГК – глюкокортикоиды. Повышение титра глюкокортикоидов в сыворотке сопровождалось повышением интратимического уровня кортикостерона во время острой инфекции Trypanosoma cruzi, что свидетельствует о том, что контроль интратимической выработки глюкокортикоидов независим от системного уровня глюкокортикоидов. У DP тимоцитов мыши, инфицированной Trypanosoma cruzi, понижено количество мРНК глюкокртикоидного рецептора и повышена экспрессия PRLR (ген, кодирующий рецептор пролактина). Это говорит о том, что в DP клетках пролактин противодействует эффекту глюкокортикоидов, воздействуя на сигнальный путь глюкокортикоидных рецепторов (Рисунок 4b). Таким образом, сигналинг от рецептора пролактина, идущий через STAT5 сигнальный путь, подавляет глюкокортикоид-индуцированный апоптоз в Т-клетках. Следовательно, восстановление системного уровня пролактина при лечении метирапоном (стимулирует синтез АКТГ) может предотвратить атрофию тимуса, снижая апоптоз DP клеток и их количество на периферии иммунной системы. Эти данные указывают на то, что пролактин-зависимая защита тимуса оказывает влияние на анормальный экспорт этих незрелых и потенциально аутрореактивных Т клеток.
Гормональная терапия
При возрастной инволюции тимуса происходят изменения в лимфоидном компартменте и компартменте микроокружения, это ведет к потере экспорта Т-клеток на периферию иммунной системы. Хотя общее число Т-клеток на периферии с возрастом не уменьшается, наивные Т-клетки замещаются Т-клетами памяти у человека и у мышей. Более того, процесс старения ведет к подавлению пролиферации Т-клеток, продукции цитокинов и CD8-зависимой цитотоксичности, что способствует уменьшению ответа Т-клеток. Ускоренная инволюция тимуса отмечена при патологических состояниях, например при истощении или острых инфекциях, вызванных, например, T. cruzi и Paracoccidioides brasiliensis, или при некоторых иммунодефицитных состояниях, например при ВИЧ инфекции. Таким образом, восстановление тимуса является потенциальной лечебной стратегией для предотвращения инволюции органа.
Возраст-зависимая инволюция тимуса
В процессе старения в сыворотке крови падает концентрация гормона роста и ИФР-1. Гормон роста усиливает пролиферацию ТЭК in vitro (Рисунок 3b) и суммируется с анти-CD3 в стимулирующем пролиферацию тимоцитов эффекте. Таким образом, гормон роста является потенциальным вспомогательным терапевтическим агентом для обращения возраст-зависимой инволюции тимуса. Положительный эффект на рост тимуса был отмечен у 24-месячных крыс, которым были имплантированы клетки гипофизарной опухоли, продуцирующей гормон роста и пролактин. Напротив, мышь с нокаутом по рецептору гормона роста обладает сильно выраженным преждевременным снижением синтеза тимулина, что указывает на функциональную недостаточность тимического эпителия. Несмотря на то, что исследования функции тимуса у детей с типичным синдромом Ларона (причиной синдрома служат мутации в гене, кодирующем рецептор гомона роста) не проводились, для них характерны основные нарушения иммунной системы. Интересно, что мутации в STAT5b (кодирует компонент сигнального пути от гормона роста), дефекты роста коррелируют с иммунодефицитным состоянием. Гормон роста способен улучшить функционирование тимуса, повысить приживаемость костного мозга и стимулировать гемопоэз у старых животных или у животных с подавленным иммунитетом. Кроме того, воздействие гормоном роста на стареющих мышей усиливает разнообразие периферического репертуара Т-клеток (определено с помощью ПЦР анализа длины участка, определяющий комплементарность-3 CDR3 для некоторых TCR Vβ генов). Было обнаружено, что введение гормона роста взрослым людям с недостатком гормона роста ведет к восстановлению количества клеток-эмигрантов из тимуса на периферии. Эти данные указывают на то, что гормон роста важен для поддержания выработки Т-клеток и пролиферации тимоцитов, и по этой причине гормон роста может быть полезен для заместительной гормональной терапии. Многие эффекты применения гормона роста находятся под контролем ИФР-1. Более того, применения ИФР-1 in vivo у мышей может частично обратить возраст-зависимую инволюцию тимуса и усилить тимопоэз. Также, у мышей с недостатком ИФР-1 рецептора на тимоцитах и Т-клетках, развитие идёт нормально с момента обработки клеток ИФР-1. По всей видимости, нормальное развитие зависит от увеличения количества ТЭК и их способности регулировать