V(D)J rekombinacija

V(D)J rekombinacija je jedinstven mehanizam geneičke rekombinacije koji se javlja samo u razvoju limfocita tokom rane faze sazrevanja T- i B-ćelija. To uključuje somatsku rekombinaciju, a rezultira vrlo raznolikim repertoarom antitijela/imunoglobulina (Ig) i T-ćelijskih receptora (TCR) koji se nalaze u običnim ćelijama, odnosno i T-ćelijama. Proces je definirajuće obilježje adaptivnog imunskog sistema.

V(D)J rekombinacija događa se u primarnim limfoidnim organima (koštana srž za B ćelije i timus za T-ćelije) i na gotovo slučajni način preuređuje varijablu (V), spajajući se sa (J) i u nekim slučajevima raznolikosti (D) genskih segmenata. Proces u konačnici rezultira novim sekvencama aminokiselina u antigen-veznim regijama Ig-a i TCR-a koji omogućavaju prepoznavanje antigena iz gotovo svih patogena, uključujući bakterije, viruse, parazitie i nematode, kao i "izmenjene autoćelije" kao što je prikazano u karcinomima. Prepoznavanje može biti i alergijska u prirodi (npr. od polena ili drugih alergena) ili može odgovarati tkivima domaćina i dovesti do autoimunosti.

Za ovo otkriće Susumu Tonegawa je 1987. dobio Nobelovu nagradu za fiziologiju ili medicinu.[1] (“za njegovo otkriće genetičkog principa za stvaranje raznolikosti antitijela”)

PozadinaUredi

Ljudske molekule antitijela (uključujući B-ćelijski receptor) sačinjene su od teških i lahkih lanaca, od kojih svaki sadrži i konstantnu (C) i promenivu (V) regiju, genetički kodiranu sa tri lokusa:

Svaki gen teškog ili lahkog lanca sadrži višestruke kopije tri različita tipa genskih segmenata za varijabilne regije proteina za antitijela. Naprimjer, područje teškog lanca ljudskog imunoglobulina sadrži dva segmenta konstante (Cµ i Cδ) i 44 varijabilna (V) genska segmenta,[2] plus 27 diverznih (D) genskih segmenata 6 vezivnih (J).[3] Lahki lanci također posjeduju 2 konstantna (Cμ i Cδ) segmenta gena i brojne V i J segmente, ali nemaju D genske segmente. Preuređenje DNK uzrokuje da jedna kopija svakog tipa genskog segmenta ode u bilo koji limfocit, stvarajući ogroman repertoar antitijela; otprilike su moguće 3 × 1011 kombinacia, iako su neke uklonjene zbog samoreaktivnosti.

Većina T-ćelijskih receptora sačinjena je od alfa- i beta lanca. Receptorni geni T-ćelija su slični genima imunoglobulina po tome što i oni sadrže više segmenata gena V, D i J u svojim beta lancima (i V i J segmente gena u alfa lancima) koji su tokom razvoja limfocita preuređeni da osiguraju toj ćeliji jedinstveni antigenski receptor. T-ćelijski receptor u tom je smislu topološki ekvivalent fragmentu koji veže antigen, a oba su dio superporodice imunoglobulina. Neuspjeh ćelije da stvori uspješan proizvod koji ne reagira sam, vodi do apoptoze. Autoimunost se sprečava eliminacijom limfocita koji sami reagiraju u timusu, testirajući ih na niz vlastitih antigena izraženih funkcijom Aire. Lokus lahkog lakog imunoglobulina sadrži kodirajuće gene za proteine koji se mogu preusmjeriti. To se temelji na fiziološkom mehanizmu i nije patogenetsko za leukemiju ili limfom.

