Abstract

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Immunglobulin-Gene

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Einführung

EinImmunglobulin (Ig) besteht aus 2 identischen Leichtketten (L) und 2identischen schweren Ketten (H) (z.B. IgG-typ); räumlich bestehteine Ig-Kette aus einer N-terminalen variablen Domäne, V, undeiner (im Falle einer Leichtkette) oder mehrerer (im Falle einerschweren Ketten) C-terminaler konservierter Domäne(n), C.

DieZellen der B-zell-Linie synthetisieren Immunglobuline. Sie werdenentweder an der Oberfläche eines B-Lymphozyten produziert oderwerden von Plasmozyten sezerniert.

Sieheauch: IMGTEducation - Fig 1

I.Historische Fragen

Sobalddie Hauptcharakteristika von Immunglobulinen entdeckt worden waren,stellte sich eine Anzahl von Fragen:

A

• Antigenesind hochvariabel; um auf sie reagieren zu können, müssenImmunglobuline ebenfalls hohe Variabilität aufweisen (es gibt10¹¹ bis 10¹² verschiedenen Igs!),was der Diversität der Aminosäuren der N-terminalen Teileder L- und H-Ketten entspricht (= der variablen Domänen).

• Entsprichtdies einer hohen Diversität der für die Immunglobulinkodierenden Gene? (Dies entspäche dem Modell der Keimbahn: 1Gen = 1 Ig-Kette; in dem Fall wären viele Gene einbezogen. Siekönnten auch durch Duplikation von Vorläufergenenentstanden sein; aber das gesamte humane Genom würde nichtausreichen, alle Immunglobuline zu kodieren!).

• Reflektiertes eine Akkumulation von Mutationen? (Entspräche dem Modellbzgl der Theorie der somatischen Mutationen: in dem Fall wärennur wenige Gene einbezogen, aber viele somatische Mutationen müsstenstattfinden um die Diversität der Immunglobuline zugewährleisten, die produziert werden; dieses Modell würdejedoch den allgemein akzeptieren Prinzipien der Genetikwidersprechen).

• Entsprichtes einem Mechanismus, der den Immunglobulin-Genen zueigen ist?

B

• Währendder Differenzierung produziert eine B-Zelle zuerst membrangebundeneImmunglobuline an der Oberfläche des B-Lymphozyten, danachproduziert sie die Immunglobuline, die vom Plasmozyten sezerniertwerden. Die Aminosäuresequenz der schweren Ketten vonmembrangebundenen und sezernierten Igs unterscheidet sich nur anihrem C-terminalen Ende: sind in beiden Fällen dieselben Geneinvolviert?

C

• EineB-Zelle exprimiert zuerst IgM an der Oberfläche und kanndanach, während der Differenzierung, eine andere Ig-Klasseexprimieren (IgG, IgE oder IgA) (dieser Mechanismus ist bekannt als"isotype switch" = Wechsel des Isotyps); wie geschiehtdieser Wechsel? Wie können wir erklären, daβ,unabhängig des produzierten Immunglobulinisotyps, dieselbespezifische antigen-variable Domäne (derselbe Idiotyp)exprimiert wird?

D

• EineB-Zelle synthetisiert einen einzigen Typus von schweren und leichtenKetten, obwohl das Genome 2 Chromosomen (2 Allele) für jeden IgLocus hat; allelische Exklusion muβ daher vorkommen, damit einhemizygoter Phänotyp produziert wird; wie geschieht dieseallelische Exklusion?

E

• Schlieβlich,wenn die variable Region Mutationen unterliegt, warum gibt es dannkeine in den konstanten Regionen?

• VerschiedeneMethoden der Molekularbiologie und Genklonierung in Mäusen undMenschen wurden verwendet um die Antworten zu diesen Fragen zubekommen; wir werden unsere Diskussion auf die humanenImmunglobuline 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.

• MultipleIGKV Gene für die variable Region, V (76 Gene, von denen 31-35funktionell sind); 5 IGKJ Gene für die "junctional region"J; ein einziges IGKC Gen für die konstante Region; die V, J undC Gene sind in der genomischen DNA getrennt ("Keimbahn"konfigurationder Ig-Gene).

• Essind Multigenfamilien (siehe auch das Kapitel über Genfamilieninnerhalb der Globingene "...Duplikationen der Vorgängergenefolgten aufeinander und Mutationen in jedem der Gene führten zueinem bestimmten Grad an Diversität. Viele dieser dupliziertenGene sind funktionell....").

• Zuerstwird die DNA rearrangiert: dies ermöglicht es, ein V mit einemJ zu verbinden; die dazwischenliegende DNA wird deletiert.

• Dieprä-messenger RNA wird kopiert (Transkription) inklusive derIntrons.

• Danacherfolgt splicing: die Introns werden eliminiert von derprä-messenger RNA, was in der reifen/fertigen mRNA resultiert.

