INFECTIOUS DISEASE

İMMÜNOLOJİ- BÖLÜM DÖRT
İMMÜNGLOBULİNLERİN GENETİĞİ

Gene Mayer, Ph.D
Emertius Professor of Pathology, Microbiology and Immunology
University of South Carolina

Çeviri:
Doç. Dr. Erkan Yula
İzmir, Katip Çelebi Üniversitesi, Tıp Fakültesi, Tıbbi Mikrobiyoloji Anabilim Dalı
 

ÖĞRENİM HEDEFLERİ
İmmünoglobülin gen ailesinin organizasyonunu ve ekspresyonunu tanımlamak.
Antikor çeşitliliğinin nedenini açıklamak
 

TARİHÇE

Aminoasit sekans verileri, tek bir C bölgesi’nin birçok farklı V bölgeleriyle bağlantılı olabileceğini göstermiştir. Ayrıca tek bir idiotipin farklı C bölgeleriyle (IgM ve IgG) bağlantılı olabileceği de gösterilmiştir. Bu bilgiler ışığında immünglobulin molekülünün bu iki bölgesi birbirinden farklı genlerce kodlandığı düşünülmüş; V ve C bölgelerini kodlayan genler immünglobulin yapılmadan önce bir şekilde yapıya katılmış olabildiği kanatine varılmıştı (örn tek bir polipeptid için iki gen bölgesi bulunması gibi). Bu durum devrim niteliğindeydi ve rekombinant DNA teknolojisindeki gelişmeler sonucunda doğru olduğu kanıtlanmıştır.

İmmünglobulinin hafif ve ağır zincirleri her biri farklı kromozomlarda bulunan üç farklı gen ailesince kodlanır; ağır zincir için bir tane, hafif zincir tiiplerinin her biri için bir tane. Bu gen ailelerinin herbiri, birkaç V bölgesi geni ve bir veya birden fazla C bölgesi geni içerir. V ve C bölgesi genleri birbirine komşu değildir.
 

ANAHTAR KELİMELER
V geni
C geni
J bölgesi
D bölgesi
Leader
Enhancer
Promotor
Antikor çeşitliliği
Germ line theorisi
Somatik mutasyon theorisi
N bölge insersiyonları
Birleşme çeşitliliği
Kombinasyonal ilişki
Multispecifisite
Klonal seleksiyon
 

HAFİF ZİNCİR GEN AİLESİ

Gen organizasyonu
Şekil 1’de diferansiye olmamış hücrelerin kappa ve lambda hafif zincir genlerinin düzenlenimi gösterilmektedir.

• Lambda Hafif Zincir
  Lambda gen ailesi 4C bölgesi genleri tarafından oluşturulur, lambda zincirinin her bir subtipi için 1 adet ve yaklaşık olarak 30 V bölgesi geni. Her bir V bölgesi genleri iki ekson tarafından oluşturulur; biri (L) lider bölgeyi, diğeri (V) değişken bölgenin çoğunu kodlar. Her bir C bölgesinin üzerinde ek olarak J (joining) eksonu bulunmaktadır. L, V, J ve C eksonları intronlarca bölünmüştür (kodlanmayan sekansların arasında).

• Kappa hafif zincir
  Kappa hafif zincir gen ailesi tek bir C bölgesi geni içerir çünkü tek tip kappa hafif zinciri vardır. Birden çok V bölgesi geni bulunmaktadır (ortalama 250) her biri lider ekson ve bir V eksonu içerir. Κappa gen ailesinde V ve C genleri arasında lokalize birden çok J eksonu bulunmaktadır. Tüm eksonlar intronlarca bölünmüştür.
   

