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

Сейчас мы хорошо понимаем, как иммунная система может кодировать миллионы специфических антител, и что тем не менее все еще имеется достаточно ДНК для всех остальных генов, необходимых клетке и многоклеточному организму. Простыми вычислениями можно показать возможности зародышевой линии:

• у мыши или человека в конфигурации зародышевой линии Н-цепи закодировано примерно 100 V-элементов, примерно 20 D-элементов и 4 J-элемента. В соответствии с моделью случайных перестроек это может дать 100 х 20 х 4 = 8000 возможных Н-белковых цепей;

• конфигурация зародышевой линии главного генного кластера, определяющего L-цепь, кодирует примерно 100 V-элементов и 4 J-элемента, что может дать 100 х 4 = 400 возможных L-белковых цепей;

• таким образом, общее число возможных HL-белковых гете-родимеров, при условии, что все Н + L образуют жизнеспособные антитела, равно 8000 х 400 = 3,2 х 10 6, или примерно 3 миллиона специфичных антител.

В этих вычислениях не учитывается дополнительное разнообразие, возникающее в результате добавлений или потерь оснований в процессе слияния V(D)J.

Сколько же из этих 3 млн. потенциальных антител используется? Ответ прост — мы не знаем. Однако нам известно, что около половины V-элементов никогда не участвуют в образовании антитела (то есть обнаружено, что они не перестраивались в В-клетках). Род Лангман (Langman) и Мелвин Кон теоретически рассмотрели один фактор, который ограничивает репертуар антител. У мыши примерно 50 миллионов В-клеток. Если случайный репертуар из 3 млн. антител разных специфичностей равномерно распределен по 50 миллионам В-клеток, то среднее число клеток с данным антителом должно быть равно примерно семнадцати. При острой бактериальной инфекции для того чтобы победить в суровой борьбе с быстро размножающимися бактериями, иммунная система должна выработать большое количество антител с достаточной авидностью, чтобы уничтожать больше бактерий, чем их образуется при размножении. Так как бактерии могут делиться чаще, чем один раз в час, а В-клетки затрачивают по крайней мере 5—6 часов на деление, это соревнование может быть выиграно только при условии, что начальное число В-клеток, связывающих эти бактерии, велико. Другие критические факторы — это скорость образования белка антитела в В-клетках и их физическая локализация относительно места инфекции. Чем ближе они находятся, тем выше локальная концентрация антител и больше скорость уничтожения инфекции. Эти ограничения заставили Лангмана и Кона предположить, что начальный репертуар функциональных антител (до соматического мутирования) должен быть меньше потенциального репертуара. Они полагают, что разнообразие у мышей — около 10 тыс. специфичностей, что дает в среднем по 5 тыс. В-клеток на специфичность.

Однако эти оценки размера репертуара антител все еще велики. Основа стратегии иммунной системы как мыши, так и человека — это случайные перестройки V- , D- и J-генов. Полностью функциональные белки антител закодированы в зародышевой линии как отдельные участки ДНК, «ожидающие» соматической перестройки и сборки в функциональный V(D)J-ген (рис. 4.5). Затем случайная комбинация Н- и L-белковых цепочек образует HL-гетеродимер — антитело. Такая стратегия хранения генетической информации чрезвычайно экономна и позволяет зашифровать миллионы потенциально полезных вариантов.

Дополнительное соматическое варьирование перестроенных V(D)J-последовательностей в В-лимфоцитах также вносит вклад в разнообразие репертуара благодаря селективному размножению антител отдельных специфичностей. Действительно, сейчас мы знаем, что в зрелых В-клетках возникают вызванные антигеном соматические гипермутации перестроенных V(D)J-участков. Это важно, так как дает возможность отобрать и размножить мутантные В-клетки, производящие антитела высокой аффинности. Существует также явление, описанное группой ученых под руководством Мартина Уайгерта (Weigert) и другими, называемое «замещение V-гена» [5]. Оно происходит при образовании тяжелых цепей, и суть его состоит в том, что находящийся выше V-элемент может занять место уже существующего элемента в VDJ-последовательности. Во время клонального роста одна и та же линия В-клеток может подвергаться нескольким последовательным заменам V-гена.

Еще один момент, который следовало бы повторить, говоря о процессе перестройки и объединения V(D)J, заключается в том, что полный ген, кодирующий вариабельную область антитела, собирается из нескольких частей (битов) ДНК-последовательностей. Несколько членов каждого семейства этих частей (V, D и J) собираются случайно. V-D-J объединенный участок формирует связывающий центр антитела, который находится в непосредственном контакте с молекулой антигена.

Известно два исключения из этого общего правила, гласящего: что ни одного полного V-гена не существует в ДНК зародышевой линии. У скатов (хрящевые рыбы) одно семейство генов L-цепи в зародышевой линии состоит из «слитых» VJ-по-следовательностей [б]. Либо это семейство представляет собой первичный ген, который существовал до разделения V- и J-элементов, либо оно возникло в результате объединения V- и J-элементов. Группа Гэри Литмана (Litman), обнаружившая эти гены, отдает предпочтение последней интерпретации. Второе исключение — это группа V-псевдогенов тяжелых цепей у кур, которые содержат и «частички D», присоединенные к концу V-последовательности в предпочтительной рамке считывания, существующей в функциональных VDJ-перестройках [7]. Возможно, эти гены появились благодаря обратной транскрипции мРНК, кодирующей V(D)J-o6nacTb, в результате чего возникли ретротранскрипты кДНК с рамкой считывания объединенных VJ или VDJ, которые каким-то образом включились в половые клетки.

Мы подробно обсуждаем детали строения локусов Ig в конфигурации зародышевой линии и соматической конфигурации, поскольку это позволит интерпретировать их в рамках предположения о существовании ламарковского процесса обратной связи сомы и зародышевой линии. В следующих главах мы сравним эти конфигурации и увидим, что различия между ними высвечивают генетическую уникальность иммунной системы и позволяют назвать «умными» гены, кодирующие антитела и ТкР. Уникальные свойства Ig-генов и молекулярных продуктов этих генов, созданные в ходе эволюции позвоночных, дают возможность по-новому взглянуть на роль некоторых генетических процессов, протекающих в иммунной системе. К этим процессам относятся сплайсинг V(D)J-информационной РНК, обратная транскрипция и предполагаемый перенос ДНК от сомы в зародышевую линию.

Для многих читателей это утверждение может показаться непоследовательным. Действительно, если эволюция со всей своей мудростью смогла создать такую генетическую стратегию, которая способна кодировать более миллиона разных антител, достаточного для ответа на неожиданное, то нуждается