The Role of T-Regulatory Cells in the Control and Induction of Inflammation

Full Text

Введение

Т-клеточные иммунные реакции направлены на иммунную регуляцию и ответы против внутриклеточных патогенов. Они характеризуются высокой специфичностью, гетерогенностью, пластичностью дифференцировки, функциональным разнообразием и тонкими регуляторными механизмами.

Регуляторные Т-клетки (CD4⁺CD25^highCD127⁻Foxp3⁺Treg клетки) играют фундаментальную роль в поддержании иммунной толерантности и иммунного гомеостаза, модулируя иммунный ответ против собственных антигенов, аллергенов, патогенов и опухолей. К основным функциям Treg клеток относятся: подавление аутоиммунных заболеваний — предотвращение активации и пролиферации потенциально аутореактивных Т-лимфоцитов; контроль иммунного ответа против вирусов, паразитов, бактерий и дрожжей, а также патологического иммунного ответа на представителей нормального микробиома; контроль противоопухолевого иммунитета; подавление аллергических реакций — посредством регуляции баланса Th1/Th2; а также содействие вынашиванию беременности [1, 2].

Идентифицировано две основные популяции CD4⁺Treg клеток на основе их происхождения в процессе развития: тимического Treg (tTreg ) (или естественные Treg - nTreg) клетки, происходящие из тимуса, и индуцированные Treg  (iTreg ) клетки, которые дифференцируются из обычных CD4⁺ T (Tconv) клеток периферии после стимуляции антигеном и в присутствии TGF-β и IL-2 [2]. Основными характеристиками, отличающими tTreg-клетки от iTreg-клеток, являются экспрессия белков Helios и Neuropilin-1, наличие которых указывает на их происхождение из тимуса. Еще одной характеристикой, отличающей эти две популяции Treg-клеток, является стабильность экспрессии FoxP3 в различных условиях [3].

Основой контроля адаптивного иммунитета являются механизмы, реализуемые нормальной работой Treg клеток. Определяющее значение для развития, поддержания и функционирования Treg клеток имеет транскрипционный фактор Foxp3 [4]. Однако экспрессия Foxp3 сама по себе не является необходимой для дифференцировки линии клеток Treg в тимусе и недостаточна для полной экспрессии генов типа Treg в зрелых клетках Treg. Именно специфичные для Treg клеток эпигенетические изменения, такие как деметилирование CpG и модификация гистонов, могут придавать стабильный и наследуемый паттерн экспрессии генов типа Treg развивающимся клеткам Treg независимо от Foxp3. Treg клетки обладают высокой экспрессией альфа-цепи рецептора IL-2 (IL-2Ra, CD25), спектром ингибирующих цитокинов IL-10, TGF-β и IL-35 [2, 3, 4].

Совместно с указанными ключевыми цитокинами, для реализации ингибирующих функций Treg клетки используют различные супрессорные молекулы, такие как CTLA-4, Lag-3, TIGIT, CD73 и CD39 [1]. Кроме того, Treg клетки способны адаптироваться к стимулам окружающей среды и подавлять эффекторные Th-клетки в условиях воспаления. Treg клетки могут усиливать экспрессию факторов транскрипции и рецепторов хемокинов Т-хелперных клонов Th1, Th2, Th17, и T-фолликулярных регуляторных клеток [2, 5].

Интересен факт вовлечения дендритных клеток в процессы регуляции ответа на антигены путем переключения их на содействие дифференцировке новых Treg клеток, блокирования формирования антигенспецифических Т-хелперов Th1, Th2, Th17, Т-киллеров CD8+, что препятствует реакциям врожденного и адаптивного ответа [5, 6].

Различные субпопуляции CD4⁺Т-клеток могут выполнять супрессорные функции: регуляторные Т-клетки типа 1 (Tr1), Т-хелперные клетки типа 3. К группе индуцибельных iTreg клеток относятся также CD8⁺ клетки с фенотипом CD8+СD28- клетки, CD8+CD122+, CD8+CD25+FOXP3+. CD8+ iTreg клетки образуются в ходе иммунного ответа против патогенов и экспрессируют рецепторы, специфичные к чужеродным антигенам [7].

 

Истощение Т-клеток

Важным механизмом снижения функциональной активности клеток является индукция их ускоренного истощения (exhaustion) [8].

