Биологи засняли Т-лимфоциты крупным планом

У млекопитающих Т-лимфоциты обеспечивают приобретенный иммунитет. Выявление новых патогенов происходит следующим образом. На первом этапе антигенпрезентирующие клетки, например макрофаги, захватывают чужеродное вещество и вместе с молекулами главного комплекса гистосовместимости представляют его Т-клеткам. С помощью Т-клеточных рецепторов (TCRs) и корецепторов (CD4, CD8) последние «ощупывают» антиген и при распознавании начинают активно делиться. Часть клонов при этом превращается в Т-киллеров и Т-хелперов, уничтожающих поврежденные клетки организма и стимулирующих врожденный иммунитет соответственно. Остальные копии, в случае наивных Т-лимфоцитов, трансформируются в Т-клетки памяти.

Несмотря на различные подходы к описанию этого процесса, получить трехмерную визуализацию молекулярного механизма распознавания антигена в режиме реального времени до сих пор не удавалось. Чтобы восполнить пробел, специалисты из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, Научно-исследовательского центра прикладной экологии и других учреждений использовали технику микроскопии плоскостного освещения (LLS). Ученые вывели линию мышиных клеток, Т-лимфоциты которых несли TCRs, специфичные к овальбумину (белок, способный провоцировать иммунитет). В эксперименте in vitro на мембрану Т-клеток наносили антитела к фосфотазе CD45, необходимой для передачи сигнала с TCR, или флуоресцентный белок, после чего обрабатывали лимфоциты овальбумином.

Дифракционный предел разрешения при визуализации реакции составил 0,22–0,44 герца. Оказалось, что движения микроворсинок лимфоцитов подчиняются фрактальной геометрии: в фоном режиме они совершают волнообразные перемещения вдоль поперечной плоскости со средней скоростью порядка 5,2 ± 0,4 микрометра в минуту. С интервалом в 10–15 секунд, активность микроворсинок снижается и вновь возрастает, при этом на длительном отрезке времени они совершают равномерные взаимопроникновения по типу субдиффузии. Расчеты показали, что, несмотря на видимую хаотичность, «ощупывание» антигена (при его распознавании микроворсинки «застывают») происходит последовательно. Так, за минуту лимфоциту удавалось «осмотреть» 98 процентов мембраны антигенпрезентирующей клетки.

Чтобы повторить процесс в режиме реального времени и рассмотреть отдельные TCRs, авторы пометили бислой, имитирующий мембрану антигенпрезентирующей клетки, квантовыми точками на основе флуоресцентного пигмента родамина. Поскольку диаметр последних (около 16 нанометров) превышал размер точек соприкосновения, ученые могли проследить за последовательной активацией микроворсинок по «дырам» в бислое. В этом случае для наблюдений использовался флуоресцентный микроскоп полного внутреннего отражения (TIRF), а новая техника получила название «микроскопии синаптического картографирования с квантовыми точками» (quantum dot–enabled synaptic contact mapping, SCM).

По мнению группы, особенности распознавания антигенов, которые позволил изучить описанный подход, отвечают потребностям организма. В частности, быстрые фракталоподобные движения микроворсинок необходимы для выживания. В каждый момент времени тело содержит всего порядка 100 Т-лимфоцитов, которые выявляют антигены в различных частях организма. «При первых признаках чужеродного элемента иммунной системе действительно нужно играть на опережение. Если одна Т-клетка не сумеет распознать вирус, у патогена будут часы, прежде чем это сделает другой лимфоцит, и он успеет создать десятки тысяч своих копий», — сообщил соавтор работы Мэттью Круммель (Matthew Krummel).

Статья опубликована в журнале Science.