V(D)J-рекомбинация[1] или V(D)J-реаранжировка[2] (англ. V(D)J-recombination, V(D)J rearrangement) — механизм соматической рекомбинации ДНК, происходящий на ранних этапах дифференцировки лимфоцитов и приводящий к формированию антиген-распознающих участков иммуноглобулинов и Т-клеточного рецептора. Гены иммуноглобулина (англ. Ig) и Т-клеточного рецептора (англ. TCR) состоят из повторяющихся сегментов, принадлежащих к трем классам: V (variable), D (diversity) и J (joining). В процессе V(D)J-перестройки генные сегменты, по одному из каждого класса, соединяются вместе. Объединенная последовательность сегментов V(D)J кодирует вариабельные домены каждой из цепей рецептора или иммуноглобулина[2][3].
Эволюционное значение
Система адаптивного (приобретенного) иммунитета способна распознавать миллионы отдельных антигенных детерминант. Эта способность основана на огромном разнообразии (как минимум 109) антиген-специфичных рецепторов лимфоцитов. Если бы весь антиген-распознающий репертуар рецепторов Т- и В-лимфоцитов кодировался отдельными генами, то они не вместились бы в геном. В связи с этим, в эволюции позвоночных животных развилась способность генерировать гены антиген-распознающего рецептора путём рекомбинации отдельных генных сегментов случайным образом в каждом клетке-предшественнике лимфоцита. Поскольку в течение жизни образуются миллиарды лимфоцитов с уникальными антиген-специфическими рецепторами, в совокупности они образуют практически неограниченный репертуар распознаваемых антигенов.[4]
Гены иммуноглобулинов и рецептора Т-лимфоцитов
В отличие от большинства генов, гены рецепторов лимфоцитов Ig/TCR не присутствуют в целом виде в зародышевых и соматических клетках человека. Эти гены находятся в хромосоме в виде повторяющихся сегментов, принадлежащих к трем классам: V (variable), D (diversity) и J (joining), а также один или несколько инвариантных константных регионов С (constant).
Молекулы иммуноглобулина являются гетеродимерами, состоят из двух разных полипептидных цепей — тяжелой и легкой. Существует два типа легкой цепи — каппа и лямбда. Три типа полипептидных цепей закодированы отдельными генами. Т-клеточный рецептор является гетеродимером, состоящим из двух иммуноглобулиноподобных полипептидных цепей. Большинство Т-лимфоцитов несут на своей поверхности TCR II типа, состоящий из альфа- и бета- цепей (TCRαβ). Отдельная популяция Т-лимфоцитов несут на своей поверхности TCR I типа, состоящий из гамма- и дельта- цепей (TCRγδ). Такие лимфоциты имеют особые функции и называются обычно γδ-Т-клетками.
Таким образом, всего семь генных локусов подвержены V(D)J-перестройке: тяжелой цепи иммуноглобулина (IGH@), легких цепей каппа (IGK@) и лямбда иммуноглобулина (IGL@), и четыре гена Т-клеточного рецептора, TCRA, TCRB, TCRG, TCRD. D-сегменты имеются только в гене тяжелой цепи иммуноглобулина (IGH@), TCRB и TCRD[5].
Локализация локусов Ig/TCR у человека
Иммуноглобулины
- IGH@ — гены, кодирующие тяжелую цепь (14 хромосома)
- IGK@ — гены, кодирующие легкую цепь типа каппа (2 хромосома)
- IGL@ — гены, кодирующие легкую цепь типа лямбда (22 хромосома)
Т-клеточный рецептор
- T-клеточный рецептор II типа (TCRαβ):
- TCRA — TCR α-цепь (14 хромосома)
- TCRB — TCR β-цепь (7 хромосома)
- T-клеточный рецептор I типа (TCRγδ):
- TCRG — TCR γ-цепь (7 хромосома)
- TCRD — TCR δ-цепь (14 хромосома)
Количество генных сегментов и разнообразие перестроек
Каждый из локусов Ig/TCR содержит определенное количество сегментов V, D и J, расположенных в определенном порядке: сначала идут повторяющиеся V-сегменты, затем D, если они есть, затем J-сегменты и константный регион (С). Часть генных сегментов является псевдогенами, большинство — функциональными генами, то есть транслируются в белок. Количество вариантов случайных комбинаций генных сегментов в процессе V(D)J-рекомбинации определяет комбинативное разнообразие антигенных рецепторов лимфоцитов.
