Cơ chế di truyền tạo nên sự đa dạng của kháng thể ở động vật

Tạp chí KH-CN Nghệ AnSỐ 4/2016 [59] NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI 1. Sơ lược về cấu trúc kháng thể Kháng thể gồm có 5 loại cơ bản khác nhau về chức năng miễn dịch là IgG, IgA, IgM, IgD và IgE. Mỗi loại kháng thể được cấu tạo bởi 2 chuỗi nặng giống hệt nhau (kí hiệu là H) và 2 chuỗi nhẹ cũng giống hệt nhau (kí hiệu là L) (Hình 1A). Về mặt chức năng, kháng thể được chia thành 2 vùng lớn là vùng ổn định C (con- K háng thể là một glycoprotein miễn dịch (immunoglobulin-Ig) được tạo ra từ tế bàolympho B (chủ yếu là tương bào sản sinh kháng thể có nhiệm vụ “bắt giữ” khángnguyên), có khả năng kết hợp đặc hiệu với kháng nguyên đã kích thích sinh ra nó [6]. Kháng thể được Von Bering và Kitasato phát hiện từ những năm đầu (1890) của lịch sử miễn dịch học [2]. Cho đến nay, kháng thể đã được nghiên cứu và hiểu khá rõ ở mức độ phân tử. Về mặt di truyền học, điểm đáng chú ý của hệ miễn dịch là cách cơ thể tổng hợp các kháng thể đặc hiệu với mỗi loại kháng nguyên vốn có mức độ đa dạng dường như không giới hạn. Câu hỏi đặt ra là: bằng cách nào mà một cơ thể động vật có thể tạo ra số loại kháng thể nhiều hơn số gen trong hệ gen của chúng. Câu trả lời là hệ thống miễn dịch của động vật đã phát triển các cơ chế di truyền độc đáo cho phép nó tạo ra một số lượng gần như không giới hạn các chuỗi nặng (Heavy chain - H) và các chuỗi nhẹ (Light chain - L) khác nhau, trong đó, cơ chế quan trọng nhất chính là “sắp xếp lại” các phân đoạn gen riêng biệt với nhau [1]. CƠ CHẾ DI TRUYỀN TẠO NÊN SỰ ĐA DẠNG CỦA KHÁNG THỂ Ở ĐỘNG VẬT n Nguyễn Thị Thảo Khoa Sinh học, Đại học Vinh stant region) đáp ứng miễn dịch và vùng V (variable re- gion) có khả năng biến đổi (thay đổi cấu trúc phù hợp với cấu hình của kháng nguyên) [2]. Mỗi vùng V gồm có 7 vùng nhỏ: 3 vùng biến đổi về trình tự (comple- mentarity determining region - CDR) xác định bổ thể và 4 vùng khung (FR) ổn định về trình tự. Ba vùng CDR của chuỗi nặng bắt cặp với 3 vùng CDR của chuỗi nhẹ tạo thành vị trí liên kết với kháng nguyên [2]. Hình 1. Cấu trúc của một phân tử kháng thể. A. Cấu trúc gồm 2 chuỗi nặng (H) giống hệt nhau và 2 chuỗi nhẹ (L) giống hết nhau. |—◆—|: liên kết disulfide giữa chuỗi nặng và chuỗi nhẹ; giữa chuỗi nặng và chuỗi nặng. B. VL: vùng biến đổi của chuỗi nhẹ; CL: vùng ổn định của chuỗi nhẹ; VH: vùng biến đổi của chuỗi nặng; CH1, CH2 và CH3: các vùng ổn định của chuỗi nặng [9]. A B vùng khung Vùng xác định bổ thể Tạp chí KH-CN Nghệ AnSỐ 4/2016 [60] NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI các phân đoạn nhỏ (các đoạn ADN ngắn), những phân đoạn này có thể tổ hợp lại theo các cách khác nhau để tạo thành các trình tự phù hợp trong quá trình biệt hóa các tế bào sinh sản kháng thể. Có 3 cơ chế chính dẫn đến sự đa dạng kháng thể ở động vật là: (1) sắp xếp lại các phân đoạn gen V(D)J (Hình 1B); (2) sự chuyển đổi loại kháng thể và (3) siêu