Генетические механизмы разнообразия антител

Министерство сельского хозяйства

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего и профессионального образования

«Оренбургский государственный аграрный университет»

Кафедра микробиологии

И. В. Савина

Методические указания для студентов, обучающихся по специальностям «Ветеринария» и «Микробиология», на тему:

Генетические механизмы разнообразия антител. Генетический контроль интенсивности иммунного ответа».

Оренбург 2011

Автор: И.В. Савина.

Методическое указание к теме, предназначенной для самостоятельного изучение: «Генетические механизмы разнообразия антител. Генетический контроль интенсивности иммунного ответа».

Рецензент: доцент кафедры незаразных болезней О.В.Филиппова

Методические указания обсуждены на заседании методической комиссии факультета Ветеринарной медицины ОГАУ и рекомендованы к опубликованию (протокол № от « » « » 2011г.)

Генетические механизмы разнообразия антител

В незрелой клетке-предшественнице имеются миллионы генов, несущих информацию о структуре иммуноглобулинов, которые при дифференцировке лишь активируются. Для каждой L- и Н- цепи антител должно быть не менее 2-х генов (для С- и V- фрагментов). Особенно много должно быть генов для V – фрагментов, так как они отличаются большим разнообразием и ответственны за специфичность антител. В организме млекопитающих число генетических элементов, ответственных за образование Ig ≈ 2 тыс, а разнообразие молекул Ig оценивается десятками миллионов.

По расчетам некоторых авторов вариабельность может составлять 10² сочетаний. В геноме человека и животных просто не хватило бы генетического материала, если каждый Ig кодировался бы уникальным геном. Поэтому эволюционно возникло и закрепилось отбором несколько механизмов, обеспечивающих бесконечное генетическое разнообразие антител при «минимальных затратах» ДНК. Основные из них следующие:

1. Соматические рекомбинации;

2. Соматические мутации;

3. Неточность сплайсинга.

Похожие механизмы работают и для обеспечения разнообразия других молекул: рецепторных Т-клеток, молекул МНС. Разнообразие потенциальных антигенов – 10¹⁶.

Гены, кодирующие полипептидные цепи антител подразделяются на три кластера, которые расположены на трех различных хромосомах: два локуса для генов легких цепей (К² и Л²²) и один (Н¹⁴)хромосом для гена тяжелых цепей.

В 1975-1976 гг. в лаборатории Тонегава был открыт феномен рекомбинации ДНК в соматических клетках. В незрелых лимфоцитах нет сформированных генов, с которых снималась бы информация о структуре L- и Н- цепей, а имеются лишь сегменты (мини – гены) будущих генов. Гены в недифференцированных лимфоцитах как бы разорваны, их сегменты в ДНК разбросаны и отделены друг от друга иногда тысячами пар нуклеотидов. При созревании лимфоцитов происходит сближение и объединение в один L- и Н- ген разных сегментов, несущих информацию о вариабельных доменах L- и Н- цепей. Так, в ДНК незрелых лимфоцитов для легких цепей имеются Vl-сегменты, контролирующие первые 95-100 аминокислот вариабельного домена, J-сегменты контролирующие другие 12-15 аминокислот V-домена и Cl-сегмент, контролирующий последовательность аминокислот в С-домене. Для тяжелых цепей – Vh-домена, Д-сегменты и J-сегменты, каждый из которых несет информацию о 10-15 аминокислот их Vh-домена, а Т-тяж Сн - сегмент, кодирующий последовательность аминокислот Сн-доменах. Количество V-, J-, Д- сегментов различно у разных животных. У человека гены вариабельных областей содержат V-сегментов для Lk – цепей - 40, для Lj-цепей ≈ 30, для Н-цепей ≈ 50; Д-сегментов для Н-цепей ≈ 30, J-сегментов для Lk-цепей - 5, для Lj - 4; для Н-цепей – 6.

При созревании В-лимфоцитов происходит перегруппировка ДНК и наблюдается случайная V(D)J- рекомбинации. В результате имеет место не только сближение «разорванных» по молекуле ДНК вариабельных и константных областей, но и энхансеров (усилителей), находящихся в интроне между J- и С- участками и в дистальной области за С-генами.

В результате рекомбинации V-область каждой L-цепи кодируется последовательностью ДНК, собираемой из одного Vl-сегмента и одного J-сегмента, область каждой Н-цепи – из одного Vh-сегмента, одного Д-сегмента и одного J-сегмента. Комбинационное разнообразие, возникающее при сборке мини-генов дает возможность появления в ДНК зрелых лимфоцитов огромного количества специфических Vl- и Vh- областей, несущих информацию о миллионах антителсвязывающих участков антител. Вся остальная ДНК V-, Д- и J- областей, не вошедших в рекомбинантные VJ и VДJ-последовательности вырезается и выбрасывается из генома в виде кольцевые ДНК.

В процессе онтогенеза организма, а также развитие иммунного ответа происходит «переключение классов» Ig: с Д- на М- или с М- на G-. На генетическом уровне это обеспечивается заменой одного Сн-гена на другой путем рекомбинации. Этот процесс не затрагивает ни Vl- гены, ни Vh-гена.

Сочетание V- и J-, V- и Д-, Д- и J- фрагментов происходит случайно, поэтому получается бесконечное разнообразие антитело + гены вариабельных доменов имеют очень высокий уровень мутаций – 2-4% (обычный показатель 0, 0001%). Этот феномен (мутации) играет очень важную роль при вторичном иммунном ответе, что приводит к возникновению Ig с более высокой аффинностью. Феномен рекомбинации в ДНК соматических клеток выявлен только у лимфоцитов, он отсутствует в каких-либо других клетках млекопитающих других организмах.

Рекомбинации для ТкР и МНС, но гипермутагенез только для генов Ig. Рекомбинация ДНК Ig происходит в костном мозге во время лимфопоэза В- лимфоцитов, а гипермутагенез – во время иммуногенеза, т. е. после распознавания антигенов (локализованных в фолликулах лимфоузлов, селезенки и слизистой оболочки). Завершившие лимфопоэз В-лимфоциты любого клона до их стимуляции экспрессируют Ig М и Д. Переключение на синтез Ig , A, происходит после распознавания антигенов и под воздействием определенных цитокинов Т-лимфоцитов и молекул клеточной мембраны Т-лимфоцитов (СД40L).

При этом к ранее перестроенной комбинации VDJ присоединяется какой-либо из Сн – генов (81, 82, 83, 84, Е, 21,22). При завершении переключения изотипов в В-лимфоциты. ДНК неиспользованных С-генов элиминируется в виде кольцевых структур, а В-лимфоцит превращается в плазматическую клетку, продуцирующую антитела.