Иммуноглобулины: генетическая организация, введение
В организме синтезируются миллионы различных антител , в совокупности способных распознать фактически любой патогенный агент, который проник в организм или может проникнуть. Поскольку это количество, вероятно, превышает число всех генов организма, должны существовать способы обеспечения такого разнообразия антител.
Исследования, проведенные Tonegava и Leder, позволили ответить на этот вопрос. Существует единый механизм, позволяющий кодировать иммуноглобулины B-лимфоцитов и рецепторы T-лимфоцитов сложными генами, составленных сочетаниями мини-генов, что в конечном итоге приводит к невероятному разнообразию специфичностей: от 10{h6{c}h }cдо 10{h8}h.{h }hПри этом множество генов вариабельной области ( V) иммуноглобулинов соединяются с единственным геном константной области (C) иммуноглобулинов.
В целом, однако, существует много моментов, отличающих синтез иммуноглобулинов и рецепторов T-лимфоцитов от синтеза остальных мембранных белков.
Гены, кодирующие вариабельные области молекул иммуноглобулинов и рецепторов T-лимфоцитов, подразделяются на три кластера V, D и J, которые расположены на трех различных хромосомах. При этом, в эмбриональном наборе иммуноглобулины представлены 30-500 V-генами вариабельных областей, 12-15 минигенами D и 40-50 короткими J- сегментами. Гены константных областей существуют в виде одной копии для каждого подкласса. Случайное соединение внутри каждой группы генов любого V-гена с любым D, а затем J-сегментом приводит к возникновению около 30000 тяжелых и 800 легких цепей иммуноглобулинов. Спонтанная ассоциация легких и тяжелых цепей приводит к образованию невероятного количества B-лимфоцитов с различной специфичностью: - 24000000. Дополнительное разнообразие обеспечивается комбинациями V - D - J. Кроме этого, после первичного иммунного ответа гены B-лимфоцитов с высокой частотой мутируют (мутации затрагивают V-области); возможно, это способствуют образованию антител с более высокой афинностью при вторичном ответе.
Расположение генетических локусов (два для генов легких цепей ( каппа и лямбда ) и один (H)- для генов тяжелых цепей ) на хромосомах представлено в таблице:
табл. Расположение генов легких и тяжелых цепей Ig в геноме
Каждое из этих семейств включает множество генов, кодирующих вариабельные домены L- и H-цепей, и единичные гены константных областей, причем такие группы генов находятся на значительном расстоянии друг от друга. Образование легкой и тяжелой цепей происходит в результате рекомбинации одного из вариабельных генов (V) с геном, кодирующим константный участок (С). Между V- и С-генами находятся последовательности ( D-сегменты и J-сегменты ) , кодирующие небольшие фрагменты полипептидной цепи, входящие в вариабельные области.
Таким образом, огромное разнообразие антител достигается в результате:
1) существования большого числа вариабельных областей генов (V) в каждом из H-, каппа- и лямбда-локусов;
2) рекомбинации между V-, D- и J-сегментами, кодирующими фрагменты вариабельных доменов ;
3) разнообразия вариантов, возникающих на границе соединяющихся сегментов как следствие неточного соединения, делеции или включения дополнительных нуклеотидов;
4) точечных соматических мутаций;
5) комбинаций между легкими и тяжелыми цепями.
В зародышевом геноме имеются большие популяции V-генов (например, у человека около 1000 V(H) и 75 Vкаппа - генов), которые находятся на большом расстоянии от D-, J- и сближенных с последними константных (С) фрагментов.
В локусе генов легких цепей каппа-типа отсутствуют D-сегменты и имеется лишь один С -ген. Несколько иное строение локуса генов легких цепей лямбда-типа: в нем за каждым вариабельным геном следует несколько С- генов, и каждому из них предшествует свой J-сегмент.
При созревании В-лимфоцитов происходит перегруппировка ДНК и транслокация одного из V-генов к одному из J-сегментов (в случае генов тяжелых цепей предварительно протекает рекомбинация между D-и J- участками) ( рис 323 ).
В результате такой V(D)J рекомбинации происходит сближение вариабельных и константных участков, а также промоторов , лежащих перед каждым V-геном, и энхансеров , находящихся в интроне между J- и С-участками и в дистальной 3'-области за С-генами. Считалось, что при этом участок ДНК, заключенный между соединяющимися V- и J-фрагментами, делетируется из генома. Позднее было показано, что для описания такого процесса более справедлив инверсионно-делеционный механизм, в результате которого "вырезаемая" область переносится в другую часть хромосомы. Только после этих генетических процессов образуется активная транскрипционная единица. Первичный транскрипт включает в себя интрон между J- и С -сегментами, который вырезается при созревании РНК.
На первом этапе развития B-лимфоциты экспрессирует иммуноглобулины класса M и класса D . В ходе развития иммунокомпетентной клетки может происходить изменение класса синтезируемого иммуноглобулина. Оно обусловливается генетическим процессом, включающим новую перегруппировку ДНК и носящим название " переключение класса ". При этом происходит замена в зрелом гене тяжелых цепей одного С -гена другим путем рекомбинации между областями, примыкающими к 5'-концам константных генов ( рис 323а ).
Процесс не затрагивает ни V(H) -генов, ни генов легких цепей, и, следовательно, специфичность антител, синтезируемых данной клеткой, остается неизменной.
Каждый из генов тяжелых цепей иммуноглобулинов имеет на 3'-конце дополнительную последовательность, кодирующую около 40 аминокислотных остатков, представляющих собой С-концевой участок мембранной формы иммуноглобулина. Он включает гидрофобный трансмембранный сегмент (около 26 аминокислотных остатков), отличающийся высоким консерватизмом между классами иммуноглобулинов, и цитоплазматический участок (12-14 остатков), содержащий несколько кислых аминокислот. Транскрипция иммуноглобулинового гена может приводить к образованию двух типов РНК - содержащей и не содержащей трансмембранный фрагмент, что обусловливает биосинтез той или иной формы иммуноглобулина.
