Лимфоциттердегі антидене әртүрлілігін құру механизмі
V(D)J recombination
Адаптивті иммунитетте V(D)J рекомбинациясы антиденелер мен Т-жасуша рецепторларының әртүрлілігін қамтамасыз етеді. Бұл процестің қалай жүретінін біліңіз!
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Адаптациялық иммунитетте әртүрлілік тудыру процесі
Adaptive immunity variety generation process
V(D)J рекомбинациясы (өзгермелі-әртүрлілік-қосылу реттелуі) – Т және В жасушаларының жетілуінің бастапқы кезеңдерінде лимфоциттердің дамуы кезінде ғана болатын соматикалық рекомбинация механизмі. Оның нәтижесінде В және Т жасушаларында кездесетін антиденелер/иммуноглобулиндер және Т жасуша рецепторларының (ТЖР) өте кең түрлі репертуары қалыптасады. Бұл процесс адаптивті иммундық жүйенің ерекше белгісі болып табылады. Сүтқоректілерде V(D)J рекомбинациясы негізгі лимфоидты органдарда (В жасушалары үшін сүйек миы, ал Т жасушалары үшін тимус) жүзеге асады және шамамен кездейсоқ түрде өзгермелі (V), қосылу (J) және кейбір жағдайларда әртүрлілік (D) ген сегменттерін қайта құрайды. Бұл процесс иммуноглобулиндер мен ТЖР-лардың антиген байланысатын аймақтарында жаңа аминқышқылдық тізбектердің пайда болуына әкеледі, бұл бактериялар, вирустар, паразиттер, құрттар және қатерлі ісіктерде кездесетін "өзгерген жасушалар" сияқты дерлік барлық патогендерден антигендерді тануға мүмкіндік береді. Тану аллергиялық сипатта болуы мүмкін (мысалы, тозаңға немесе басқа аллергендерге) немесе организм тіндерімен сәйкес келіп, аутоиммундық ауруға алып келуі мүмкін. 1987 жылы Сусуму Тонегава "антиденелердің әртүрлілігін қалыптастырудың генетикалық қағидасын ашқаны үшін" физиология және медицина саласындағы Нобель сыйлығымен марапатталды.
V(D)J recombination (variable–diversity–joining rearrangement) is the mechanism of somatic recombination that occurs only in developing lymphocytes during the early stages of T and B cell maturation. It results in the highly diverse repertoire of antibodies/immunoglobulins and T cell receptors (TCRs) found in B cells and T cells, respectively. The process is a defining feature of the adaptive immune system. V(D)J recombination in mammals occurs in the primary lymphoid organs (bone marrow for B cells and thymus for T cells) and in a nearly random fashion rearranges variable (V), joining (J), and in some cases, diversity (D) gene segments. The process ultimately results in novel amino acid sequences in the antigen binding regions of immunoglobulins and TCRs that allow for the recognition of antigens from nearly all pathogens including bacteria, viruses, parasites, and worms as well as "altered self cells" as seen in cancer. The recognition can also be allergic in nature (e. g. to pollen or other allergens) or may match host tissues and lead to autoimmunity. In 1987, Susumu Tonegawa was awarded the Nobel Prize in Physiology or Medicine "for his discovery of the genetic principle for generation of antibody diversity".
Ауыр тізбек
Дамушы В клеткасындағы алғашқы рекомбинация оқиғасы ауыр тізбек локусының бір D және бір J ген сегменті арасында жүзеге асады. Осы екі ген сегментінің арасындағы барлық ДНК жойылады. Бұл D-J рекомбинациясынан кейін, жаңадан құрылған D-J кешенінен жоғары орналасқан аймақтан бір V ген сегменті қосылып, қайта құрылған V-D-J ген сегменті пайда болады. V және D сегменттерінің арасындағы барлық басқа ген сегменттері жасушаның геномынан жойылады. Бастапқы транскрипт (тізімделмеген РНК) ауыр тізбектің V-D-J аймағын және тұрақты mu және дельта тізбектерін (Cμ және Cδ) қамтиды. (яғни бастапқы транскриптте мына сегменттер бар: V D J Cμ Cδ). Бастапқы РНК Cμ тізбегінен кейін полиаденилденген (поли А) құйрық қосу арқылы және V-D-J сегменті мен осы тұрақты ген сегменті арасындағы тізбекті жою арқылы өңделеді. Бұл мРНК-ның трансляциясы IgM ауыр тізбегінің ақуызын өндіруге алып келеді.