ImunoglobuliniUredi

 
Pojednostavljeni pregled V (D) J rekombinacije teških lanaca imunoglobulina

Teški lanacUredi

U ćeliji u razvoju, prvi događaj rekombinacije koji se dogodi je između jednog D i jednog J genskog segmenta u lokusu teškog lanca. Bilo koja DNK između ova dva genska segmenta se deletira. Nakon ove D-J rekombinacije slijedi spajanje jednog genskog segmenta V, iz regije uzvodno od novoformiranog DJ kompleksa, tvoreći preuređeni VDJ genski segment. Svi ostali segmenti gena između V i D su tada izbrisani iz ćelijskog genoma. Primarni transkript se prerađuje (nereplicirana RNK) koja sadrži VDJ regiju teškog lanca i stalne lance mu i delta (Cμ i Cδ) (tj. primarni transkript sadrži segmente: -D-J-Cμ-Cδ). Primarna RNK se obrađuje tako da se nakon lanca Cμs i lanca Cμ doda poliadenilirani rep (poli-A) i ukloni se sekvenca između VDJ segmenta i ovog segmenta konstantnog gena. Translacija ove iRNK dovodi do stvaranja IgM proteina teškog lanca.

Lahki lanacUredi

Lanci kappa (κ) i lambda (λ) imunolobulinskog lokusa lahkog lanca preuređuju se na vrlo sličan način, osim što ivaj lanac nema D segment. Drugim riječima, prvi korak rekombinacije za lahke lance uključuje spajanje lanaca V i J kako bi se dobio VJ kompleks, prije dodavanja gena sa stalnim lancem tokom primarne transkripcije. Translacija prerađene iRNK za kappa ili lambda lance rezultira formiranjem proteina lahkog lanca Ig κ ili Ig λ. Sastavljanje teškog lanca Ig µ i jednog od lahkih lanaca rezultira stvaranjem membranskog oblika imunoglobulina IgM koji se izražava na površini nezrele B-ćelije.

Receptori T-ćelijeUredi

Tokom razvoja timocita, lanci T-ćelijskog receptora (TCR) uglavnom prolaze istu sekvencu uređenih rekombinacija kao što je opisana za imunoglobuline. D-do-J rekombinacija prvo se javlja u β-lancu TCR. Ovaj postupak može uključivati ili spajanje segmenta Dβ1 u jedan od šest J β1 segmenata ili spajanje Dβ2 genskog segmenta do jednog od šest Jβ2 segmenata.[4] DJ recombinacija pračena je (kao I gore) rearanžmanima Vβ-do-DβJβ. Svi genski segmenti između Vβ-Dβ-Jβ segmenata u novoformiranom kompleksu deletirani su, a stvoreni primarni transkript ugrađuje gen konstantnog domena (Vβ-Dβ-Jβ-Cβ). Transkripcija iRNK razdvaja bilo koju intervenirajuz sekvencu i omogućava translaciju proteina pune dužine za TCR β-lanac.

Preuređenje alfa (α) lanca TCR slijedi rearanžman β-lanca, a podsjeća na V-J-preuređenje opisano za lahke lance Ig (vidi gore). Sastavljanje β- i α-lanaca rezultira formiranjem αβ-TCR koji se ispoljava na većini ćelija.

MehanizamUredi

Ključni enzimi i komponenteUredi

Proces V(D)J rekombinacije posreduje VDJ rekombinaza, koja predstavlja raznoliku kolekciju enzima. Odlučujući uključeni enzimi su rekombinacijski aktivirajući geni 1 i 2 (RAG), terminalna deoksinukleotidil-transferaza (TdT) i Artemis nukleaza, član sveprisutnog vezanja nehomologinog kraja (NHEJ) puta za reparaciju DNK.[5] Poznato je da je još nekoliko enzima umiješano u ovaj process, uključujući protein-kinazu ovisnu o DNK (DNK-PK), rentgenski popravak unakrsnog komplementacijskog proteina 4 (XRCC4), DNK ligaza IV, faktor 1 nehomolognog spajanja krajeva (NHEJ1; poznat i kao Cernunnos ili faktor sličan XRCC4 [XLF]), nedavno otkriveni paralog XRCC4 i XLF (PAXX) i DNK polimeraze λ i μ. Neki uključeni enzimi specifični su za limfocite ( npr. , RAG, TdT), dok se drugi nalaze u drugim tipovima ćelija, pa su čak i sveprisutni ( npr. , NHEJ komponente).

