Переключение классов иммуноглобулинов

В процессе дифференцировки B-лимфоцитов происходит смена классов иммуноглобулинов, синтезируемых этими клетками. В начале дифференцировки образуются иммуноглобулины, обладающие способностью как секретироваться в окружающую среду, так и интегрироваться в плазматическую мембрану B-лимфоцитов. Поверхностные иммуноглобулины выполняют здесь роль рецепторов антигенов и принадлежат к одному из двух классов белков: IgM или IgD. Белки этих классов обладают одинаковыми аминокислотными последовательностями в N-концевых частях, взаимодействующих с антигенными детерминантами, и различаются по С-концам. В начале процесса дифференцировки поверхностные иммуноглобулины представлены белками только класса IgM, а после первой стимуляции антигеном появляются белки обоих классов; далее, после завершения дифференцировки B-лимфоцитов, на поверхности клеток остаются иммуноглобулины только класса IgD. Именно они продолжают синтезироваться зрелыми B-лимфоцитами.

В основе переключения классов иммуноглобулинов у B-лимфоцитов лежит механизм альтернативного сплайсинга. На любой стадии дифференцировки B-лимфоцитов синтезируются транскрипты генов иммуноглобулинов, в состав которых входят экзоны вариабельных частей иммуноглобулинов, а также их константных частей, как мю, так и дельта, определяющих класс иммуноглобулинов (IgM или IgD соответственно). В результате альтернативного сплайсинга с последовательностями экзонов вариабельных частей в зрелой мРНК соединяются последовательности экзонов мю или дельта, что и определяет класс иммуноглобулинов, образующихся в результате трансляции этих мРНК рибосомами.

С помощью альтернативного сплайсинга B-лимфоциты решают вопрос о том, какая из форм IgM - секретируемая или интегрирующаяся в мембраны - образуется в клетках. Секретируемая и ассоциированная с мембранами формы IgM различаются по С- концевым аминокислотным последовательностям. Последовательности, кодирующие С-концевые домены иммуноглобулинов, добавляются в зрелые мРНК или удаляются из их предшественников в результате альтернативного сплайсинга.

Регуляция экспрессии генов с помощью альтернативного сплайсинга широко распространена в клетках высших организмов. Использование такого механизма позволяет одному и тому же гену кодировать несколько полипептидов, различающихся по своим биологическим функциям, и контролировать их биосинтез во времени (на разных этапах дифференцировки клеток) и в пространстве (в различных органах и тканях). Это повышает информационную емкость генома без существенного увеличения его размеров.

Транс-сплайсинг

Во время постоянного или альтернативного сплайсинга интроны удаляются из предшественников мРНК в результате нескольких реакций при участии крупного РНП-комплекса, называемого сплайсомой. Обычно 5'- и 3'-концевые сайты сплайсинга, участвующие в таком процессе, расположены на одной молекуле пре- мРНК, т.е. в цис-положении по отношению друг к другу. В процессе транс-сплайсинга сплайсома выбирает для объединения 5'-сайт и 3'- сайт сплайсинга, которые располагаются на разных молекулах РНК. Транс-сплайсинг обнаружен у простейших (трипаносом), евглен, нематод и плоских червей, а также в митохондриях, хлоропластах и безрибосомных пластидах высших растений. Наиболее хорошо изучен механизм транс-сплайсинга у нематоды Caenorhabditis elegans.

Только у этих групп организмов (за исключением трипаносом, гены которых не содержат интронов) механизмы цис- и транс- сплайсинга функционируют в клетках на одних и тех же молекулах РНК.

Особенностью транскрипции у нематод является то, что их РНК синтезируются в виде полицистронных предшественников, которые далее расщепляются до моноцистронных единиц, полиаденилируются и подвергаются транс-сплайсингу. В отличие от трипаносом, у которых транс-сплайсинг ограничивается присоединением к акцепторному 3'- концевому сайту сплайсинга одной и той же лидерной РНК SL1 (spliced leader 1), нематоды обладают еще одним донорным сайтом сплайсинга, ассоциированным с SL2-РНК, молекулы которой присоединяются к внутренним сайтам полицистронных транскриптов.

Таким образом, в клетках C. elegans сплайсинг осуществляется по трем механизмам (рис. I.38 - http://humbio.ru/humbio/genexp/001ad65b.htm). Это обычный цис- и транс-сплайсинг, в результате которых SL1-РНК присоединяется вблизи 5'-концов первичных транскриптов-предшественников зрелых мРНК, и транс- сплайсинг с участием молекул SL2-РНК, которые объединяются с внутренними последовательностями нуклеотидов полицистронных транскриптов. Все три типа сплайсинга проходят в основном с участием одних и тех же компонентов РНП-комплекса, представляющего собой сплайсому, которая использует одни и те же 3'- и 5'-концевые канонические последовательности сайтов сплайсинга. В состав сплайсомы нематод входят U1-U6-мяРНК, из которых U2-U6 участвуют в транс-сплайсинге. Молекулы SL-РНК, содержащие донорные сайты сплайсинга, также входят в состав РНП- комплекса.

Последовательности нуклеотидов сайтов транс- и цис- сплайсинга идентичны и взаимозаменяемы в генно-инженерных экспериментах.

Интроноподобные последовательности, расположенные на 5'- концах транскриптов, названные аутронами, подвергаются транс- сплайсингу, тогда как внутренние интроны вырезаются по механизму цис-сплайсинга. Единственным отличием гена, транскрипт которого подвергается транс-сплайсингу, является наличие на его 5'-конце последовательности аутрона, а не экзона. При перемещении интрона одного гена из внутреннего положения на 5'-конец другого или того же самого гена он начинает функционировать в качестве аутрона, т.е. подвергается транс-сплайсингу. Если размер такого аутрона превышает 50 п.о., то он нормально функционирует в транс- сплайсинге. При искусственном введении 5'-концевого сайта сплайсинга в аутрон на расстояние более 50 п.о. от его сайта транс-сплайсинга заключенная между этими сайтами последовательность нуклеотидов в РНК подвергается обычному цис- сплайсингу.

Таким образом, единственным сигналом, разрешающим транс- сплайсинг, является положение последовательности нуклеотидов вблизи 5'-конца пре-мРНК. Зрелые, полностью процессированные РНК C. elegans содержат SL1- и SL2-РНК на 5'-концах, причем соблюдаются пропорции в содержании маркированных таким способом РНК внутри клеток. Следовательно, процесс транс-сплайсинга, в результате которого происходит выбор лидерной SL-РНК, каким-то образом регулируется. Предполагается, что белки, взаимодействующие с сайтами полиаденилирования соответствующих РНК, специфически взаимодействуют с белками мяРНП, в состав которых входят SL-РНК.

Функциональная роль транс-сплайсинга в жизненном цикле нематод неизвестна. Экспериментами in vivo продемонстрирована взаимозаменяемость генов, продукты которых подвергаются цис- или транс-сплайсингу. Известно, что сайты транс-сплайсинга часто располагаются непосредственно перед инициирующими AUG-кодонами мРНК. Это позволяет предположить, что SL-последовательности играют определенную роль в инициации трансляции. С помощью транс- сплайсинга могут удаляться AUG-кодоны, находящиеся не в одной рамке считывания с основной кодирующей последовательностью нуклеотидов мРНК, или создаваться контексты нуклеотидов, которые обеспечивают эффективную инициацию синтеза белка рибосомами. Это может допускать определенную эволюционную гибкость в расположении соответствующих промоторов и создавать условия для возникновения новых сайтов инициации транскрипции на ДНК нематод.