In the developing B cell, the first recombination event to occur is between one D and one J gene segment of the heavy chain locus. Any DNA between these two gene segments is deleted. This D J recombination is followed by the joining of one V gene segment, from a region upstream of the newly formed DJ complex, forming a rearranged VDJ gene segment. All other gene segments between V and D segments are now deleted from the cell's genome. Primary transcript (unspliced RNA) is generated containing the VDJ region of the heavy chain and both the constant mu and delta chains (Cμ and Cδ). (i. e. the primary transcript contains the segments: V D J Cμ Cδ). The primary RNA is processed to add a polyadenylated (poly A) tail after the Cμ chain and to remove sequence between the VDJ segment and this constant gene segment. Translation of this mRNA leads to the production of the IgM heavy chain protein.
Жеңіл тізбек
Иммуноглобулиннің жеңіл тізбекті локустарының каппа (κ) және ламбда (λ) тізбектері өте ұқсас түрде қайта құрылымдалады, бірақ жеңіл тізбектерде D сегменті болмайды. Яғни, жеңіл тізбектер үшін рекомбинацияның алғашқы қадамы V және J тізбектерін қосып, VJ кешенін жасаудан тұрады, содан кейін бастапқы транскрипция кезінде тұрақты тізбек гені қосылады. Қаппа немесе ламбда тізбегі үшін тігілген мРНК-ның аудармасы Ig κ немесе Ig λ жеңіл тізбегінің ақуызын құрайды. Ig μ ауыр тізбегі мен жеңіл тізбектердің біреуінің бірігуі нәтижесінде иммуноглобулин IgM-нің мембранаға бекітілген түрі пайда болады, ол дамымаған В-жасушасының бетінде өрнектеледі.
The kappa (κ) and lambda (λ) chains of the immunoglobulin light chain loci rearrange in a very similar way, except that the light chains lack a D segment. In other words, the first step of recombination for the light chains involves the joining of the V and J chains to give a VJ complex before the addition of the constant chain gene during primary transcription. Translation of the spliced mRNA for either the kappa or lambda chains results in formation of the Ig κ or Ig λ light chain protein. Assembly of the Ig μ heavy chain and one of the light chains results in the formation of membrane bound form of the immunoglobulin IgM that is expressed on the surface of the immature B cell.
Т-клеткалар рецепторлары
Тимоциттердің даму кезінде Т-клетка рецепторларының (ТКР) тізбектері иммуноглобулиндер үшін сипатталған реттелген рекомбинация оқиғаларының шамамен бірдей реттілігінен өтеді. D-J рекомбинациясы ТКР-дің β-тізбегінде бірінші болып жүзеге асады. Бұл процесте Dβ1 ген сегментінің алты Jβ1 сегментінің бірімен немесе Dβ2 ген сегментінің алты Jβ2 сегментінің бірімен қосылуы мүмкін. Бұл процеске қатысатын тағы бірнеше фермент белгілі, оларға ДНК-ға тәуелді протеинкиназа (ДНК PK), рентгендік сәулеленумен зақымдануды жөндеуге көмектесетін 4 протеіні (XRCC4), ДНҚ лигаза IV, гомолог емес ұштарды біріктіретін фактор 1 (NHEJ1; сонымен қатар Цернуннос немесе XRCC4-қа ұқсас фактор [XLF] деп те аталады), жақында ашылған XRCC4 және XLF паралогы (PAXX) және λ және μ ДНК полимеразалары жатады. Кейбір ферменттер лимфоциттерге тән (мысалы, RAG, TdT), ал басқалары басқа клетка түрлерінде және тіпті кеңінен таралған (мысалы, NHEJ компоненттері). Рекомбинацияның ерекшелігін сақтау үшін V(D)J рекомбиназасы өзгермелі (V), әртүрлілік (D) және қосылыс (J) гендер сегменттерін қаптаған рекомбинациялық сигнал тізбектерін (RSS) таниды және байланыстырады. RSS үш элементтен тұрады: жеті сақталған нуклеотидтің гептамері, 12 немесе 23 негіз жұбынан тұратын аралық аймақ және тоғыз сақталған нуклеотидтің нонамері. RSS-тің көпшілігі тізбегі бойынша әр түрлі болғанымен, консенсус гептамер және нонамер тізбектері CACAGTG және ACAAAAACC болып табылады; аралық аймақтың тізбегі нашар сақталса да, ұзындығы жоғары сақталады. Аралық аймақтың ұзындығы ДНК спиралінің шамамен бір (12 негіз жұбы) немесе екі толымды айналымына (23 негіз жұбы) сәйкес келеді. 12/23 ережесі деп аталатын нәрсеге сәйкес, рекомбинацияланатын ген сегменттері әдетте әртүрлі аралық ұзындығы бар RSS-ке жақын орналасқан (яғни, біреуінде "12RSS", ал екіншісінде "23RSS") болады. Бұл V(D)J рекомбинациясын реттеудегі маңызды ерекшелік.
During thymocyte development, the T cell receptor (TCR) chains undergo essentially the same sequence of ordered recombination events as that described for immunoglobulins. D to J recombination occurs first in the β chain of the TCR. This process can involve either the joining of the Dβ1 gene segment to one of six Jβ1 segments or the joining of the Dβ2 gene segment to one of six Jβ2 segments. Several other enzymes are known to be involved in the process and include DNA dependent protein kinase (DNA PK), X ray repair cross complementing protein 4 (XRCC4), DNA ligase IV, non homologous end joining factor 1 (NHEJ1; also known as Cernunnos or XRCC4 like factor [XLF]), the recently discovered Paralog of XRCC4 and XLF (PAXX), and DNA polymerases λ and μ. Some enzymes involved are specific to lymphocytes (e. g., RAG, TdT), while others are found in other cell types and even ubiquitously (e. g., NHEJ components). To maintain the specificity of recombination, V(D)J recombinase recognizes and binds to recombination signal sequences (RSSs) flanking the variable (V), diversity (D), and joining (J) genes segments. RSSs are composed of three elements: a heptamer of seven conserved nucleotides, a spacer region of 12 or 23 basepairs in length, and a nonamer of nine conserved nucleotides. While the majority of RSSs vary in sequence, the consensus heptamer and nonamer sequences are CACAGTG and ACAAAAACC, respectively; and although the sequence of the spacer region is poorly conserved, the length is highly conserved. The length of the spacer region corresponds to approximately one (12 basepairs) or two turns (23 basepairs) of the DNA helix. Following what is known as the 12/23 Rule, gene segments to be recombined are usually adjacent to RSSs of different spacer lengths (i. e., one has a "12RSS" and one has a "23RSS"). This is an important feature in the regulation of V(D)J recombination.
