V(d)j-рекомбінація імуноглобулінових генів

Основою імунної відповіді при появі чужорідної молекули чи частинки – антигена – є синтез імуноглобуліна певного типу, який має до цього антигена високу специфічну спорідненість. Число типів імуноглобулінів, так само як і антигенів, є практично необмеженим. Зрозуміло, що закодувати таке розмаїття у вигляді окремих імуноглобулінових генів також неможливо. Еволюційним рішенням цієї проблеми став особливий рекомбінаційний процес дозрівання імуноглобулінових генів.

Рис. 10.10. Структура імуноглобуліна IgG1 (1IGY) та схема будови молекули.

Молекула імуноглобуліна складається з двох так званих важких та двох легких поліпептидних ланцюгів (рис. 10.10). Кожен з ланцюгів, у свою чергу, має константу С-кінцеву (спільну для усіх імуноглобулінів) та варіабельну N-кінцеву частини. Варіабельні частини кожної пари важкого та легкого ланцюгів формують два антиген-зв'язуючі сайти на поверхні молекули.

Рис. 10.11. Будова кластера генів важкого ланцюга імуноглобуліна та схема “збірки“ активного гена. Константа частина (С) містить інтрони, які не показано.

Незрілі імуноглобулінові гени мають вигляд кластерів окремих елементів нуклеотидної послідовності – блоків, з яких шляхом рекомбінації в імунокомпетентній клітині збирається активний імуноглобуліновий ген. Кластер важкого ланцюга містить ~100 V-сегментів (від variable), що тандемно повторюються (послідовності усіх сегментів розрізняються між собою), ~30 D-сегменетів (від diversity), 6 J-сегментів (від joining) та С-ділянку, що кодує константну частину ланцюга (рис. 10.11). Аналогічно побудований кластер легкого ланцюга, який містить тільки два типи варіабельних сегментів (~100 V- та 4 J-сегменти). Активний ген “збирається“ з сегментів трьох (або двох) типів, як з кубиків, шляхом так званої V(D)J-рекомбінації: один випадковий D-сегмент з'єднується з випадковим J-сегментом (ділянка між ними вирізається), до них приєднується один з V-сегментів (рис. 10.11). Аналогічно, для легкого ланцюга об'єднуються один V- з одним з J-сегментів. Перед кожним V-сегментом знаходиться промотор, у спейсері перед С-ділянкою – енхансер. Їх зближення після рекомбінації активує транскрипцію, зайві спейсери та інтрони константної частини видаляються з мРНК шляхом сплайсингу.

Таким чином, для важкого ланцюга може реалізуватися ~ 18 000 комбінацій між сегментами трьох типів, для легкого – ~ 400 комбінацій, і загалом за рахунок рекомбінації для обох ланцюгів утворюється ~7 млн варіантів послідовності. Додаткова варіабельність забезпечується за рахунок індукції мутацій у межах V-сегментів, а також завдяки застосування механізмів незаконної рекомбінації при з'єднанні сегментів (див. нижче).

Рис. 10.12. Організація сигнальних послідовностей, що контролюють рекомбінацію в імуноглобулінових генах.

Рекомбінація сегментів залежить від сигнальних послідовностей RSS (Recombination Signal Sequence), що фланкують з двох боків кожен з сегментів (рис. 10.12) і є, власне, сайтами рекомбінації. Сигнальні послідовності містять дві консервативні ділянки по 7 та 9 пар основ, розділені неконсервативним спейсером. Послідовність спейсера не має значення – важливий лише його розмір: два типи спейсерів довжиною 23 та 12 пар основ визначають два типи RSS. Об'єднання сегментів при рекомбінації можливе лише за умови виконання правила “12/23“: об'єднуються тільки сегменти, фланковані RSS різних типів. Завдяки цьому виключається об'єднання однотипних сегментів (наприклад, V-V) чи пропущення D-сегмента.

Рис. 10.13. Залежне від білків RAG вирізання ділянки між двома сегментами імуноглобулінового гена.

Консервативні елементи сигнальних послідовностей впізнаються білками RAG 1 та RAG 2 (продукти генів RAG – Recombination Activating Gene, активних лише у клітинах-попередниках В- та Т-лімфоцитів). Білки об'єднують у єдиний комплекс дві сигнальні послідовності при виконанні умови “12/23“ та каталізують низку реакцій, яку схематично показано на рис. 10.13. Перша реакція – одноланцюговий розріз між сегментом та сигнальним гептамером. Далі відбувається трансестерифікація – розрив зв'язка у іншому ланцюзі та ковалентне замикання кінців сегмента у шпильку. Внаслідок таких самих реакцій у другій RSS вирізається, замикається у кільце та видаляється ділянка між двома сегментами.

Рис. 10.14. Заключні стадії процесу з'єднання сегментів імуноглобулінового гена.

Ковалентні шпильки на кінцях сегментів є нестабільними – вони швидко розмикаються (рис. 10.13). При цьому необов'язково утворюється тупий (без одноланцюгових виростів) кінець, оскільки шпилька може розімкнутися несиметрично. На останніх стадіях 3'-кінці сегментів добудовуються дезоксирибонуклеотидил-трансферазою (рис. 10.14) – ферментом, що без участі матриці приєднує випадкові нуклеотиди. Зрозуміло, що цей процес ще значно підвищує розмаїття послідовностей зрілих генів імуноглобулінів. Частина цих генів буде неактивною завдяки стоп-кодонам, що з певною імовірністю з'являються при такому випадковому синтезі, але це є прийнятною платою за загальне збільшення варіантів.

Нарешті, кінці сегментів з'єднуються за допомогою системи репарації дволанцюгових розривів NHEJ (див. рис. 9.28): відбувається пошук мікрогомології між двома 3'-кінцевими виростами та репаративний синтез ДНК, що остаточно заповнює прогалини. Таким чином, на останніх стадіях рекомбінації процес з'єднання сегментів імуноглобулінових генів навмисно “загрубляється“ з метою підвищення варіабельності.