Классический путь комплемента: механизм активации

Система комплемента - это каскад из более чем тридцати сывороточных белков, которые последовательно активируют друг друга, образуя мощный инструмент уничтожения патогенов. Классический путь - наиболее изученный из трёх: он запускается антителами, связавшимися с антигеном на поверхности микроба, и обеспечивает мост между адаптивным и врождённым иммунитетом. Чтобы быстро разобрать конкретный механизм или проверить понимание этапов, воспользуйтесь инструментом ниже.

Что такое система комплемента и зачем нужен классический путь

Система комплемента - эффекторный механизм гуморального иммунитета, работающий в плазме крови и на клеточных поверхностях. Три пути активации - классический, лектиновый и альтернативный - сходятся на образовании C3-конвертазы, расщепляющей ключевой белок C3.

Классический путь особенный: он включается только после того, как антитела распознали антиген. Это делает его «поздним» компонентом иммунного ответа - он стартует через несколько дней после инфицирования, когда уже синтезированы IgM или IgG. Зато его эффективность исключительно высока: один комплекс «антиген - антитело» способен инициировать каскад, лизирующий сотни бактериальных клеток.

Три главные функции пути: лизис микробов (через мембраноатакующий комплекс), опсонизация (покрытие поверхности микроба C3b для фагоцитов) и провоспалительная сигнализация (анафилатоксины C3a и C5a).

Рассчитать для своей задачи

Узнавание: белок C1 и иммунные комплексы

Всё начинается с C1 - самого крупного инициирующего белка комплемента. C1 - это пентамерный комплекс, состоящий из трёх субъединиц: C1q, C1r и C1s (в стехиометрии C1q:C1r₂:C1s₂).

C1q - распознающий модуль. Структурно он напоминает «букет тюльпанов»: шесть «стеблей» из коллагеноподобных нитей и шесть «головок» на концах. Головки C1q связываются с Fc-фрагментами иммуноглобулинов - прежде всего IgM и IgG1, IgG3 (в меньшей степени IgG2). Мономерный IgG активирует C1q слабо; IgM в пентамерной форме, связавшийся с антигеном, - намного эффективнее, потому что сразу предоставляет несколько Fc-участков.

Ключевой момент: C1q реагирует только на антитела, связанные с антигеном. Свободные иммуноглобулины в плазме его не активируют - иначе комплемент постоянно расходовался бы впустую.

После связывания C1q с иммунным комплексом C1r аутоактивируется путём конформационного изменения и расщепляет C1s - серинпротеазу. Активная C1s начинает следующий этап каскада.

C4 и C2: сборка C3-конвертазы

Активная C1s последовательно расщепляет C4 и C2.

C4 расщепляется на C4a (небольшой фрагмент, уходящий в раствор) и C4b. Фрагмент C4b содержит нестабильную тиоэфирную связь, позволяющую ему ковалентно присоединиться к поверхности микроба или иммунного комплекса. Это критически важно: C4b «заякоривается» прямо там, где шла активация.

C2 присоединяется к C4b и тоже расщепляется C1s: C2b уходит, а C2a остаётся в составе комплекса. Так образуется C3-конвертаза классического пути - C4b2a.

$\text{C1s: } C4 \rightarrow C4b + C4a$ $\text{C1s: } C2 \rightarrow C2a + C2b$ $C4b + C2a = \underbrace{C4b2a}_{\text{C3-конвертаза}}$

C3-конвертаза нестабильна: в отсутствие субстрата она распадается за несколько минут. Но пока она активна, она расщепляет сотни молекул C3.

Центральный шаг: расщепление C3

C3 - самый распространённый белок комплемента в плазме (концентрация ~1,2 г/л). C4b2a разрезает его на C3a и C3b.

• C3a - анафилатоксин. Связывается с рецепторами тучных клеток и базофилов, вызывая дегрануляцию и выброс гистамина. Привлекает нейтрофилы, усиливает сосудистую проницаемость.
• C3b - опсонин и строительный блок для дальнейшего каскада. Как и C4b, содержит реакционноспособную тиоэфирную группу и ковалентно садится на поверхность патогена.

