Гены иммуноглобулинов и Т-клеточного рецептора

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

ГБОУ ВПО «Оренбургский государственный медицинский университет»

Министерства здравоохранения Российской Федерации

Кафедра микробиологии, вирусологии и иммунологии

РЕФЕРАТ

«Гены иммуноглобулинов и Т-клеточного рецептора»

Выполнила:

студентка 220 гр. леч. фак.

Алиева С.М.

Проверила:

Кащук Н.Ю.

Оренбург, 2016



Содержание

Введение

Глава 1. Характеристика иммуноглобулинов

1.1 Классы иммуноглобулинов и их функции

1.2 Структура генов иммуноглобулинов

1.3 Рекомбинация генов, кодирующих легкие и тяжелые цепи иммуноглобулинов

Глава 2. Семейства генов Т-клеточного рецептора

2.1 Конфигурация Т-клеточных рецепторов

2.2 Виды генов Т-клеточных рецепторов

Заключение

Список литературы



Введение

Функционирование иммунной системы основано на происходящих в онтогенезе перестройках генетического материала в локусах, заключающих в себе последовательности генов иммуноглобулинов. В процессе дифференцировки B- и T-лимфоцитов на уровне их геномной ДНК имеет место перенос последовательностей нуклеотидов (V), кодирующих вариабельные участки полипептидных цепей иммуноглобулинов, а также других небольших сегментов ДНК (J и D), к последовательностям, кодирующим константные части этих белков.

Объединение последовательностей нуклеотидов генов иммуноглобулинов случайным образом в разных сочетаниях, происходящее в каждой индивидуальной B- или T-клетке по-новому, приводит к образованию огромного числа разных генов иммуноглобулинов, способных направлять биосинтез антител практически любой специфичности при распознавании антигенов. Более того, в процессе возникновения генов иммуноглобулинов in vivo происходят не только перестройки генома, которые сами по себе еще не обеспечивают всего разнообразия антител. При дифференцировке лимфоцитов функционирует система, осуществляющая направленное введение случайных соматических мутаций в определенные сегменты последовательностей ДНК, которые кодируют вариабельные участки полипептидных цепей иммуноглобулинов.

Геном клеток зародышевой линии не содержит генов, появляющихся в дифференцированных клетках иммунной системы. В онтогенезе на уровне соматических клеток происходят как бы эволюционные преобразования части генетического материала, из которой возникают новые гены и соответственно новые белки с различающимися субстратными специфичностями. Какую же часть генома в данном случае можно считать геном иммуноглобулина? Классические представления о гене не позволяют ответить на этот вопрос. Дестабилизируя соответствующие генетические локусы, организм решает задачу одновременного создания большого числа разнообразных белков с использованием потенциала генома, ограниченного в своих размерах. При таком решении организму нет необходимости из поколения в поколение осуществлять передачу громадного количества генетической информации, связанной с этими белками, биологический потенциал многих из которых не будет востребован на протяжении жизни особи следующей генерации. Потомству передается лишь генетическая программа, по которой, в принципе, могут быть синтезированы все эти белки. Таким образом, у животных в клетках зародышевого пути и в большинстве соматических клеток вообще отсутствуют гены иммуноглобулинов в классическом понимании этого термина. Они возникают de novo во время онтогенеза, и невозможно предсказать, какой в точности набор генов и иммуноглобулинов будет создан при реализации такой генетической программы. С помощью непредсказуемого репертуара антител организм решает задачу защиты от не менее непредсказуемого разнообразия антигенов, которые постоянно возникают в биосфере, в том числе и вследствие природной нестабильности генов, кодирующих эти антигены.[2]

Целью моего реферата является рассмотрение строения и функций генов иммуноглобулинов и Т-клеточного рецептора.

Задачи реферата:

1. Выявить особенности строения иммуноглобулинов и их роль в иммунной системе;

2. Выяснить конфигурацию Т-клеточных рецепторов;

3. Дать характеристику генетике иммуноглобулинов и Т-клеточного рецептора.



Глава 1. Характеристика иммуноглобулинов

1.1Классы иммуноглобулинов и их функции

Иммуноглобулины - это класс иммунных молекул, нейтрализующих большинство инфекционных возбудителей и токсинов в нашем организме. При этом, если все другие антимикробные и антивирусные средства можно сравнить с дробовым ружьем, то иммуноглобулины можно уподобить самому современному высокоточному оружию.

