Раздел 7
ГЕНЕТИЧНА ОСНОВА НА АНТИТЕЛАТА И Т-КЛЕТЪЧНИТЕ РЕЦЕПТОРИ
Всеки белег на организма, независимо доколко се влияе от външните условия,
има наследствена основа. Сложните организми често се приспособяват към средата
чрез реакции, които не се унаследяват, но самата способност за такива реакции
е наследствено обусловена. Това е особено характерно за нервната и имунната
система на гръбначните животни. Специфичният имунитет ще бъде ефективен само
ако може да обхване всеки възможен антиген, т.е. ако организмът има потенциал
да произведе огромно разнообразие от антитела и Т-клетъчни рецептори. Нуждата
от такова разнообразие прави антителата и Т-клетъчните рецептори особен случай.
Като всички белтъци те се кодират от гени, но тези гени са единствени по рода
си и се получават по твърде своеобразен начин.
1. Инструктивни и селективни теории за синтезата на антитела
През 1900 Паул Ерлих представя първата теория за синтезата на антитела, наречена теория за страничните вериги. С термина "странична верига" той означава това, което днес наричаме "рецептор". По това време още не е известно откъде идват антителата в серума, но Ерлих осъзнава, че те трябва да се произвеждат от някакви клетки. Той предполага, че всяка от тези клетки носи на повърхността си набор от различни "странични вериги" и функцията на всяка странична верига е да реагира с определен антиген. Когато се появи антиген и се свърже със съответната странична верига, сигнал за това се предава навътре. Клетката спира да произвежда останалите странични вериги и синтезира само тази, която е реагирала. Тя се натрупва в голямо количество и се секретира в серума във вид на антитяло.
Вижда се, че в представата на Ерлих разнообразието
от антитела се създава още преди срещата с антигена. Антигенът само избира едно
от вече съществуващите антитела. Теориите за синтезата на антитела, основани
на това допускане, се наричат селективни.
Теорията за страничните вериги дълго време остава общоприета и на практика единствена. С времето обаче все повече учени започват да я смятат за незадоволителна. Причината е, че с нея трудно се съгласуват новите изследвания, най-важни от които са опитите на Ландщайнер с конюгираните антигени (вж. раздел Строеж на имуноглобулините и техните епитопи). В теорията на Ерлих се подразбира ограничен набор странични вериги и оттам антигени, срещу които може да се развие имунен отговор. Ландщайнер обаче доказва, че практически всеки продукт на органичната химия, конюгиран с белтък-носител, предизвиква образуване на специфични антитела. Следователно имунната система може да реагира срещу неограничен набор от потенциални антигени, дори такива, които нормално никога не би срещнала. На повърхността на една клетка обаче има място само за краен брой странични вериги.
През 1931 Хауровиц (Haurowitz) предлага т. нар. теория за матрицата. Той не успява да установи разлика в аминокиселинния състав на серумни белтъци от имунизирани и от неимунизирани животни и решава, че имунният отговор не изисква синтеза на белтъци със специфична първична структура. Затова предполага, че всички антитела произлизат от един и същ белтък-предшественик и разликите в специфичността им се дължат на различна пространствена структура при еднаква първична структура. Когато се появи антиген, веригата на предшественика се свързва с него, нагъва се около молекулата му, добива окончателната си форма и така се превръща във функционално антитяло. Антигенът служи като матрица аналогично на използваните в техниката матрици. Лайнъс Полинг, който подкрепя теорията на Хауровиц, я илюстрира с долната схема.
Така според теорията за матрицата организмът не
е предварително програмиран да произвежда специфични антитела, а получава нужната
информация от самия антиген. Т.е. антигенът инструктира антитялото каква да
бъде специфичната му структура. Затова теорията за матрицата и сходните на нея
теории за синтезата на антитела се наричат инструктивни.
Ясно е, че Ерлих е бил много по-близо до истината. Очаква се новаторски, правилно проведени и описани опити като тези на Ландщайнер да водят до замяна на общоприетите теории с по-добри. В действителност съчетаването на новите данни със старите може така да обърка учените, че те да заменят общоприетата теория с по-лоша. Такива парадокси не са редки в историята на науката, особено в по-ранните й етапи. За щастие отклоненията встрани и връщанията назад винаги са временни – натрупването на още резултати поставя нещата на място.
По същото време, когато се създава теорията за матрицата, думата "матрица" се използва и в друго значение – по теоретичен път различни учени стигат до извода, че синтезата на белтъци трябва да бъде матрична. През следващия четвърт век се установява механизмът на белтъчната синтеза и се утвърждават представи, несъвместими с теорията за матрицата.