Известно, что во время инфекции может активироваться более одного типа Т-клеточных популяций, поскольку оптимальный баланс между Т-клетками может способствовать контролю над инфекцией. При острой инфекции как CD4⁺, так и CD8⁺ Т-клетки дифференцируются в эффекторные клетки с выраженной экспансией и цитотоксическими функциями. Так, при различных бактериальных и вирусных инфекциях, (туберкулез, ВИЧ и др.) [3, 9, 10] наблюдается костимуляция популяций Th1-, Th2- и Th17-клеток. Одновременно для предотвращения избыточного иммунного ответа индуцируются Treg клетки. Во время туберкулезной инфекции, активация макрофагов, индуцируемая Th1-клетками IFN–γ, имеет решающее значение для борьбы с туберкулезом [9]. Однако стойкий ответ Th1 и провоспалительные цитокины могут вызывать фиброз и некроз лёгких. Цитокины Th2 IL-4, IL-10 и TGF-β играют важную роль в предотвращении патологий, вызванных аномальным ответом Th1 [5].

Очевидно, что при хронических инфекциях сохраняется длительная стимуляция антигеном и было обнаружено, что в таких условиях большая часть Т-лимфоцитов переходит в стадию истощения [3, 8].  Истощенные Т-клетки (Tex) были идентифицированы при многих хронических вирусных инфекциях, таких как ВИЧ, HBV, HCV [6].

Вирусспецифичные CD4⁺ Т-клетки теряют эффекторную функцию и снижают выработку IFN-γ, TNF-α и IL-2 во время хронической инфекционного воспаления [9], при этом продукция IL-10 и IL-21, важных цитокинов для поддержания CD8⁺ Т–клеток и В-клеток, увеличивается [3].Кроме того, CD4⁺ Tex-клетки экспрессируют значительно повышенные уровни иммунорегуляторных молекул, включая PD-1, CTLA-4, CD200 и BTLA, а также костимулирующие рецепторы OX40, CD27 и ICOS. Важно подчеркнуть, что персистирующая вирусная инфекция приводит к прогрессирующей потере Th1-ответа, вероятно, из-за включения ингибирующего сигнального пути PD-1/PD-L1, [3] но смещает CD4⁺ Т-клетки в сторону Th2, Th17, Treg клеток [5].  Показано также, что системное истощение Treg клеток может одновременно вызывать аутоиммунные реакции. Кроме того, имеется всё больше убедительных доказательств, что удаление Treg клеток усиливает противоопухолевый иммунный ответ [6].

Поразительным способом подавления иммунного ответа к инфекционным агентам, является усиление ими функций Treg клеток. Этот механизм используют широко распространенные «успешные» патогены, вызывающие хронические персистирующие инфекции – герпесвирусы, вирусы гепатитов, вирус иммунодефицита человека, микобактерии туберкулеза и др. [10, 11].

Таким образом, при острой инфекции CD4⁺и CD8⁺ Т-клетки реализуют свой эффекторный потенциал, в то время как при хронической инфекции они переходят в состояние истощения с прогрессирующей потерей эффекторной функции и приобретением повышенного ингибирующего фенотипа. 

 

Аутоиммунные заболевания, пластичность Treg клеток

Являясь одной из наиболее важных популяций Т-клеток в поддержании иммунологической аутотолерантности, Treg клетки играют незаменимую роль в аутоиммунитете. Известно, что мутации в гене Foxp3 вызывают Х-сцепленный синдром полиэндокринопатии (IPEX), который представляет собой редкий синдром Х-сцепленного иммунодефицита с тяжелыми аутоиммунными нарушениями. Кроме того, мутации в генах, определяющих супрессорный потенциал Treg клеток, таких как CD25, CTLA-4, LRBA, и AIRE, приводят к аномалии Treg клеток и тяжелым аутоиммунным нарушениям [1, 12].

Tregs считались довольно стабильной популяцией в гомеостатических условиях с действием двух факторов, которые устанавливают программу Treg клеток, т. е. экспрессию Foxp3 и специфичной для Treg эпигенетической сигнатуры, которые приобретаются во время индукции Treg в тимусе. В последние годы появились исследования, показывающие, что Treg клетки являются более пластичной и динамичной популяцией.

