Продемонстрированные Тонегавой V(D)J-nepecтройки (случайное использование примерно 100 V-генов, 20 D-генов и 4 J-генов и случайное объединение тяжелых и легких цепей для образования гетеродимерного связывающего центра) дают возможность продуцировать большое потенциальное разнообразие белков из сравнительно небольшого количества генетического материала. Кроме того, иногда слияние V, D, и J приводит к добавлению или потере оснований, увеличивая, таким образом, разнообразие.
Разобравшись в этих молекулярных процессах, мы можем теперь задать два очень важных вопроса. Почему В-лимфоцит производит антитела только одной специфичности? Почему соматические мутации (в В-лимфоцитах) возникают преимущественно в перестроенном V(D)J-участке?
Все соматические клетки (клетки тела) имеют двойной набор хромосом, один набор от матери, другой от отца. Такие клетки называются диплоидными. Сперматозоиды и яйцеклетки имеют только по одному набору хромосом (они гаплоидны). Оплодотворение, слияние сперматозоида и яйцеклетки, восстанавливает диплоидное состояние. Кроме половых хромосом (X и Y), все другие хромосомы диплоидного набора разбиваются на пары с очень похожими ДНК-последовательностями. По мере созревания В-лимфоцита начинается перестройка V-, D- и J-элементов. Успешная V(D)J-перестройка в одной хромосоме посылает сигнал, который выключает активность RAG-ферментов и препятствует перестройке в гомологичной хромосоме. Вот, в принципе, ответ на первый вопрос. Дальнейшие детали мы не рассматриваем.
Второй вопрос, почему мутации ограничиваются V(D)J-участком, чрезвычайно важен для обсуждения обратной связи между сомой и зародышевой линией, которая составляет главную тему этой книги. Мы подробно расскажем об этом в следующей главе. Здесь подчеркнем лишь некоторые общие принципы. Если мутации в вариабельной области антитела могут оказаться полезными, то мутации в константной области, скорее всего, вредны, так как они могут нарушить эффекторные функции антитела, запуск лизиса бактериальных клеток или стимулирование фагоцитоза (рис. 3.1). Разделение V- и С-участков позволило эволюции создать механизм, который обеспечивает мутации в V-участке, но сохраняет С-участок неизменным. Вот что происходит в В-лимфоците на определенных стадиях его жизни. Перестроенный V(D)J-ген может подвергаться очень высокому уровню соматических мутаций, и новое антитело оценивается по способности связывать антиген (см. следующую главу). Антитела с самой высокой аффинностью к чужеродному антигену выигрывают в отборочных соревнованиях за связывание антигена, сохраняются и становятся долго живущими клетками памяти. В-лимфоцит проиграет соревнование, если мутация уменьшает или уничтожает аффинность; такие клетки погибают. В-лимфоциты, кодирующие антитела, которые связывают собственные антигены, также уничтожаются, и, следовательно, сохраняется аутотолерантность.
Сейчас мы хорошо понимаем, как иммунная система может кодировать миллионы специфических антител, и что тем не менее все еще имеется достаточно ДНК для всех остальных генов, необходимых клетке и многоклеточному организму. Простыми вычислениями можно показать возможности зародышевой линии:
• у мыши или человека в конфигурации зародышевой линии Н-цепи закодировано примерно 100 V-элементов, примерно 20 D-элементов и 4 J-элемента. В соответствии с моделью случайных перестроек это может дать 100 х 20 х 4 = 8000 возможных Н-белковых цепей;
• конфигурация зародышевой линии главного генного кластера, определяющего L-цепь, кодирует примерно 100 V-элементов и 4 J-элемента, что может дать 100 х 4 = 400 возможных L-белковых цепей;
• таким образом, общее число возможных HL-белковых гете-родимеров, при условии, что все Н + L образуют жизнеспособные антитела, равно 8000 х 400 = 3,2 х 106, или примерно 3 миллиона специфичных антител.
В этих вычислениях не учитывается дополнительное разнообразие, возникающее в результате добавлений или потерь оснований в процессе слияния V(D)J.
Сколько же из этих 3 млн. потенциальных антител используется? Ответ прост — мы не знаем. Однако нам известно, что около половины V-элементов никогда не участвуют в образовании антитела (то есть обнаружено, что они не перестраивались в В-клетках). Род Лангман (Langman) и Мелвин Кон теоретически рассмотрели один фактор, который ограничивает репертуар антител. У мыши примерно 50 миллионов В-клеток. Если случайный репертуар из 3 млн. антител разных специфичностей равномерно распределен по 50 миллионам В-клеток, то среднее число клеток с данным антителом должно быть равно примерно семнадцати. При острой бактериальной инфекции для того чтобы победить в суровой борьбе с быстро размножающимися бактериями, иммунная система должна выработать большое количество антител с достаточной авидностью, чтобы уничтожать больше бактерий, чем их образуется при размножении. Так как бактерии могут делиться чаще, чем один раз в час, а В-клетки затрачивают по крайней мере 5—6 часов на деление, это соревнование может быть выиграно только при условии, что начальное число В-клеток, связывающих эти бактерии, велико. Другие критические факторы — это скорость образования белка антитела в В-клетках и их физическая локализация относительно места инфекции. Чем ближе они находятся, тем выше локальная концентрация антител и больше скорость уничтожения инфекции. Эти ограничения заставили Лангмана и Кона предположить, что начальный репертуар функциональных антител (до соматического мутирования) должен быть меньше потенциального репертуара. Они полагают, что разнообразие у мышей — около 10 тыс. специфичностей, что дает в среднем по 5 тыс. В-клеток на специфичность.