GEN HỌC CỦA KHÁNG THỂ

BỆNH NHIỄM TRÙNG

MIỄN DỊCH HỌC – CHƯƠNG SÁU GEN HỌC CỦA KHÁNG THỂ Gene Mayer, Ph.D Emertius Professor of Pathology, Microbiology and Immunology University of South Carolina

Biên dịch: Nguyễn Văn Đô, MD., PhD., Bộ môn Sinh lý bệnh-Miễn dịch, Trường Đại học Y Hà Nội, Hà Nội, Việt Nam

SHARE BOOKMARK PRINT THIS PAGE

MỤC TIÊU GIẢNG DẠY

Mô tả cấu trúc và biểu lộ của gia đình gen kháng thể Giải thích nguồn gốc sự đa dạng của kháng thể

LỊCH SỬ Dữ liệu về trình tự acid amin cho thấy rằng một vùng C duy nhất có thể kết hợp với nhiều vùng V khác nhau. Ngoài ra, người ta cho rằng một idiotyp duy nhất có thể được liên kết với các vùng C khác nhau (ví dụ: IgM và IgG). Để giải thích những cở sở dữ liệu này có ý kiến cho rằng có lẽ hai vùng của phân tử kháng thể đã được mã hoá bởi các gen riêng biệt và các gen vùng V và C được nối với nhau bằng cách nào đó trước khi một phân tử kháng thể được hình thành (tức là có hai gen mã hóa cho một polypeptid). Đây là một khái niệm mang tính cách mạng nhưng với sự ra đời của công nghệ DNA tái tổ hợp, nó đã cho thấy khái niệm đó là đúng. Các chuỗi nặng và chuỗi nhẹ của kháng thể được mã hoá bởi các gia đình ba gen khác nhau, mỗi một gen riêng biệt trên một nhiễm sắc thể riêng biệt - một cho chuỗi nặng và một cho mỗi loại chuỗi nhẹ. Mỗi một gia đình các gen này có một số gen cho một vài vùng V và một hoặc nhiều gen cho vùng C. Tuy nhiên, các gen vùng V và C không phải nằm liền kề với nhau.and la

GIA ĐÌNH GEN CHUỖI NHẸ

Tổ chức gen ở dòng mầm

Việc tổ chức các gen chuỗi nhẹ Kappa và Lambda trong dòng mầm của các tế bào chưa biệt hoá được mô tả trong Hình 1.

• Chuỗi nhẹ Lambda Gia đình gen lambda gồm có 4 gen vùng C, mỗi gen cho một dưới nhóm của chuỗi lamda, và khoảng 30 gen vùng V. Mỗi gen trong số các gen vùng V có hai exon, một (L) mã hóa cho vùng chính và gen khác (V) mã hóa cho hầu hết vùng thay đổi. Theo chiều ngược mỗi gen của các gen vùng C có thêm một exon được gọi là J (joining:chỗ nối). Các exon L, V, J và C được ngăn cách bởi các intron (các trình tự không mã hóa xen vào giữa).

• Chuỗi nhẹ Kappa Gia đình gen chuỗi nhẹ Kappa chỉ có một gen vùng C duy nhất, vì chỉ có một loại chuỗi nhẹ Kappa. Có rất nhiều gen vùng V (khoảng 250) mỗi gen có exon chính và một exon V. Trong gia đình gen kappa có một số exon J nằm giữa gen V và C. Tất cả các exon được phân cách bởi các intron.

Sắp xếp lại gen và biểu lộ gen

Khi một tế bào biệt hóa thành tế bào lympho B trưởng thành, nó sẽ tổng hợp ra một chuỗi nhẹ, có sự sắp xếp lại các gen (exon) và gen này bắt đầu được biểu hiện được mô tả trong Hình 2.

Khi một tế bào trở thành tế bào B, nó sẽ tạo ra một chuỗi nhẹ và có sự sắp xếp lại các gen ở mức độ DNA sao cho một trong những gen V được đưa đến bên cạnh một gen của các vùng J. Điều đó xuất hiện nhờ sự tái tổ hợp bằng cách loại bỏ intron giữa các vùng V và J. Việc lựa chọn gen V nào là hoàn toàn ngẫu nhiên; có một số ưu tiên cho việc sử dụng các gen V gần nhất với vùng J. Tuy nhiên, cùng với thời gian tất cả các gen V có thể được sử dụng và tất cả các phối hợp của các gen V và các vùng J được thực hiện.

