ความหลากหลายของแอนติบอดี: การรวมตัวใหม่แบบ V(D)J และความหลากหลายที่รอยต่อ

ระบบภูมิคุ้มกันสามารถสร้างแอนติบอดีต่อแอนติเจนได้หลากหลายอย่างมหาศาล แม้จะมีจีโนมที่จำกัด เนื่องจากบริเวณตัวแปรของแอนติบอดีถูกประกอบขึ้นในระหว่างการพัฒนาเซลล์ B โดยการตัดและเชื่อมต่อส่วนของยีนที่แยกกัน การรวมตัวใหม่แบบ V(D)J ร่วมกับการเชื่อมต่อที่ไม่แม่นยำที่รอยต่อของส่วนยีน ทำให้เกิดคลังแอนติบอดีเบื้องต้นส่วนใหญ่ก่อนที่จะพบแอนติเจนใดๆ

Definition

การรวมตัวใหม่แบบ V(D)J คือการจัดเรียง DNA ใหม่แบบโซมาติกที่ประกอบยีนบริเวณตัวแปรของอิมมูโนโกลบูลินที่สมบูรณ์จากส่วนของยีน V, D (สำหรับสายหนัก) และ J ที่แยกกัน; ความหลากหลายที่รอยต่อคือความแปรผันเพิ่มเติมที่เกิดจากการเชื่อมต่อที่ไม่แม่นยำและการเพิ่มนิวคลีโอไทด์ที่ขอบเขตของส่วนยีน

Scope

หัวข้อนี้อธิบายว่าส่วนของยีนตัวแปร (V), ความหลากหลาย (D) และส่วนเชื่อมต่อ (J) ถูกรวมตัวใหม่ทางร่างกาย (somatic recombination) อย่างไรเพื่อสร้างบริเวณตัวแปรของอิมมูโนโกลบูลิน แหล่งที่มาของความหลากหลายแบบผสมผสาน (combinatorial diversity) และความหลากหลายที่รอยต่อ (junctional diversity) บทบาทของกลไกการรวมตัวใหม่ และการกลายพันธุ์แบบโซมาติก (somatic hypermutation) ที่ปรับปรุงความจำเพาะในภายหลัง นี่คือภูมิคุ้มกันวิทยาระดับโมเลกุลที่นำเสนอเพื่อการอ้างอิง ไม่ใช่แนวทางปฏิบัติทางคลินิก

Core questions

• ยีนจำนวนจำกัดสามารถเข้ารหัสคลังแอนติบอดีจำนวนมหาศาลได้อย่างไร?
• แหล่งที่มาของความหลากหลายแบบผสมผสานเทียบกับความหลากหลายที่รอยต่อคืออะไร?
• การรวมตัวใหม่ถูกกำหนดเป้าหมายและจัดลำดับอย่างไรในระหว่างการพัฒนาเซลล์ B?
• การกลายพันธุ์แบบโซมาติกเพิ่มความหลากหลายอย่างไรหลังจากการพบแอนติเจน?

Key concepts

• ส่วนของยีน V, D และ J
• ความหลากหลายแบบผสมผสาน
• ความหลากหลายที่รอยต่อ
• ลำดับสัญญาณการรวมตัวใหม่
• เอนไซม์ RAG-1 และ RAG-2 recombinase
• การเพิ่ม N- และ P-นิวคลีโอไทด์
• การกลายพันธุ์แบบโซมาติก
• การกีดกันอัลลีล

Key theories

การรวมตัวใหม่แบบโซมาติกของส่วนของยีน

ความหลากหลายของแอนติบอดีถูกสร้างขึ้นแบบโซมาติกโดยการจัดเรียงส่วนของยีน V, D และ J ในเชื้อสายสืบพันธุ์ที่แยกกัน แทนที่จะถูกเข้ารหัสเป็นยีนที่สมบูรณ์ ซึ่งเป็นแนวคิดที่ทำให้ Tonegawa ได้รับรางวัลโนเบล

