Unikalne zjawiska tego typu zachodzą w układzie immunologicznym (odpornościowym) kręgowców. Jego podstawową funkcją jest obrona organizmu przed atakującymi go mikroorganizmami. Musi szybko i sprawnie rozpoznać zagrażający organizmowi patogen i zlik widować go.
Można sobie wyobrazić, jak niezwykle trudne jest to zadanie.
Znamy ogromnie wiele patogenów i wciąż odkrywa się nowe. Wirusy, grzyby, pierwotniaki, robaki …
Na dodatek mikroorganizmy ewoluują najszybciej spośród całego świata żywego (link – ewolucja molekularna) Niezwykle wysokie tempo tych przemian podnosi jeszcze wymagania stawiane układowi immunologicznemu, zmuszając go do swoistej „pogoni” za mutuj ącymi patogenami. Musi on być przygotowany nawet na odparcie ataku nie istniejących jeszcze szczepów bakterii czy wirusów.
Biologów od dawna intrygowała ta zdolność organizmu do odpowiedzi na praktycznie nieograniczoną liczbę antygenów.
Sekret skutecznej obrony przed inwazją patogenów tkwi przede wszystkim w szybkiej i precyzyjnej identyfikacji przeciwnika. Służą temu między innymi przeciwciała, czyli immunoglobuliny (Ig). Każde przeciwciało posiada zdolność do wiązania specyficzn ego dla siebie antygenu.
Skoro jednak organizmowi zagraża tak wiele różnych mikroorganizmów, to jak nasz układ immunologiczny jest w stanie wytworzyć odpowiednią ilość przeciwciał ?
Próbowała to wyjaśnić „teoria informacyjna” Paulinga i Horowitza, która zakładała, że organizm, który nie zetknął się jeszcze z danym antygenem, nie zawiera komórek ani przeciwciał zdolnych do jego swoistego rozpoznania. Zgodnie z tą hipotezą antyg en odkształcałby nieczynną immunoglobulinę, aktywując ją i dostosowując do swojej struktury przestrzennej. Rozważano też możliwość oddziaływania antygenu na gen kodujący łańcuchy białkowe przeciwciała.
Teoria ta okazała się jednak sprzeczna z rezultatami doświadczeń. Wykazano w nich, między innymi, że w mieszaninie limfocytów B pobranych od dawcy, który nigdy nie zetknął się z danym antygenem, znajdują się komórki zdolne do swoistego rozpoznania tego właśnie antygenu i produkcji odpowiednich przeciwciał !
Później zbadano, że organizm wytwarza około 108 – 109
(1 000 000 000 ) rodzajów przeciwciał (!). Liczba ta jest jeszcze bardziej zaskakująca, gdy uświadomimy sobie, że cały genom człowieka zawiera prawdopodobnie tylko około 105 (100 000) genów kodujących białka! Prosty schemat syntezy białka: DNA (R) RN A (R) BIAŁKO nie dostarcza odpowiedzi na pytanie o źródło takiej różnorodności immunoglobulin. Wytłumaczeniem okazało się odkrycie somatycznych rearanżacji genomu limfocytów odpowiedzialnych za wytwarzanie immunoglobulin.
Aby zrozumieć ten niezwykły proces przyjrzyjmy się najpierw budowie pojedynczego przeciwciała.
Dla ułatwienia immunoglobulinę przedstawiamy schematycznie w kształcie litery „Y”.
Fragment Fc przeciwciała umożliwia łączenie się immunoglobulin w większe agregaty – dimery, pentamery itp., a także kotwiczenie przeciwciała w błonie komórkowej. Jest też odpowiedzialny za aktywowanie innych składników odpowiedzi immunologicznej. F ragment Fab (antigen binding) immunoglobuliny odpowiada za specyficzne wiązanie antygenu.
Geny kodujące łańcuchy polipeptydowe składające się na przeciwciało znajdują się u człowieka na chromosomach 2, 14 i 22.
Procesy, które prowadzą do tak niezwykłej różnorodności przeciwciał, najlepiej można przedstawić na przykładzie syntezy łańcucha ciężkiego Ig, którego gen u człowieka umiejscowiony jest na chromosomie 14.
Ogromna większość genów Eucaryota jest nieciągła (linki do rozdz. Eucaryota). Także i geny kodujące immunoglobuliny nie są tu wyjątkiem. Egzony kodujące części łańcucha polipeptydowego porozdzielane są fragmentami DNA nie niosącego żadnej infor macji (a osiągającymi długość do 8 tysięcy par zasad !). Jednak to nie nieciągłość genu stanowi o unikalnym charakterze zjawiska syntezy przeciwciał.
