Генные семейства. Глобиновые гены. Гены иммуноглобулинов. 1
Мультигенное семейство это группа генов, близкогомологичных по своим нуклеотидным последовательностям и обладающим близкими или перекрывающимися фенотипическими функциями. Число генов в семействе может варьировать от нескольких копий, как в случае глобинов, до нескольких сот копий, как в случае гистонов и структурных РНК.
Некоторые мультигенные семейства Семейства Продукт гена Число генов в семействе 18 и 28 S Рибосомные РНК 100 600 5 S 5 S PHK 2000 24000 т. РНК 6 400 Гистоновые Гистоны 10 1200 V и С области АТ Антитела Сотни α Глобины 1 3 β Глобины 2 7 α Тубулины 3 5 β Тубулины То же Актиновые Актины 5 20 Белков хориона Белки, содер ся в хорионе насекомых 20 200 Овальбуминовые Альбумин, содер ся в яйце птиц 3 Кератиновые Кератины ≥ 6 Цитохрома с Цитохром с 2 Вителлогенина Белки яичного желтка ≥ 4 Химотрипсина Химотрипсины А и В 2 Гаптоглобина Гаптоглобин α 2 Кристаллиновые α , β и γ кристаллины хрусталика > 10 Фибриногена Фибриноген 3 Препроинсулина Предшественники инсулина 2 Амилазные Амилазы 5 Гемоглобиновые Тубулиновые 3
Рис. 1 Типы организации мультигенных семейств. А. Идентичные гены, сцепленные тандемно, как в случае генов рибосомной РНК. Б. Близкие, но неидентичные гены, сцепленные тандемно, как в случае генов глобина. В. Скопление неидентичных генов, как в случае гистоновых генов зародышей морских ежей, у которых эти скопления тандемно сцеплены. Г. Близкие гены, рассеянные по нескольким хромосомам, как в случае генов актинов или тубулинов. 4
Эволюция Мультигенные семейства возникли в процессе эволюции в результате дупликаций (или репликаций более высокого порядка) генов, в некоторых из более мелких тандемных семейств за дупликацией следовала дивергенция генов В некоторых случаях сохраняется большое число идентичных тандемных генов. Коррегирующий механизм, обеспечивающий сохранение идентичности таких генов, как гены 18 и 28 S рибосомной РНК, зависит, вероятно, от поддержания тандемной организации. 5
Существование мультигенных семейств и их функция в развитии обусловлены, по видимому, двумя главными причинами: 1. некоторые генные продукты необходимы лишь на протяжении короткого времени, но в огромных количествах. 2. мультигенные семейства должны обеспечивать переключение генов в процессе развития. Наиболее хорошо изученным примером служат небольшие мультигенные семейства, содержащие глобиновые гены. 6
Глобиновые гены 7
Рис. 2. Распределение генов α и β подобных глобинов человека. На шкале указана длина хромосомной ДНК в килобазах. Глобиновые гены изображены в виде прямоугольников. Черные поперечные полосы соответствуют кодирующим последовательностям, а белые участки интронам. Псевдогены (ψ) изображены в виде чисто белых прямоугольников. Транскрипция в направлении 5'–>3' идет слева направо Эволюционные связи между глобинами человека, установленные на основании их аминокислотных последовательностей 8
Функциональная молекула гемоглобина это тетрамер, состоящий из двух субъединиц α типа и двух субъединиц β типа, т. е. α 2β 2. У человека имеется 7 образующих кластер генов глобинов β типа, расположенных так, как это показано на рис. 2. Два из них кодируют Aγ и Gγ цепи, обнаруженные в фетальном гемоглобине α 2γ 2; два гена, δ и β, кодируют цепи, экспрессируемые после рождения ребенка в преобладающих (α 2β 2) и минорных (α 2δ 2) видах гемоглобина. У человека имеется также другой глобин β типа ε и глобин α типа ζ, которые экспрессируются только в эмбриональном гемоглобине ζ 2ε 2. α кластер расположен в 11 хромосоме, а β кластер в 16 й. Два других члена β семейства, ψβ 1 и ψβ 2, неэкспрессирующиеся псевдогены. Расписание переключения синтеза с одного глобина на другой в процессе развития человека показывает изменение времени экспрессии генов глобина и мест, 9 в которых они экспрессируются.