đột biến tế bào soma. 2.1. Sắp xếp lại các phân đoạn gen V(D)J Trong tế bào gốc của cơ thể động vật vốn đã có một số lượng lớn các phân đoạn gen V, J và D mã hóa các chuỗi kháng thể đã góp phần đáng kể vào sự đa dạng kháng thể, nhưng việc sắp xếp các phân đoạn gen này thông qua quá trình sắp xếp lại vị trí đặc hiệu được gọi là quá trình nối V(D)J (nối V và J ở chuỗi nhẹ; nối V, D và J ở chuỗi nặng) còn làm tăng sự đa dạng kháng thể lên đến mức gần như vô hạn. Các đoạn V, J và D có khả năng sắp xếp lại như vậy là nhờ sự có mặt của các trình tự tín hiệu sắp xếp lại nằm trong mỗi đoạn đó (Hình 2). Do đó, sự đa dạng hóa tổ hợp các phân đoạn gen V, J và D là một cơ chế đa dạng hóa kháng thể [1, 2]. Các kháng thể IgM, IgD, IgA, IgE và IgG lần lượt mang các chuỗi nặng là µ, δ, α, ε và γ; các chuỗi nhẹ có thể là κ hoặc λ ở cả 5 loại. Ở người có 2 loại phụ IgA và 4 loại phụ IgG. Các loại phụ này khác biệt nhỏ về cấu trúc chuỗi nặng. Các chuỗi nặng và nhẹ được nối với nhau chủ yếu bằng các liên kết (cầu nối) disulfide qua đó tạo thành kháng thể có hình chữ Y (chạc 3). Số lượng liên kết disulfide giữa chuỗi nặng và nhẹ khác nhau ở các loại kháng thể khác nhau. Mỗi chuỗi nặng và chuỗi nhẹ của một kháng thể đều có vùng biến đổi V (trình tự axit amin không ổn định) và vùng ổn định C (trình tự axit amin ổn định). Trong đó, trình tự axit amin của vùng V xác định đặc trưng kháng thể tương ứng với kháng nguyên đã kích thích sinh ra nó. Mỗi tương tác kháng nguyên - kháng thể xảy ra giữa paratope (là vị trí ở trên kháng thể nhận diện kháng nguyên) và epitope - quyết định kháng nguyên (là vị trí trên kháng nguyên liên kết với paratope trên kháng thể). 2. Cơ chế di truyền tạo nên sự đa dạng kháng thể ở động vật Các nghiên cứu cho thấy rằng, các tế bào lympho sử dụng hơn 500 gen khác nhau để mã hóa một số lượng khổng lồ các thụ thể đặc hiệu kết hợp với kháng nguyên [4]. Trong hệ gen, thông tin di truyền (trên ADN) mã hóa cho các chuỗi nặng và nhẹ của kháng thể được lưu giữ trong Hình 2. Sự định vị của các nhóm gen mã hóa chuỗi nặng H, chuỗi nhẹ κ và λ trên các nhiễm sắc thể [2]. Tạp chí KH-CN Nghệ AnSỐ 4/2016 [61] NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI nhất 120-144 (30 Vλ × 4 J λ đến 36 Vλ × 4 Jλ) vùng V-J khác nhau có thể được tạo thành thông qua quá trình sắp xếp lại để tạo thành chuỗi nhẹ λ; có ít 6318 (39 VH × 27 DH × 6 JH) vùng V-D-J khác nhau được tạo thành thông qua quá trình sắp xếp lại để tạo thành chuỗi nặng [1, 2]. 2.2. Sự chuyển đổi loại kháng thể Hình 2 cho thấy, ở người, các phân đoạn gen liên quan đến sự tạo thành chuỗi nhẹ κ nằm trên nhiễm sắc thể số 2 gồm 40 phân đoạn V và 5 phân đoạn J. Trong quá trình sắp xếp lại các phân đoạn, bất kỳ phân đoạn nào trong 40 phân đoạn V của gen κ cũng có thể ghép với bất kì phân đoạn J. Do đó, ít nhất 200 (40 Vκ × 5 Jκ) vùng V-J khác nhau được tạo thành thông qua quá trình sắp xếp lại biểu hiện chuỗi κ. Tương tự, có ít Hình 