Atlas of Genetics and Cytogenetics in Oncology and Haematology
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Immunglobulin-Gene
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Einführung
I Historische Fragen
II Antworten
II.1 Leichtketten (kappa oder lambda)
II.1.1 Kappa-kette: V-J Rearrangements
II.1.2 Lamda-kette: V-J Rearrangements
II.1.3 Allelische Exklusion und Isotyp
II.2 Schwerketten
II.2.1 V-D-J Rearrangements
II.2.2 Wechsel des Isotyps
II.3 Oberflächen- und sezernierte Igs
III Schlußfolgerung
III.1. "Germline" diversität: Multigenfamilien
III.2. Diversität durch DNA-Rearrangements
III.3. Diversität als Resultat somatischer Hypermutation
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Französisch
Englisch
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Einführung
Ein Immunglobulin (Ig) besteht aus 2 identischen Leichtketten (L)
und 2 identischen schweren Ketten (H) (z.B. IgG-typ); räumlich besteht
eine Ig-Kette aus einer N-terminalen variablen Domäne, V, und einer (im
Falle einer Leichtkette) oder mehrerer (im Falle einer schweren Ketten)
C-terminaler konservierter Domäne(n), C.
Die Zellen der B-zell-Linie synthetisieren Immunglobuline. Sie
werden entweder an der Oberfläche eines B-Lymphozyten produziert oder
werden von Plasmozyten sezerniert.
Siehe auch: IMGT
Education - Fig 1
I. Historische Fragen
Sobald die Hauptcharakteristika von Immunglobulinen entdeckt worden waren, stellte sich eine Anzahl von Fragen:
A
Antigene sind hochvariabel; um auf sie reagieren zu können,
müssen Immunglobuline ebenfalls hohe Variabilität aufweisen (es gibt 1011 bis 1012
verschiedenen Igs!), was der Diversität der Aminosäuren der
N-terminalen Teile der L- und H-Ketten entspricht (= der variablen
Domänen). Entspricht dies einer hohen Diversität der für die
Immunglobulin kodierenden Gene? (Dies entspäche dem Modell der
Keimbahn: 1 Gen = 1 Ig-Kette; in dem Fall wären viele Gene einbezogen.
Sie könnten auch durch Duplikation von Vorläufergenen entstanden sein;
aber das gesamte humane Genom würde nicht ausreichen, alle
Immunglobuline zu kodieren!). Reflektiert es eine Akkumulation von Mutationen? (Entspräche
dem Modell bzgl der Theorie der somatischen Mutationen: in dem Fall
wären nur wenige Gene einbezogen, aber viele somatische Mutationen
müssten stattfinden um die Diversität der Immunglobuline zu
gewährleisten, die produziert werden; dieses Modell würde jedoch den
allgemein akzeptieren Prinzipien der Genetik widersprechen). Entspricht es einem Mechanismus, der den Immunglobulin-Genen zueigen ist?
B
Während der Differenzierung produziert eine B-Zelle zuerst
membrangebundene Immunglobuline an der Oberfläche des B-Lymphozyten,
danach produziert sie die Immunglobuline, die vom Plasmozyten
sezerniert werden. Die Aminosäuresequenz der schweren Ketten von
membrangebundenen und sezernierten Igs unterscheidet sich nur an ihrem
C-terminalen Ende: sind in beiden Fällen dieselben Gene involviert? C
Eine B-Zelle exprimiert zuerst IgM an der Oberfläche und
kann danach, während der Differenzierung, eine andere Ig-Klasse
exprimieren (IgG, IgE oder IgA) (dieser Mechanismus ist bekannt als
"isotype switch" = Wechsel des Isotyps); wie geschieht dieser Wechsel?
