Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ .. .... 4
ГЛАВА I. СОМАТИЧЕСКАЯ ГЕНЕРАЦИЯ РАЗНООБРАЗИЯ
ИММУНОГЛОБУЛИНОВ 9
Генетические источники разнообразия иммуноглобулинов Ю
О математических подходах к анализу разнообразия в популяциях 26
Модели лимфоидных популяций. Биологические предположения. Математическая формализация. Методы исследования 48
Модель популяции периферических В-лимфоци~
тов без отбора 59
1.5. Роль антигенной селекции в обеспечении раз
нообразия популяции 65
1.6. Обсуждение 69
ГЛАВА 2. ГОЛЬ ИММУНОЛОГИЧЕСКОЙ СЕТИ В ОБЕСПЕЧЕНИИ РАЗ
НООБРАЗИЯ ИММУНОЩТОВ 76
Идиотипическая регуляция в иммунной системе. Обзор 76
Система двух клонов, связанных идиотипичес-кими взаимодействиями 87
Модель сетевых взаимодействий в популяции с неограниченным числом клонов *.. 93
Обсуждение 100
ГЛАВА 3. РАЗНООБРАЗИЕ ГЕНОВ ИММУННОГО ОТВЕТА,
СЦЕПЛЕННЫХ С ГЛАВНЫМ КОМПЛЕКСОМ ГИСТО-
СОВМЕСТИМОСТИ ...... ..... 109
Панельный иммуногенетический анализ НО
Примеры интерпретации данных панельного типирования . * 117
Разнообразие эпитопов, контролируемых
1г -генами 123
3.4. Обсуждение ,. 132
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 141
ВЫВОДЫ . 146
ЛИТЕРАТУРА 148
Приложение I. Машинная реализация модели с нефиксиро
ванной численностью популяции 170
Приложение 2. Анализ модели периферических В-лимфоци-
тов без отбора 175
Приложение 3. Анализ модели с отбором 182
Приложение 4. Среднее время вырождения системы 187
Приложение 5. Вычисление коэффициентов чувствитель
ности в модели раздела 2.3 191
Приложение б, Алгоритмы анализа булевых матриц ...... 196
Введение к работе
Значительным эволюционным приобретением позвоночных является развитая система специфического иммунитета, поддерживающая молекулярное постоянство организма путем борьбы с чужеродными для него веществами - антигенами. В качестве антигенов могут выступать произвольные достаточно сложные химические соединения, в том числе и искусственно синтезированные.
Специфичность иммунной реакции обеспечивается клонально-се-лекционным принципом организации специализированной клеточной популяции (лимфоцитов), в которой каждая клетка и все ее потомки (клон) синтезируют единственный по структуре антигенсвязывающего центра вариант рецептора. Антиген вызывает в этой популяции пролиферацию и дифференцировку тех клонов, рецепторам которых он комплементарен.
Антигенспецифичными рецепторами В-лимфоцитов являются иммуноглобулины (ИГ). Гигантское разнообразие этих близких по первичной структуре белковых молекул долгие годы объяснялось на основе двух альтернативных генетических гипотез.
Первая гипотеза, соматических мутаций, допускала существование небольшого наследуемого набора генов ИГ, из которых путем соматических мутаций в онтогенезе возникало все многообразие этих молекул. Вторая гипотеза, зародышевых генов, предполагала передачу по наследству всего имеющегося в организме репертуара ИГ.
В настоящее время выяснилось, что геном половых клеток содержит лишь набор разобщенных сегментов ДНК (для v-домена легкой цепи это vL и J,, а для V-домена тяжелой цепи - vH, D„, J„ сегменты), которые только после объединения в специализированной
соматической клетке образуют полные гены V-доменов ИГ.
С учетом этого процесса разнообразие ИГ в организме складывается
1) благодаря передаче по наследству нескольких копий каждо
го сегмента и возможности их комбинации (теоретически это может
7 ft
дать 10 - 10 вариантов ИГ);
2) благодаря точковому мутагенезу, происходящему в уже соб
ранных генах ИГ.
До сих пор не выяснено количественное соотношение между двумя этими источниками разнообразия. Другими словами, спор между теориями зародышевых генов и соматических мутаций теперь сводится к выяснению доли в общем репертуаре антител тех вариантов, которые кодируются наследуемыми сегментами ДНК, и доли вариантов, генерируемых гипермутационным процессом. Анализ этого вопроса является первой целью настоящего исследования.
Проблема специфичности гуморального иммунного ответа тесно связана с проблемой его контроля со стороны Т-системы иммунитета. В этой связи представляет значительный интерес так называемые гены иммунного ответа - ir-гены, локализованные в определенном участке генома - главном комплексе гистосовместимости. Эти гены обусловливают существенные различия в способности особи реагировать даже на близкие по составу антигены.