• DieserProzess wird gefolgt von der Proteinsynthese (genannt Translation).

• Esist essentiell, DNA Rearrangements nicht mitRNA splicing zu verwechseln.

Beachte: Nur die Gene der Immunglobuline und T-Zell-Rezeptorenunterliegen DNA Rearrangement.

Siehe auch : IMGTEducation - Fig 2

• V-JRearrangements passieren an the Rekominationssignalen (RS), die eineheptamere Sequenz (7 Nukleotide) und eine nonamere Sequenz (9Nukleotide) beinhalten, die durch einen Spacer getrennt sind.

Jedes IGKV-Gen wird unterhalb (an der 3’ Position) von einemRS begrenzt, das aus einem CACAGTG Heptamer besteht, gefolgt voneinem 12 bp Spacer und dem ACAAAAACC Nonamer.

Jedes IGKJ-Gen wird oberhalb (5’ vom J Gen) von einem RSbegrenzt, das, in einer Abfolge 5’ – 3’, aus einemGGTTTTTGT Nonamer, einem 23 bp Spacer und einem CACTGTG Heptamerbesteht.

Siehe auch: IMGT IMGTEducation - Fig 3

II.1.2. Lamda-kette: V-J Rearrangements

• IGL(Lambda)–Gene befinden sich auf Position 22q11 auf demChromosom 22; der Mechanismus des V-J Rearrangements ist derselbewie für die IgK-Gene; die Rearrangements passieren zwischeneinem von 29 bis 33 funktionalen IGLV-Genen und einem J-Gen; Essollte beachtet werden, daβ 4-5 funktionale IGLC-Gene vorhandensind, jedem von ihnen istein IGLJ-Gen vorangestellt.

II.1.3. Allelische Exklusion und Isotyp

• AllelischeExklusion kan z.T. durch die zeitliche Abfolge der Rearrangementserklärt werden und z.T. durch die Oberflächenexpessioneines funktionalen Immunglobulins, welches Rearrangements verhindertund dadurch die Expression einer zweiten Kette. Nur ein Chromosom 14und ein Chromosome 2 (oder 22) sind daher produktiv (Antwort aufFrage D).

II.2. Schwere Ketten

• IGH(schwere Ketten)-Gene befinden sich auf 14q32 auf Chromosom 14.

• Esgibt 11 IGHC-Gene, von denen 9 funktionell sind (IGHM, IGHD, IGHG1,IGHG2, IGHG3, IGHG4, IGHA1, IGHA2 und IGHE) bzw den 9Schwerketten-Isotypen μ, δ, γ1, γ2, γ3,γ4, α1, α2 und ε entsprechen.

II.2.1. V-D-J Rearrangements

• DNARearrangements zwischen einem von 38 bis 46 funktionellen variablenIGHV-Genen, einem der 23 Diversitäts-Gene (IGHD) und einem von6 funktionellen Junktions-Genen (IGHJ): es gibt auch RSs, diese sindunterhalb (3’) der V-Gene lokalisiert, auf beiden Seiten derD-Gene und oberhalb (5’) der J-Gene. Während desV-D-J-Rearrangements wird zuerst eine Verbindung zwischen 1 D und 1J-Gen gebildet, danach zwischen 1 V-Gen und dem D-J-Komplex.

Siehe auch: IMGTEducation - Fig 4

• Beachte:Es gibt 2 oder 3 open reading frames der D-Gene; jedes kann für2 oder 3 verschiedenen Peptidsequenzen kodieren. Ebenfallscharakteristisch für die V-D-J-Verbindungsstellen sindNukleotiddeletionen (durch eine Exonuklease) und die zufälligeAnfügung von Nukleotiden (durch TdT, der terminalendeoxynukleotidyl Transferase); die V-Regionen, die darausresultieren, sind also nicht direkt durch das Genom einesIndividuums kodiert, und sie erhöhen die Diversität derV-D-J Regionen der variablen Domänen der schweren Ketten derImmunglobuline beträchtlich.

II.2.2. Wechsel des Isotyps

• Imprä-B Lymphozyten wird zuerst eine mu-Kette synthetisiert, dadas konstante IGHM-Gen nahe am V-D-J-Rearrangement lokalisiert ist.Die mu-Kette wird mit einer Pseudo-Leichtkette verbunden und dieseKombination stellt den prä-B Rezeptor dar. Das erste kompletteIg, das durch einen B-Lymphozyten synthetisiert wird, ist ein IgM,in dem die mu-Kette mit einer kappa- oder lambda-Leichtkettekombiniert wird.

• Währendder Differenzierung kann ein B-Lymphozyt einen anderen Isotyp oderSub-isotyp des Ig exprimieren. Dies beinhaltet den Austausch einesIGHC-Gens durch einen anderen als Resultat von DNA-Rekombination(isotyp switch) begleitet von der Excision des gesamtendazwischenliegenden Teils der DNA, die eine Deletions-Schleifebildet. Diese Excision geschiet an den switch Sequenzen (dieseSequenzen spielen eine Rolle ähnlich den RSs).