Миллионы молекул C3b «облепляют» микроб. Фагоциты несут на своей поверхности CR1 (CD35) - рецептор к C3b - и быстро поглощают опсонизированный патоген. Это явление называют опсонизацией, и оно - одна из главных функций классического пути.

C5-конвертаза и мембраноатакующий комплекс

Когда молекулы C3b садятся рядом с C4b2a, образуется C5-конвертаза - комплекс C4b2a3b. Она расщепляет C5 на C5a и C5b.

• C5a - сильнейший хемотаксический агент и анафилатоксин. Привлекает нейтрофилы и моноциты к очагу воспаления, активирует оксидативный взрыв.
• C5b - затравка для сборки мембраноатакующего комплекса (МАК).

МАК (C5b–C9) собирается поэтапно: C5b последовательно связывает C6, C7, C8, а затем 10–16 молекул C9, которые полимеризуются в пору диаметром ~10 нм. Пора пронизывает липидный бислой микроба, нарушая осмотическое равновесие: ионы и вода бесконтрольно поступают в клетку, она лизируется.

Рассчитать для своей задачи

Особенно чувствительны к МАК грамотрицательные бактерии (тонкий пептидогликановый слой не защищает внешнюю мембрану) и вирусные оболочки.

Регуляция: как хозяин защищает себя

Некомпенсированная активация комплемента убила бы клетки самого организма. Поэтому существует строгая система регуляторных белков.

C1-ингибитор (C1-INH) - серпин, необратимо ингибирующий C1r и C1s. Мутация гена C1-INH ведёт к наследственному ангионевротическому отёку: неконтролируемая активация C2/C4 даёт избыток вазоактивных фрагментов.

C4b-связывающий белок (C4BP) конкурирует с C2 за связывание с C4b и служит кофактором для фактора I - протеазы, разрезающей C4b на неактивные фрагменты C4c и C4d.

CR1 (CD35) на эритроцитах и лейкоцитах ускоряет распад C3-конвертазы (decay-accelerating activity) и служит кофактором фактора I для расщепления C3b.

CD55 (DAF, decay-accelerating factor) и CD46 (MCP) - мембранные белки клеток хозяина, предотвращающие сборку конвертаз на «своих» поверхностях.

CD59 (протектин) блокирует полимеризацию C9 - последний рубеж защиты от МАК на собственных клетках.

Биологические функции: опсонизация, воспаление, иммунная память

Помимо прямого лизиса патогенов, классический путь выполняет несколько важных регуляторных функций.

Опсонизация - покрытие микробов C3b и его деградационным продуктом iC3b (инактивированный C3b), узнаваемым CR3 и CR4 на макрофагах и нейтрофилах. iC3b в отличие от C3b не активирует воспалительные пути, но по-прежнему эффективен как опсонин.

Очищение иммунных комплексов - C3b на иммунных комплексах связывается с CR1 на эритроцитах; эритроциты транспортируют комплексы в печень и селезёнку, где они фагоцитируются. Нарушение этой функции при системной красной волчанке (СКВ) ведёт к накоплению иммунных комплексов в тканях.

Усиление В-клеточного ответа: фолликулярные дендритные клетки несут CR1 и CR2 (CD21); C3b/iC3b-покрытые антигены долго удерживаются в лимфоузле и усиливают презентацию. C3d на антигене через CR2 на В-клетках снижает порог активации в ~10 000 раз.

Подробнее о смежных механизмах - в статье об альтернативном и лектиновом путях комплемента.

Связь с адаптивным иммунитетом

Классический путь - мост между адаптивным и врождённым иммунитетом. С одной стороны, его запускают антитела - продукт адаптивного ответа. С другой стороны, его эффекты (фагоцитоз, воспаление, лизис) реализуются клетками врождённого иммунитета.

Выбор изотипа антитела имеет значение: IgM - наиболее эффективный активатор классического пути (пентамер предоставляет сразу пять Fc-участков, из которых достаточно двух для связывания C1q). IgG1 и IgG3 у человека тоже хорошо активируют C1q, причём IgG3 - лучше. IgG2 активирует значительно слабее, IgG4, IgA, IgE - практически не активируют классический путь.

