V(D)J組み換え

V(D)J 組み換え(可変多様性結合再編成) は、T 細胞および B 細胞の成熟の初期段階にある発達中のリンパ球でのみ発生する体細胞組み換えのメカニズムです。その結果、 B 細胞とT 細胞にそれぞれ見られる抗体/免疫グロブリンとT 細胞受容体(TCR)の非常に多様なレパートリーが生まれます。このプロセスは、適応免疫システムの特徴的なものです。

哺乳類の V(D)J 組み換えは、主要なリンパ器官 ( B 細胞の場合は骨髄、T 細胞の場合は胸腺) で発生し、ほぼランダムに可変 (V)、結合 (J)、および場合によっては多様性 (D) 遺伝子セグメントを再配置します。このプロセスにより、最終的に免疫グロブリンおよび TCR の抗原結合領域に新しいアミノ酸配列が生成され、細菌、ウイルス、寄生虫、および虫を含むほぼすべての病原体、ならびに癌で見られる「変化した自己細胞」の抗原を認識できるようになります。認識は、本質的にアレルギー性である場合 (例:花粉またはその他のアレルゲン) や、宿主組織と一致して自己免疫を引き起こす場合もあります。

1987年、利根川進は「抗体の多様性を生み出す遺伝原理の発見」によりノーベル生理学・医学賞を受賞した。 ^[1]

ヒトの抗体分子（B細胞受容体を含む）は重鎖と軽鎖で構成されており、それぞれの重鎖には定常領域（C）と可変領域（V）の両方が含まれており、遺伝的には3つの遺伝子座にコード化されています。

• 14番染色体上の免疫グロブリン重鎖遺伝子座（IGH@ ）。免疫グロブリン重鎖の遺伝子セグメントが含まれています。
• 2番染色体上の免疫グロブリンκ（κ）遺伝子座（IGK@ ）には、免疫グロブリン軽鎖の1つのタイプ（κ）の遺伝子セグメントが含まれています。
• 22番染色体上の免疫グロブリンラムダ（λ）遺伝子座（IGL@）。別のタイプ（λ）の免疫グロブリン軽鎖の遺伝子セグメントが含まれています。

各重鎖または軽鎖遺伝子には、抗体タンパク質の可変領域用の3つの異なるタイプの遺伝子セグメントの複数のコピーが含まれています。たとえば、ヒト免疫グロブリン重鎖領域には、2つの定常（CμおよびCδ）遺伝子セグメントと44の可変（V）遺伝子セグメント、さらに27の多様性（D）遺伝子セグメントと6つの結合（J）遺伝子セグメントが含まれています。^[2] 軽鎖遺伝子は、多数のVおよびJ遺伝子セグメントを含む1つ（Cκ）または4つ（Cλ）の定常遺伝子セグメントを持ちますが、D遺伝子セグメントはありません。^[3] DNA再編成により、任意のリンパ球に各タイプの遺伝子セグメントの1つのコピーが入り、膨大な抗体レパートリーが生成されます。約3×10 ¹¹の組み合わせが可能ですが、自己反応性のためにいくつかは除去されます。

ほとんどのT 細胞受容体は、可変アルファ鎖とベータ鎖で構成されています。T 細胞受容体遺伝子は、ベータ鎖に複数の V、D、J 遺伝子セグメント (およびアルファ鎖に V および J 遺伝子セグメント) を含むという点で免疫グロブリン遺伝子に似ています。これらの遺伝子セグメントは、リンパ球の発達中に再配置され、その細胞に固有の抗原受容体を提供します。この意味での T 細胞受容体は、抗体の抗原結合フラグメントと位相的に同等であり、どちらも免疫グロブリン スーパーファミリーの一部です。

自己免疫反応は、自己反応する細胞を排除することで防止されます。これは、胸腺で、自己免疫調節因子(AIRE) の機能によって発現される一連の自己抗原に対して細胞をテストすることによって発生します。免疫グロブリン ラムダ軽鎖遺伝子座には、再配置によって失われる可能性のあるタンパク質コード遺伝子が含まれています。これは生理学的メカニズムに基づいており、白血病やリンパ腫の病原性はありません。細胞は、自己反応しない成功した産物を生成すると存続しますが、そうでない場合はアポトーシスによって除去されます。

発達中のB 細胞では、最初に起こる組み換えイベントは、重鎖遺伝子座の 1 つの D 遺伝子セグメントと 1 つの J 遺伝子セグメントの間で起こります。これら 2 つの遺伝子セグメント間の DNA はすべて削除されます。この DJ 組み換えに続いて、新しく形成された DJ 複合体の上流領域から 1 つの V 遺伝子セグメントが結合し、再編成された VDJ 遺伝子セグメントが形成されます。これで、V セグメントと D セグメント間の他のすべての遺伝子セグメントが細胞のゲノムから削除されます。重鎖の VDJ 領域と定常ミュー鎖と定常デルタ鎖 (C _μと C _{δ ) の両方を含む一次転写 (スプライスされていない RNA) が生成されます (つまり、一次転写にはセグメント VDJC μ} -C _δが含まれます)。一次 RNA は処理されて、C _{μ鎖の後に}ポリアデニル化(ポリ A) テールが追加され、VDJ セグメントとこの定常遺伝子セグメント間のシーケンスが削除されます。この mRNA が翻訳されると、 IgM重鎖タンパク質 が生成されます。

