V (D) J-рекомбинация - это механизм соматической рекомбинации, который происходит только в развивающихся лимфоцитах на ранних стадиях созревания Т- и В-клеток. Это приводит к очень разнообразному репертуару антител / иммуноглобулинов и рецепторов Т-клеток (TCR), обнаруженных в В-клетках и Т-клетках , соответственно. Этот процесс является определяющей особенностью адаптивной иммунной системы .
Рекомбинация V (D) J у млекопитающих происходит в первичных лимфоидных органах ( костный мозг для В-клеток и тимус для Т-клеток) и почти случайным образом перестраивает переменную (V), соединение (J) и в некоторых случаях разнообразие ( Г) генные сегменты. В конечном итоге процесс приводит к новым аминокислотным последовательностям в антигенсвязывающих областях иммуноглобулинов и TCR, которые позволяют распознавать антигены почти всех патогенов, включая бактерии , вирусы , паразитов и червей, а также «измененные собственные клетки», как видно на рак . Распознавание также может носить аллергический характер (например, к пыльце или другим аллергенам ) или могут соответствовать тканям хозяина и приводить к аутоиммунитету .
В 1987 году Сусуму Тонегава был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине «за открытие генетического принципа генерации разнообразия антител». [1]
Задний план
Молекулы человеческих антител (включая рецепторы В-клеток ) состоят из тяжелой и легкой цепей, каждая из которых содержит как константные (C), так и вариабельные (V) области, генетически кодируемые в трех локусах :
- Локус тяжелой цепи иммуноглобулина ( IGH @ ) на хромосоме 14, содержащий генные сегменты тяжелой цепи иммуноглобулина .
- Локус иммуноглобулина каппа (κ) ( IGK @ ) на хромосоме 2, содержащий генные сегменты для части легкой цепи иммуноглобулина .
- Локус иммуноглобулина лямбда (λ) ( IGL @ ) на хромосоме 22, содержащий генные сегменты для оставшейся части легкой цепи иммуноглобулина .
Каждый ген тяжелой цепи или легкой цепи содержит несколько копий трех различных типов генных сегментов для вариабельных областей белков антител. Например, область тяжелой цепи иммуноглобулина человека содержит 2 генных сегмента констант (Cμ и Cδ) и 44 вариабельных (V) генных сегмента, а также 27 генных сегментов разнообразия (D) и 6 генных сегментов соединения (J). [2] Гены легкой цепи содержат один (Cκ) или четыре (Cλ) постоянных генных сегмента с многочисленными генными сегментами V и J, но не имеют генных сегментов D. [3] Перестройка ДНК заставляет одну копию каждого типа сегмента гена попасть в любой конкретный лимфоцит, создавая огромный репертуар антител; возможно примерно 3 × 10 11 комбинаций, хотя некоторые из них удалены из-за самореактивности.
Большинство рецепторов Т-клеток состоят из вариабельной альфа-цепи и бета-цепи. Гены рецепторов Т-клеток подобны генам иммуноглобулинов тем, что они также содержат несколько сегментов генов V, D и J в своих бета-цепях (и сегменты генов V и J в их альфа-цепях), которые перестраиваются во время развития лимфоцита в снабдить эту клетку уникальным рецептором антигена. Рецептор Т-клеток в этом смысле является топологическим эквивалентом антигенсвязывающего фрагмента антитела, оба являются частью суперсемейства иммуноглобулинов.
Аутоиммунный ответ предотвращается путем устранения клеток, которые реагируют на себя. Это происходит в тимусе путем тестирования клетки на набор аутоантигенов, экспрессируемых через функцию аутоиммунного регулятора (AIRE). Локус легкой цепи лямбда иммуноглобулина содержит гены, кодирующие белок, которые могут быть потеряны при его перестройке. Это основано на физиологическом механизме и не является патогенетическим для лейкозов или лимфом. Клетка сохраняется, если она создает успешный продукт, который не реагирует на себя, в противном случае она обрезается посредством апоптоза .