Mechanisms

ในระหว่างการพัฒนาเซลล์ B ลำดับสัญญาณการรวมตัวใหม่ (recombination signal sequences) ที่ขนาบข้างส่วนของยีนจะนำเอนไซม์รีคอมบิเนสที่จำเพาะต่อเซลล์น้ำเหลือง (RAG-1 และ RAG-2) ให้รวมส่วน V, D และ J เข้าด้วยกันสำหรับสายหนัก และส่วน V และ J สำหรับสายเบา โดยจะลบ DNA ที่อยู่ระหว่างกลางออกและเชื่อมต่อส่วนที่เลือกไว้ ความหลากหลายเกิดขึ้นได้สามวิธีหลัก: ความหลากหลายแบบผสมผสานจากการรวมกันของส่วนยีนที่เป็นไปได้หลายแบบ และจากการจับคู่สายหนักและสายเบาที่แตกต่างกัน; ความหลากหลายที่รอยต่อจากการเชื่อมต่อที่ไม่แม่นยำ รวมถึงการสูญเสียนิวคลีโอไทด์และการเพิ่ม N-นิวคลีโอไทด์ที่ไม่ขึ้นกับแม่แบบ และ P-นิวคลีโอไทด์แบบพาลินโดรมที่รอยต่อ ซึ่งทำให้ความแปรผันกระจุกตัวอยู่ในบริเวณกำหนดความสมบูรณ์ที่สาม; และหลังจากการพบแอนติเจนในศูนย์กลางเจอร์มินัล (germinal centres) การกลายพันธุ์แบบโซมาติก ซึ่งนำไปสู่การกลายพันธุ์แบบจุดทั่วบริเวณตัวแปรเพื่อเป็นพื้นฐานสำหรับการเพิ่มความจำเพาะ (affinity maturation) การกีดกันอัลลีล (allelic exclusion) ทำให้มั่นใจว่าเซลล์ B แต่ละเซลล์แสดงความจำเพาะเพียงหนึ่งเดียว

Clinical relevance

ความบกพร่องในกลไกการรวมตัวใหม่ทำให้เกิดภาวะภูมิคุ้มกันบกพร่องรุนแรงแบบรวม (severe combined immunodeficiency) บางรูปแบบ และกระบวนการทำลาย DNA แบบเดียวกันนี้มีความเกี่ยวข้องกับการเกิดการเคลื่อนย้ายตำแหน่งของโครโมโซมในเซลล์น้ำเหลืองบางชนิด; หัวข้อนี้ยังเป็นพื้นฐานของวิธีการจัดลำดับคลังยีน (repertoire-sequencing methods) ที่ใช้ในการวิจัยและการวินิจฉัย การเชื่อมโยงเหล่านี้เป็นเพียงคำอธิบายและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการตัดสินใจทางคลินิกส่วนบุคคล

History

การทดลองของ Tonegawa ในช่วงปลายทศวรรษ 1970 แสดงให้เห็นว่ายีนอิมมูโนโกลบูลินมีการจัดเรียงใหม่ในเซลล์โซมาติก ซึ่งล้มล้างแนวคิดที่ว่าแอนติบอดีแต่ละชนิดถูกเข้ารหัสโดยยีนเชื้อสายสืบพันธุ์ (germline gene) ที่จำเพาะ การศึกษาต่อมาได้ระบุลำดับสัญญาณการรวมตัวใหม่ เอนไซม์ RAG recombinase และการมีส่วนร่วมของความหลากหลายที่รอยต่อและการกลายพันธุ์แบบโซมาติก ซึ่งสร้างภาพที่ทันสมัยของการสร้างคลังยีน

Key figures

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

Seminal works

• tonegawa-1983
• bassing-2002

Frequently asked questions

ความแตกต่างระหว่างความหลากหลายแบบผสมผสานและความหลากหลายที่รอยต่อคืออะไร?

ความหลากหลายแบบผสมผสานมาจากการรวมกันที่เป็นไปได้หลายแบบของส่วนของยีน V, D และ J และจากการจับคู่สายหนักและสายเบา; ความหลากหลายที่รอยต่อมาจากการเชื่อมต่อที่ไม่แม่นยำและการเพิ่มนิวคลีโอไทด์ที่ขอบเขตของส่วนยีน ซึ่งจะกระจุกตัวเป็นพิเศษในลูปไฮเปอร์แปรผันที่สาม

การรวมตัวใหม่แบบ V(D)J เหมือนกับการเปลี่ยนคลาสหรือไม่?

ไม่ การรวมตัวใหม่แบบ V(D)J จะประกอบบริเวณตัวแปรที่กำหนดความจำเพาะของแอนติเจน ในขณะที่การรวมตัวใหม่เพื่อเปลี่ยนคลาส (class switch recombination) จะเปลี่ยนบริเวณคงที่ของสายหนักในภายหลัง และดังนั้นจึงเปลี่ยนคลาสของแอนติบอดี