Антитела. Генетика иммуноглобулинов
МИНИСТЕРСТВО
ЗДРАВООХРАНЕНИЯ УКРАИНЫ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ
ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Реферат
на
тему «Антитела. Генетика иммуноглобулинов»
Выполнила: Колодезная Татьяна
Харьков
2012
Антитела
Антитела (иммуноглобулины, ИГ, Ig) -
это растворимые гликопротеины, присутствующие в сыворотке крови
<#"606285.files/image001.gif">
Антитела являются относительно
крупными (~150 кДа <#"606285.files/image002.gif">
На рисунке представлен общий план
строения иммуноглобулинов: 1) Fab <#"606285.files/image003.gif">
Моноклональные антитела - антитела
<#"606285.files/image004.gif">
Разнообразие генетических кодов для
миллионов вариантов вариабельных участков молекул иммуноглобулинов формируется
в течение всей жизни в процессе дифференцировки В-лимфоцитов: в каждом
отдельном В-лимфоците осуществляется своя уникальная рекомбинация ДНК из
зародышевых генов, и трансляция РНК, и последующий синтез белка уже идут с
персонального для каждого В-лимфоцита генетического кода V-области.
Феномен рекомбинации ДНК в β соматических
клетках, по крайней мере насколько известно современной науке, строго уникален
исключительно для лимфоцитов. Соматическая рекомбинация ДНК «ниспослана» только
генам антигенраспознающих молекул лимфоцитов - иммуноглобулинов в В-лимфоцитах
и рецептора Т-клеток для антигена в Т-лимфоцитах. Свойство случайности при
рекомбинации соответствующей ДНК объясняет тот широко известный факт, что
иммунная система «в лице» лимфоцитов распознает разные вещества, а не только
инфекционные микроорганизмы.
Примерно 20 лет назад аналитическим
электрофорезом фрагментированной ДНК обнаружили, что генетический материал для
кодирования белков - иммуноглобулинов структурирован на сегменты, расположенные
друг относительно друга на уловимом расстоянии. Во всех клетках тела, включая
стволовую кроветворную, кроме начавших дифференцировку В-лимфоцитов, гены
иммуноглобулинов навсегда остаются в «разорванном» состоянии, которое называют
зародышевой конфигурацией. И только в В-лимфоцитах на самом раннем этапе их
специальной дифференцировки начинается сложный генетический процесс объединения
сегментов ДНК, предназначенных для кодирования разных частей молекулы
иммуноглобулина - V- и C-фрагментов, причем по отдельности для каждой из 3
типов полипептидных цепей - двух типов легких (κ и λ) и тяжелой.
Это и есть феномен рекомбинации ДНК в соматической клетке.
Структура генов иммуноглобулинов
подробно изучена. Отдельные сегменты молекулярно клонирован, определено их
число. Кодирующая ДНК для вариабельной части каждой из цепей иммуноглобулина
собирается из сегментов, извлекаемых из трех отдельных кластеров: собственно V
(вариабельный), а также D (diversity - разнообразие) у тяжелых цепей и J
(joining - связующий).
Рекомбинацию ДНК иммуноглобулинов
катализируют специальные ферменты - рекомбиназы (уникальные ферменты
лимфоцитов). До начала процесса перестройки ДНК в клетке уже существуют
генрегуляторные протеины - свои у Т-лимфоцитов и свои у В-лимфоцитов. Гены,
кодирующие эти белки, называют мастер-генами. Субстратом для рекомбиназ служат
определенные последовательности нуклеотидов в ДНК генов-мишеней. Эти
последовательности фланкируют (т.е. расположены с какого-либо края) каждый
отдельный сегмент генов-мишеней и их называют сигнальными для рекомбинации (rss
- recombination signal sequence). Rss расположены с 3'-конца V-сегментов, с
5'-конца J-сегментов и с обеих сторон D-сегментов.