Kết quả của sự sắp xếp lại DNA này là gen trở nên hoạt hóa phiên mã vì promoter (P) liên quan đến gen V được đưa gần với chất kích hoạt (E), nằm trong intron giữa các vùng J và C. Khi phiên mã bắt đầu từ promoter, tiền mRNA được tổng hợp có chứa các trình tự nucleotid từ các vùng L, V J và C cũng như trình tự của intron giữa L và V và giữa J và C (Hình 2). Tiền mRNA này được xử lý (spliced) trong nhân tế bào và các intron còn lại được loại bỏ. Cuối cùng mRNA sẽ có các exon L, V J và C tiếp giáp nhau.

mRNA được dịch mã ở bào tương và chất dẫn đầu được gỡ bỏ khi protein được vận chuyển vào lumen của lưới nội chất. Chuỗi nhẹ được lắp ráp với một chuỗi nặng trong lưới nội chất và kháng thể được tiết ra thông qua con đường tiết protein bình thường. Vùng V của chuỗi nhẹ trưởng thành được mã hoá bởi trình tự nucleotid trong gen V và vùng J và vùng C bởi các trình tự trong gen C.

GIA ĐÌNH GEN CHUỖI NẶNG

Tổ chức gen dòng mầm Sự tổ chức các gen chuỗi nặng được mô tả trong Hình 3.

Trong gia đình gen chuỗi nặng có nhiều gen C, một gen cho mỗi lớp và dưới lớp của kháng thể. Trên thực tế mỗi một gen của các gen vùng C bao gồm một số exon, một exon cho mỗi domain và một exon khác cho vùng bản lề. Trong gia đình gen chuỗi nặng có nhiều gen vùng V, mỗi gen được hình thành bởi một gen dẫn đầu và exon V. Ngoài một số exon J, gia đình gen chuỗi nặng cũng có chứa một vài exon được gọi là exon D (diversity:đa dạng). Tất cả các exon được phân cách bởi các intron như mô tả trong Hình 3.

Sự tái sắp xếp và biểu lộ gen

Khi một tế bào biệt hóa thành một tế bào B trưởng thành sẽ sản xuất một chuỗi nặng, có một sự sắp xếp lại các đoạn gen khác nhau (exon) và gen này bắt đầu được biểu lộ như mô tả trong hình 4 và 5.

Hình 5 Tiền mRNA được xử lý (cắt và ghép) ở nhân tế bào và các intron còn lại được loại bỏ, bao gồm cả những intron nằm giữa các exon của các gen C

Khi một tế bào trở thành một tế bào B sản xuất một chuỗi nặng, có hai sự sắp xếp lại ở mức độ ADN. Trước tiên, một trong những vùng D được đưa đến bên cạnh một trong những vùng J và sau đó một trong những gen V được đưa đến bên cạnh khu vực DJ đã được sắp xếp lại. Điều này xảy ra bởi hai sự kiện tái tổ hợp trong đó loại bỏ các intron giữa các vùng V, D và J. Cùng với các chuỗi nhẹ, sự lựa chọn của gen V chuỗi nặng không phải là hoàn toàn ngẫu nhiên nhưng cuối cùng tất cả các gen V có thể được sử dụng.

Kết quả của sự tái sắp xếp lại DNA này là gen sẽ trở nên hoạt hóa phiên mã nhờ một promoter (P) (liên kết với các gen V) được đưa lại gần một chất tăng cường (E), nó nằm trong intron giữa vùng J và Cmu . Khi phiên mã được bắt đầu từ một promoter, tiền mRNA được tổng hợp có trình tự của các vùng L, V, D, J Cmu và Cdelta cũng như trình tự của các intron giữa L và V, giữa J và Cmu, và giữa Cmu và Cdelta (Hình 4).