Таблица 2. Переключения генов гемоглобина у некоторых млекопитающих Стадия развития Кролик λ 2ε(у)2 Зародыш χ2ε(z)2 Плод Овца α 2ε 2 Отсутству α 2γ 2 ют Взрослая α 2β 2 особь α 2β 2 Лощадь Sα Fα 2ε 2 Медвежий Человек макак Отсутству ζ 2ε 2 ют Отсутству α 12γ ют α 22γ α 2 Aγ 2 α 2 Gγ 2 Sα α 2β 2 α 2δ 2 Fα 2β 2 1α 2α 2β 2 10
Переключение глобиновых генов общее правило для всех позвоночных. У человека имеются хорошо различимые эмбриональные, фетальные глобины и глобины взрослого типа. Организация генов β глобинов может быть очень сходной даже у организмов, у которых обнаружены существенные различия в типах переключения. В семейство генов может входить большее число членов (как функционально активных, так и не активных), чем можно предположить на основе анализа соответствующих белков. Глобины иллюстрируют роль переключения в экспрессировании последовательного ряда генов, непосредственно участвующих в метаболических функциях. 11
Неравный кроссинговер приводит к неравной перестройке генов. Размер кластера может возрасти или уменьшиться в результате неравного кроссинговера, когда происходит рекомбинация между неаллельными генами. Когда происходит рекомбинация между неправильно спаренными копиями генов, образуются нереципрокные рекомбинантные хромосомы, в одной из которых имеется дупликация гена. А 12
Нормальный кроссинговер Ген 1 Ген 2 Неравный кроссинговер 13
В результате неравного кроссинговера, нарушающих синтез глобинов возникает талассемия. Существуют α 0 – и β 0 – формы или α+ – и β+. В α талассемиях выделяют 2 формы: α thal 1 ( оба глобиновых гена) и α thal 2 (только 1 ген) Полное отсутствие α генов развивается водянка плода. Β формы могут быть обусловлены дефектами регуляции. При некоторых формах β 0 – талассемии делеций не обнаруживается. Мутации влияют либо транскрипцию, либо на трансляцию. Гемаглобин типа lepore классический пример делеций, возникающий в результате неравного кроссинговера между генами одного кластера. 14
Обнаружено много делений, приводящих к нарушению синтеза цепей. ε Gγ Ay ψβ 1 δ β Β 0 thal Hb Lepore Gγ Ayδβ thal Gγ Ay HPFH Hb Kenya Gγ δβ thal yβ thal 15
Таким образом, уменьшение числа генов в результате делеций или увеличение в результате дуплекаций оказывается вредным и отбрасывается в процессе отбора. Однако в некоторых популяциях формы с мутациями могут иметь некоторое преимущество. Более выгодные мутации по отношению к существующей исходной закрепляются в популяции. Это способствует дальнейшей эволюции глобиновых генов. 16
ГЕНЫ ИММУНОГЛОБУЛИНОВ В организме человека может образовываться по меньшей мере 1011 различных антител. Это многообразие в первую очередь обеспечивается большим числом генов, кодирующих вариабельные области иммуноглобулинов. Материал для исследования Иг генов получают из миелом или плазмацитом. м. РНК выделяют и клонированные образцы V и С районов используют в качестве зондов для идентификации соответствующих геномных последовательностей. 17
Наличие глобулярных доменов со сходной структурой является характерной чертой всех молекул иммунной системы, объединенных в суперсемейство иммуноглобулинов. К этому суперсемейству отно сятся иммуноглобулины, Т-клеточные рецепторы (TCR), молекулы главного комплекса гистосовмес-тимости (МНС) класса I и класса II, большое число МНСраспознающих антигенов клеток-киллеров, молекулы, ответственные за межклеточные взаи модействия (например, антигены С 04, CD 8, CD 19 и CD 22), молекулы адгезии (например. С 056), а также рецепторы полимерных иммуноглобулинов (поли-1 дрецепторы). Поли-1 д-рецептор необходим для прохождения Ig. A и Ig. M сквозь эпителиальные клетки. В суперсемейство входят и другие многочисленные антигены, чьи функции на сегодняшний день еще не выяснены. 18
Иммуноглобулины В лимфоцитов. Иммуноглобулины, экспрессирующиеся на поверх ности зрелых В лимфоцитов являются рецептора ми В клеточных антигенов. Рецепторы синтезируют ся окончательно дифференцированными В клетками (плазматическими клетками) и секретируются в кровь как антитела. 19
20
• Вариабельный домен формируется при ассоциации вариабельных областей легкой и тяжелой цепей. • V домен отвечает за распознование различных АГ. • В вариабельных областях существуют гипервариабельные участки НV. • Менее вариабельные карксные FR области. • Тяжелые цепи имеют большее число константных областей. • Для каждого из трех семейств иммунноглобулиновых цепей –каппа, лямбда и тяжелых –только один из многих V –генов может присоединяться к одному из нескольких С генов. • Это возможно благодаря соматической рекомбинации соответствующих последовательностей ДНК. 21
Кластеры V генов, кодирующих иммуноглобулины, не единственные примеры громадных ( с молекулярной точки зрения ) генных областей, предназначенных для синтеза однотипных белков. Главный комплекс гистосовместимости также связан с образованием белков, участвующих в иммунном ответе. Он охватывает очень протяженную область ДНК, в пределах которой расположено много генов, имеющих родственную структуру и функции. (Однако для экспрессии этих генов не требуется перестройка 22 последовательностей ДНК)
