組み換え活性化遺伝子

組み換え活性化遺伝子（RAG）は、免疫グロブリンおよびT細胞受容体分子をコードする遺伝子の再配置および組み換えにおいて重要な役割を果たすタンパク質複合体の一部をコードしている。組み換え活性化遺伝子にはRAG1とRAG2の2つがあり、その細胞発現は発達段階のリンパ球に限定されている。これらの遺伝子によってコードされる酵素RAG-1およびRAG-2は、適応免疫システムの重要な構成要素である2種類のリンパ球である成熟B細胞およびT細胞の生成に不可欠である。^[1]

脊椎動物の免疫システムでは、各抗体は、身体自体を攻撃することなく、特定の抗原（外来タンパク質および炭水化物）を攻撃するようにカスタマイズされています。ヒトゲノムには最大で30,000個の遺伝子がありますが、それでも何百万もの異なる抗体が生成され、何百万もの異なる抗原の侵入に対応できるようになります。免疫システムは、数百の遺伝子（VDJ遺伝子）をシャッフル、切断、および再結合して何百万もの組み合わせを作成することにより、この多様な抗体を生成します。このプロセスはV(D)J組み換えと呼ばれます。^[1] RAG-1とRAG-2は、VDJ遺伝子の末端にあるタンパク質で、VDJ遺伝子を分離、シャッフル、および再結合します。このシャッフルは、B細胞とT細胞の成熟中に内部で行われます。

RAG 酵素は、マルチサブユニット複合体として機能し、抗原受容体コーディングセグメントと隣接する組換えシグナル配列(RSS) の間の単一の二本鎖DNA (dsDNA) 分子の切断を誘導します。これは 2 つの段階で行われます。最初に、コーディング配列に隣接する RSS ヘプタマー (7 ヌクレオチドの保存領域) の 5' (上流) 末端に「ニック」を導入し、DNA のこの領域に特定の生化学構造を残します。コーディング末端には3'-ヒドロキシル(OH) 基、RSS 末端には 5'-リン酸(PO ₄ ) 基です。次のステップでは、これらの化学基を結合し、OH 基 (コーディング末端) を PO ₄基 (RSS と反対の鎖の遺伝子セグメントの間にある) に結合します。これにより、RSS に 5'- リン酸化二本鎖切断が生成され、コーディング末端には共有結合で閉じたヘアピンが生成されます。 RAG タンパク質は、他の酵素 (特に TDT) が DNA 切断を修復するまで、これらの接合部に残ります。

RAGタンパク質は、プレB細胞およびプレT細胞の成熟に不可欠なV(D)J組換えを開始します。活性化された成熟B細胞は、自身のDNAを操作する、RAGに依存しない他の2つの注目すべき現象、いわゆるクラススイッチ組換え（別名アイソタイプスイッチ）と体細胞超変異（別名親和性成熟）も有します。^[2]現在の研究では、RAG-1とRAG-2は相乗的に作用してVDJ組換えを活性化する必要があることが示されています。RAG-1は、単離して線維芽細胞サンプルにトランスフェクトした場合、VDJ遺伝子の組換え活動を効率的に誘導しないことが示されました。RAG-1をRAG-2と同時にトランスフェクトすると、組換え頻度が1000倍に増加しました。^[3]この発見により、RAG遺伝子はVDJ組換えを助けるだけでなく、VDJ遺伝子の組換えを直接誘導する可能性があるという新しく改訂された理論が促進されました。

多くの酵素と同様に、RAG タンパク質はかなり大きいです。たとえば、マウス RAG-1 には 1040 個のアミノ酸が含まれ、マウス RAG-2 には 527 個のアミノ酸が含まれます。RAG タンパク質の酵素活性は主にコア領域に集中しており、RAG-1 の残基 384～1008 と RAG-2 の残基 1～387 が DNA 切断活性の大部分を保持しています。RAG-1 コアには、DNA 切断の主な活性部位である DDEモチーフと呼ばれる部分に 3 つの酸性残基 (D ₆₀₀、D ₇₀₈、および E ₉₆₂ )が含まれています。これらの残基は、DNA 鎖に切れ目を入れ、DNA ヘアピンを形成するために重要です。 RAG-1 の残基 384～454 は、RSS の保存されたノナマー (9ヌクレオチド) に特異的に結合するノナマー結合領域 (NBR) を構成し、RAG-1 の中央ドメイン (アミノ酸 528～760) は RSS ヘプタマーに特異的に結合します。RAG-2 のコア領域は、RAG-1 よりもターゲットに対する特異性が低いと思われる 6 枚羽根のベータプロペラ構造を形成すると予測されます。

