Immunglobulin-Gene

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 Schluβfolgerung III.1. "Germline" diversität: Multigenfamilien III.2. Diversität durch DNA-Rearrangements III.3. Diversität als Resultat somatischer Hypermutation

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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, daβ, 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 muβ daher vorkommen, damit ein hemizygoter Phänotyp produziert wird; wie geschieht diese allelische Exklusion?

E

• Schlieβlich, 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 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, daβ 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) daβ 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 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 verlt und über den BLutkreislauf die Lymphknoten erreicht).

 

III. Schluβfolgerung

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, daβ 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 äuβerst 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.

 

Ubersetzung : Katrina Vanura

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Contributor(s)

Written	2002-03	Marie-Paule Lefranc, Jean-Loup Huret
		IMGT, LIGM, IGH, UPR CNRS 1142, 141 rue de la Cardonille, 34396 Montpellier Cedex 5, France