Так, при некоторых условиях Treg клетки могут подавлять Foxp3, терять регуляторную активность и, становиться Т-клетками памяти, способными распознавать собственные антигены и проявлять активность эффекторных клеток с продукцией IL-17 и IFNγ. Предполагается, что такие Treg клетки при различных типах воспаления играют потенциальную роль в развитии патологии [2, 13].

Несмотря на то, что результаты исследований по изменению количества Treg клеток при различных аутоиммунных заболеваниях разноречивы, однако функции Treg клеток при аутоиммунных патологиях нарушены [1, 12]. Возможно, пластичность и нестабильность популяции является причиной дисфункции Treg клеток, обусловленная нестабильной экспрессией Foxp3 и нарушением иммуносупрессивной функции. В частности, сниженная экспрессия Foxp3 обнаружена в Treg клетках, выделенных при аутоиммунном диабете, миастении гравис, СКВ [13, 14, 15]. Такие Treg клетки с потерей экспрессии Foxp3 проявляют фенотип Т-клеток активированной памяти и приобретают эффекторную функцию (пластичность), начинают продуцировать провоспалительные цитокины и индуцируют аутоиммунный процесс [2, 13, 16].

Обнаружено например, что при ревматоидном артрите Treg клетки теряют экспрессию Foxp3 и трансдифференцируются в клетки Th17 (exFoxp3 Th17. Дифференцировка Foxp3+ CD4+ T-клеток в клетки TH17 опосредовалось IL-6, синтезированным синовиальными фибробластами. Эти клетки Th17 с экспрессией Foxp3 являются более мощными остеокластогенными клетками Th17, способствующими патогенезу ревматоидного артрита [17].

Важно заметить, что достаточно часто патогенные микроорганизмы являются факторами, провоцирующими развитие аутоиммунных заболеваний. Одним из механизмов является молекулярная мимикрия, обусловленная сходством отдельных антигенных детерминант патогенов с некоторыми белками хозяина. Так, например, последовательность эпитопа белка EBVNA1 вируса Эпштейна–Барр имеет сходство с основным белком миелина - MBP, белки Yomp, Ysp и SpyA Yersinia enterocolitica демонстрируют иммунную кросс-реактивность с тиреотропным рецептором, TSH-R и др. [11, 18].

 

Treg клетки в нелимфоидных органах

Не вызывает сомнения, что Foxp3+ Treg клетки незаменимы для поддержания аутотолерантности во вторичных лимфоидных органах. Оказалось, что Treg клетки присутствуют в различных нелимфоидных тканях как в здоровом организме, так и при патологии.  В каждой ткани могут быть свои уникальные тканеспецифичные Т-регуляторные клетки, отличающиеся фенотипом и функциями от классических Т-регуляторных клеток [5, 19]. Treg клетки привлекаются в нелимфоидные ткани во время воспаления. Определены транскрипционные и эпигенетические механизмы, которые позволяют Treg клеткам сохранять свою идентичность в воспалительной среде. В то время как Treg клетки привлекаются в места воспаления, чтобы разрешить воспаление и восстановить соответствующую функцию органа, все чаще признается, что ряд воспалительных (но также и невоспалительных) нарушений функции органа приводит к образованию относительно долгоживущих популяций Treg клеток в нелимфоидных тканях. Treg клетки нелимфоидных тканей неоднородны в зависимости от их места их локализации, и актуальной проблемой является исследование механизмов функционирования [2].

Также как тимические, Treg клетки во вторичных лимфоидных органах реализуют функцию поддержания аутотолерантности, Treg клетки в нелимфоидных органах регулируют эффекторные ответы Т-клеток на разных этапах развития адаптивных иммунных реакций, чтобы устранить воспаление и уменьшить иммунную патологию [16].

Различные нелимфоидные органы: барьерные ткани, кожа, собственная пластинка толстой кишки и легкие, а также небарьерные участки, такие как висцеральная жировая ткань и скелетные мышцы заселены отдельной популяцией регуляторных Т-клеток. Как указано выше, Treg клетки в нелимфоидных органах демонстрируют высокую степень фенотипической и функциональной адаптации к среде, в которой они находятся, и имеют набор общих специфических транскриптов, отличных от их аналогов во вторичных лимфоидных органах [2, 6].

