Антитела. Генетика иммуноглобулинов

Особенности использования антител иммунной системой для идентификации и нейтрализации чужеродных объектов. Анализ антигенсвязывающей и эффекторной функций антител. Обзор строения и структуры генов иммуноглобулинов. Процесс возникновения точечных мутаций.
Краткое сожержание материала:

Размещено на http:///

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ УКРАИНЫ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Реферат

на тему «Антитела. Генетика иммуноглобулинов»

Выполнила: Колодезная Татьяна

Харьков 2012



Антитела

Антитела (иммуноглобулины, ИГ, Ig) -- это растворимые гликопротеины, присутствующие в сыворотке крови, тканевой жидкости или на клеточной мембране, которые распознают и связывают антигены. Иммуноглобулины синтезируются В-лимфоцитами (плазматическими клетками) в ответ на чужеродные вещества определенной структуры -- антигены. Антитела используются иммунной системой для идентификации и нейтрализации чужеродных объектов -- например, бактерий и вирусов. Антитела выполняют две функции: антигенсвязывающую функцию и эффекторную (например, запуск классической схемы активации комплемента и связывание с клетками), являются важнейшим фактором специфического гуморального иммунитета, состоят из двух лёгких цепей и двух тяжелых цепей. У млекопитающих выделяют пять классов иммуноглобулинов -- IgG, IgA, IgM, IgD, IgE, различающиеся между собой по строению и аминокислотному составу тяжелых цепей. Иммуноглобулины экспрессируются в виде мембраносвязанных рецепторов на поверхности В-клеток и в виде растворимых молекул, присутствующих в сыворотке и тканевой жидкости.



Антитела являются относительно крупными (~150 кДа -- IgG) гликопротеинами, имеющими сложное строение. Состоят из двух идентичных тяжелых цепей (H-цепи, в свою очередь состоящие из VH, CH1, шарнира, CH2 и CH3 доменов) и из двух идентичных лёгких цепей (L-цепей, состоящих из VL и CL доменов). К тяжелым цепям ковалентно присоединены олигосахариды. При помощи протеазы папаина антитела можно расщепить на два Fab(англ. fragment antigen binding -- антигенсвязывающий фрагмент) и один Fc (англ. fragment crystallizable -- фрагмент, способный к кристаллизации). В зависимости от класса и исполняемых функций антитела могут существовать как в мономерной форме (IgG, IgD, IgE, сывороточный IgA) так и в олигомерной форме (димер-секреторный IgA, пентамер -- IgM). Всего различают пять типов тяжелых цепей (б-, г-, д-, е-и м- цепи) и два типа легких цепей (к-цепь и л-цепь).

На рисунке представлен общий план строения иммуноглобулинов: 1) Fab; 2) Fc; 3) тяжелая цепь; 4) легкая цепь; 5) антиген-связывающийся участок; 6) шарнирный участок

Аутоантитела (аутоагрессивные антитела, аутологичные антитела) -- антитела, способные взаимодействовать аутоантигенами, то есть с антигенами собственного организма. Могут образовываться спонтанно или вследствие перенесенных инфекций (например, вызванных Mycoplasma pneumoniae). Аутоантитела образуются при аутоиммунных заболеваниях, к которым относятся ревматоидный артрит, рассеянный склероз, системная красная волчанка и т. д. (более 40 заболеваний). В некоторых случаях аутоантитела начинают вырабатываться задолго до клинических проявлений заболевания.

Моноклональные антитела -- антитела, вырабатываемые иммунными клетками, принадлежащими к одному клеточному клону, то есть произошедшими из одной плазматической клетки-предшественницы. Моноклональные антитела могут быть выработаны на почти любое вещество (в основном белки и полисахариды), которое антитело будет специфически связывать. Они могут быть далее использованы для детекции (обнаружения) этого вещества или его очистки. Моноклональные антитела широко используются в биохимии, молекулярной биологии и медицине. В случае их использования в качестве лекарства его название оканчивается на -mab (от английского «monoclonal antibody»). Перспективным лекарственным средством, разработанном на основе моноклональных антител является Ипилимумаб или иначе Ервой, использующийся для лечения меланомы.

Поликлональные антитела к лимфоцитам, получают из сыворотки кроликов и других животных после иммунизации лимфоцитами или клетками тимуса человека. Механизм действия поликлональных антител заключается в разрушении лимфоцитов и снижении их числа в крови.



Генетика иммуноглобулинов

Индивидуальный организм здорового человека в течение жизни создает несколько миллионов вариантов антител по способности связывать разные антигены (потенциально 10¹⁶ антигенов). Наследуемое от родителей количество генетического материала (ДНК), предназначенного для программирования биосинтеза антител, не так уж велико - всего 120 структурных генов. Это наследуемое множество генов называют зародышевыми генами иммуноглобулинов, или зародышевой конфигурацией (germline configuration).

Разнообразие генетических кодов для миллионов вариантов вариабельных участков молекул иммуноглобулинов формируется в течение всей жизни в процессе дифференцировки В-лимфоцитов: в каждом отдельном В-лимфоците осуществляется своя уникальная рекомбинация ДНК из зародышевых генов, и трансляция РНК, и последующий синтез белка уже идут с персонального для каждого В-лимфоцита генетического кода V-области.