Niezwykłą cechą genu łańcuchów przeciwciał jest występowanie obok siebie wielu, nieznacznie się od siebie różniących, kopii danego egzonu.
Gen fragmentu ciężkiego immunoglobuliny wyglądać będzie mniej więcej tak:
Forma genu dla łańcucha ciężkiego immunoglobuliny, pokazana powyżej, nie występuje jednak w dojrzałych limfocytach, zdolnych do wytwarzania Ig. Znaleźć ją można między innymi w komórkach płciowych i niezróżnicowanych komórkach macierzystych, stąd t a forma genu nosi nazwę zarodkowej.
W dojrzewającym limfocycie B zachodzi niezwykły proces somatycznej rekombinacji polegający na przegrupowaniach w DNA kodującym łańcuch Ig. Rekombinacje te prowadzą do wytworzenia funkcjonalnych genów immunoglobulinowych.
Pierwsze przegrupowanie w obrębie obszaru kodującego łańcuch ciężki przeciwciała prowadzi do połączenia jednego z segmentów D z jednym z segmentów J. Odbywa się to najczęściej poprzez wypętlenie nici i delecję fragmentu DNA dzielącego łączone segme nty.
W następnym etapie dochodzi do łączenia powstałej sekwencji DJ z jednym z egzonów z grupy V.
Wycinanie odcinków DNA pomiędzy segmentami i łączenie odpowiednich segmentów zachodzi przy udziale rekombinaz – słabo dotąd poznanych enzymów, aktywnych jedynie w rozwijających się limfocytach.
Rekombinaza rozpoznaje tzw. „sekwencje sygnałowe” znajdujące się na końcach segmentów (egzonów). Umożliwia to precyzyjne połączenie się tylko jednego segmentu D z jednym z segmentów J, jednym z segmentów V, a później z jednym z segmentów grupy C, d ecydującym o przynależności do klasy przeciwciał.
Dodatkową ciekawostką może być fakt, że egzony z poszczególnych rodzin (V,D,J), nie są wybierane całkowicie losowo, tak, jak to początkowo przypuszczano. W procesie rekombinacji preferowane są np. egzony V leżące bliżej segmentów J (u człowieka prz ykładem mogą być segmenty VH6
i VH26) Podobne zjawisko zaobserwowano dla segmentów J i D. Przyczyna takiego zjawiska, ograniczającego przecież różnorodność produkowanych przeciwciał, nie została dotąd dokładnie zbadana. Przypuszcza się jednak, że preferowane kombinacje egzonów umoż liwiają wytworzenie przeciwciał o kluczowej dla bezpieczeństwa organizmu swoistości.
Omówione do tej pory mechanizmy prowadzące do różnorodności przeciwciał pozwalają na wytworzenie najwyżej około 105 Ig o różnej swoistości. Znacznie większe rzeczywiste bogactwo immunoglobulin ma swe źródło w innych jeszcze procesach. Jednym z bard ziej niezwykłych jest zmienność na złączach.
Ten typ zmienności jest rezultatem braku precyzji przy łączeniu poszczególnych segmentów V, D i J i przy wycinaniu znajdującego się pomiędzy nimi DNA. Przy formowaniu złącza pomiędzy egzonami może dojść do delecji nawet do 20 nukleotydów. Ale nie t o jest najciekawsze.
Na złączach między składanymi segmentami dochodzi bowiem do insercji dodatkowych (do 15) nukleotydów. Proces dołączania nowych nukleotydów ZACHODZI BEZMATRYCOWO !!! Oznacza to tworzenie „nowego genu”, nie istniejącego w komórce zarodkowej, w sposób całkowicie przypadkowy – „z powietrza” ! Za to niesamowite zjawisko odpowiedzialna jest transferaza nukleotydów terminalnych (TdT). Tak powstałe odcinki DNA na złączach nazywamy regionami N.
Unikalnym procesem, zwiększającym jeszcze liczbę wariantów Ig, jest przyłączanie do złącza krótkich (5-7 bp) oligonukleotydów wycinanych podczas innych rekombinacji. To zjawisko bywa nazywane „chwytaniem oligonukleotydów”.
Szacuje się, że procesy związane ze zmiennością na złączach zwiększają liczbę wariantów Ig o dalsze dwa rzędy wielkości.
Nasz układ immunologiczny, w obronie przed patogenami, wytworzył jeszcze inne metody zwiększające pulę produkowanych przeciwciał.