От 1954 нататък отново започват да се предлагат селективни теории. Автор на първата от тях е Н. Йерне (Jerne), който я нарича теория за естествения отбор. Оттогава досега често се сравняват представите за синтезата на антитела и еволюцията и се прави паралел между инструктивните теории и ламаркизма, от една страна, и селективните теории и дарвинизма, от друга. Йерне предполага, че по някакъв случаен механизъм се осигурява синтеза на най-разнообразни антитела, всяко от които в малко количество се секретира в серума на неимунизираното животно. Когато проникне антиген, той се свързва с някое от антителата, комплексът се поглъща от определени клетки и ги кара да произвеждат нови количества от същото антитяло.
През 1957 Д. Талмидж (Talmage) съпоставя теорията на Йерне с Ерлиховите странични вериги и посочва, че би било по-логично вместо самите антитела да се отбират произвеждащите ги клетки. По същото време Ф. Бърнет (Burnet) формулира и развива същата идея – как антигенът отбира клетките, синтезиращи специфично за него антитяло. Бърнет я нарича теория за клоналния отбор, защото ролята на антигена е да избере подходящ клон лимфоцити. Според тази теория всеки лимфоцит може да произвежда антитела само с една специфичност и те се изнасят на повърхността му като рецептори. Евентуалното им свързване с антигена кара клетката да се дели. Така се получава цял клон лимфоцити, произвеждащи същото антитяло. Теорията за клоналния отбор и досега е общоприета, без да е претърпяла големи изменения. Когато се натрупват данни за другия тип антиген-разпознаващи молекули – Т-клетъчните рецептори, теорията автоматично се прилага и към Т-лимфоцитите.
2. Получаване на функционални имуноглобулинови гени чрез рекомбинация на ДНК
С приемането на теорията за клоналния отбор и на принципа "един ген – една полипептидна верига" става ясно, че специфичността на антителата се определя от първичната им структура, а тя – от съответни гени. Някои учени смятат, че антителата са като всички останали белтъци и следователно за всяко антитяло трябва да има отделен ген в генома. Към 1960 общият брой гени дори за добре изучените организми се знае само приблизително и нищо не пречи да се допусне, че той е огромен. Други учени обаче интуитивно осъзнават, че не може генотипът да съдържа гени за толкова много антитела. Те смятат, че в зародишните клетки и повечето тъкани се съдържат сравнително малко имуноглобулинови гени, а само в лимфоцитите по някакъв начин броят на тези гени се увеличава и структурата им се разнообразява.
След като се разкрива, че имуноглобулиновите вериги имат вариабилна и константна част, през 1965 Дрейер (Dreyer) и Бенет (Bennett) предполагат, че двете части се кодират от различни гени. Впоследствие тази хипотеза се потвърждава и доразвива, за което най-голям принос има Сузуму Тонегава (Tonegawa). Оказва се, че имуноглобулините (и Т-клетъчните рецептори) са белтъци-изключения, при които два и повече гени се обединяват, за да дадат една полипептидна верига.
Първите опитни данни се получават през 1976. Тонегава и екипът му сравняват имуноглобулиновите гени в миша миеломна клетъчна линия с тези в миши зародиши. От миеломните клетки се изолира мРНК за леката верига и се хибридизира с геномна ДНК от двата вида клетки. В миеломните клетки сондата реагира само с един ДНК-участък, а в зародишните клетки се свързва с два сравнително отдалечени участъка по дължината на хромозомата. Този опит показва, че имуноглобулиновите гени се реорганизират при диференцирането на В-лимфоцитите.
Без да проследяваме по-нататъшните опити, ще опишем накратко какво е установено. Геномът съдържа по един (рядко повече от един) ген за всяка константна част. Това означава поне по един ген за двата изотипа на леката верига и петте изотипа на тежката верига. Всички тези гени се означават с С и съответен индекс.
Вариабилната част на имуноглобулиновите вериги се получава по по-сложен начин. При леките вериги тя се сглобява от два генни сегмента. По-големият се означава с V (от англ. variable), а по-малкият – с J (от англ. joining – съединяващ, защото се намира между V и С-участъците). Геномът съдържа не по един, а поне по няколко сегмента от всеки тип. Отделните V-сегменти се подреждат тандемно в хромозомата и имат донякъде различна първична структура. Същото важи за J-сегментите.
Във всеки диференциращ се В-лимфоцит случайно се избира по един V- и J-сегмент. Целият ДНК-участък между тях се изрязва. Така този V- и J-сегмент се оказват един до друг, давайки гена за вариабилната част на леката верига. Пред и зад този ген остават други излишни V- и J-сегменти, но те не пречат. Предните V-сегменти изобщо не се презаписват, а задните J-сегменти се презаписват, но се изрязват от мРНК при зреенето.
Долната фигура показва пренареждането и експресията на гените за леката капа-верига. В зародишните клетки и в почти всички диференцирани тъкани се съдържа един ген за константната й част, пет J-сегмента и доста V-сегменти (няколко десетки при човек, около 300 при мишка). Но във всеки В-лимфоцит, който синтезира антитяло с капа-верига, тези генни сегменти са пренаредени, като част от тях са изрязани, за да се получи функционален ген. В дадения пример вариабилният ген е сглобен от третия V-сегмент и четвъртия J-сегмент.
При В-лимфоцитите, които синтезират антитяло с
ламбда-верига, тя се получава подобно на капа-веригата: случайно избрани V-
и J-сегмент се сближават чрез изрязване на ДНК-участъка по средата.
Малко по-сложно се получава вариабилната част на тежката верига. Зародишната ДНК освен Vн- и Jн-сегменти съдържа още един тандемен блок от генни сегменти, предвидени да се включат във вариабилната част. Тези сегменти се означават с D (от англ. diversity – разнообразие) и са още по-малки от J-сегментите. Разполагат се между Vн- и Jн-сегментите. За да се получи функционален вариабилен ген за тежката верига, са нужни два отделни акта на рекомбинация: изрязване на ДНК-участъка между случайно избрани Vн- и D-сегмент и изрязване на ДНК-участъка между същия D-сегмент и случайно избран Jн-сегмент.
Наличието на D-сегмент, разбира се, увеличава разнообразието
на тежките вериги в сравнение с леките. Следва да отбележим, че макар в свързването
с епитопа да участват и двете вериги, ролята на тежката верига е малко по-важна.
И така, по израза на P. Leder, "гените, определящи структурата на антителата, не присъстват в готов вид в зародишните клетки. Вместо да носят набор от цялостни и функционални гени, тези клетки съдържат парчета от гени – комплект от съставни части". Пренареждането на тези генни сегменти в лимфоцитите чрез изрязване на ДНК-участъци се нарича V(D)J-рекомбинация. Тя е вид сайт-специфична рекомбинация и се осъществява се от комплекс ензими – рекомбинази. Всеки V, D и J-сегмент е заграден в двата си края от палиндром, който служи като сигнал за рекомбиназите и се разпознава от тях в нужния момент.
3. Допълнително разнообразяване на имуноглобулиновите гени
V(D)J-рекомбинацията е основен, но не и единствен механизъм за създаване на имуноглобулиново разнообразие. Има два допълнителни начина.
Понякога в мястото на свързване на V- с J-сегмента (при леката верига) и на V- с D- и D- с J-сегмента (при тежката верига) се вмъкват един или повече допълнителни нуклеотиди, липсващи в изходната ДНК. Добавя ги ензим, наречен терминална дезоксинуклеотидил-трансфераза и съкратено означаван с TdT. Той присъединява отделни случайно избрани нуклеотиди към оголен 3’-край на ДНК и е активен в клетката по същото време, когато рекомбиназите осигуряват нужните свободни краища.
И V(D)J-рекомбинацията, и добавянето на единични нуклеотиди протичат сравнително рано в развитието на В-лимфоцита. След като тези процеси завършат, клетката се сдобива с имуноглобулинов рецептор, става имунокомпетентна и е готова за среща с антигена. Когато такъв зрял В-лимфоцит наистина срещне подходящ антиген, започва да се дели, за да образува клон. Тогава се включва нов начин за разнообразяване на имуноглобулиновите гени, наречен соматична хипермутация. Докато повечето гени на В-лимфоцита мутират не по-често от всяка друга ДНК в организма, гените за вариабилните части на имуноглобулиновите вериги започват да трупат точкови мутации с доста висока честота. При това повечето от тези мутации са съсредоточени в хипервариабилните области. Механизмът на соматичната хипермутация все още не е съвсем ясен. Лимфоцитите, които са я претърпели, обикновено имат същата специфичност като своя предшественик (т.е. разпознават същия антиген), но сродството им към антигена често е променено, като в едни случаи е засилено, а в други – отслабено. По-важен е първият случай, когато мутациите са повишили сродството на антитялото към антигена. Лимфоцитите, които произвеждат антитела с по-висок афинитет, се стимулират да се делят и така се отбират в хода на имунния отговор.
