INFECTIOUS DISEASE

IMMUNOLOGIE - CHAPITRE  SIX  

GENETIQUE DES IMMUNOGLOBULINES  

 

Gene Mayer, Ph.D.
Emertius Professor of Pathology, Microbiology and Immunology
University of South Carolina

Denis Hudrisier, Ph.D.
Centre national de la recherche scientifique (CNRS) · Institute of Pharmacology and Structural Biology
Université de Toulouse

 

OBJECTIFS DU COURS
Décrire l’organisation et l’expression des familles de gènes des immunoglobulines.
Expliquer les origines de la diversité des anticorps.
 

HISTORIQUE

Les données de séquençage des acides aminés ont révélé qu’une région C donnée pouvait être retrouvée associée à différentes régions V possibles. En outre, il a été montré qu'un idiotype unique pouvait être retrouvé associé à différentes régions C possibles (par exemple régions C d’IgM ou d’IgG). Pour expliquer ces données, il a été proposé que les deux régions de la molécule d'immunoglobuline pourraient avoir été codées par des gènes distincts et que les gènes codant pour les régions V et C auraient été, en quelque sorte, joints avant qu’une molécule d'immunoglobuline ne soit produite (soit deux gènes codant pour un seul polypeptide). Ce concept alors révolutionnaire s’est finalement avéré exact notamment grâce à l'avènement des technologies de recombinaison de l'ADN. Les chaînes lourdes et légères d'immunoglobuline sont en effet codées par trois familles de gènes présentes chacune sur un chromosome séparé : une famille de gène code pour la chaîne lourde et une pour chacun des types de chaînes légères. Chacune de ces familles de gènes possède plusieurs gènes codant pour la région V et un ou plusieurs gènes codant pour la région C. Les gènes codant pour la région V et la région C ne sont cependant pas immédiatement adjacents les uns aux autres.
 

FAMILLE DES GÈNES DE LA CHAINE LEGERE

Organisation germinale
L’organisation germinale des gènes codant pour les chaînes légères kappa et lambda dans des cellules indifférenciées est représentée dans la Figure 1.

• Chaînes légères Lambda
  La famille des gènes codant pour la chaîne légère lambda est composée de 4 gènes codant pour la région C, chacun codant pour un sous-type de chaîne lambda, ainsi que d’environ 30 gènes codant pour la région V. Chaque gène codant pour la région V est composé de deux exons, un (noté L) code pour la séquence « Leader » et l’autre (V) qui code pour la plus grande partie de la région variable. En amont de chacun des gènes C se trouve un exon supplémentaire appelé J (pour jonction). Les exons L, V, J et C sont séparés par des introns (séquences non-codantes).
   

• Chaînes légères Kappa
  La famille des gènes codant pour la chaîne légère kappa est composée d’un seul gène codant pour la région C puisqu’il n’y a qu’un seul type de chaîne kappa. Il y a un grand nombre de gènes de région V (environ 250 gènes), chaque gène codant pour la région V possédant un exon L et un exon V. Dans la famille des gènes κ, il y a plusieurs exons J situés entre les gènes V et C. Tous ces exons sont séparés par des introns.
   

Réarrangement des gènes et expression
Au fur et à mesure qu’une cellule se différencie en lymphocyte B mature et qu’une chaîne légère doit être assemblée, il se produit un réarrangement de différents gènes (exons) et le gène commence à être exprimé comme indiqué dans la Figure 2.
 

Au fur et à mesure qu’une cellule s'engage à devenir une cellule B assemblant une chaîne légère, il se produit un réarrangement des gènes au niveau de l'ADN de telle sorte que l'un des gènes V est positionné en regard de l'un des gènes J. Cela se produit par un événement de recombinaison qui supprime les séquences présentes entre les gènes V et J choisis. La sélection du gène V utilisé parmi les différentes gènes V possible n'est pas totalement aléatoire : il y a une certaine préférence pour l'utilisation de gènes V les plus proches de la région J. Cependant, globalement, l'ensemble des gènes V peut être utilisé de telle sorte que toutes les combinaisons de gènes V et J possibles peuvent être générées.

Une conséquence de ce réarrangement de l'ADN est que cela active la transcription du gène réarrangé car un promoteur (P), qui est associé au gène V choisi, est amené à proximité d'un amplificateur (E), qui est situé dans l'intron entre les régions J et C. Suite à l’amorçage de la transcription à partir du promoteur, un pré-ARNm est synthétisé à partir des séquences contenant les régions L, C et VJ ainsi que des séquences d'introns entre L et V et entre J et C (figure 2). Ce pré-ARNm est alors maturé (épissé) dans le noyau et les introns restants sont éliminés. L'ARNm résultant possède les exons L, VJ et C contigus.

