Тонкая структура вариабельной области -структуры Ву-Кэбота

Тонкая структура вариабельной области -структуры Ву-Кэбота

Прежде, чем перейти к молекулярным и клеточным деталям процесса соматического мутирования, надо описать тонкую структуру вариабельной области, которая образует антигенсвязывающий центр антитела (ТкР имеют сходную структуру).

Почти 30 лет назад Элвин Кэбот (Kabat) с коллегами начали определять аминокислотные последовательности вариа-бельных областей антител человека. По мере того как накапливалась информация, Т. By (Wu) и Э. Кэбот смогли сравнить последовательности вариабельных областей тяжелых и легких цепей и построить график изменчивости аминокислот в каждом положении белковой цепи. Их результат, который называется графиком Ву—Кэбота, приведен на рис. 5.3. На этом графике выявляется три гипервариабельных участка, другие участки называются каркасными (FR, от англ. framework region). Гипервариабельные участки образуют поверхность, которая вступает в тесный контакт с поверхностью антигена. Каркасные участки составляют структурный скелет, или остов, V-областей антигенсвязывающего центра. В зависимости от природы антигена, поверхность антитела может быть разной: от относительно плоской с небольшими углублениями или выступами до глубоких «карманов», которые вмещают выступы поверхности антигена. Поверхность антитела высокой аффинности комплементарна поверхности антигена.

Рис. 5.3. График Ву-Кэбота.

График Ву—Кэбота показывает, что гипервариабельные участки вариабельной области Н- и L-цепей антител совпадают с антигенсвязываю-щими центрами, названными участками, определяющими комплементарность

В большом наборе антител человека разной специфичности относительную вариабельность рассчитывают для каждой из 100 позиций аминокислот вариабельной области тяжелых и легких цепей. Этот график показывает, что вариабельность не одинакова — выявляются три участка гипервариабельности (HV), между ними расположены участки с меньшей вариабельностью, названные каркасными сегментами (FR). Известно, что HV-участки совпадают с теми районами белковой цепи, которые вступают в непосредственный контакт с эпитопами антигена. Эти участки называются участками, определяющими комплементарность, или CDR. Нумерация начинается с левого конца молекулы (рис. 3.2), так что CDR3 расположен рядом с константной областью. Высоко неслучайная картина вариабельности, продемонстрированная By и Кэботом, свидетельствует о том, что вариабельные последовательности подвергаются положительному дарвиновскому отбору связыванием антигеном на уровне HL-гетеродимеров. Семейство V-генов всех позвоночных дает картину вариабельности Ву—Кэбота. См. табл. 3.1 и 5.1. (По J. Kuby. Immunology, 3rd edition. W. Н. Freeman & Co., 1997. Перепечатано с разрешения издателя. Основано на Е. A. Kabat et al. 1977. Sequence of Immunoglobulin Chains, US Department of Health Education and Welfare.)

Рис. 5.4. Соматическое мутирование и отбор мутантных клеток в центре размножения.

После отбора антигеном циркулирующей В-клетки активированная клетка будет или активнее секретировать антитело, или станет клеткой-основателем в центре размножения, где происходит мутирование V(D)J-reHOB вариабельной области. Антитела, образованные в начале ответа, формируют комплексы антиген — антитело, которые связываются с поверхностью фолликулярных дендритных клеток (ФДК). Эти анти-генпрезентирующие клетки образуют в центре размножения широкую мембранную сеть. После фазы быстрой пролиферации клеток (В-центробластов) меньшие по размеру неделящиеся В-центроциты проверяют свое мутантное антитело на связывание с антигеном, проявляющимся на ФДК. Если мутантное антитело не функционально или имеет низкую аффинность, клетка погибнет вследствие программированной гибели (апоптоза). Если у мутанта более высокая аффинность, чем у антитела, связанного с антигеном на поверхности ФДК, он вытесняет это антитело и связывает антиген. Это дает сигнал В-клетке, защищающий ее от гибели. Отобранная мутантная В-клетка покидает центр размножения и становится или плазматической клеткой (образующей и секретирующей антитела высокой аффинности), или долгоживущей клеткой памяти. Соматические мутанты данной У(0)и-последовательности аминокислот, проанализированные как на рис. 5.3, дают структуру By—Кэбота, свидетельствующую о том, что вариабельные области антител отбираются связыванием антигеном. (Перепечатано из Steele E. J. et al. Immuno-logical Reviews, vol. 135: 5-49,1993 с разрешения издателя Munksgaard International Publishers, Copenhagen.) Примечание: Ат — антитело, Аг — антиген, СЗb — активированный белок крови, который связывает Ат-Аг комплекс.

График Ву—Кэбота, следовательно, можно считать распределением аминокислот в вариабельных областях «успешных» антител, которые хорошо связываются с антигеном. В более поздних работах был построен график By—Кэбота для антител, которые возникли в результате соматических мутаций одной V-последовательности зародышевой линии в ответ на один антиген. Этот график ясно показывает, что изменчивость, появляющаяся в вариабельной области антитела, не случайна.

Если для какого-то набора данных о последовательностях аминокислот вариабельной V(D)J области антитела получен график, подобный приведенному на рис. 5.3 (мы будем называть его структурой By—Кэбота), можно считать, что есть серьезные указания на антигенсвязывающий отбор HL-гетеродиме-ров антитела. Другими словами, структура By—Кэбота (наличие на графике пиков изменчивости в районах контакта с антигеном) является показателем того, что изменчивость аминокислотных последовательностей в изучаемой популяции V(D)J-no-следовательностей создана антигенсвязывающим отбором. Мы вернемся к этому важному заключению в следующей главе, когда попытаемся объяснить, почему структура By—Кэбота наблюдается в популяциях неперестроенных V-элементов половых клеток.

Напомним (рис. 4.5), что полный ген вариабельной области является соматической конструкцией из V-, D- и J- элементов в тяжелой Н-цепи и V- и J-элементов в легкой L-цепи, соединенных в результате перестройки ДНК в В-клетках. Два участка гипервариабельности закодированы в V-элементе зародышевой линии, а третий, который затрагивает соединенные V-D-J или V-J перестройки, никогда не обнаруживается в зародышевой линии позвоночных, хотя есть исключения — у хрящевых рыб (скатов, рогатых акул) и V-псевдогенов курицы. Третий гипервариабельный участок очень важен для распознавания антигенов. Антитело, у которого нет этого участка (имеющее только два кодируемых в зародышевой линии гипервариабельных участка), не способно связывать антиген. Следовательно, V-гены зародышевой линии не могут подвергаться прямому дарвиновскому отбору. Отбор опосредован и должен затрагивать V-D-J-и V-J-перестройки, которые происходят только в соме.