Генетический контроль синтеза иммуноглобулинов

Синтез иммуноглобулинов, молекулы которых состоят из тяжелых и легких цепей, которые в свою очередь имеют вариабельные и константные участки, осуществляется под контролем двух основных групп генов – вариабельных (V) и постоянных (С). Количество V-генов достаточно велико, а количество С-генов весьма ограничено: два С-гена кодируют κ- и λ-варианты постоянного домена легкой цепи, и еще 9 С-генов кодируют синтез тяжелых цепей изотипов иммуноглобулинов (С_μ, С_γ1, С_γ2, С _γ3, С_{γ4 ,} С_ε, С_α1, С_α2, С_δ).

В незрелых В-клетках V- и С-гены, кодирующие легкие и тяжелые цепи иммуноглобулинов, расположены на одной и той же хромосоме, но на значительном расстоянии друг от друга (состояние зародышевой линии). По мере созревания В-клеток от предшественников к зрелым клеткам (от пВ до В_о-лимфоцитов) пространственно удаленные генные сегменты подвергаются реарранжировке – переносятся и объединяются друг с другом, формируя функциональные генные сегменты, при считывании информации с которых осуществляется синтез легких и тяжелых цепей иммуноглобулинов. Эта случайная рекомбинация приводит к формированию большого разнобразия различных по специфичности клонов В-лимфоцитов.

Гены, кодирующие легкие κ-цепи, у человека локализованы в 22-й хромосоме, легкие α-цепи – во 2-й хромосоме, а гены, кодирующие тяжелые цепи всех изотипов иммуноглобулинов, – в 14-й хромосоме.

Семейство генов κ- и λ-легких цепей содержит V, J и С-генные сегменты. Количество функциональных V-сегментов легкой κ-цепи равно 41, J-сегментов – 5. Количество V-сегментов легкой α-цепи равно 34, а J-сегментов – 5.

В процессе дифференцировки В-клеток из общего лимфоидного предшественника в костном мозге происходит реарранжировка генов, кодирующих легкую цепь иммуноглобулинов, которая заключается в случайном переносе и объединении (транслокации и интеграции) генных сегментов, кодирующих V- и J-сегменты, что приводит к образованию неразделенного интронами функционального VJ-генного сегмента, кодирующего V-домен легкой цепи иммуноглобулина. В последующем каждый из образующихся VJ-генных сегментов объединяется с С-геном, кодирующим постоянный домен легкой цепи, что ведет к синтезу большого разнообразия легких цепей (κ и λ) различной специфичности.

Семейство генов тяжелых цепей содержит V, D, J и С-генные сегменты. Реарранжированные в процессе дифференцировки VDJ-генные сегменты кодируют вариабельные домены тяжелой цепи. С-генные сегменты кодируют постоянные участки тяжелых цепей, определяющих изотипы иммуноглобулинов.

Количество функциональных V_н, D_н и J_н сегментов в ДНК зародышевой линии человека составляет: 65 V_н, 27 D_н и 6 J_н (помимо этих функциональных сегментов существует также множество нефункциональных, так называемых псевдогенов). Способность в результате случайной рекомбинации любого из 48 V_н генных сегментов объединяться с любым из 23 D_н и 6 J_н сегментов в процессе дифференцировки В-клеток приводит к возможности образования 48 х 23 х 6 = 6624 различных по специфичности вариантов V-доменов тяжелых цепей.

В совокупности количество возможных вариантов сочетаний V-доменов тяжелых и обоих вариантов легких цепей с учетом комбинаций в результате объединения материнского и отцовского геномов составляет по разным оценкам от 2,5∙10⁸ до 10¹⁰. Таким образом, теоретически возможное количество отличающихся по специфичности антител, соответствующее возможному числу клонов В-лимфоцитов, образующихся в результате реарранжировки зародышевых генов иммуноглобулинов, составляет 10⁸-10⁹. Такой уровень вариабельности даже превышает теоретически возможное количество природных В-клеточных эпитопов. Схема, отражающая процесс реарранжировки генов в процессе дифференцировки В-лимфоцитов на примере генов тяжелых цепей, приведена на рис. 23.

