ЧЯД. Глава 6. 2

                ШАГ ЗА ШАГОМ

Могла ли эта система эволюционировать шаг за шагом? Рассмотрим огромный пул от миллиардов до триллионов фабрик клеток-В. Процесс выбора нужной клетки из смеси клеток, продуцирующих антитела, называется клональной селекцией. Клональная селекция — это элегантный способ дать конкретный ответ на широкий спектр возможных чужеродных захватчиков. Процесс зависит от большого количества шагов, некоторые из которых я еще не обсуждал. Пока оставим их в стороне, давайте зададимся вопросом, каковы минимальные требования к системе клонального отбора, и можно ли эти минимальные требования создать шаг за шагом.

Ключом к системе является физическая связь связывающей способности белка с генетической информацией о белке. Теоретически это может быть достигнуто путем создания антитела, в котором хвост Y связывается с ДНК, кодирующей белок. Однако в реальной жизни такая установка не сработает. Белок может быть связан с его генетической информацией, но, поскольку клетка окружена мембраной, антитело никогда не вступит в контакт с чужеродным материалом, который плавает за пределами клетки. Система, в которой и антитело, и прикрепленный к нему ген экспортируются из клетки, преодолела бы эту проблему, но столкнулась бы с другой: за пределами клетки не было бы клеточного механизма, чтобы перевести сообщение ДНК в большее количество белка.

Закрепление антитела в мембране является хорошим решением проблемы. Теперь антитело может взаимодействовать с чужеродной клеткой и все еще находиться рядом со своей ДНК. Но хотя антитело может связывать чужеродный материал, не уплывая из клетки, оно не имеет прямого физического контакта с ДНК. Поскольку белок и ДНК слепы, должен быть способ передать сообщение от одного к другому.

А пока давайте забудем о мучительном способе, которым сообщение о привязке на самом деле попадает в ядро В-клеток (требуя такси, приема пищи, MHC, хелперных Т-клеток, интерлейкина и тому подобное). Вместо этого давайте представим себе более простую систему, в которой есть только один другой белок. Допустим, когда антитело связывается с чужеродной молекулой, происходит что-то, что привлекает какой-то другой белок – мессенжер (посланник), чтобы передать весть о заложнике ядру-фабрике. Возможно, когда заложник впервые обнаружен, форма антитела меняется, возможно, немного подтягивается хвост антитела. Возможно, часть хвоста антитела вонзается внутрь клетки, что и запускает белок-мессенджер. Изменение в хвосте может заставить белок-мессенджер бежать в ядро и связываться с ДНК в определенной точке. Связывание с нужным местом ДНК заставляет клетку начать расти и вырабатывать антитела без маслянистого хвоста – антитела, которые выбрасываются из клетки для борьбы с вторжением.

Даже в такой упрощенной схеме у нас остается три критических ингредиента: (1) мембраносвязанная форма антитела; (2) посланник (мессенжер); и (3) экспортируемая форма антитела. Если какой-либо из этих компонентов отсутствует, система не работает. Если в мембране нет антитела, то нет никакого способа соединить успешное антитело, которое связывает чужеродного захватчика, с клеткой, содержащей генетическую информацию. Если нет экспортируемой формы антитела, то при получении сигнала нечего посылать в мир для борьбы. Если нет белка-мессенджера, то нет никакой связи между мембранным антителом и включением нужного гена (что делает систему такой же полезной, как дверной звонок, провода которого были перерезаны).

Клетка, которая попытается развить такую систему постепенными дарвиновскими шагами, окажется в затруднительном положении. Что ей следует сделать в первую очередь? Выделение небольшого количества антител в открытый космос — пустая трата ресурсов, если нет способа определить, приносит ли это какую-либо пользу. То же самое для создания мембраносвязанного антитела. И зачем сначала создавать белок-мессенджер, если нет никого, кто мог бы передать ему сообщение, и никого, кто мог бы получить сообщение, если бы оно было передано? Мы неумолимо приходим к выводу, что даже этот значительно упрощенный клональный отбор не мог произойти постепенными шагами.

Даже на этом упрощенном уровне все три ингредиента должны были эволюционировать одновременно. Каждый из этих трех элементов – фиксированное антитело, белок-мессенджер и свободные антитела – должен был быть произведен отдельным историческим событием, возможно, скоординированной серией мутаций, изменяющих уже существующие белки, выполнявшие иные функции, в компоненты системы антител.
Маленькие дарвиновские шажки превратились в серию невероятно-диких скачков. Тем не менее, наш анализ упустил из виду множество сложностей: как клетка переключается с того, чтобы положить лишний маслянистый кусок на мембрану, на то, чтобы не надевать его? Таким образом, система сообщений фантастически сложнее, чем наша упрощенная версия. Проглатывание белка, его измельчение, представление наружу белка МНС, специфическое распознавание МНС/фрагмента Т-хелпером, секреция интерлейкина, связывание интерлейкина с В-клеткой, посылание сигнала о том, что интерлейкин связался с ядром, – перспектива разработки пошагового пути происхождения системы достаточна, чтобы заставить сильных мужчин побледнеть.