4. Генетична основа на синтезата на Т-клетъчни рецептори
Почти всичко, което беше описано по-горе за имуноглобулините, важи и за Т-клетъчните рецептори. Зародишните клетки и повечето тъкани на възрастния организъм не съдържат готови гени за вариабилните домени на Т-клетъчния рецептор, а тандемни блокове от генни сегменти. Те дори се означават със същите букви като при имуноглобулиновите гени (V, D и J). При диференцирането на Т-лимфоцита от тези сегменти се сглобяват функционални гени чрез случаен избор и V(D)J-рекомбинация. При TCR2 вариабилният ген за алфа-веригата се изгражда чрез съединяване на V и J-сегмент, а за бета-веригата – чрез свързване на V, D и J-сегмент. Аналогично при по-редкия рецептор TCR1 вариабилният ген за гама-веригата се получава от V и J-сегмент, а за делта-веригата – от V, D и J-сегмент.
Във V(D)J-рекомбинацията при Т-лимфоцитите участват същите рекомбинази като при В-лимфоцитите и за сигнална последователност им служи същият палиндром. Ако поради генен дефект някой от тези ензими е неактивен, няма да могат да се получат зрели имунокомпетентни лимфоцити – нито В-, нито Т-. Наследствените болести, при които организмът по рождение е лишен от специфичен хуморален и клетъчен имунитет, се обединяват под името тежка комбинирана имунна недостатъчност, съкр. SCID (от англ. severe combined immunodeficiency). Ако се установи навреме, се лекува с присаждане на костен мозък. Тежката комбинирана имунна недостатъчност може да се дължи на мутации в различни гени, нужни за диференцирането на лимфоцитите. Мутации в гените за рекомбиназите са причина за една от разновидностите на SCID, унаследявана автозомно-рецесивно.
Както и при имуноглобулините, допълнително разнообразие в Т-клетъчния рецептор внася терминалната дезоксинуклеотидил-трансфераза. Всъщност традиционният източник на TdT за практически цели е телешки тимус. (Този ензим има приложение в генното инженерство, макар че не го споменахме в съответните раздели.)
Третият механизъм за разнообразяване на имуноглобулиновите гени – соматичната хипермутация, не се използва при гените за Т-клетъчния рецептор. Вероятно това е предпазна мярка, за да не се получат Т-лимфоцити, реагиращи срещу собствени антигени на организма. Лесно е да си представим как Т-клетъчен рецептор, насочен срещу чужд антигенен пептид, след точкова мутация започва да разпознава някакъв собствен пептид, който има известна структурна прилика с чуждия. Разбира се, кръстосана реактивност може да се появи и при мутиращите В-лимфоцити, но това не е толкова опасно поради подчинената роля на В-лимфоцитите в имунния отговор. Дори да се получи В-клетка, насочена срещу собствен антиген, тя ще остане неактивна, докато няма Т-лимфоцити да й помогнат.
Основни източници
Стайтс Д.П., А.И. Тер, Т.Дж. Парслоу. Обща и клинична имунология. Национален център по заразни и паразитни болести, София, 1997. (Превод от: Stites D.P., A.I. Terr, T.G. Parslow (Eds.). Basic and Clinical Immunology. 8th Edition. Appleton & Lange, San Mateo.)
Davis C. (2003). Immunoglobulin genes. [Online] http://bioweb.wku.edu/courses/Biol328/Ig_genes.html
Davis C. (1998). T cell receptor. [Online] http://bioweb.wku.edu/courses/Biol328/Lecture16.html
Ehrlich P. (1900). On immunity with special reference to cell life. Proc. Roy. Soc. London (Biol.) 66: 424.
Goldman A.S., B.S. Prabhakar (2002). Immunology overview. In: Baron S. (Ed.). Medical Microbiology. 4th Edition. University of Texas Medical Branch, Texas. [Online] http://gsbs.utmb.edu/microbook/ch001a.htm
Golub E.S. Immunology, a synthesis. Sinauer Associates, Inc., 1987.
Pauling L. (1940). A theory of the structure and process of formation of antibodies. J. Am. Chem. Soc. 62: 2643.
Roitt I. Essential Immunology. 6th Edition. Blackwell, Oxford, 1988.
Schwarz K., G.H. Gauss, L. Ludwig, U. Pannicke, Z. Li, D. Lindner, W. Friedrich, R.A. Seger, T.E. Hansen-Hagge, S. Desiderio, M.R. Lieber, C.R. Bartram (1996). RAG mutations in human B cell-negative SCID. Science 274: 97-99.
Spanopoulou E., F. Zaitseva, F.-H. Wang, S. Santagata, D. Baltimore, G. Panayotou (1996). The homeodomain region of Rag-1 reveals the parallel mechanisms of bacterial and V(D)J recombination. Cell 87: 263-276.
URL http://www.mayamarkov.com/biology/I07Abgenet/I07Abgenet.htm
Публикувано 2006
Copyright © Майя Маркова
Предишен
раздел
Основна страница
Следващ раздел