Геномная организация генов, кодирующих иммуноглобулины

Огромное разнообразие молекул иммуноглобулинов в пределах каждого класса обусловлено:

• во-первых, большим количеством генов, кодирующих разные участки (константные и вариабельные) тяжелых и легких цепей иммуноглобулинов,

• во-вторых, определенными изменениями, происходящими в геноме незрелых В-лимфоцитов в процессе их деления и созревания.

Для человека и млекопитающих животных известны 3 группы сцепления генов, кодирующих иммуноглобулины. Эти группы сцепления расположены в разных парах хромосом. В частности, существует группа сцепления генов, кодирующих тяжелые цепи, и две разные группы сцепления, кодирующие - и -типы легких цепей. Каждая группа сцепления, в свою очередь, представлена большим количеством генов, одни из которых кодируют вариабельную область цепи (V-гены), а другие – константную область (С-гены). Причем эти V- и С-гены какой-то определенной группы сцепления изначально (в незрелом В-лимфоците) находятся на значительном расстоянии друг от друга. Подобная нативная локализация генов, кодирующих цепи иммуноглобулинов, определяется как состояние зародышевой линии (англ. germline). Однако по мере созревания В-лимфоцитов и соответственно перехода их от некоммитированных предшественников к коммитированым формам, проявляющим определенную специфичность, происходит реорганизация генома, так что пространственно удаленные гены оказываются расположенными в непосредственной близости друг от друга, образуя единый информационный участок. Такая реорганизация генома получила название соматической рекомбинации и осуществляется путем делеции (вырезания) определенных генов в группе сцепления, в результате чего далеко отстоящие гены оказываются расположенными друг возле друга. Соматическая рекомбинация затрагивает только лишь определенные соматические клетки (в нашем случае развивающиеся В-лимфоциты), не происходит в половых клетках, а, следовательно, не наследуется.

Группа сцепления, ответственная за синтез легкой цепи -типа, включает три группы генов:

• 250 генов, кодирующих область вариабельного домена -цепи (V-гены), состоящую из 94-95 аминокислотных остатков. Причем каждому V-гену в полинуклеотидной последовательности обязательно предшествует т.н. лидерный участок (L-ген), кодирующий т.н. лидерный пептид, состоящий из 20-25 аминокислотных остатков, обладающий гидрофобностью и облегчающий прохождение молекулы иммуноглобулина через мембрану гранулярного эндоплазматического ретикулума. Лидерный пептид присущ только незрелой молекуле иммуноглобулина, после прохождения этой незрелой молекулы через мембрану эндоплазматического ретикулума он отщепляется. Каждому из 250 V-генов предшествует один и тот же L-ген.

• 5 J-мини-генов (от англ. "joining"), кодирующих аминокислотную последовательность из 12-14 аминокислот, достраивающую вариабельный домен. Один из этих 5 J-мини-генов является неактивным и в связи с этим называется псевдогеном

• о дин ген, кодирующий константную область -цепи (С-ген).

Рис. Рекомбинация генов, кодирующих -цепь иммуноглобулинов. В некоммитированном В-лимфоците гены, кодирующие -цепь иммуноглобулинов, отдалены друг от друга в ДНК на значительное расстояние. Процесс рекомбинации начинается с объединения одного из 250 V-генов (в данном случае V_2) с одним из 5 J-мини-генов (в данном случае J4). В результате формируется -локус, контролирующий незрелую пре-мРНК ядра. При созревании такой РНК происходит процессинг пре-мРНК, в ходе которого вырезаются ее участки, комплементарные областям ДНК, расположенным между кодирующими генами -локуса. Затем участки РНК, комплементарные LV_2J4 и С_ -генам объединяются в результате сплайсинга, что приводит к образованию зрелой мРНК, транслирующей первичную структуру -цепи. При созревании -цепи лидерная полипептидная последовательность удаляется, что и приводит к формированию окончательной -цепи.

Процесс рекомбинации начинается с объединения одного из 250 V-генов с одним из 5 J-мини-генов (за счет делеции участков ДНК между этими генами) и осуществляется случайным образом. Место рекомбинации V-J не является жестко фиксированным: объединение между определенными V- и J-геном может происходить как между собственно их основаниями, так и между областями, соседствующими с этими V- и J-генами. Подобные "ошибки" вносят дополнительную изменчивость в третью гипервариабельную область вариабельного домена легкой цепи. Образовавшийся вследствие делеций информационный участок V_iJ_i далее путем делеций объединяется с С-геном, в результате чего формируется -локус, состоящий из трех экзонов (кодирующих участков):

• L-гена, кодирующего лидерный пептид

• рекомбинантного V_iJ_i-гена, кодирующего вариабельный домен легкой χ-цепи

• С-гена, кодирующего константный домен легкой χ-цепи.