• Dienormale Abfolge von Ereignissen danach ist: Synthese derprä-messenger RNA, splicing der Introns resultierend in derreifen RNA gefolgt von Proteinsynthese.

• Dieserklärt, warum 1) ein B-Lymphozyt zuerst einen IgMsynthetisieren kann und danach, während seiner Differenzierung,einen IgG (IgG1, IgG2, IgG3 oder IgG4), einen IgA (IgA1 oder IgA2),oder einen IgE , und 2) daβ er dasselbe V-D-J-Rearrangementbeibehält und daher dieselbe Antigenerkennungsstelle (Idiotyp)(Antwort auf Frage C).

Siehe auch : IMGTEducation - Fig 5 und : IMGTEducation - Fig 6

II.3. Oberflächen- und sezernierte Igs

• AlternativesSplicing der prä-messenger RNA der Schwerketten ergibt entwedereine membrangebunde schwere Kette oder Oberflächenschwerkette(Membran IG der B Lymphozyten), oder eine sezernierte Schwerkette(von Plasmozyten sezerniertes Ig), das dasselbe V-D-J-Rearrangemententhält (Idiotyp) und dieselbe konstante Region (Isotyp)(Antwort auf Frage B).

Siehe auch : IMGTIMGT Education - Fig 7

• Beachte:derselbe Mechanismus (alternatives Splicing der prä-messenger)exprimiert die IgMs und IgDs derselben B-Zelle (Situation einerreifen B Zelle, die das Knochenmark verlt und über denBLutkreislauf die Lymphknoten erreicht).

III. Schluβfolgerung

III.1. Keimbahndiversität: Multigenfamilien

• "Keimbahn"diversitätist abhängig von der Anzahl der Gene auf jedem Locus. Diesesind Genfamilien, die die Wahlmöglichkeit zwischen ähnlichenfunktionellen Sequenzen bieten. Mögliche intergenischeRekombination erlaubt die Langzeitevolution eines Locus mitDuplikation oder Deletion der Gene.

• DieseGene unterliegen intragenischen Konversionen und Rekombinationen,die zu einer Mischung und Diversität (Polymorphismus) zwischenIndividuen führen.

• DasVorhandensein mehrerer open reading frames, im Falle der IGHD-Gene,erhöht die Wahlmögklichkeit zwischen ähnlichenfunktionellen Sequenzen noch mehr.

III.2. Diversität durch DNA-Rearrangements

• Kombinationsdiversität– im mathematischen Sinne der Definition – erlaubtpotentiell die Synthese von millionen Immunglobulinen. Die IgH-Geneerlauben die Synthese von ca. 6000 schweren Ketten, die IGK- oderIGL-Gene wiederum stellen ungefähr 160 Leichtketten, was etwaeiner Million möglicher Kombinationen entspricht (6 x 10 ³ x160).

• Dazukommt, daβ während der Rearrangements der IGH SchwerkettenN-Regionen eingefügt werden bzw eines der reading frames derD-Gene an den V-D-J Verbindungsstellen verwendet werden kann.Während der IGK oder IGL Rearrangements der Leichtketten gibtes Flexibilität der V-J Verbindungen. Diese Mechanismen tragenzu einer erhöhten Diversität um einem Faktor 10³ -10⁴ bei (potentielle Synthese von 10⁹ IgKetten).

III.3.Diversität als Resultat somatischer Hypermutation

Somatische Mutationen sind äuβerst häufig(somatische Hypermutationen) und produzieren sehr gezielteCharakterisierung der rearrangierten V-J und V-D-J Gene der Ig, derStartmechanismus für somatische Hypermutation ist allerdingsnoch nicht geklärt. AID (activation-induced cytidine deaminase)könnte sowohl bei der Entstehung der Mutationen und des switchMechanismus eine Rolle spielen. Die Mutationen erscheinen währendder Differenzierung der B-Zelle in den Lymphknoten und tragen zu dererhöhten Diversität der Igs durch einen weiteren Faktor von10³ bei, was es ermöglicht, eine potentielleDiversität von 10¹² verschiedenen Igs zuerreichen (Antwort auf Frage A).

Diese verschiedenen Mechanismen der Diversität machen esmöglich, 10¹² verschiedenen Immunglobuline zuerlangen, die auf mehrere Millionen bekannter Antigene reagierenkönnen (Antwort auf Frage A).

Die Anzahl der verschiedenen Igs is allerdings limitiert durchdie Anzahl der B-Zellen einer gegebenen Spezies.

Für weitere Details, siehe auch: IMGTGénétique Moléculaire desImmunoglobulines
und:
TheImmunoglobulin FactsBook, MP Lefranc and G Lefranc, AcademicPress, 2001. ISBN 0-12-441351-X.