Gen ekspresyonu ve yeniden düzenlenmesi

Bir hücre hafif zincir üretecek olan matür B lenfosite diferansiye olduğunda, çeşitli genlerin (eksonlar) yeniden düzenlenimi gerçekleşir ve genler Şekil 2’de gösterildiği gibi eksprese olmaya başlar.

ir hücre, hafif zincir üretecek olan bir B lenfosite dönüşmeye başladığı zaman, V geninin J bölgelerinden birinin yanına getirilmesi gibi DNA düzeyinde genlerin yeniden düzenlenimi söz konusudur. Bu durum V ve J bölgeleri arasındaki intronun çıkarılmasını içeren bir rekombinasyon sayesinde olur. Hangi V geninin seçileceği tam olarak tesadüfi değildir; J bölgesine en yakın V geninin kullanımı önceliklidir. Fakat zamanla tüm V genleri kullanılabilir; böylece V geni ve J bölgesinin tüm kombinasyonları oluşturulabilir. DNA yeniden düzenleniminin bir sonucu olarak gen transkripsiyona hazır hale gelir çünkü V geniyle bağlantılı olan promoter(P), J ve C bölgeleri arasındaki intronda bulunan enhancer (E) ile yakın hale getirilir. Transkripsiyon promoter bölgesinden başlar; L-V, J-C arası intronların sekanslarını içerdiği gibi L,V,J, C bölgesi sekanslarını da içeren bir pre-mRNA yapılır (Şekil 2)

Bu pre-mRNA nükleusta işlenir ve artakalan intronlar atılır. Sonuçta oluşan mRNA L, V, J ve C eksonları yan yanadır. mRNA sitoplazmada translasyona uğrar ve protein endoplazmik retikulum lümenine transporte edildiğinde lider zincir kaldırılır. Endoplazmik retikulumda hafif zincir, ağır zincir ile birleştirilir ve immünglobulin normal sekretuar proteinler yoluyla sekrete edilir. Matür hafif zincirin V bölgesi, V geni sekansları tarafından kodlanır ve J bölgesi sekansları ve C bölgesi, C geni sekansındaki tarafından kodlanır.
 

AĞIR ZİNCİR GEN AİLESİ

Germ line gen organizasyonu

Ağır zincir genlerinin düzeni Şekil 3‘te gösterilmiştir. Ağır zincir gen ailesinde, biri immünglobulinlerin herbir sınıf ve altsınıfı için olmak üzere, birden fazla C geni bulunur. Her bir C geni birçok ekson tarafından oluşturulur, herbir domain için bir; menteşe bölgesi için bir diğer ekson bulunmaktadır. Ağır zincir gen ailesinde birçok V geni bulunur; her biri lider zincir ve V eksonundan oluşmuştur. J eksonlarına ek olarak ağır zincir gen ailesi ayrıca D (diversity) eksonları olarak adlandırılan birçok ek ekzonu da içerir. Şekil 3’te gösterildiği gibi tüm eksonlar intronlarca parçalara ayrılmıştır.
 

Gen yeniden düzenlenmesi ve ekspresyonu

Bir hücre ağır zincir üretecek olan matür B hücreye farklaştığı zaman, eksonlar arasında çeşitli genlerin yeniden düzenlenimi olur ve Şekil 4 ve 5’te gösterildiği gibi bu gen eksprese olmaya başlar. Bir hücre ağır zincir üretebilen bir B lenfosite dönüşeceğinde, DNA basamağında iki adet yeniden düzenlenime uğrar. İlki, D bölgelerinden biri J bölgelerinden birinin yanına getirilir ve sonrasında V genlerinden biri yeniden düzenlenime uğramış DJ bölgesinin yanına getirilir. Bu durum V, D ve J bölgeleri arasındaki intronların çıkarılmasını içeren iki rekombinasyon basamağı ile gerçekleşmektedir. Hafif zincirlerde olduğu gibi ağır zincir V geni seçilimi de tam olarak randomize değildir fakat sonuçta tüm V genleri kullanılabilir. Bu DNA rearanjmanlarının bir sonucu olarak gen, transkripsiyonel olarak aktif hale gelir çünkü V geniyle bağlantılı olan bir promoter (P), J ve Cmu bölgeleri arasındaki intronda lokalize olan enhancer (E) bölgesine yakın konuma getirilir. Promoter bölgesinde transkripsiyon başladığında L-V, J-Cmu, Cmu ve Cdelta arasındaki intron sekanslarını içerdiği gibi; L, V, D, J, Cmu ve Cdelta bölgelerinin sekanslarını içeren bir pre-mRNA yapılır (Şekil 4). Pre-mRNA çekirdekte işlenir ve C genindeki eksonlar arasında artakalan intronlar uzaklaştırılır (bakınız şekil 5).
 