Одним из самых главных инструментов иммунной системы человека и млекопитающих в борьбе с любыми инфекциями является совершенно особый, не встречающийся более нигде в природе класс иммунных молекул - иммуноглобулинов. [1]

Принципиальной особенностью иммуноглобулинов является их абсолютная специфичность. Это значит, что для нейтрализации каждого вида бактерий, вирусов и токсинов в организме вырабатываются свои собственные и неповторимые по структуре иммуноглобулины. Сколько есть разных микробов, вирусов и токсинов, столько и существует разных иммуноглобулинов. Благодаря этому, каждый отдельный вид иммуноглобулинов действует строго избирательно, например, только против вирусов клещевого энцефалита, только против вирусов гриппа, только против стафилококковых токсинов и т.д.

Это свойство иммуноглобулинов имеет очень важное значение, поскольку в этом случае с высочайшей точностью нейтрализуются только сами инфекционные возбудители или токсичные вещества. В противоположность этому большинство известных антимикробных или противовирусных оказывают общее токсическое действие на организм, поражая вместе с микробами и собственные клетки организма. [3]

Во-вторых, благодаря абсолютной специфичности своего действия, иммуноглобулины могут оказывать свое нейтрализующее действие в минимальных концентрациях. Так, например, для нейтрализации одного вируса достаточно всего лишь одной молекулы иммуноглобулина и 500-1500 молекул противовирусного препарата. И это притом, что иммуноглобулины являются абсолютно безвредными, тогда как большинство антибиотиков и противовирусных препаратов сами по себе очень токсичны.

В-третьих, у иммуноглобулинов есть еще одно очень важное свойство. Вместе с кровью они могут проникать в любые, даже самые далекие уголки нашего организма и везде настигать «агрессоров». [2]

В зависимости от строения и выполняемых функций, различают пять классов иммуноглобулинов: G, M, E, A, D.

Иммуноглобулин G (IgG)

Это основной класс иммуноглобулинов, содержащихся в сыворотке крови (70-75% от всех антител);

представлен четырьмя подклассами (IgG1, IgG2, IgG3, IgG4),

каждый из которых выполняет свои уникальные функции;

в основном обеспечивает вторичный иммунный ответ, начиная вырабатываться спустя несколько дней после иммуноглобулинов класса М;

сохраняется в организме длительно - таким образом, не дает повторно заболеть перенесенной инфекцией (например, ветряной оспой);

обеспечивает иммунитет, направленный на нейтрализацию вредных токсических веществ микроорганизмов;

имеет малые размеры, что позволяет ему беспрепятственно проникать во время беременности через плаценту к плоду, защищая его от инфекций.[1]

Иммуноглобулин М (IgM)

Начинает вырабатываться сразу после попадания неизвестного чужеродного агента в организм, являясь первой линией защиты от антигенов;

в норме его количество - около 10% от общего числа иммуноглобулинов;

антитела класса М - наиболее крупные, поэтому во время беременности присутствуют только в крови матери, и не способны проникать к плоду.

Иммуноглобулин Е (IgE)

В норме практически отсутствует в крови;

участвует в возникновении аллергических реакций, защите от паразитарных инфекций;

после присоединения антигена к IgE происходит выброс гистамина и серотонина - веществ, отвечающих за возникновение отека, зуда, жжения, высыпаний и других характерных проявлений аллергии;

если иммуноглобулин Е повышен - это может говорить о склонности организма к аллергической патологии, так называемой атопии (пример - атопический дерматит).

Иммуноглобулин А (IgA)

В сыворотке крови его содержание - около 15-20% от всех иммуноглобулинов;

его основная функция - защита слизистых оболочек от микроорганизмов и других чужеродных веществ, поэтому его также называют секреторным;

иммуноглобулины класса А обнаруживаются в секретах слюнных и слезных желез, молоке, на слизистых оболочках дыхательной и мочеполовой систем.

