stringtranslate.com

V(D)J рекомбинация

Рекомбинация V(D)J (перестройка вариабельного разнообразия-соединения) представляет собой механизм соматической рекомбинации , который происходит только в развивающихся лимфоцитах на ранних стадиях созревания Т- и В-клеток. Это приводит к весьма разнообразному репертуару антител/иммуноглобулинов и рецепторов Т-клеток (TCR), обнаруживаемых 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 ( костном мозге для В-клеток и тимусе для Т-клеток) и почти случайным образом перестраивает переменную (V), соединение (J), а в некоторых случаях и разнообразие ( Г) сегменты гена. В конечном итоге этот процесс приводит к появлению новых аминокислотных последовательностей в антигенсвязывающих областях иммуноглобулинов и TCR, которые позволяют распознавать антигены практически всех патогенов, включая бактерии , вирусы , паразиты и черви , а также «измененные собственные клетки», как показано на рак . Распознавание может также носить аллергический характер ( например , на пыльцу или другие аллергены ) или может совпадать с тканями хозяина и приводить к аутоиммунитету .

В 1987 году Сусуму Тонегава был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине «за открытие генетического принципа создания разнообразия антител». [1]

Фон

Молекулы антител человека (включая рецепторы В-клеток ) состоят из тяжелых и легких цепей, каждая из которых содержит как константные (С), так и вариабельные (V) области, генетически кодируемые тремя локусами :

Каждый ген тяжелой цепи или легкой цепи содержит множество копий трех различных типов генных сегментов вариабельных областей белков антител. Например, область тяжелой цепи иммуноглобулина человека содержит 2 константных генных сегмента (Cμ и Cδ) и 44 вариабельных генных сегмента (V), а также 27 генных сегментов разнообразия (D) и 6 соединительных генных сегментов (J). [2] Гены легкой цепи содержат либо один (Cκ), либо четыре (Cλ) константных генных сегмента с многочисленными генными сегментами V и J, но не имеют генных сегментов D. [3] Перестройка ДНК приводит к тому, что одна копия каждого типа сегмента гена попадает в любой данный лимфоцит, создавая огромный репертуар антител; Возможны 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 множество генных сегментов V, D и J в своих бета-цепях (а также генные сегменты V и J в их альфа-цепях), которые перестраиваются во время развития лимфоцита в снабдить эту клетку уникальным рецептором антигена. В этом смысле Т-клеточный рецептор является топологическим эквивалентом антигенсвязывающего фрагмента антитела, поскольку оба они являются частью суперсемейства иммуноглобулинов.

Аутоиммунный ответ предотвращается путем устранения самореагирующих клеток. Это происходит в тимусе путем тестирования клетки на наличие множества аутоантигенов, экспрессируемых посредством функции аутоиммунного регулятора (AIRE). Локус легкой цепи лямбда иммуноглобулина содержит гены, кодирующие белок, которые могут быть потеряны в результате его реаранжировки. Это основано на физиологическом механизме и не является патогенетическим для лейкозов или лимфом. Клетка сохраняется, если она создает успешный продукт, который не реагирует самостоятельно, в противном случае она удаляется посредством апоптоза .

Иммуноглобулины

Упрощенный обзор V(D)J-рекомбинации тяжелых цепей иммуноглобулина

Тяжелая цепь

В развивающейся В-клетке первое событие рекомбинации происходит между одним генным сегментом D и одним J-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 остальные сегменты гена между сегментами V и D теперь удалены из генома клетки. Генерируется первичный транскрипт (несплайсированная РНК), содержащий область VDJ тяжелой цепи, а также константные мю- и дельта -цепи (Cμ и Cδ ) . (т.е. первичный транскрипт содержит сегменты: VDJC μ -C δ ). Первичная РНК обрабатывается для добавления полиаденилированного (поли-А) хвоста после C - цепи и удаления последовательности между сегментом VDJ и этим константным генным сегментом. Трансляция этой мРНК приводит к образованию белка тяжелой цепи IgM .

Легкая цепь

Каппа (κ) и лямбда (λ) цепи локусов легкой цепи иммуноглобулина перестраиваются очень похожим образом, за исключением того, что в легких цепях отсутствует сегмент D. Другими словами, первый этап 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 каппа- или лямбда-цепи приводит к образованию белка легкой цепи Ig κ или Ig λ.