Pre-mRNA iki şekilde işlenebilir; birincisi VDJ bölgesini C_mu geninin yanına getirmek; bir diğeri VDJ bölgesini Cdelta geninin yanına getirmektir. Sonuçta mRNA, L, V, D, J ve C_mu veya C_delta eksonlarını ardısıra içerir ve sırasıyla _mu ve _delta zinciri kodlanır. mRNA sitoplazmada translasyona uğrar ve proteinler endoplazmik retikulum lümenine transporte edildiğinde lider kısım uzaklaştırılır. Ağır zincir endoplazmik retikulumda hafif zincirle birleştirilir ve immünglobulin sekretuar proteinler yoluyla sekrete edilir. Matüre olmuş ağır zincirin V bölgesi, V geni, D bölgesi, J bölgesi tarafından kodlanır ve C bölgesi C genindeki sekanslarca kodlanır.

Şekil 4
Promoterden transkripsiyon başladığında pre-mRNA yapılır. Bu V, D, J Cμ ve Cδ bölgerei yanı sıra L ve V arasında, J ve Cμ arasında ve Cμ ve Cδ arasında intron sekansları içermektedir.
 

 Şekil 5
pre-mRNA nükleusta işlenir (uç uca eklenen) ve C genindeki ekzonlar arasndaki kalan kısım uzaklaştırılır.
 

Birbirine komşu V, J ve D eksonlarında, rekombinasyon fonksiyonları olan rekombinasyon sinyal sekansları (RSS) olarak adlandırılan özgün sekanslar bulunmaktadır. Her bir rekombinasyon sinyal sekansı korunmuş bir nanomer ve heptamer içerir; bunlar 12-23 baz çifti ile birbirinden ayrılmıştır (Şekil 6). Bu 12 ve 23 baz çifti içeren bölgeler DNA heliksinin bir veya iki dönüşünden sorumludur. Rekombinasyon sadece bir ve iki dönüşü arasında olur. λ hafif zincirlerde J ekzondan yukarı doğru 1 dönüş sinyal vardır, V_lambda. ‘dan aşağı doğru 2 dönüş sinyal bulunmaktadır. κ hafif zincirlerde V_kappa genden aşağı doğru 1 dönüş sinyal vardır, J ekzondan yukarı doğru 2 dönüş sinyal bulunmaktadır. Ağır zincirlerde, D ekzonun her bir tarafı için  1 dönüş sinyal vardır ve V genindan aşağı doğru 2 dönüş sinyali ve J ekzondan yukarı doğru 2 dönüş sinyali bulunmaktadır.  Böylelikle doğru rekombinasyonun sağlanması garantilenmiş olmaktadır. Rekombinasyon hafif zincir için V ve J bölgeleri arasındaki intronların veya ağır zincir için V, D, J bölgeleri arasındaki intronların çıkarılmasıyla sonuçlanır. Rekombinasyon olayı Rag-1 ve Rag-2 adlı iki protein tarafından katalize edilir. Bu iki proteini kodlayan genlerdeki mutasyon ağır kombine immün yetmezlikle sonuçlanır (T ve B lenfositlerin ikisinin birden eksikliği), çünkü bu proteinler ve rekombinasyon sinyal sekansları (RSS) B ve T lenfosit reseptörlerinin oluşumuna katılmaktadırlar.

İMMÜNGLOBULİN GEN AİLESİNDE GEN EKSPRESYON DÜZENİ

Özgün bir B lenfosit sadece tek tip hafif zincir ve tek sınıf ağır zincir üretir. (Tek istisnası matür B lenfosit μ ve δ ağır zincirin her ikisini de üretebilir fakat μ ve δ zincirlerinde aynı VDJ bölgeleri bulunduğu sürece antikor spesifitesi de aynıdır). Herhangi bir B lenfosit hem anneden hem de babadan gelen immünglobulin genlerini kodlayan kromozomları içerir; bir hücre, belli bir tip hafif zincir ve belli bir sınıf ağır zincir üretileceğinden emin olmak için immünglobulin gen ekspresyonunda belli bir yol izlemelidir. Şekil 7 ve 8’de immünglobulin genlerinin hangi sıra ile eksprese edildiği gösterilmektedir.
 