L'ARNm est traduit dans le cytoplasme et la séquence L est éliminée lors du transport de la protéine en cours d’élongation dans la lumière du réticulum endoplasmique. La chaîne légère est assemblée avec une chaîne lourde dans le réticulum endoplasmique et l'immunoglobuline est alors sécrétée par la voie normale de sécrétion de protéines. Au final, la région V de la chaîne légère mature est codée par la séquence des gènes de la région V et J choisis et la région C, par la séquence du gène C.
 

FAMILLE DES GENES DES CHAINES LOURDES

Organisation germinale des gènes
L’organisation germinale des gènes codant pour les chaînes lourdes est représentée dans la Figure 3.

Dans la famille des gènes des chaînes lourdes, il existe de nombreux gènes C, un pour chaque classe et sous-classe d’immunoglobuline. Chaque gène C est en fait constitué de plusieurs exons codant pour les différents domaines CH et pour la région charnière. Dans la famille des gènes codant pour les chaînes lourdes, il y a également de nombreux gènes codant pour les régions V, chacun étant composé d’un exon L et d’un exon V. En plus, on retrouve plusieurs exons J et, également, spécifiquement dans la famille de gènes codant pour les chaînes lourdes, on retrouve plusieurs exons codant pour des régions D (Diversité). Tous ces exons sont séparés par des introns comme cela est représenté dans la Figure 3.

 

Réarrangement des gènes et expression
Au fur et à mesure qu’une cellule se différencie en lymphocyte B mature et qu’une chaîne lourde doit être assemblée, il se produit un réarrangement de différents gènes (exons) et le gène commence à être exprimé comme indiqué dans les Figures 4 and 5.

Figure 4
Au cours de l’initiation de la transcription à partir du promoteur, un pré-ARNm est formé contenant les séquences des régions L, V, D, J Cμ et Cδ ainsi que les séquences codant pour les introns placés entre L et V, entre J et Cμ, et entre Cμ et Cδ
 

  Figure 5
Le pré-ARNm est maturé (épissé) dans le noyau et les introns restants, incluant ceux présents entre les exons des gènes C sont éliminés.
 

Au fur et à mesure qu’une cellule s'engage à devenir une cellule B assemblant une chaîne lourde, il se produit deux réarrangements successifs au niveau de l'ADN. En premier lieu, l'une des régions D est positionnée en regard de l'une des régions J puis l'un des gènes V est amené en regard de la région DJ réarrangée. Cela se produit par deux événements de recombinaison qui éliminent les séquences présentes entre les régions V, D et J. Comme pour les chaînes légères, la sélection du gène de la chaîne lourde V n'est pas totalement aléatoire mais, finalement, tous les gènes V peuvent être utilisés.

Une conséquence de ces réarrangements de l'ADN est l’activation de la transcription du gène car un promoteur (P), qui est associée au gène V, est amené à proximité d'un amplificateur (E), qui est situé dans l'intron entre les régions J et Cmu . L’amorçage de la transcription à partir du promoteur conduit à la formation d'un pré-ARNm à partir des séquences contenant les régions L, V, D, J Cmu et Cdelta ainsi que les séquences introniques placées entre L et V, entre J et Cmu, et entre Cmu et Cdelta (Figure 4).

L'ARNm est maturé (épissé) dans le noyau et les introns restants, y compris ceux placés entre les exons des gènes C, sont supprimés (voir figure 5). Le pré-ARNm peut alors être traduit de deux manières : dans l'une, le bloc VDJ est placé à côté du gène Cmu. Les ARNm résultants auront leurs exons L, V, D, J et CMU contigus permettant la production d’une chaîne lourde de type mu. Dans le deuxième, le bloc VDJ est placé à côté du gène Cdelta. Les ARNm résultants auront alors leurs exons L, V, D, J et Cdelta contigus permettant la production d’une chaîne delta.

Les ARNm sont ensuite traduits dans le cytoplasme et la séquence Leader est enlevée lorsque la protéine en cours d’élongation est transportée dans la lumière du réticulum endoplasmique. La chaîne lourde est assemblée avec une chaîne légère dans le réticulum endoplasmique et l'immunoglobuline est sécrétée par la voie normale de sécrétion de protéines. La région V de la chaîne lourde mature est donc codée par des séquences du gène V, des régions D et J et la région C par des séquences du gène C.
 