Иммуноглобулины
Тяжелая цепь
В развивающейся B-клетке первое событие рекомбинации происходит между одним D и одним J-генным сегментом локуса тяжелой цепи. Любая ДНК между этими двумя сегментами гена удаляется. За этой рекомбинацией DJ следует присоединение одного сегмента гена V из области выше вновь образованного комплекса DJ, образуя реаранжированный сегмент гена VDJ. Все другие генные сегменты между сегментами V и D теперь удалены из генома клетки. Генерируется первичный транскрипт (несплицированная РНК), содержащий область VDJ тяжелой цепи и константные мю- и дельта- цепи (C μ и C δ ). (т.е. первичный транскрипт содержит сегменты: VDJC μ -C δ ). Первичная РНК обрабатывается для добавления полиаденилированного (поли-A) хвоста после цепи C μ и для удаления последовательности между сегментом VDJ и этим постоянным генным сегментом. Трансляция этой мРНК приводит к продукции белка тяжелой цепи IgM .
Легкая цепь
Каппа (κ) и лямбда (λ) цепи локусов легкой цепи иммуноглобулина перегруппировываются очень сходным образом, за исключением того, что в легких цепях отсутствует сегмент D. Другими словами, первая стадия рекомбинации легких цепей включает соединение цепей V и J с образованием комплекса VJ перед добавлением гена константной цепи во время первичной транскрипции. Трансляция сплайсированной мРНК для каппа- или лямбда-цепей приводит к образованию белка легкой цепи Ig κ или Ig λ.
Сборка тяжелой цепи Ig μ и одной из легких цепей приводит к образованию мембраносвязанной формы иммуноглобулина IgM, которая экспрессируется на поверхности незрелой В-клетки.
Рецепторы Т-клеток
Во время развития тимоцитов цепи Т-клеточного рецептора (TCR) претерпевают, по существу, ту же последовательность событий упорядоченной рекомбинации, что и описанная для иммуноглобулинов. Рекомбинация D-to-J происходит сначала в β-цепи TCR. Этот процесс может включать либо присоединение сегмента гена D β 1 к одному из шести сегментов J β 1, либо присоединение сегмента гена D β 2 к одному из шести сегментов J β 2. [3] DJ-рекомбинация сопровождается (как указано выше) перегруппировкой V β в D β J β . Все генные сегменты между сегментами гена V β -D β -J β во вновь образованном комплексе удаляются, и синтезируется первичный транскрипт, который включает ген константного домена (V β -D β -J β -C β ). Транскрипция мРНК сплайсирует любую промежуточную последовательность и обеспечивает трансляцию полноразмерного белка для β-цепи TCR.
Перестройка альфа (α) цепи TCR следует за перестройкой β-цепи и напоминает перегруппировку V-J, описанную для легких цепей Ig (см. Выше). Сборка β- и α-цепей приводит к образованию αβ-TCR, который экспрессируется на большинстве Т-клеток .
Механизм
Ключевые ферменты и компоненты
Процесс рекомбинации V (D) J опосредуется рекомбиназой VDJ, которая представляет собой разнообразный набор ферментов. Ключевыми ферментами являются гены активации рекомбинации 1 и 2 (RAG), терминальная дезоксинуклеотидилтрансфераза (TdT) и нуклеаза Artemis , участник пути повсеместного негомологичного соединения концов (NHEJ) для репарации ДНК. [4] Известно, что в этот процесс вовлечены несколько других ферментов, в том числе ДНК-зависимая протеинкиназа (ДНК-PK), перекрестно комплементарный белок 4 для репарации рентгеновских лучей (XRCC4), ДНК-лигаза IV , негомологичное соединение концов. фактор 1 (NHEJ1; также известный как Cernunnos или XRCC4-подобный фактор [XLF]), недавно открытый Paralog XRCC4 и XLF (PAXX) и ДНК-полимеразы λ и μ. [5] Некоторые вовлеченные ферменты специфичны для лимфоцитов ( например , RAG, TdT), тогда как другие обнаруживаются в других типах клеток и даже встречаются повсеместно ( например , компоненты NHEJ).