Это объясняет феномен: первичный иммунный ответ (IgM) чаще сопровождается выраженным комплемент-зависимым лизисом, чем вторичный, где преобладает IgG.

Рассчитать для своей задачи

Роль в патологии: СКВ и другие болезни

Нарушения классического пути лежат в основе ряда важных заболеваний.

Системная красная волчанка (СКВ). Парадоксально, но дефицит ранних компонентов классического пути (C1q, C1r, C1s, C4, C2) - фактор риска СКВ, а не защита. Без нормального очищения апоптотических телец и иммунных комплексов через C3b/CR1 они накапливаются, становятся источником аутоантигенов и поддерживают хроническое воспаление.

Наследственный ангионевротический отёк - следствие дефицита C1-INH. Неконтролируемое расщепление C4 и C2 даёт избыток вазоактивных пептидов, прежде всего брадикинина (C2-кинина). Эпизоды отёка гортани, кишечника, конечностей.

Пароксизмальная ночная гемоглобинурия - мутация гена PIG-A нарушает синтез GPI-якорей, на которых держатся CD55 и CD59. Эритроциты без защиты лизируются MAC, особенно активным ночью при лёгком снижении pH крови.

Частые ошибки

• «C1q связывается со свободными антителами в плазме». Нет. C1q реагирует только на Fc-участки иммуноглобулинов, агрегированных на поверхности антигена - свободные IgG в плазме C1q не активируют.
• «C3-конвертаза классического пути - это C3bBb». Нет, это конвертаза альтернативного пути. Классическая - C4b2a (C4b + C2a).
• «Все подклассы IgG одинаково активируют комплемент». Нет. IgG3 > IgG1 >> IgG2, IgG4 практически не активирует.
• «МАК разрушает любые бактерии». Только грамотрицательные: у грамположительных толстый пептидогликановый слой защищает цитоплазматическую мембрану от встраивания C5b–C9.
• «Комплемент всегда про воспаление и разрушение». C3d на антигене усиливает В-клеточный ответ, а очищение иммунных комплексов через CR1 на эритроцитах - противовоспалительная функция.

FAQ

Почему IgM эффективнее IgG в активации классического пути? IgM в форме пентамера несёт пять Fc-участков. C1q требует минимум двух Fc-участков для стабильного связывания: два сближённых Fc в составе пентамерного IgM, связанного с антигеном, дают нужную геометрию. Мономерный IgG в растворе не предоставляет двух близких Fc, поэтому свободные IgG не активируют C1q.

Чем C3b отличается от iC3b? C3b - активная форма с тиоэфирной группой, связывается с поверхностями и запускает C5-конвертазу. Фактор I при кофакторном участии CR1, MCP или фактора H расщепляет C3b до iC3b - опсонина без способности активировать каскад дальше. iC3b узнаётся CR3 и CR4 фагоцитов, но не ведёт к формированию МАК.

Как патогены уклоняются от классического пути? Многие бактерии экспрессируют белки, имитирующие регуляторные молекулы хозяина. Например, стафилококки производят SCIN (Staphylococcal Complement Inhibitor), блокирующий C3-конвертазу, и Efb, связывающий C3b. Streptococcus pyogenes покрывается M-белком, привлекающим фактор H - регулятор, инактивирующий C3b.

Коротко

Классический путь системы комплемента запускается связыванием C1q с Fc-фрагментами антител на поверхности антигена. C1r и C1s активируются последовательно; C1s расщепляет C4 и C2, из фрагментов C4b и C2a формируется C3-конвертаза C4b2a. Она расщепляет C3 на опсонин C3b и анафилатоксин C3a. Накопление C3b рядом с C4b2a создаёт C5-конвертазу C4b2a3b, которая запускает сборку мембраноатакующего комплекса C5b–C9. Система строго регулируется C1-INH, C4BP, фактором I, CD55, CD46 и CD59. Патологии комплемента - от ангионевротического отёка до ПНГ и СКВ - отражают центральную роль этого каскада в иммунологии.