Самый первый акт расщепления цепи
ДНК осуществляют два других специальных фермента лимфоцитов - гетеродимерные
эндонуклеазы, кодируемые генами, называемыми RAG-1 и RAG-2
(recombination-activating genes). Репарацию разрывов ДНК катализируют, по
крайней мере, 3 ядерных фермента: один называют аутоантигеном Ku, второй -
ДНК-зависимой протеинкиназой, третий еще недостаточно охарактеризован.
В результате реакции рекомбинации в
непрерывную последовательность ДНК соединяются по одному сегменту из V-, D-,
J-областей - этот процесс называют VDJ-рекомбинацией. Вся остальная ДНК V-, D-,
J-областей вырезается и выбрасывается из генома в виде кольцевых ДНК. Поэтому
приобретение В-лимфоцитом в начале своей дифференцировки специфичности по
потенциальному антигену происходит раз и навсегда и строго необратимо на уровне
ДНК.
В каждом единичном В-лимфоците случается
своя уникальная комбинация VDJ для тяжелой цепи и VJ - для каждой их легких
цепей. В цельной молекуле иммуноглобулинов разные легкие и тяжелые цепи
объединяются в тетрамер случайным образом.
Но это не все, что обеспечивает
разнообразие антигенсвязывающих областей антител. Есть еще два молекулярных
процесса: запланированная неточность связи сегментов V-D-J и запланированный
гипермутагенез именно в V-генах иммуноглобулинов. Последнее свойство -
гипермутагенез - отличает гены иммуноглобулинов даже от генов TCR: у TCR и
комбинаторика сегментов, и неточность связи V-D-J, но не выявлен
гипермутагенез. Под недостаточностью связи V-D-J понимают тот факт, что при
формировании этих связей происходит добавление лишних некодируемых наследуемым
генетическим кодом нуклеотидов. Их два вида: Р-нуклеотиды и N-нуклеотиды.
Нуклеотиды Р (от palindromic sequences) возникают на концах сегментов при
вырезании одноцепочечных петель ДНК и достройки «хвостов» ферментами репарации
ДНК. Нуклеотиды N (от nontemplate-encoded)сле вырезания петли специальным
ферментом лимфоцитов - терминальной дезоксинуклеотидилтрансферазой (TdT). Этот
фермент достраивает от 1 до 20 дополнительных нуклеотидов, а ферменты репарации
подстраивают комплементарные пары и лигируют (ковалентно продольно состыковывают)
двухцепочечную «пристройку» ДНК с двухцепочечными Р-нуклеотидами. TdT
экспрессируется недолго и на ранних стадиях дифференцировки В-лимфоцитов.
Поэтому N-нуклеотиды характерны для тяжелых цепей, поскольку гены тяжелых цепей
перестраиваются в первую очередь. Гены легких цепей перестраиваются во вторую
очередь и в них N-нуклеотидов уже не находят.
Гипермутагенез, процесс
возникновения точечных мутаций, запланирован и имеет место не во время лимфопоэза
В-лимфоцитов в костном мозге, а во время иммуногенеза и локализован в
лимфоидных фолликулах периферических лимфоидных органов и тканей. Именно
гипермутагенез генов V-области иммуноглобулинов и отбор В-лимфоцитов по силе
связи Ig-рецептора с антигеном являютяс механизмом возрастания аффинности
антител по мере прогрессивного развития, так называемого вторичного иммунного
ответа. Интенсивность гипермутаций в V- Ig в В-лимфоцитах оценивают как замену
одного нуклеотида из 1000 на один митоз: каждый второй В-лимфоцит клона в
зародышевом центре приобретает точечную мутацию в V- Ig. Для всей остальной ДНК
явление точечной мутации реализуется с частотой на 9 порядков ниже, т.е. одна
замена нуклеотида на 1012 пар нуклеотидов на митоз.
