Запрограммированные перестройки днк в онтогенезе

Антитела образуются, когда чужеродный субстрат (антиген) приходит в контакт с В-лимфоцитами, находящимися в лимфатических узлах и селезенке. Еще до контакта с антигеном в каждом из покоящихся В-лимфоцитов синтезируются молекулы антител, однако из клеток они не выделяются, а встраиваются в клеточные мембраны лимфоцитов. Каждый В-лимфоцит продуцирует антитела, которые узнают один и только один антиген.

После того как связанные с мембраной антитела присоединяют молекулы определенного антигена, В-лимфоцит многократно делится и дифференцируется в плазматическую клетку, секретирующую антитела. К размножению и секреции антител стимулируются только те В-лимфоциты, которые обладают способностью связывать данный антиген. В соответствии с этой моделью, названной теорией клональной селекции (Burnett, 1959), каждый В-лимфоцит приобретает присущую ему специфичность до контакта с антигеном. Иными словами, из миллионов различных видов антител, которые каждый В-лимфоцит может производить, он «выбирает» только один вид и размещает антитела этой специфичности на своей клеточной поверхности.

Механизм этой селекции по специфичности антител включает образование новых генов в ходе дифференцировки В-лимфоцитов. Белок антитела (иммуноглобулин) на клеточной поверхности состоит из двух пар полипептидных субъединиц (рис.): двух идентичных тяжелых цепей и двух идентичных легких цепей. Цепи связаны друг с другом дисульфидными связями. Специфичность молекулы иммуноглобулина (т.е. избирательность связывания с вирусом полиомиелита, клеткой Е. coli или какими-либо другими молекулами) определяется последовательностью аминокислот в вариабельной области (антиген-связывающий сайт). Эта область формируется из амино-концов одной тяжелой цепи и одной легкой цепи. Вариабельные области молекул иммуноглобулинов присоединены к константным областям, которые придают антителу его эффекторные свойства (способность агглютинировать с антигенами, присоединяться к макрофагам, удерживает эти белки в клеточной мембране).

ФОРМИРОВАНИЕ ГЕНОВ ЛЕГКИХ ЦЕПЕЙ АНТИТЕЛ

Гены для легких и тяжелых цепей лимфоцитов разделены на сегменты. Гены легких цепей состоят из трех сегментов (рис.). Первый сегмент гена кодирует вариабельную (V) область легкой цепи. Она содержит около 300 различных последовательностей, которые кодируют в общей сложности первые 97 аминокислот легкой цепи антитела. Второй сегмент, J-область, состоит из четырех или пяти возможных последовательностей ДНК для последних 15-17 остатков вариабельной части легкой цепи антитела. Третий сегмент определяет константную (С) область легкой цепи. В ходе развития В-лимфоцита одна из трехсот V-областей и одна из пяти J-областей комбинируются друг с другом и образуют вариабельную часть гена антитела. Это достигается перемещением последовательности V-области к последовательности J-области - перестройки, которая сопровождается удалением промежуточной ДНК.

ФОРМИРОВАНИЕ ГЕНОВ ТЯЖЕЛЫХ ЦЕПЕЙ АНТИТЕЛ.

Гены тяжелых цепей антител содержат даже большее число сегментов, чем гены легких цепей. Сегменты гена тяжелой цепи включают V-областъ (200 различных последовательностей для первых 97 аминокислот), D-область (10-15 различных последовательностей для 3-14 аминокислот) и J-областъ (4 последовательности для последних 15-17 аминокислот V-области). Следующий фрагмент - это С-область. Вариабельная область тяжелой цепи формируется в результате присоединения одной V-последовательности и одной D-последовательнос-ти к одной из J-последовательностей (рис. 10.24). Эта VDJ-последовательность вариабельной часто далее присоединяется к первой С-области тяжелой цепи, специфичной для антител, которые могут быть встроены в плазматическую мембрану. Таким образом, молекулы антител формируются двумя генами, возникающими в ходе антигеннезависимой стадии развития В-лимфоцита. Эти молекулы встраиваются в клеточную мембрану и служат рецепторами антигенов.

ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ КЛАССОВ В ГЕНАХ ТЯЖЕЛЫХ ЦЕПЕЙ. После стимуляции антигеном В-клетка делится и дифференцируется в плазматическую клетку, секретирующую антитела. Вначале антитела, синтезируемые этими клетками, содержат ту же С-область, что и ранее. Однако при дальнейшем синтезе антител С-область может измениться. Исходную С-область называют константной мю-областью (Сµ). Следующая С-область - та, что содержится в секретирующих антителах, - может остаться µ-областью (хотя и с модификацией, которая обеспечивает секрецию), но может также стать гамма(γ)-, эпсилон(ε)- или альфа(α)-константной областью. Таким образом, один и тот же вариабельный участок тяжелой цепи может соединяться вначале с константной µ-областью, а позже, например, с константной у-областью. Это явление называется переключением классов. (Класс тяжелых цепей антител определяет характер их функционирования: мю- и гамма стимулируют лизис, агглютинацию или разрушение антигена макрофагами; эпсилон-цепи вызывают воспалительный процесс, а альфа-цепи обеспечивают выделение антител в слизь, слезы, слюну и молоко.) Переключение классов осуществляется транслокацией полного сегмента вариабельной области гена (VDJ) нз положения перед константной u-областью в участок, примыкающий к константной у-, е- или а-области (рис.). Этот процесс заключается в делеции сегмента константной мю-области гена из генома.

Как было показано в других исследованиях, изменения генома В-лимфоцитов не являются исключением в животном мире - клетки иммунной системы другого типа - Т-лимфоциты - также утрачивают часть генома при формировании рецепторов своего антигена), геном паразитического простейшего Trypanosoma brucei, вызывающего сонную болезнь, может меняться, чтобы продуцировать разные гликопротеины клеточной поверхности (благодаря этому паразит ускользает от иммунной системы хозяина), у дрожжей может происходить переключение типов спаривания. Интересно, что в этих трех примерах фигурируют гены, ответственные за узнавание клеточной поверхностью.

Таким образом, геном плазматической клетки существенно отличается от генома любой другой клетки. Какие выводы можно сделать? Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что ядра дифференцированных клеток действительно сохраняют основную часть своей генетической информации в форме, которая допускает ее экспрессию в соответствующих условиях. Тем не менее очевидно, что по крайней мере при дифференцировке клеток одного типа происходит некоторая утрата генетического материала. Пока у нас нет возможности выяснить, каково разнообразие необратимых генетических изменений, которые могут происходить в процессе развития животных. Однако известные нам сведения о перестройке генов в лимфоцитах указывают на то, что необратимые генетические потери являются следствием клеточной дифференцировки, а не ее причиной.

В настоящее время принята гипотеза дифференциальной экспрессии генов, которая заключается в том, что дифференцировка клеток происходит без генетических изменений. Другими словами, предполагается, что в любом организме все соматические клетки содержат одинаковый набор генов. Развитие, таким образом, осуществляется посредством избирательного включения специфических генов в соответствующем месте и в соответствующее время. Следовательно, разные типы дифференцированных клеток должны использовать разные гены из этого общего для всех клеток наследственного материала. Отсюда рождается и проблема, которой занимается генетика развития; какие именно механизмы обусловливают такое избирательное включение, в результате которого возникают различия между клетками?