Механизм соматического гипермутагенеза
Процесс усиленного мутирования генов иммуноглобулинов протекает исключительно во время иммунного ответа. В нем участвуют активно пролиферирующие В-клетки (В-центробласты), расположенные в зародышевых центрах. На стадии зрелых плазматических клеток гипермутагенез прекращается.
Главным инициатором выступает фермент дезаминаза цитидина, кодируемый геном AID (Activation-induced cytidine deaminase). Фермент дезаминирует цитидин в одноцепочечной ДНК, превращая его в дезоксиуридин. Первично это вызывает замену цитозина на тимин (С→Т), после чего возникают множественные соматические мутации в виде трансцизий.
Частота генетических изменений при этом процессе возрастает на три-четыре порядка (с $10^{-6}$ до $10^{-2}$). Мутации локализуются строго в V-домене, наиболее интенсивно затрагивая участок CDR3, где изменяется до 3% оснований при каждом делении. Большинство мутаций снижает способность антител связывать антиген, но благодаря огромному количеству вариантов появляются клоны с повышенным сродством. Выживание таких клеток называется созреванием аффинитета.
Переключение константных генов (изотипов)
Переключение изотипов обеспечивает молекулярную основу для смены классов антител. В кластере генов IGH находится набор константных (С) генов. У человека на хромосоме 14q они расположены в эволюционно закрепленном порядке: от C$\mu$ и C$\delta$ до C$\alpha$2.
Для запуска переключения необходим Т-зависимый иммунный ответ, контакт с Т-клетками через молекулы CD40 и CD154, а также действие цитокинов. Перед каждым С-геном (кроме C$\delta$) располагается S-последовательность (от англ. switch), состоящая из повторов GAGCT или GGGGGT.
Этапы рекомбинации:
- Полимеризация S-последовательностей и реорганизация хроматина.
- Сближение выбранных S-участков.
- Образование ДНК-петли, захватывающей все промежуточные С-гены.
- Двунитевые разрывы ДНК с помощью эндонуклеаз по краям петли.
- Вырезание петли и немедленное сшивание свободных концов.
В результате новый С-ген присоединяется к исходному вариабельному V-гену. Специфичность антител при этом не изменяется, так как V-ген остается прежним, меняется лишь эффекторная функция.
Влияние цитокинов и формирование секретируемых форм
Направление смены изотипа регулируется цитокинами, которые продуцируются Т-хелперами:
- IL-4 направляет переключение на синтез IgE (а у мышей также на IgG1).
- IFN$\gamma$ индуцирует переход к выработке IgG3.
- TGF$\beta$ способствует продукции IgA.
Помимо смены изотипа, В-клетка переключает синтез с мембранных рецепторов на секретируемые антитела. На 3'-конце С-генов находятся SC-сегмент (кодирует растворимую часть) и два MC-сегмента (кодируют гидрофобный якорь для мембраны).
В наивных клетках считываются оба участка, но при сплайсинге SC-фрагмент удаляется, и рецептор фиксируется в мембране. При превращении в плазматическую клетку терминация транскрипции (сигнал поли-А) происходит рано — сразу после SC-сегмента. В результате MC-участки не считываются, и клетка синтезирует только растворимые антитела.
Коротко: ответы на вопросы по теме
В каком точном порядке расположены гены константных доменов тяжелых цепей (IGH) на хромосоме 14q у человека?
Точный порядок расположения генов константных доменов тяжелых цепей на хромосоме 14q у человека включает VDJ-сегмент, за которым следуют С-гены и псевдоген.
Порядок расположения в кластере IGH: VDJ — C$\mu$ — C$\delta$ — C$\gamma$3 — C$\gamma$1 — $\psi$C$\epsilon$ — C$\alpha$1 — C$\gamma$2 — C$\gamma$4 — C$\epsilon$ — C$\alpha$2.
Наличие двух гомологичных наборов генов является результатом эволюционной дупликации. Между генами C$\gamma$1 и C$\alpha$1 расположен псевдоген, гомологичный гену C$\epsilon$. Расположение и точный набор С-генов являются видоспецифичными.
К какому первичному иммунодефициту приводят генетические дефекты фермента AID или молекулы CD154?
Генетический дефект молекулы CD154 приводит к развитию первичного иммунодефицита — гипер-IgM-синдрома.
- Гипер-IgM-синдром — возникает из-за мутации гена TNFSF5 (хромосома Xq) и нарушения экспрессии молекулы CD154 или ее рецептора CD40.
Это блокирует нормальное межклеточное взаимодействие Т-клеток с макрофагами, дендритными клетками и В-лимфоцитами. В результате у пациента нарушено переключение С-генов. Информации о первичном иммунодефиците, вызванном дефектом фермента AID, в предоставленных материалах нет.
Для запоминания связи цитокинов и изотипов: IL-4 («четыре» созвучно с буквой «Е») — переключает на IgE. TGF-beta («бета» и «А») — направляет на синтез IgA.
Вопросы с занятий и экзамена
Происходит ли гипермутагенез в плазматических клетках?
Нет, этот процесс выявляется только в активированных пролиферирующих В-центробластах. В дифференцированных плазматических клетках он не происходит.
Меняется ли специфичность антитела при переключении изотипа?
Специфичность к антигену не меняется. Вариабельный (V) ген остается прежним, заменяется только константный (С) ген, который определяет эффекторные свойства молекулы.
Почему наивные В-клетки экспрессируют сразу два изотипа — IgM и IgD?
Это достигается за счет альтернативного сплайсинга первичного транскрипта мРНК. В зависимости от места вырезания интронов формируется либо $\mu$-, либо $\delta$-цепь.
Обратимо ли переключение классов антител?
Как правило, это необратимый процесс, так как ДНК-петля с промежуточными константными генами физически вырезается из генома клетки и утрачивается.
Что ещё разобрать по теме
- Механизмы альтернативного сплайсинга при одновременной экспрессии IgM и IgD
- Строение и функции молекул CD40 и CD154 в Т-зависимом иммунном ответе
- Эволюционная дупликация генов в кластере IGH на хромосоме 14q у человека
- Молекулярная структура S-последовательностей и их чувствительность к эндонуклеазам
Разберите тему целиком в курсе «Иммунология»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Соматический гипермутагенез и переключение изотипов» и ещё 723 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 23 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Адаптивный иммунитет»
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.