Начало >> Статьи >> Архивы >> Основы иммунологии (Ярилин)

Формирование разнообразия антигенраспознающих молекул лимфоцитов - Основы иммунологии (Ярилин)

Оглавление
Основы иммунологии (Ярилин)
Введение
Лимфоциты
В-лимфоциты
Субпопуляции В-лимфоцитов
Т-лимфоциты
Генез Т-лимфоцитов
Формирование рецептора Т-клеток для антигена
Кортикальные тимоциты и селекция их клонов
Формирование субпопуляций Т-клеток
Подготовка Т-клеток к эмиграции, эмиграция и заселение
Маркеры Т-лимфоцитов, определение Т-клеток и их субпопуляций
NK-клетки
Моноциты и макрофаги
Дендритные клетки
Нейтрофилы
Эозинофилы
Базофилы и тучные клетки
Тромбоциты
Стромальные клетки
Структурная организация иммунной системы
Структурная организация иммунной системы - костный мозг
Структурная организация иммунной системы - тимус
Лимфоидные клетки тимуса
Микроокружение, инволюция тимуса
Периферические лимфоидные органы - структурная организация иммунной системы
Лимфоидные ткань и структуры, связанные со слизистыми оболочками
Лимфоидная ткань, связанная с кожей
Кровь и лимфа
Рециркуляция лимфоцитов
Молекулы адгезии
Преодоление сосудистого барьера и миграция лимфоцитов в ткань
Рециркуляция лимфоцитов и взаимодействие со стромой лимфоидных органов
Факторы естественного иммунитета
Вовлечение и активация клеток—эффекторов естественного иммунитета
Фагоцитоз
Адгезия фагоцитов к объекту фагоцитоза
Активация фагоцитов при адгезии, погружение частицы
Формирование фаголизосомы, лизис и расщепление фагоцитированных клеток
Секреторная активность фагоцитов
Киллерная активность фагоцитов
Функционирование естественных киллеров
Гуморальные факторы естественного иммунитета
Классическая активация комплемента
Альтернативная активация комплемента
Атака клеточной мембраны
Роль комплементзависимых процессов в иммунной защите
Медиаторы воспаления
Белки острой фазы
Другие медиаторы воспаления
Молекулярные и клеточные основы адаптивного иммунитета
Мембранные иммуноглобулины
Fc-рецепторы
Рецепторный комплекс Т-лимфоцитов TCR-CD3
Формирование разнообразия антигенраспознающих молекул лимфоцитов
Антигены и их взаимодействие с антителами
Иммуногенность антигенов
Тимуснезависимые антигены, толерогенность
Специфичность антигенов
Взаимодействие антигенов и антител
Антигены и Т-клетки
Процессинг и презентация антигенов Т-клеткам
Особенности антигенов, распознаваемых Т-клетками
Молекулярные основы межклеточных взаимодействий
Интегрины, цитокины
Интерлейкины
Интерлейкины - факторы некроза опухолей
Интерфероны
Трансформирующий фактор роста
Эффекты цитокинов на уровне организма
Активация лимфоцитов
Дальнейшая передача сигнала и формирование транскрипционных факторова активации лимфоцитов
Сигналы лимфоцитов, включаемые через корецепторы
Сигнализация лимфоцитов, запускаемая цитокинами
Продвижение активации лимфоцитов по клеточному циклу
Дифференцировка лимфоцитов
Дифференцировка Т-хелперов
Дифференцировка цитотоксических Т-лимфоцитов и Т-клеток памяти
Апоптоз
Нобелевские премии, литература