Феномен рекомбинации ДНК в в соматических клетках, по крайней мере насколько известно современной науке, строго уникален исключительно для лимфоцитов. Соматическая рекомбинация ДНК «ниспослана» только генам антигенраспознающих молекул лимфоцитов - иммуноглобулинов в В-лимфоцитах и рецептора Т-клеток для антигена в Т-лимфоцитах. Свойство случайности при рекомбинации соответствующей ДНК объясняет тот широко известный факт, что иммунная система «в лице» лимфоцитов распознает разные вещества, а не только инфекционные микроорганизмы.

Примерно 20 лет назад аналитическим электрофорезом фрагментированной ДНК обнаружили, что генетический материал для кодирования белков - иммуноглобулинов структурирован на сегменты, расположенные друг относительно друга на уловимом расстоянии. Во всех клетках тела, включая стволовую кроветворную, кроме начавших дифференцировку В-лимфоцитов, гены иммуноглобулинов навсегда остаются в «разорванном» состоянии, которое называют зародышевой конфигурацией. И только в В-лимфоцитах на самом раннем этапе их специальной дифференцировки начинается сложный генетический процесс объединения сегментов ДНК, предназначенных для кодирования разных частей молекулы иммуноглобулина - V- и C-фрагментов, причем по отдельности для каждой из 3 типов полипептидных цепей - двух типов легких (к и л) и тяжелой. Это и есть феномен рекомбинации ДНК в соматической клетке.

Структура генов иммуноглобулинов подробно изучена. Отдельные сегменты молекулярно клонирован, определено их число. Кодирующая ДНК для вариабельной части каждой из цепей иммуноглобулина собирается из сегментов, извлекаемых из трех отдельных кластеров: собственно V (вариабельный), а также D (diversity - разнообразие) у тяжелых цепей и J (joining - связующий).

Рекомбинацию ДНК иммуноглобулинов катализируют специальные ферменты - рекомбиназы (уникальные ферменты лимфоцитов). До начала процесса перестройки ДНК в клетке уже существуют генрегуляторные протеины - свои у Т-лимфоцитов и свои у В-лимфоцитов. Гены, кодирующие эти белки, называют мастер-генами. Субстратом для рекомбиназ служат определенные последовательности нуклеотидов в ДНК генов-мишеней. Эти последовательности фланкируют (т.е. расположены с какого-либо края) каждый отдельный сегмент генов-мишеней и их называют сигнальными для рекомбинации (rss - recombination signal sequence). Rss расположены с 3'-конца V-сегментов, с 5'-конца J-сегментов и с обеих сторон D-сегментов.

Самый первый акт расщепления цепи ДНК осуществляют два других специальных фермента лимфоцитов - гетеродимерные эндонуклеазы, кодируемые генами, называемыми RAG-1 и RAG-2 (recombination-activating genes). Репарацию разрывов ДНК катализируют, по крайней мере, 3 ядерных фермента: один называют аутоантигеном Ku, второй - ДНК-зависимой протеинкиназой, третий еще недостаточно охарактеризован.

В результате реакции рекомбинации в непрерывную последовательность ДНК соединяются по одному сегменту из V-, D-, J-областей - этот процесс называют VDJ-рекомбинацией. Вся остальная ДНК V-, D-, J-областей вырезается и выбрасывается из генома в виде кольцевых ДНК. Поэтому приобретение В-лимфоцитом в начале своей дифференцировки специфичности по потенциальному антигену происходит раз и навсегда и строго необратимо на уровне ДНК.

В каждом единичном В-лимфоците случается своя уникальная комбинация VDJ для тяжелой цепи и VJ - для каждой их легких цепей. В цельной молекуле иммуноглобулинов разные легкие и тяжелые цепи объединяются в тетрамер случайным образом.

Но это не все, что обеспечивает разнообразие антигенсвязывающих областей антител. Есть еще два молекулярных процесса: запланированная неточность связи сегментов V-D-J и запланированный гипермутагенез именно в V-генах иммуноглобулинов. Последнее свойство - гипермутагенез - отличает гены иммуноглобулинов даже от генов TCR: у TCR и комбинаторика сегментов, и неточность связи V-D-J, но не выявлен гипермутагенез. Под недостаточностью связи V-D-J понимают тот факт, что при формировании этих связей происходит добавление лишних некодируемых наследуемым генетическим кодом нуклеотидов. Их два вида: Р-нуклеотиды и N-нуклеотиды. Нуклеотиды Р (от palindromic sequences) возникают на концах сегментов при вырезании одноцепочечных петель ДНК и достройки «хвостов» ферментами репарации ДНК. Нуклеотиды N (от nontemplate-encoded)сле вырезания петли специальным ферментом лимфоцитов - терминальной дезоксинуклеотидилтрансферазой (TdT). Этот фермент достраивает от 1 до 20 дополнительных нуклеотидов, а ферменты репарации подстраивают комплементарные пары и лигируют (ковалентно продольно сост...