Tiền mRNA được xử lý (cắt ghép) trong nhân tế bào và các intron còn lại, bao gồm cả intron giữa các exon trong gen C đều bị loại bỏ (xem Hình 5). Tiền mRNA có thể được xử lý theo hai cách, một là mang VDJ đến bên cạnh gen Cmu và hai là mang VDJ lại cạnh gen Cdelta. Các mRNA cuối cùng có các exon liền kề L, V, D, J và Cmu hoặc Cdelta và sẽ mã hóa cho một chuỗi mu và một chuỗi delta một cách tương ứng. Các mRNA được dịch mã trong bào tương và chất dẫn đầu được cắt bỏ khi protein được vận chuyển vào trong lumen của mạng lưới nội chất. Chuỗi nặng được lắp ráp với một chuỗi nhẹ trong mạng lưới nội sinh chất và kháng thể được tiết ra qua con đường tiết protein thông thường. Khu vực V của chuỗi nặng trưởng thành được mã hoá theo trình tự trong gen V, vùng D và vùng J, và vùng C bởi trình tự trong gen C.irs

CƠ CHẾ TÁI SẮP XẾP DNA

Nằm bên cạnh các exon V, J và D, có một trình tự gen độc nhất được gọi là trình tự tín hiệu tái tổ hợp (RSS), có chức năng tái tổ hợp. Mỗi RSS có một nonamer và một heptamer bảo tồn được phân cách bởi 12bp hoặc 23bp như minh họa trong Hình 6. Các khoảng 12bp và 23bp tương ứng với một hoặc hai chu kỳ của chuỗi xoắn DNA.

Tái tổ hợp chỉ xảy ra giữa tín hiệu lượt 1 và tín hiệu lượt 2. Trong trường hợp của chuỗi nhẹ λ có 1 lượt tín hiệu ngược dòng của exon J và tín hiệu lượt 2 xuôi chiều của Vlambda. Trong trường hợp của các chuỗi nhẹ κ có 1 lượt tín hiệu xuôi chiều của gen Vkappa và một tín hiệu ngược chiều lượt 2 của các exon J. Trong trường hợp của các chuỗi nặng có các tín hiệu lượt 1 tác động trên mỗi bên của các exon D và một tín hiệu xuôi chiều lượt 2 của gen V và một tín hiệu ngược chiều lượt 2 của các exon J. Vì vậy, điều đó đảm bảo rằng các sự kiện tái tổ hợp chính xác sẽ xảy ra.

Sự kiện tái tổ hợp dẫn đến việc loại bỏ các intron giữa V và J trong trường hợp của các chuỗi nhẹ hoặc giữa các V, D, và J trong trường hợp của các chuỗi nặng. Sự kiện tái tổ hợp được thực hiện bởi hai protein, Rag-1 và Rag-2. Những đột biến gen của các protein này sinh ra một bệnh suy giảm miễn dịch phối hơp nặng (cả các tế bào T và B đều suy giảm), vì các protein này và các RSS có liên quan đến hình thành thụ thể đối với kháng nguyên của cả tế bào B và T.

Hình 8 Trình tự biểu lộ gen Ig - Chuỗi nhẹ

Một tế bào B chỉ sản xuất một loại chuỗi nhẹ và một lớp chuỗi nặng. (Lưu ý: Có một ngoại lệ là một tế bào B trưởng thành có thể sản xuất cả hai chuỗi nặng μ và δ nhưng tính đặc hiệu của kháng thể là tương tự vì các vùng tương tự VDJ được phát hiện ở các chuỗi μ và δ). Vì bất kỳ tế bào B nào có cả hai nhiễm sắc thể của mẹ và cha mà mã cho các gen kháng thể phải có một số trật tự, trong đó một tế bào biểu lộ gen kháng thể của nó phải đảm bảo rằng chỉ có một loại chuỗi nhẹ và một lớp chuỗi nặng được sản xuất.

Thứ tự các gen globulin miễn dịch được biểu hiện trong một tế bào B được mô tả trong Hình 7 và 8.

Chuỗi nặng (Hình 7) Trước hết một tế bào sẽ sắp xếp lại một trong những gen chuỗi nặng của nó; trong một số tế bào nhiễm sắc thể của người mẹ được chọn và ở những tế bào khác khác nhiễm sắc thể người cha được chọn. Nếu sự tái sắp xếp thành công thì sẽ tạo ra một chuỗi nặng, sau đó sẽ không có sự tái sắp xếp nào nữa ở các gene chuỗi nặng. Mặt khác, nếu nỗ lực đầu tiên để sắp xếp chuỗi gen nặng không thành công (tức là không có chuỗi nặng được sinh ra), sau đó tế bào sẽ cố gắng sắp xếp gen chuỗi nặng trên nhiễm sắc thể khác của nó. Nếu tế bào không thành công việc sắp xếp lại các gen chuỗi nặng lần thứ hai, đó là định mệnh sẽ được loại bỏ.

