10. Rekombinacja genów VDJ (lekko poszerzyłam o mechanizmy zmienności przeciwciał najważniejsze, czyli o rekombinacji genów VDJ sensu stricte zaznaczyłam niebieską czcionką)
Rekombinacja genów VDJ wiąże się ze zmiennością przeciwciał. Zmienność przeciwciał z kolei dotyczy występowania przeciwciał o znacznym stopniu zróżnicowania miejsc wiążących antygen (paratopów). Zmienność przeciwciał jest zjawiskiem nietypowym, bowiem jego podstawą są procesy genetyczne, które doprowadzają do utworzenia całkiem nowych, nieobecnych w linii zarodkowej, genów.
Zmienność u limfocytów wynika z 3 mechanizmów:
Rekombinacji VJ/VDJ
Zmienności na złączach
Wstawianiu nowych fragmentów
Mutacji somatycznych
Najważniejszym zjawiskiem podczas generowania zmienności jest niewątpliwie zmienność kombinacyjna. Z jednej strony stanowi bezpośrednią przyczynę zmienności, z drugiej zaś pozwala na stworzenie regionów P i regionów N.
U podstaw zmienności kombinacyjnej leży istnienie wielu różnych genów, które w rezultacie łączenia się ze sobą tworzą funkcjonalny gen dla części zmiennej przeciwciał. W przypadku łańcucha ciężkiego wyróżnia się kilkadziesiąt genów V, kilkanaście genów D i kilka genów J. Oczywiście niezbędne jest jeszcze DNA kodujące część stałą przeciwciała - jest ono zawarte w obrębie genów C. Rozkład genów na chromosomie przedstawia się następująco (nie pokazano rzeczywistych ilości genów, ale jedynie, w celu uproszczenia, kilka z nich):
W przypadku zmienności kombinacyjnej dochodzi najpierw do połączenia się genu D z genem J. Zwykle proces ten zachodzi przez wypętlenie fragmentu DNA pomiędzy genem J i genem D użytym do rekombinacji, następnie jest on wycinany. Geny D i J łączą się ze sobą, a wycięty fragment DNA jest zamykany w formę kolistą. Nowe połączenie między genami D i J nosi nazwę złącza kodującego:
W analogiczny sposób powstaje połączenie między nowo utworzonym genem DJ a genem V, przy czym w przypadku, gdy pomiędzy nimi występują inne geny V lub J, są one wycinane i wchodzą w skład kolistego DNA (podobnie rzecz ma się w przypadku tworzenia genu DJ):
W ten sposób powstał gen VDJ, kodujący całą część zmienną przeciwciała. Ostatnim krokiem jest przyłączenie do tego genu fragmentu kodującego część stałą:
Efektem powyższych wydarzeń jest powstanie kompletnego genu dla immunoglobuliny. Może on już podlegać ekspresji, w wyniku której powstają łańcuchy ciężkie przeciwciała. Podobne procesy zachodzą w przypadku łańcucha lekkiego, z tym jednak zastrzeżeniem, że w ich przypadku nie ma genów J - występują tylko geny V, D i C.
Kiedy dojdzie do rekombinacji obydwu łańcuchów i ekspresji nowych genów, następuje łączenia się łańcuchów lekkich z ciężkimi (dodatkowo zachodzi jeszcze proces wyłączania allelicznego). W jaki jednak sposób te procesy generują zmienność? Przykładowe obliczenia:
Na przykładzie łańcucha ciężkiego κ możemy obliczyć, że przy jego 100 funkcjonalnych genach V, 2 genach D i 10 genów J otrzymamy 100 x 2 x 10 = 2000 VDJ wariantów tego łańcucha.
Łańcuchy ciężkie i lekkie także łączą się ze sobą przypadkowo, dlatego jako końcowy efekt zmienności kombinacyjnej w organizmie może powstać ok. 15 VJ x 2000 VDJ = 30 000 wariantów immunoglobulin (120 genów, 30 000 białek).
Obliczenia te pokazują także, iż sama zmienność kombinacyjna w przypadku przeciwciał nie daje wystarczającego zabezpieczenia przed infekcjami, gdyż przy znanej obecnie liczbie gatunków pasożytów, bakterii, wirusów i grzybów oraz znacznej często liczbie ich odmian serotypowych, milion wariantów przeciwciał nie jest jeszcze żadną obroną. Ponadto, ze względu na przypadkowość łączenia się genów, wiele swoistości może wiązać patogeny z którymi organizm w ogóle się nie zetknie. Problem ten jest omijany poprzez stworzenie jeszcze większej różnorodności, za pomocą mechanizmów zwanych ogólnie zmiennością na złączach.
Zmienność na złączach jest procesem, w którym dochodzi do zmian sekwencji nukleotydów w obrębie złącza kodującego. Dwa mechanizmy odpowiadające za zmienność na złączach to tworzenie regionów P (czyli tworzenie sekwencji palindromowych) oraz tworzenie regionów N (czyli poprzez dodawanie do złącza kodującego dodatkowych nukleotydów). Do powstania zmienności na złączach dochodzi podczas łączenia się genów. Znaczenie tego rodzaju zmienności jest trudne do przecenienia, zwiększa ona bowiem liczbę wariantów ok. 100 x, czyli z wyjściowego 1 000 000 różnych genów, powstających na skutek zmienności kombinacyjnej, dochodzi do powstania 100 000 000 genów, co daje możliwość odpowiedzi na ogromną liczbę antygenów.
Drugim mechanizmem wpływającym na tworzenie nowych genów jest tzw. chwytanie oligonukleotydów, które polega na dołączaniu krótkich sekwencji, uwalnianych podczas rekombinacji genów, do złącza kodującego.
Zmienność może być także uzyskana dzięki mutacjom somatycznym oraz konwersji mitotycznej.
Mutacje somatyczne zachodzą głównie podczas dojrzewania powinowactwa i mają charakter hipermutacji. Konwersja mitotyczna jest natomiast odpowiedzialna za generowanie zmienności tylko u niektórych gatunków zwierząt - u człowieka i innych ssaków jest ona rzadko spotykana, ale u ptaków może stanowić główne źródło zmienności przeciwciał.