Процессы перестройки генов
иммуноглобулинов в В-лимфоците отрегулированы так, что из двух родительских
хромосом, в конечном счете, в одном В-лимфоците будет использован только
единственный вариант как легкой, так и тяжелой цепи. Это явление называется
аллельным исключением.
Первично перестроенные гены
иммуноглобулинов одинаковы у всех незрелых В-лимфоцитов. Такие В-лимфоциты у
птиц мигрируют в сумку Фабрициуса, где они интенсивно пролиферируют. В процессе
митозов в уже перестроенных генах V-области создается разнообразие по механизму,
называемому конверсией генов: фрагменты ДНК из перестроенной V-области одной из
гомологичных хромосом обмениваются на фрагменты из непосредственной и ранее не
использованной V-области второй из гомологичных хромосом.
Структурные гены константных частей полипептидных
цепей иммуноглобулинов расположены в тех же хромосомах, что и V-, D-, J-гены,
«ниже по течению». Для легких κ- и λ-цепей
существует по одному С-гену - Сκ и СА.
Стыковка нуклеотидного кода для V- и С-частей легких цепей происходит на уровне
не ДНК, а РНК - по механизму сплайсинга первичного транскрипта РНК. Для каждого
изотопа иммуноглобулинов есть свой отдельный С-ген.
Завершившие лимфопоэз, В-лимфоциты
любого клона по антигенной специфичности экспрессируют иммуноглобулины только
классов М и D. В результате альтернативного сплайсинга первичного транскрипта
РНК образуются мРНК отдельно для тяжелых цепей IgМ и IgD, которые и
транслируются в белок. Этим процессом заканчивается полноценный лимфопоэз
В-лимфоцитов.
Переключение же на синтез иммуноглобулинов
других изотипов (G, E, A) происходит уже в процессе развития иммунного ответа,
т.е. после распознавания антигена и под воздействием определенных цитокинов
Т-лимфоцитов и молекул клеточной мембраны Т-лимфоцитов. Существенно, что такое
переключение идет опять по механизму рекомбинации ДНК: в ДНК к ранее и единожды
перестроенной комбинации VDJ присоединяется какой-либо один из С-генов тяжелой
цепи.
ДНК неиспользованных С-генов слева
от использованного С-гена на этом этапе развития В-лимфоцита элиминируется в
виде кольцевых структур. С этого момента судьба В-лимфоцита определена как по
единственной антигенной специфичности, так и изотипу тяжелой цепи. Если из
окружений продолжают поступать регулирующие переключение изотипов сигналы, то
возможен еще акт переключения на изотип, С-ген которого «правее» в ДНК от уже
экспрессированных С-генов. Если с инструкциями «покончено», В-лимфоцит вступает
в терминальный этап своего развития: он становится плазматической клеткой -
продуцентом больших количеств моноклонального секретируемого иммуноглобулина.
При переключении изотипа тяжелой
цепи ДНК разрывается по так называемым областям переключения, расположенных в
интронах перед каждым С-геном (за исключением С<5).
Молекулы иммуноглобулина одной и той
же специфичности по антигену присутствуют в организме в двух физических
состояниях - в растворе и на мембране клеток и в 3 формах:
ü в растворимой форме в крови и других
биологических жидкостях;
ü на мембране В-лимфоцита в составе
рецептора В-лимфоцитов для антигена;
ü в связи с клетками, но не в
трансмембранном варианте, а связанными за Fc-конец Fc-рецептором клетки.
