T 세포 수용체 α 다양성의 기원과 진화적 가단성
Abstract
척추동물 적응 면역 체계의 림프구는 생식계열의 분열된 유전자로부터 수십억 개의 기능적 항원 수용체를 조립하는 능력을 획득했습니다. 이 수용체는 특이성을 나타냅니다. 선천성 시스템의 광범위하게 조정된 수용체와 달리, B 세포에 의해 발현되는 항체 (Ig)는 유기산의 두 가지 거울상 이성질체를 정확하게 구별할 수 있는 반면, T 세포 수용체 (TCR)는 펩타이드 항원에서 단일 아미노산 교체를 안정적으로 인식합니다.
발달 중인 림프구에서 항원 수용체 유전자는 V(D)J 재조합이라고 하는 과정에서 상대적으로 작은 생식계열 암호화 유전 요소 세트로부터 조립됩니다. 준 무작위 체세포 다양화에서 발생하는 일부 항원 수용체의 잠재적 자기 반응성은 몇 가지 강력한 제어 메커니즘에 의해 억제됩니다. 수십 년 동안 과학자들은 체세포적으로 다양화되는 항원 수용체의 진화적 기원에 대해 의아해했습니다. 이 메커니즘이 시작될 때 면역학적으로 유익한 확장된 수용체 다양성이 파괴적인 자기 인식의 새로운 위험과 어떻게 거래되는지는 불확실합니다.
이 연구에서는 초기 척추동물에서 재조합 요소의 끝을 표시하는 서열 미세상동성이 RAG 매개 재조합 동안 생성된 DNA 이중 가닥 절단의 비동종 말단 결합 기반 복구의 결과를 결정하는 선택의 중요한 표적이 되었다는 가설을 탐구합니다. 우리는 턱이 있는 척추동물의 주요 분기군에서 TCRα 레퍼토리 다양성이 그러한 서열 미세상동성의 종별 정도에 의해 가장 잘 설명된다는 것을 발견했습니다. 따라서, 재배열 요소의 생식계열 서열 구성의 선택은 체세포 생성 항원 수용체의 다양성 정도를 결정하는 주요 요인으로 부각됩니다.
Figure
[Figure 1] 제브라피쉬와 마우스 tra 레퍼토리의 특성
(A) 야생형 동물의 cDNA에 대한 CDR3 뉴클레오타이드 길이 분포.
(B) trac (제브라피쉬) 또는 Trac (마우스) 유전자에 대한 돌연변이 동물의 cDNA에 대한 CDR3 뉴클레오타이드 길이 분포.
(C) 야생형 동물의 CDR3 영역 분석.
(D) 42개 뉴클레오타이드 길이의 CDR3 서열에 대한 개별 뉴클레오타이드 위치에서의 다양성.
(E) D. rerio 개체에서 개별 tra 및 trb cDNA 분자의 표현.
[Figure 2] 경골어류 tra 어셈블리의 CDR3 영역에 대한 미세상동성의 기여
(A) V 유전자의 5′ 말단 (상단) 및 J 유전자의 3′ 말단 (하단)에 대한 뉴클레오타이드 보존 서열.
(B) a에 기술된 보존된 위치와 관련하여 D. rerio에서 가장 자주 관찰되는 4개의 미세상동성 패턴의 개략도.
(C) D. rerio의 tra 레퍼토리에 대한 b의 4가지 지배적인 미세상동성 패턴의 기여.
(D) 4개의 경골어류 종에서 tra 레퍼토리에 대한 b의 4개의 지배적인 미세상동성 패턴의 기여.
[Figure 3] 턱 척추동물의 Va 및 Ja 유전자 말단의 보존된 서열 패턴
(A) 묘사된 Va, Ja 유전자의 부분적 뉴클레오타이드 보존 서열.
(B) 패턴 1에 따라 조립된 CDR3 서열에 대한 미세상동성의 기여.
(C) 비주형 뉴클레오타이드 추가가 없는 TRA CDR3 서열의 분율과 V 또는 J 서열이 알려진 경우 조건부 엔트로피로 측정된 CDR3 서열 다양성 사이의 상관관계.
(D) V (상단) 및 J (하단) 시퀀스에 대한 RSS 요소의 위치.
(E) 표시된 접합부 및 종에 대한 평균 삽입 수와 미세상동성 잔기의 평균 수 사이의 상관관계.
[Figure 4] VJ 재조합을 유도하기 위한 TSD 사용
(A) Ja 유전자의 RSS 위치에 대한 진화 경향.
(B) 표시된 척추동물 클레이드에 대한 데이터 분포.
(C) 원시 항원 수용체 유전자에 트랜스포존을 삽입한 후 TSD의 V 및 J 유전자 말단에서 제안된 미세상동성의 기원 묘사.
Disscussion
약 5억년 전, 척추동물에서 항원 수용체의 체세포 다양화 기능이 등장하여 각 개체가 고유한 (다른 개체와 부분적으로 겹치는 경우) 항원 수용체 세트를 생성하는 능력을 획득했습니다. 선천적 면역 체계에서 자기 및 비자기 구별의 기초가 되는, 생식계열로 암호화된 항원 수용체는 진화 시간에 걸쳐 다윈의 선택을 받습니다. 조상 척추동물에서 체세포 재조합 기능의 갑작스러운 출현은 척추동물의 조상이 어떻게 면역학적으로 바람직한 수용체의 서열 다양성과 부주의한 자기 인식을 통한 잠재적으로 치명적인 자가면역 억제 사이의 균형을 맞추었는지에 대한 의문을 제기합니다.