Рисунок 23. Случайная рекомбинация генов тяжелой цепи иммуноглобулинов в процессе дифференцировки В-лимфоцитов

В начале последовательности генов, кодирующих легкие и тяжелые цепи, в их 5^'-конце, локализован экзон, кодирующий сигнальный, или лидерный (L) пептид, который позволяет синтезированным легким и тяжелым цепям перемещаться через эндоплазматический ретикулум в комплекс Гольджи. Там перед объединением легких и тяжелых цепей иммуноглобулина в единую молекулу этот сигнальный пептид отщепляется.

Общая схема реорганизации генов для тяжелых цепей иммуноглобулинов та же, что и для легких цепей. Однако, в отличие от генов легких цепей, включающих только один ген константной области, у человека имеется 9 С-генов, кодирующих постоянные участки тяжелых цепей иммуноглобулинов разных изотипов. Поочередное объединение одного и того же VDJ-генного сегмента с С_μ, С_δ ,С_γ , С_ε и С_α генами лежит в основе переключения синтеза разных изотипов иммуноглобулинов В-лимфоцитами одного и того же клона. В процессе синтеза и секреции иммуноглобулинов обязательным этапом является рекомбинация генов тяжелых и легких цепей, заключающаяся в удалении интронов и соединении экзонов с последующей транскрипцией, которая приводит к образованию незрелой пре-мРНК. Затем происходит сплайсинг пре-мРНК, в процессе которого вырезаются интроны и объединяются экзоны, образуя зрелую мРНК (процессинг РНК), при считывании информации с которой осуществляется синтез белка. Таким образом происходит синтез легких цепей иммуноглобулинов.

Генетический контроль синтеза тяжелых цепей иммуноглобулинов осуществляется с помощью механизма альтернативного сплайсинга. При альтернативном сплайсинге вырезаются не только все интроны, но и некоторые экзоны. В результате при считывании информации с одного и того же участка ДНК образуются разные варианты мРНК, на матрице которой синтезируются несколько отличающиеся молекулы белка. По механизму альтернативного сплайсинга осуществляется процессинг пре-мРНК, приводящий к образованию различных изотипов иммуноглобулинов. При этом в процессе альтернативного сплайсинга пре-мРНК, кодирующей всю тяжелую цепь молекулы иммуноглобулина определенной специфичности, в молекуле зрелой мРНК остается один из 9 С-генов, кодирующий один из изотипов иммуноглобулинов, в то время как вырезаются С-гены, кодирующие остальные 8 изотипов. В процессе переключения изотипов меняются экспрессируемые в зрелой мРНК С-гены: от Сμ до Сα.

Этот же механизм лежит в основе синтеза мембранной (рецепторной) и секретируемой формы иммуноглобулинов. В состав локуса, контролирующего синтез тяжелой цепи IgM, входят два специализированных экзона (М₁ и М₂), которые кодируют трансмембранный и цитоплазматический участки тяжелой цепи мембраносвязанного рецепторного IgМ, которые обеспечивают встраивание молекулы рецепторного IgМ в мембрану В-клетки. В секретируемой форме мономерного IgМ эти участки отсутствуют. Схема альтернативного сплайсинга при синтезе мембранной и секретируемой форм IgМ представлена рис. 24.

Помимо случайной рекомбинации наследуемых генов иммуноглобулинов (генов зародышевой линии), определенный вклад в формирование разнообразия клонов В-лимфоцитов вносит процесс соматических гипермутаций (затрагивает только V-домен), происходящий в герминативных центрах лимфоидных фолликулов в процессе размножения В-лимфоцитов, активированных в результате распознавания соответствующих антигенов.