免疫グロブリン軽鎖遺伝子座のカッパ (κ) 鎖とラムダ (λ) 鎖は、軽鎖に D セグメントがない点を除いて、非常によく似た方法で再配置されます。言い換えると、軽鎖の組み換えの最初のステップでは、一次転写中に定常鎖遺伝子が追加される前に、V 鎖と J 鎖が結合して VJ 複合体が形成されます。カッパ鎖またはラムダ鎖のいずれかのスプライスされた mRNA が翻訳されると、Ig κ または Ig λ 軽鎖タンパク質が形成されます。

Ig μ 重鎖と軽鎖の 1 つが組み立てられると、未熟な B 細胞の表面に発現する膜結合型の免疫グロブリン IgM が形成されます。

胸腺細胞の発達中、T細胞受容体（TCR）鎖は、免疫グロブリンの場合と基本的に同じ順序で組み換えイベントのシーケンスを経る。DからJへの組み換えは、最初にTCRのβ鎖で起こる。このプロセスには、D _{β 1 遺伝子セグメントが6つのJ β} 1 セグメントの1つに結合するか、D _{β 2 遺伝子セグメントが6つのJ β} 2 セグメントの1つに結合することが含まれる。 ^[3] DJ組み換えの後に（上記のように）V _βからD _βへのJ _{βの再配置が続く。新しく形成された複合体内のV β} -D _β -J _β遺伝子セグメント間のすべての遺伝子セグメントが削除され、定常ドメイン遺伝子（V _β -D _β -J _β -C _β）を組み込んだ一次転写が合成される。mRNA転写によって介在配列が除去され、TCR β鎖の完全長タンパク質の翻訳が可能になる。

TCR のアルファ (α) 鎖の再配列は β 鎖の再配列に続き、Ig 軽鎖で説明した V から J への再配列に似ています (上記参照)。β 鎖と α 鎖の組み立てにより、T 細胞の大部分で発現する αβ-TCR が形成されます。

V(D)J組み換えのプロセスは、多様な酵素の集合体であるVDJリコンビナーゼによって媒介されます。関与する主要な酵素は、組み換え活性化遺伝子1および2 (RAG)、末端デオキシヌクレオチド転移酵素( TdT) 、およびDNA修復のための普遍的な非相同末端結合(NHEJ) 経路のメンバーであるアルテミスヌクレアーゼです。 ^[4]このプロセスに関与することが知られている他の酵素には、DNA依存性タンパク質キナーゼ(DNA-PK)、 X線修復相互補完タンパク質4 (XRCC4)、DNAリガーゼIV、非相同末端結合因子1 (NHEJ1、CernunnosまたはXRCC4様因子[XLF]としても知られる)、最近発見されたXRCC4とXLFのパラログ (PAXX)、DNAポリメラーゼλおよびμなどがあります。^[5]関与する酵素の中にはリンパ球に特異的なもの（例：RAG、TdT）もあれば、他の細胞型や普遍的に見られるもの（例：NHEJ成分）もある。

組み換えの特異性を維持するために、V(D)J リコンビナーゼは、可変 (V)、多様性 (D)、および結合 (J) 遺伝子セグメントの両側にある組み換えシグナル配列(RSS) を認識して結合します。RSS は、7 つの保存されたヌクレオチドのヘプタマー、長さが 12 または 23 塩基対のスペーサー領域、および 9 つの保存されたヌクレオチドのノナマーの 3 つの要素で構成されます。ほとんどの RSS は配列が異なりますが、コンセンサス ヘプタマーとノナマーの配列はそれぞれ CACAGTG と ACAAAAACC です。スペーサー領域の配列はあまり保存されていませんが、長さは高度に保存されています。^{[6] [7]}スペーサー領域の長さは、DNA ヘリックスの約 1 回転 (12 塩基対) または 2 回転 (23 塩基対) に相当します。 12/23ルールとして知られる規則に従い、組み換えられる遺伝子セグメントは通常、異なるスペーサー長のRSSに隣接しています（つまり、1つは「12RSS」を持ち、もう1つは「23RSS」を持ちます）。^[8]これは、V（D）J組み換えの調節において重要な特徴です。^[9]