여기서 우리는 이 수수께끼에 대한 해결책을 제안합니다. 원시 VJ 엑손을 방해하는 기본 삽입 전이 이벤트 동안 TSD의 결과로 V와 J 시퀀스 사이의 epistatic 얽힘은 RSS 유도 절제 후 NHEJ 매개 복구를 안내하는 미세상동성 역할을 하는 TSD에 의해 확립될 수 있습니다. 따라서 VJ 재조합 프로세스를 위해 NHEJ의 기계적 특성을 사용하면 접합 다양성으로 인해 발생하는 불확실성 정도가 최소화됩니다. 적어도 처음에는 접합부 다양성을 제한하기 위한 TSD 유래 미세상동성의 유지는 견딜 수 없는 부수적인 손상의 위험 없이 수용체 다양성을 증가시키는 전제 조건으로서 전문화된 자기 관용 메커니즘을 진화시키는 중요한 시간 창을 제공했을 수 있습니다. 또한, 우리는 TSD 유래 미세상동성이 서열 다양성을 제한할 뿐만 아니라 기능적 (프레임 내) 재조합 산물을 생성할 확률을 증가시켜 기능적 수용체를 포함하는 효율적인 림프구 개발을 지원한다는 점에 주목합니다. 이 시나리오의 흥미로운 결론은 적응 수용체가 처음에는 패턴 인식 수용체처럼 기능했을 수 있다는 것입니다.
TSD가 대체로 예측 가능한 재조합 결과에 필요한 중요한 원시 미세상동성을 제공했다면 진화 시간에 따른 변형을 추적하는 것이 가능해야 합니다. 실제로, TRA에서 진화적으로 고대의 미세상동성 서열을 확인하고 이 서명의 후속 분해에 대한 증거를 제공하는 것이 가능했습니다. 우리의 계통 발생 분석은 TRA 어셈블리의 접합부 서열의 다양성을 증가시키기 위해 TdT의 활동에 관여하는 징후를 나타내는 종의 미세 상 동성 서명의 손실을 나타냅니다. TdT의 활성이 낮거나 (태아에서와 같이) TdT가 유전적으로 불활성화되면 항원 수용체 레퍼토리는 미세상동성 기반 재조합에 대한 의존도가 증가합니다. TdT 활성이 없는 상태에서 미세상동성의 저하로 접합부 다양성을 증가시키는 첫 번째 진화 단계가 시작되었는지 또는 미세상동성의 손실이 조립 과정에 TdT를 모집한 후에 발생했는지 여부는 명확하지 않습니다. 예를 들어, 마우스의 일부 TRG 어셈블리는 정형적 재조합 결과와 광범위한 접합 다양성을 모두 특징으로 하는 동일한 V 및 J 요소를 사용하며, 이는 재조합 요소의 생식계열 서열의 끝에서 미세상동성의 유지를 선호하는 별자리입니다.
우리가 턱이 있는 척추동물에 대해 제안한 시나리오를 대안적인 적응 면역 체계를 보여주는 턱이 없는 척추동물 (칠성장어와 먹장어)의 상황과 비교하는 것이 유익합니다. 여기에서 체세포 다양화는 유전자 변환에 의존하여 서로 다른 수의 개별 류신이 풍부한 반복 인코딩 카세트를 배열로 조립하고, 끝에서 동일한 서열에 의해 안내되며 접합적 다양화가 거의 없습니다. 이러한 류신이 풍부한 반복 카세트의 레퍼토리는 현존하는 종에서 수백 개로 측정되지만, 메커니즘의 초기에는 조합적 다양성이 낮았고 따라서 조립된 수용체의 레퍼토리의 특성은 대체로 완전히 예측 가능하지는 않더라도 대부분이었다고 쉽게 상상할 수 있습니다. 따라서 이러한 관점에서 보면 무악척추동물과 유악척추동물은 항원수용체 유전자의 주요 조립과정이 다르지만 모든 척추동물은 대규모 유전자 복제를 통해 인식능력을 확장시켜 재조합 요소의 조합적 다양성을 증가시키고 불변 영역 서열의 다양화에 의해 다른 항원수용체를 더욱 진화시켰다고 볼 수 있습니다. 턱이 있는 척추동물에서 접합부 다양성은 TdT와 같은 비주형 DNA 중합효소를 다양화 과정에 공동으로 선택하여 TdT 활동의 발달 단계별 규제에 의해 제공되는 추가 옵션과 함께 더욱 증가했습니다.
요약하면, 우리의 연구는 TRA 유전자좌의 V 및 J 유전자 끝에 있는 미세상동성의 진화 가능성을 강조하고 혁신적이지만 잠재적으로 파괴적인 항원 수용체 다양화 메커니즘이 고대 척추동물의 새로운 적응 면역 시스템에 성공적으로 통합될 수 있는 그럴듯한 시나리오를 제안합니다.