MECANISME DES REARRANGEMENTS DE L’ADN

De part et d’autre des exons V, J et D, il existe des séquences uniques appelées séquences signal de recombinaison (RSS), qui fonctionnent en se recombinant. Chaque RSS est constituée d'un nonamère conservé et un heptamère conservé qui sont séparés par 12 ou 23 paires de bases (pb), comme illustré dans la figure 6. Les espaceurs de 12 pb et de 23 pb correspondent à une ou deux tours de l'hélice d'ADN respectivement. La recombinaison se produit uniquement entre une séquence signal présente sur 1 tour d’hélice avec une séquence signal portée par 2 tours d’hélice. Dans le cas des chaînes légères λ on trouve une séquence signal portée par 1 tour d’hélice en amont de l'exon J et un signal porté par 2 tours d’hélice en aval de Vlambda. Dans le cas des chaînes légères κ, il y a un signal porté par 1 tour d’hélice en aval du gène Vkappa et un signal porté par 2 tours d’hélice en amont de l'exon J. Dans le cas des chaînes lourdes, il y a des séquences signal portées par 1 tour d’hélice de chaque côté de l'exon D et des séquences signal portées par 2 tours d’hélice en aval du gène V et en amont de l'exon J. Cette organisation garantit que des événements de recombinaison corrects vont se produire entre les bons exons.

Les événements de recombinaison conduisent à la suppression des introns placés entre les exons V et J recombinés dans le cas des chaînes légères ou entre les exons V, D et J recombinés dans le cas des chaînes lourdes. L'événement de recombinaison est catalysée par deux protéines, Rag-1 et Rag-2. Des mutations dans les gènes codant pour ces protéines entraîne une immunodéficience grave appelée severe combined immunodeficiency disease (dans laquelle à la fois les cellules T et B sont absentes), puisque ces protéines et les RSS sont impliquées dans la génération des récepteurs à l’antigène non seulement des cellules B mais aussi des cellules T.
 

Figure 7 Ordre dans l’expression des gènes d’immunoglobulines: cas de la chaîne lourde

Figure 8
Ordre dans l’expression des gènes d’immunoglobulines: cas de la chaîne légère
 

Chaque cellule B individuelle produit un seul type de chaîne légère et une seule classe de chaîne lourde (à l’exception de la cellule B mature qui exprime à la fois une chaîne lourde μ et une chaîne lourde δ mais la spécificité antigénique est la même car la même séquence VDJ est associéesaux chaînes μ et δ). Dans la mesure où chaque cellule B possède les chromosomes maternels et paternels pouvant chacun coder pour des immunoglobulines, il doit y avoir une certaine organisation dans l’expression des gènes permettant qu’un seul type de chaîne légère et une seule classe de chaîne lourde soient produites.

L’ordre dans lequel les gènes d’immunoglobulines sont exprimés dans une cellule B est indiqué dans les Figures 7 et 8.

Chaîne lourde (Figure 7)
La cellule tente d’abord de réarranger l’un de ses gènes de chaîne lourde : dans certaines cellules, c’est le chromosome maternel qui est réarrangé alors que, dans d’autres, c’est le chromosome paternel. Si le réarrangement est productif, de telle sorte qu’une chaîne lourde est produite, alors les autres réarrangements sont bloqués. A l’inverse, si la première tentative de réarrangement est improductive (pas de chaîne lourde produite), la cellule va alors tenter de réarranger les gènes de chaîne lourde sur l’autre chromosome. Si la cellule ne parvient pas à réarranger ses gènes de chaîne lourde, alors cette cellule est destinée à être éliminée.
 

Chaine légère Kappa (Figure 8)
Lorsque la cellule parvient à réarranger un gène de chaîne lourde, elle tente alors de réarranger ses gènes codant pour une chaîne légère kappa. De nouveau, au hasard, la cellule va tenter de réarranger ses gènes de chaîne légère d’origine maternelle ou paternelle. Si le réarrangement est improductif (c’est à dire que la cellule ne produit pas de chaîne légère), alors la cellule tente de réarranger ses gènes kappa sur l’autre chromosome. Si la cellule réussit à réarranger ses gène de chaîne légère kappa, elle deviendra une cellule B capable de produire une immunoglobuline possédant une chaîne légère kappa.
 

Lambda light chain (Figure 8)
Si une cellule ne parvient pas à réarranger ses gènes de chaîne légère kappa, elle essayera alors de produire une chaîne légère lambda. De nouveau, au hasard, la cellule va tenter de réarranger ses gènes de chaîne légère d’origine maternelle ou paternelle. Si le réarrangement est improductif (c’est à dire que la cellule ne produit pas de chaîne légère), alors la cellule tente de réarranger ses gènes lambda sur l’autre chromosome. Si la cellule réussit à réarranger ses gène de chaîne légère lambda, elle deviendra une cellule B capable de produire une immunoglobuline possédant une chaîne légère lambda.

La séquence organisée des réarrangements des gènes d’immunoglobuline explique:

• Pourquoi une cellule B donnée ne peut produire qu’un seul type d’immunoglobuline avec un seul type de chaîne lourde et un seul type de chaîne légère.
• Pourquoi une cellule B donnée peut seulement produire des anticorps possédant une seule spécificité.
• Pourquoi il y a exclusion allélique des allotypes d’immunoglobuline au niveau d’une molécule individuelle d’immunoglobuline mais expression co-dominante des allotypes dans un organisme donné.
   