Wie können wir erklären, daß, unabhängig des produzierten
Immunglobulinisotyps, dieselbe spezifische antigen-variable Domäne
(derselbe Idiotyp) exprimiert wird? D
Eine B-Zelle synthetisiert einen einzigen Typus von
schweren und leichten Ketten, obwohl das Genome 2 Chromosomen (2
Allele) für jeden Ig Locus hat; allelische Exklusion muß daher
vorkommen, damit ein hemizygoter Phänotyp produziert wird; wie
geschieht diese allelische Exklusion? E
Schließlich, wenn die variable Region Mutationen unterliegt, warum gibt es dann keine in den konstanten Regionen?
Verschiedene Methoden der Molekularbiologie und
Genklonierung in Mäusen und Menschen wurden verwendet um die Antworten
zu diesen Fragen zu bekommen; wir werden unsere Diskussion auf die
humanen Immunglobuline beschränken.
II. Antworten
II.1. Leichtketten (kappa oder lambda)
II.1.1. Kappa-kette: V-J Rearrangements
IGK (kappa) Gene liegen auf 2p11 auf dem Chromosom 2.
Multiple IGKV Gene für die variable Region, V (76 Gene, von
denen 31-35 funktionell sind); 5 IGKJ Gene für die "junctional region"
J; ein einziges IGKC Gen für die konstante Region; die V, J und C Gene
sind in der genomischen DNA getrennt ("Keimbahn"konfiguration der
Ig-Gene). Es sind Multigenfamilien (siehe auch das Kapitel über
Genfamilien innerhalb der Globingene "...Duplikationen der
Vorgängergene folgten aufeinander und Mutationen in jedem der Gene
führten zu einem bestimmten Grad an Diversität. Viele dieser
duplizierten Gene sind funktionell...."). Zuerst wird die DNA rearrangiert: dies ermöglicht es, ein V
mit einem J zu verbinden; die dazwischenliegende DNA wird deletiert. Die prä-messenger RNA wird kopiert (Transkription) inklusive der Introns.
Danach erfolgt splicing: die Introns werden eliminiert von der prä-messenger RNA, was in der reifen/fertigen mRNA resultiert.
Dieser Prozess wird gefolgt von der Proteinsynthese (genannt Translation).
Es ist essentiell, DNA Rearrangements nicht mit RNA splicing zu verwechseln.
Beachte: Nur die Gene der Immunglobuline und T-Zell-Rezeptoren unterliegen DNA Rearrangement.
Siehe auch : IMGT
Education - Fig 2
V-J Rearrangements passieren an the Rekominationssignalen
(RS), die eine heptamere Sequenz (7 Nukleotide) und eine nonamere
Sequenz (9 Nukleotide) beinhalten, die durch einen Spacer getrennt
sind. Jedes IGKV-Gen wird unterhalb (an der 3’ Position) von einem RS
begrenzt, das aus einem CACAGTG Heptamer besteht, gefolgt von einem 12
bp Spacer und dem ACAAAAACC Nonamer.
Jedes IGKJ-Gen wird oberhalb (5’ vom J Gen) von einem RS
begrenzt, das, in einer Abfolge 5’ – 3’, aus einem GGTTTTTGT Nonamer,
einem 23 bp Spacer und einem CACTGTG Heptamer besteht.
Siehe auch: :
IMGT Education - Fig 3
II.1.2. Lamda-kette: V-J Rearrangements
IGL (Lambda)–Gene befinden sich auf Position 22q11 auf dem
Chromosom 22; der Mechanismus des V-J Rearrangements ist derselbe wie
für die IgK-Gene; die Rearrangements passieren zwischen einem von 29
bis 33 funktionalen IGLV-Genen und einem J-Gen; Es sollte beachtet
werden, daß 4-5 funktionale IGLC-Gene vorhanden sind, jedem von ihnen
istein IGLJ-Gen vorangestellt.
II.1.3. Allelische Exklusion und Isotyp
Allelische Exklusion kan z.T. durch die zeitliche Abfolge
der Rearrangements erklärt werden und z.T. durch die
Oberflächenexpession eines funktionalen Immunglobulins, welches
Rearrangements verhindert und dadurch die Expression einer zweiten
Kette. Nur ein Chromosom 14 und ein Chromosome 2 (oder 22) sind daher
produktiv (Antwort auf Frage D).
