Эдвард Стил - Что, если Ламарк прав? Иммуногенетика и эволюция

Рис. 4.2. Толерантность к собственным антигенам не детерминирована генетически. Мелвин Кон и его коллеги Петер Бретчер и Род Лангман неоднократно подчеркивали этот ключевой момент. На рисунке показан результат эксперимента, поставленного природой (случайные скрещивания генетически различающихся индивидов). Поскольку взрослое потомство АВ не разрушает само себя аутоиммунной реакцией, это со всей очевидностью свидетельствует о том, что толерантность приобретается в ходе развития организма. Клонально-селекционная теория Макфарлейна Бернета объясняет, как это достигается путем дарвиновского отрицательного отбора в иммунной системе — уничтожением «запрещенных» клонов, направленных против собственных антигенов (рис. 4.1).

Очевидно, что индивид АВ на какой-то стадии своего развития должен «научиться» быть толерантным и к А-, и к В-антигенам. То есть, механизм аутотолерантности должен приобретаться «соматически». В начале 1950-х годов Питер Медавар и его коллеги экспериментально подтвердили эти теоретические предположения, впервые сформулированные Макфарлейном Бернетом и Фрэнком Феннером (Fenner) в 1949 г. Группа Медавара показала, что, если новорожденным мышам линии В ввести клетки линии А, они вырастают толерантными к трансплантатам кожи линии А. Таким образом, мышей линии В можно было соматически модифицировать так, что они приобретали способность не отторгать кожные трансплантаты линии А, которые в норме у взрослых отторгаются (рис. 4.3). Вернет и Медавар в 1960 г. получили Нобелевскую премию за открытие приобретенной иммунной толерантности.

Рис. 4.3. Эксперимент Питера Медавара по приобретенной неонатальной толерантности. Питер Медавар, Лесли Брент и Руперт Биллингем провели свои эксперименты в 1940-х-начале 1950-х годов. Результаты экспериментов согласуются с клонально-селекционной теорией Макфарлейна Бернета. Они показали, что введение в организм на ранних стадиях неонатально-го развития чужих клеток из костного мозга может индуцировать приобретенную иммунологическую толерантность. Введение на этих стадиях чужеродного антигена вызывает уничтожение клонов, направленных против чужих. В результате иммунная система начинает относиться к чужим тканям как к своим.

Итак, мы приходим к заключению, что необходимая для приобретения и иммунности, и толерантности соматически обучающаяся программа основана на ключевом взаимодействии (или связывании) антигенов с клонально экспрессирующи-мися поверхностными молекулами, распознающими антигены (антитела, ТкР). Это достигается в процессе дарвиновского отбора, действующего в популяции лимфоцитов. Это — основной принцип функционирования иммунной системы. Мы объясним в дальнейшем, что обратная связь между генами сомы и половых клеток дает логически последовательное объяснение всех уникальных молекулярно-генетических свойств иммунной системы. Но, прежде чем вести читателя дальше, мы должны потратить немного времени на описание деталей строения ДНК-последовательностей генов Ig и ТкР и некоторых необычных свойств этих генов.

Принцип «ДНК делает РНК делает Белок», уже описанный в гл. 2, применим для всех организмов: от простых бактерий до сложньк позвоночных, включая человека. Однако существует одно важное отличие структуры генов высших клеток, включая клетки позвоночных, и соответствующих генов бактерий. Кодирующие последовательности эукариотических генов (экзо-ны) перемежаются с некодирующими участками ДНК (интронами).

В конце 1970-х годов Р. Роберте (Roberts) и П. Шарп (Sharp), получившие Нобелевскую премию в 1994 г., показали, что первичная копия информационной РНК (мРНК), образующаяся в клеточном ядре, содержит интронные последовательности, но к моменту выхода мРНК из ядра в цитоплазму, участки интронов в ней уже отсутствуют, а экзоны оказываются состыкованными, так что мРНК без запинки транслируется в белок.

Процесс удаления интронов называется сплайсингом РНК. Сплайсинг чрезвычайно точен, он редко разрезает РНК в неправильном месте. Сейчас известно, что для обозначения границ интронов существует сигнальная последовательность, узнаваемая особым ферментным комплексом (сплайсосомой). Некоторые интроны являются рибозимами (РНК-ферментами), способными к самосплайсингу. Возможно, это реликты «мира РНК», существовавшего много миллиардов лет назад. Часто сплайсосомы состоят из РНК и белка. Отметим один очень важный момент: места сшивок (разрезании), которые закодированы в ДНК-последовательности, разрезаются сплайсо-сомами, действующими на одноцепочечные последовательности РНК, только после транскрипции. Двухцепочечная ДНК генома никогда не разрезается в этих местах. Все гены, представленные одной копией (рис. 4.4), кодируют белки, необходимые для выполнения функций «домашнего хозяйства» клетки или многоклеточного организма. Именно эти гены являются предметом решения «жизнь или смерть» при дарвиновском отборе. Например, гены, кодирующие белковые субъединицы молекулы гемоглобина (которая переносит кислород от легких ко всем органам тела), представлены одной копией. Поврежденные молекулы, появившиеся в результате мутаций, обычно неэффективно переносят кислород и, следовательно, приводят к гибели организма или снижают его жизнеспособность.

Таким образом, в высших клетках имеется механизм редактирования РНК, который работает до того, как она появится в форме зрелой молекулы, кодирующей специфическую последовательность аминокислот — белок. Удаление интронов из РНК и соединение кодирующих последовательностей должны быть очень точными, чтобы гарантировать сохранение рамки считывания триплетов оснований (см. приложение). Если на этом этапе произойдет ошибка (и изредка они происходят), может образоваться мРНК с последовательностью «вне рамки». Обычно это приводит к синтезу ненормального белка и преждевременному прекращению синтеза из-за появления стоп-ко-дона. (Стоп-кодоны не определяют никакой аминокислоты. Таким образом, они прекращают добавление аминокислот к белковой цепи. Существует три стоп-кодона — это UAG, UAAи UGA.)Эти стоп-кодоны в норме определяют 3'-конец, или правую границу кодирующей последовательности гена. Преждевременная остановка (терминация) приводит к образованию более короткого белка, обычно со сниженной функцией. Следовательно, нормальные гены, кодирующие белки, можно представить как ряд соприкасающихся триплетных кодонов со стоп-кодоном на конце (подобно точке в конце предложения). Их называют открытой рамкой считывания (сокращенно ORF).Давление естественного отбора должно действовать против любой мутации, приводящей к появлению стоп-кодона внутри ORF.