來源：iNature（ID:Plant_ihuman）
有頜脊椎動物的適應性免疫依賴於重組啟動基因1（RAG1）-RAG2（統稱為RAG）重組酶，在稱為V（D）J重組的反應中組裝抗原受體基因。廣泛的生化和結構證據表明，RAG和V（D）J重組是從RAG樣（RAGL）轉座元件的成分通過稱為轉座子分子馴化的過程進化而來的。
2021年10月21日，耶魯大學David G. Schatz（耶魯大學Liu Chang及上海交通大學張宇航為共同第一作者）團隊在Nature Reviews Immunology（IF=53）線上發表題為“Structural insights into the evolution of the RAG recombinase”的綜述文章，該綜述描述了對RAG重組酶進化過程中發生的功能和結構轉變的理解的最新進展。該綜述使用RAG和RAGL酶的結構來追跡進化適應性，這些適應性產生了RAG重組酶，該酶具有精確調節的切割活性和多層機制來抑制轉座。
該綜述描述了DNA結合模式的變化、蛋白質-DNA複合物動力學的改變、單個胺基酸突變和模組化設計如何可能使RAG家族酶能够在真核生物的基因組中存活和傳播。這些進展突出了通過比較基因組分析結合結構生物學和生物化學的視角觀察脊椎動物免疫進化可以獲得的洞察力。
複雜的適應性免疫系統在脊椎動物進化過程中至少出現過兩次：一次在無頜脊椎動物中（現在以七鰓鰻和盲鰻為代表），一次在有頜脊椎動物中（從魚類和兩棲動物到爬行動物、鳥類和哺乳動物）。在這兩種情况下，進化都導致產生淋巴細胞的能力，這些淋巴細胞能够產生幾乎無限的抗原受體陣列，以識別感染因數。
在有顎脊椎動物中，這一進化過程的覈心參與者是一段自私的DNA-轉座子。憑藉它們在基因組內和基因組之間移動的能力，轉座子既是基因組進化的促進者又是對基因組穩定性的有力威脅。在這篇綜述中，考慮了進化如何利用轉座子來產生抗原受體多樣性，同時抑制它對基因組完整性構成的危險。
在有頜脊椎動物中，編碼抗原受體（免疫球蛋白和T細胞受體）的基因在B細胞和T細胞發育期間從可變（V）、多樣性（D）和連接（J）基因片段的陣列通過稱為V的過程組裝（D）J重組。V（D）J重組由淋巴限制性重組啟動基因（RAG）重組酶啟動，RAG是由兩個RAG1和兩個RAG2亞基組成的异源四聚體。RAG是一種序列特异性核酸內切酶，可在重組訊號序列（RSS）處切割與V、D和J基因片段相鄰的片段，該序列由保守的七聚體和九聚體元件組成，這些元件由間隔DNA的12或23 bp（分別稱為12RSS和23RSS）隔開）。V（D）J重組幾乎只發生在12RSS和23RSS之間，這一限制稱為12/23規則。
作為RAG複合物的催化活性成分，多結構域RAG1蛋白通過催化覈心執行雙鏈DNA的切割，催化覈心在其氨基末端兩側是九聚體結合結構域（NBD）和一個長N末端區域（NTR），並且在其羧基末端有一個短的C末端尾（CTT）。RAG2的基本覈心區域協助RAG1進行DNA結合和切割。RAG2的C端區域包括一個富含酸性胺基酸的柔性鉸鏈（酸性鉸鏈）和一個植物同源域（PHD），作為組蛋白程式碼的閱讀器。RAG由DNA彎曲輔因數（HMGB1或HMGB2）輔助，該輔助因數結合RSS間隔區，特別是强烈彎曲的23RSS間隔區。
四十多年前，有人提出下頜脊椎動物不尋常的“分裂”抗原受體基因是通過意外插入轉座子到基因外顯子中產生的，將其分裂成原始的“V”和“J”基因片段。十年後，RAG1和RAG2的發現揭示了這兩個基因在小鼠和人類基因組中以非常緊湊的尾對尾結構排列，這種結構在所有有頜脊椎動物的基因組中都觀察到。這一觀察結果與許多其他發現一起支持了一個模型，其中RAG1、RAG2、RSS和分裂抗原受體基因是從RAGL轉座子進化而來的。
HzTransib（缺少RAG2L亞基）（PDB:6PQX）、BbRAGL（PDB:6B40）和RAG（PDB:6CG0）在其催化覈心中有許多結構特徵區域並結合密切相關的七聚體序列。然而，在底物裂解後，RAG介導的重組途徑與HzTransib和BbRAGL介導的轉座途徑不同。
在轉座中，轉座酶保留轉座子的切除末端（形成轉座子末端複合物）並以非共價管道捕獲目標DNA以形成目標捕獲複合物（TCC）。隨後轉座子對捕獲的目標DNA的攻擊導致轉座子的綜合和鏈轉移複合物（STC）的形成。相比之下，在V（D）J重組過程中，由RAG介導的DNA切割產生的編碼末端和訊號末端被處理並通過非同源末端連接DNA修復因數連接，分別產生編碼接頭和訊號接頭。RAG進行轉座的能力在無細胞反應中很容易檢測到，但在體內卻被抑制。
該綜述描述了對RAG進化過程中發生的功能和結構轉變的理解的最新進展。該綜述使用RAG和RAGL酶的結構來追跡進化適應性，這些適應性產生了RAG重組酶，該酶具有精確調節的切割活性和多層機制來抑制轉座。
該綜述描述了DNA結合模式的變化、蛋白質-DNA複合物動力學的改變、單個胺基酸突變和模組化設計如何可能使RAG家族酶能够在真核生物的基因組中存活和傳播。這些進展突出了通過比較基因組分析結合結構生物學和生物化學的視角觀察脊椎動物免疫進化可以獲得的洞察力。
參考消息：
https://www.nature.com/articles/s41577-021-00628-6
本文版權歸原作者所有，文章內容不代表平臺觀點或立場。如有關於文章內容、版權或其他問題請與我方聯系，我方將在核實情况後對相關內容做删除或保留處理！聯繫郵箱：yzhao@koushare.com