Da bi se održala specifičnost rekombinacije, V(D)J rekombinaza prepoznaje i veže se za sekvence rekombinacije signala (RSS) uz bokove segmenata gena za varijabilne (V), raznolike (D) i spajajuće (J) komponente. RSS su sačinjeni od tri elementa: heptamera od sedam sačuvanih nukleotida, razmaknute regije dužine 12 ili 23 bazna para i par od devet sačuvanih nukleotida. Iako se redoslijed većine RSS-ova razlikuje u sekvencama, nizovi konsenzusnih heptamera i nonamera su CACAGTG, odnosno ACAAAAACC; a iako je sekvenca razmaknute regije slabo očuvan, dužina je sasvim konzervirana.[6][7][8] Dužina razmaknute regije odgovara otprilike jednom (12 baznih parova) ili dva zavoja (23 osnovna para) DNK spirale. Slijedom onoga što je poznato kao Pravilo 12/23, segmenti gena koji se trebaju rekombinirati obično su povezani s RSS-ovima različite dužine razmaka (tj. , jedan ima "12RSS", a drugi "23RSS").[9] Ovo je veoma važno svojstvo u regulaciji V(D)J rekombinacije.[10]

ProcesUredi

V(D)J rekombinacija započinje kada V(D)J rekombinaza (kroz aktivnost RAG1) veže RSS koji povezuje segment kodirajućeg gena (V, D ili J) i stvara jednolančani urez u DNK između prve baze RSS ( neposredno prije heptamera) i kodirajućeg segmenta. Ovo je u osnovi energetski neutralno (nema potrebe za hidrolizom ATP) i rezultira formiranjem slobodnog niza 3 'hidroksilna grupa i 5' fosfatna grupa na istom lancu. Reaktivna hidroksilna grupa smještena je putem rekombinaze da napadne fosfodiestersku vezu suprotnog lanca, formirajući dva kraja DNK: ljepljivi i tupi kraj, na signalnom segmentu.[11] Postojeći model je takav da se zarezivanje DNK i oblikovanje petlje događaju na obje strane istovremeno (ili gotovo tako) u kompleksu poznatom kao rekombinacijski centar.[12][13][14][15]

Tupi krajevi signala se zajedno povezuju da bi se stvorio kružni dio DNK koji sadrži sve intervenirajuće sekvence između kodirajućih segmenata, poznatih kao signalni spoj (iako je prirodno kružnog oblika, ne smije miješati sa plasmidom) . Iako se izvorno mislilo da se gubi tokom uzastopnih ćelijskih dioba, postoje dokazi da signalni zglobovi mogu ponovno ući u genom i dovesti do patoloških pojava, aktiviranjem onkogena ili prekidom funkcije tumorskog supresorskog gena. Kodirajući krajevi obrađuju se dalje prije vezanja pomoću nekoliko događaja koji u konačnici dovode do raznolikosti povezivanja.[16] Prerada započinje kada se DNA-PK veže za svaki slomljeni kraj DNK i aktivirta nekoliko drugih proteina, uključujući Artemis, XRCC4, DNK ligazu IV, Cernunnos i nekoliko DNK polimeraza.[17] DNA-PK formira kompleks koji dovodi do njegove autofosforilacije, što rezultira aktiviranjem Artemis-a. Petlje za kodiranje na kraju otvaraju se njegovim aktivnostima.[18] Ako se otvore u centru, rezultirat će tupim krajem DNK; međutim, u mnogim slučajevima otvor je "izvan centralnogg mjesta" i rezultira dodatnim bazama koje ostaju na jednom lancu. Oni su poznati kao palindromski (P) nukleotidi zahvaljujući palindromskoj prirodi sekvence koja nastaje kada enzimi za popravak DNK razriješe prekrivanje.[19] Proces otvaranja petlji putem Artemis-a presudan je korak V(D)J rekombinacije i neispravan je kod teškog kombiniranog imunodeficijencijskog modela miša.

Dalje, XRCC4, Cernunnos i DNK-PK poravnavaju krajeve DNK i aktivirajuju terminalnu deoksinukleotidil-transferazu (TdT), DNK polimerazu koja ne ovisi o šablonu i koja dodaje kodiranom kraju neplastirane (N) nukleotide. Dodatak je uglavnom slučajan, ali TdT pokazuje sklonost prema nukleotidima G/C.[20] As with all known DNA polymerases, the TdT adds nucleotides to one strand in a 5' to 3' direction.[21] Konačno, egzonukleaze mogu ukloniti baze s krajeva kodiranja (uključujući bilo koji P ili N nukleotid koji je možda nastao). DNK polimeraza λ i μ zatim ubacuju dodatne nukleotide da bi bila oba kraja kompatibilna za spajanje. Ovo je stohastički proces, pa može doći do bilo kakve kombinacije dodavanja nukleotida P i N i uklanjanja egzonukleolitida (ili uopće). Na koncu, obrađeni krajevi kodiranja se ligiraju zajedno DNK ligazom IV.[22]

