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

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