Книга: Что, если Ламарк прав? Иммуногенетика и эволюция

Механизм соматического гипермутирования V(D)J-генов

Механизм соматического гипермутирования V(D)J-генов

Распределение мутаций, показанное на рис. 5.5, и известные уровни ошибок копирования молекул РНК (см. рис. 5.2) были двумя основными фактами, которые привели в 1987 г. Теда Стила и Джеффа Полларда (Pollard) к созданию «модели обратной транскриптазы» для объяснения механизма соматического гипермутирования (для краткости — КТ-модель). Эта идея родилась на год раньше в феврале в Волонгонге и была сформулирована летом 1986 г., когда Тед и Джефф встретились в Нью-Йорк Сити. (К этому моменту оба считали, что поняли почти все, и решили опубликовать свою идею.) Тед считал, что RT-модель следует из теории соматического отбора. Однако аргументы Боба Бландэна убедили Теда, что RT-модель соматического гипермутирования по смыслу должна предшествовать теории соматического отбора. (Также она должна предшествовать и в эволюционном смысле — соматические мутации небольшого начального набора V-генов зародышевой линии должны происходить до передачи информации V-генов от сомы к зародышевой линии. Этот гносеологический поворот на самом деле упрощает интерпретацию данных о ДНК-последовательностях, особенно касающихся генетической рекомбинации V-генов зародышевой линии (см. обсуждение следов интеграции сомы в зародышевую линию и рис. 6.3)

С 1986 г. работа над гипотезой обратной транскрипции продолжалась в нашей лаборатории с участием Джерри Бота (Both) и Гарри Ротенфлу (Rothenfluh). Сейчас мы можем привести детальную теоретическую молекулярную модель соматического гипермутирования в В-клетках: она включает неточную, склонную к ошибкам обратную транскрипцию и возврат генов в ДНК зародышевой линии (рис. 5.6). Эта модель согласуется с подавляющим большинством экспериментальных результатов, касающихся соматического гипермутирования. Ее можно распространить на молекулярные механизмы, которые приводят к соматическому разнообразию перестроенных V(D)J-генов вариабельных областей у кур, до сих пор называемые генной конверсией. Однако мы должны подчеркнуть, что до тех пор, пока все молекулярные детали не будут экспериментально обоснованы, наша модель останется гипотезой, хотя и совместимой со всеми доступными данными.

Мы предположили, что молекулярной машиной, которая с высокой частотой вызывает мутации перестроенной ДНК V(D)J-гена, должна быть «RT-мутаторсома» (RT — обратная транскриптаза). Существует много молекулярных органелл с суффиксом «сома», например «рибосома» (комплекс белков и РНК, необходимый для трансляции информационной РНК в последовательность аминокислот, см. приложение) и «сплай-сосома» (также РНК-белковый комплекс, который вырезает интроны из про-мРНК). Итак, гипотетическая RT-мутатор-сома использует несплайсированную про-мРНК как матрицу для синтеза кДНК. Термин кДНК, где «к» обозначает комплементарная — общий термин для всех ДНК-копий РНК-матрицы, созданных обратной транскриптазой (кДНК также называют «обратными транскриптами» или «ретротранскриптами».

Мы предположили, что обратная транскрипция, которая создает мутантную кДНК-копию перестроенного V(D)J-yчастка, начинается в особом районе, в «праймерном» сайте ниже V(D)J около Ei/MAR участка (рис. 5.6), и продолжается справа налево по направлению к кэп-сайту (5'-конец про-мРНК матрицы). Цезар Мильштейн с коллегами экспериментально показали на трансгенных мышах, что «локус-специфическое устройство», Ei/MAR, важно для соматического гипермутирования, тогда как V(D)J-кодирующий участок и промотор можно заменить копиями гемоглобинового гена без ущерба для мутации. Мы считаем Ei/MAR «локус-специфичным устройством», необходимым для стыковки RT-мутаторсомы с V(D)J-геном и ограничения мутаций этим геном. (В настоящее время мы экспериментально проверяем это предположение.) Мы также считаем, что мутантная кДНК-копия V(D)J-yчастка встраивается в хромосому и замещает исходный, немутированный V(D)J (на рисунке это показано петлеобразной стрелкой.). Возможность подобной генетической интеграции экспериментально продемонстрирована у многих организмов и называется гомологичной рекомбинацией, так как похожие ДНК-последовательности совмещаются, а за этим следует рекомбинация ДНК. Указанные предположения гарантируют, что участки выше промотора и ниже константного участка защищены от мутаций, а некодирующая ДНК в непосредственном соседстве с V(D)J мутирует с очень высокой частотой (тот же уровень ошибок, что и при транскрипции и обратной транскрипции — примерно 10-³—10-⁴ на цикл копирования пар оснований, рис. 5.2)

Таким образом, правила копирования ДНК- или РНК-матриц и склонные к ошибкам процессы синтеза РНК и кДНК полностью удовлетворяют «требованиям» соматического мути-рования. Существует единственное направление, в котором могут синтезироваться ДНК-копии по матрице про-мРНК — обратно к сайту начала транскрипции (кэп-сайту). Если синтез кДНК начинается в Ei/MAR-участке или рядом с ним, это автоматически обеспечит мутирование V(D)J без риска мутирова-ния промотора и константного участка. Для того чтобы «обессмертить» мутантную последовательность в организме, потребуется гомологичная рекомбинация для встраивания мутант-ной кДНК-копии в хромосомную ДНК, что обеспечит передачу ее последующим поколениям дочерних клеток.

У мышей 5', или верхняя, граница мутаций находится около кэп-сайта для Н цепей и в L-V интроне для легких цепей (рис. 5.5). Расположение этих сайтов согласуется с двумя главными точками, где заканчивается синтез кДНК, а) когда обратная транскриптаза подходит к 5'-концу матрицы про-мРНК, или б) около L-V-интрона, так как интрон может быть удален при сплайсинге, который превращает про-мРНК в мРНК.