4. Một ví dụ về sự sắp xếp lại ADN xảy ra trong quá trình sắp xếp lại chuyển đổi loại. Một tế bào B tạo một kháng thể IgM từ một trình tự VDJ (đã được sắp xếp) bị kích thích bởi kháng nguyên và nhờ cytokine (được tạo bởi tế bào tế bào hỗ trợ T) chuyển đổi tạo kháng thể IgA. Trong quá trình đó, vùng ADN giữa trình tự VDJ và trình tự mã hóa Cα bị loại bỏ [1]. Hình 3. Sự sắp xếp chuyển đổi loại kháng thể Nguồn: Elsevier’s Integrated Review Immunology and Microbiology, Ze Sự sắp xếp các phân đoạn gen chuỗi nặng trong tế bào B Chuỗi nặng trưởng thành (IgG1) Loại bỏ ADN bằng cách cắt và nối lại các trình tự ADN chuyển đổi gần trình tự chuyển đổi Phiên mã và dịch mã Chuỗi nặng trưởng thành (IgA2) Chuỗi nặng trưởng thành (IgE) Tác động của cytokine tế bào T Tạp chí KH-CN Nghệ AnSỐ 4/2016 [62] NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI các trình tự khung ngay cạnh, nhưng mục tiêu của đột biến là các điểm nóng có trình tự đặc trưng WRCY (W = A hoặc T, R = A hoặc G, C, Y = T hoặc C) và WA [5]. Khả năng siêu đột biến ở các vùng mã hóa vị trí liên kết kháng nguyên có vai trò quan trọng. Nếu không có khả năng này, sự đa dạng của kháng thể chỉ đơn thuần phụ thuộc vào sự sắp xếp lại ADN trong quá trình biệt hóa các tế bào thuộc hệ miễn dịch. Trong khi đó, virus và tác nhân gây bệnh vốn có thể biến đổi không ngừng đã tạo ra vô số các dạng kháng nguyên khác nhau. Để có hệ thống phòng thủ đủ mạnh chống lại những biến đổi này, các gen mã hóa kháng thể được trang bị một cơ chế bổ sung là khả năng siêu đột biến. Nhờ vậy, cơ chế đáp ứng được các loại kháng nguyên mới xuất hiện./. Tài liệu tham khảo: 1. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. (2002). Molecular biology of the Cell. 4th edition. New York: Garland Science. 2. Harry W., Schroeder Jr., and Lisa Cavacini (2010), “Structure and function of immunoglobu- lins”. Journal of Allergy and Clinical Immunology, 125 (2), pp. S41-S52. 3. Jun-Ming Zhang, MSc, MD and Jianxiong An, MSc, MD (2007), “Cytokines, Inflammation and Pain”, Spring, 45(2), pp 27-37. 4. Kathleen Park Talaro and Barry Chess (2012). Foundations in microbiology. Eighth edition. Mc- Graw-Hill Companies. 5. Kinoshita, K. and Honjo, T. (2001), “Linking classwitch recombination with somatic hypermuta- tion”, Nat. Rev. Mol. Cell.Biol., 2, pp. 493-503. 6. Litman GW, Rast JP, Shamblott MJ, Haire RN, Hulst M, Roess W, Litman RT, Hinds-Frey KR, Zilch A, Amemiya CT (1993). "Phylogenetic diversifica- tion of immunoglobulin genes and the antibody reper- toire", Mol. Biol. Evol., 10 (1), pp. 60-72. 7. Loeb, L. A. (1989), "Endogenous carcinogen- esis: Molecular oncology into the twenty-first cen- tury--presidential address". Cancer Research, 49 (20), pp. 5489-5496. 8. Rajewsky, K., Forster, I., and Cumano, A. (1987), “Evolutionary and somatic selection of the antibody repertoire in the mouse”, Science, 238, pp. 1088-1094. 