Сборка тяжелой цепи Igμ и одной из легких цепей приводит к образованию мембраносвязанной формы иммуноглобулина IgM, которая экспрессируется на поверхности незрелой В-клетки.

Т-клеточные рецепторы

Во время развития тимоцитов цепи рецепторов Т-клеток (TCR) подвергаются по существу той же самой последовательности событий упорядоченной рекомбинации, что и описанная для иммуноглобулинов. Рекомбинация D-to-J сначала происходит в β-цепи TCR. Этот процесс может включать либо присоединение сегмента гена Dβ1 к одному из шести сегментов Jβ1 , либо присоединение сегмента гена Dβ2 к одному из шести сегментов Jβ2 . [3] DJ-рекомбинация сопровождается (как указано выше) перегруппировкой V β - в D β J β . Все сегменты гена между сегментами гена V β -D β -J β во вновь образованном комплексе удаляются и синтезируется первичный транскрипт, включающий ген константного домена (V β -D β -J β -C β ). Транскрипция мРНК расщепляет любую промежуточную последовательность и обеспечивает трансляцию полноразмерного белка для β-цепи TCR.

Перегруппировка альфа-(α)-цепи TCR следует за перегруппировкой β-цепи и напоминает перегруппировку V-to-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 разнообразную совокупность ферментов. Ключевыми участвующими ферментами являются гены 1 и 2, активирующие рекомбинацию (RAG), терминальная дезоксинуклеотидилтрансфераза (TdT) и нуклеаза Artemis , участник повсеместного пути негомологичного соединения концов (NHEJ) для репарации ДНК. [4] Известно, что в этом процессе участвуют несколько других ферментов, в том числе ДНК-зависимая протеинкиназа (DNA-PK), перекрестно-комплементирующий белок 4 рентгеновской репарации (XRCC4), ДНК-лигаза IV , негомологичное соединение концов. фактор 1 (NHEJ1; также известный как Cernunnos или XRCC4-подобный фактор [XLF]), недавно открытый Паралог XRCC4 и XLF (PAXX), а также 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 повсеместно ( например , компоненты NHEJ).

Чтобы поддерживать специфичность рекомбинации, рекомбиназа V(D)J распознает и связывается с сигнальными последовательностями рекомбинации (RSS), фланкирующими сегменты генов вариабельности (V), разнообразия (D) и соединения (J). RSS состоят из трех элементов: гептамера из семи консервативных нуклеотидов, спейсерной области длиной 12 или 23 пары оснований и нонамера из девяти консервативных нуклеотидов. Хотя большинство RSS различаются по последовательности, консенсусными гептамерными и нонамерными последовательностями являются CACAGTG и ACAAAAACC соответственно; и хотя последовательность спейсерной области плохо консервативна, ее длина высоко консервативна. [6] [7] Длина спейсерной области соответствует примерно одному (12 пар оснований) или двум виткам (23 пары оснований) спирали ДНК. Следуя так называемому правилу 12/23, сегменты гена, подлежащие рекомбинации, обычно соседствуют с RSS с разной длиной 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 (благодаря активности RAG1) связывает RSS, фланкирующий сегмент кодирующего гена (V, D или J), и создает одноцепочечный разрыв в ДНК между первыми основание RSS (непосредственно перед гептамером) и сегмент кодирования. Это по существу энергетически нейтрально (нет необходимости гидролиза АТФ ) и приводит к образованию свободной 3'- гидроксильной группы и 5'- фосфатной группы на одной и той же цепи. Реактивная гидроксильная группа позиционируется рекомбиназой для атаки фосфодиэфирной связи противоположной цепи, образуя два конца ДНК: шпильку (стебель-петля) на кодирующем сегменте и тупой конец на сигнальном сегменте. [10] Текущая модель заключается в том, что разрыв ДНК и образование шпильки происходят на обеих цепях одновременно (или почти) в комплексе, известном как центр рекомбинации . [11] [12] [13] [14]

Тупые сигнальные концы лигируются заподлицо, образуя кольцевой участок ДНК, содержащий все промежуточные последовательности между кодирующими сегментами, известный как сигнальный сустав (хотя по своей природе он кольцевой, его не следует путать с плазмидой ) . Первоначально считалось, что сигнальные соединения теряются во время последовательных делений клеток, но есть свидетельства того, что сигнальные соединения могут повторно проникать в геном и приводить к патологиям за счет активации онкогенов или прерывания функции(й) генов-супрессоров опухолей [Ссылка].