ORIGINE DE LA DIVERSITÉ DES ANTICORPS

Bases de la problématique
La diversité des anticorps fait référence à la somme de toutes les spécificités d’anticorps possibles que peut produire un organisme. Il est estimé que l’on peut produite 107 - 108 molécules d’anticorps différentes par leur spécificité. Une des questions majeure de l’immunologie est de savoir comment il est possible de produire autant de molécules différentes. Les théories permettant d’expliquer l’origine de la diversité des anticorps sont de deux ordres :

Théorie germinale
Cette théorie postule que nous disposons de gènes V différents pour chaque anticorps possible fabriqué.

Théorie des mutations somatiques
Cette théorie postule que nous disposons seulement de quelques gènes codant pour les régions V et que la diversité est générée par des mutations somatiques qui se produisent au niveau des ces gènes.

Concepts actuels
Les concepts actuels donnent du crédit aux deux théories proposées. On pense que la diversité des anticorps est générée par les mécanismes suivants :

1. Un grand nombre de gènes V

Il y a:

a) 30 gènes V lambda
b) 300 gènes V kappa
c) 1000 gènes V de chaînes lourdes

2. Jonctions V-J et V-D-J
La région codée par les gènes V et J de la chaîne légère et les gènes V, D et J de la chaîne lourde est la troisième boucle hypervariable (CDR3) de la région V de chacune de ces chaînes. Comme les réarrangements V-J d’une part et V-D-J d’autre part se font au hasard, il en résulte une grande diversité à la jonction V-J et V-D-J.

3. Diversité jonctionnelle (imprécisions aux sites de recombinaison V-J, V-D et D-J) - (Figure 9)

La recombinaison V-J et V-D-J n’est pas toujours parfaite et une diversité additionnelle résulte d’erreurs commises lors de la recombinaison qui rapproche les gènes V et J ou encore D et J. Ces imprécisions triplent au moins le degré de diversité obtenu par la simple diversité combinatoire V-J et V-D-J. La diversité due à ce mécanisme se produit pour la région qui code pour la troisième boucle hypervariable et affecte donc directement le site de liaison de l’anticorps.

4. Région d’insertion de nucléotides N
A la jonction entre les segments D et J on retrouve souvent une insertion de quelques nucléotides, catalysée par une enzyme appelée « terminal transférase ». La terminal transférase catalyse la polymérisation au hasard de nucléotides dans l’ADN sans nécessité de matrice. Cela conduit à davantage encore de diversité sur la troisième région hypervariable.

5. Mutation somatique
Il a été démontré qu’il se produisait des mutations somatiques au niveau des gènes V, notamment sur les séquences codant pour la seconde région hypervariable (CDR2). Ces mutations contribuent dans une certaine mesure à la diversité des anticorps.

6. Combinatoire d’association
Chaque cellule B individuelle a le potentiel pour produire n’importe laquelle des chaînes lourdes et n’importe laquelle des chaînes légères. Chaque chaîne légère peut également s’associer à chaque chaîne lourde ce qui contribue à davantage de diversité.

7. Multispécificité
En raison des réactions croisées entre déterminants antigéniques de structure similaire, un anticorps peut souvent réagir avec plus qu’un seul antigène. C’est la multispécificité. La multispécificité contribue à la diversité des anticorps.

Un exemple de comment ces différents mécanismes peuvent générer un haut niveau de diversité est illustré ci-dessous :
 

Ces calculs ne prennent pas en considération les contributions des chaînes légères lambda, la diversité jonctionnelle, les mutations somatiques, les insertions de nucléotides N ou la multispécificité.
Le processus de réarrangement des gènes des chaînes lourdes et légères et l'association combinatoire de ces chaînes se produisent au cours du développement des cellules B : ces étapes sont donc indépendantes de l'antigène. Des clones de cellules B exprimant toutes les spécificités d'anticorps possibles sont produits au cours du développement et, après son introduction, l'antigène sélectionne simplement les clones qui ont le récepteur approprié. Les clones sélectionnés sont alors activés, prolifèrent et se différencient en cellules sécrétant des anticorps plasmatiques.

LE RECEPTEUR A L’ANTIGENE DES CELLULES T

Les cellules T expriment également un récepteur pour l'antigène à leur surface. Ce récepteur n'est pas une molécule d'immunoglobuline, mais il est composé de deux chaînes polypeptidiques différentes qui ont des régions constantes et variables analogues aux immunoglobulines. La diversité des récepteurs à l’antigène des cellules T est également générée de la même manière que celle décrite pour la diversité des anticorps (par exemple par assemblage de segments de gènes VJ et VDJ et leur combinatoire d'association). Cependant, aucune mutation somatique n’a été observée dans le cas des cellules T.
 

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