вхождение предшественников Т-клеток в тимус. Однако, лечение стареющих грызунов с помощью гормона роста или ИФР-1 не восстанавливает насыщенность тимуса клетками до уровня, который наблюдается у молодых здоровых мышей. Если объединить введение молодых клеток костного мозга и обработку ИФР-1, то это приведет к повышению насыщенности тимуса клетками по сравнению с животными, которым был введен только гормон роста/ИФР-1 или проведена трансплантация костного мозга. Добавочные дефекты костного мозга, связанные со старением, ограничивают омолаживающий эффект этих гормонов в процессе старения. Экспрессия грелина и рецептора к грелину снижается у стареющих мышей, а делеция гена Ghrl ведет к ускорению инволюции, фиброадипогенной трансформации и к адипогенезу в тимусе мыши. Важно, что восстановление присутствия грелина в сыворотке частично обращает процесс инволюции тимуса, повышает количество эмигрантов из тимуса и увеличивает разнообразие Т-клеточных рецепторов на периферических Т-клетках у стареющих мышей, причем этот механизм не зависит от ИФР-1. Необходимы дальнейшие исследования для прояснения вопроса: лежат ли в основе старения тимуса нарушения гормональной оси грелин-гормон роста-ИФР-1. Лечение 14-месячных мышей лептином ведет к восстановлению тимопоэза, что характеризуется увеличением размера и веса тимуса, количества тимоцитов, ТЭК и тимических эмигрантов. Отмечено, что при голодании баланс между количеством лептина и глюкокортикоидов нарушается. Это ведет к понижению уровня лептина и последующему усилению глюкокортикоид-зависимого апоптоза тимоцитов и к атрофии тимуса. Экзогенное введение лептина обращает эти эффекты. Атрофия тимуса ускоряется в период полового созревания, что свидетельствует о влиянии повышения количества половых стероидных гормонов. Соответственно, экзогенное введение половых стероидов, таких как дигидротестостерон и эстрадиол ведет к нарушению тимопоэза у взрослых мышей, что связано с повышением апоптоза кортикальных тимоцитов. В добавок к этому, нарушение продукции половых гормонов с помощью хирургического удаления гонад или химической блокады (полученным из гипоталамуса прогонадолиберином-1) позволяет омолодить тимус грызунов. Сигнальный путь от прогонадолиберина-1 зависит от активации рецептора этого гормона, который относится к семейству рецепторов, связанных с G-белками. Продолжительная экспозиция с родственным лигандом ведет к снижению количества рецепторов и последовательно к уменьшению выработки половых гормонов гонадами. Исследования, проведенные на тимоцитах крыс, помогли обнаружить уменьшение количества сайтов связывания прогонадолиберина-1 с возрастом. Способность прогонадолиберина-1 регулировать функцию тимуса свидетельствует о том, что воздействие прогонадолиберина-1 может напрямую влиять на орган. Подобно эффекту, получаемому при устранении воздействия тестостерона при кастрации, введение антагонистов прогонадолиберина-1 восстанавливает вес тимуса и увеличивает связываемость прогонадолиберина-1 в тимусе взрослых крыс, также отмечены частичное восстановление структуры тимуса и усиление пролиферации тимоцитов. В добавок к этому у мышей после кастрации наблюдалось снижение количества гибнущих посредством апоптоза тимоцитов (при старении очень высока степень апоптоза), частично повышалось количество DN, DP клеток и субпопуляций CD4+ SP клеток. Подобные эффекты вероятно относятся к восстановлению эпителиального компартмента. Абляция половых стероидных гормонов повышает у стареющих животных способность костного мозга восстанавливаться, хотя остается неизвестным, рекрутирует ли тимус предшественников Т-клеток в этом случае. Тем не менее, взаимодействия между Notch в развивающихся тимоцитах и Dll4 в ТЭК может быть обусловлено половыми гормонами, такими как антагонисты прогонадолиберина-1, они имитируют абляцию половых стероидов, что ведет к активации тимопоэза у стареющих мышей и у особей женского пола с помощью повышения экспрессии Dll4. Несмотря на то, что абляция овариального эстрогена у стареющих мышей женского пола повышает насыщенность тимуса клетками, регенерация выражена сильнее у особей мужского пола, что возможно отражает повышенную экстрагонадную продукцию эстрогена жировой тканью и печенью после овариэктомии. Несмотря на различия в физиологии тимуса, аналоги прогонадолиберина-1 используются в лечении гормонально-зависимого рака простаты и рака молочной железы.