                СМЕШИВАТЬ И СОЧЕТАТЬ

Фабрики плавают в огромном количестве, готовые поставлять антитела, которые могут прилипнуть к захватчику практически любой формы. Но как организм вырабатывает все эти миллиарды антител разной формы? Оказывается, что существует элегантный трюк для создания очень большого количества различных антител, не требуя огромного количества генетического материала для кодирования белков. На следующих нескольких страницах я опишу систему более подробно. Опять же, не беспокойтесь, если детали быстро ускользнут от вас. Моя цель здесь – помочь вам оценить сложность иммунной системы.

W Потребовалось захватывающее открытие, чтобы заставить ученых разгадать всю сложность иммунной системы. Открытие началось с потенциально жестокого, но необходимого эксперимента. Просто чтобы посмотреть, что произойдет, химики создали несколько небольших молекул, которые не встречаются в природе, а затем присоединили их к белку. Когда белок, несущий синтетические молекулы, был введен кролику, ученые были поражены, обнаружив, что да, кролик вырабатывал антитела, которые прочно связывались с синтетической молекулой. Как такое может быть? Ни кролик, ни его предки никогда не встречались с синтетической молекулой, так откуда же он узнал, как выработать антитела? Как он мог распознать молекулу, которую никогда раньше не видел?

Загадка «разнообразия антител» заинтриговала ученых, посвятивших себя иммунологии.  В качестве возможных объяснений было выдвинуто несколько идей. Белки, как известно, являются гибкими молекулами, а антитела – белки. Возможно, когда новая молекула вводится в организм, антитело оборачивается вокруг нее, принимает её форму, а затем каким-то образом застывает в этой конфигурации. Или, может быть, из-за того, что защита жизненно важна, ДНК организмов содержит огромное количество генов антител самой разной формы – достаточное, чтобы позволить им распознавать то, чего они еще не видели. Но такое огромное количество антител будет занимать больше места, чем доступное кодирующее пространство ДНК. Так что, возможно, антител было всего несколько, и когда клетка делилась,  был какой-то способ произвести множество мутаций в областях, кодирующих сайты связывания антител. Таким образом, каждая новая В-клетка в организме может нести различные мутации, кодируя антитело, отличное от всех других В-клеток. Или, может быть, ответ заключается в комбинации этих двух вариантов, или, возможно, это было связано с чем-то совершенно новым.

Проблему разнообразия антител ожидали удивительные открытия: ген, кодирующий белок, не всегда бывает непрерывным сегментом ДНК. Его можно разорвать. Если мы сравним ген с предложением, то это будет похоже на то, как если бы код белка «Быстрая коричневая лиса прыгает через ленивую собаку» был бы изменен (не разрушая белок) на «Быстрая brd-kdjf bufjwkw nhruown лиса прыгает через the lapfeqmzda lfybnek sybagjufu zy собаку». Осмысленное сообщение ДНК было разбито на куски бессмысленными буквами, которые почему-то не входили в состав белка. Дальнейшие исследования показали, что в большинстве случаев коррекция произойдет при копировании гена в информационную РНК.  Даже с «прерванной» ДНК отредактированное и исправленное сообщение в РНК будет использовано клеточным механизмом для создания правильного белка. Еще более удивительно, что для генов антител сама ДНК также может быть сращена. Другими словами, ДНК, которая наследуется, может быть изменена. Удивительно!

Соединение и перестройка ДНК играют ведущую роль в объяснении большого количества антител, которые может вырабатывать организм. Ниже приводится краткое описание работы, которая заняла у исследователей много лет. Благодаря их усилиям загадка разнообразия антител решена.

При зачатии в оплодотворенной клетке есть ряд фрагментов генов, которые способствуют выработке антител. Гены организованы в кластеры, которые я буду называть просто кластерами 1, 2 и так далее. У человека в кластере 1 насчитывается около 250 сегментов генов. На некотором расстоянии от кластера 1 в ДНК находятся 10  сегментов генов, которые образуют кластер 2. Далее на протяжении ДНК находится группа из шести сегментов, составляющих кластер 3. И на один шаг далее находятся еще восемь других сегментов генов, составляющих кластер 4. Это игроки.

После того, как малыш немного подрастет и настроится на рождение, он захочет произвести В-клетки. Во время создания В-клеток происходит забавная вещь: ДНК в геноме перестраивается, и часть ее выбрасывается*. Один сегмент из кластера 1 выбирается, по-видимому, случайным образом, и присоединяется к одному сегменту из кластера 2. Промежуточная ДНК вырезается и отбрасывается. Затем выбирается сегмент из кластера 3, опять же, по-видимому, случайным образом, и присоединяется к сегменту кластера 1-2.