Определенная структура возникающего вследствие рекомбинации генома -локуса и будет обуславливать специфику вариабельного домена синтезируемой в таком В-лимфоците -цепи. Рекомбинантная ДНК в коммитированном на определенный антиген В-лимфоците обеспечивает образование первичного транскрипта – пре-мРНК ядра, включающей полинуклеотидные последовательности, считанные как с трех экзонов -локуса (L-гена, рекомбинантного V_iJ_i-гена и С-гена), так и с некодирующих участков (интронов), находящихся между L-геном и рекомбинантным V_iJ_i-геном, а также между V_iJ_i-геном и С-геном. Образовавшаяся пре-мРНК ядра далее (еще до выходя из ядра) подвергается созреванию, включающему

• процессинг пре-мРНК ядра, в ходе которого из нее вырезаются интронные участки

• сплайсинг экзонных участков пре-мРНК, в результате которого образуется зрелая мРНК иммуноглобулина, покидающая ядро и транслирующаяся на рибосомах, связанных с мембраной эндоплазматического ретикулума.

Группа сцепления генов, кодирующих легкую цепь -типа, представлена генами, локализованными в двух локусах, каждый из которых содержит:

• один L-ген (обозначаемые L₁-ген в первом локусе и L₂-ген во втором локусе)

• один V_-ген (обозначаемые V_1-ген в первом локусе и V_2-ген во втором локусе)

• два J_-мини-гена (обозначаемые J_1- и J_2 –гены в первом локусе и J_3- и J_4 –гены во втором локусе)

• два С_-гена (обозначаемые С_1- и С_2 –гены в первом локусе и С_3- и С_4 –гены во втором локусе).

Гены J_4 и С_4, заложенные во втором локусе, являются псевдогенами (функционально не активны).

Несмотря на несколько иную организацию группы сцепления, кодирующей легкую цепь -типа, процессы рекомбинации ДНК при созревании В-лимфоцитов и последующего созревания пре-мРНК ядра происходят аналогично таковым при синтезе легкой χ-цепи. При этом возможны следующие варианты рекомбинантной ДНК и соответственно разные типы антител, кодируемых ими:

• L₁ V_1 J_1 С_1

• L₁ V_1 J_2 С_2

• L₂ V_2 J_3 С_3

Образование еще одного теоретически возможного варианта – L₂ V_2 J_4 С_4 – практически никогда не осуществляется, поскольку гены J_4 и С_4 являются не активными.

Рис. Геномная организация генов, кодирующих легкую цепь иммуноглобулинов -типа. -цепь кодируется двумя локусами, каждый из которых включает один L-ген, один V_-ген, два J_-мини-гена и два С_-гена. В локусе 2 гены J_4 и С_4 являются функционально неактивными (псевдогенами).

Тяжелые цепи разных изотипов (, , , , ) кодируются следующими группами генов:

• группой генов, кодирующих вариабельный домен тяжелой цепи (V-домен). Эта группа включает следующие гены:

  • 500 V-генов, каждому из которых предшествует свой L-ген, кодирующий лидерный пептид

  • 15 D-мини-генов

  • 4 J-мини-гена

• группой генов, кодирующих константный участок тяжелой цепи и представленных:

  • 10 C-генами, определяющими изотип тяжелой цепи ( или  или  или  или ), а также особенности тяжелых цепей изотипа  (1, 2а, 2b, 3)

При созревании В-лимфоцитов в группе сцепления генов, кодирующих тяжелые цепи иммуноглобулинов, происходит два рекомбинационных события:

• объединение определенного (любого из 15-ти) D-мини-гена с определенным (каким-то из 4-х) J-мини-геном в результате делеции участка ДНК между этими генами, в результате чего возникает определенный D_iJ_i-участок

• объединение сформированного D_iJ_i-участка с одним из 500 V-генов (каждому V-гену, в свою очередь, предшествует свой L-ген). Такое объединение также происходит путем делеции участка ДНК между L_iV_i-участком и D_iJ_i-участком. Таким образом, возникает L_iV_iD_iJ_i-область, кодирующая синтез определенного вариабельного домена тяжелой цепи.