Кодирующие концы обрабатываются далее перед их лигированием с помощью нескольких событий, 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 ее аутофосфорилированию , что приводит к активации Артемиды. Кодирующие концевые шпильки открываются деятельностью Артемиды. [17] Если их открыть в центре, образуется тупой конец ДНК; однако во многих случаях отверстие находится «не от центра», что приводит к тому, что на одной нити остаются дополнительные основания (выступ). Они известны как палиндромные (P) нуклеотиды из-за палиндромной природы последовательности, образующейся, когда ферменты репарации ДНК устраняют выступающий конец. [18] Процесс открытия шпильки Артемидой является решающим этапом рекомбинации V(D)J и является дефектным в мышиной модели тяжелого комбинированного иммунодефицита (СКИД) .

Затем XRCC4, Cernunnos и DNA-PK выравнивают концы ДНК и привлекают терминальную дезоксинуклеотидилтрансферазу (TdT), независимую от матрицы ДНК-полимеразу, которая добавляет нематрицированные (N) нуклеотиды к кодирующему концу. Добавление в основном случайное, но TdT действительно отдает предпочтение нуклеотидам G/C. [19] Как и все известные ДНК-полимеразы, TdT добавляет нуклеотиды к одной цепи в направлении от 5' к 3'. [20]

Наконец, экзонуклеазы могут удалять основания с кодирующих концов (включая любые образовавшиеся P или N нуклеотиды). Затем ДНК-полимеразы λ и μ встраивают 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 вообще не произойти). Наконец, обработанные кодирующие концы связываются вместе ДНК-лигазой IV. [21]

