Ugrás a tartalomhoz

Genetika és genomika

Falus András, László Valéria, Tóth Sára, Oberfrank Ferenc, Pap Erna, Dr. Szalai Csaba (2014)

Typotex Kiadó

Immungenetika

Immungenetika

Az immunológia tantárgy keretében számos, az immunrendszer működése szempontjából alapvető genetikai folyamatról is szó esett. Ezek közül talán a legkülönlegesebb az a folyamat, amely az immunglobulinok (B-sejt receptorok) és a T-sejt receptorok óriási diverzitásához vezet. Minden ember kb. 1011-féle ellenanyagot képes előállítani, holott az emberi haploid genom mérete „csak” 3x109 bázispár.

Ennek az ellenmondásnak a feloldását a szomatikus génátrendeződés és szomatikus mutációk teszik lehetővé.

Az emberi genomban csak 3 immunglobulin (Ig)/B-sejt receptor (BCR) lókusz (IGH, IGK és IGL) van, amelyek a nehéz- és a kétféle könnyűláncot (κ és λ) határozzák meg, valamint 4 T-sejt receptor (TCR) lókusz (TRA, TRB, TRG és TRD) található, amelyek a 4 (α,β,γ és δ) TCR lánc szintézisét teszik lehetővé.

Az óriási diverzitás ellenére minden egyes B- és T-sejt monospecifikus, azaz csak egyféle Ig-t vagy TCR heterodimert képes előállítani, amelyek csak egyetlen antigénre specifikusak. A különböző B- és T-sejtek más-más antigénre specifikus, más-más Ig-t és TCR heterodimert expresszálnak, így az e sejtek milliárdjaiból álló populáció együttese teszi az immunrendszert gyakorlatilag bármilyen antigén felismerésére képessé. A diverzitás a megfelelő gének sajátos jelrendeződésének és expressziójának köszönhető.

Emlékeztetőül tekintsük pl. az Ig-okat. Minden Ig 4 láncból áll, 2 nehéz- (H) és 2 könnyű-(L)láncból. Minden lánc pedig egy variáblis (V) és egy konstans (C) régiót tartalmaz. Az emberi genomban nincsenek komplett gének a nehéz és a könnyű Ig lánc meghatározására, hanem minden egyes H és L lánc számos egymástól szeparált gén által meghatározott. A nehézlánc variábilis régiója 3 doménből: a V(variable), a D (diversity) és J (joining) áll. A könnyűlánc esetében a D szegmens hiányzik. A H lókuszon közel 200 V, kb. 30 D és 9 J gén (ebből 3 pszeudogén) található. Ezek a gének a nem-immunszervekben inaktívak, és csak a T- és B-sejtek érésekor válnak aktívvá. Az elsődleges immunszervekben ezekből a génekből egy-egy (egy V, egy D és egy J) random kombinálódik, és kerül egymás mellé úgy, hogy egy olyan új fúziós exont hoznak létre, ami a H lánc variábilis régióját határozza meg.

A folyamatot szomatikus génátrendeződésnek vagy szomatikus rekombinációnak nevezik, amely DNS splicing révén valósul meg (7.2. ábra). A V-D-J rekombinációban a rekombinációt aktiváló gén 1 és 2 által kódolt a RAG1 és -2 enzimek vesznek részt.

Az immunglobulinok nehézláncában a D-J és V-DJ kapcsolódás, a könnyűláncok közül a λ-láncában a V-JC, a κ-láncában pedig V-J átrendeződés valósul így meg. Mind a nehéz (VDJ-C), mind pedig a könnyű láncok (VJ-C) további átrendeződései mRNS splicing eredményeként jönnek létre.

7.2. ábra - Szomatikus génátrendeződés az immunglobulinok nehézláncának kialakulásakor – http://en.wikipedia.org/wiki/File:VDJ_recombination.png; 2013. 07.03.

Szomatikus génátrendeződés az immunglobulinok nehézláncának kialakulásakor – http://en.wikipedia.org/wiki/File:VDJ_recombination.png; 2013. 07.03.

Ugyancsak RNS splicing zajlik a membránkötött IgM C doménjéről a szolubilis IgM C doménjére történő váltás során is.

A T-sejt receptorok szomatikus génátrendeződése az immunglobulinokéhoz hasonló sorrendben zajlik.

A diverzitást tovább fokozza az a tény, hogy a rekombináció néhány bázist 5’ → 3’ irányban is csúszhat, illetve, hogy a RAG rekombinázok kétszálú DNS-törést válthatnak ki, amelynek hibajavítása pontatlan, ezáltal az antitestek specificitása még inkább eltérhet.