Трансмембранная и секретируемая формы
иммуноглобулинов различаются по своему С-концу тяжелых цепей: в трансмембранной
форме у тяжелых цепей молекулы есть лишние 25 остатков гидрофобных аминокислот,
которые «заякоревают» молекулу в фосфолипидном бислое мембраны. Трансмембранная
и секретируемые «версии» тяжелых цепей кодируются разными экзонами
соответствующих С-генов. Экзонами называют структурные гены каждого из
отдельных доменов полипептидной цепи. Последний экзон каждого С-гена содержит
последовательности нуклеотидов для кодирования трансмембранного участка
молекулы. Первичных транскрипт РНК дифференцирующего В-лимфоцита содержит все
экзоны С-гена. Трансляция белка с полноразмерной мРНК обеспечивает биосинтез
тяжелых цепей для трансмембранной формы. Но последний экзон может быть легко
удален из первичного транскрипта РНК, и тогда будет транслироваться
секретируемая форма иммуноглобулина. В зрелых плазмоцитах трансмембранная форма
уже совсем не синтезируется, а только продуцируется секретируемая форма.
антитело чужеродный ген иммуноглобулин
Заключение
Иммуноглобулины - это растворимые
гликопротеины, присутствующие в сыворотке крови
<http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%8B%D0%B2%D0%BE%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%BA%D0%B0_%D0%BA%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B8>,
тканевой жидкости или на клеточной мембране, которые распознают и связывают
антигены <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BD%D1%82%D0%B8%D0%B3%D0%B5%D0%BD>;
синтезируются В-лимфоцитами
<http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92-%D0%BB%D0%B8%D0%BC%D1%84%D0%BE%D1%86%D0%B8%D1%82>
в ответ на антигены
<http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BD%D1%82%D0%B8%D0%B3%D0%B5%D0%BD>.
Моноклональными антителами называют
антитела
<http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BD%D1%82%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D0%BE>,
вырабатываемые иммунными клетками
<http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D0%BC%D0%BC%D1%83%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D0%BA%D0%BB%D0%B5%D1%82%D0%BA%D0%B8>,
принадлежащими к одному клеточному клону
<http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BB%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5_(%D0%B1%D0%B8%D0%BE%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D1%8F)>,
то есть произошедшими из одной плазматической клетки-предшественницы
<http://ru.wikipedia.org/wiki/B-%D0%BB%D0%B8%D0%BC%D1%84%D0%BE%D1%86%D0%B8%D1%82%D1%8B>.
Поликлональные антитела к лимфоцитам, получают из сыворотки кроликов и других
животных после иммунизации лимфоцитами или клетками тимуса человека. Выделяют
также аутоантитела - антитела
<http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BD%D1%82%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D0%B0>,
способные взаимодействовать аутоантигенами, то есть с антигенами
<http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BD%D1%82%D0%B8%D0%B3%D0%B5%D0%BD>
собственного организма.
Известные 5 классов иммуноглобулинов
- IgM, IgG, IgA, IgE и IgD - построены по общему плану и включают две легкие и
две тяжелые полипептидные цепи. Каждая цепь состоит из одного вариабельного и
3-4 (в зависимости от принадлежности к классу) константных доменов.
Специфичность антител зависит от взаимодействия вариабельных доменов легких и
тяжелых цепей. Генетический контроль структуры иммуноглобулинов осуществляется
большим набором V-генов и незначительным числом дополнительных D- или
J-мини-генов при формировании единого информационного участка в процессе
реорганизации генома В-клеток лежит в основе вариабельности антител, меняющейся
от белка к белку антигенсвязывающей специфичности. Количество V-генов, D- и
J-мини-генов для тяжелых и легких цепей таково, что в условиях случайной
рекомбинации возможно потенциальное образование 2,4х108 отличающихся
по специфичности антител. Этот уровень вариабельности достаточен для
нейтрализации самого разнообразного набора антигенов.
Литература
. Кэтти
Д.,Райкундалия Ч., Браун Дж., Линг Н.Р., Гордон Д., Арвие Ж., Уильямс А. Ф.
Антитела. Методы: Кн.1: Пер. с англ./Под ред. Д. Кэтти. - М.: Мир, 1991 - 287
с.
. Хаитов
Р. М., Игнатьева Г. А., Сидорович И. Г. Иммунология: Учебник - М.: Медицина,
2000 - 432 с.
. Электронные
статьи