Генетика - А. В. Сиволоб 2008

Генетика багатоклітинних еукаріотів
Еукаріотичні геноми
Запрограмовані геномні перебудови: V(D)J-рекомбінація імуноглобулінових генів

Геномні перебудови не завжди є спонтанними. Як згадувалось у розділі 5, існують запрограмовані перебудови генетичного матеріалу. Важливим прикладом таких запрограмованих (але багато в чому хаотичних) змін у певній зоні геному є дозрівання генів імуноглобулінів.

Основою імунної відповіді організму на появу чужорідної молекули чи частинки - антигену - є синтез імуноглобуліну певного типу, який має до цього антигену високу специфічну спорідненість. Кількість типів імуноглобулінів, так само як і антигенів, практично необмежена. Зрозуміло, що закодувати таке розмаїття у вигляді окремих імуноглобулінових генів також неможливо. Еволюційним рішенням цієї проблеми став особливий рекомбінаційний процес дозрівання імуноглобулінових генів.

Молекула імуноглобуліну складається з двох важких і двох легких поліпептидних ланцюгів (рис. 6.7). Кожен із ланцюгів має константну С-кінцеву (спільну для всіх імуноглобулінів) і варіабельну N-кінцеву частини. Варіабельні частини кожної пари важкого й легкого ланцюгів формують два антигензв'язувальні сайти на поверхні молекули.

Рис. 6.7. Схема будови імуноглобуліну

Незрілі імуноглобулінові гени мають вигляд кластерів окремих елементів нуклеотидної послідовності - блоків, з яких шляхом рекомбінації в імунокомпетентній клітині будується активний імуноглобуліновий ген. Кластер важкого ланцюга містить ~100 V-сегментів (від variable), що тандемно повторюються (послідовності всіх сегментів розрізняються між собою), ~30 D-сегментів (від diversity), 6 J-сегментів (від joining) і С-ділянку, яка кодує константну частину ланцюга (рис. 6.8). Аналогічно побудований кластер легкого ланцюга, який містить тільки два типи варіабельних сегментів (~100 V- і 4 J-сегменти). Активний ген збирається із сегментів трьох (або двох) типів, як із кубиків, шляхом так званої V(D)J-рекомбінації: один випадковий D-сегмент з'єднується з випадковим J-сегментом (ділянка між ними вирізається), до них приєднується один із V-сегментів (рис. 6.4). Аналогічно, для легкого ланцюга об'єднуються один V- з одним із J-сегментів. Перед кожним V-сегментом знаходиться промотор, у спейсері перед С-ділянкою - енхансер. Їхнє зближення після рекомбінації активує транскрипцію, зайві спейсери та інтрони константної частини видаляються з мРНК шляхом сплайсингу.

Рис. 6.8. Будова кластера генів важкого ланцюга імуноглобуліну та схема збирання активного гена. Константа частина (С) містить інтрони, які не показано

Отже, для важкого ланцюга може реалізуватися ~18 тис. комбінацій між сегментами трьох типів, для легкого 400 комбінацій, загалом за рахунок рекомбінації для обох ланцюгів утворюється ~7 млн варіантів послідовності. Додаткова варіабельність забезпечується за рахунок індукції мутацій у межах V-сегментів, а також завдяки застосування особливих механізмів при з'єднанні сегментів.

Рекомбінація залежить від сигнальних послідовностей, що фланкують з двох боків кожен із сегментів і є власне сайтами рекомбінації. Сигнальні послідовності розпізнаються певними білками (гомологами транспозази), які вирізають ділянку між двома сегментами. Після цього 3'-кінці обох сегментів добудовуються шляхом випадкового приєднання нуклеотидів - зрозуміло, що цей процес ще значно підвищує розмаїття послідовностей зрілих генів імуноглобулінів. Частина цих генів буде неактивною завдяки стоп-кодонам, які з певною імовірністю з'являються при такому випадковому синтезі, але це є прийнятною платою за загальне збільшення варіантів.

Нарешті кінці сегментів з'єднуються за допомогою системи репарації дволанцюгових розривів NHEJ (див. рис. 1.25): на останніх стадіях рекомбінації процес з'єднання сегментів імуноглобулінових генів навмисно "загрублюється" з метою підвищення варіабельності.