Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
М. Кронгауз
«Русский язык на грани нервного срыва. 3D». Главы из книги


С. Мац
Искривленное зеркало


Л. Полищук
Почему вымерли мамонты и гибнут сайгаки: история о вкладах


В. Кузык
Нос на батарейках


Д. Мамонтов
Взглянуть инопланетянам в глаза


А. Бердников
Машинная точность


Р. Фишман
Великий уравнитель


С. Амстиславский, Д. Рагаева и др.
Эмбрионы и артериальная гипертензия


И. Акулич
Тайна чёрной пятницы


Д. Вибе
Охота за планетой X







Главная / Новости науки версия для печати

Мутагенез в лимфоцитах — результат целенаправленного изменения ДНК и последующей «неточной починки»


Лимфоциты — белые кровяные клетки, играющие ключевую роль в формировании приобретенного иммунитета (фото с сайта www.merck.com; © Robert Becker/Custom Medical Stock Photo)
Лимфоциты — белые кровяные клетки, играющие ключевую роль в формировании приобретенного иммунитета (фото с сайта www.merck.com; © Robert Becker/Custom Medical Stock Photo)

Лимфоциты млекопитающих производят огромное количество разнообразных антител — защитных белков, избирательно связывающихся со всевозможными чужеродными молекулами (антигенами). Способность вырабатывать иммунитет к новым инфекциям основана на внесении в гены антител случайных изменений — мутаций и последующем размножении тех лимфоцитов, у которых мутации оказались наиболее удачными. В опытах с трансгенными мышами американские ученые показали, что мутирование генов антител начинается с целенаправленной замены цитозинов урацилами, после чего в результате неточной починки (репарации ДНК) мутации распространяются в обе стороны от каждого урацила на расстояние до 30 нуклеотидов.

B-лимфоциты человека и других млекопитающих способны синтезировать миллионы разнообразных антител. Как и все прочие белки, антитела синтезируются на основе «инструкций», записанных в генах. Однако число генов в геноме млекопитающих на много порядков меньше, чем число типов антител, производимых организмом в течение жизни. Организм не может запастись заранее всеми необходимыми генами антител по двум причинам: во-первых, такое количество генов не поместится ни в каком геноме (это привело бы к непомерному росту «расходов» на содержание в каждой клетке громадного количества ДНК), во-вторых, как бы ни был велик запас защитных генов, в любой момент может появиться новая инфекция, для борьбы с которой не подойдет ни одно из имеющихся антител.

Позвоночные животные решили эту проблему, выработав специальные механизмы для прижизненного редактирования своего генома. В частности, гены антител формируются в геноме B-лимфоцитов по мере необходимости из специальных «заготовок» (гены антител в норме не передаются по наследству — наследуются только «заготовки»). Этот творческий процесс основан на тех же принципах, что и биологическая эволюция, — на случайных мутациях и избирательном размножении удачных вариантов. Впрочем, в обоих случаях «случайность» мутаций — понятие весьма относительное. Оно означает лишь, что клетка не может знать заранее, к какому результату приведет та или иная конкретная мутация. Однако клетка вполне способна контролировать скорость мутагенеза и его приуроченность к тем или иным участкам генома. Редактирование генома, таким образом, осуществляется по принципу «оптимизированного случайного поиска».

Формирование генов антител в геноме B-лимфоцитов происходит в два этапа. Сначала, на ранних стадиях развития организма, гены антител формируются комбинаторным путем из унаследованного от родителей набора заготовок (подробнее см. здесь). Каждый B-лимфоцит продуцирует только один тип антител. На этом этапе неизбежно возникают «неудачные» лимфоциты, опасные для организма: они производят антитела, атакующие собственные антигены (молекулы) организма. Такие лимфоциты выбраковываются, остальные сохраняются и размножаются. В результате животное получает большой набор B-лимфоцитов (и, соответственно, антител), способных атаковать почти любые молекулы, кроме тех, которые в норме присутствуют в данном организме.

