Основы молекулярной биологии - В.И. Резяпкин 2009

Перестройки геномов
Перестройки генов иммуноглобулинов

Иммуноглобулины - белки иммунной системы, обладающие активностью антител. Их основное назначение - распознавание чужеродных макромолекул и участие в иммунном ответе организма. Различают пять классов иммуноглобулинов: IgG, IgA, IgM, IgD и IgE. Представители различенных классов отличаются по нескольким параметрам (таблица 9.1).

Таблица 9.1

Характеристика иммуноглобулинов

Молекулы иммуноглобулинов состоят (рис. 9.14) из двух идентичных тяжелых Н-цепей (Heavy - тяжёлый) с относительной молекулярной массой 55000 - 70000 и двух идентичных лёгких L-цепей (Light - лёгкий) с относительной молекулярной массой примерно 22000. L- и H-цепи имеют вариабельные (V) и константные (С) участки. Вариабельные участки у различных молекул иммуноглобулинов отличаются по первичной структуре и ответственны за распознавание антигенов, константные же участки - за дальнейшую судьбу комплекса антиген-антитело. Константные участки тяжелых цепей различных классов иммуноглобулинов существенно отличаются по аминокислотной последовательности. Эти области определяют принадлежность данного иммуноглобулина к определенному классу и особые свойства каждого класса антител.

Рис. 9.14. Иммуноглобулины

За продукцию иммуноглобулинов ответственны клетки иммунной системы - лимфоциты. Причем в незрелых лимфоцитах, также как и в других клетках, гены иммуноглобулинов не экспрессируются. Это связано с тем, что организация генов иммуноглобулинов в зрелых лимфоцитах существенно отличается от таковой в незрелых лимфоцитах или других клетках. Созревание лимфоцитов сопровождается глобальными перестройками генов иммуноглобулинов, в результате которых лимфоциты приобретают способность продуцировать иммуноглобулины определенной специфичности.

В незрелых лимфоцитах иммуноглобулины кодируются тремя семействами генов. Два кодируют L-цепи и одно - H-цепи.

H-цепь иммуноглобулинов в незрелых лимфоцитах кодируется четырьмя наборами сегментов (рис. 9.15): V (вариабельные сегменты), D (сегменты разнообразия), J (соединительные сегменты) и C (константные сегменты). Всего в геноме присутствуют несколько сотен V-сегментов, около 15 D- сегментов и 4 J-сегмента. При созревании лимфоцитов ДНК, кодирующая вариабельную область H-цепи, формируется в результате удаления обширных участков ДНК и воссоединения по одному любого из V-, D- и J -сегментов с образованием V-D-J-области (рис. 9.15). У разных лимфоцитов при созревании воссоединяются различные V-, D- и J -сегменты. Таким образом, каждый лимфоцит имеет свой набор объединенных сегментов. Это обстоятельство и обуславливает многообразие вариабельных областей H-цепей иммуноглобулинов. Сформировавшаяся V-D-J-область ДНК далее соединяется с одним из С-генов (рис. 15). Эти С-гены определяют принадлежность иммуноглобулинов к определенному классу (IgG, IgA, IgM, IgD и IgE). Сформировавшиеся в результате перестроек ДНК гены H-цепей иммуноглобулинов транскрибируются с образованием РНК, которая после созревания используется в качестве матрицы для синтеза соответствующих цепей иммуноглобулинов (рис. 9.15).

Рис. 9.15. Схема, иллюстрирующая перестройки генов H-цепей иммуноглобулинов

Каждая L-цепь иммуноглобулинов в незрелых лимфоцитах кодируется (рис. 9.16) вариабельными сегментами (V- сегментами), соединительными сегментами (J-сегментами) и константными сегментами (С-сегментами). В геноме представлены сотни различных V-сегментов и несколько J-сегментов. При созревании лимфоцитов происходят перестройки участков ДНК, кодирующих L-цепи, сходные с перестройками участков ДНК, кодирующих H-цепи. В результате таких перестроек (рис. 9.16) осуществляется сближение по одному любого из V- и J - сегментов с С-сегментом. При этом в различных лимфоцитах сближаются различные V- и J -сегменты, т.е. каждый лимфоцит имеет свой набор объединенных сегментов. Сформировавшиеся гены (рис. 9.16) транскрибируются с образованием преРНК. Последняя после процессинга, включающего сплайсинг, транслируется, обеспечивая синтез L-цепей иммуноглобулина.

Рис. 9.16. Схема, иллюстрирующая перестройки генов L-цепей иммуноглобулинов

В лимфоцитах из L- и H-цепей формируются иммуноглобулины, специфичные к определенным антигенам. Причиной многообразия их вариабельных областей являются рассмотренные выше перестройки генов иммуноглобулинов. Существование антител различной специфичности, прежде всего, определяется случайным сочетанием сегментов, формирующих вариабельные области иммуноглобулинов, при перестройке их генов. Число возможных вариабельных областей иммуноглобулинов увеличивается еще и за счет того, что во время перестройки генов сегменты, кодирующие вариабельные области, состыковываются не очень точно. Кроме того, при воссоединении сегментов происходит утрачивание или вставки небольшого количества оснований. Что в свою очередь значительно увеличивает разнообразие вариабельных областей, как легких, так и тяжелых цепей иммуноглобулинов.

Как отмечалось выше, Н-цепи иммуноглобулинов кодируются одним семейством генов, а L-цепи двумя семействами. Поскольку каждый локус в геноме диплоидных организмов представлен двумя аллелями, казалось бы, в результате перестроек генов Н-цепей в каждом лимфоците должны образовываться H-цепи двух видов и L-цепи четырех видов. Однако это не так. В каждом лимфоците синтезируется только одна Н-цепь и одна L-цепь. Почему же так происходит? Дело в том, что вначале осуществляются перестройки генов Н-цепей, и только потом - L-цепей. При этом перестройки генов Н-цепей происходят сначала в одной из двух хромосом. Если образуется функционально активный ген Н-цепей, перестройки соответствующего локуса во второй хромосоме блокируются. Если же перестройки завершаются образованием функционально неактивного гена, то только тогда запускаются перестройки генов во второй хромосоме. После удачного завершения формирования одного гена Н- цепи в одной из хромосом, запускаются перестройки генов L- цепей. И в этом случае перестройки происходят последовательно. При этом перестройки каждого следующего локуса возможны только, при условии неудачных рекомбинаций, происходящих в предыдущих локусах. То есть и в этом случае формируется только один функционально активный ген L-цепи. Таким образом в каждом лимфоците имеется только по одному экспрессирующемуся гену Н- и L- цепей. Лимфоциты, в которых не сформировались гены функциональных Н- и L-цепей, погибают.