Генетика антителообразования

Принцип фрагментации и решение генетической проблемы

Долгое время в иммунологии существовала проблема кодирования: количество наследуемых структурных генов (зародышевых) ничтожно мало по сравнению с невероятным многообразием существующих антител. Решением оказался принцип фрагментации.

В ДНК гены иммуноглобулинов не представлены в виде цельных участков. Они разбросаны по хромосоме в форме отдельных фрагментов (сегментов). Каждый такой ген кодирует лишь строго определенный отрезок молекулы антитела. Чтобы получить полноценный рабочий ген, клетка должна собрать эти фрагменты вместе.

Такая сборка называется рекомбинацией (или реаранжировкой). Она протекает в процессе созревания В-лимфоцита, пока он готовится стать плазматической клеткой. Благодаря ферментам — рекомбиназам, которые расщепляют и сшивают цепи ДНК, фрагменты комбинируются абсолютно случайным образом. Итог: каждая отдельная В-клетка формирует свою неповторимую последовательность генов.

Источники разнообразия антител

Историческое открытие молекулярных механизмов перестройки ДНК принадлежит Судзуми Тонегаве. Согласно его концепции, колоссальная вариабельность иммуноглобулинов обеспечивается тремя главными факторами:

1. Комбинаторика (рекомбинация сегментов ДНК) — базовое перемешивание доступных генных фрагментов.
2. Неточность сшивания — при соединении сегментов на их стыках могут случайно добавляться «лишние» нуклеотиды, что меняет итоговую структуру белка.
3. Соматические гипермутации — точечные изменения, происходящие в V-генах (вариабельных участках).

Организация и сборка тяжелых (H) цепей

Генетический материал для тяжелых цепей располагается на 14-й хромосоме. В незрелой клетке этот локус разделен на четыре ключевые области:

• V (variable) — около 50 сегментов, отвечающих за вариабельность.
• D (diversity) — примерно 30 сегментов, обеспечивающих дополнительное разнообразие.
• J (joining) — 6 соединяющих сегментов.
• C (constant) — константная область, представленная 9 генами, которые определяют класс будущего антитела (например, ген $\mu$ кодирует IgM, а $\gamma1$ — IgG1).

Процесс реаранжировки H-цепи идет поэтапно. Сначала происходит D-J рекомбинация: один D-ген сцепляется с J-геном, а промежуточная ДНК удаляется. Затем к этому DJ-комплексу присоединяется V-ген (вместе с сигнальным L-сегментом). Сформированная последовательность транскрибируется в мРНК, включающую также константный ген (первично это $C\mu$).

После трансляции образуется белок с лидерной последовательностью. Когда ферменты отщепляют этот сигнальный L-пептид, формирование окончательной тяжелой $\mu$-цепи завершается. Важно отметить, что весь этот процесс идет с активным сплайсингом (вырезанием некодирующих интронов) и строго до контакта с реальным антигеном.

Специфика легких цепей

Генетика легких цепей отличается как локализацией, так и строением локусов. Существует два типа легких цепей:

• Цепи $\kappa$ (каппа): Гены лежат на 2-й хромосоме. Они содержат около 40 функциональных V-генов и 5 J-генов (которые кодируют добавочные аминокислоты). В ходе сборки V-ген переносится к J-гену, после чего происходит совместная транскрипция с геном константной области ($C\kappa$).
• Цепи $\lambda$ (лямбда): Локализованы на 22-й хромосоме. Их главная архитектурная особенность — наличие множества генов константной (C) области, причем J-последовательности расположены не общим блоком, а непосредственно перед каждым отдельным C-геном.

Переключение классов иммуноглобулинов

Зрелые В-лимфоциты изначально продуцируют антитела класса IgM. Однако в ходе иммунного ответа клетке часто требуется сменить класс синтезируемого антитела (например, на IgG или IgA), сохранив при этом его специфичность к антигену. Этот феномен называется переключением классов (isotype switching).

Механизм заключается в том, что уже перестроенный VDJ-комплекс (отвечающий за распознавание) соединяется с другим C-геном тяжелой цепи, который расположен ниже по цепи ДНК.

Ключевую роль здесь играют S-последовательности (Switching), расположенные перед каждым C-геном (за исключением $C\delta$). Эти участки обладают высокой степенью гомологии, что позволяет им легко рекомбинировать друг с другом. При переключении изотипа (допустим, с IgM на IgG1) участок ДНК между VDJ-комплексом и новым целевым C-геном (включая старые гены $C\mu$, $C\delta$ и др.) навсегда вырезается и удаляется из генома клетки.

Вопросы с занятий и экзамена

Что ещё разобрать по теме

• Молекулярное строение и функции S-последовательностей (Switching)
• Роль сигнальной L-последовательности (лидерного пептида) в процессинге белка
• Сплайсинг РНК и механизм удаления интронов при созревании транскрипта
• Детальный механизм работы рекомбиназ (RAG1 и RAG2)

Другие темы раздела «Учение об иммунитете»

Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.