Когда в организм попадает инфекция, гены антител подвергаются более тонкой «настройке». Те лимфоциты из имеющегося набора, чьи антитела проявляют наибольшее сродство к новому чужеродному антигену, начинают вносить случайные изменения в гены своих антител (точнее, в определенные участки этих генов — так называемые вариабельные области, или V-области). Этот процесс называется соматическим гипермутированием. Получающиеся новые варианты генов экспрессируются (то есть на их основе синтезируются антитела) и проверяются на эффективность, то есть на степень сродства к новому антигену. Это продолжается до тех пор, пока не будет найден высокоэффективный вариант гена, обеспечивающий надежную защиту от нового возбудителя. Лимфоциты, производящие такое антитело, начинают усиленно размножаться. После выздоровления некоторые из них могут долго сохраняться в качестве клеток «иммунной памяти», что снижает риск повторного заболевания.

Схема строения антитела. Антитело состоит из четырех белковых молекул — двух больших, или «тяжелых» цепей и двух маленьких («легких»). Вариабельная область отвечает за связывание антигена, именно в нее вносятся изменения при соматическом гипермутировании. Рис. с сайта www.jdaross.cwc.net
Схема строения антитела. Антитело состоит из четырех белковых молекул — двух больших, или «тяжелых» цепей и двух маленьких («легких»). Вариабельная область отвечает за связывание антигена, именно в нее вносятся изменения при соматическом гипермутировании. Рис. с сайта www.jdaross.cwc.net

Соматическое гипермутирование — процесс во многом загадочный. До сих пор о его механизмах было известно немногое. Было установлено, что в нём участвует особый фермент — цитидин-дезаминаза, индуцируемая активацией (activation induced (cytidine) deaminase, AID). Этот фермент атакует нуклеотиды Ц (цитозины) в V-области и отрывает от них аминогруппу (–NH2), превращая их тем самым в урацилы (У). После этого в окрестностях урацилов начинают появляться мутации (замены нуклеотидов). Мутагенез осуществляется при помощи систем репарации (починки) и репликации (удвоения, размножения) ДНК, которые в данном случае работают с большим количеством «ошибок». Многое оставалось неясным: в частности, было неизвестно, насколько необходимым является дезаминирование цитозинов для инициации гипермутирования; зависит ли число и характер мутаций от того, какой именно из цитозинов будет дезаминирован; распространяются ли мутации в обе стороны от дезаминированного цитозина или только в одну и т. д.

Чтобы прояснить детали этого процесса, биологи из Йельского университета (США) создали трансгенных мышей, которым в V-области генов антител были вставлены искусственно синтезированные фрагменты ДНК длиной в 100 нуклеотидов. Всего было использовано 4 таких фрагмента, каждый из которых вставлялся в геном одной из линий трансгенных мышей. В двух случаях из четырех фрагмент состоял только из нуклеотидов А и Т. В двух других в нём имелся один нуклеотид Ц и, соответственно, комплементарный ему нуклеотид Г в противоположной (комплементарной) цепи двухцепочечной молекулы ДНК. Фрагменты были вставлены таким образом, что у одних мышей ключевой нуклеотид Ц оказался в «нижней» (кодирующей) цепи ДНК, на основании которой синтезируется белок, а у других — в «верхней» (некодирующей).

Из B-лимфоцитов взрослых мышей выделяли ДНК и смотрели, какие мутации и в каком количестве появились во внедренном фрагменте. Оказалось, что если фрагмент не содержал нуклеотида Ц, то мутации в нём возникали лишь по краям — там, где расстояние до ближайшего Ц (расположенного за пределами внедренного фрагмента) не превышало 30 нуклеотидов. В центральной части вставленного участка ДНК мутации отсутствовали вовсе. Это означает, что присутствие цитозинов абсолютно необходимо для запуска процесса гипермутирования, и мутации распространяются лишь на небольшое расстояние от каждого Ц.