V(D)J組換えは、V(D)Jリコンビナーゼが（RAG1の活性を介して）コーディング遺伝子セグメント（V、D、またはJ）の両側にあるRSSに結合し、RSSの最初の塩基（ヘプタマーの直前）とコーディングセグメントの間のDNAに1本鎖の切れ目を作るときに始まります。これは本質的にエネルギー的に中性であり（ATP加水分解の必要がない）、同じ鎖に遊離の3'ヒドロキシル基と5'リン酸基が形成されます。反応性ヒドロキシル基は、リコンビナーゼによって反対側の鎖のホスホジエステル結合を攻撃するように配置され、2つのDNA末端、すなわちコーディングセグメント上のヘアピン（ステムループ）とシグナルセグメント上の平滑末端を形成します。 ^{[10]現在のモデルでは、DNAの切れ目とヘアピン形成は、}組換え中心と呼ばれる複合体内で両方の鎖で同時に（またはほぼ同時に）発生します。^{[11] [12] [13] [14]}

平滑末端のシグナルは、シグナルジョイントと呼ばれるコードセグメント間の介在配列をすべて含む環状DNA片を形成するために連結される（環状ではあるが、プラスミドと混同しないように） 。シグナルジョイントは当初、連続的な細胞分裂中に失われると考えられていたが、シグナルジョイントがゲノムに再び入り込み、がん遺伝子を活性化したり、腫瘍抑制遺伝子の機能を阻害したりして病理を引き起こす可能性があるという証拠がある[Ref]。

コーディング末端は、連結前にいくつかのイベントによってさらに処理され、最終的にジャンクションの多様性につながります。^[15]処理は、DNA-PKが各破損したDNA末端に結合し、Artemis、XRCC4、DNAリガーゼIV、Cernunnos、およびいくつかのDNAポリメラーゼを含むいくつかの他のタンパク質をリクルートするときに始まります。 ^[16] DNA-PKは複合体を形成し、自己リン酸化を引き起こし、Artemisの活性化をもたらします。コーディング末端のヘアピンは、Artemisの活動によって開きます。^[17]中央でヘアピンが開くと、平滑末端になりますが、多くの場合、ヘアピンの開きは「中心から外れて」おり、1つの鎖に余分な塩基が残ります（オーバーハング）。これらは、DNA修復酵素がオーバーハングを解決したときに生成されるシーケンスの回文性のため、回文（P）ヌクレオチドとして知られています。 ^[18]アルテミスによるヘアピン開口のプロセスはV(D)J組換えの重要なステップであり、重症複合免疫不全症（SCID）マウスモデルでは欠陥がある。

次に、XRCC4、Cernunnos、DNA-PKがDNA末端を整列させ、テンプレートに依存しないDNAポリメラーゼである末端デオキシヌクレオチド転移酵素（TdT）をリクルートし、コード末端に非テンプレート（N）ヌクレオチドを追加します。追加はほとんどランダムですが、TdTはG/Cヌクレオチドを優先します。^[19]既知のすべてのDNAポリメラーゼと同様に、TdTは5'から3'方向に1つの鎖にヌクレオチドを追加します。^[20]

最後に、エキソヌクレアーゼはコーディング末端から塩基を除去する（形成された可能性のあるPまたはNヌクレオチドを含む）。DNAポリメラーゼλとμは、必要に応じて追加のヌクレオチドを挿入し、2つの末端を結合に適したものにする。これは確率的プロセスであるため、PおよびNヌクレオチドの追加とエキソヌクレアーゼによる除去の任意の組み合わせが発生する可能性がある（またはまったく発生しない）。最後に、処理されたコーディング末端はDNAリガーゼIVによって連結される。^[21]

これらすべての処理イベントの結果、同じ遺伝子セグメントが組み換えられた場合でも、非常に可変性の高いパラトープが生成されます。V(D)J 組み換えにより、生物もその祖先も以前に遭遇する必要のない抗原に対する免疫グロブリンと T 細胞受容体の生成が可能になり、発生する新しい病原体や頻繁に変化する病原体 (例:季節性インフルエンザ) に対する適応免疫応答が可能になります。ただし、このプロセスの主な注意点は、最終的なタンパク質生成物の正しいアミノ酸配列を維持するために、DNA 配列がフレーム内に収まっていなければならないことです。結果として得られる配列がフレーム外の場合、細胞の発生は停止し、細胞は成熟まで生存しません。したがって、V(D)J 組み換えは、厳密に規制および制御される必要がある (そして実際にそうである) 非常にコストのかかるプロセスです。

• B細胞受容体
• T細胞受容体
• バーゼル免疫学研究所
• チャールズ・M・スタインバーグ
• NKT細胞
• 組み換え活性化遺伝子

• Hartwell LH、Hood L、Goldberg ML、Reynolds AE、Silver LM、Veres RC (2000)。第24章「分子レベルでの進化」。In: Genetics。ニューヨーク: McGraw-Hill。pp. 805–807。ISBN 978-0-07-299587-9。
• V(D)J 組換え。シリーズ: 実験医学と生物学の進歩、第 650 巻 Ferrier、Pierre (編) Landes Bioscience 2009、XII、199 ページ。ISBN 978-1-4419-0295-5