Механизмы экспрессии генов антител обеспечивают моноспецифичность В-клеток

Теория клональной селекции предсказала, а разнообразные эксперименты подтвердили, что отдельные В-клетки моноспецифичны, т.е. вырабатывают антитела с антиген-связывающим участком только одного типа. Значит, должен существовать какой-то механизм, ограничивающий возможности активации иммуноглобулиновых генов в индивидуальных В-клетках, так что эти клетки могут вырабатывать только один тип L-цепи и один тип Н-цепи. Например, В-клетка не может одновременно производить легкие цепи х и λ, и поддерживать при этом моноспецифичность, так как эти две цепи почти всегда имели бы разные вариабельные области и потому образовывали бы молекулы антител с антиген-связывающими участками более чем одного вида. Действительно, в каждой В-клетке активируется либо один, либо другой из этих генных пулов, но никогда не активируются оба пула одновременно.

Более того, поскольку В-клетки (как все соматические клетки) диплоидны, каждая из них имеет шесть генных пулов, кодирующих антитела: по одному пулу для Н-цепи, для λ-цепи и для х-цепи от каждого из родителей. Моноспецифичность В-клеток означает, что в каждой клетке должны активироваться гены только двух из этих шести пулов – один из четырех генных пулов легких цепей и один из двух генных пулов тяжелых цепей. Таким образом, В-клетка должна делать выбор не только между х и λ, но также и между материнскими и отцовскими генными пулами. Экспрессия только материнского или только отцовского аллеля гена Ig в любой данной В-клетке называется аллельным исключением. Материнские и отцовские аутосомные гены для других белков экспрессируются в клетке приблизительно одинаково. У позвоночных из этой закономерности выпадает (кроме генов иммуноглобулинов) только инактивация одной из двух Х-хромосом у самок.

Почему важно, чтобы В-клетки были моноспецифичны? Моноспецифичность гарантирует, что каждая молекула антитела будет составлена из двух идентичных половинок и поэтому будет содержать два идентичных антиген-связывающих участка. По-видимому, это свойство выработалось в процессе эволюции потому, что оно наделяет антитела способностью образовывать обширные сети из сшитых антигенов. Механизмы, участвующие в аллельном исключении и в выборе одного типа L-цепей в ходе развития В-клеток, неизвестны. Одна из очевидных возможностей состоит в том, что в неэкспрессируемых генных пулах сегменты генов антител просто не подвергаются перегруппировке. Однако уже получены убедительные данные о том, что это не так. Часто в неэкспрессируемых хромосомах перестройки происходят, но неправильным образом и поэтому не могут обеспечить синтез цепей Ig, пригодных для построения антител. Это наводит на мысль, что, может быть, соединение сегментов генов V-области в ходе развития В-клеток – в известной степени случайный процесс, чаще приводящий к непродуктивным перестройкам, чем к продуктивным. В этом случае аллельное исключение могло бы быть просто результатом того, что очень низка вероятность успешной перестройки в более чем одном генном пуле для каждой цепи. Но это означало бы, что во многих клетках вообще не будет успешной перестройки и, следовательно, синтеза антител. Поскольку такие клетки не будут стимулироваться никаким антигеном, они должны быстро погибать. Подобный механизм представляется весьма расточительным, однако это может быть расплатой за моноспецифичность.

Переключение синтеза с мембраносвязанной на секретируемую форму одного и того же антитела происходит путем изменения РНК-транскриптов для Н‑цепи

Рассмотрев генетические механизмы, от которых зависит структура антиген- связывающего участка, мы перейдем теперь к механизмам, определяющим биологические свойства антитела, т. е. тип константной области тяжелой ветви. Если однажды сделанный выбор определенных сегментов ДНК для кодирования антиген-связывающего участка является окончательным и для В-клетки, и для ее потомков, то тип синтезируемой Сн-области может изме- няться в процессе развития клетки.

Антитела всех классов могут синтезироваться как в мембраносвязанной, так и в растворимой, секретируемой Мембрано-связанные антитела служат рецепторами для антигена на поверхности В-клеток. После стимуляции клетки антигеном те же самые антитела вырабатываются в секретируемой форме. В случае IgM эти две формы разли- чаются только С-концевым участком μ-цепи: у мембраносвязанных антител μ -цепь оканчивается гидрофобным участком, закрепляющим ее в липидном бислое плазматической мембраны В-клетки, тогда как у секретируемых анти- тел IgM имеется вместо этого гидрофильный «хвост», позволяющий молеку- лам выходить из клетки. Способность В-клеток производить μ-цепи с константными областями двух различных типов сначала казалась парадоксальной, так как В-клетки содержат лишь одну копию гена С„ на гаплоидный геном.

Парадокс был разрешен, когда выяснилось, что активация В-клеток приводит к изменению ядерных РНК-транскриптов для μ-цепи: эти транскрипты несколько короче тех, которые кодировали мембраносвязанную μ-цепь.

В-клетки могут переключаться с выработки одного класса антител на выработку другого

Переключение синтеза с мембраносвязанной формы антител на секретируемую форму – не единственный вид изменений, которые могут происходить в С-области тяжелой цепи в ходе развития В-клеток. Все В-клетки начинают свою деятельность по синтезу антител с выработки IgM, но многие из них затем переключаются на выработку антител других классов, например IgG или IgA. Этот процесс называют переключением класса. Способность В-клеток изменять вырабатываемый ими класс антител без изменения антиген-связывающего участка означает, что один и тот же собранный Vн-ген может последовательно ассоциироваться с разными Сн-генами.

По-видимому, процесс переключения класса состоит из двух последовательных этапов. Сначала клетка, производящая мембраносвязанный IgM, может переключиться на одновременную выработку мембраносвязанного IgM и мембраносвязанной формы антител другого класса, например IgD. Как полагают, такая В-клетка продуцирует длинные первичные РНК-транскрипты, содержащие наряду с собранной последовательностью Vн-области как Сμ, так и Сδ-последовательности. Такие транскрипты подвергаются затем сплайсингу двумя различными способами, приводящими к двум разным видам молекул мРНК. Оба вида кодируют одну и ту же Vн-область, но один вид содержит Сμ-, а другой - Сδ-последовательность. Вероятно, тот же механизм действует при переключении В-клетки на одновременную выработку мембраносвязанных форм IgM и одного из других классов антител-IgG, IgE или IgA.

Второй этап происходит тогда, когда В-клетка, одновременно вырабатывающая мембраносвязанные антитела класса IgM и какого-то второго класса, стимулируется антигеном и начинает уже секретировать антитела этого второго класса. Этот этап включает делецию ДНК. Например, клетка, синтезировавшая мембраносвязанные IgM и IgA в результате сплайсинга длинного РНК-транскрипта, содержавшего все последовательности Сн-генов и собранную последовательность Vн-генов со структурой VH2-D1-JH3, может начать секретировать IgA в результате делеции большей части ДНК между Jh3 и Са, включавшей гены Сμ, Сδ, Сγ и Сε. Доказательство того, что этот этап переключения класса включает делецию ДНК, было получено в опытах с клетками миеломы: оказалось, что клетки, секретирующие IgG, не содержат ДНК, кодирующей Сμ и Cδ, а клетки, выделяющие IgA, не содержат ДНК, кодирующей константные области тяжелых цепей всех остальных классов.