II.2. Schwere Ketten
IGH (schwere Ketten)-Gene befinden sich auf 14q32 auf Chromosom 14.
Es gibt 11 IGHC-Gene, von denen 9 funktionell sind (IGHM,
IGHD, IGHG1, IGHG2, IGHG3, IGHG4, IGHA1, IGHA2 und IGHE) bzw den 9
Schwerketten-Isotypen μ, δ, γ1, γ2, γ3, γ4, α1, α2 und ε entsprechen.
II.2.1. V-D-J Rearrangements
DNA Rearrangements zwischen einem von 38 bis 46
funktionellen variablen IGHV-Genen, einem der 23 Diversitäts-Gene
(IGHD) und einem von 6 funktionellen Junktions-Genen (IGHJ): es gibt
auch RSs, diese sind unterhalb (3’) der V-Gene lokalisiert, auf beiden
Seiten der D-Gene und oberhalb (5’) der J-Gene. Während des
V-D-J-Rearrangements wird zuerst eine Verbindung zwischen 1 D und 1
J-Gen gebildet, danach zwischen 1 V-Gen und dem D-J-Komplex.
Siehe auch: IMGT
Education - Fig 4
Beachte: Es gibt 2 oder 3 open reading frames der D-Gene;
jedes kann für 2 oder 3 verschiedenen Peptidsequenzen kodieren.
Ebenfalls charakteristisch für die V-D-J-Verbindungsstellen sind
Nukleotiddeletionen (durch eine Exonuklease) und die zufällige Anfügung
von Nukleotiden (durch TdT, der terminalen deoxynukleotidyl
Transferase); die V-Regionen, die daraus resultieren, sind also
nicht direkt durch das Genom eines Individuums kodiert, und sie erhöhen
die Diversität der V-D-J Regionen der variablen Domänen der schweren
Ketten der Immunglobuline beträchtlich.
II.2.2. Wechsel des Isotyps
Im prä-B Lymphozyten wird zuerst eine mu-Kette
synthetisiert, da das konstante IGHM-Gen nahe am V-D-J-Rearrangement
lokalisiert ist. Die mu-Kette wird mit einer Pseudo-Leichtkette
verbunden und diese Kombination stellt den prä-B Rezeptor dar. Das
erste komplette Ig, das durch einen B-Lymphozyten synthetisiert wird,
ist ein IgM, in dem die mu-Kette mit einer kappa- oder
lambda-Leichtkette kombiniert wird.
Während der Differenzierung kann ein B-Lymphozyt einen
anderen Isotyp oder Sub-isotyp des Ig exprimieren. Dies beinhaltet den
Austausch eines IGHC-Gens durch einen anderen als Resultat von
DNA-Rekombination (isotyp switch) begleitet von der Excision des
gesamten dazwischenliegenden Teils der DNA, die eine Deletions-Schleife
bildet. Diese Excision geschiet an den switch Sequenzen (diese
Sequenzen spielen eine Rolle ähnlich den RSs).
Die normale Abfolge von Ereignissen danach ist: Synthese
der prä-messenger RNA, splicing der Introns resultierend in der reifen
RNA gefolgt von Proteinsynthese.
Dies erklärt, warum 1) ein B-Lymphozyt zuerst einen IgM
synthetisieren kann und danach, während seiner Differenzierung, einen
IgG (IgG1, IgG2, IgG3 oder IgG4), einen IgA (IgA1 oder IgA2), oder
einen IgE , und 2) daß er dasselbe V-D-J-Rearrangement beibehält und
daher dieselbe Antigenerkennungsstelle (Idiotyp) (Antwort auf Frage C).