Все эти события обработки приводят к образованию очень изменчивого паратопа , 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 были ранее сталкиваться, что обеспечивает адаптивный иммунный ответ на новые развивающиеся патогены или на те, которые часто изменения ( например , сезонный грипп ). Однако главное предостережение в этом процессе заключается в том, что последовательность ДНК должна оставаться в рамке считывания , чтобы сохранить правильную аминокислотную последовательность в конечном белковом продукте. Если полученная последовательность окажется вне кадра, развитие клетки будет остановлено, и клетка не доживет до зрелости. Таким образом, рекомбинация V(D)J представляет собой очень дорогостоящий процесс, который должен (и является) строго регулироваться и контролироваться.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Нобелевская премия по физиологии и медицине 1987 года». nobelprize.org . Архивировано из оригинала 13 февраля 2021 года . Проверено 26 декабря 2014 г.
  2. ^ Ли А, Рю М, Чжоу Дж и др. (июнь 2004 г.). «Использование переменной тяжелой цепи Ig, разнообразия и соединения сегментов гена у детей с острым лимфобластным лейкозом B-линии: значение для механизмов рекомбинации VDJ и патогенеза». Кровь . 103 (12): 4602–9. дои : 10.1182/кровь-2003-11-3857 . ПМИД  15010366.
  3. ^ Аб 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.
  4. ^ Ма, Юнмей; Лу, Хайхуэй; Шварц, Клаус; Либер, Майкл (сентябрь 2005 г.). «Восстановление разрывов двухцепочечной ДНК с помощью пути соединения концов негомологичной ДНК человека: модель итеративной обработки». Клеточный цикл . 4 (9): 1193–1200. дои : 10.4161/cc.4.9.1977 . ПМИД  16082219.
  5. ^ 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. S2CID  45771818.
  6. ^ Рамсден, Дейл; Баец, Кристин; Ву, Джиллиан (1994). «Сохранение последовательности в спейсерах последовательности рекомбинационных сигналов». Исследования нуклеиновых кислот . 22 (10): 1785–1796. дои : 10.1093/нар/22.10.1785. ПМК 308075 . ПМИД  8208601. 
  7. ^ Коуэлл, Линдси; Давила, Марко; Рамсден, Дейл; Келсо, Гарнетт (2004). «Вычислительные инструменты для понимания изменчивости последовательностей в сигналах рекомбинации». Иммунологические обзоры . 200 : 57–69. дои : 10.1111/j.0105-2896.2004.00171.x. PMID  15242396. S2CID  40771963.
  8. ^ ван Гент, Дик; Рамсден, Дейл; Геллерт, Мартин (1996). «Белки RAG1 и RAG2 устанавливают правило 12/23 в рекомбинации V (D) J». Клетка . 85 (1): 107–13. дои : 10.1016/s0092-8674(00)81086-7 . ПМИД  8620529.
  9. ^ 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. дои : 10.1016/s1097-2765(00)80101-x . ПМИД  9651584.
  10. ^ Шац, Дэвид; Суонсон, Патрик (2011). «Рекомбинация V (D) J: механизмы инициации». Ежегодный обзор генетики . 45 : 167–202. doi : 10.1146/annurev-genet-110410-132552. ПМИД  21854230.
  11. ^ Шац, Дэвид; Цзи, Яньхун (2011). «Центры рекомбинации и организация рекомбинации V (D) J». Обзоры природы Иммунология . 11 (4): 251–263. дои : 10.1038/nri2941. PMID  21394103. S2CID  33489235.
  12. ^ Карри, Джон; Гейер, Джейми; Шлиссель, Марк (2005). «Ники последовательности сигналов одноцепочечной рекомбинации in vivo: доказательства модели захвата синапса». Природная иммунология . 6 (12): 1272–1279. дои : 10.1038/ni1270. PMID  16286921. S2CID  10975251.
  13. ^ Агравал, Алка; Шац, Дэвид (1997). «RAG1 и RAG2 образуют стабильный синаптический комплекс после расщепления с ДНК, содержащей сигнальные концы, при рекомбинации V (D) J». Клетка . 89 (1): 43–53. дои : 10.1016/s0092-8674(00)80181-6 . ПМИД  9094713.
  14. ^ Фугманн, Себастьян; Ли, АИфред; 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. ПМИД  10837067.
  15. ^ Льюис, Сюзанна (1994). «Механизм присоединения V (D) J: уроки молекулярного, иммунологического и сравнительного анализа». Достижения иммунологии, том 56 . Достижения иммунологии. Том. 56. стр. 27–150. дои : 10.1016/s0065-2776(08)60450-2. ISBN 9780120224562. ПМИД  8073949.
  16. ^ Хельминк, Бет; Слекман, Барри (2012). «Реакция на двухцепочечные разрывы ДНК, опосредованные RAG, и их восстановление». Ежегодный обзор иммунологии . 30 : 175–202. doi : 10.1146/annurev-immunol-030409-101320. ПМК 4038028 . ПМИД  22224778. 
  17. ^ Ма, Юнмей; Шварц, Клаус; Либер, Майкл (2005). «Артемида: эндонуклеаза DNA-PKcs расщепляет петли, лоскуты и пробелы ДНК». Восстановление ДНК . 4 (7): 845–851. дои : 10.1016/j.dnarep.2005.04.013. ПМИД  15936993.
  18. ^ Лу, Хайхуэй; Шварц, Клаус; Либер, Майкл (2007). «Степень, в которой открытие шпильки комплексом Артемида: ДНК-PKcs может способствовать разнообразию соединений при рекомбинации V (D) J». Исследования нуклеиновых кислот . 35 (20): 6917–6923. дои : 10.1093/nar/gkm823. ПМК 2175297 . ПМИД  17932067. 
  19. ^ Гаусс, Джордж; Либер, Майкл (1996). «Механистические ограничения разнообразия в рекомбинации V(D)J человека». Молекулярная и клеточная биология . 16 (1): 258–269. дои : 10.1128/MCB.16.1.258. ПМК 230999 . ПМИД  8524303. 
  20. ^ 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. S2CID  20634390.
  21. ^ ван Гент, округ Колумбия; ван дер Бург, М (10 декабря 2007 г.). «Номологическое соединение концов, трудный вопрос». Онкоген . 26 (56): 7731–40. дои : 10.1038/sj.onc.1210871. ПМИД  18066085.

дальнейшее чтение