БИОХИМИЯ, 2006, том 71, вып. 8, с. 1021 - 1033
УДК 62.018.2
РЕВИЗИЯ АНТИГЕННОГО РЕЦЕПТОРА Т-ЛИМФОЦИТОВ
Обзор © 2006 г. Е.М. Куклина
Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН 614081 Пермь, ул. Голева, 13; факс: (342)244-6711, электронная почта: conf@iegm.ru
Поступила в редакцию 15.03.06 После доработки 14.04.06
В обзоре рассмотрен принципиально новый механизм формирования антигенраспознающего репертуара Т-лимфоцитов — ревизия антигенного рецептора Т-клеток (TCR), предполагающая повторную реаранжи-ровку генов TCR в периферических Т-лимфоцитах и экспрессию на мембране нового антигенного рецептора с измененной специфичностью. Проанализированы факторы и механизмы, участвующие в индукции этого процесса. Обсуждается возможный вклад ревизии TCR в формирование периферической толерантности, в процессы «созревания авидности» Т-лимфоцитов в ходе иммунного ответа, а также негативные последствия, связанные с появлением на периферии потенциально аутореактивных клонов.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: У(Б)1-реаранжировка, TCR, периферические Т-лимфоциты, RAG, «редактирование» рецептора, толерантность, «созревание авидности».
В ходе иммунного ответа Т-лимфоциты распознают чужеродные антигены за счет экспрессии антигенспецифичных рецепторов (Т-Се11-ЯесерШг, ТСЯ). Антигенный рецептор зрелого Т-лимфоцита состоит из двух ковалентно связанных цепей: ар или у8. Гены всех четырех цепей ТСЯ имеют мозаичную структуру и их функциональной экспрессии предшествует реа-ранжировка, обеспечивающая формирование разнообразия специфичностей ТСЯ и, как следствие, антигенраспознающего репертуара Т-лимфоцитов [1, 2].
У доминирующей популяции Т-клеток, арТ-лимфоцитов, формирование ТСЯ происходит в ходе тимического развития. Согласно общепринятым представлениям, арТ-лимфоцит, покидающий тимус, несет окончательный вариант ТСЯ, не подвергающийся последующей
Принятые сокращения: CD (Clasters of Differentiation) — мембранные молекулы лимфоцитов; MBP (Myelin Basic Protein) — основной белок миелина; Mtv (Mammary Tumor Virus) — вирус опухоли молочных желез мыши; NOD (Non-Obese Diabetic) — мыши, склонные к развитию диабета; RAG (Recombination Activating Genes) — продукты генов, активирующих рекомбинацию; RSS (Recombination Signal Sequence) — сигнальные последовательности рекомбинации; TCR (T-Cell-Receptor) — Т-клеточный рецептор; TdT — терминальная дезоксирибо-нуклеотидилтрансфераза.
корректировке, и все его потомки, возникающие на периферии, экспрессируют антигенный рецептор той же специфичности [1]. Факты, не укладывающиеся в эту гипотезу, были известны давно, но до сих пор их относили к исключениям и рассматривали как результат нарушения процессов созревания и функционирования Т-клеток. Тем не менее, в настоящее время появляется все больше и больше данных, убедительно доказывающих возможность повторной индукции процессов реаранжировки в периферических Т-лимфоцитах, сопровождающейся формированием ТСЯ с новой специфичностью [3—5]. Поскольку эти процессы выявляются в разных Т-клеточных субпопуляциях (СБ4+ и СБ8+) и не обязательно сопровождаются патологиями, можно предполагать, что они не столь уж редки и являются скорее правилом, чем исключением. Данные по ревизии ТСЯ на периферии позволяют по-новому взглянуть на механизмы формирования антигенраспознающего репертуара Т-лимфоцитов, а также на процессы, которые до сих пор не связывали с реаран-жировкой генов ТСЯ — в частности, на индукцию Т-клеточной анергии (утраты способности к активации в ответ на антиген) или на так называемое «созревание авидности» Т-лимфоцитов в ходе иммунного ответа. Анализу этих процессов и посвящен данный обзор.
КЛАССИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ РЕАРАНЖИРОВКИ ГЕНОВ TCR
Гены, кодирующие вариабельные домены цепей TCR, как и гены иммуноглобулинов, формируются в ходе соматической рекомбинации за счет ассоциации дискретных сегментов ДНК трех разных классов: V (variable), D (diversity) и J (joint), так называемой VDJ-рекомбинации [6]. Соответствующие локусы ДНК могут содержать до сотни вариантов кодирующих сегментов данного класса, и случайное соединение этих сегментов в результате рекомбинации является одним из основных механизмов формирования разнообразия молекул TCR и, как следствие, ан-тигенраспознающего репертуара Т-лимфоцитов. Процесс рекомбинации включает два этапа: расщепление ДНК и репарация образовавшихся разрывов. Кодирующие сегменты гена (V, J — для а-цепи и V, D, J — для р-цепи) ограничены по краям сигнальными последовательностями рекомбинации (Recombination Signal Sequence, RSS), которые состоят из двух консервативных участков: гептамера (5'-CACA-GTG-3') и нона-мера (5'-ACAAAAACC-3'), разделенных спейсе-ром из 12 или 23 пар оснований (рис. 1). Эффективная рекомбинация возможна только между генетическими сегментами, ограниченными RSS с разной длиной спейсера (12-RSS и 23-RSS), так называемое правило 12/23 [6, 7]. Все кодирующие сегменты данного класса (V, D или J) несут одинаковые RSS и вследствие такой организации V-сегмент, например, может соединиться только с D-сегментом того же локуса, но не со вторым V-сегментом (рис. 1, а). Гептамеры и нонамеры, входящие в состав 12-RSS, комплементарны аналогичным последовательностям в составе 23-RSS, и в процессе рекомбинации ассоциируют с ними, формируя синаптический комплекс (рис. 1, б). Необходимыми элементами синаптического комплекса являются рекомбиназы RAG-1 и RAG-2 — продукты генов, активирующих рекомбинацию (Recombination Activating Gene) [8, 9]. Белки RAG обладают эндонуклеазной активностью. Они специфически связываются с RSS и инициируют образование двунитевых разрывов ДНК между кодирующим сегментом гена и соответствующей RSS [10], вырезая ДНК между двумя индивидуальными сегментами.
