Исследовательская группа выяснила, как регулируемый циркадными ритмами митохондриальный метаболизм управляет антигенпрезентационной активностью дендритных клеток.
Вакцинация является одним из наиболее эффективных средств борьбы с инфекционными заболеваниями. Тем не менее, оптимизация эффективности вакцин остается одной из первоочередных задач ученых, особенно для более эффективной защиты групп населения, подверженных повышенному риску. Время суток, в которое вводится вакцина, влияет на надежность реакции, но как это происходит на клеточном и молекулярном уровне, изучено недостаточно.
В недавней публикации в журнале Nature Communications исследовательская группа Энни Кертис из Королевского колледжа хирургов Ирландии связала циркадные сдвиги в работе дендритных клеток (ДК) с изменениями морфологии и метаболизма митохондрий. Более того, группа Кертис показала, что эти механизмы могут быть непосредственно модулированы с помощью малых молекул - потенциально полезный подход для усиления реакции на вакцины в будущем.
Большинство, если не все, биологические функции человека зависят от циркадных часов - стабильных колебаний экспрессии генов в течение 24-часового цикла, регулируемых набором консервативных, самоподдерживающихся транскрипционно-трансляционных петель обратной связи. Ученые обнаружили, что циркадные ритмы влияют на важнейшие функции иммунных клеток, включая выработку цитокинов, клеточный трафик, активность Т- и В-клеток. Однако механизмы, лежащие в основе этих суточных различий в иммунной активности и, в частности, влияние циркадной сигнализации на дендритные клетки (ДК), остаются неясными.
Для активации Т-клеток ДК захватывают, обрабатывают и презентируют антигены в составе основных комплексов гистосовместимости (MHC), которые взаимодействуют с рецепторами Т-клеток. Поэтому Кертис и ее коллеги поставили перед собой задачу изучить влияние циркадных временных рамок на поглощение, переработку и презентацию антигенов ДК. Сначала они подтвердили наличие циркадной цикличности в ДК, проследив за экспрессией генов молекулярных часов. Затем они обработали антигеном (овальбумином) две популяции ДК - с нарушенным циркадным ритмом и без него - и обнаружили, что ДК с интактной циркадной сигнализацией обрабатывают овальбумин в осциллирующем ритме с 24-часовым периодом. В то же время в популяции с нарушенной циркадианной сигнализацией уровень обработки антигена был низким, а ритм не прослеживался.
Четко установив, что процессинг антигенов ДК регулируется циркадным циклом, Кертис и сотрудники занялись поиском причин этого явления. В качестве отправной точки был выбран митохондриальный метаболизм, поскольку он является ключевым регулятором функции ДК и управляется молекулярными часами. Здесь исследователи обнаружили знакомую закономерность: ДК с интактной циркадной сигнализацией демонстрировали осциллирующий ритмический фенотип с 24-часовым периодом, в то время как ДК с нарушенной циркадной сигнализацией не проявляли ритмичности и имели стабильно более низкий метаболический выход. Морфология митохондрий, непосредственно влияющая на митохондриальный метаболизм, также изменялась циркадно-осциллирующим образом. В частности, митохондрии в ДК с интактной циркадной сигнализацией переключались между слитным и фрагментированным фенотипами примерно каждые 12 часов, в то время как в ДК с нарушенной циркадной сигнализацией они были преимущественно фрагментированы во всех исследованных временных точках.
Далее команда Кертис обнаружила, что прямое ингибирование митохондриального метаболизма снижает процессинг антигена как в интактных, так и в нарушенных ДК, что приводит к значительному снижению активности Т-клеток. Нарушение морфологических колебаний митохондрий также влияло на процессинг антигена. Однако стимулирование слияния митохондрий усиливало процессинг антигенов во время спадов циркадного цикла (когда митохондрии имеют фрагментированный фенотип) в ДК, не имеющих молекулярных часов, и устраняло дефект процессинга антигенов, наблюдавшийся ранее в ДК, с нарушенными молекулярными часами.
Наконец, ученые обнаружили критическую роль кальция в регуляции метаболизма и морфологии митохондрий. Локализация митохондриального кальция не только подчиняется циркадному ритму в ДК, не нарушающих работу часов, но и опосредуется митохондриальным кальциевым юнипортером, а увеличение как синтеза митохондрий, так и поглощения кальция приводит к повышению уровня переработки антигенов по сравнению со стимулированием любого из этих процессов в отдельности.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что митохондриальный метаболизм является ключевым регулятором процессинга антигенов ДК и последующей активации Т-клеток, а циркадные осцилляции морфологии митохондрий, обусловленные уровнем кальция, механистически связаны с процессингом антигенов ДК. Всесторонне раскрыв этот процесс, Кертис и ее сотрудники не только доказали возможность модуляции этих механизмов с помощью малых молекул, но и представили многочисленные потенциальные мишени для такой модуляции, заслуживающие дальнейшего изучения.