Процесс
V(D)J рекомбинациясы V(D)J рекомбиназасы (RAG1 белсенділігі арқылы) кодтаушы ген сегментін (V, D немесе J) қоршап тұрған RSS-ті байлағанда және RSS-тің бірінші негізі (гептамерден бұрын) мен кодтаушы сегментінің арасында ДНК-да бір жіптік тырнақ пайда болған кезде басталады. Бұл энергия жағынан бейтарап (АТФ гидролизі қажет емес) және бір жіпте еркін 3' гидроксилдік топ пен 5' фосфаттық топтың пайда болуына әкеледі. Реактивті гидроксил тобы рекомбиназа арқылы қарама-қарсы жіптің фосфодиэстерлік байланысына шабуыл жасайды, екі ДНК ұшын құрайды: кодтау сегментіндегі шаштық (ағаш бұрышы) және сигнал сегментіндегі сопақ ұшы. Қазіргі модель бойынша, ДНК-ның кесу және шаштық тігіс түзілуі екі жіпте де бір мезгілде (немесе шамамен бір мезгілде) рекомбинациялық орталық деп аталатын кешенде жүреді. Сигналдың түймелі ұштары бір-бірімен тігіліп, циркулярлық ДНК бөлігін құрайды, онда кодтау сегменттері арасындағы барлық аралық тізбектер бар, ол сигнал буыны деп аталады (табиғаты бойынша циркулярлық болса да, оны плазмидпен шатастыруға болмайды). Алғашында олар клетканың бірінен соң бірі бөліну кезінде жоғалады деп ойланса да, сигнал буындары геномға қайта кіріп, онкогендерді белсендіре отырып немесе ісікті басушы геннің қызметін үзіп, патологияларға әкелуі мүмкін екендігі туралы деректер бар. Кодтау ұштары олардың байлануына дейін бірнеше оқиғалар арқылы одан әрі өңделеді, бұл ақыр соңында түйіспелік әртүрлілікке әкеледі. Өңдеу ДНК ПК әр бір сынған ДНК ұшына байласып, Артемида, XRCC4, ДНҚ лигаза IV, Чернуннос және бірнеше ДНҚ полимеразалар сияқты бірнеше басқа белоктарды жалдаған кезде басталады. ДНК- ПК кешенін құрайды, ол оның автофосфорилирленуіне әкеледі, нәтижесінде Артемида белсендіріледі. Кодтау аяғындағы шаштықтарды Артемиданың әрекеті ашады. Егер олар ортада ашылса, ДНК-ның сопақ ұшы пайда болады; алайда көптеген жағдайларда ашылу "ортадан тыс" болады және бір жіпте қалған қосымша негіздерге (астырма) әкеледі. Бұл ДНК-ны жөндеу ферменттері үстіртіні жойғанда пайда болатын тізбектің палиндромдық сипатына байланысты палиндромдық (P) нуклеотидтер деп аталады. Артемиданың шашты бұрауының ашылу процесі V(D)J рекомбинациясының маңызды кезеңі болып табылады және ауыр комбинациялық иммунодефицит (scid) тышқан үлгісінде ақаулы. Бұдан кейін XRCC4, Cernunnos және DNA PK ДНК ұштарын тегістеп, кодтаушы ұшындағы шаблонсыз (N) нуклеотидтерді қосатын шаблоннан тәуелсіз ДНК полимеразасы - терминалды дезоксинуклеотидил трансферазасын (TdT) жалдайды. Қосу көбінесе кездейсоқ, бірақ TdT G/C нуклеотидтеріне артықшылық көрсетеді. Барлық белгілі ДНК полимеразалар сияқты, TdT 5'-ден 3'-ге дейінгі бағытта бір тізбекке нуклеотидтерді қосады. Соңында экзонуклеазалар кодтаушы ұштарының негіздерін (оның ішінде кез келген P немесе N нуклеотидтерін) алып тастай алады. λ және μ ДНК полимеразалары содан кейін екі ұшты біріктіруге үйлесімді ету үшін қажеттілік бойынша қосымша нуклеотидтерді енгізеді. Бұл стохастикалық процесс, сондықтан P және N нуклеотидтерін қосу мен экзонуклеолитикалық алып тастаудың кез келген комбинациясы болуы мүмкін (немесе мүлдем болмауы мүмкін). Соңында, өңделген кодтау ұштарын ДНК лигаза IV біріктіреді. Осы процестердің барлығы бір ген сегменттері қайта қосылғанда да өте өзгермелі паратопқа әкеледі. V(D)J рекомбинациясы иммуноглобулиндер мен Т- клеткаларының антигендерге рецепторларын құруға мүмкіндік береді, олар бұрын ағзаға немесе оның ата-бабаларына кездеспеуі керек, бұл жаңа патогендерге немесе жиі өзгеріп отыратын (мысалы, маусымдық тұмау) жаңа патогендерге бейімделген иммундық жауапқа мүмкіндік береді. Алайда, бұл процеске қатысты басты ескерту - түпкілікті ақуыз өніміндегі амин қышқылдарының дәйектілігін сақтау үшін ДНК реті кадрда қалуы керек. Егер алынған ретілік кадрдан тыс болса, жасушаның дамуы тоқтап, жасуша жетілу деңгейіне жетпейді. V(D)J рекомбинациясы өте қымбат процесс болып табылады, оны қатаң реттеу және бақылау қажет (және қажет).