| Сегмент | иммуноглобулин | TCRαβ | TCRγδ | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| каппа (κ) | лямбда (λ) | тяжелая цепь | альфа (α) | бета (β) | гамма (γ) | дельта (δ) | |
| Variable (V) | 40 | 30 | 65 | 70 | 52 | 12 | 4 |
| Diversity (D) | 0 | 0 | 27 | 0 | 2 | 0 | 3 |
| Joining (J) | 5 | 4 | 6 | 61 | 13 | 5 | 4 |
| Вариантов перестроек | 200 | 120 | 11 000 | 4 270 | 1 352 | 60 | 48 |
| Разнообразие рецепторов | 3,5*106 | 5,9*106 | 2880 | ||||
Механизм
Молекулярный механизм рекомбинации всех семи локусов Ig/TCR идентичный. Эти генные перестройки происходят на ранних этапах дифференцировки лимфоцитов в костном мозге (для В-лимфоцитов) и тимусе (для Т-лимфоцитов) и представляют собой соматическую негомологичную рекомбинацию, в результате которой генные сегменты V, D и J сближаются, а промежуточная последовательность удаляется. Для локусов IGH@, TCRD, TCRB перестройка протекает в два этапа: сначала сближаются сегменты D и J, а затем происходит соединение V-DJ. Для остальных генов перестройка V-J происходит в один этап.
Сигнальные последовательности
Рекомбинация происходит по сигнальным последовательностям ДНК, непосредственно прилегающим к генным сегментам. Эти консервативные сигнальные последовательности называются RSS (англ. recombination signal sequence) и состоят из семи нуклеотидов — 5’-CACAGTG-3’ (гептамер), за которым следует последовательность из 12 или 23 нуклеотидов — спейсер, и ещё одного консервативного блока из девяти нуклеотидов — 5’-ACAAAAACC-3’. Последовательность спейсера может варьировать, но длина консервативна и соответствует одному (12 нуклеотидов) или двум (23 нуклеотида) виткам двойной спирали ДНК. Перестройка происходит только между двумя RSS, одна из которых имеет спейсер 12 пар нуклеотидов, другая — 23 п. н., так называемое «правило рекомбинации 12/23». Эта закономерность строения RSS определяет правильную последовательность рекомбинации: например ген IGH@ имеет RSS длиной 23 п. н. на 3’-конце каждого V-сегмента, RSS длиной 12 п. н. на 3’- и 5’-конце каждого D сегмента и RSS длиной 23 п. н. на 5’-конце каждого J-сегмента. Таким образом, V-J-реаранжировка этого локуса невозможна[6].
.png)
V(D)J-рекомбинация представляет собой ряд последовательных реакций сближения, разрывов и воссоединений двойной спирали ДНК и протекает в два этапа. На первом этапе продукты генов RAG1 и RAG2 (англ. recombination activation genes) — распознают RSS и связываются с ними. В формировании комплекса участвуют белки HMG-1 и 2 (high mobility group proteins). Рекомбиназы вносят однонитевой разрыв в ДНК на 5’-конце консервативной последовательности и активируют 3’-OH конец кодирующего сегмента, который фосфатную связь во второй нити ДНК с образованием ковалентно замкнутой шпильки на конце сегмента и «тупых» концов гептамера. Первый этап требует присутствия ионов Mg2+.
На втором этапе реакции тупые концы гептамеров соединяются, образуя так называемое сигнальное соединение. Кодирующие концы перед объединением подвергаются процессингу. Шпилька расщепляется в случайном месте, оставляя иногда палиндромную последовательность, называемую Р-нуклеотидами, на конце генного сегмента. Перед воссоединением генных сегментов концы ДНК могут немного деградировать при участии экзонуклеаз, а также происходит нематричное добавление нуклеотидов терминальной дезоксинуклеотидил-трансферазой (англ. TdT) — так называемых N-нуклеотидов. Наконец, кодирующие концы объединяются. Подобный механизм перестройки называют негомологичной рекомбинацией (англ. NHEJ, non-homologous DNA end-joining). Помимо RAG-рекомбиназ в процессе участвуют другие белки системы репарации/рекомбинации: Artemis осуществляет открытие шпильки, DNA-PK связывается с Artemis для обработки кодирующего конца, белки Ku70 и Ku80 связывают и репарируют двухнитевые разрывы ДНК, белок XRCC4 и ДНК-лигаза IV соединяют кодирующие концы[5][7].