Chuỗi nhẹ Kappa (Hình 8)

Khi một tế bào tái sắp xếp thành công một gen chuỗi nặng, nó bắt đầu tái sắp xếp một trong những gen chuỗi nhẹ kappa. Nó là một sự kiện ngẫu nhiên, chuỗi nhẹ kappa từ mẹ hoặc từ cha sẽ được chọn. Nếu sự tái sắp xếp không thành công (tức là nó không tạo ra một chuỗi nhẹ kappa có chức năng), sau đó nó cố gắng tái sắp xếp các gen kappa trên nhiễm sắc thể khác. Nếu tế bào tái sắp xếp thành công một gen chuỗi nhẹ kappa, nó sẽ là một tế bào B sản xuất một kháng thể với một chuỗi nhẹ kappa.

Chuỗi nhẹ Lambda (Hình 8)

Nếu một tế bào tái xếp cả hai gen chuỗi nhẹ kappa của nó không thành công, nó sẽ cố gắng để thực hiện một chuỗi nhẹ lambda. Nó là một sự kiện ngẫu nhiên, gen chuỗi nhẹ lambda từ người mẹ hoặc từ người cha được chọn. Nếu tái sắp xếp không thành công (tức là nó không tạo ra một chuỗi nhẹ lambda có chức năng) thì nó cố gắng tái sắp xếp các gen lambda trên nhiễm sắc thể khác. Nếu tế bào tái sắp xếp thành công một gen chuỗi nhẹ lambda, nó sẽ là một tế bào B sản xuất một kháng thể với một chuỗi nhẹ lambda.

Trình tự tái sắp xếp các gen trong các gia đình gen kháng thể giải thích:

• Tại sao một tế bào B riêng lẻ chỉ có thể sản xuất một loại kháng thể với một loại chuỗi nặng và một loại chuỗi nhẹ.
• Tại sao một tế bào B riêng lẻ chỉ có thể sản xuất các kháng thể có tính đặc hiệu duy nhất.
• Tại sao có loại trừ allel trong kháng thể allotyp ở mức độ phân tử kháng thể riêng rẽ, nhưng biểu hiện đồng trội của allotyp trong cơ thể nói chung.

NGUỒN GỐC SỰ ĐA DẠNG CỦA KHÁNG THỂ

Cơ sở

Sự đa dạng của kháng thể được cho là tổng số tất cả sự đặc hiệu của kháng thể mà một cơ thể tạo ra. Người ta ước tính rằng cơ thể chúng ta có thể sản xuất 107-108 phân tử kháng thể khác nhau. Một trong những câu hỏi quan trọng trong miễn dịch học là làm thế nào mà cơ thể chúng ta có thể sản xuất rất nhiều phân tử kháng thể khác nhau đó. Các giả thuyết giải thích về nguồn gốc của sự đa dạng kháng thể được xếp vào hai loại chính.

Thuyết dòng mầm

Lý thuyết này cho rằng cơ thể chúng tai có một gen vùng V khác nhau cho mỗi kháng thể có thể được sản xuất.

Thuyết đột biến tế bào thân (soma)

Thuyết này cho rằng cơ thể chúng ta chỉ có một hoặc một vài gen vùng V và sự đa dạng được tạo ra bởi những đột biến soma xảy ra trong những gen này.

Khái niệm hiện tại Suy nghĩ hiện tại của chúng ta là cả hai thuyết dòng mầm và thuyết đột biến soma đều có lý. Người ta cho rằng tính đa dạng kháng thể được tạo ra bởi các cơ chế sau đây.