После рекомбинации ДНК образовавшаяся L_iV_iD_iJ_i-область, кодирующая вариабельный домен тяжелой цепи, функционально объединяется с С_-геном, кодирующим константную область -типа (т.е. константную область иммуноглобулина класса М). Такое функциональное объединение достигается благодаря тому, что продукт транскрипции L_iV_iD_iJ_i-области путем сплайсинга соединяется с продуктом транскрипции С_-гена, в результате чего формируется зрелая мРНК, которая поступает из ядра в цитоплазму и транслируется на рибосомах эндоплазматического ретикулума. Следовательно, на начальном этапе дифференцировки В-лимфоцитов они синтезируют преимущественно иммуноглобулин М. По мере же функционального созревания В-лимфоцитов наблюдается переключение синтеза иммуноглобулина М на иммуноглобулины других классов (G, A, D или Е); при этом сохраняется исходная специфичность вариабельного домена (кодируемого рекомбинантным участком L_iV_iD_iJ_i-области ДНК), но при этом L_iV_iD_iJ_i-область функционально взаимодействует с С-генами, кодирующими константные области других изотипов тяжелых цепей (С или С и т.д.).

Рис. Рекомбинация генов, кодирующих тяжелые цепи иммуноглобулинов. Тяжелые цепи иммуноглобулинов кодируются четырьмя типами генов: V (каждому из которых предшествует L-ген), D, J и С. Первое рекомбинационное событие – объединение одного из 15 D-мини-генов с одним из 4 J-мини-геном. Второе рекомбинационное событие – объединение одного из 500 V-генов (каждому V-гену предшествует L-ген) с определенным DJ-участком. Следующий этап – функциональное объединение LVDJ-участка с С_-геном. Особенность реорганизации участка генома, кодирующего тяжелые цепи В-лимфоцитов, состоит в переключении контроля синтеза иммуноглобулинов одного класса на другой при сохранении контроля специфичности реорганизованного LVDJ-локуса.

Таким образом, в процессе развития отдельных клонов В-лимфоцитов возможны две формы реорганизации участка генома, кодирующего тяжелые цепи иммуноглобулинов:

• в частности, на раннем этапе развития В-лимфоцитов определенные рекомбинантные L_iV_iD_iJ_i-области, разные в разных клонах В-лимфоцитов, объединяются с одним и тем же С-геном (а именно, С_-геном), что и определяет различия между разными клонами В-лимфоцитов

• в дальнейшем в каждом конкретном клоне В-лимфоцитов одна и та же L_iV_iD_iJ_i-область функционально объединяется (т.е. образует информационный участок) с разными С-генами, что обеспечивает внутриклеточное переключение синтеза иммуноглобулина одной и той же специфичности с одного класса на другой.

Изучение хромосомной организации иммуноглобулиновых генов и этапов их реорганизации в процессе развития В-лимфоцитов позволило определить причину вариабельности антител. Основу этой вариабельности составляет случайное объединение отдельных генных сегментов в результате рекомбинации ДНК: V, D, J-генов для тяжелых цепей и V, J-генов для легких цепей иммуноглобулинов. Если число V-генов тяжелых цепей равно 500 (не исключено, что их больше), D-сегментов – 15 и J-сегментов – 4, то число возможных вариантов V-доменов при использовании только этих показателей составит величину 30000 (500154). Учитывая возможные нарушения, связанные с включением пограничных нуклеотидов справа и слева от D- и J-сегментов, число возможных вариантов V-доменов составит 120000 (300004). Расчет для V-доменов легкой цепи χ-типа даст возможное число вариантов этих доменов 2000 (250Vχ-генов4J-мини-гена2 (множитель, отражающий результаты ошибок при считывании пограничных нуклеотидов)). Поскольку молекулы иммуноглобулинов строятся путем случайного сочетания тяжелых и легких цепей, общее число вариантов антигенсвязывающих центров антител, образованных вариабельными доменами легкой и тяжелой цепей и определяющих специфичность иммуноглобулинов, окажется равным 2,410⁸ (120000 вариантов V-доменов тяжелых цепей2000 вариантов V-доменов легких цепей).

Таким образом, благодаря многочисленности генов, кодирующих определенные участки полипептидных цепей иммуноглобулинов, и случайной их комбинации друг с другом в процессе созревания В-лимфоцитов обеспечивается возможность создания огромного разнообразия антигенсвязывающих участков антител (до 2,410⁸ различных вариантов вариабельных доменов антител), что обеспечивает надежную защиту организма от самых разнообразных антигенов.