Структура рецепторных генов
В геноме человека существует 6 основных кластеров, кодирующих цепи антигенраспознающих рецепторов В- и Т-лимфоцитов (иммуноглобулины Ig и Т-клеточные рецепторы TCR). Гены локализованы на разных хромосомах и в зародышевой конфигурации состоят из разобщенных участков.
Кодирующие сегменты делятся на:
- V-сегменты (Variable). Формируют основную часть вариабельного домена (до региона CDR3). Их количество доходит до 129, но многие являются псевдогенами и не экспрессируются.
- D-сегменты (Diversity). Отвечают за дополнительное разнообразие. Присутствуют только в кластерах тяжелых H-цепей иммуноглобулинов, а также $\beta$- и $\delta$-цепей TCR.
- J-сегменты (Joining). Короткие соединительные участки.
- C-гены (Constant). Кодируют константные домены и определяют изотип молекулы.
Зрелая конфигурация гена, способная кодировать полноценный рецептор, формируется исключительно в процессе соматической рекомбинации, когда зародышевые участки соединяются вместе.
Механизм и правило 12/23
Для того чтобы ферменты распознали места разреза ДНК, рядом с кодирующими сегментами находятся рекомбинационные сигнальные последовательности (RSS). Каждая RSS состоит из строго консервативных гептамера (7 нуклеотидов) и нонамера (9 нуклеотидов), разделенных спейсером длиной ровно в 12 или 23 основания.
Сборка сегментов подчиняется строгому «правилу 12/23»: сегмент с 12-членным спейсером может соединиться только с участком, имеющим 23-членный спейсер.
Сам процесс реализуется многокомпонентным V(D)J-рекомбинационным комплексом:
- Сближение и разрыв. Рекомбиназы RAG-1 и RAG-2 связываются с RSS, образуют димер и формируют петлю ДНК. Происходит разрыв нитей точно на границе кодирующих сегментов.
- Удаление лишнего. Промежуточная ДНК вместе с сигнальными последовательностями замыкается в кольцо (REC) и навсегда удаляется из генома.
- Образование шпилек и вставок. Концы разорванных кодирующих участков сворачиваются в замкнутые «шпильки». Затем эндонуклеаза разрезает их сбоку, а нити разворачиваются, образуя палиндромные Р-вставки. Сразу после этого фермент TdT добавляет случайные нуклеотиды без участия матрицы — формируются N-вставки (до 20 нуклеотидов).
- Репарация. ДНК-лигаза IV при участии комплекса Ku70/Ku80 сшивает готовые сегменты.
Аллельное исключение
Рекомбинация протекает независимо в каждом лимфоците и начинается строго на одной хромосоме. Этот механизм называется аллельным исключением.
Если перестройка проходит успешно, экспрессия генов RAG блокируется, а ген на парной хромосоме остается в нетронутом (зародышевом) состоянии. Это критически важно для обеспечения моноспецифичности клетки: один лимфоцит должен нести рецепторы только одной специфичности.
Однако сам процесс сопряжен с высокой частотой ошибок. Около 2/3 попыток приводят к сдвигу рамки считывания. В случае провала на первой хромосоме, клетка активирует перестройку на второй. Если неудачей заканчиваются обе попытки, лимфоцит отправляется в апоптоз.
Источники гипервариабельности
Перестройка идет в зоне формирования третьего гипервариабельного участка рецептора (CDR3), вариабельность которого колоссальна. Разнообразие достигается за счет комплекса факторов:
- Комбинаторики: случайного выбора конкретных V-, D- и J-сегментов.
- Неточности соединения: ферменты могут вносить разрывы со сдвигом на несколько нуклеотидов.
- Р- и N-вставок: добавление новых, не закодированных изначально оснований.
- Смещения рамки считывания: D-сегмент может читаться в трех разных рамках.
Теоретически этот механизм позволяет создать до $10^{19}$ вариантов рецепторов. На практике реализовать этот потенциал невозможно из-за ограниченного числа клеток в организме (реальное число клонов Т-клеток около $2,5 \times 10^7$). Однако этого многообразия с избытком хватает для распознавания любых существующих в природе антигенов.
Правило 12/23 можно сравнить со сборкой железной дороги: фрагмент с креплением типа «12» присоединяется только к пазу типа «23». Одинаковые концы (12+12 или 23+23) не стыкуются. Это защищает клетку от неправильного склеивания двух одинаковых сегментов (например, V и V).
Вопросы с занятий и экзамена
У каких рецепторных цепей есть D-сегменты?
D-сегменты присутствуют только в кластерах тяжелых H-цепей иммуноглобулинов, а также в кластерах β- и δ-цепей Т-клеточного рецептора. Остальные цепи обходятся без них и собираются по типу V-J.
Что такое N-вставки и откуда они берутся?
Это абсолютно новые, не закодированные в геноме нуклеотиды, которые фермент терминальная дезоксинуклеотидилтрансфераза (TdT) случайным образом прикрепляет к концам разрезанной ДНК. Они колоссально увеличивают вариабельность рецепторов.
Что происходит с вырезанным куском ДНК?
Неиспользованные генетические сегменты и сигнальные последовательности сворачиваются в рекомбинационное вырезанное кольцо (REC). Оно физически отщепляется и безвозвратно утрачивается клеткой.
Что ещё разобрать по теме
- Палиндромная структура гептамеров, нонамеров и Р-вставок
- Строение и функции рекомбиназ RAG-1 и RAG-2 в синапсе ДНК
- Механизм выбора линии дифференцировки Т-лимфоцитов (αβ или γδ)
- Феномен периферического редактирования рецептора
- Строгая последовательность перестройки цепей (сначала тяжелые, потом легкие)
Разберите тему целиком в курсе «Иммунология»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «V(D)J-рекомбинация» 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.