Гены иммуноглобулинов

На основании данных о двойственности в строении иммуноглобулинов — наличии вариабельной и константной областей в структуре молекулы — Дрейер и Беннет еще в 1965 г. высказали предположение об участии двух генов (V и С) в построении единой тяжелой или легкой цепей молекулы. «Еретическое» для середины 60-х годов XX в. суждение, когда господствовало мнение, выражающееся формулой «один ген — одна полипептидная цепь», в настоящее время нашло свое подтверждение в несколько усложненном виде.

Для млекопитающих известны три группы сцепления иммуноглобулиновых генов, расположенных на разных хромосомах: группы сцепления для к- и А-типов легких цепей и группа сцепления для тяжелых (IgH) цепей. В незрелых В-клетках или в любых других клетках организма V-гены и С-гены той или иной группы сцепления, находясь на одной и той же хромосоме, удалены друг от друга на значительное расстояние — до 1 млн пар нуклеотидов. Подобная нативная локализация генов для иммуноглобулинов определяется как состояние зародышевой линии (от англ. — germline). Однако по мере созревания В-клеток от некоммитированных предшественников к зрелым формам происходит реорганизация генома так, что пространственно удаленные генные сегменты оказываются в непосредственной близости друг от друга, образуя единый информационный участок.


Этот процесс перестройки генетического материала получил название соматической рекомбинации (или реаранжировки). Он связан только с соматическими клетками (в случае с иммуноглобулиновыми генами — только с В-клетками), не наследуется и, следовательно, не затрагивает половые клетки.

Вариабельность иммуноглобулинов, точнее V-доменов тяжелых (IgH) и легких (IgL) цепей этих молекул, зависит от нескольких внутриклеточных явлений:
1) наличия в геноме множества V-генов как для IgH, так и для IgL, каждый из которых кодирует самостоятельный и отличающийся по специфичности V-домен;
2) процесса соматической рекомбинации: поскольку V-локус включает не только собственно V-гены, но и несколько дополнительных генных сегментов — D и J, то образование зрелого V-гена (VDJ для IgH или VJ для IgL) является результатом случайного сочетания в процессе рекомбинации одного из V-генов с одним из D- и J-генных сегментов;
3) у некоторых видов, например птиц, наблюдается явление генной конверсии — включение в состав активного V-гена нуклеотидов из псевдогенов («молчащих» генов), то, естественно, меняет специфичность основного гена;
4) ошибок рекомбинации: в процессе рекомбинации — объединения одного из V-генов с одним из D- и J-генных сегментов, когда идет процесс делеции («вырезания» некодируемой части ДНК, расположенной между генными сегментами), возможен «захват» пограничных для V-, D-, J-генных сегментов нуклеотидов; ошибки рекомбинации также вносят свой вклад в разнообразие зрелых V-генов;
5) взаимодействия IgH с IgL при внутриклеточном образовании иммуноглобулина: поскольку сформировавшаяся иммуноглобулиновая молекула состоит из Н- и L-полипептидов, V-домены которых совместно образуют антигенраспознающий участок, а в клонах В-клеток специфичность таких V-доменов случайна, то случайной будет и специфичность всей молекулы;
6) явления соматического мутагенеза — точечных замен в последовательности нуклеотидов V-генов при созревании В-клеток.

Рекомбинация генов, кодирующих легкие и тяжелые цепи иммуноглобулинов
Участок ДНК в некоммитированной клетке, ответственный за синтез легкой цепи к-типа, включает три группы генов:

1) 250 VK-генов, каждый из которых кодирует 94—95 аминокислотных остатков Ус-домена;
2) 5 J-мини-генов (от англ.


— joining), один из которых функционально не активен и называется в силу этого псевдогеном; каждый из работающих J-генов кодирует последовательность из 12 — 14 аминокислотных остатков и тем самым обеспечивает достройку V-гена до того количества нуклеотидных остатков, которое контролирует синтез полноценного Vк-домена;
3) Ск-ген кодирует константный регион легкой к-цепи.

Процесс рекомбинации начинается с объединения одного из Vк-генов с одним из J-мини-генов. Объединение этих сегментов ДНК происходит за счет делении (удаления) последовательности пар нуклеотидов, входящих в некодирующую (интронную) последовательность между V и J. Место рекомбинации V-J не является жестко фиксированным. В процессе рекомбинации объединение может происходить как между собственно основаниями V и J, так и между основаниями, соседствующими с этими сегментами. Подобные ошибки вносят дополнительную изменчивость в 3-й гипервариабельный участок V-домена.

В процессе рекомбинации принимают участие ферментные белки. Наиболее изученным из них являются RAG-1 и RAG-2, контролируемые соответствующими генами (англ.