Иммуноглобулин D (IgD)

В норме его концентрация в крови крайне мала (менее 1% от общего количества антител), а функции до конца неясны. Антитела активно используются в лекарственных препаратах. В настоящее время купить иммуноглобулин можно практически в любой аптеке.[1]

1.2 Структура генов иммуноглобулинов

На основании данных о двойственности в строении иммуноглобулинов -- наличии вариабельной и константной областей в структуре молекулы -- Дрейер и Беннет еще в 1965 г. высказали предположение об участии двух генов (V и С) в построении единой тяжелой или легкой цепей молекулы. «Еретическое» для середины 60-х годов XX в. суждение, когда господствовало мнение, выражающееся формулой «один ген -- одна полипептидная цепь», в настоящее время нашло свое подтверждение в несколько усложненном виде.

Для млекопитающих известны три группы сцепления иммуноглобулиновых генов, расположенных на разных хромосомах: группы сцепления для к- и А-типов легких цепей и группа сцепления для тяжелых (IgH) цепей. В незрелых В-клетках или в любых других клетках организма V-гены и С-гены той или иной группы сцепления, находясь на одной и той же хромосоме, удалены друг от друга на значительное расстояние -- до 1 млн пар нуклеотидов. Подобная нативная локализация генов для иммуноглобулинов определяется как состояние зародышевой линии (от англ. -- germline). Однако по мере созревания В-клеток от некоммитированных предшественников к зрелым формам происходит реорганизация генома так, что пространственно удаленные генные сегменты оказываются в непосредственной близости друг от друга, образуя единый информационный участок. Этот процесс перестройки генетического материала получил название соматической рекомбинации (или реаранжировки). Он связан только с соматическими клетками (в случае с иммуноглобулиновыми генами -- только с В-клетками), не наследуется и, следовательно, не затрагивает половые клетки.

Вариабельность иммуноглобулинов, точнее V-доменов тяжелых (IgH) и легких (IgL) цепей этих молекул, зависит от нескольких внутриклеточных явлений:

1) наличия в геноме множества V-генов как для IgH, так и для IgL, каждый из которых кодирует самостоятельный и отличающийся по специфичности V-домен;

2) процесса соматической рекомбинации: поскольку V-локус включает не только собственно V-гены, но и несколько дополнительных генных сегментов -- D и J, то образование зрелого V-гена (VDJ для IgH или VJ для IgL) является результатом случайного сочетания в процессе рекомбинации одного из V-генов с одним из D- и J-генных сегментов;

3) у некоторых видов, например птиц, наблюдается явление генной конверсии -- включение в состав активного V-гена нуклеотидов из псевдогенов («молчащих» генов), то, естественно, меняет специфичность основного гена;

4) ошибок рекомбинации: в процессе рекомбинации -- объединения одного из V-генов с одним из D- и J-генных сегментов, когда идет процесс делеции («вырезания» некодируемой части ДНК, расположенной между генными сегментами), возможен «захват» пограничных для V-, D-, J-генных сегментов нуклеотидов; ошибки рекомбинации также вносят свой вклад в разнообразие зрелых V-генов;

5) взаимодействия IgH с IgL при внутриклеточном образовании иммуноглобулина: поскольку сформировавшаяся иммуноглобулиновая молекула состоит из Н- и L-полипептидов, V-домены которых совместно образуют антигенраспознающий участок, а в клонах В-клеток специфичность таких V-доменов случайна, то случайной будет и специфичность всей молекулы;

6) явления соматического мутагенеза -- точечных замен в последовательности нуклеотидов V-генов при созревании В-клеток.[2]

1.3 Рекомбинация генов, кодирующих легкие и тяжелые цепи иммуноглобулинов

Участок ДНК в некоммитированной клетке, ответственный за синтез легкой цепи к-типа, включает три группы генов:

1) 250 VK-генов, каждый из которых кодирует 94--95 аминокислотных остатков Ус-домена;

2) 5 J-мини-генов (от англ. -- joining), один из которых функционально не активен и называется в силу этого псевдогеном; каждый из работающих J-генов кодирует последовательность из 12 -- 14 аминокислотных остатков и тем самым обеспечивает достройку V-гена до того количества нуклеотидных остатков, которое контролирует синтез полноценного Vк-домена;

3) Ск-ген кодирует константный регион легкой к-цепи.