Siehe auch : IMGT
Education - Fig 5 und : IMGT
Education - Fig 6
II.3. Oberflächen- und sezernierte Igs
Alternatives Splicing der prä-messenger RNA der Schwerketten
ergibt entweder eine membrangebunde schwere Kette oder
Oberflächenschwerkette (Membran IG der B Lymphozyten), oder eine
sezernierte Schwerkette (von Plasmozyten sezerniertes Ig), das dasselbe
V-D-J-Rearrangement enthält (Idiotyp) und dieselbe konstante Region
(Isotyp) (Antwort auf Frage B).
Siehe auch :
IMGT Education - Fig 7
Beachte: derselbe Mechanismus (alternatives Splicing der
prä-messenger) exprimiert die IgMs und IgDs derselben B-Zelle
(Situation einer reifen B Zelle, die das Knochenmark verläßt und über
den BLutkreislauf die Lymphknoten erreicht).
III. Schlußfolgerung
III.1. Keimbahndiversität: Multigenfamilien
"Keimbahn"diversität ist abhängig von der Anzahl der Gene
auf jedem Locus. Diese sind Genfamilien, die die Wahlmöglichkeit
zwischen ähnlichen funktionellen Sequenzen bieten. Mögliche
intergenische Rekombination erlaubt die Langzeitevolution eines Locus
mit Duplikation oder Deletion der Gene.
Diese Gene unterliegen intragenischen Konversionen und
Rekombinationen, die zu einer Mischung und Diversität (Polymorphismus)
zwischen Individuen führen.
Das Vorhandensein mehrerer open reading frames, im Falle
der IGHD-Gene, erhöht die Wahlmögklichkeit zwischen ähnlichen
funktionellen Sequenzen noch mehr.
III.2. Diversität durch DNA-Rearrangements
Kombinationsdiversität – im mathematischen Sinne der
Definition – erlaubt potentiell die Synthese von millionen
Immunglobulinen. Die IgH-Gene erlauben die Synthese von ca. 6000
schweren Ketten, die IGK- oder IGL-Gene wiederum stellen ungefähr 160
Leichtketten, was etwa einer Million möglicher Kombinationen entspricht
(6 x 10 3 x 160).
Dazu kommt, daß während der Rearrangements der IGH
Schwerketten N-Regionen eingefügt werden bzw eines der reading frames
der D-Gene an den V-D-J Verbindungsstellen verwendet werden kann.
Während der IGK oder IGL Rearrangements der Leichtketten gibt es
Flexibilität der V-J Verbindungen. Diese Mechanismen tragen zu einer
erhöhten Diversität um einem Faktor 103 - 104 bei (potentielle Synthese von 109 Ig Ketten).
III.3.Diversität als Resultat somatischer Hypermutation
Somatische
Mutationen sind äußerst häufig (somatische Hypermutationen) und
produzieren sehr gezielte Charakterisierung der rearrangierten V-J und
V-D-J Gene der Ig, der Startmechanismus für somatische Hypermutation
ist allerdings noch nicht geklärt. AID (activation-induced cytidine
deaminase) könnte sowohl bei der Entstehung der Mutationen und des
switch Mechanismus eine Rolle spielen. Die Mutationen erscheinen
während der Differenzierung der B-Zelle in den Lymphknoten und tragen
zu der erhöhten Diversität der Igs durch einen weiteren Faktor von 103 bei, was es ermöglicht, eine potentielle Diversität von 1012 verschiedenen Igs zu erreichen (Antwort auf Frage A).
Diese verschiedenen Mechanismen der Diversität machen es möglich, 1012 verschiedenen Immunglobuline zu erlangen, die auf mehrere Millionen bekannter Antigene reagieren können (Antwort auf Frage A).
Die Anzahl der verschiedenen Igs is allerdings limitiert durch die Anzahl der B-Zellen einer gegebenen Spezies.
Für weitere Details, siehe auch: IMGT
Génétique Moléculaire des Immunoglobulines
und:
The Immunoglobulin
FactsBook, MP Lefranc and G Lefranc, Academic Press, 2001. ISBN 0-12-441351-X.