Гормональная терапия при ВИЧ
ВИЧ-инфекция ведет к выраженной атрофии тимуса с существенным снижением количества развивающихся тимоцитов и клеток микроокружения. Восстановление функции тимуса могло бы сыграть важную роль для больных с ВИЧ-инфекцией. Гормон роста и ИФР-1 могут способствовать восстановлению развития Т-клеток у пациентов с ВИЧ-инфекцией. Экзогенно введенный гормон роста играет тимопоэтическую роль у людей с ВИЧ-инфекцией. При обследовании тимуса ВИЧ-1 – инфицированных пациентов, которые получали терапию гормоном роста, был обнаружен заметный рост общей массы тимуса и количества CD4+ Т-клеток в кровяном русле. Кроме повышения количества наивных Т-клеток у пациентов с ВИЧ-инфекцией, получивших терапию гормоном роста, было отмечено, что многие Т-клетки были получены в результате размножения пула периферических наивных CD4+ Т-клеток. Осталось неизвестным, является ли увеличение числа наивных Т-клеток следствием повышения количества выходящих из тимуса клеток. Эти клетки могут происходить из инфильтратов зрелых периферических Т-клеток и из жировой ткани периваскулярных пространств тимических долек. Использование очень агрессивной антиретровирусной терапии и пристальный контроль за воспалением у пациентов позволили обнаружить, что гормон роста увеличивает количество зрелых тимоцитов, что выражается в числе Т-рецепторных эксцизионных колец (маленькие кольцевые ДНК, представленные в Т-клетках, являются следствием реаранжировки генов Т-клеточных рецепторов) в циркулирующих Т-клетках и в количестве наивных Т-клеток и общего их числа в крови этих пациентов. Эти данные свидетельствуют о том, что гормон роста усиливает продукцию и экспорт Т-клеток и, таким образом, облегчает восстановление пула CD4+ Т-клеток у пациентов с ВИЧ-инфекцией. Подобный эффект был обнаружен и в другом исследовании: у пациентов с ВИЧ-инфекцией, подвергшихся высокоагрессивной антретровирусной терапии, удалось стимулировать тимопоэз и повысить частоту Т-рецепторных эксцизионных колец в клетках CD4+ с помощью ежедневного (в течение более 40 недель) лечения малыми дозами гормона роста. Улучшение функционирования тимуса после отмены гормональной терапии свидетельствует о том, что это лечение позволяет входить предшественникам тимоцитов и развивающимся тимоцитам в атрофированный тимус, также растет количество ТЭК и число вырабатываемых Т-клеток. Несмотря на эти многообещающие результаты, исследования с большей когортой пациентов необходимы до того, как лечение гормоном роста у пациентов с ВИЧ-инфекцией войдет в клиническую практику.
Заключение
Комплексный гормональный контроль физиологии тимуса вовлекает как эндокринные, так и паракринные сигнальные пути. Молекулярный механизм в основе этого контроля частично известен и включает интратимическую экспрессию соответствующих лигандов и рецепторов. Внутриклеточный сигналинг частично определен, но много неизведанного осталось. Генетические манипуляции с животными моделями, включая условное нокаутирование элементов сигнальных путей, целью которого будут специфичные для тимоцитов промоторы, также поспособствуют более глубокому пониманию молекулярных механизмов, поддерживающих гормональный контроль тимуса. Стоит надеяться, что функциональная полезность разнообразных интратимических гормональных взаимодействий будет определена. В добавок к физиологическим механизмам, дисфункция гормонального контроля тимуса может быть индуцирована эндогенным или экзогенным стимулом, запуская или усиливая заболевание. Последствия в виде развития или регрессии заболевания в ответ на гормональную терапию почти неизвестны, за исключением некоторых специфических случаев, таких как ВИЧ-инфекция. Исследователи начинают прибегать к гормональным манипуляциям с тимусом, что может служить альтернативной терапией для лечения специфичных острых инфекций и неинфекционных иммунодефицитных состояний, включая старение. Оригинал статьи Перевод: Полина Тиканова Изображения: Полина Тиканова Редакция: Алексей Дорохов, Николай Лисицкий, Елена Лисицына, Диана Мавлютова