Şekil 7
Ig gen ekspresyon sırası- Ağır zincir

 Şekil 8
Ig gen ekspresyon sırası- Hafif zincir
 

Ağır zincir (Şekil 7)

Bir hücre ilk olarak ağır zincir genlerini yeniden düzenlemeye çalıştığında; bazı hücrelerde maternal kromozom, bazılarında paternal kromozom seçilir. Eğer bu yeniden düzenlenim başarılı olup ağır zincir yapılırsa, artık ağır zincir genlerinde bir daha düzenlenim yapılmaz. Fakat diğer taraftan, eğer ağır zincir genlerindeki bu ilk yeniden düzenlenim başarılı olmazsa (örn hiç ağır zincir yapılamazsa), hücre diğer kromozom üzerinden bunu yapmaya çalışır. Eğer hücre ikinci kez de ağır zincir genlerini yeniden düzenlemeyi başaramazsa, bu hücre elimine edilecektir.

Kappa hafif zincir (Şekil 8)

Bir hücre ağır zincir genindeki yeniden düzenlenim başarılıyla tamamladığında, ardından kappa hifif zincir genlerinden birinin yeniden düzenlenimi başlar. Maternal veya paternal kappa zincir genlerinden hangisinin seçileceği randomize bir olaydır. Eğer yeniden düzenlenim başarılı olmazsa (örneğin fonksiyonel bir kappa zincir üretemiyorsa), o zaman diğer kromozomdaki kappa genlerini düzenlemeye çalışır. Eğer bir hücre kappa hafif zincir genini başarılı bir şekilde yeniden düzenlenime uğratabilirse, kappa hafif zinciri olan bir immünglobulin üretebilen bir B lenfosit olmuş olur.
 

Lambda hafif zincir (Şekil 8)

Eğer bir hücre her iki kappa hafif zincir genini yeniden düzenlemede başarısız olursa, lambda hafif zincir yapmayı dener. Maternal veya paternal lambda hafif zincirlerinden hangisinin seçileceği randomize bir olaydır. Eğer bu yeniden düzenlenim başarısız olursa (örn fonksiyonel bir lambda hafif zincir üretemezse), diğer kromozomdaki lambda genini yeniden düzenlenime sokar. Eğer bir hücre lambda hafif zincir genini başarılı bir şekilde yeniden düzenlenime uğratırsa, lambda hafif zinciri olan immünglobulin üretebilen bir B lenfosit olmuş olur.
 

 

İmmüngloobulin gen ailesi sistemli bir sıra ile yeniden düzenlenimi şu sorulara açıklık getirir:

• Neden tek bir B lenfosit sadece belli bir tip hafif ve ağır zincir içeren immünglobulin üretebilir?

• Niçin belli bir B lenfosit, beli bir spesifitede antikor üretebilir?

• Niçin bir immünglobulin molekülü seviyesindeki immünglobulin allotipi alelik çıkarıma uğrar fakat allotiplerin ko-dominant ekspresyonu toplu olmaktadır?
   

Antikor çeşitliliği, bir organizmanın üretebilmesi mümkün olan spesifik antikorların toplamını ifade eder. 107 - 108 farklı antikor molekülü üretebildiğimiz tahmin edilmektedir. İmmünolojinin önemli sorularından biri de bu kadar farklı antikor molekülünü nasıl yaptığımızdır. Antikor çeşitliliğini açıklamaya çalışan teoriler iki majör kategoriye ayrılır.

Germ Line Teorisi

Bu teori, üretilecek her bir antikor molekülü için farklı bir V gen bölgesine sahip olduğumuzu ifade eder.

Somatik Mutasyon Teorisi

Bu teori ise sadece bir veya birkaç V bölgesigenine sahip olduğumuzu ve çeşitliliğin bu genlerdeki somatik mutasyonlardan kaynaklandığını söyler.

Şu Anki Durum

Bizim şu anki düşüncemiz ise hem germ line teorisinin hem de somatik mutasyon teorisinin de geçerli olduğudur.

Antikor çeşitliliğinin şu mekanizmalara bağlı olduğu düşünülüyor:

1. V gen sayısının çok fazla olması

a ) 30 lambda V geni
b) 300 kappa V geni
c) 1000 ağır zincir V geni bulunmaktadır.