— recombination activating genes). С помощью этих белков осуществляется делеция некодируемых участков ДНК между V-J. Прошедшая первичная рекомбинация обеспечивает формирование к-локуса, который состоит из трех экзонов (кодирующих участков): L-сегмента, кодирующего лидерный пептид — участок незрелой к-цепи, который включает 20 — 25 аминокислотных остатков; рекомбинантного VJ-гена и С-гена константной области.

Подобная рекомбинантная ДНК в коммитированных клетках обеспечивает образование первичного транскрипта — пре-мРНК ядра. В результате процессинга (созревания пре-мРНК ядра) некодируемые участки между J и С, а также между L и V вырезаются. Таким образом, зрелая, связанная с полирибосомами РНК лишена некодирующих последовательностей. При этом все кодирующие последовательности оказываются слитыми в единый информационный участок. Зрелая мРНК транслирует полипептид с дополнительным лидерным участком (L) аминокислотных остатков. Предполагается, что лидерный участок, включающий в основном гидрофобные аминокислоты, способствует прохождению к-цепи через мембрану эндоплазматического ретикулума.


После прохождения он отщепляется, и зрелая к-цепь приобретает, наконец, тот аминокислотный состав, который характерен для секретируемого иммуноглобулина.

Несколько иначе организованы гены для А-типа легких цепей (IgLJ. Собственно V^-гены на хромосоме образуют локальное семейство, а каждый J-сегмент объединен в пару с соответствующим С-геном (Jl-Cl, J2-C2, J3-C3 и т.д.). На сегодня известно семь таких J-C-локусов. Процесс же рекомбинации в своей основе не отличим от того, который описан для к-типа легких цепей. В отличие от генетического контроля V-доменов легких цепей V-домены тяжелых цепей кодируются тремя генными сегментами: V, D и J. Кроме того, в отличие от генов легких к-цепей, включающих только один С-ген константной области, у человека таких генов десять, у мышей восемь. Они ответственны за кодирование классов и подклассов иммуноглобулинов.

При образовании участка генома, кодирующего V-домен тяжелых цепей, происходит два рекомбинационных события. Первое — это объединение D- и J-сегментов (мини-генов) и второе — объединение DJ-участка с V-геном. На начальном этапе дифференцировки В-клеток происходит слияние VDJ-гена с геном, контролирующим константную область IgM (Сц). По мере функционального созревания В-клеток наблюдается переключение синтеза IgM на иммуноглобулины других классов и подклассов при сохранении исходной специфичности V-домена, т.е. происходит рекомбинация того же VDJ-гена с Сн-генами иных классов и подклассов. В целом в процессе развития отдельных В-клеточных клонов возможны две формы реорганизации генома: разные VDJ-гены объединяются с одним и тем же Сн-геном, что обепечивает формирование разных клонов (ранний этап развития В-клеток), и один и тот же VDJ-ген образует единый информационный участок с разными С-генами (внутриклеточное переключение синтеза с одного класса на другой). Случайная рекомбинация генных сегментов — основа вариабельности иммуноглобулинов.

Сопутствующие генные процессы
Изучение хромосомной организации иммуноглобулиновых генов и этапов их реорганизации в процессе развития В-клеток позволило достаточно точно определить первопричину вариабельности антител. Ее основу составляет случайное объединение отдельных генных сегментов в результате рекомбинации: V,D,J — для тяжелых цепей и V,J — для легких цепей иммуноглобулинов. Если число Ун-генов равно 500 (возможно их больше), D-сегмен-тов — 15 и J-сегментов — 4, то число вариантов V-доменов при использовании только этих показателей составит величину 500-15-4 = 30 000.

Расчет для к-цепи включает 250 VK-reHOB и 4 J-сегмента. Таким образом, число вариантов Ук-доменов будет равно 250-4=1000. Так как молекулы иммуноглобулинов строятся из случайного сочетания тяжелых и легких цепей, общее число вариантов антигенсвязующих центров и, следовательно, специфических иммуноглобулинов составит 30 000-1000 = 3 • 106. Полученная величина вариабельности иммуноглобулинов выведена с учетом только трех основных показателей: набора нативных (зародышевых) V-генов, случайной рекомбинации генных сегментов (V-J, V-D-J), случайного взаимодействия VH с VL при образовании молекулы иммуноглобулинов. Разнообразие иммуноглобулинов увеличивается также за счет вставок случайных нуклеотидов — их некомплементарного синтеза в процессе реорганизации V-J, V-D-J, ошибок при объединении генных сегментов (включение в нуклеотидную последовательность при рекомбинации пограничных нуклеотидов, нарушение рамки считывания у D-сегментов, генной конверсии и соматических мутаций).

Явление генной конверсии при формировании активных VL,Vн-генов наблюдается у птиц, кроликов, человека. Это явление связано с существованием в геноме псевдогенов, которые не имеют лидерной последовательности, промоторов и необходимых для V-D-J-рекомбинации последовательностей: гептамер — спейсер— наномер. Наиболее ясная картина участия псевдогенов в формировании многообразия иммуноглобулинов представлена у кур. У них число генных сегментов, контролирующих вариабельность иммуноглобулинов по «классическому» пути, крайне ограничено. Для легких цепей известен лишь один вариабельный ген (VJ). В коJн-сегмент и около 16 Dн-сегментов. Ясно, что столь скромный набор функционально активных генов не может обеспечить необходимый диапазон вариабельности иммуноглобулинов.

В то же время у кур помимо функционального VL-гена имеется 25 псевдогенов. Эти гены не пассивны в полном смысле. В процессе становления клонального репертуара В-клеток происходит постоянное включение части последовательностей псевдогенов в структуру основного VL- гена. Определенный вклад в становление многообразия иммуноглобулинов вносят соматические мутации в соответствующих V-генах. Так, например, было проведено изучение семейства моноклональных антител к гаптену фосфорилхолину. Исходная позиция состояла в том, что в условиях отсутствия соматического мутагенеза все изученные по последовательности аминокислот МАТ должны быть полностью идентичны. Однако сравнение V-генов моноклонов с гаметной последовательностью выявило следующие факты. Все MAT IgM класса были полностью идентичны прототипу — продукту гаметного V-гена. В то же время MAT IgG и IgA классов имели от 1 до 8 замен в гомологичных V-доменах как в гипервариабельной, так в каркасной областях, причем ряд МАТ обладал большей аффинностью к фосфорилхолину, чем исходный прототип. Из этого наблюдения был сделан вывод о реальном проявлении процесса мутационных изменений в VH-гене. Следует подчеркнуть, что мутационный процесс касается не до-антигенного пути становления клонов В-клеток, а постантигенного, т.е. того пути, который связан с реальным ответом В-клеток на антиген.

Учитывая все эти дополнительные факты, следует думать, что диапазон вариабельности иммуноглобулинов в 3 • 10б относится к зародышевой линии, к ситуации «покоящегося» генома. Как только начинается онтогенетический путь до- или постантигенного развития В-клеток, проявляются конвергенция генов, соматический мутагенез, рекомбинация генов с теми ошибками, о которых уже говорилось. По мнению некоторых авторов, вариабельность иммуноглобулинов с учетом отмеченных факторов составляет 1011 — 1020 специфических иммуноглобулинов.

По отношению к В-клеточной популяции данные цифры должны были бы говорить о количестве клонов В-клеток, способных взаимодействовать с множеством антигенных эпитопов. Однако в организме, например у человека, общее число В-лимфоцитов составляет не более 1010. Несопоставимость цифр очевидна. Остается предположить, что в реальных условиях жизни животных и человека либо не все V-гены способны вступить в процесс рекомбинации, либо не во всех случаях проявляют себя процессы, которые являются онтогенетическими источниками разнообразия иммуноглобулинов.Известно пять классов иммуноглобулинов: IgM, IgG, IgA, IgE и IgD. Они построены по общему плану и включают две легкие и две тяжелые полипептидные цепи. Каждая цепь состоит из одного вариабельного и трех или четырех (в зависимости от принадлежности к классу) константных доменов. Специфичность антител зависит от взаимодействия вариабельных доменов легких и тяжелых цепей. Генетический контроль структуры иммуноглобулинов осуществляется большим набором V-генов и незначительным числом дополнительных D- и J-мини-генов. Случайная комбинация одного из V-генов с одним из J- и D-генных сегментов (мини-генов) лежит в основе вариабельности антител, меняющейся от белка к белку. Количество V-генов, D- и J-мини-генов для тяжелых и легких цепей таково, что в условиях случайной рекомбинации возможно потенциальное образование до 3 • 106 отличающихся по специфичности антител. Величина разнообразия антител значительно выше представленной цифры. Свой вклад в разнообразие иммуноглобулинов вносят явления, сопутствующие рекомбинации: случайный захват пограничных, не включенных в стандартный генный сегмент нуклеотидов, некомплементарные вставки (достройки) при сшифке одного генного сегмента сдругим, участие псевдогенов как поставщиков нуклеотидов в основной функционирующий V-ген, соматический мутагенез, затрагивающий V-, но не С-ген, нарушение рамки считывания у D-сегментов. Столь разнообразные механизмы, включенные в обеспечение широкой вариабельности иммуноглобулинов, — гарантия защиты от самого неожиданного антигенного материала.


Оцените статью: (10 голосов)
4.3 5 10
2007-2017 © Copyright ООО «МЕДКАРТА». Все права на материалы, находящиеся на сайте medkarta.com,
охраняются в соответствии с законодательством РФ, в том числе, об авторском праве и смежных правах.