В принципе, специфичность ir-генного контроля по отношению к антигенам может объясняться либо большим количеством соответствующих генетических локусов, либо существованием множества аллелей в малом числе локусов. Первоначально предполагалось значительное разнообразие Іг-генов у каждой особи, так как считалось, что они кодируют антигенспецифичные рецепторы Т-лимфоцитов.
Позже возникли гипотезы о кодировании ими специальных рецеп-
торов Т-В или макрофаг-Т кооперации. Наконец, в последнее пятилетие интенсивно обсуждается гипотеза о функционировании продуктов
іг-генов в роли примитивных антигенраспознающих рецепторов макрофагов. Эти гипотезы основаны, в частности, на том факте, что , единственными известными молекулярными структурами, кодирующимися в том же субрайоне главного комплекса гистосовместимости, где локализованы Ir-гены, являются la-молекулы, разнообразие которых сравнительно невелико (2-3 варианта на особь). Если, действительно, ir-гены суть гены, кодирующие la-молекулы, то в рамках последней гипотезы такой малый репертуар антигенраспоэнающих рецепторов выразится в существенной "корреляции" между реакциями особи на,казалось бы,независимые антигены. Проверка этого предположения является второй целью настоящего исследования.
Решение поставленных выше вопросов требует длительного и кропотливого экспериментального анализа. В то же время математическое моделирование позволяет (в рамках сделанных допущений) определить ряд параметров, не поддающихся экспериментальной оценке. Это дает возможность на основе уже накопленных экспериментальных фактов оценить правомерность той или иной гипотезы и,следовательно, выявить наиболее перспективное направление дальнейших исследований. Этими соображениями обусловлен вид построенных ниже моделей.
Соответственно сформулированы задачи исследования:
I. Оценить с помощью математической модели количественный вклад соматических мутаций в репертуар синтезируемых организмом иммуноглобулинов. При этом учесть, что репертуар ИГ, численно эквивалентный клональному разнообразию популяции лимфоцитов, зависит
а) от конкуренции клонов, связанной с ограниченностью раз-
меров иммунной системы;
б) от процессов антигенной селекции клонов;
в) от идиотип-антиидиотипических взаимодействий между клона
ми - особого ауторегуляторного вида селекции, характерного для
клеток иммунной системы.
2. Разработать статистический критерий для проверки гипотезы о перекрестной реактивности антисывороток или других реагентов, используемых в иммуногенетических исследованиях. С его по -мощью оценить правомерность гипотезы о корреляции между генети -чески контролируемыми уровнями реакций на независимые антигены.
Решение этих задач позволило впервые количественно связать между собой в рамках упрощенных предположений различные параметры лимфоидной популяции: ее численность, интенсивность ее обновления мигрантами из центральных органов иммунитета, частоту мутаций в генах ИГ, долю лимфоцитов, экспрессирующих мутантные варианты ИГ, их разнообразие и т.п. Это дало возможность на основе известных экспериментальных фактов теоретически рассчитать частоту мутаций и возможный вклад соматического гипермутационного процесса в репертуар синтезируемых организмом иммуноглобулинов.
Показано, что сетевые (идиотип-антиидиотипические) взаимо -действия должны, как правило, ограничивать клональную гетерогенность популяции В-лимфоцитов. Альтернативная гипотеза верна лишь в случае особой структуры иммунологической сети, требующей для своей организации отбора в геном особи специального сочетания генов ИГ.
Разработана и реализована в программах для ЭВМ на языке Форт-ран-У1 новая статистическая процедура, с помощью которой проверена гипотеза о малом разнообразии генов иммунного ответа. Разработанный критерий может использоваться для оценки полиспецифич -
ности произвольных реагентов в иммуногенетическом типировании. Эффективность его применения продемонстрирована на ряде примеров. На защиту выносятся следующие основные положения работы:
выведенные (в рамках сделанных упрощенных предположений) количественные соотношения между различными характеристиками популяции лимфоцитов;
оценка частоты точковых соматических мутаций в иммуногло-булиновых генах и оценка их вклада в разнообразие ИГ у мышей;
сформулированные для параметров и структуры иммунологической сети условия, при которых сеть способна поддерживать повышенное разнообразие клонов в популяции;
чаще всего негативное влияние идиотип-антиидиотипических взаимодействий на клональную гетерогенность иммуноцитов;
статистически достоверная "корреляция" между генетически контролируемыми уровнями реакций инбредных линий мьппей на различные тимусзависимые антигены и возможную основу этой "корреляции"-малый репертуар генов иммунного ответа.
Похожие диссертации на Теоретический анализ проблемы разнообразия антигенспецифичных рецепторов
