Informatie

15.4F: Antigeenreceptordiversiteit - Biologie


Het menselijk genoom bevat momenteel naar schatting 20-25 duizend genen. Het aantal T-celreceptoren voor antigeen (TCRs) die we maken wordt geschat op 2,5 x 107; het aantal verschillende soorten antilichaammoleculen (BHGs) is waarschijnlijk ongeveer hetzelfde.

Hoe kan 2,5 x 104 genen coderen voor 2,5 x 107 verschillende TCR's en hetzelfde aantal verschillende BCR's?

Het antwoord: elke receptorketen

  • zwaar (H) plus kappa (κ) of lambda (λ) ketens voor BCR's;
  • alfa (α) en bèta (β) of gamma (γ) en delta (δ) kettingen voor TCR's)

wordt gecodeerd door verschillende gensegmenten. Het genoom bevat een pool van gensegmenten voor elk type keten. Willekeurig assortiment van deze segmenten levert de grootste bijdrage aan receptordiversiteit.

B-cellen

Gebruik van gensegmenten voor BCR's

Voor de zwaar (H) kettingen van BCR's (antilichamen), zijn de gensegmenten:

  • 51 VH segmenten. Elk van deze codeert voor het grootste deel van het N-uiteinde van het antilichaam, inclusief de eerste twee (maar niet de derde) hypervariabele of complementariteitsbepalende regio (CDR).
  • 27 NSH (= "diversiteit") gensegmenten. Deze coderen een deel van de derde CDR ("CDR3").
  • 6 JH (= "verbinden") gensegmenten. Deze coderen voor de rest van het V-gebied van de BCR (inclusief de rest van CDR3).
  • 9 CH gen segmenten. Deze coderen voor het C-gebied van de BCR (en het daarvan afgeleide antilichaam). De C-gensegmenten zijn:
    • 1 mu (µ); codeert voor het C-gebied van IgM
    • 1 delta (δ) voor IgD
    • 4 gamma (γ) gensegmenten voor de vier soorten IgG
    • 1 epsilon (ε) voor IgE
    • 2 alfa (α) gensegmenten voor de twee soorten IgA

Al deze gensegmenten zijn geclusterd in een complexe locus op chromosoom 14. Tijdens de differentiatie van de B-cel (en lang voor elke ontmoeting met een antigeen), wordt het DNA in deze locus geknipt en opnieuw gecombineerd om een ​​intact gen voor de zware keten te maken. Dit gen kan dan getranscribeerd naar binnen pre-mRNA, dat vervolgens wordt verwerkt om het mRNA te vormen dat vertaald in de zware (H)-polypeptideketen.

V(D)J Deelnemen

  • Elk gensegment (V, D en J) heeft een aangrenzende Recombinatie signaalvolgorde (RSS)
    • aan het 3'-uiteinde van elk V-segment
    • aan beide uiteinden van elk D-segment
    • aan het 3'-uiteinde van elk J-segment
  • Deze worden herkend door twee eiwitten die worden gecodeerd door twee Recocombinatie EENmotiverend Genes
    • RAG-1
    • RAG-2
  • De RAG-1- en RAG-2-eiwitten knippen door beide DNA-strengen op de RSS en vormen dubbelstrengige breuken (DSB's).
  • Dan is de reguliere machine voor het repareren van DSB's (by niet-homologe end-joining) komt in actie.
  • De afgesneden uiteinden worden aan elkaar genaaid (afgebonden) om te vormen:
    • een codeerverbinding (DJ of V-DJ voor zware ketens; VJ voor lichte ketens)
    • een signaalverbinding (meestal een lus van DNA die al het tussenliggende DNA verwijdert dat aanvankelijk aanwezig was tussen de 2 gekozen gensegmenten).
  • D-J-toevoeging vindt als eerste plaats; vervolgens wordt het gecombineerde DJ-segment (nog steeds vastgemaakt aan het cluster van gensegmenten in de constante regio) samengevoegd tot een V-segment (zoals weergegeven in de afbeelding).
  • Het gekozen V-gensegment kan duizenden basenparen verwijderd zijn van het D-J-segment, dus het chromosoom moet in een lus worden getrokken om de twee bij elkaar te brengen. De lus wordt gestabiliseerd door:
    • een eiwit aangewezen CTCF ("CCCTC-bindingsfactor"; genoemd naar de nucleotidesequentie waaraan het bindt). De CTCF op de D-J-plaats op het DNA vormt een dimeer met de CTCF op de V-plaats op het DNA dat de twee regio's aan elkaar bindt.
    • samenhangend - hetzelfde eiwitcomplex dat zusterchromatiden bij elkaar houdt tijdens mitose en meiose.
  • Daarbij beweegt het cluster van gensegmenten van de periferie van de kern (een gebied van inactieve genen) naar het centrum van de kern (een gebied van actieve gentranscriptie).

SCID

Sommige gevallen van ernstige gecombineerde immunodeficiëntie in mensen (SCID) worden veroorzaakt door defecten in de V(D)J-verbinding.

  • Eén versie wordt veroorzaakt door mutaties in beide exemplaren van een van beide RAG1 of RAG2.
  • Een andere wordt veroorzaakt door mutaties in een gen dat nodig is voor niet-homologe end-joining. (Er wordt geen codeervoeg gevormd, ook al vormt zich normaal een signaalvoeg.)

Als de 51 VH, 27 NSH, en 6 JH gensegmenten werden willekeurig samengesteld (waarschijnlijk niet), dat zou een minimum van 8,3 x 10 . opleveren3 verschillende mogelijke combinaties. Maar de mogelijkheden van antilichaam-V-regiodiversiteit blijken groter dan dat. Het recombinatieproces is niet precies.

