V-область каждой L-цепи кодируется двумя генными сегментами

То, что V-области кодируются более чем одним генным сегментом, установлено в 1978 г., когда был закончен первый анализ нуклеотидной последовательности одного из генов иммуноглобулинов-гена V_λ, выделенного из эмбриона мыши. Вместо того чтобы кодировать все 110 аминокислот V_λ-области, ген V_λ кодировал только 97 N-концевых аминокислот. Оказалось, что оставшиеся 13 аминокислот этой области кодируются отдельным сегментом ДНК, расположенным на сотни тысяч нуклеотидов дальше и получившим название соединительного или J_λ-сегмента (не путать с боковой J-цепью, которая кодируется в другой части генома). J_λ-сегмент всегда примыкает к С_λ,-гену, от которого он отделен интроном. В ходе развития В-клетки V_λ-ген (который мы будем далее называть V_λ-сегментом), поскольку он кодирует лишь часть V_λ-области полипептидной цепи, транслоцируется таким образом, что оказывается рядом с J_λ-сегментом, так что в ДНК получается последовательность V_λ-J_λ-интрон-С_λ. Эта последовательность транскрибируется в молекулы РНК, из которых интроны после удаляются, так что после сплайсинга образуются молекулы мРНК с примыкающими друг к другу последовательностями V, J и С. Именно эти молекулы мРНК транслируются в полипептиды легких цепей.

Впоследствии было установлено, что у мышей имеется несколько разных J-сегментов в каждом пуле генов для иммуноглобулинов: по одному ассоции­ровано с каждым С-геном в генном пуле λ-цепей и по четыре – в генных пулах х- и Н-цепей (каждый С-ген отделен от соседнего с ним J-сегмента интроном). В период развития В-клеток в генных пулах х- и Н-цепей любой V-сегмент может объединиться с любым J-сегментом, что увеличивает в четыре раза число V-областей, которые эти пулы могут производить. Кроме того, суще­ствуют некоторые различия в точном месте соединения V-J, и это приводит к еще большему разнообразию аминокислотных последовательностей. Суще­ственно то, что сайт соединения V-J кодирует часть третьей гипервариабель­ной области легкой цепи.

После соединения V и J все «лишние» J-сегменты «ниже» присоединенного J-сегмента транскрибируются, а затем их последовательности, так же как и последовательности интронов, вырезаются из РНК-транскрипта (рис. 6). Появляется все больше данных в пользу того, что соединение тех или иных V- и J-сегментов ДНК в процессе развития В-лимфоцитов сопрово­ждается элиминацией всей лежащей между ними ДНК (см. рис. 6). Кон­кретный механизм соединения сегментов, которые могут быть удалены друг от друга на сотни тысяч нуклеотидов, остается загадкой. Однако обнаружены специфические, весьма консервативные последовательности ДНК, примыкаю­щие «снизу» к V-сегментам и «сверху» к J-сегментам.

Рисунок 6. Процесс соединения V-J, с которым связано образование х-легкой цепи у мыши.

Предполагается, что они могут служить сайтами узнавания для ферментов сайт-специфической комбинации ДНК (рис. 7), но такого рода ферменты пока не идентифированы.

V -область каждой Н-цепи кодируют три генных сегмента

Сборка гена, кодирующего вариабельную область тяжелой (Vh) цепи процесс еще более сложный, чем сборка гена вариабельной легкой цепи (Vl). Здесь тоже участвует J-сегмент, однако в дополнение к нему некоторые аминокислоты третьего гипервариабельного участка V-области кодируются еще одним генным сегментом, получившим название D-сегмента (diversity gene segment). Число различных D-сегментов неизвестно, но у мыши их не менее десятка. В результате серии сайт-специфических перекомбинаций D-сегмент соединяется с каким-либо из Vн или с каким-либо из Jн-сегментов, что приводит к созданию функционального Vн-гена. Существование отдельных D-сегментов еще по меньшей мере в 10 раз увеличивает число различных Vн-областей, которые могут образоваться у мыши.

Рисунок 7. Схема, иллюстрирую­щая возможную роль специфичес­ких последовательностей ДНК (показаны цветными), располо­женных «ниже» V-сегмента и «вы­ше» J-сегмента, в соединении V-J. Взаимодействие между этими по­следовательностями, вероятно, происходит при участии сайт-спе­цифической рекомбинационной системы, катализирующей разрыв и воссоединение двойных спира­лей ДНК в области этих последо­вательностей.

Разнообразие антител увеличивается благодаря соматической рекомбинации, соединению легких и тяжелых цепей в различных сочетаниях и возникновению соматических мутаций. В процессе эволюции иммунной системы выработался целый ряд различных механизмов, приводящих к большому разнообразию антиген-связывающих участков антител. Только часть из этих механизмов связана с описан выше соматическими перестройками ДНК в ходе развития В-лимфоцитов. Эксперименты по подсчету числа генов с использованием метода гибридизации ДНК показывают, что в геноме мыши, видимо, содержится несколько сотен V_х-сегментов, сходное число Vн-сегментов и два V_λ-сегмента. Из этого можно вычислить, что путем комбинированы личных унаследованных V-, D- и J-сегментов у мыши может образоваться по меньшей мере 10000 разных Vн-областей и 1000 разных V_L-областей.

Один простой, но весьма важный механизм, сильно увеличивающий разнообразие антител, состоит в комбинировании различных L- и Н-цепей. Поскольку в антиген-связывающий участок антитела вносят вклад как L-, так и Н-цепи, у животного с 1000 генов, кодирующих Vl-o6ласти, и с 10000 генов, кодирующих Vн-области, продукты этих генов могли бы образовать 1000 х 1000 различных комбинаций, т.е. 10⁷ разных антиген-связывающих участков, если предположить, что при этом любая L-цепь может сочетаться с любой Н-цепью.

Недавно было показано, что в генах V-области и поблизости от них происходят соматические мутации; вероятно, это увеличивает число разных антител по крайней мере в 10-100 раз. Механизмы, благодаря которым мутации возникают именно здесь, неизвестны. Однако было обнаружено, что мутации встречаются гораздо чаще в антителах IgG и IgA, чем в кодируемых Vн-геном антителах IgM. Это, пожалуй, неудивительно, так как молекулы IgM вырабатываются на ранних стадиях иммунного ответа, a IgG и IgА появляются относительно поздно. Поэтому В-клетки, переключившиеся на IgG или IgA, как правило, претерпели большее число делений, чем В-клетки, продолжающие вырабатывать IgM, и поэтому, скорее всего, накопили больше мутаций. С другой стороны, может существовать механизм, повышающий частоту мутирования V-генов после того, как произойдет переключение с IgM на иммуноглобулины других классов. Как бы было, изменение антиген-связывающих участков в результате соматических мутаций может вести к тому, что антиген будет особенно эффективно вызы­вать пролиферацию тех В-клеток, у которых измененные антитела приобрели высокое сродство к антигену; возможно, что именно этим (по крайней мере отча­сти) объясняется повышение сродства антител, наблюдаемое после иммуниза­ции (созревание сродства). Таким образом, соматические мутации могут не только увеличивать разнообразие антител, но и служить для тонкой под­стройки антител при иммунном ответе.