Геномная организация генов, кодирующих иммуноглобулины

Огромное разнообразие молекул иммуноглобулиновв пределах каждого класса обусловлено:

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

• во-вторых, определенными изменениями, происходящимив геноме незрелых В-лимфоцитовв 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 этиV- 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, происходитреорганизация генома, так что пространственно удаленные гены оказываются расположенными в непосредственной близости друг от друга, образуя единый информационный участок. Такая реорганизация генома получила названиесоматической рекомбинациии осуществляется путемделеции(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 синтезлегкой цепи -типа, включает три группы генов:

• 250 генов, кодирующих областьвариабельного домена -цепи(V-гены), состоящую из 94-95 аминокислотных остатков. Причем каждомуV-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 250V-генов предшествует один и тот жеL-ген.

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

• один 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 250V-генов (в данном случаеV_2) с одним из 5J-мини-генов (в данном случаеJ4). 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, комплементарныеLV_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 из5 J-мини-генов (за счет делеции участков ДНК между этими генами) и осуществляется случайным образом. Место рекомбинацииV-Jне является жестко фиксированным: объединение между определеннымиV- иJ-геном может происходить как между собственно их основаниями, так и между областями, соседствующими с этимиV- иJ-генами. Подобные "ошибки" вносят дополнительную изменчивость в третью гипервариабельную область вариабельного домена легкой цепи. Образовавшийся вследствие делеций информационный участокV_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 -локусаи 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 стрех экзонов-локуса (L-гена, рекомбинантного V_iJ_i-гена иС-гена), так и с некодирующих участков (интронов), находящихся междуL-геном и рекомбинантным V_iJ_i-геном, а также между V_iJ_i-геном иС-геном. Образовавшаясяпре-мРНК ядра далее (еще до выходя из ядра) подвергаетсясозреванию, включающему

• процессинг пре-мРНК ядра, в ходе которого из неевырезаются 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 вдвух локусах,каждый из которых содержит:

• один L-ген (обозначаемыеL₁-ген в первом локусе иL₂-ген во втором локусе)

• один V_-ген (обозначаемыеV_1-ген в первом локусе иV_2-ген во втором локусе)

• два J_-мини-гена (обозначаемыеJ_1- иJ_2 –гены в первом локусе иJ_3- иJ_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_4иС_4, заложенные во втором локусе, являютсяпсевдогенами(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:

• L₁V_1J_1С_1

• L₁V_1J_2С_2

• L₂V_2J_3С_3

Образование еще одного теоретически возможного варианта – L₂V_2J_4С_4– практически никогда не осуществляется, поскольку геныJ_4и С_4являются не активными.

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

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