Svi ovi događaji u preradi rezultiraju u antigen-vezujućoj regiji koja je vrlo varijabilna, čak i kada se isti genski segmenti rekombiniraju. V(D)J rekombinacija omogućava stvaranje imunoglobulina i T-ćelijskih receptora na antigene s kojima se prethodno nisu morali sresti ni organizam ni njegov predak, omogućavajući adaptivni imunoski odgovor na nove pathogene koji se razvijaju ili na one koji se često mijenjaju (npr., sezonska gripa). Međutim, glavno upozorenje u ovom procesu je da sekvenca DNK mora ostati u okviru, kako bi se održao ispravan niz aminokiselina u konačnom proizvodu proteina. Ako je rezultirajuća sekvenca izvan okvira, razvoj ćelije će biti zaustavljen i ona neće preživjeti do zrelosti. V(D)J rekombinacija je, dakle, vrlo zahtjevan proces koji mora biti strogo reguliran i kontroliran.

Također pogledajteUredi

ReferenceUredi

  1. ^ "The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1987". nobelprize.org. Pristupljeno 26. 12. 2014.
  2. ^ Matsuda, F; Ishii, K; Bourvagnet, P; Kuma, K; Hayashida, H; Miyata, T; Honjo, T (1998). "The complete nucleotide sequence of the human immunoglobulin heavy chain variable region locus". The Journal of Experimental Medicine. 188 (11): 2151–62. doi:10.1084/jem.188.11.2151. PMC 2212390. PMID 9841928.
  3. ^ Li A, Rue M, Zhou J, et al. (juni 2004). "Utilization of Ig heavy chain variable, diversity, and joining gene segments in children with B-lineage acute lymphoblastic leukemia: implications for the mechanisms of VDJ recombination and for pathogenesis". Blood. 103 (12): 4602–9. doi:10.1182/blood-2003-11-3857. PMID 15010366.
  4. ^ K. Abbas, Abul (2015). Cellular and Molecular Immunology, 8e. ELSEVIER. str. 192. ISBN 978-0323222754.
  5. ^ Ma, Yunmei; Lu, Haihui; Schwarz, Klaus; Lieber, Michael (septembar 2005). "Repair of Double-Strand DNA Breaks by the Human Nonhomologous DNA End Joining Pathway: the Iterative Processing Model". Cell Cycle. 4 (9): 1193–1200. doi:10.4161/cc.4.9.1977. PMID 16082219.
  6. ^ Malu, Shruti; Malshetty, Vidyasagar; Francis, Dailia; Cortes, Patricia (2012). "Role of non-homologous end joining in V(D)J recombination". Immunologic Research. 54 (1–3): 233–246. doi:10.1007/s12026-012-8329-z. PMID 22569912.
  7. ^ Ramsden, Dale; Baetz, Kristin; Wu, Gillian (1994). "Conservation of Sequence in Recombination Signal Sequence Spacers". Nucleic Acids Research. 22 (10): 1785–1796. doi:10.1093/nar/22.10.1785. PMC 308075. PMID 8208601.
  8. ^ Cowell, Lindsay; Davila, Marco; Ramsden, Dale; Kelsoe, Garnett (2004). "Computational tools for understanding sequence variability in recombination signals". Immunological Reviews. 200: 57–69. doi:10.1111/j.0105-2896.2004.00171.x. PMID 15242396.
  9. ^ van Gent, Dik; Ramsden, Dale; Gellert, Martin (1996). "The RAG1 and RAG2 Proteins Establish the 12/23 Rule in V(D)J Recombination". Cell. 85 (1): 107–13. doi:10.1016/s0092-8674(00)81086-7. PMID 8620529.
  10. ^ Hiom, Kevin; Gellert, Martin (1998). "Assembly of a 12/23 Paired Signal Complex: a Critical Control Point in V(D)J Recombination". Molecular Cell. 1 (7): 1011–1019. doi:10.1016/s1097-2765(00)80101-x. PMID 9651584.