Происхождение разнообразия антител и антигенраспознающих рецепторов Т-клеток относится к центральным проблемам иммунологии, в основных чертах решенных лишь в последнее десятилетие.
Очевидно, что при раскрытии природы разнообразия антигенраспознающих структур антител и TCR неизбежно обращение к генетической детерминации синтеза этих молекул. У человека имеется 7 генетических кластеров, определяющих формирование κ-, λ- и Н-цепей иммуноглобулинов, α-, β, γ- и δ-цепей TCR. Сведения об их локализации и структуре представлены в табл. 43. Принципиальна однотипность организации всех этих генных участков (рис. 49, с. 189): они имеют некоторое (как правило, большое) количество зародышевых V-генов, соединительный сегмент J (от англ. joint — соединение), а также один или несколько С-генов. В случае Η-, β- и δ-цепей между V-геном и J-сегментом имеется еще один сегмент — D (от англ. diversity). В генах зародышевых и соматических клеток (за исключением лимфоидных) V-, D- и J-сегменты пространственно разделены (расстояние между V- и С-генами составляет обычно 700—1000 тыс. пар оснований). Число V-генов, которое теоретически должно определять разнообразие V-доменов соответствующих цепей, в ряде генных кластеров велико (100 или более), однако не настолько, чтобы полностью обеспечить это разнообразие. Вариабельность антигенсвязывающих участков существенно увеличивается за счет комбинации V-доменов цепей, которые формируют этот участок. Однако и с учетом этого обстоятельства число вариантов антигенсвязывающих участков в молекуле антител должно составлять около 100 000, а в молекуле TCR-αβ — 3000 (см. табл. 44).
Обнаружены несколько дополнительных механизмов формирования разнообразия антигенраспознающих структур. Основной из них связан с перестройкой (реаранжировкой) генов, которая осуществляется при созревании лимфоцитов (см. раздел 1.1.1 и см. рис. 5). Такая перестройка также приводит к формированию «зрелого» V-гена на основе одного из зародышевых V-генов и произвольно выбранных D- и J-сегментов. В собранном таким образом «зрелом» V-гене участок, происходящий из зародышевого V-гена, кодирует соответственно 95—96 аминокислотных остатков, а происходящий из D- и J-сегментов — 12—14 остатков V-домена. Этот процесс, родственный рекомбинации генов, осуществляется при участии экзонуклеаз, кодируемых генами RAG-1 (его продукт гомологичен бактериальным топоизомеразам — ферментам, обусловливающим пространственную реорганизацию геномной ДНК) и RAG-2, которые экспрессируются непосредственно перед началом реаранжировки.
Последовательность событий реаранжировки приведена на рис. 50.
реаранжировка рецепторных зародышевых генов
Рис. 50. Перестройка (реаранжировка) рецепторных зародышевых генов.
V,J — генетические участки. Цифры на двух верхних схемах (сверху) — число нуклеотидов в отрезках генома, вовлекаемых в формирование петли. Цифры на 3- и 4-й схемах — участки, прилегающие к V- и J-генам, которые вовлекаются в формирование P-последовательностей. Стрелками указаны места нематричной подстройки нуклеотидов (N-вставок), катализируемой терминальной дезоксирибонуклеотидилтрансферазой (TdT).

Кратко ее суть можно свести к сближению комплементарных последовательностей, содержащих 7 и 9 нуклеотидов (гептамеров и нонамеров). Эти последовательности находятся между сближаемыми участками, которые застегиваются подобно застежке «молния» и формируют петлю, содержащую изымаемый материал (TCR-делетирующий, или TCRD-элемент). Экзонуклеазы обусловливают разрыв двух нитей ДНК в гептамерах. Нити на участках, прилежащих к сближаемым сегментам, воссоединяются, формируя «шпильку». Затем эндонуклеазы катализируют разрыв одной нити в области, прилежащей к «шпильке», что приводит к выпрямлению нити ДНК и достройке комплементарной нити (за счет достройки формируется фрагмент Р). В это время активируется терминальная дезоксирибонуклеотидилтрансфераза (TdT), которая обеспечивает нематричную (и следовательно, случайную, не детерминированную генетически) достройку олигонуклеотидного фрагмента в месте разрыва; такие вставки называют N-фрагментами.
В реаранжировке участвует система ферментов, часть которых «задействована» также в процессах репарации любых разрывов ДНК (в том числе продукты гена scid, мутация которого приводит к нарушению реаранжировки генов рецепторов Т- и В-лимфоцитов и к развитию тяжелого комбинированного иммунодефицита — см. раздел 5.1.1). В состав «зрелого» V-гена входит лишь один зародышевый V-ген, выбор которого происходит случайно, но с определенным предпочтением V-генов, расположенных ближе к 3'-концу занимаемого ими участка. Из нескольких J-cerментов также произвольно выбирается один. Последовательность нуклеотидов в D-сегменте может транскрибироваться в трех рамках считывания, что также реализуется случайно. Все это служит дополнительным источником разнообразия, которое определяет структуру 3-го гипервариабельного участка цепей, в наибольшей степени обусловливающего специфичность рецепторов.
Доказана гипермутабельность V-генов иммуноглобулинов: частота соматических мутаций в Vн-гене составляет 2—4 % при 0,0001 % для генов нелимфоидных клеток. Однако гипермутабельность лишь в малой степени реализуется при созревании В-клеток в костном мозгу; в основном она происходит в процессе иммунного ответа в зародышевых центрах периферических лимфоидных органов (см. раздел 3.5.2). Наличие гипермутабельности в V-генах TCR не доказано.

Таким образом, существует несколько источников разнообразия V- генов:

  1. множественность зародышевых V-генов;
  2. соматическая гипермутабельность V-генов (для V-генов антител);
  3. комбинации V-генов с различными J- и D-сегментами;
  4. вариабельность величины J-сегмента при соединении с V-геном;
  5. использование различных рамок считывания в D-сегменте;
  6. Р- и N-вставки;
  7. комбинации V-доменов полипептидных цепей.

Таблица 44. Источники вариабельности антигенраспознающих рецепторов лимфоцитов

Примечание. + имеются нерегулярно; ++ имеются как правило; — не имеются.