Различные субпопуляции Treg клеток могут помимо основного, транскрипционного фактора Foxp3+, экспрессировать дополнительные гены, отвечающие за функционирование Treg клеток в конкретных тканях. Например, Treg клетки висцеральной жировой ткани в высокой степени экспрессируют транскрипционный фактор PPAR-γ (рецептор, активируемый пролифератором пероксисом γ), главный регулятор дифференцировки адипоцитов, который управляет транскрипционной программой Treg клеток висцеральной жировой ткани, включая экспрессию генов, участвующих в метаболизме липидов, таких как Dgat1 (диацилглицерол O-ацилтрансфераза 1), кодирующий фермент, участвующий в биосинтезе триацилглицеридов, Pcyt1a (холин-фосфат цитидилилтрансфераза A), который кодирует фермент, участвующий в синтезе фосфатидилхолина, а также Cd36, кодирующий рецептор-утилизатор липидов CD36 [5, 6, 16].

Интересно, что Treg клетки могут выполнять “неканонические” функции в этих тканях, которые связаны с развитием тканей и гомеостазом этих органов. В лёгочной и мышечной тканях, например, Treg клетки способствуют регенерации тканей после повреждения, вырабатывая лиганд рецептора эпидермального фактора роста амфирегулин, на который бронхиальные эпителиальные клетки реагируют пролиферацией и дифференцировкой, а мышечные клетки — миогенной дифференцировкой соответственно. [2, 19, 20].

 

Внеклеточные везикулы Treg клеток

Внеклеточные везикулы представляют собой инкапсулированные в мембрану частицы размером от 20 до 1000 нм, которые высвобождаются клетками во внеклеточное пространство. Внеклеточные везикулы (ВВ) содержат сигнальные белки, ферменты, кодирующую и некодирующую РНК (мРНК, микроРНК, длинные некодирующие РНК и т.д.), ДНК, поверхностные белки и рецепторы, липиды и гликопротеины для межклеточной передачи сигналов. ВВ могут участвовать в активной межклеточной коммуникации посредством передачи сигнальных молекул [16, 21].

Было обнаружено, что внеклеточные везикулы, секретируемые Treg клетками (ВВ-Treg), важны в механизме их функционирования, они содержат специфические биологические молекулы, которые доставляются в клетки-реципиенты и модулируют иммунные реакции, подавляя пролиферацию клеток, вызывая апоптоз клеток и изменяя профили экспрессии цитокинов [21].

Так, показан межклеточный перенос молекул между Treg клетками посредством высвобождения малых ВВ для клеток-мишеней. Обнаружено, что CD4+CD25+CD127lo Treg клетки продуцируют ВВ, способные ингибировать пролиферацию эффекторных Т-клеток. Эти везикулы изменяли цитокиновый профиль Т-клеток эффекторов, что приводило к увеличению продукции IL-4 и IL-10 и снижению продукции IL-6, IL-2 и IFNγ. Кроме того, во внеклеточных везикулах Treg клеток обнаружены различные микроРНК [22].

Основные компоненты ВВ Treg клеток включают белки, нуклеиновые кислоты и липиды. К распространённым белкам на поверхности внеклеточных везикул относятся мембранные переносчики и белки слияния, тетраспанины (CD63 и CD81), белки, связанные с клеточной адгезией (например, интегрины), мембранные белки, связанные с лизосомами и др., и некоторые гликопротеины.  В настоящее время распространенные ВВ-белки CD63 и CD81 вместе с результатами электронной микроскопии используются для идентификации и выделения Treg-ВВ [23].

Важно, что внеклеточные везикулы Treg-клеток состоят из уникальных белков, по которым их можно отличить от внеклеточных везикул других клеток. ВВ, полученные из человеческих CD4⁺CD25^highCD127^low Treg-клеток, экспрессируют CD25 и рецептор хоминга CCR4, а также низкие уровни CD4 и CTLA-4 без Fas-лиганда. Трансмембранные белки CD73/CD39 на поверхности Treg-ВВ могут способствовать подавлению иммунного ответа за счёт выработки аденозина [21].

Показано также, что ВВ Treg клеток содержат уникальные микроРНК по сравнению с ВВ, полученными из других Т-клеток, и что эти микроРНК способствуют не только подавлению пролиферации Т-клеток (miR-Let-7d), но и изменению функций мишеневых дендритных клеток. Так, показано, что микроРНК переносятся от Treg клеток к дендритным клеткам через ВВ Treg клеток. В частности, микроРНК - miR-150-5p и miR-142-3p были увеличены в дендритных клетках после их взаимодействия с Treg и внеклеточными везикулами - ВВ Treg клеток. В результате дендритные клетки после приобретения микроРНК, содержащихся в ВВ Treg клетках приобретали толерогенный фенотип со сниженным уровнем провоспалительного цитокина IL-6 и одновременным повышением уровня IL-10 после стимуляции LPS [21, 24].