Второй этап рекомбинации — репарация разрывов. Расщепление ДНК приводит к образованию двух типов концевых структур: открытые 5'-фосфорилированные концы RSS (сигнальные концы) и концы кодирующих сегментов ДНК, у которых крайние нуклеотиды двух цепей ДНК ковалентно связаны друг с другом с образованием «шпильки» (кодирующие концы). Связывание и
сигнальных, и кодирующих концов ДНК обеспечивается универсальными механизмами репарации ДНК, аналогичными тем, которые используются клеткой в случае действия повреждающих агентов, таких как ионизирующее или ультрафиолетовое излучение, реактивные кислородные метаболиты и др. [11]. В ходе репарации сигнальные концы соединяются точно, без потери нуклеотидов, тогда как «шпильки» перед связыванием подвергаются процессингу: эндонук-леаза надрезает одну из цепей ДНК или между крайними нуклеотидами кодирующего конца, или, чаще, рядом. В последнем случае открытие «шпильки» приводит к формированию палинд-ромных нуклеотидных вставок. Кроме того, терминальная дезоксинуклеотидилтрансфераза (TdT) обеспечивает нематричную подстройку нуклеотидов в месте разрыва, что наряду с образованием палиндромных последовательностей ДНК и рядом других механизмов, вносит вклад в формирование разнообразия специфичностей иммуноглобулинов и TCR [7, 12].
На роли белков RAG-1 и RAG-2 в реаранжи-ровке генов следует остановиться отдельно. Во-первых, в отличие от других факторов, участвующих в процессе рекомбинации, эти белки специфичны для лимфоцитов и определяют уникальность соматической рекомбинации в данных клетках. Во-вторых, экспрессия белков RAG является необходимым условием реаран-жировки генов TCR: блокада соответствующих генов у мышей приводит к отсутствию V(D)J-рекомбинации и полной остановке Т-клеточно-го развития на стадии, предшествующей реаран-жировке ß-цепи TCR и, как следствие, к развитию сложного комбинированного иммунодефицита [13, 14]. И в-третьих, после завершения ре-аранжировки и формирования функционального TCR экспрессия обеих рекомбиназ необратимо терминируется [15], в связи с чем выявление в клетке RAG-1 или обоих RAG-белков широко используется в настоящее время как критерий наличия самого процесса реаранжировки.
На первом этапе рекомбинации, расщеплении ДНК, RAG-белки распознают RSS и за счет эндо-нуклеазной активности формируют двунитевые разрывы между кодирующими сегментами гена (V, D или J) и соответствующими RSS [16, 17].
Собственно, эндонуклеазной активностью обладает только один белок — RAG-1. Он специфически связывается с нонамером в составе RSS [18], а RAG-2, неспособный напрямую взаимодействовать с ДНК [19], присоединяется к комплексу RAG-1 • ДНК [20]. Относительно роли RAG-2 в сигнальном комплексе на сегодняшний день нет единого мнения. Большинство данных свидетельствует о том, что RAG-2 необходим для
успешной реаранжировки. Так, показано, что он также обеспечивает проявление каталитической существенно усиливает аффинность и специ- (эндонуклеазной) активности последнего [18]. В фичность связывания ЯЛО-1 с ДНК [19, 21], а то же время, согласно некоторым данным лите-
а
V,* О] ^л-п С| 12.1-11 С2
б
и
23-1Ж 12-1138 ППТП-М I М 111—/ /—ППШ}-гтттпГТ
7 23 9 9 12 7
до реарш ¡жировки
!
кодирующее соединение
сигнальное соединение
- О
после реаранжировки
Рис. 1. Механизмы реаранжировки гена Р-цепи антигенного рецептора Т-лимфоцитов. а — схематическое изображение ТСЯр-локуса. Стрелками обозначены сигнальные последовательности рекомбинации ограничивающие по краям
кодирующие сегменты гена: пустые стрелки — 23-К58, заштрихованные стрелки — 12-К58. б — Гипотетическая схема реаранжировки на примере соединения Б- и 1-сегментов гена
ратуры, RAG-1 способен к самостоятельному высокоаффинному и специфичному связыванию с RSS, тогда как RAG-2 играет лишь незначительную роль в данном процессе [18].
В этой связи важно отметить, что комплекс RAG-1 • RAG-2 является многокомпонентным, и данные по стехиометрии белков RAG в нем также весьма противоречивы. RAG-1 присутствует в этом комплексе, как правило, в виде ди-мера [22, 23], причем показано разделение функций между двумя белками: один контактирует с нонамером, тогда как второй занимает гептамер в сайте расщепления [21, 22]. В то же время, в более поздней работе сообщается о наличии в составе комплекса как минимум трех белков RAG-1 [24]. Что касается RAG-2, он присутствуе
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.