V 1 C V 2 C V 3 C V 4 C V 2 C V 2 C 23
24
. Организация и перегруппировка генов тяжелых цепей иммуноглобулинов Гены, кодирующие тяжелые (Н) цепи иммуноглобулинов, расположены на хромосоме 14. При зародышевой организации генов иммуноглобулинов в незрелой клетке эти гены локализованы в четырех областях: вариабельной (V), отвечающей за разнообразие (D), соединительной (J) и константной [О. Около 50 функционально активных V генов кодируют аминокислоты 1 95 в вариабельной области, 10 30 D генов кодируют аминокислоты 96 101 в области, отвечающей за разнообразие, а шесть J генов кодируют аминокислоты 102 110 в соединительной области. Кроме того, константная область тяжелой цепи кодируется девятью С генами: м для Ig. M, г 1 для lg. G 1, г 2 для lg. G 2 и т. д. Перед каждым V геном расположена лидирующая последовательность (L). В процессе созревания D гены смыкаются с J генами [D J перегруппировка) в результате удаления разделяющей их ДНК. Молекула м. РНК транскрибируется с DJ последовательности и гена константной области (0 м) молекулы Ig. M, в результате чего синтезируется белок-предшественник DJ-Cu 25
В ходе дальнейшего созревания последовательности V генов перестраиваются таким образом, что V гены и соответствующие L последовательности смыкаются с перегруппированными DJ генами (V DJ перегруппировка). С этой последовательности транскрибируется м. РНК VDJ Пм и синтезируется белок VDJ Пм. Отщепление L последовательности приводит к образованию тяжелой м цепи иммуноглобулина. Если учесть наличие 50 V генов, 10 30 D генов и шести J генов, то рекомбинационный потенциал составит от 3 ** 103 до 9 *» 103 аминокислотных последовательностей вариабельных областей тяжелых цепей. Данный процесс получил название соматической рекомбинации. 26
Б. Организация генов легкой к-цепи Гены легкой к цепи расположены на хромосоме 2. Около 35 40 функционально активных V генов (вместе с соответствующими L генами) кодируют аминокислоты 1 95 вариабельной области легкой к цепи, а пять J генов кодируют аминокислоты 96 110. В результате перегруппировки ДНК V гены смыкаются с J генами и м. РНК транскрибируется с образующейся VJ последо вательности вместе с последовательностью, соответ ствующей константной области легкой к цепи (0*). За тем из белка выщепляется L последовательность. На личие 35 40 V генов и пяти J генов приводит к синте зу 175 200' различных 27 последовательностей легкой к цепи.
Организация генов легкой л-цепи Организация генов легкой л цепи на хромосоме 22 известна не полностью. Здесь расположен ряд генов константной области, и непосредственно перед ними расположены гены J области. Предполагается, что число генов легкой л цепи примерно равно числу ге новк цепи. 28
Каждая тяжелая цепь соединена либо с к-, либо с л цепью, поэтому теоретически возможно 5 сущест вование от 5, 2 ~ 10 (175 ~ 3 « 103) до 1, 8 ** 106 (200 ** 9 ** 103) различных антител с к це пью. Расчет дает приблизительно такое же количество возможных иммуноглобулинов с л цепью. Однако реальное число молекул антител гораздо выше. Объяснить этот факт можно несколькими причинами: 1) мутациями ДНК в процессе онтогенеза; 2) ошибками в ходе делеций и рекомбинаций V, D и J генов, в результате которых происходит транскрипция нуклеотидов, которые в норме не должны были бы считываться; 3) точечными мутациями при реакциях в зародышевом центре, приводящими к замене аминокислот и образованию иммуноглобулинов с более высоким сродством 29
30
Г. Переключение класса иммуноглобулинов В процессе иммунного ответа происходит синтез иммуноглобулинов разных классов. Прежде всего, зрелые В клетки синтезируют Ig. M. С течением времени перегруппировавшиеся VDJ последовательности смыкаются с другими С генами константной области. Перед каждым С геном расположена так называемая переключающая S последовательность (от англ. switching), контролирующая процесс перегруппировки путем рекомбинации с другими S последовательностями, обладающими высоким уровнем гомологии. В результате происходит делеция последовательностей 0 м, расположенных между VDJ последовательностями и новыми С генами. 31
Т клеточный рецептор 32
33
Альфа цепь гликопротеин массой 40 60 к. Да, а бета цепь имеет молекулярную массу 40 50 к. Да. Как и цепи иммуноглобулинов, цепи Т клеточных рецепторов имеют вариабельные (V) и константные (С) области. С концевой участок V области β цепи (связывающий области V и С) кодируется J и D генами. Н Концевой участок константной области содержит два остатка цистеина, образующих дисульфидные мостики внутри цепи, в результате чего третичная структура этого участка, по видимому, соответствует структуре константной области молекулы иммуноглобулина. Аминокислотная последовательность γ цепи очень напоминает последовательность β цепи, в свою очередь δ и α цепи также имеют сходные 34 последовательности.