9. Thomas Boenisch (2006). Immunohistochemical Staining Methods: Antibodies, fifth edition. Dako. 10. Ziqiang Li, Caroline J. Woo, Maria D. Igle- sias-Ussel (2004), “The generation of antibody diver- sity through somatic hypermtation and class switch recombination”, Genes Dev, 18, pp. 1-11. Trong quá trình phát triển các tế bào B, nhiều tế bào chuyển từ tạo loại kháng thể này sang tạo loại kháng thể khác gọi là quá trình chuyển đổi loại kháng thể. Bình thường, trong tủy xương, tất cả các tế bào B đáp ứng kháng nguyên đều bắt đầu tổng hợp kháng thể bằng việc tạo các phân tử IgM và gắn vào màng tế bào B làm các thụ thể của kháng nguyên. Tế bào B có IgM ở bề mặt sẽ rời tủy xương đi vào máu, ở đó tế bào B biểu hiện thêm kháng thể IgD làm các thụ thể gắn với kháng nguyên trên màng tế bào. Hai kháng thể này chỉ khác nhau ở vùng đáp ứng miễn dịch (vùng ổn định), còn giống nhau ở vùng liên kết kháng nguyên (đều là kết quả dung hợp giữa các phân đoạn VκJκ hoặc VλJλ với các phân đoạn VHDJH cùng loại) (Hình 3). Sau đó, trong quá trình đáp ứng miễn dịch, sự kết hợp giữa kháng nguyên và cy- tokine (là protein nhỏ, được tiết ra bởi nhiều loại tế bào khác nhau, nhưng chủ yếu là các tế bào hỗ trợ T và đại thực bào, ảnh hưởng đến sự tương tác và thông tin giữa hai tế bào với nhau) [2] cùng với kháng nguyên kích thích tế bào B tạo các kháng thể IgG, IgE hoặc IgA thông qua thay đổi chuỗi nặng (vì vùng ổn định của chuỗi nặng quyết định loại của kháng thể). Do đó, các kháng thể IgG, IgE và IgA được gọi là các loại kháng thể thứ cấp, bởi vì nó được tạo ra sau khi có sự kích thích của kháng nguyên và chúng đáp ứng kháng thể thứ cấp [1, 2]. Khi xảy ra chuyển đổi loại, các đoạn intron (trình tự không mã hóa) và những gen không dùng đến kể cả gen Cµ và Cδ (là những gen nằm gần V, D và J) sẽ bị loại bỏ. Loại kháng thể được tạo ra sau mỗi lần sắp xếp lại được quy định bởi phân đoạn CH còn lại nằm gần nhất với phân đoạn LHVHDJH [1] (Hình 3). Hình 4 thể hiện một tế bào B tạo một kháng thể IgM từ một trình tự VDJ bị kích thích bởi kháng nguyên và cytokine chuyển đổi tạo kháng thể IgA. Trong quá trình đó, vùng ADN giữa trình tự VDJ và trình tự Cα bị loại bỏ. 2.3. Siêu đột biến ở tế bào soma Một cơ chế đa dạng kháng thể khác là biến đổi kháng thể do sự cảm ứng của kháng nguyên. Cùng với sự hỗ trợ của tế bào T, các gen thuộc vùng biến đổi của các tế bào lympho tiền thân trải qua quá trình siêu đột biến tế bào soma (SHM) với tần số lên đến 10-5-10-3 đột biến/1 bp/mỗi thế hệ ở chuột và người. Tỷ lệ đột biến này cao hơn 1 triệu lần so với tỷ lệ đột biến tự nhiên ở hầu hết các gen khác [8]. Các đột biến chủ yếu là thay thế các base đơn lẻ, ngoài ra còn có đột biến thêm và mất base. Những đột biến này xảy ra ở vùng V, từ vị trí 150-200 bp và kéo dài đến gần 1,5kb ngược chiều với promoter, trước khi kết thúc trình tự tăng cường intron (Eµ). Còn ở vùng C ít khi xảy ra các đột biến này [10]. Mặc dù các đột biến có thể xảy ra ở bất kỳ vị trí nào của vùng V và