  11. ^ Schatz, David; Swanson, Patrick (2011). "V(D)J Recombination: Mechanisms of Initiation". Annual Review of Genetics. 45: 167–202. doi:10.1146/annurev-genet-110410-132552. PMID 21854230.
  12. ^ Schatz, David; Ji, Yanhong (2011). "Recombination Centres and the Orchestration of V(D)J Recombination". Nature Reviews Immunology. 11 (4): 251–263. doi:10.1038/nri2941. PMID 21394103.
  13. ^ Curry, John; Geier, Jamie; Schlissel, Mark (2005). "Single-Strand Recombination Signal Sequence Nicks in vivo: Evidence for a Capture Model of Synapsis". Nature Immunology. 6 (12): 1272–1279. doi:10.1038/ni1270. PMID 16286921.
  14. ^ Agrawal, Alka; Schatz, David (1997). "RAG1 and RAG2 Form a Stable Postcleavage Synaptic Complex with DNA Containing Signal Ends in V(D)J Recombination". Cell. 89 (1): 43–53. doi:10.1016/s0092-8674(00)80181-6. PMID 9094713.
  15. ^ Fugmann, Sebastian; Lee, AIfred; Shockett, Penny; Villey, Isabelle; Schatz, David (2000). "The RAG Proteins and V(D)J Recombination: Complexes, Ends, and Transposition". Annual Review of Immunology. 18: 495–527. doi:10.1146/annurev.immunol.18.1.495. PMID 10837067.
  16. ^ Lewis, Susanna (1994). The Mechanism of V(D)J Joining: Lessons from Molecular, Immunological, and Comparative Analyses. Advances in Immunology. 56. str. 27–150. doi:10.1016/s0065-2776(08)60450-2. ISBN 9780120224562. PMID 8073949.
  17. ^ Helmink, Beth; Sleckman, Barry (2012). "The response to and repair of RAG-mediated DNA double-strand breaks". Annual Review of Immunology. 30: 175–202. doi:10.1146/annurev-immunol-030409-101320. PMC 4038028. PMID 22224778.
  18. ^ Ma, Yunmei; Schwarz, Klaus; Lieber, Michael (2005). "The Artemis:DNA-PKcs Endonuclease Cleaves DNA Loops, Flaps, and Gaps". DNA Repair. 4 (7): 845–851. doi:10.1016/j.dnarep.2005.04.013. PMID 15936993.
  19. ^ Lu, Haihui; Schwarz, Klaus; Lieber, Michael (2007). "Extent to Which Hairpin Opening by the Artemis:DNA-PKcs Complex can Contribute to Junctional Diversity in V(D)J Recombination". Nucleic Acids Research. 35 (20): 6917–6923. doi:10.1093/nar/gkm823. PMC 2175297. PMID 17932067.
  20. ^ Gauss, George; Lieber, Michael (1996). "Mechanistic Constraints on Diversity in Human V(D)J Recombination". Molecular and Cellular Biology. 16 (1): 258–269. doi:10.1128/MCB.16.1.258. PMC 230999. PMID 8524303.
  21. ^ Benedict, Cindy; Gilfillan, Susan; Thai, To-Ha; Kearney, John (2000). "Terminal Deoxynucleotidyl Transferase and Repertoire Development". Immunological Reviews. 175: 150–157. doi:10.1111/j.1600-065x.2000.imr017518.x. PMID 10933600.
  22. ^ D.C. van Gent & M. van der Burg (2007). "Non-Homologous End-Joining, a Sticky Affair". Oncogene. 26 (56): 7731–7740. doi:10.1038/sj.onc.1210871. PMID 18066085.

Dopunska literaturaUredi

  • Hartwell LH, Hood L, Goldberg ML, Reynolds AE, Silver LM, Veres RC (2000). Chapter 24, Evolution at the molecular level. In: Genetics. New York: McGraw-Hill. str. 805–807. ISBN 978-0-07-299587-9.CS1 održavanje: koristi se parametar authors (link)
  • V(D)J Recombination. Series: Advances in Experimental Medicine and Biology, Vol. 650 Ferrier, Pierre (Ed.) Landes Bioscience 2009, XII, 199 p. ISBN 978-1-4419-0295-5

Vanjski linkoviUredi