Фогель, Мотульски - Генетика человека - 2 (947312), страница 32
Текст из файла (страница 32)
Первая дупликация исходного гена, вероятно, произошла в ходе хромосомной перестройки. Последующие акты дупликации легко могли осуществляться путем неравного кроссинговера при ошибочном спаривании тесно сцепленных генов, гомо- логичных по структуре, но различающихся по расположению. По-видимому, это наиболее вероятный механизм увеличения числа гомологичных участков в константных областях различных генов тяжелых цепей. В дальнейшем эволюция различных легких и тяжелых цепей происходила в основном путем дупликаций и хромосомных перестроек.
Гены легких и тяжелых цепей не располагаются рядом в составе одной и той же хромосомы. Генетически полиморфные сайты легких цепей (Кш-система) и тяже- 4 Действие генов 103 лых цепей (Ош-система) не сцеплены между собой [781. Генетический контроль вариабельных областей. До сих пор мы рассматривали генетический контроль только константных областей, который можно удовлетворительно объяснить в рамках представлений классической генетики. Однако подобный подход не годится для вариабельных областей. Как объяснить, что все аминокислотные последовательности вариабельных областей, проанализированные к настоящему времени, оказались различными? Можно предположить, что любой человек обладает очень большим количеством клонов плазматических клеток, каждый из которых образует иммуноглобулин со структурой вариабельного участка, характерной лишь для этого клона.
Возможно также, что специфичность антитела определяется его вариабельной областью 1Ч). При этом остаются открьпыми два принципиальных вопроса. 1. Какие генетические механизмы контролируют синтез вариабельных областей? 2. Каким образом в результате их действия возникает специфичность антител? Соматические мутации или избирательная активация генов? Для объяснения генетического контроля вариабельных областей было предложено несколько гипотез.
Наибольшую известность получили две из них: гипотеза «соматических мутаций» и гипотеза «избирательной активации генов». Согласно гипотезе соматических мутаций, в геноме человека имеется лишь один ген, в котором в процессе созревания В-лимфоцитов возникают многочисленные случайные мутации. На самом деле соматические мутации происходят в ходе пролиферации клеток всех типов (разд. 5.1.б). Однако эта гипотеза подразумевает наличие специфического механизма, который обеспечивает избирательное увеличение частоты соматических мутаций именно в гене вариабельной области. Можно представить себе такой механизм, например предположив, что рассматриваемый участок ДНК недоступен для действия ферментов репарапави.
104 4 Действие генов Соматические мутации., несомнегшо, случайны. Следовательно, изучение миеломных белков должно продемонстрировать полностью независимые аминокислотные замены в вариабельных областях различных антител. Конечно, в молекуле могут быть такие участки, мутации в которых недопустимы и ко~орые поэтому должны быть идентичными во всех вариабельных областях иммуноглобулинов. Все исследованные к настоящему времени вариабельные области можно подразделить на группы, в пределах которых определенные аминокислотные замены являются общими, тогда как другие амннокислотные замены совершенно различны.
Этот факт делает более убедительной альтернативную гипотезу генетического контроля вариабельных областей. Согласно этой гипотезе, у каждого человека имеется большой набор генов, которые организованы в виде высокоповторяющейся последовательности. Однако в каждой клетке активным может быть только один из таких генов. Этот ген может каким-то образом соединиться с геном константной области полипептидной цепи, в результате образуется непрерывная молекула мРНК.
Если допустить, что подобная организация генов возникла в результате многократных актов неравного кроссинговера, за которым в течение многих тысячелетий происходила ненаправленная фиксация точковых мутаций, то наблюдаемые закономерности вполне объяснимы. Мутации, которые являются обпзими для нескольких полипептндных цепей, очевидно, были фиксированы до того, как гены этих цепей дуплицировались; мутации, которые обнаруживаются лишь в одной цепи, по всей вероятности, возникли сравнительно недавно. Обе гипотезы связаны с необычным для генетики допущением.
Для накопления столь большого количества соматических мутаций необходимо увеличение частоты их возникновения нли скорости отбора, характерное для В-лимфоцнтов. Избирательное объединение одного из мне~их генов вариабельной области с геном константной области должно осуществляться специальным механизмом, который ранее не был обнаружен. Такое соединение не может происходить на уровне белка, так же как и па уровне РНК, поскольку мРНК уже содержит полную информацию о белке. Следовательно, оно должно происходить на уровне ДНК. Первые предположения относительно такого механизма возникли после открытия ферментов рестрикции, способных расщеплять молекулу ДНК по определенным последовательностям нуклеотидов (разд.
2.3 и 9.2). Одна нз нормальных функций таких ферментов может заключаться в расщеплении ДНК с образованием протяженных фрагментов, которые впоследствии объединяются в новом порядке н только после этого транскрибируются. Изучение одних аминокислопгых последовательностей не позволяло решить, какая из гипотез была верна.
Для ответа на этот вопрос необходимо прямое исследование структуры соответствующих генов. Проблема была решена с помощью методов генной инженерии (разд. 2З). Оказалось, что сторонники обеих гипотез были отчасти правы. На рис. 4.04 представлена структура генов мыши, кодирующих легкие ).- н и-цепи и тяжелые цепи нммуноглобулннов. Хотя значительная часть этих исследований выполнена на мышах, существуют убедительные доказательства сходства соответствующих генов мыши и человека. Имеются три типа сегментов генов иммуноглобулинов, которые организованы принципиально сходным образом: гены константной области, гены варнабельной области и так называемый соединительный сегмент. Далее этн сегменты будут обозначаться соответственно буквами С, т' и з.-прямыми заглавными в случае участков молекул белка и курсивом в случае кодирующих их сегментов генов Впрочем, в деталях эти элементы различаются (см.