シナプスRAG複合体のクライオ電子顕微鏡構造は、DNA結合時に2つのRAG1-RAG2モノマー間で新しい分子間相互作用を生成する閉じた二量体構造を明らかにした。これに対し、開いた構造を構成するApo-RAG複合体は、開いた構造を構成する。 ^[4]閉じた二量体の両方のRAG1分子は、シグナル末端のヘプタマーで塩基特異的相互作用を伴う12-RSSおよび23-RSS中間体の協調的結合に関与している。シグナル末端のヘプタマーの最初の塩基は、活性中心での衝突を避けるために反転されている。ニックの入ったRSS中間体の各コーディング末端は、非特異的なタンパク質-DNA相互作用を伴う1つのRAG1-RAG2モノマーによってのみ安定化されている。コーディング末端は、活性中心のDNA二重鎖から1つの塩基が反転して大きく歪んでおり、これにより、潜在的な2金属イオン触媒メカニズムによるヘアピン形成が促進される。 12-RSS および 23-RSS 中間体は大きく曲がっており、シナプス RAG 複合体に非対称に結合しています。ノナマー結合ドメイン二量体は 12-RSS のノナマーに向かって傾いていますが、23-RSS のノナマーからは離れているため、12/23 ルールが強調されています。2 つの HMGB1 分子が 12-RSS と 23-RSS の両側に結合し、大きく曲がった RSS を安定化します。これらの構造は、DNA 認識、触媒、および 12/23 ルールの基礎となる独自のシナプシスの分子メカニズムを詳しく説明し、RAG 関連ヒト疾患に関する新たな洞察を提供し、DDE ファミリーのリコンビナーゼ、トランスポザーゼ、またはインテグラーゼの触媒経路における最も完全な複合体セットを表しています。

コア配列の相同性に基づき、RAG1はTransibスーパーファミリーのトランスポザーゼから進化したと考えられています。 ^[5] TransibファミリーのメンバーにはRAG1に見られるN末端配列が含まれないため、RAG1のN末端は別の要素に由来していると考えられます。RAG1のN末端領域は、ウミウシAplysia californicaの転移要素N-RAG-TPで発見されており、 RAG1のN末端全体が含まれています。^{[6] RAG1の完全な構造は、} TransibとN-RAG-TPトランスポゾンの組み換えから派生したと考えられます。^[7]

RAG2がRAG1の隣に配置されているトランスポゾンがムラサキウニで特定されている。^[8] RAG1とRAG2の両方を持つ活性Transibトランスポゾン（「ProtoRAG」）がB. belcheri（中国のナメクジウオ）とPsectrotarsia flava（蛾）で発見されている。 ^{[9] [10]}ナメクジウオProtoRAGの末端逆位反復（TIR）は、RSSと同様のヘプタマー-スペーサー-ノナマー構造をしているが、蛾のProtoRAGにはノナマーがない。ナメクジウオProtoRAGと動物のRAGのノナマー結合領域とノナマー配列は、お互いを認識できないほど異なっている。^[9]ナメクジウオProtoRAGの構造は解明されており（PDB：6b40 ​）、RAG遺伝子の家畜化につながる変化についてある程度理解できるようになった。^[11]

これらの遺伝子のトランスポゾン起源は十分に確立されているが、祖先のRAG1/2遺伝子座が脊椎動物ゲノムにいつ出現したかについては未だにコンセンサスが得られていない。無顎類（顎のない魚類の一種）にはコアRAG1要素がないため、RAG1は10億100万年前から5億9000万年前（MYA）に無顎類と顎口類が分岐した後に侵入したと従来考えられてきた。 ^{[12]しかし、RAG1のコア配列は}棘皮動物の Strongylocentrotus purpuratus（ムラサキウニ）、^[13]扁平魚類の Branchiostoma floridae （フロリダナメクジウオ） で特定されている。^[14] RAG1と相同性のある配列は、Lytechinus veriegatus（ミドリウニ）、Patiria minata（ヒトデ）、^[8]軟体動物のAplysia californica、^[15]およびカキ、ムール貝、リボンワーム、非二側動物の刺胞動物を含む前口動物でも特定されています。^[16]これらの発見は、Transibファミリートランスポゾンが無脊椎動物種に複数回侵入し、約5億年前に祖先の顎脊椎動物ゲノムに侵入したことを示しています。^{[8]顎のない脊椎動物と}尾索動物にRAG様遺伝子が存在しないのは^[16]、水平遺伝子伝播または従来の垂直伝播による特定の系統群での遺伝子損失によるものと仮定されています。^[13]最近の分析では、RAG系統発生は段階的かつ方向性があることが示されており、垂直伝播に依存する進化の道筋を示唆しています。^[16]この仮説は、RAG1/2のようなペアが現在の形でほとんどの後生動物の系統に存在し、無顎脊椎動​​物と尾索動物の系統では失われた可能性があることを示唆しています。^[7] V(D)J組換えシステムが脊椎動物の系統よりも早く発生したという証拠はありません。^{[7]現在、RAG1/2の侵入は、無顎類の}可変リンパ球受容体システムに対する顎口類の適応免疫システムを形成する上で最も重要な進化イベントであると仮定されています。

RAG1/2を介した免疫系が有顎動物にのみ発達し、RAG1/2を含むトランスポゾンを獲得した無脊椎動物種には発達しなかった理由は、まだ明らかではない。現在の仮説には、脊椎動物における2回のゲノム全複製イベント^[17]が適応免疫系の発達のための遺伝的原材料を提供したという説や、内皮組織の発達、代謝活動の増加、血液量と体重の比率の低下など、無脊椎動物よりも脊椎動物に特化しており、適応免疫応答を促進するという説がある。^[18]

• オメン症候群
• 重症複合免疫不全症

• Travis J (1998年11 月)。 「偶然の免疫システム: 昔、おそらく微生物由来の DNA の断片が重要な戦略を生み出した」(PDF)。サイエンス ニュース。154 ( 19): 302–303。doi :10.2307/4010948。JSTOR  4010948。 一般読者向けに組み換え活性化遺伝子について簡単に説明します。