Чтобы поддерживать специфичность рекомбинации, рекомбиназа V (D) J распознает и связывается с сигнальными последовательностями рекомбинации (RSS), фланкирующими сегменты вариабельного (V), разнообразного (D) и присоединяющегося (J) генов. RSS состоят из трех элементов: гептамера из семи консервативных нуклеотидов, спейсерной области из 12 или 23 пар оснований в длину и нонамера из девяти консервативных нуклеотидов. Хотя большинство RSS различаются по последовательности, консенсусные гептамерные и неамерные последовательности представляют собой CACAGTG и ACAAAAACC, соответственно; и хотя последовательность спейсерной области плохо консервативна, длина высококонсервативна. [6] [7] Длина спейсерной области соответствует приблизительно одному (12 пар оснований) или двум виткам (23 пары оснований) спирали ДНК. Следуя так называемому правилу 12/23, сегменты гена, которые должны быть рекомбинированы, обычно примыкают к RSS разной длины спейсера ( т. Е. Один имеет «12RSS», а другой - «23RSS»). [8] Это важная особенность регуляции рекомбинации V (D) J. [9]
Процесс
Рекомбинация V (D) J начинается, когда рекомбиназа V (D) J (через активность RAG1) связывает RSS, фланкирующую сегмент кодирующего гена (V, D или J), и создает одноцепочечный разрыв в ДНК между первыми база RSS (непосредственно перед гептамером) и кодирующий сегмент. Это по существу энергетически нейтрально (нет необходимости в гидролизе АТФ ) и приводит к образованию свободной 3'- гидроксильной группы и 5'- фосфатной группы на одной и той же цепи. Реактивная гидроксильная группа позиционируется рекомбиназой, чтобы атаковать фосфодиэфирную связь противоположной цепи, образуя два конца ДНК: шпильку (стержень-петлю) на кодирующем сегменте и тупой конец на сигнальном сегменте. [10] Текущая модель заключается в том, что образование трещин в ДНК и шпильки происходит на обеих цепях одновременно (или почти так) в комплексе, известном как центр рекомбинации . [11] [12] [13] [14]
Тупые сигнальные концы лигируют вместе заподлицо, чтобы сформировать кольцевой участок ДНК, содержащий все промежуточные последовательности между кодирующими сегментами, известный как сигнальный сустав (хотя и кольцевой по своей природе, его не следует путать с плазмидой ). Первоначально считалось, что они теряются во время последовательных делений клеток, но есть свидетельства того, что сигнальные суставы могут повторно войти в геном и привести к патологиям, активируя онкогены или прерывая функции гена-супрессора опухоли [Ref].
Кодирующие концы дополнительно обрабатываются до их лигирования несколькими событиями, которые в конечном итоге приводят к разнообразию соединений. [15] Процессинг начинается, когда DNA-PK связывается с каждым разорванным концом ДНК и привлекает несколько других белков, включая Artemis, XRCC4, ДНК-лигазу IV, Cernunnos и несколько ДНК-полимераз. [16] ДНК-ПК образует комплекс, который приводит к его аутофосфорилированию , что приводит к активации Artemis. Шпильки на кодирующих концах открываются под действием Артемиды. [17] Если их открыть в центре, получится тупой конец ДНК; однако во многих случаях отверстие находится «не по центру» и приводит к тому, что на одной нити остаются лишние основания (выступ). Они известны как палиндромные (P) нуклеотиды из-за палиндромной природы последовательности, образующейся, когда ферменты репарации ДНК устраняют выступ. [18] Процесс открытия шпильки Artemis является критическим этапом рекомбинации V (D) J и является дефектным в модели тяжелого комбинированного иммунодефицита (scid) на мышах .
Затем XRCC4, Cernunnos и DNA-PK выравнивают концы ДНК и привлекают терминальную дезоксинуклеотидилтрансферазу (TdT), матрично-независимую ДНК-полимеразу, которая добавляет нетематические (N) нуклеотиды к кодирующему концу. Добавление в основном случайное, но TdT действительно показывает предпочтение нуклеотидам G / C. [19] Как и все известные ДНК-полимеразы, TdT добавляет нуклеотиды к одной цепи в направлении от 5 'до 3'. [20]
Наконец, экзонуклеазы могут удалять основания с кодирующих концов (включая любые образовавшиеся нуклеотиды P или N). ДНК-полимеразы λ и μ затем вставляют дополнительные нуклеотиды по мере необходимости, чтобы сделать два конца совместимыми для соединения. Это стохастический процесс, поэтому может произойти любая комбинация добавления нуклеотидов P и N и экзонуклеолитического удаления (или не может быть вообще никакого). Наконец, обработанные кодирующие концы лигируют вместе ДНК-лигазой IV. [21]
Все эти события обработки приводят к паратопу, который сильно варьируется, даже когда рекомбинируются одни и те же генные сегменты. Рекомбинация V (D) J позволяет генерировать иммуноглобулины и Т-клеточные рецепторы к антигенам, с которыми ни организм, ни его предок (и) не должны ранее сталкиваться, обеспечивая адаптивный иммунный ответ на новые патогены, которые развиваются, или на те, которые часто изменение ( например , сезонный грипп ). Однако главное предостережение в отношении этого процесса заключается в том, что последовательность ДНК должна оставаться в рамке считывания , чтобы поддерживать правильную аминокислотную последовательность в конечном белковом продукте. Если результирующая последовательность выходит за рамки кадра, развитие клетки будет остановлено, и клетка не доживет до зрелости. Таким образом, рекомбинация V (D) J является очень дорогостоящим процессом, который должен (и должен) строго регулироваться и контролироваться.