рис. 4.64). Для легкой )-цепи имеются два гена константной области. Поскольку белок содержит единственную С-область, прн его синтезе должен происходить выбор одного из четырех генов С-области (по два ~аких гена имеется на каждой нз двух гомологичных хромосом). Помимо этого, для каждого С-гена имеются собственный ген 2 и один ген К Имеется также короткий сегмент (так называемый (.-сот.мент), на- 4, Действие генов 105 Область гена Л.цала Область гена Х -цепи Исходный ган ухс Сь "хь >хс-з сх улс 'л, 'лз т —.
с О«:зз — с:3 оон Молекула 106 нн сьп1 ы - и ос-и ос ~ншь с, Исход- «Н — д„„,,щ — зз ~~ жижи....,)ижжж ««НК......«) Область гена И-цопи Процасснрован ный ган "л >л! слз злз сль Рис. 4.64. Организация генов 18 до и после соматической перестройки. Изображенный вариант- один из многих возможных. Перестройка происходит до и во время созревания В-клсток; ген в перестроенном состоянии кодирует молекулы ходящнйся слева от К внутри которого находится стартовая точка транскрипции. Ген легкой х-цепи содержит один С-сегмент и 5 различных 3-сегментов.
Гены )'-области весьма многообразны, по современным оценкам их насчитывается 90-.300. Среди последовательностей, кодирующих Н-цепль обнаружено 8 различных С-сегментов. Продукт гена С„ присутствует н белке 18в4, продукты генов Сл у„ уяы у,. входят в состав иммуноглобулинов 1813, 18О, 18А. Существуют также 4 различных гена,/-сегмента. В отличие от легких цепей, тяжелые цепи содержат дополнительную аминокислотную последовательность, которая кодируется 1)-сегментом, присутствующим в 12 копиях.
Кроме того, имеется 100 — 200 1.н-)гн сегментов. В ходе дифференцировки клеток, образующих антитела, один с,-г'сегмент соединяется с одним .I-сегментом (а в случае клонов, образующих тяжелые цепи, с одним 1)- и одним 3-сегментом) и одним о«:2---Ос з ооооо — «~ !8О (изображена лишь половина молекулы). Пунктирная линия от процсссированного сена х к молекуле 18О означает, что а состав последне~ о может войти либо х-, либо Л-цспь «1329а). С-сегментом. Поэтому возможно огромное количество комбинаций: если в геноме содержится 21',, 33л, 300 г' и 43 -сегмента, то общее число различных варйантов легких цепей равно 1206 (2 х 3 + 300 х 4). Подобным образом, если имеется 200г„-, 12))- и 4/и-сегмента, то максимальное число различных тяжелых цепей должно быть 9600 (200)'н х 120 х 43н).
Не будем далее углубляться в вопрос о доказательстве гипотезы избирательной активации генов. Прямые исследования генов показали, что их перестройка осуществляегсн в ходе дифференцировки В-лимфоцитов, а также до нее. В настоящее время на изучении этой проблемы сосредоточили свои усилия несколько групп исследователей. Некоторые факты уже выяснены. В частности, оказалось, что воссоединение различных сегментов генов осуществляется не с абсолютной точностью, и это может служить дополнительным источником разнообразия.
В других случаях подобные неточности приводят к сдви- 106 4 Действие генов гу правильной рамки считывания, в результате нарушается трансляция белка Таким образом, многообразие антител достигается ценой некоторых потерь Иногда в месте объединения происходит инсерция одного или нескольких нуклеотидов Однако перечисленные факторы, определяющие различия, не могут полностью объяснить многообразие антител В действительности сторонники пшотезы соматических мутаций оказались отчасти правы В настоящее время путем сравнения гомологичных нуклеотидных последовательностей генов иммуноглобулинов разных индивидов получены убедительные данные, доказывающие, что в ннх происходят многочисленные соматические мутации В большинстве случаев это простые нуклеотидные замены, которые приводят к замещению одной аминокислоты 1см разд 514) Они были обнаружены не только в 1'-сегменте, но также и в л- и 0-сегментах Итак, существуют 4 источника разнообразия антител в клетках 1) только одна из множества копий Исегментов соединяется с соответствую- Рве.
4.65, Пространственная модель варнабедьной области к цепи, построенная на основании данных рентгеноструктурпого анализа Цепь состоит кек бы из двух слоев (нижний слой обозначен светло-серым) Сегменты связаны водородными связями Темным цветом выделены наиболее вариабельные участки, все опн располагаются вокруг кармана, который данная цепь образует совместно с другой к-цепью 1сплошная чернея линия), вероятно, именно он является участком связывания антнгена Выделенные наиболее темным цветом аминокислоты участ вуют в образовании связей со второй частью днмера е11233 4. Действие генов 107 о миг ~~,~,~ Стволоввя и- клетке диффввои- Стимуляция Клопы клеток ;.,л л л л " л х х Аититвлв я Я шими ./-, 1) и С-сегментами с образованием функционального гена; 2) соединение концов сегментов происходит не с абсолютной точностью; 3) в месте соединения возможно встраивание дополнительных нуклеотидов; 4) помимо рекомбинации (как в трех предыдуших случаях) источником многообразия могут служить соматические мутации в Кэ э- и 1)-сегментах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