  • De exacte punten van splitsing tussen VH en DH en tussen DH en JHkan variëren over meerdere nucleotiden
  • Extra nucleotiden, genaamd N regio's, kunnen ook bij deze gewrichten worden ingebracht.
  • Al deze dragen enorm bij aan de diversiteit van CDR3.

Lichte kettingen

Zodra het H-ketengen is geassembleerd, getranscribeerd en vertaald, kan de resulterende H-keten paren met een L-keten die zelf het product is van een soortgelijk recombinatieproces dat plaatsvindt

  • Aan chromosoom 2 voor kappa gensegmenten
  • Aan chromosoom 22 voor lambda gensegmenten
Antilichamen (BCR's)GensegmentenCombinaties
V40
5200 κ kettingen
V31
4124 "kettingen"
VH51
NSH25
JH67.650 H-kettingen
Elke H-ketting met elke L-ketting (324)2,5 x 106

Zoals de tabel laat zien, wordt hiermee de basis gelegd voor een potentieel B-celrepertoire van 2,5 x 106 verschillende antilichaam V-regio's. Maar het werkelijke aantal is waarschijnlijk vrijwel onbeperkt vanwege de variatie in het exacte splitsingspunt en de introductie van N-nucleotiden die beide de diversiteit van CDR3 vergroten.

Diversiteit heeft een prijs

De combinatie van V-, D- en J-gensegmenten gekoppeld aan de willekeurige inbouw van extra nucleotiden (N-regio's) in de gewrichten, creëert een enorme coderingsvariabiliteit. Het creëert ook een hoog risico (twee van de drie keer) om een ​​frameshift te introduceren, zodat de codons voor de rest van het V-gebied voor onzin coderen. Hoewel veel B-cellen worden verspild, zijn de kansen niet zo slecht als ze lijken. Als de B-cel er niet in slaagt een functioneel product te maken van de cluster van gensegmenten op een van zijn chromosomen, kan hij zich wenden tot de gensegmenten op zijn homoloog en het opnieuw proberen. Als het beide keren niet lukt om een ​​functionele kappa L-keten te maken, heeft het nog steeds twee pogingen om een ​​functionele lambda L-keten te maken.

Somatische hypermutatie (SHM) en diversiteit van antilichamen

De hierboven beschreven diversificatiemechanismen vinden plaats voordat de B-cel ontmoet antigeen. Na een B-cel antigeen ontmoet, kan het mitose beginnen, uitgroeien tot een kloon van cellen die dezelfde BCR synthetiseren (en uiteindelijk antilichamen afscheiden met dezelfde bindingsplaats). Terwijl dit aan de gang is, kunnen puntmutaties optreden. Sommige hiervan kunnen een bindingsplaats genereren met: verhoogde affiniteit voor zijn epitoop. Dit zijn gunstige mutaties, en de "subkloon" waarin ze voorkomen heeft de neiging de voorkeur te genieten en kan de voorouderlijke kloon vervangen. Het resultaat is affiniteitsrijping — de productie van antilichamen met een steeds grotere affiniteit voor het antigeen.

Class Switch Recombinatie (CSR)

Als B-cellen in reactie op antigeen uitgroeien tot een kloon, kunnen ze hun DNA opnieuw rangschikken. Een B-cel die bijvoorbeeld een compleet gen voor de H-keten van IgM (µ) heeft geassembleerd, kan het gen aan de 3'-kant van de geassembleerde V-regiosegmenten knippen en de assemblage verplaatsen naar de 5'-kant van een andere van het is CH gen segmenten. Nu begint de cel een andere klasse antilichaam te maken, zoals IgG of IgA. Maar de antigeenspecificiteit van het antilichaam blijft hetzelfde omdat het N-uiteinde van de H-keten onveranderd blijft (net als de hele L-keten).

Door klasse-switch recombinatie kan het lichaam antilichamen produceren met verschillende effector functies; dat wil zeggen, verschillende manieren om met hetzelfde antigeen om te gaan. Het vermogen van een B-cel om C . te schakelenH gensegmenten is afhankelijk van het ontvangen van hulp van helper-T-cellen.

Alfa/bèta (αβ) T-cellen

De meest voorkomende T-cellen in de bloed een receptor voor antigeen tot expressie brengen (TCR) dat is een heterodimeer van twee ketens aangeduid als alfa (α) en bèta (β). Elk van deze wordt gecodeerd door een gen dat is samengesteld uit V-, D-, J- en C-gensegmenten. Net als BCR's zijn er meerdere varianten van deze gensegmenten die in clusters zijn gerangschikt:

  • alfa ketengensegmenten op chromosoom 14
  • bèta ketengensegmenten op chromosoom 7
T-celreceptoren (TCR's)GensegmentenCombinaties
V50
502,5 x 103 alfaketens
V20
13
D2520 bètaketens
Elke alfa met elke bètaketen1,3 x 106

En net als B-cellen komt de grootste diversiteit in de receptoren van αβ T-cellen voor in het derde complementariteitsbepalende gebied (CDR3) van de alfa- en bètaketens vanwege de junctionele diversiteit tussen de V-, J- en D-segmenten en de toevoeging van N-regio nucleotiden. T-cellen lijken echter geen somatische mutatie te gebruiken om de receptordiversiteit te vergroten. Werkelijke metingen van het repertoire bij mensen onthullen een getal van ongeveer 2,5 x 107.

Gamma/delta (γδ) T-cellen

Het TCR-repertoire van γδ-T-cellen lijkt veel kleiner dan dat van hun αβ-neven. De gensegmenten van de gamma-keten zijn geclusterd op chromosoom 7. De gensegmenten van de delta-keten zijn geclusterd op chromosoom 14 (binnen het cluster van de alfa-keten).