2. V-J ve V-D-J birleşmesi

Hafif zincir V geni ve J bölgesi veya ağır zincir V geni, D ve J bölgelerinin biraraya geldiği bölge üçüncü hipervariable bölgedir. Hangi V ve hangi J veya D bölgelerinin bir araya geleceği randomize olarak seçildiğinden, V-J ve V-D-J birleşmesinden çok fazla çeşitlilik üretilebilmektedir.
 

3. Birleşme çeşitliliği (V-J ve V-D ve D-J rekombinasyon hataları)- (Şekil 9)

V-J ve V-D-J arasındaki rekombinasyon her zaman mükemmel bir biçimde gerçekleşmemektedir ve bu çeşitlilik rekombinasyondaki hatalar sayesinde de artar; örneğin V bölgesini J veya D bölgesinin yanına getirilmesi veya D bölgesini J bölgesinin yanına getirilmesi. Bu hataların V-J ve V-D-J birleşmesiyle çeşitliliği üç kat arttırdığı tahmin edilmektedir. Bu mekanizmayla oluşturulan çeşitlilik üçüncü hipervariable bölgede gerçekleşmektedir ve böylelikle direkt olarak antikorun birleşme noktasını etkilenmektedir.

4. N bölgesi insersiyonu

D ve J segmentleri arası birleşme noktasında terminal transferaz enziminin katalizlediği bir nükleotitd insertion serisi sıklıkla vardır. Terminal transferaz, DNA’da kalıba ihtiyaç duymadan nükleotid polimerizasyonunu randomize olarak katalizler. Bu durum üçüncü hipervariable bölgede daha fazla çeşitliliğe neden olur.

5.Somatik mutasyon

V geninde somatik mutasyonlar olduğuna dair kanıtlar bulunmaktadır; özellikle ikinci hipervariable bölgeyi kodlayan bölgede. Böylelikle, somatik mutasyonlar muhtemelen belli bir ölçüye kadar antikor çeşitliliğine katkıda bulunuyor olabilir.

6. Kombinasyonel ilişki
Herhangi bir özgün B lenfosit mümkün olan herhengi bir hafif ve ağır zinciri yapabilme potansiyeline sahiptir. Böylelikle hafif ve ağır zincirin farklı kombinasyonları B lenfosite daha fazla çeşitlilik kazandırır.

7.Multispesifite
Benzer yapıdaki antikorların antijenik determinantları arasındaki çapraz reaksiyondan dolayı bir antikor sıklıkla birden fazla antijenle reaksiyona girebilir. Bu durum multispesififte olarak adlandırılır. Multispesifite ayrıca antikor çeşitliliğine katkı sağlar.
Bu mekanizmanın bu kadar fazla çeşitliliğe nasıl katkı sağlayabildiği aşağıda gösterilmektedir:
 

Bu hesaplamalarda lambda hafif zincir, somatik mutasyon birleşme çeşitliliği, N bölgesi insertionları veya multispesifitenin katkısı göz ardı edilmiştir. Hafif ve ağır zincirlerde gen yeniden düzenlenim işlemi ve bu zincirlerin kombinasyonel ilişkisi, B lenfosit gelişimi boyunca sürer ve antijenden bağımsızdır. Tüm muhtemel özgül antikor ekprese eden B lenfosit klonları gelişim boyunca üretilmeye devam eder ve antijen basitçe uygun reseptöre sahip olan klonları seçmektedir. Seçilen klonlar aktive olur, proliferasyona uğrar ve antikor sekrete eden plazma hücrelerine farklılaşırlar.

 

ANTİJEN İÇİN T LENFOSİT RESEPTÖRÜ

T lenfositler yüzeylerinde ayrıca antijen için reseptör taşırlar. Bu reseptör bir immünglobulin molekülü değildir fakat immünglobulinlerle analog yapıda sabit ve değişken bölgeleri olan, iki farklı polipeptid zinciri tarafından oluşturulur. T lenfosit reseptör çeşitliliği, antikor çeşitliliğinde tarif edildiği gibi aynı şekilde gerçekleşir (örneğin gen segmentlerinde VJ ve VDJ bağlantısı ve kombinasyonel ilişki). Fakat T lenfositlerde hiçbir somatik mutasyon gözlenmemiştir.
 

Mikrobiyoloji ve İmmünoloji On-line, İMMÜNOLOJİ Bölümüne Dönünüz

This page last changed on Sunday, March 27, 2016
Page maintained by Richard Hunt