Следовательно, межклеточный перенос микроРНК через внеклеточные везикулы может быть новым механизмом, посредством которого Treg клетки регулируют функцию различных клеток, и может представлять собой механизм подавления иммунных реакций в тканях.

Механизм действия ВВ Treg клеток, модифицирующих функцию как лимфоидных, так и миелоидных иммунных клеток в настоящее время активно исследуется.

Заключение

Исследования механизмов Т-регуляторных клеток обусловлено их фундаментальной ролью в регуляции иммунного ответа, контроле воспаления, поддержании аутотолерантности. Важно, что обнаруживаются новые неизвестные популяции Т-клеток, опосредующие регуляторные функции, они характеризуются гетерогенностью и пластичностью. Различные эпигенетические механизмы и факторы микроокружения могут изменить транскрипционную программу Трег клеток, экспрессия Foxp3 белков, при этом может быть подавлена или даже утеряна, вследствие чего происходит трансдифференцировка фенотипа Treg клеток в Treg клетки памяти, способные поддерживать хроническое воспаление. Интересный феномен клеточного истощения обнаружен при исследовании Т-клеток при хронических инфекциях в процессе постоянного длительного воздействия антигена на иммунную систему. В таких условиях наблюдается истощение Т-клеток эффекторов, что приводит к экспрессии ингибирующих молекул и реализации иммуносупрессии.

Поскольку Treg клетки выполняют важную роль в контроле интенсивности иммунного ответа, патогенные микроорганизмы часто используют этот механизм для уклонения от эффективных реакций иммунной системы.

Treg клетки функционируют в различных нелимфоидных тканях, чтобы предотвратить воспаление и развитие иммунопатологии. Кроме того, Treg клетки могут выполнять “неканонические” функции в нелимфоидных органах, связаные с развитием тканей и их гомеостазом.

Важным механизмом защитного и патогенного действия оказались секретируемые Treg клетками внеклеточные везикулы, содержащие молекулы, которые адресно доставляются в клетки-реципиенты для регуляции различных функций.

Интересно, что Treg клетки могут участвовать в регуляции иммунитета, дистанционно высвобождая внеклеточные везикулы независимо от прямого контакта с другими клетками. ВВ Treg клеток способны влиять на иммунные реакции в клетках-реципиентах за счёт индуцированного микроРНК подавления экспрессии генов, активности поверхностных белков и передачи ферментов. В различных клетках-мишенях ВВ-Treg влияют на множество физиологических процессов, включая клеточную пролиферацию, апоптоз и выработку цитокинов.

Таким образом, Treg клетки участвуют не только в контроле, но и в индукции острого и хронического иммунного воспаления. Исследование биологии Treg клеток и механизмов регуляции иммунного ответа представляет особый интерес с точки зрения поиска современных подходов к разработке принципиально новых методов диагностики и лечения аутоиммунных, инфекционных и опухолевых заболеваний.

 

 

 

About the authors

Anna Rizopulu

Russian Medical Academy of Continuous Professional Education, Moscow;
4The Institute of High Temperature Electrochemistry of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Yekaterinburg

Author for correspondence.
Email: annarizopulu@inbox.ru
ORCID iD: 0009-0008-8631-0339

доктор биологических наук, доцент кафедры клинической лабораторной диагностики с курсом лабораторной иммунологии

Russian Federation, 125993, Moscow, Barrikadnaya st., 2/1, building 1

Firuz Yu Garib

Russian Medical Academy of Continuous Professional Education, Moscow;
Lomonosov Moscow State University, Moscow;
I.M. Sechenov First Moscow State Medical University of the Ministry of Health of the Russian Federation (Sechenov University), Moscow

Email: fgarib@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-3749-1950
SPIN-code: 8084-0700

Doctor of Medical Sciences, Professor, Department of Clinical Laboratory Diagnostics with a Course in Laboratory Immunology

Russian Federation, 125993, Moscow, Barrikadnaya st., 2/1, building 1

References

Supplementary files