Ghép nối gen VDJ (VDJ Recombination)

Cơ chế

Ghép nối VDJ liên quan đến việc sắp xếp lại ngẫu nhiên các đoạn gen trong locus của các gen mã hóa cho vùng biến đổi của BCR và TCR. Các đoạn gen này được phân thành ba loại chính:

• V (Variable): Đoạn biến đổi
• D (Diversity): Đoạn đa dạng (chỉ có trong chuỗi nặng của immunoglobulin và chuỗi beta và delta của TCR)
• J (Joining): Đoạn nối

Quá trình ghép nối VDJ diễn ra theo các bước sau:

1. Synapsis: Hai đoạn gen được chọn ngẫu nhiên (ví dụ: một đoạn V và một đoạn J) được đưa lại gần nhau.
2. Cắt: Các enzyme RAG1 và RAG2 nhận diện và cắt DNA tại các trình tự tín hiệu tái tổ hợp (RSS) nằm cạnh các đoạn gen V, D và J.
3. Xử lý đầu mút: Các đầu mút DNA được xử lý bởi các enzyme, có thể thêm hoặc bớt nucleotide. Điều này góp phần vào sự đa dạng của các thụ thể kháng nguyên.
4. Nối: Enzyme DNA ligase IV nối các đoạn gen được chọn lại với nhau, tạo thành một đoạn gen V(D)J mới.

Ví dụ: trong chuỗi nặng của immunoglobulin, quá trình ghép nối diễn ra theo thứ tự D-J, sau đó là V-DJ. Kết quả là một gen VDJ hoàn chỉnh mã hóa cho vùng biến đổi của chuỗi nặng.

Đa dạng

Sự đa dạng của các thụ thể kháng nguyên được tạo ra bởi ghép nối VDJ là rất lớn nhờ vào:

• Sự kết hợp ngẫu nhiên: Việc lựa chọn ngẫu nhiên các đoạn gen V, D và J.
• Sự đa dạng do nối: Sự thêm bớt nucleotide tại các điểm nối giữa các đoạn gen (được gọi là đa dạng điểm nối, bao gồm cả cơ chế bổ sung nucleotide ngẫu nhiên – N-nucleotide addition – bởi enzyme TdT).
• Sự đa dạng kết hợp: Sự kết hợp ngẫu nhiên giữa các chuỗi nặng và nhẹ của immunoglobulin hoặc các chuỗi alpha và beta hoặc gamma và delta của TCR.

Ý nghĩa

Ghép nối VDJ đóng vai trò then chốt trong việc tạo ra một hệ miễn dịch thích nghi hiệu quả. Khả năng tạo ra một lượng lớn các thụ thể kháng nguyên đa dạng cho phép cơ thể nhận diện và loại bỏ hầu hết các tác nhân gây bệnh. Sự thiếu hụt trong cơ chế ghép nối VDJ có thể dẫn đến các bệnh suy giảm miễn dịch nghiêm trọng, chẳng hạn như SCID (Severe Combined Immunodeficiency).

Ví dụ về tính toán đa dạng:

Giả sử có $n_V$ đoạn gen V, $n_D$ đoạn gen D, và $n_J$ đoạn gen J. Số lượng kết hợp VDJ có thể có (không xét đến sự đa dạng do nối) là $n_V \times n_D \times n_J$. Tuy nhiên, con số thực tế về sự đa dạng còn lớn hơn nhiều do sự đa dạng điểm nối được tạo ra trong quá trình cắt và nối các đoạn gen.

Tóm lại

Ghép nối gen VDJ là một quá trình phức tạp nhưng thiết yếu cho sự phát triển của hệ miễn dịch thích nghi. Nó tạo ra sự đa dạng cần thiết cho các thụ thể kháng nguyên, cho phép cơ thể phản ứng hiệu quả với một loạt các kháng nguyên.

Các enzyme tham gia

Quá trình ghép nối VDJ được xúc tác bởi một phức hợp enzyme được gọi là V(D)J recombinase. Các thành phần quan trọng của phức hợp này bao gồm:

• RAG1/2 (Recombination Activating Gene 1/2): Hai enzyme này đóng vai trò trung tâm trong việc nhận diện RSS và cắt DNA tại các vị trí đặc hiệu.
• Artemis: Một endonuclease tham gia vào quá trình xử lý đầu mút DNA, tạo ra sự đa dạng do nối.
• DNA-PKcs (DNA-dependent Protein Kinase catalytic subunit), Ku70/80, XRCC4, DNA ligase IV: Các protein này tham gia vào quá trình sửa chữa DNA không tương đồng (NHEJ), giúp nối các đoạn gen lại với nhau.

Điều hòa

Quá trình ghép nối VDJ được điều hòa chặt chẽ để đảm bảo chỉ xảy ra ở đúng giai đoạn phát triển của tế bào lympho và chỉ tác động lên đúng locus gen. Sự điều hòa này liên quan đến nhiều yếu tố, bao gồm khả năng tiếp cận của chromatin và sự biểu hiện của các enzyme RAG.