V(D)J recombination begins when V(D)J recombinase (through the activity of RAG1) binds a RSS flanking a coding gene segment (V, D, or J) and creates a single strand nick in the DNA between the first base of the RSS (just before the heptamer) and the coding segment. This is essentially energetically neutral (no need for ATP hydrolysis) and results in the formation of a free 3' hydroxyl group and a 5' phosphate group on the same strand. The reactive hydroxyl group is positioned by the recombinase to attack the phosphodiester bond of opposite strand, forming two DNA ends: a hairpin (stem loop) on the coding segment and a blunt end on the signal segment. The current model is that DNA nicking and hairpin formation occurs on both strands simultaneously (or nearly so) in a complex known as a recombination center. The blunt signal ends are flush ligated together to form a circular piece of DNA containing all of the intervening sequences between the coding segments known as a signal joint (although circular in nature, this is not to be confused with a plasmid). While originally thought to be lost during successive cell divisions, there is evidence that signal joints may re enter the genome and lead to pathologies by activating oncogenes or interrupting tumor suppressor gene function(s)[Ref]. The coding ends are processed further prior to their ligation by several events that ultimately lead to junctional diversity. Processing begins when DNA PK binds to each broken DNA end and recruits several other proteins including Artemis, XRCC4, DNA ligase IV, Cernunnos, and several DNA polymerases. DNA PK forms a complex that leads to its autophosphorylation, resulting in activation of Artemis. The coding end hairpins are opened by the activity of Artemis. If they are opened at the center, a blunt DNA end will result; however in many cases, the opening is "off center" and results in extra bases remaining on one strand (an overhang). These are known as palindromic (P) nucleotides due to the palindromic nature of the sequence produced when DNA repair enzymes resolve the overhang. The process of hairpin opening by Artemis is a crucial step of V(D)J recombination and is defective in the severe combined immunodeficiency (scid) mouse model. Next, XRCC4, Cernunnos, and DNA PK align the DNA ends and recruit terminal deoxynucleotidyl transferase (TdT), a template independent DNA polymerase that adds non templated (N) nucleotides to the coding end. The addition is mostly random, but TdT does exhibit a preference for G/C nucleotides. As with all known DNA polymerases, the TdT adds nucleotides to one strand in a 5' to 3' direction. Lastly, exonucleases can remove bases from the coding ends (including any P or N nucleotides that may have formed). DNA polymerases λ and μ then insert additional nucleotides as needed to make the two ends compatible for joining. This is a stochastic process, therefore any combination of the addition of P and N nucleotides and exonucleolytic removal can occur (or none at all). Finally, the processed coding ends are ligated together by DNA ligase IV. All of these processing events result in a paratope that is highly variable, even when the same gene segments are recombined. V(D)J recombination allows for the generation of immunoglobulins and T cell receptors to antigens that neither the organism nor its ancestor(s) need to have previously encountered, allowing for an adaptive immune response to novel pathogens that develop or to those that frequently change (e. g., seasonal influenza). However, a major caveat to this process is that the DNA sequence must remain in frame in order to maintain the correct amino acid sequence in the final protein product. If the resulting sequence is out of frame, the development of the cell will be arrested, and the cell will not survive to maturity. V(D)J recombination is therefore a very costly process that must be (and is) strictly regulated and controlled.