1. Một số lượng lớn các gen V

Hiện có:

a) 30 gen V lambda b) 300 gen V kappa c) 1000 gen V chuỗi nặng

2. Liên hợp V-J và V-D-J Các vùng nơi mà các gen chuỗi nhẹ V và vùng J hoặc gen V chuỗi nặng và vùng D và J kliên kết với nhau là vùng siêu biến thứ ba. Khi mà ngẫu nhiên V, J hay D liên kết với nhau, có rất nhiều tính đa dạng có thể được tạo ra bởi liên kết V-J và V-D-J.

3. Phối hợp đa dạng (không chỉ trong tái tổ hợp V-J và V-D và D-J) - (Hình 9)

Tái tổ hợp giữa V-J và V-D-J không phải lúc nào cũng hoàn thiện và sự đa dạng có thể phát sinh do lỗi xảy ra trong trường hợp tái tổ hợp đó sẽ đem vùng V đến bên cạnh các vùng J hoặc D, hoặc vùng D sát vùng J. Người ta ước tính rằng những sai sót có thể gấp ba lần sự đa dạng được tạo ra bởi liên hợp V-J và V-D-J. Sự đa dạng được tạo ra bởi cơ chế này đang xảy ra ở vùng siêu biến thứ ba và do đó ảnh hưởng trực tiếp đến các vị trí kết hợp của kháng thể.

4. Chèn vùng N

Có một đoạn nucleotid chèn vào nơi tiếp giáp giữa các mảnh D và J được xúc tác bởi enzyme terminal transferase. Terminal transferase xúc tác sự trùng hợp ngẫu nhiên của các nucleotide trong DNA mà không cần một bản làm khuôn mẫu. Điều này dẫn đến sự đa dạng hơn nữa trong khu vực siêu biến thứ ba.

5. Đột biến tế bào soma

Có bằng chứng cho rằng đột biến soma đang xảy ra trong gen V, đặc biệt là ở nơi mà mã hóa cho các vùng siêu biến thứ hai. Vì vậy, đột biến soma có thể góp phần vào sự đa dạng kháng thể với mức độ nào đó.

6. Kết hợp tổ hợp

Bất kể tế bào B nào cũng có khả năng sản xuất bất kỳ một trong những chuỗi nặng và chuỗi nhẹ. Như vậy, sự kết hợp khác nhau của chuỗi nặng và nhẹ trong một tế bào B sẽ bổ sung thêm sự đa dạng hơn nữa.

7. Đa đặc hiệu

Do phản ứng chéo giữa các quyết định kháng nguyên của cấu trúc tương tự, một kháng thể thường có thể phản ứng với hơn một quyết định KN. Điều này được gọi là đa đặc hiệu. Đa đặc hiệu cũng góp phần vào sự đa dạng của kháng thể.

Ví dụ về cơ chế làm thế nào để có thể tạo ra sự đa dạng lớn được minh họa dưới đây:

Những tính toán này không tính đến sự góp mặt của các chuỗi nhẹ lambda, sự đa dạng đột biến kết hợp soma, chèn khu vực N hoặc đa đặc hiệu. Quá trình tái sắp xếp gen của các chuỗi nặng và nhẹ và sự kết hợp tổ hợp của các chuỗi này xảy ra trong quá trình phát triển tế bào B và không phụ thuộc vào kháng nguyên. Dòng tế bào B biểu lộ tất cả các tính đặc hiệu kháng thể có thể, được sản xuất trong quá trình phát triển và kháng nguyên chỉ cần chọn những dòng mà có các thụ thể thích hợp. Các dòng được chọn lọc sau đó được hoạt hóa, tăng sinh và biệt hóa thành các tế bào tương bào sản xuất kháng thể.

THỤ THỂ KHÁNG NGUYÊN CỦA TẾ BÀO T

Các tế bào T cũng có một thụ thể kháng nguyên trên bề mặt của chúng. Thụ thể này không phải là một phân tử kháng thể nhưng nó bao gồm hai chuỗi polypeptid khác nhau mà có các vùng hằng định và thay đổi tương tự như các kháng thể. Sự đa dạng của các thụ thể tế bào T cũng được tạo ra cùng một cách như mô tả đối với sự đa dạng kháng thể (ví dụ bằng cách liên kết VJ và VDJ của các phân đoạn gen và liên kết tổ hợp). Tuy nhiên, không có đột biến soma đã được quan sát thấy trong các tế bào T.

Trở về phần Miễn dịch của Vi khuẩn học và Miễn dịch học online