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Gènes des Immunoglobulines : Notion de Réarrangement de l' ADN

Introduction

I. Questions historiques

II. Réponses

II.1. Chaînes légères

II.1.1. Chaîne kappa: réarrangements V-J

II.1.2. Chaîne lambda: réarrangements V-J

II.1.3. Exclusion allélique et isotypique

II.2. Chaînes lourdes

II.2.1. Réarrangements V-D-J

II.2.2. Commutation de classe

II.3. Ig membranaires et Ig sécrétées

II.4. Récapitulatif et différenciation cellulaire

III. Conclusions

III.1. Diversité germinale ('germline'): familles multigéniques

III.2. Diversité dues aux réarrangements de l'ADN

III.3. Diversité par hypermutations somatiques

Introduction

Une immunoglobuline (Ig) est formée de 2 chaînes légères L identiques et de 2 chaînes lourdes H identiques (exemple type: l'IgG); au niveau tridimensionnel, une chaîne d'Ig comprend 1 domaine variable V en N-terminal et 1 (pour la chaîne L) ou plusieurs (pour la chaîne H) domaine(s) constant(s) C en C-terminal.

Les immunoglobulines sont synthétisées par les cellules de la lignée B. Elles sont membranaires (à la surface des lymphocytes B) ou sécrétées (par les plasmocytes).

                                       Fig 1

voir aussi: IMGT EDUCATION - Fig 1

I. Questions historiques

Dès que l'on a pu connaître les principales caractéristiques des immunoglobulines, se sont posées de nombreuses questions:

A

• La diversité des antigènes est extrême; pour y répondre, il faut une même diversité des immunoglobulines (soit 1011 à 1012 Ig différentes!), qui correspond à la diversité des acides aminés des parties N-terminales des chaînes L et H (c' est-à-dire des domaines variables).
• Cela correspond-il à une extrême diversité des gènes responsables du codage des immunoglobulines? (modèle de la théorie germinale: 1 gène = 1 chaîne d'Ig; beaucoup de gènes seraient alors impliqués; ils proviendraient de la duplication de gènes ancestraux; mais le génome humain entier ne suffirait pas à coder toutes les immunoglobulines!).
• Cela correspond-il à l'accumulation de mutations? (modèle de la théorie des mutations somatiques: peu de gènes seraient impliqués, mais de nombreuses mutations somatiques interviendraient ensuite pour assurer la diversité des immunoglobulines produites; mais ce modèle heurtait les principes de la génétique couramment admis).
• Cela correspond-il à un mécanisme spécifique aux gènes des immunoglobulines?

B

Une cellule B, au cours de sa différenciation, produit d'abord des immunoglobulines membranaires à la surface du lymphocyte B, puis des immunoglobulines sécrétées par le plasmocyte. La séquence en acides aminés des chaînes lourdes des Ig membranaires et sécrétées diffèrent seulement à leur extrémité C terminale: les mêmes gènes sont-ils impliqués dans les 2 cas?

C

• Une cellule B exprime d'abord des IgM à sa surface puis, au cours de sa différenciation, pourra exprimer une autre classe d'Ig (IgG, IgE ou IgA) (ce mécanisme est appelé commutation de classe ou 'switch' d'isotype): comment se fait cette commutation? Comment expliquer que, quelle que soit la classe d'immunoglobuline produite, le même domaine variable spécifique d'antigène donné (même idiotype) soit exprimé?

D

• Une cellule B synthétise 1 seul type de chaîne lourde et de chaîne légère alors que son génome comporte 2 chromosomes (2 allèles) pour chaque locus Ig; il y a donc exclusion allélique et phénotype hémizygote; comment se produit cette exclusion allélique?
• Enfin, si les régions variables subissent des mutations, pourquoi n'y en a-t-il pas dans les régions constantes?
• L'utilisation de différentes méthodes de biologie moléculaire et le clonage des gènes chez la souris et chez l' homme ont permis de répondre à ces questions; nous nous limiterons aux immunoglobulines humaines.

