Разнообразие антител: V(D)J-рекомбинация и соединительное разнообразие

Иммунная система способна вырабатывать антитела против огромного спектра антигенов, несмотря на ограниченный геном, поскольку вариабельные области антител собираются в процессе развития B-клеток путем вырезания и вставки отдельных генных сегментов. V(D)J-рекомбинация, наряду с неточным соединением на стыках сегментов, генерирует большую часть первичного репертуара антител до первого контакта с антигеном.

Definition

V(D)J-рекомбинация — это соматическая перестройка ДНК, которая собирает полный ген вариабельной области иммуноглобулина из отдельных генных сегментов V, D (для тяжелых цепей) и J; соединительное разнообразие — это дополнительная вариация, создаваемая неточным соединением и добавлением нуклеотидов на границах сегментов.

Scope

Эта тема объясняет, как вариабельные (V), диверсификационные (D) и соединительные (J) генные сегменты соматически рекомбинируются для построения вариабельных областей иммуноглобулинов, источники комбинаторного и соединительного разнообразия, роль рекомбинационного аппарата и как соматическая гипермутация впоследствии уточняет специфичность. Это молекулярная иммунология, представленная для справки, а не для клинического руководства.

Core questions

• Как ограниченное число генов может кодировать обширный репертуар антител?
• Каковы источники комбинаторного по сравнению с соединительным разнообразием?
• Как рекомбинация направляется и упорядочивается в процессе развития B-клеток?
• Как соматическая гипермутация добавляет разнообразие после контакта с антигеном?

Key concepts

• V, D и J генные сегменты
• Комбинаторное разнообразие
• Соединительное разнообразие
• Рекомбинационные сигнальные последовательности
• RAG-1 и RAG-2 рекомбиназа
• Добавление N- и P-нуклеотидов
• Соматическая гипермутация
• Аллельное исключение

Key theories

Соматическая рекомбинация генных сегментов

Разнообразие антител генерируется соматически путем перестройки отдельных зародышевых сегментов V, D и J, а не кодируется как полные гены — это открытие, за которое Тонегава получил Нобелевскую премию.

Mechanisms

В процессе развития B-клеток рекомбинационные сигнальные последовательности, фланкирующие генные сегменты, направляют лимфоид-специфическую рекомбиназу (RAG-1 и RAG-2) для объединения сегментов V, D и J для тяжелых цепей, а также сегментов V и J для легких цепей, удаляя промежуточную ДНК и соединяя выбранные сегменты. Разнообразие возникает тремя основными способами: комбинаторное разнообразие из множества возможных комбинаций сегментов и из спаривания различных тяжелых и легких цепей; соединительное разнообразие из неточного соединения, включая потерю нуклеотидов и независимое от матрицы добавление N-нуклеотидов и палиндромных P-нуклеотидов на стыках, что концентрирует вариации в третьем комплементарно-определяющем регионе; и, после контакта с антигеном в герминативных центрах, соматическая гипермутация, которая вводит точечные мутации по всей вариабельной области как основу для аффинного созревания. Аллельное исключение гарантирует, что каждая B-клетка экспрессирует одну специфичность.

Clinical relevance

Дефекты в рекомбинационном аппарате вызывают формы тяжелого комбинированного иммунодефицита, и те же процессы разрыва ДНК имеют отношение к возникновению определенных лимфоидных транслокаций; эта тема также лежит в основе методов секвенирования репертуара, используемых в исследованиях и диагностике. Эти связи являются объяснительными и не служат основой для индивидуальных клинических решений.

History

Эксперименты Тонегавы в конце 1970-х годов продемонстрировали, что гены иммуноглобулинов перестраиваются в соматических клетках, опровергая идею о том, что каждое антитело кодируется отдельным зародышевым геном. Последующая работа идентифицировала рекомбинационные сигнальные последовательности, RAG-рекомбиназу и вклад соединительного разнообразия и соматической гипермутации, формируя современное представление о генерации репертуара.

Key figures

• Susumu Tonegawa
• Frederick Alt
• David Baltimore
• George Yancopoulos

Seminal works

• tonegawa-1983
• bassing-2002

Frequently asked questions

В чем разница между комбинаторным и соединительным разнообразием?

Комбинаторное разнообразие возникает из множества возможных комбинаций сегментов V, D и J, а также из спаривания тяжелых и легких цепей; соединительное разнообразие возникает из неточного соединения и добавления нуклеотидов на границах сегментов, что особенно концентрируется в третьей гипервариабельной петле.

Является ли V(D)J-рекомбинация тем же самым, что и переключение классов?

Нет. V(D)J-рекомбинация собирает вариабельную область, которая определяет антигенную специфичность, тогда как переключение классов впоследствии изменяет константную область тяжелой цепи и, следовательно, класс антитела.