Bardzo wydajnym procesem są mutacje somatyczne. Zachodzą one we fragmentach genu kodujących rejon zmienny łańcucha ciężkiego i lekkiego Ig. Do indukcji mutacji dochodzi w limfocycie B pobudzonym przez kontakt z antygenem. Omawiane mutacje są najczę ściej mutacjami punktowymi, rzadziej zdarzają się delecje czy insercje. Jedną mutację obserwuje się na ok. 10 000 komórek spośród jednej generacji. Jest to częstotliwość olbrzymia, około milion razy większa niż w przypadku mutacji spontanicznych w innych genach ! W wyniku tego procesu dochodzi do wymiany nawet do 1% nukleotydów w egzonach dla części zmiennych ciężkich i lekkich łańcuchów Ig.
Mutacje te mogą prowadzić do zwiększenia powinowactwa do antygenu nawet o 100 razy i zwiększają liczbę wariantów o kilka rzędów wielkości !
Na ogromną różnorodność wariantów przeciwciał wpływa również fakt, że poza łańcuchami ciężkimi, których syntezę opisaliśmy powyżej, składają się one również z łańcuchów lekkich, przy których powstawaniu zachodzą niezależnie podobne procesy.
Dzięki tak wyrafinowanym metodom ekspresji genów Ig, organizm może wytwarzać imponującą liczbę przeciwciał o różnej swoistości. Przy wykorzystaniu stosunkowo skromnej liczby genów immunoglobulinowych, pula przeciwciał mogłaby osiągnąć około 1011 =1 00 000 000 000 ! Liczba ta mogłaby jeszcze wzrosnąć, gdyż przy rachunku nie wzięto pod uwagę trudnej do oszacowania, a niezwykle wydajnej, zmienności mutacyjnej.
Układ immunologiczny człowieka wypracował sobie wydajny system obrony przed zagrożeniem ze strony chorobotwórczych mikroorganizmów. Płaci jednak wysoką cenę za zwycięstwo w wyścigu z niezwykle zróżnicowanym i szybko mutującym przeciwnikiem. Niezwyk le drastyczne i ryzykowne metody: indukowanie mutacji, niedokładny splicing, czy bezmatrycowa synteza DNA muszą wywoływać również negatywne skutki.
Szacuje się, że około 80% rekombinacji powstałych dzięki zmienności na złączach jest nieproduktywne (!) tj. nie prowadzi do syntezy czynnego łańcucha. Zmienia się bowiem ramka odczytu, triplety nukleotydów kodują inne aminokwasy, lub powodują powstawanie krótszego produktu. Somatyczne mutacje mogą równie dobrze zwiększać powinowactwo (siłę wiązania antygenu), jak i prowadzić do całkowitej jego utraty.
Powstanie limfocytu produkującego nieprawidłowe, nieczynne przeciwciała, lub nie wytwarzającego ich wcale nie jest jeszcze tak niebezpieczne. Może bowiem dojść do sytuacji, że limfocyt, na skutek somatycznych rearanżacji zacznie wytwarzać przeciwci ała skierowane przeciwko własnym antygenom!
W normalnych warunkach, jeszcze w życiu płodowym, zachodzi selekcja i eliminacja limfocytów B produkujących przeciwciała rozpoznające własne antygeny komórkowe. Proces ten odbywa się w szpiku kostnym. Podobne zjawiska, zachodzące w grasicy, powoduj ą likwidację limfocytów T zdolnych do atakowania antygenów własnego organizmu.
Jednak na skutek niedokładnej eliminacji wymienionych powyżej komórek, lub podczas pobudzenia układu immunologicznego wywołanego infekcją, układ odpornościowy może zwrócić się przeciwko własnym komórkom i tkankom.
Proces ten, nazywany autoagresją, może prowadzić do ciężkich chorób autoimmunologicznych. Przykładem takich schorzeń może być choroba Gravesa-Basedova, w której autoantygenem są receptory dla tyreotropiny zlokalizowane w tarczycy. W stwardnieniu ro zsianym organizm produkuje autoprzeciwciała skierowane przeciwko zasadowemu białku mieliny, tworzącemu osłonki komórek nerwowych. Częstą chorobą autoimmunologiczną jest cukrzyca typu I, w której organizm atakuje własne komórki ( trzustki.
Również niektóre nowotwory są ceną płaconą za sprawność układu odpornościowego przykładem może być chłoniak Burkitta, choroba występująca najczęściej w Afryce, w której dochodzi do przeniesienia protoonkogenu c -myc (tu 2 oddzielne linki) z 8 chrom osomu, w niezwykle aktywne transkrypcyjnie miejsce genów immunoglobulinowych na chromosomie 14. Dochodzi do nadekspresji protoonkogenu, przekształcenia go w onkogen, zaburzeń cyklu komórkowego i w efekcie do procesu nowotworowego.