Másrészről, van egy szomatikus hipermutációs mechanizmus, amellyel a véletlenszerű báziscserés mutációk következnek be a B sejtek V régiójában.

Ez a mechanizmus nem működik más sejtekben, és más géneket nem érint, csak egy kb. 1,5 kilobázisnyi régiót. Ez csak a B sejt aktivációjakor fordul elő: miután az egy antigén hatására osztódni kezd, a létrejövő szomatikus hipermutáció módosítja az antigénkötő régiót. Az antigént legjobban kötő sejtek élnek túl és a többi B sejtnél többször osztódnak. Ezt a folyamatot nevezik affinitásérésnek.

Ezt az aktiváció indukált citidin dezamináz (AID) váltja ki, amely uracillá dezaminálja a citidint. Ez a különböző mechanizmusok révén, nem pontosan javított bázis mismatch több különböző mutációt is eredményezhet.

7.3. ábra - Szomatikus hipermutáció és nehézlánc osztályváltás – http://pandasthumb.org/archives/2006/07/3-recent-report.html; 2013. 07.03.

Szomatikus hipermutáció és nehézlánc osztályváltás – http://pandasthumb.org/archives/2006/07/3-recent-report.html; 2013. 07.03.

A szomatikus génátrendeződés harmadik esete az immunglobulinok osztályváltása. A nehéz láncok C régiójuk alapján 5 osztályba sorolhatók. Minden H gén tartalmazza mind az 5 Ig osztály C régióit, olyan kromoszomális elrendezésben, hogy az IgM C régiója van a V régióhoz legközelebb. Számos különböző C régiója van az IgG és az IgA osztályoknak, amelyek alapján ezek további alosztályokba sorolhatók. Az IgM az első fajta ellenanyag, amelyet minden egyes B sejt termel. Azonban egy idő után a B sejt átvált egy másik osztályba tartozó ellenanyagra. Ez egy harmadik DNS splicing, amelyben a DNS a VDJ és a konstans régió között kivágódik, ezzel egy új Ig osztályt hozva létre. Mivel a variábilis régió ekkor változatlan marad, az antigén specifitása sem változik. Az adott antigénnel szembeni affinitása változatlan marad, csak más effektormolekulákkal lép kölcsönhatásba.

Ezek a diverzifikációs mechanizmusok gyakran eredményeznek nem működő Ig géneket: ezek vagy stop kodonokat tartalmaznak vagy a leolvasási keret csúszik el.

A fejlődő B sejtek egy ún. allél exklúziós mechanizmust használnak, amelyben minden B sejt csak 1 aktív L láncot és 1 aktív H láncot termel. A sejt az L gének minden egyes példányát és a H gének minden egyes példányát kipróbálja.

Ha egy aktív lánc jön létre, nincs szükség további DNS-splicingra. Ha azonban egy nem működő Ig jön létre, a sejt ezután kipróbálja a következő L vagy H gént. Ez a folyamat addig folytatódik, amíg az aktív H és L lánc el nem készül, vagy amíg az összes gént ki nem próbálták (viszont ebben az esetben a sejt elpusztul).

7.4. ábra - Immunglobulinok osztályváltása: IgM → IgG – http://en.wikipedia.org/wiki/File:Class_switch_recombination.png; 2013. 07.03.

Immunglobulinok osztályváltása: IgM → IgG – http://en.wikipedia.org/wiki/File:Class_switch_recombination.png; 2013. 07.03.

A fenti mechanizmusok mellett bizonyos epigenetikus mechanizmusoknak is szerepe van a diverzifikációban például azáltal, hogy hisztonmódosulások és az ezeket követő kromatin remodellezés egy ún. rekombinációs centrumot hoz létre, s így az adott Ig vagy TCR régiót hozzáférhetővé teszi a RAG rekombinázok számára.

Az epigenetika immunológiai szerepére utal egy korábban nem ismertetett monogénes betegség, az ICF-szindróma is. Ez az Immundeficienciával (agammaglobulinémia), az 1-es, 9-es, 16-os kromoszómák Centromérikus instabilitásával és Faciális (arc) diszmorfiával járó betegség a DNMT3B, egy de novo DNS-metiltranszferázt kódoló, autoszomális gén (20-as kromoszóma) mutációja eredményeként jön létre. Ekkor, bár a mutáció egy gént érint, a tünetek mégis számos más gén hibás metilációjának, pontosabban a térben és időben megfelelően zajló metiláció elmaradásának köszönhetően alakulnak ki.

Hasznos webhelyek:

www.imgt.org

www.p53.iarc.fr6index.html

www.methylgene.com

www.cancer.org

www.isscr.org