Процесс рекомбинации начинается с объединения одного из Vк-генов с одним из J-мини-генов. Объединение этих сегментов ДНК происходит за счет делении (удаления) последовательности пар нуклеотидов, входящих в некодирующую (интронную) последовательность между V и J. Место рекомбинации V-J не является жестко фиксированным. В процессе рекомбинации объединение может происходить как между собственно основаниями V и J, так и между основаниями, соседствующими с этими сегментами. Подобные ошибки вносят дополнительную изменчивость в 3-й гипервариабельный участок V-домена.[3]

В процессе рекомбинации принимают участие ферментные белки. Наиболее изученным из них являются RAG-1 и RAG-2, контролируемые соответствующими генами (англ. -- recombination activating genes). С помощью этих белков осуществляется делеция некодируемых участков ДНК между V-J. Прошедшая первичная рекомбинация обеспечивает формирование к-локуса, который состоит из трех экзонов (кодирующих участков): L-сегмента, кодирующего лидерный пептид -- участок незрелой к-цепи, который включает 20 -- 25 аминокислотных остатков; рекомбинантного VJ-гена и С-гена константной области.

Подобная рекомбинантная ДНК в коммитированных клетках обеспечивает образование первичного транскрипта -- пре-мРНК ядра. В результате процессинга (созревания пре-мРНК ядра) некодируемые участки между J и С, а также между L и V вырезаются. Таким образом, зрелая, связанная с полирибосомами РНК лишена некодирующих последовательностей. При этом все кодирующие последовательности оказываются слитыми в единый информационный участок. Зрелая мРНК транслирует полипептид с дополнительным лидерным участком (L) аминокислотных остатков. Предполагается, что лидерный участок, включающий в основном гидрофобные аминокислоты, способствует прохождению к-цепи через мембрану эндоплазматического ретикулума. После прохождения он отщепляется, и зрелая к-цепь приобретает, наконец, тот аминокислотный состав, который характерен для секретируемого иммуноглобулина. ген иммуноглобулин клеточный рецептор

Несколько иначе организованы гены для А-типа легких цепей (IgLJ. Собственно Vk-гены на хромосоме образуют локальное семейство, а каждый J-сегмент объединен в пару с соответствующим С-геном (Jl-Cl, J2-C2, J3-C3 и т.д.). На сегодня известно семь таких J-C-локусов. Процесс же рекомбинации в своей основе не отличим от того, который описан для к-типа легких цепей. В отличие от генетического контроля V-доменов легких цепей V-домены тяжелых цепей кодируются тремя генными сегментами: V, D и J. Кроме того, в отличие от генов легких к-цепей, включающих только один С-ген константной области, у человека таких генов десять, у мышей восемь. Они ответственны за кодирование классов и подклассов иммуноглобулинов.

При образовании участка генома, кодирующего V-домен тяжелых цепей, происходит два рекомбинационных события. Первое -- это объединение D- и J-сегментов (мини-генов) и второе -- объединение DJ-участка с V-геном. На начальном этапе дифференцировки В-клеток происходит слияние VDJ-гена с геном, контролирующим константную область IgM. По мере функционального созревания В-клеток наблюдается переключение синтеза IgM на иммуноглобулины других классов и подклассов при сохранении исходной специфичности V-домена, т.е. происходит рекомбинация того же VDJ-гена с Сн-генами иных классов и подклассов. В целом в процессе развития отдельных В-клеточных клонов возможны две формы реорганизации генома: разные VDJ-гены объединяются с одним и тем же Сн-геном, что обепечивает формирование разных клонов (ранний этап развития В-клеток), и один и тот же VDJ-ген образует единый информационный участок с разными С-генами (внутриклеточное переключение синтеза с одного класса на другой). Случайная рекомбинация генных сегментов -- основа вариабельности иммуноглобулинов.[2]



Глава 2. Семейства генов Т-клеточного рецептора

2.1 Конфигурация Т-клеточных рецепторов

Альфа-цепь Т-клеточного рецептора представляет собой гликопротеин массой 40-60 кДа, а бета-цепь имеет молекулярную массу 40-50 кДа. Как и цепи иммуноглобулинов, цепи Т-клеточных рецепторов имеют вариабельные (V) и константные (С) области. С-концевой участок V области цепи (связывающий области V и С) кодируется генами. Вариабельные области альфа- и бета-цепей состоят из 102-119 аминокислот и в том числе содержат два остатка цистеина, участвующих в образовании дисульфидных мостиков.[2]

Константные области альфа- и бета-цепей состоят из 138-179 аминокислот и имеют четыре функциональных домена, которые в норме кодируются различными экзонами.