Смотрите также
- Рецептор В-клеток
- Рецептор Т-клеток
- Базельский институт иммунологии
- Чарльз М. Стейнберг
- NKT-клетка
- Ген, активирующий рекомбинацию
Рекомендации
- ^ "Нобелевская премия по физиологии и медицине 1987" . nobelprize.org . Проверено 26 декабря 2014 .
- ^ Ли А., Рю М., Чжоу Дж. И др. (Июнь 2004 г.). «Использование вариабельных, разнообразных и соединяющихся генных сегментов тяжелой цепи Ig у детей с острым лимфобластным лейкозом B-линии: влияние на механизмы рекомбинации VDJ и патогенез» . Кровь . 103 (12): 4602–9. DOI : 10,1182 / кровь 2003-11-3857 . PMID 15010366 .
- ^ а б Аббас, Абул К. (2018). «Развитие лимфоцитов и перестройка генов антигенных рецепторов». Клеточная и молекулярная иммунология (9-е изд.). Филадельфия, Пенсильвания: Эльзевир. ISBN 978-0-323-47978-3.
- ^ Ма, Юньмэй; Лу, Хайхуэй; Шварц, Клаус; Либер, Майкл (сентябрь 2005 г.). «Ремонт двунитевых разрывов ДНК с помощью пути соединения негомологичных концов ДНК: модель итеративной обработки» . Клеточный цикл . 4 (9): 1193–1200. DOI : 10.4161 / cc.4.9.1977 . PMID 16082219 .
- ^ Малу, Шрути; Малшетти, Видьясагар; Фрэнсис, Дайлия; Кортес, Патрисия (2012). «Роль негомологичного соединения концов в рекомбинации V (D) J». Иммунологические исследования . 54 (1–3): 233–246. DOI : 10.1007 / s12026-012-8329-z . PMID 22569912 .
- ^ Рамсден, Дейл; Баец, Кристин; Ву, Джиллиан (1994). «Сохранение последовательности в спейсерах последовательностей рекомбинационных сигналов» . Исследования нуклеиновых кислот . 22 (10): 1785–1796. DOI : 10.1093 / nar / 22.10.1785 . PMC 308075 . PMID 8208601 .
- ^ Коуэлл, Линдси; Давила, Марко; Рамсден, Дейл; Келсо, Гарнетт (2004). «Вычислительные инструменты для понимания изменчивости последовательности в сигналах рекомбинации». Иммунологические обзоры . 200 : 57–69. DOI : 10.1111 / j.0105-2896.2004.00171.x . PMID 15242396 .
- ^ ван Гент, Дик; Рамсден, Дейл; Геллерт, Мартин (1996). «Белки RAG1 и RAG2 устанавливают правило 12/23 в рекомбинации V (D) J». Cell . 85 (1): 107–13. DOI : 10.1016 / s0092-8674 (00) 81086-7 . PMID 8620529 .
- ^ Хиом, Кевин; Геллерт, Мартин (1998). «Сборка парного сигнального комплекса 12/23: критическая контрольная точка в рекомбинации V (D) J». Молекулярная клетка . 1 (7): 1011–1019. DOI : 10.1016 / s1097-2765 (00) 80101-X . PMID 9651584 .
- ^ Шац, Дэвид; Суонсон, Патрик (2011). "V (D) J Рекомбинация: механизмы инициации". Ежегодный обзор генетики . 45 : 167–202. DOI : 10.1146 / annurev-genet-110410-132552 . PMID 21854230 .