Если в середине фрагмента был нуклеотид Ц, расположенный в «верхней», некодирующей цепи ДНК, то мутации возникали в большом количестве по всей длине фрагмента. Однако если нуклеотид Ц оказывался в «нижней», кодирующей цепи, а в «верхней» напротив него располагался комплементарный ему нуклеотид Г, мутации не происходили (или заменялась только сама пара ГЦ, а окружающие ее нуклеотиды А и Т все оставались на своих местах). Таким образом, выяснилось, что сигналом для запуска процесса гипермутирования может служить только нуклеотид Ц, расположенный в «верхней» цепи ДНК. Может быть, это объясняется тем, что фермент AID каким-то образом отличает верхнюю цепь от нижней и дезаминирует цитозины только в верхней цепи? Авторам удалось показать, что это не так, что цитозины обеих цепей подвергаются дезаминированию в равной степени. Однако в нижней цепи это приводит к замене другим нуклеотидом только самого цитозина, а в верхней — также и к замене многих соседних нуклеотидов.

Особенно часто мутации происходят на расстоянии в 4–15 нуклеотидов по обе стороны от дезаминированного цитозина в верхней цепи. По мнению авторов, ключевую роль здесь играет система репарации (починки) ДНК. Белки, осуществляющие репарацию, находят в верхней цепи дезаминированный цитозин (урацил) и начинают «исправлять ошибку». Вероятно, они при этом вырезают довольно большой кусок ДНК вокруг «испорченного» нуклеотида, а потом не слишком аккуратно его восстанавливают. Так и появляются многочисленные мутации. По-видимому, за починку верхней и нижней цепи отвечают разные системы репарации, причем первые работают с ошибками, а вторые — без. При помощи ряда дополнительных экспериментов ученым удалось выявить конкретные белки, ответственные за «неаккуратную починку» верхней цепи ДНК в V-областях (Msh2/6, Exo1, ДНК-полимераза η).

Данное исследование — важный шаг к пониманию того, каким образом живая клетка может контролировать изменения собственного генома. Однако вопросов по-прежнему остается много. Например, очень хотелось бы узнать, каким образом фермент AID находит V-область и как клетка определяет, к каким из «испорченных» нуклеотидов нужно направить точные, а к каким — склонные к ошибкам системы репарации. Наконец, эволюционистов-теоретиков не может не волновать крамольный вопрос: что если механизм гипермутирования иногда включается не только в лимфоцитах?

Источник: Shyam Unniraman, David G. Schatz. Strand-Biased Spreading of Mutations During Somatic Hypermutation // Science. 2007. V. 317. P. 1227–1230.

См. также:
1) Э. Стил, Р. Линдли, Р. Бландэн. Что, если Ламарк прав? Иммуногенетика и эволюция.. В этой книге дано хорошее популярное изложение основных принципов формирования приобретенного иммунитета, в том числе подробно рассматривается формирование генов антител и соматическое гипермутирование. Следует отметить, что предложенная авторами гипотеза о природе молекулярных механизмов гипермутирования не подтвердилась (авторы полагали, что этот механизм основан на обратной транскрипции).
2) Гонококки обманывают иммунную систему, внося контролируемые изменения в свой геном, «Элементы», 31.05.2006.
3) Раскрыта тайна иммунной системы насекомых, «Элементы», 27.06.2006.
4) Рассеянный склероз: роковая ошибка иммунной системы, «Элементы», 17.01.2006.

Александр Марков


Комментарии (5)



Последние новости: ГенетикаМедицинаАлександр Марков

2.08
Гибридизация однодомных и двудомных растений увеличивает разнообразие половых фенотипов
29.07
Систему противовирусной защиты можно применить для эффективной иммунотерапии рака
11.07
Архаичные гены костных ганоидов разнообразнее, чем у более молодых групп позвоночных
5.07
Биоразнообразие стимулирует собственный рост
28.06
Подростки лучше учатся на положительном опыте, чем на отрицательном
21.06
Кишечная бактерия влияет на социальное поведение мышей
15.06
Получение генов пектиназ от протеобактерий резко ускорило видообразование палочников
14.06
Полиплоидность предков эукариот — ключ к пониманию происхождения митоза и мейоза
10.06
Удалось выяснить, почему рак может уснуть и проснуться через много лет
7.06
Индийская община Бней-Исраэль не может быть одним из десяти потерянных колен

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Аркадий Курамшин, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Антон Морковин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Павел Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Александр Храмов, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия