Tái tổ hợp V(D)J (V(D)J Recombination)

Cơ chế

Tái tổ hợp V(D)J là một quá trình phức tạp, được thực hiện qua các bước sau:

1. Nhận diện: Quá trình tái tổ hợp V(D)J được bắt đầu bằng việc nhận diện các trình tự tín hiệu tái tổ hợp (recombination signal sequences – RSS) nằm cạnh các đoạn gen V, D và J. RSS gồm một heptamer được bảo tồn (7 nucleotide), một vùng đệm (spacer) có thể là 12 hoặc 23 nucleotide, và một nonamer được bảo tồn (9 nucleotide). Quy tắc 12/23 đảm bảo rằng một đoạn gen có RSS với spacer 12 nucleotide chỉ có thể tái tổ hợp với một đoạn gen có RSS với spacer 23 nucleotide.
2. Cắt và nối: Các enzyme RAG1 và RAG2 (Recombination activating gene) nhận diện và liên kết với các RSS, sau đó cắt DNA tại vùng nối giữa RSS và đoạn gen mã hóa. Điều này tạo ra các đầu DNA hình kẹp tóc (hairpin) ở các đoạn gen mã hóa và các đầu tù (blunt ends) ở các đoạn tín hiệu.
3. Xử lý đầu DNA: Enzyme Artemis mở các đầu hình kẹp tóc, tạo ra các đầu DNA có thể thẳng hoặc lệch. Các nucleotide có thể được thêm vào hoặc loại bỏ tại các điểm đứt gãy này, tạo thêm sự đa dạng cho trình tự gen. Quá trình này được gọi là N-nucleotide addition (bổ sung N-nucleotide) do enzyme terminal deoxynucleotidyl transferase (TdT) thực hiện và P-nucleotide addition (bổ sung P-nucleotide) do chính cơ chế sửa chữa DNA tạo ra các đoạn đối xứng (palindrome).
4. Nối: Enzyme DNA ligase IV và XRCC4 nối các đoạn gen V, D (nếu có) và J lại với nhau, tạo thành một gen V(D)J mới. Các đoạn tín hiệu bị cắt bỏ được nối lại với nhau tạo thành một vòng tròn DNA gọi là tín hiệu khớp nối (signal joint).

Ví dụ

Trong tế bào B, chuỗi nặng của kháng thể được tạo ra bằng cách tái tổ hợp các đoạn gen V, D và J. Còn chuỗi nhẹ được tạo ra bằng cách tái tổ hợp các đoạn gen V và J (không có D). Ở chuỗi nặng, tái tổ hợp D-J xảy ra trước, sau đó là tái tổ hợp V-DJ.

Kết quả

Tái tổ hợp V(D)J tạo ra một kho tàng khổng lồ các thụ thể kháng nguyên khác nhau, ước tính lên tới $10^{11}$-$10^{18}$ kháng thể khác nhau. Sự đa dạng này được tạo ra nhờ:

• Sự kết hợp các đoạn gen: Nhiều đoạn gen V, D và J khác nhau có thể được kết hợp.
• Sự đa dạng ở điểm nối: Sự đa dạng ở điểm nối bao gồm 3 cơ chế chính: xóa nucleotide ở các đầu DNA hình kẹp tóc, bổ sung P-nucleotide (các nucleotide tạo thành trình tự đối xứng ở điểm đứt), và bổ sung N-nucleotide (các nucleotide ngẫu nhiên không có khuôn mẫu).

Ý nghĩa

Tái tổ hợp V(D)J là một cơ chế quan trọng trong hệ miễn dịch thích nghi, cho phép cơ thể nhận diện và phản ứng với một loạt các mầm bệnh khác nhau. Sự hiểu biết về quá trình này là cơ sở cho việc phát triển các liệu pháp miễn dịch mới. Nó đóng vai trò then chốt trong việc tạo ra sự đa dạng của các thụ thể kháng nguyên, cho phép hệ miễn dịch thích nghi với vô số các kháng nguyên khác nhau. Nghiên cứu về tái tổ hợp V(D)J cũng giúp chúng ta hiểu rõ hơn về các bệnh liên quan đến miễn dịch, ung thư và phát triển các phương pháp điều trị mới.

Bệnh lý liên quan

Các đột biến trong gen RAG1 và RAG2 có thể dẫn đến các bệnh lý suy giảm miễn dịch nghiêm trọng, chẳng hạn như Hội chứng suy giảm miễn dịch kết hợp nghiêm trọng (SCID). Những người mắc SCID thiếu hụt lympho T và lympho B, khiến họ dễ bị nhiễm trùng cơ hội.

Kiểm soát quá trình tái tổ hợp V(D)J

Quá trình tái tổ hợp V(D)J được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo tính chính xác và tránh sự sắp xếp lại gen không mong muốn, ví dụ như chuyển đoạn nhiễm sắc thể gây ung thư. Một số yếu tố quan trọng trong việc kiểm soát này bao gồm:

• Khả năng tiếp cận chromatin: Cấu trúc chromatin đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh khả năng tiếp cận của enzyme RAG với các đoạn gen V, D và J. Các vùng chromatin mở, dễ tiếp cận sẽ cho phép tái tổ hợp diễn ra, trong khi các vùng chromatin đóng sẽ ngăn chặn quá trình này. Sự biến đổi histone và sự methyl hóa DNA là những cơ chế quan trọng trong việc điều chỉnh cấu trúc chromatin.
• Trình tự RSS: Tính đặc hiệu của tái tổ hợp V(D)J được đảm bảo một phần bởi quy tắc 12/23. Quy tắc này ngăn chặn sự tái tổ hợp giữa hai đoạn gen có cùng kích thước spacer.
• Các yếu tố phiên mã: Một số yếu tố phiên mã, ví dụ như Ikaros, E2A, và EBF1, đóng vai trò quan trọng trong việc điều hòa biểu hiện của gen RAG và kiểm soát quá trình tái tổ hợp V(D)J.

Sự đa dạng của thụ thể kháng nguyên

Mặc dù tái tổ hợp V(D)J tạo ra một mức độ đa dạng đáng kể, nhưng sự đa dạng này còn được khuếch đại bởi các cơ chế khác:

• Đa dạng ở điểm nối (Junctional diversity): Như đã đề cập ở trên, các nucleotide có thể được thêm vào hoặc loại bỏ tại các điểm nối giữa các đoạn gen V, D và J. Quá trình này được thực hiện bởi enzyme terminal deoxynucleotidyl transferase (TdT), bổ sung các nucleotide ngẫu nhiên (N-nucleotides) vào các điểm đứt gãy. Ngoài ra, enzyme exonuclease có thể loại bỏ các nucleotide ở các đầu DNA.
• Chuyển đổi gen (Gene conversion): Trong tế bào B của gà và một số loài động vật có vú khác, các đoạn gen giả (pseudogenes) có thể đóng góp trình tự nucleotide vào gen V(D)J đã được tái tổ hợp thông qua cơ chế chuyển đổi gen.
• Siêu đột biến soma (Somatic hypermutation): Sau khi tế bào B được hoạt hóa bởi kháng nguyên, các gen mã hóa cho kháng thể có thể trải qua quá trình siêu đột biến soma, tạo ra các đột biến điểm với tần suất cao trong các vùng biến đổi của gen kháng thể. Quá trình này góp phần vào việc tinh chỉnh ái lực của kháng thể với kháng nguyên.

• Abbas, A. K., Lichtman, A. H., & Pillai, S. (2022). Cellular and Molecular Immunology (11th ed.). Elsevier.
• Murphy, K., & Weaver, C. (2016). Janeway’s Immunobiology (9th ed.). Garland Science.
• Tonegawa, S. (1983). Somatic generation of antibody diversity. Nature, 302(5909), 575–581.

Câu hỏi và Giải đáp

Ngoài quy tắc 12/23, còn cơ chế nào khác góp phần đảm bảo tính chính xác của tái tổ hợp V(D)J, ngăn chặn sự tái tổ hợp bất thường giữa các đoạn gen không tương thích?

Trả lời: Ngoài quy tắc 12/23, cấu trúc chromatin và các yếu tố tiếp cận chromatin đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát khả năng tiếp cận của enzyme RAG với các đoạn gen V, D, và J. Sự biến đổi histone và metyl hóa DNA có thể ảnh hưởng đến cấu trúc chromatin, từ đó điều chỉnh sự biểu hiện gen và khả năng tái tổ hợp. Ngoài ra, sự tương tác giữa RAG với các protein khác, như HMG1/2, cũng góp phần vào tính đặc hiệu của quá trình tái tổ hợp.

Làm thế nào hệ thống miễn dịch phân biệt giữa các kháng nguyên “bản thân” và “không phải bản thân” sau khi quá trình tái tổ hợp V(D)J tạo ra một kho kháng thể đa dạng, bao gồm cả những kháng thể có thể nhận diện các phân tử của chính cơ thể?

Trả lời: Quá trình chọn lọc âm tính (negative selection) trong tuyến ức (đối với tế bào T) và tủy xương (đối với tế bào B) loại bỏ các tế bào lympho mang thụ thể kháng nguyên có ái lực mạnh với các kháng nguyên “bản thân”. Những tế bào này bị apoptosis để ngăn chặn phản ứng tự miễn. Tuy nhiên, quá trình này không hoàn hảo, và một số tế bào tự phản ứng vẫn có thể tồn tại, dẫn đến khả năng phát triển bệnh tự miễn.

Tái tổ hợp V(D)J có vai trò gì trong sự phát triển của ung thư, đặc biệt là ung thư máu như leukemia và lymphoma?

Trả lời: Quá trình tái tổ hợp V(D)J, mặc dù cần thiết cho sự đa dạng miễn dịch, cũng tiềm ẩn nguy cơ gây ra đột biến và chuyển đoạn nhiễm sắc thể. Sự sắp xếp lại gen bất thường trong quá trình tái tổ hợp V(D)J có thể dẫn đến sự hoạt hóa các oncogene hoặc bất hoạt các gen ức chế khối u, góp phần vào sự phát triển của ung thư, đặc biệt là ung thư máu.

Liệu có thể ứng dụng kỹ thuật tái tổ hợp V(D)J in vitro để tạo ra các kháng thể với đặc tính mong muốn cho mục đích điều trị?

Trả lời: Có, kỹ thuật hiển thị phage và các phương pháp in vitro khác đã được phát triển để tạo ra các thư viện kháng thể tái tổ hợp lớn và sàng lọc các kháng thể có ái lực cao với kháng nguyên mục tiêu. Những kháng thể này có thể được sử dụng trong điều trị ung thư, bệnh tự miễn, và các bệnh nhiễm trùng.

Sự đa dạng ở điểm nối, bao gồm cả việc thêm N-nucleotide, được cho là tạo ra sự đa dạng lớn nhất trong kho kháng thể. Tuy nhiên, liệu việc thêm các nucleotide ngẫu nhiên này có thể dẫn đến sự hình thành các codon stop, làm gián đoạn quá trình dịch mã và tạo ra các kháng thể không hoạt động?

Trả lời: Đúng vậy, việc thêm N-nucleotide có thể tạo ra các codon stop, dẫn đến sự hình thành các kháng thể bị cắt ngắn và không hoạt động. Tuy nhiên, hệ thống miễn dịch có các cơ chế kiểm soát chất lượng để loại bỏ các tế bào lympho mang các thụ thể kháng nguyên không hoạt động. Mặc dù một phần đáng kể các sản phẩm tái tổ hợp V(D)J có thể không hoạt động, sự đa dạng khổng lồ được tạo ra vẫn đảm bảo đủ số lượng kháng thể chức năng để chống lại các kháng nguyên khác nhau.