II. Réponses

II.1. Chaînes légères (kappa ou lambda)

II.1.1. Chaîne kappa: Réarrangements V-J

• Gènes IGK (kappa) sur le chromosome 2 en 2p11.
• Multiples gènes IGKV pour la région variable V (76 gènes, dont 31 à 35 sont fonctionnels); 5 gènes IGKJ pour la région jonctionnelle J; un seul gène IGKC pour la région constante C; les gènes V, J et C sont séparés dans l' ADN génomique (configuration 'germline' des gènes des Ig).
• Il s'agit de familles multigéniques (voir aussi le paragraphe sur les familles de gènes, dans Gènes de la globine) .. des duplications du gène anctre se sont succédées, et des mutations sur chacun des gènes ont assuré une certaine diversité. Parmi ces gènes dupliqués, beaucoup sont fonctionnels ...").
• Il y a d'abord réarrangement de l'ADN: permet de joindre 1 V et 1 J; les séquences intermédiaires sont délétées,
• Puis copie de l'ARN pré-messager (transcription) qui comporte des introns,
• Puis épissage ('splicing'): élimination des introns de l'ARN prémessager et obtention de l'ARN messager mature,
• Puis synthèse protéique (traduction ou 'translation').
• Note: Il est capital de ne pas confondre réarrangements de l'ADN et épissage de l'ARN.

NOTE: Seuls les gènes des immunoglobulines et des récepteurs T subissent des réarrangements de l'ADN.

                                      Fig 2

voir aussi: IMGT EDUCATION - Fig 2

• Les réarrangements V-J se font au niveau des séquences de recombinaison (RS: 'recombination signal') qui comportent une séquence heptamère (7 nucléotides) et une séquence nonamère (9 nucléotides), séparées par un espaceur ('spacer').

Chaque gène IGKV est suivi en aval (en 3') d'un RS comprenant un heptamère CACAGTG, puis un espaceur de 12 bp, puis un nonamère ACAAAAACC.

Chaque gène IGKJ est précédé en amont (en 5') d'un RS comprenant, de 5' en 3', un nonamère GGTTTTTGT, un espaceur de 23 bp et un heptamère CACTGTG.

                                            Fig 3

II.1.2. Chaîne lambda: Réarrangements V-J

• Gènes IGL (lambda) sur le chromosome 22 en 22q11; même mécanisme de réarrangement V-J que celui décrit pour les gènes IGK: les réarrangements ont lieu entre l'un des 29 à 33 gènes IGLV fonctionnels et un gène J; à noter qu' il existe 4 à 5 gènes IGLC fonctionnels, précédés chacun d' un gène IGLJ.
  

II.1.3. Exclusion allélique et isotypique

                                      Fig 4

• L'exclusion allélique s'explique d'une part par la chronologie des réarrangements, et d'autre part par l'expression en surface d'une immunoglobuline fonctionnelle, laquelle inhibe les réarrangements et donc l'expression d' une seconde chaîne. Un seul chromosome 14 et un seul chromosome 2 (ou 22) sont donc productifs (réponse à la question D).

II.2. Chaînes lourdes

• Gènes IGH ('heavy') sur le chromosome 14 en 14q32.
• Il existe 11 gènes IGHC dont 9 sont fonctionnels (IGHM, IGHD, IGHG1, IGHG2, IGHG3, IGHG4, IGHA1, IGHA2 et IGHE) et correspondent respectivement aux 9 isotypes de chaînes lourdes m, d, g1, g2, g3, g4, a1, a2 et e.

II.2.1. Réarrangements V-D-J

Réarrangements de l'ADN entre l'un des 38 à 46 gènes variables IGHV fonctionnels, l'un des 23 gènes de diversité IGHD fonctionnels, et l'un des 6 gènes de jonction IGHJ fonctionnels: il existe ici aussi des RS qui sont localisés en aval (en 3') des gènes V, de part et d' autre des gènes D et en amont (en 5') des gènes J. Lors d' un réarrangement V-D-J, il y a d'abord jonction d' 1 D et d' 1 J, puis jonction d' 1 V au complexe D-J.

                                          Fig 5

voir aussi: IMGT EDUCATION - Fig 4

• Note: il existe, de plus, 2 ou 3 cadres de lecture ouverte des gènes D; donc chacun peut coder 2 ou 3 séquences peptidiques différentes. Les jonctions V-D-J sont aussi caractérisées par des délétions de nucléotides (par une exonucléase) et par l'ajout de nucléotides au hasard (gr'ce à la dTT, désoxynucléotidyl transférase terminale); les régions N qui en résultent ne sont donc pas codées dans le génome de l'individu et augmentent considérablement la diversité des jonctions V-D-J des domaines variables des chaînes lourdes des immunoglobulines.