- ^ Шац, Дэвид; Цзи, Яньхун (2011). «Центры рекомбинации и оркестровка рекомбинации V (D) J». Обзоры природы Иммунология . 11 (4): 251–263. DOI : 10.1038 / nri2941 . PMID 21394103 .
- ^ Карри, Джон; Гейер, Джейми; Шлиссель, Марк (2005). «Однонитевые рекомбинации сигнальных последовательностей in vivo: доказательства для модели захвата синапсиса». Иммунология природы . 6 (12): 1272–1279. DOI : 10.1038 / ni1270 . PMID 16286921 .
- ^ Агравал, Алка; Шац, Дэвид (1997). «RAG1 и RAG2 образуют стабильный синаптический комплекс после расщепления с ДНК, содержащей сигнальные концы в рекомбинации V (D) J». Cell . 89 (1): 43–53. DOI : 10.1016 / s0092-8674 (00) 80181-6 . PMID 9094713 .
- ^ Фугманн, Себастьян; Ли, А.И.фред; Шокетт, Пенни; Вилли, Изабель; Шац, Дэвид (2000). «Белки RAG и рекомбинация V (D) J: комплексы, концы и транспозиция». Ежегодный обзор иммунологии . 18 : 495–527. DOI : 10.1146 / annurev.immunol.18.1.495 . PMID 10837067 .
- ^ Льюис, Сюзанна (1994). Механизм соединения V (D) J: уроки молекулярного, иммунологического и сравнительного анализов . Успехи иммунологии . 56 . С. 27–150. DOI : 10.1016 / s0065-2776 (08) 60450-2 . ISBN 9780120224562. PMID 8073949 .
- ^ Хельминк, Бет; Слекман, Барри (2012). «Ответ и восстановление двухцепочечных разрывов ДНК, опосредованных RAG» . Ежегодный обзор иммунологии . 30 : 175–202. DOI : 10,1146 / annurev-Immunol-030409-101320 . PMC 4038028 . PMID 22224778 .
- ^ Ма, Юньмэй; Шварц, Клаус; Либер, Майкл (2005). «Artemis: ДНК-PKcs эндонуклеаза расщепляет петли, створки и разрывы ДНК». Ремонт ДНК . 4 (7): 845–851. DOI : 10.1016 / j.dnarep.2005.04.013 . PMID 15936993 .
- ^ Лу, Хайхуэй; Шварц, Клаус; Либер, Майкл (2007). «Степень, в которой открытие шпильки Artemis: комплекс ДНК-PKcs может способствовать разнообразию соединений в рекомбинации V (D) J» . Исследования нуклеиновых кислот . 35 (20): 6917–6923. DOI : 10.1093 / NAR / gkm823 . PMC 2175297 . PMID 17932067 .
- ^ Гаусс, Джордж; Либер, Майкл (1996). "Механистические ограничения разнообразия в человеческой рекомбинации V (D) J" . Молекулярная и клеточная биология . 16 (1): 258–269. DOI : 10,1128 / MCB.16.1.258 . PMC 230999 . PMID 8524303 .
- ^ Бенедикт, Синди; Гилфиллан, Сьюзен; Тайский, то-ха; Кирни, Джон (2000). «Терминальная дезоксинуклеотидилтрансфераза и развитие репертуара». Иммунологические обзоры . 175 : 150–157. DOI : 10.1111 / j.1600-065x.2000.imr017518.x . PMID 10933600 .
- ^ ван Гент, округ Колумбия; ван дер Бург, М. (10 декабря 2007 г.). «Негомологичное соединение концов, липкое дело» . Онкоген . 26 (56): 7731–40. DOI : 10.1038 / sj.onc.1210871 . PMID 18066085 .
дальнейшее чтение
- Хартвелл Л.Х., Худ Л., Голдберг М.Л., Рейнольдс А.Е., Сильвер Л.М., Верес Р.К. (2000). Глава 24, Эволюция на молекулярном уровне. В кн . : Генетика . Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. С. 805–807. ISBN 978-0-07-299587-9.
- V (D) J Рекомбинация. Серия: Успехи экспериментальной медицины и биологии, Vol. 650 Ferrier, Pierre (Ed.) Landes Bioscience 2009, XII, 199 p. ISBN 978-1-4419-0295-5