Семейства генов. Т-клеточны хрецепторов Наиболее часто экспрессируются гены α- и β-цепей TCR. Рецепторы TСRγ/δ встречаются на незрелых Тклетках и на незначительном числе Т-клеток периферической крови. Гены - α и β -цепей локализованы на хромосоме 14, а гены δ- и γ-цепей — на хромосоме 7. Как и в случае иммуноглобулинов, вариабельные области Т-клеточных рецепторов локализованы в разных экзонах, которые в конце концов сшиваются с константными областями рецепторов в результате сплайсинга. Этот механизм обеспечивает широчайшее многообразие рецепторов, которое еще более увеличивается за счет вариабельной селекции Jэлементов (α- и β -цепи) и D-областей (β -цепи). 35
Перестройка генов Т-клеточных рецепторов. Рекомбинация, происходящая в момент формирования информации, необходимой для образования цепи Тклеточного рецептора, приводит к перестройке генов — процессу, при котором некоторые элементы генов могут быть удалены или изменены путем несбалансированного хромосомного обмена. Процесс инверсии заключается в образовании петли, последующем расщеплении хромосомы и ее воссоздании в инвертированном виде. Другими словами, порядок транскрипции исходной генетической информации оказывается обращенным. 36
Главный комплекс гистосовместимости HLA 37
38
Система HLA характеризуется чрезвычайно высоким уровнем полиморфизма, т. е. содержит гены, которые проявляются более чем в одной фенотипической форме и наследуются в соответствии с законами Менделя. Этот попиморфизм приводит к существованию необычайно сложной системы презентации антигена. У человека гены МНС распопожены на коротком плече хромосомы 6. 39
Антигены HLA подразделяются на две группы: антигены класса I и класса II. Номера классов отражают хронологический порядок их открытия, а не располо жение на хромосоме. Антигены класса I образуют комплексы антигенов, расположенных в трех смежных локусах (HLA A, HLA B, HLA C). Антигены HLA D организованы в комплексы, содержащие антигены HLA DR ( D родственный), HLA DQ и HLA DP. У антигенов класса I, у которых тяжелые цепи связаны с одной и той же легкой цепью (β 2 микроглобулин, не кодирующийся на хромосоме 6), у антигенов класса II различные локусы кодируют как α цепь (DRA, DQA, DPA), так и β цепь (DRB, DQB, DPB). Число и структура этих локусов различна у разных индивидов. 40
Реальная структура гена содержит несколько экзонов, формирующих различные домены. Гены, кодирующие компоненты комплемента С 2, С 4 и Bf, распопожены между генами мопекул МНС класса I и класса II (рис. 2). Продукты экспрессии этих генов ранее называли антигенами класса III (рис. 1). Для них также характерен широкий полиморфизм, который еще более усложняется из за дупликации и(или) вариации длины генов С 4. В пределах комплекса HLA расположены и другие важные гены, кодирующие, например, ФНО а и ФНО р, родственный им лимфотоксин LTB, а также ферменты CYP 21 a и CYP 21 b. На рисунках не показаны гены транспортных белков ТАР 1 и ТАР 2, расположенные между DP и DQ. Продукты их экспрессии играют важную роль в транспорте антигенных пептидов к 41 молекуле HLA.
КОНЕЦ!!!! 42
Скачать презентацию Генные семейства Глобиновые гены Гены иммуноглобулинов 1
генетика.pptx