Рекомбинация сегментов немного небрежна – чего обычно не ожидаешь от клетки. Из-за небрежной этой процедуры в код нескольких аминокислот (помните, что аминокислоты являются строительными блоками белков) может быть что-то добавлено или потеряно. Как только сегмент кластера 1-2-3 собран вместе, перестройка ДНК заканчивается. Когда приходит время вырабатывать антитело, клетка создает РНК-копию комбинации кластера 1-2-3 и добавляет к ней РНК-копию сегмента из кластера 4. Теперь, наконец, области, которые кодируют смежные  сегменты белка, сами находятся в смежном расположении на РНК.

Как этот процесс объясняет разнообразие антител? Оказывается, что части сегментов из кластеров 1, 2 и 3 образуют часть сайта связывания – кончики Y. Смешивание и сопоставление различных сегментов из трех разных кластеров умножает количество сайтов связывания с разными формами. Например, предположим, что один сегмент из кластера 1 кодирует бугорок в сайте связывания, а другой – положительный заряд. И предположим, что разные сегменты из кластера 2 кодируют маслянистое пятно, отрицательный заряд и глубокую депрессию соответственно. Выбирая случайным образом один сегмент из кластеров 1 и 2, можно получить шесть возможных комбинаций: выпуклость рядом с маслянистым пятном, отрицательный заряд или глубокая депрессия; или положительный заряд рядом с маслянистым пятном, отрицательный заряд или глубокая депрессия. (По сути, это тот же принцип, по которому вытаскивание трех чисел из шляпы объясняет разнообразие государственной лотереи; выбор всего трех чисел от 0 до 9 дает в общей сложности тысячу возможных комбинаций.) При создании тяжелой цепи антител клетка может выбрать один из двухсот пятидесяти сегментов из кластера 1, один из десяти из кластера 2 и один из шести из кластера 3. Кроме того, небрежность при рекомбинации «трясет» сегменты (вытесняя в цепочку другую аминокислоту или пропуская одну). Этот эффект добавляет к разнообразию еще около 100 вариантов. Смешивая и сопоставляя сегменты ДНК, вы получаете 250 ; 10 ; 6 ; 100, что составляет около миллиона различных комбинаций последовательностей тяжелой цепи. Подобные процессы производят около десяти тысяч различных комбинаций легких цепей. Сопоставление одного гена легкой цепи с одним геном тяжелой цепи случайным образом в каждой клетке дает в общей сложности десять тысяч раз по одному миллиону, или десять миллиардов комбинаций! Огромное количество различных антител обеспечивает так много различных сайтов связывания, что почти наверняка, по крайней мере одно из них, свяжет любую молекулу, даже синтетическую. И все это разнообразие происходит в общей сложности от четырехсот различных сегментов генов.

У клетки есть и другие уловки, чтобы увеличить количество возможных антител. Один из трюков происходит после чужеродного вторжения. Когда клетка связывается с чужеродным материалом, она получает сигнал на репликацию. Во время многих циклов репликации клетка «намеренно» допускает очень высокий уровень мутации как раз в вариабельных областях генов тяжелой и легкой цепи. Это создает вариации на выигрышную тему. Поскольку родительская клетка кодирует антитело, которое, как уже известно, довольно хорошо связывается, мутация последовательности может привести к более сильному связыванию. На самом деле, исследования показали, что антитела, вырабатываемые клетками на поздних стадиях инфекции, связываются с чужеродными молекулами гораздо плотнее, чем антитела, вырабатываемые на ранних стадиях инфекции. Эта «соматическая гипермутация» добавляет еще несколько порядков к разнообразию возможных антител. Помните разницу между антителами B-клеток и антителами плазмы? Этот маслянистый кусочек Y, который закрепляет антитело в мембране В-клеток? Для плазматической клетки, когда создается РНК-копия гена, мембранный сегмент не копируется. Код сегмента находится в стороне от остальной части гена. ДНК можно сравнить с сообщением, которое гласит: «Быстрая лиса перепрыгивает через lapfeqmzda lfybnek sybagjufu zy dog kdjyf jdjkekiwif vmnd и съедает кролика mnaiuw». Последние слова можно оставить или убрать, и сообщение все еще имеет какой-то смысл. W


*Имеется в виду генетический материал В и Т лимфоцитов. В других клетка тела ничего подобного не происходит.



Иллюстрация: Показан схематично процесс генетической рекомбинации V (D) J тяжелой цепи антитела (см.илл.в главе 6.1)  в ДНК созревающего лимфоцита.
V – variable gene segment 44 вида, D – diversity gene segment 27 видов, J – joining gene segment 6 видов. В ходе записи м-РНК из каждой области сегментов берется по одному. И еще неизменная область – сonstant gene segment (С). Возможных комбинаций – 3х10*11. Легкие цепи кодируются подобно тяжелой с незначительными отличиями. Сборка тяжелой цепи и одной из легких цепей приводит к образованию мембраносвязанной формы иммуноглобулина IgM, который экспрессируется на поверхности незрелой В-клетки.


Продолжение http://proza.ru/2024/08/18/1102