Bệnh lý liên quan

Các đột biến trong các gen mã hóa cho các enzyme tham gia ghép nối VDJ có thể dẫn đến các bệnh suy giảm miễn dịch nghiêm trọng, chẳng hạn như:

• SCID (Severe Combined Immunodeficiency): Một nhóm bệnh di truyền đặc trưng bởi sự thiếu hụt nghiêm trọng cả tế bào T và tế bào B. Một số dạng SCID là do đột biến trong gen RAG1, RAG2, Artemis hoặc các gen khác liên quan đến NHEJ.
• Omenn syndrome: Một dạng SCID khác, thường do đột biến hypomorphic (giảm chức năng một phần) trong gen RAG1 hoặc RAG2.

Ghép nối VDJ và ung thư

Mặc dù ghép nối VDJ là cần thiết cho sự phát triển bình thường của hệ miễn dịch, quá trình này cũng có thể góp phần vào sự hình thành ung thư. Các lỗi trong quá trình ghép nối có thể dẫn đến sự chuyển đoạn nhiễm sắc thể, kích hoạt các oncogene hoặc bất hoạt các tumor suppressor gene. Ví dụ, leukemia và lymphoma có thể liên quan đến sự chuyển đoạn nhiễm sắc thể liên quan đến các locus gen immunoglobulin hoặc TCR.

Ứng dụng trong nghiên cứu

Ghép nối VDJ là một công cụ mạnh mẽ trong nghiên cứu miễn dịch học. Phân tích sự sắp xếp lại gen VDJ có thể cung cấp thông tin về sự phát triển và đa dạng của các tế bào lympho, cũng như phản ứng miễn dịch đối với các kháng nguyên cụ thể.

• Abbas AK, Lichtman AH, Pillai S. Cellular and Molecular Immunology. 9th ed. Philadelphia, PA: Elsevier; 2018.
• Janeway CA Jr, Travers P, Walport M, et al. Immunobiology: The Immune System in Health and Disease. 5th ed. New York: Garland Science; 2001.
• Murphy K, Weaver C. Janeway’s Immunobiology. 9th ed. New York: Garland Science; 2017.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào mà quá trình ghép nối VDJ tránh được việc tạo ra các thụ thể kháng nguyên tự phản ứng (tự miễn)?

Trả lời: Cơ thể có nhiều cơ chế để loại bỏ hoặc bất hoạt các tế bào lympho mang thụ thể tự phản ứng. Một cơ chế quan trọng là quá trình tuyển chọn âm tính, diễn ra trong tuyến ức đối với tế bào T và tủy xương đối với tế bào B. Trong quá trình này, các tế bào lympho tiếp xúc với các kháng nguyên tự thân. Nếu một tế bào lympho phản ứng mạnh với kháng nguyên tự thân, nó sẽ bị loại bỏ bằng apoptosis (chết tế bào theo chương trình). Tuy nhiên, quá trình này không hoàn hảo, và một số tế bào lympho tự phản ứng vẫn có thể tồn tại và gây ra bệnh tự miễn.

Ngoài sự kết hợp ngẫu nhiên của các đoạn gen V, D và J, còn cơ chế nào khác góp phần vào sự đa dạng do nối?

Trả lời: Sự đa dạng do nối được tạo ra chủ yếu bởi hai cơ chế: P-nucleotides và N-nucleotides. P-nucleotides được tạo ra khi các enzyme cắt DNA tại RSS để lại các đầu mút “palindrome” (đối xứng). N-nucleotides là các nucleotide ngẫu nhiên được thêm vào bởi enzyme terminal deoxynucleotidyl transferase (TdT) tại các điểm nối giữa các đoạn gen.

Sự biểu hiện của các enzyme RAG được điều hòa như thế nào?

Trả lời: Sự biểu hiện của RAG1/2 được điều hòa chặt chẽ cả về không gian và thời gian. Chúng chỉ được biểu hiện trong các tế bào lympho đang phát triển ở các giai đoạn đặc hiệu. Sự điều hòa này liên quan đến nhiều yếu tố, bao gồm khả năng tiếp cận của chromatin, các yếu tố phiên mã đặc hiệu cho tế bào lympho, và các tín hiệu từ các thụ thể bề mặt tế bào.

Ghép nối VDJ có vai trò gì trong sự phát triển của các bệnh ung thư máu?

Trả lời: Các lỗi trong quá trình ghép nối VDJ có thể dẫn đến sự chuyển đoạn nhiễm sắc thể, trong đó các đoạn DNA từ các nhiễm sắc thể khác nhau bị trao đổi vị trí. Nếu sự chuyển đoạn này đặt một oncogene (gen gây ung thư) dưới sự kiểm soát của một promoter mạnh (ví dụ, promoter của gen immunoglobulin), nó có thể dẫn đến sự biểu hiện quá mức của oncogene và góp phần vào sự phát triển của ung thư, đặc biệt là leukemia và lymphoma.

Nghiên cứu về ghép nối VDJ có thể đóng góp gì cho việc phát triển các liệu pháp điều trị mới?

Trả lời: Hiểu rõ về cơ chế và điều hòa của ghép nối VDJ có thể giúp phát triển các liệu pháp điều trị mới cho các bệnh suy giảm miễn dịch và ung thư. Ví dụ, liệu pháp gen có thể được sử dụng để sửa chữa các đột biến trong gen RAG ở bệnh nhân SCID. Ngoài ra, các thuốc ức chế các enzyme tham gia ghép nối VDJ có thể được sử dụng để điều trị một số loại ung thư máu. Nghiên cứu về ghép nối VDJ cũng có thể giúp cải thiện hiệu quả của liệu pháp miễn dịch ung thư.