J-реаранжировки.png)
Перестройка может протекать по двум механизмам. В случае наиболее типичной делеционной перестройки ДНК между двумя RSS «выпетлевывается», отрезается и образует кольцевой продукт. Инвертированная перестройка возможна, когда сегмент V находится в инвертированном состоянии. В этом случае последовательность, разделяющая две RSS, остается в инвертированном состоянии. Такой тип рекомбинации наиболее характерен для локуса IGK@ (около половины V-J-реаранжировок этого гена). Рекомбинация в норме возможна только между двумя RSS, локализованными на одной хромосоме.[6]
Вариабельность
Средняя длина генного сегмента V — 300, J — 46-63, D — 17-37 пар нуклеотидов. В процессе перестройки концы генных сегментов могут потерять несколько нуклеотидов, затем они достраиваются случайными нуклеотидами при помощи фермента терминальной дезоксинуклеотидил-трансферазы (англ. TdT). Такие случайные нуклеотиды называются нематричными (N), поскольку они синтезируются без матрицы ДНК и не присутствуют в геноме человека. В каждом акте соединения может быть добавлено от 1 до 30 N-нуклеотидов. Место соединения V, D и J называется соединительным участком, и кодирует третью гипервариабельную петлю белковой цепи вариабельного домена иммуноглобулина, находящегося в антиген-связывающем центре рецептора. Неточность соединения генных сегментов и добавление нематричных нуклеотидов является источником вариабельности, которое увеличивает антиген-распознающий репертуар на несколько порядков. Наибольшая вариабельность возникает при рекомбинации генов IGH@ и TCRB[6].
Связь с генетическими дефектами
Дефект генов человека и мыши RAG1, RAG2, Ku70, Ku80 или DNA-PK приводит к фенотипу тяжелого комбинированного иммунодефицита (англ. scid), тогда как при дефекте TdT развитие лимфоцитов протекает нормально, но разнообразие рецепторов антигенов сильно снижено.
См. также
Литература
- ↑ Д. Мейл, Д. Бростофф, Д. Рот, А. Ройтт. Иммунология. — 7 (оригинальное). — Москва: Логосфера, 2007. — С. 105. — 568 с. — ISBN 9785986570105.
- 1 2 Ярилин А. А. Иммунология. — Москва: ГЭОТАР-Медиа, 2010. — С. 254-259. — 749 с. — ISBN 978-5-9704-1319-7.
- ↑ Charles A Janeway, Jr, Paul Travers, Mark Walport, and Mark J Shlomchik. Immunobiology. — 5th edition. — New York: Garland Science, 2001. — С. 123-141. — 732 с. — ISBN 0-8153-3642-X.
- ↑ Immunobiology, 5th edition The Immune System in Health and Disease Charles A Janeway, Jr, Paul Travers, Mark Walport, and Mark J Shlomchik. New York: Garland Science; 2001. ISBN 0-8153-3642-X
- 1 2 Krangel M.S. Gene segments selection in V(D)J recombination: accessibility and beyond. Nature Immunology, Vol.4, N.7, 2003. PMID 12830137
- 1 2 3 Immunobiology, 5th edition The Immune System in Health and Disease Charles A Janeway, Jr, Paul Travers, Mark Walport, and Mark J Shlomchik. New York: Garland Science; 2001. — ISBN 0-8153-3642-X
- ↑ Cobb RM, Oestreich KJ, Osipovich OA, Oltz EM. Accessibility control of V(D)J recombination. Adv Immunol. 2006;91:45-109. PMID 16938538
 | |
|---|---|
| Системы | |
| Антигены и антитела | |
| Клетки иммунной системы Лейкоциты | Лимфоидные: T-лимфоциты · B-лимфоциты · Естественные киллеры · Плазматические клетки
Миелоидные: Тучные клетки · Базофилы · Эозинофилы · Макрофаги Фагоциты: Нейтрофилы · Макрофаги, Ретикуло-эндотелиальная система Антигенпредставляющие клетки: Дендритные клетки · Макрофаги · B-лимфоциты · Презентация антигена |
| Иммунитет и толерантность | действие: Иммунитет · Autoimmunity · Аллергия · Воспаление · Гиперцитокинемия · Кросс-реактивность · Миелотоксичность бездействие: Иммунологическая толерантность (Central, Peripheral, Clonal anergy, Clonal deletion) · Иммунодефицит |
| Рецепторы | |
| Иммуногенетика | |
| Вещества | |
| Другое | |
| Органы иммунной системы | Тимус · Селезёнка · Лимфатические узлы · Кровь · Костный мозг · Лимфа · Заболевания иммунной системы (Иммунодефицит) |
Данная страница на сайте WikiSort.ru содержит текст со страницы сайта "Википедия".
Если Вы хотите её отредактировать, то можете сделать это на странице редактирования в Википедии.
Если сделанные Вами правки не будут кем-нибудь удалены, то через несколько дней они появятся на сайте WikiSort.ru .