Суммарное число вариантов структуры антигенсвязывающих участков, рассчитанное с учетом только комбинаций различных V-генов, J- и D-сегментов, а также V-доменов полипептидных цепей, для молекул иммуноглобулинов составляет 24 x 106, а для молекул αβ-TCR — 8 x 106 (комбинаторная вариабельность γδ-TCR также высока). Реальные цифры должны быть увеличены с учетом гипермутабельности, N-вставок, вариабельности, обусловленной особенностями считывания D-сегмента и подсоединения J-сегмента; по-видимому, они превышают сотни миллионов (табл. 44).
Хотя перестройка генов иммуноглобулинов и TCR может в принципе происходить независимо в обеих гомологичных хромосомах, реально экспрессируются гены только одной из них, так как завершение перестройки гена конкретной цепи в одной хромосоме приводит к прекращению экспрессии генов RAG-1 и RAG-2. Это обеспечивает аллельное исключение в отношении V-генов (т.е. невозможность одновременной экспрессии в одной клетке молекул иммуноглобулинов или TCR с разной специфичностью). На сходных принципах основывается аллельное исключение в отношении С-генов иммуноглобулинов. Оно проявляется в невозможности экспрессии одной клеткой молекул иммуноглобулинов разных классов (кроме ситуации с коэкспрессией IgM и IgD). На таких же принципах базируется запрет на одновременную экспрессию TCR αβ- и γδ-типов. При построении TCR аллельное исключение строго соблюдается в отношении β-цепи и значительно слабее — в отношении а- и γ- цепей.

Аллельное исключение достигается определенной последовательностью событий перестройки генов иммуноглобулинов и TCR. Она начинается по сближении J- и D-сегментов в генах Н-, у- и β-цепей обеих хромосом, после чего образуются перестроенные гены VJD или VJ в одной из хромосом. Если этот процесс завершился успешно (не возникло помех для считывания), аналогичный процесс в другой хромосоме блокируется. Если же перестройка произошла неудачно, такой процесс осуществляется во второй хромосоме и заканчивается удачно (тогда происходят подключение С-генов и транскрипция мРНК) или неудачно (в этом случае клетка, как правило, гибнет). Затем по той же схеме происходит перестройка α-генов.
В В-лимфоцитах описанный процесс сначала осуществляется в генах Н-цепей. Вслед за этим происходит перестройка генов L-цепей. Вначале она затрагивает гены κ-цепи и осуществляется сначала в одной хромосоме. Удачная перестройка приводит к блоку аналогичных процессов в другой хромосоме и в кластере генов λ-цепей. В случае неудачи перестройки k-генов в обеих хромосомах аналогичным образом осуществляется перестройка генов λ-цепей.
В принципе аналогично происходит выбор типа рецептора в Т-клетках. Перестройки генов у- и β-цепей начинаются в одной из хромосом почти одновременно. Запрет или разрешение на перестройку генов в другой хромосоме осуществляется в принципе так же, как для генов иммуноглобулинов. Более специфичны закономерности выбора между перестройкой одной из пар генетических кластеров — γδ или αβ. Нередко в одной и той же клетке параллельно перестраиваются гены полипептидных цепей, входящих в состав TCR αβ- и γδ-типов. В этом случае выбор определяется на уровне регуляторных участков этих генов. Установлено, что активация ингибирующего участка (сайленсера) гена γ-цепи обусловливает выбор клеткой TCR αβ-типа. Противоположный выбор осуществляется при связывании сайленсера α-гена.
Существует 3 типа антигенраспознающих молекул — иммуноглобулины, димеры αβ и γδ Т-клеточных рецепторов (TCR). Иммуноглобулины составляют основу В-клеточных рецепторов (BCR), а в секретируемой форме представляют собой антитела. В состав иммуноглобулинов входит по две или более тяжелые и легкие цепи. Их структурными единицами являются домены (относительно автономные участки цепей). Наружные (от мембраны клетки) домены (V-домены) отличаются очень высокой вариабельностью. Комбинация V-доменов тяжелых и легких цепей формируют антигенсвязывающий участок. Остальные домены (С-домены) имеют постоянную аминокислотную последовательность. В них содержатся участки, распознаваемые тканевыми Fc-рецепторами. Свойства С-доменов тяжелых цепей обусловливает принадлежность молекулы к изотипам — IgM, IgD, IgG, IgA, IgE. В составе BCR «наивных» В-клеток содержатся IgM и IgD. IgG представляет собой основной изотип антител при иммунном ответе (особенно вторичном), IgA- антитела преобладают в слизистых оболочках, IgE-антитела обеспечивают защиту от паразитов и являются аллергическими  антителами, строение димеров αβ и γδ TCR аналогично структуре иммуноглобулинов. Они также содержат V- и С-домены, из которых первые участвуют в формировании антигенраспознающего участка. Кроме рассмотренных молекул, в состав рецепторов лимфоцитов входят дополнительные молекулы, участвующие в передаче сигнала о связывании антигена внутрь клетки. В BCR это димеры CD79, в TCR — комплекс CD3. Разнообразие распознающих структур лишь в малой степени обусловлено множественностью V-генов и комбинацией V-доменов полипептидных цепей, которые формируют связывающий участок. В наибольшей степени это разнообразие обусловлено процессом перестройки V-генов, которая происходит на определенных этапах развития лимфоцитов и сопряжена с удалением части генетического материала, случайными стыковками сохранившихся фрагментов, достройкой новых фрагментов ДНК. Достигаемое разнообразие антигенраспознающих структур обеспечивает возможность распознавания практически любых конфигураций молекул.



 
« Основы иммунологии   Основы педиатрии »