II.2.2. Commutation de classe

• Dans le lymphocyte pré-B, il y a d'abord synthèse d'une chaîne mu, car le gène constant IGHM (C) est situé à proximité du réarrangement V-D-J. Cette chaîne mu est associée à la pseudo-chaîne légère et l'ensemble constitue le récepteur pré-B. La première Ig complète synthétisée par le lymphocyte B est une IgM où la chaîne mu est associée à une chaîne légère kappa ou lambda.
• Au cours de sa différenciation, le lymphocyte B peut exprimer une autre classe ou sous-classe d'Ig. Ceci nécessite le remplacement d'un gène IGHC par un autre, par recombinaison de l'ADN (commutation de classe ou 'switch'), avec excision de toute la partie intermédiaire sous forme d'une boucle de délétion. Cette excision se fait au niveau des séquences switch (rôle apparenté à celui des RS).
• Puis, le déroulement habituel: synthèse de l'ARN prémessager, épissage des introns aboutissant à l' ARN mature, puis synthèse protéique.
• Ceci explique 1) qu'un lymphocyte B puisse d'abord synthétiser une IgM puis, au cours de sa différenciation, une IgG (IgG1, IgG2, IgG3 ou IgG4), une IgA (IgA1 ou IgA2) ou une IgE, et 2) qu'il garde le même réarrangement V-D-J et donc le même site de reconnaissance de l'antigène (idiotype) (réponse à la question C).

                                             Fig 6

voir aussi: IMGT EDUCATION - Fig 5 et IMGT EDUCATION - Fig 6

II.3. Ig membranaires et Ig sécrétées

Un épissage alternatif de l'ARN prémessager de la chaîne lourde permet d'obtenir soit une chaîne lourde membranaire (Ig membranaire des lymphocytes B), soit une chaîne lourde sécrétée (Ig sécrétée des plasmocytes) qui gardent le même réarrangement V-D-J (idiotype) et la même région constante (isotype) (réponse à la question B).

                                        Fig 7

voir aussi: IMGT EDUCATION - Fig 7

• Note: un mécanisme identique (épissage alternatif d'un pré-messager) permet d'exprimer des IgM et des IgD dans une même cellule B (cas des cellules B matures qui quittent la moelle osseuse et gagnent les ganglions lymphatiques par la circulation).

III. Conclusions

III.1. Diversité germinale ('germline'): familles multigéniques

• La diversité 'germline' dépend du nombre de gènes à chaque locus. Il s'agit de familles de gènes, offrant une possibilité de choix entre séquences fonctionnelles proches. De possibles recombinaisons intergéniques permettent, à long terme, l'évolution du locus avec duplication ou délétion de gènes.
• Ces gènes sont l'objet de conversions et de recombinaisons intragéniques, assurant le brassage et la diversité (polymorphisme) entre individus.
• L'existence de plusieurs cadres de lecture ouverte ('open reading frame'), dans le cas des gènes IGHD, augmente encore la possibilité de choix entre séquences fonctionnelles proches.

III.2. Diversité due aux réarrangements de l'ADN

• La diversité combinatoire -au sens mathématique du terme- permet la synthèse potentielle d'un million d'immunoglobulines. En effet, les gènes IGH permettent la synthèse d' environ 6000 chaînes lourdes, les gènes IGK ou IGL d'environ 160 chaînes légères, ce qui correspond à près de un million de combinaisons possibles (6 x 10 3 x 160).

                                    Fig 8

• A cela s' ajoutent, lors des réarrangements IGH des chaînes lourdes, l'acquisition de régions N, et l'utilisation de l'un ou l'autre cadre de lecture des gènes D au niveau des jonctions V-D-J, et lors des réarrangements IGK ou IGL des chaînes légères, une flexibilité des jonctions V-J. Ces mécanismes contribuent à augmenter la diversité d'un facteur 103

III.3. Diversité par hypermutations somatiques

Enfin, des mutations somatiques très nombreuses (hypermutations somatiques) caractérisent de manière très ciblée les gènes réarrangés V-J et V-D-J des Ig, mais leur mécanisme d'apparition n'est pas encore connu. L'AID (activation-induced cytidine deaminase) serait impliquée à la fois dans l'apparition des mutations et le mécanisme de switch. Les mutations apparaissent au cours de la différenciation du lymphocyte B dans les ganglions lymphatiques et contribuent à augmenter la diversité des Ig par un facteur supplémentaire 103, ce qui permet d'atteindre une diversité potentielle de 1012 Ig différentes (réponse à la question A).

Ces différents mécanismes de diversité permettent d' obtenir 1012 immunoglobulines différentes, capables de répondre aux quelques millions d'antigènes connus (réponse à la question A).

Le nombre d'Ig différentes est en fait limité par le nombre de cellules B dans une espèce donnée.

Pour plus de détails, voir: IMGT Génétique Moléculaire des Immunoglobulines

et The Immunoglobulin FactsBook, MP Lefranc and G Lefranc, Academic Press, 2001. ISBN 0-12-441351-X.