Концевой участок константной области содержит два остатка цистеина, образующих дисульфидные мостики внутри цепи, в результате чего третичная структура этого участка, по-видимому, соответствует структуре константной области молекулы иммуноглобулина. Трансмембранный домен состоит из 20-24 главным образом гидрофобных аминокислотных остатков.

В отличие от альфа- и бета-цепей, гамма- и дельта-цепи локализованы только на тех Т-лимфоцитах, которые экспрессируют CD3, но не экспрессируют СD8 рецепторы.[1]

Структура гамма- и дельта-цепей аналогична структуре альфа- и бета-цепей. Аминокислотная последовательность гамма-цепи очень напоминает последовательность бета-цепи, в свою очередь дельта- и гамма-цепи также имеют сходные последовательности.[2]



2.2 Виды генов Т-клеточных рецепторов

Гены б-, в-, г- и д-цепей гомологичны генам иммуноглобулинов и претерпевают при дифференцировке T-лимфоцитов соматическую рекомбинацию ДНК, что теоретически обеспечивает генерацию порядка 1016-1018 вариантов антигенсвязывающих рецепторов (реально это разнообразие ограничено числом лимфоцитов в организме до 109).[2]

Гены a-цепи имеют 70-80 V-сегментов, 61 J-и один C-сегмент.

Гены р-цепи содержат 52 V-сегмента, 2 D-сегмента, 13 J-сегментов и 2 C-сегмента.

Гены 5-цепи. Между V- и J-сегментами a-цепи расположены гены D-, J- и C-сегментов 5-цепи y5TCR. V-сегменты 5-цепи «вкраплены» среди V-сегментов a-цепи.

Гены у-цепи y5TCR имеют 2 C-сегмента, 3 J-сегмента перед первым C-сегментом и 2 J-сегмента перед вторым C-сегментом, 12 V-сегментов.

Перестройка генов

Рекомбинация ДНК происходит при объединении V-, D- и J-сегментов и катализируется тем же комплексом рекомбиназ, что и при дифференцировке B-лимфоцитов.

После перестройки VJ в генах a-цепи и VDJ в генах р-цепи, а также присоединения некодируемых N- и Р-нуклеотидов с ДНК транскрибируется РНК. Объединение с C-сегментом и удаление лишних (неиспользуемых) J-сегментов происходит при сплайсинге первичного транскрипта.

Гены a-цепи могут перестраиваться неоднократно при уже правильно перестроенных и экспрессированных генах р-цепи.[3]



Заключение

Иммуноглобулинами (антителами, гамма-глобулинами) называются особые соединения, вырабатываемые клетками иммунной системы, осуществляющие защиту человека от бактерий, вирусов и других чужеродных веществ (антигенов).

Иммуноглобулин не просто выполняет защитную функцию в организме, но и активно используется в медицине. Качественное и количественное определение антител различных классов применяется для выявления разнообразной патологии. Иммуноглобулины входят в состав препаратов для профилактики и лечения инфекционных заболеваний, и ряда других состояний.

Наиболее часто экспрессируются гены альфа- и бета-цепей Т-клеточных рецепторов. Рецепторы Т-клеток типа бета встречаются на незрелых Т- клетках и на незначительном числе Т-клеток периферической крови. Гены альфа- и бета-цепей локализованы на хромосоме 14, а гены дельта- и гамма-цепей -- на хромосоме 7.

Как и в случае иммуноглобулинов, вариабельные области Т-клеточных рецепторов локализованы в разных зкзонах, которые в конце концов сшиваются с константными областями рецепторов в результате сплайсинга.

Этот механизм обеспечивает широчайшее многообразие рецепторов, которое еще более увеличивается за счет вариабельной селекции элементов (альфа- и бета-цепи) и областей (бета-цепи).



Список литературы

1. Галактионов В.Г. Иммунология: Учебник. -- М. Изд-во МГУ. 1998 -- 480 с.

2. Кэтти Д., Райкундалия Ч., Браун Дж., Линг Н. Р., Гордон Д., Арвие Ж., Уильямс А. Ф. Антитела. Методы: Кн. 1: Пер. с англ. /Под ред. Д. Кэтти. -- М.: Мир, 1991 -- 287 с.

3. Хаитов Р. М., Игнатьева Г. А., Сидорович И. Г. Иммунология: Учебник -- М.: Медицина, 2000 -- 432 с.

Размещено на Allbest.ru