Ген, активирующий рекомбинацию - Recombination-activating gene

ген 1, активирующий рекомбинацию
Идентификаторы
СимволRAG1
Ген NCBI5896
HGNC9831
OMIM179615
RefSeqNM_000448
UniProtP15918
Прочие данные
LocusChr. 11 p13
ген, активирующий рекомбинацию 2
Идентификаторы
СимволRAG2
Ген NCBI5897
HGNC9832
OMIM179616
RefSeqNM_000536
UniProtP55895
Прочие данные
LocusChr. 11 p13
Белок, активирующий рекомбинацию 2
Идентификаторы
СимволRAG2
PfamPF03089
ИнтерПроIPR004321
Белок, активирующий рекомбинацию 1
Идентификаторы
СимволRAG1
PfamPF12940
ИнтерПроIPR004321

В гены, активирующие рекомбинацию (RAG) кодируют части белковый комплекс который играет важную роль в перестройке и рекомбинации генов, кодирующих иммуноглобулин и Рецептор Т-клеток молекулы. Есть два гена, активирующих рекомбинацию. RAG1 и RAG2, чья клеточная экспрессия ограничена лимфоциты на стадиях их развития. Ферменты, кодируемые этими генами, RAG-1 и RAG-2, необходимы для образования зрелых В-клетки и Т-клетки, два типа лимфоцитов, которые являются важными компонентами адаптивная иммунная система.[1]

Функция

В иммунной системе позвоночных каждое антитело настроено для атаки на один конкретный антиген (чужеродные белки и углеводы), не повреждая сам организм. В геноме человека содержится не более 30 000 генов, но при этом он генерирует миллионы различных антител, что позволяет ему реагировать на вторжение миллионов различных антигенов. Иммунная система генерирует это разнообразие антител путем перетасовки, разрезания и рекомбинации нескольких сотен генов (генов VDJ) для создания миллионов пермутаций в процессе, называемом V (D) J рекомбинация.[1] RAG-1 и RAG-2 представляют собой белки на концах генов VDJ, которые разделяют, перетасовывают и воссоединяются с генами VDJ. Это перетасовка происходит внутри В-клеток и Т-клеток во время их созревания.

Ферменты RAG работают как мульти-субъединичный комплекс, индуцируя расщепление одноцепочечного ДНК (дцДНК) между антиген рецептор кодирующий сегмент и фланкинг сигнальная последовательность рекомбинации (RSS). Они делают это в два этапа. Первоначально они вводят "зарубку" в 5 '(вышестоящий) конец RSS-гептамера (консервативная область из 7 нуклеотидов), которая примыкает к кодирующей последовательности, оставляя после себя специфическую биохимическую структуру в этой области ДНК: 3' -гидроксил (OH) группа на кодирующем конце и 5'-фосфат (PO4) в конце RSS. На следующем этапе эти химические группы соединяются, связывая ОН-группу (на кодирующем конце) с PO4-группа (которая находится между RSS и сегментом гена на противоположной цепи). Это дает 5'-фосфорилированный двухцепочечный разрыв на RSS и ковалентно закрытая шпилька на кодирующем конце. Белки RAG остаются в этих соединениях до тех пор, пока другие ферменты (особенно TDT) не восстановят разрывы ДНК.

Белки RAG инициируют рекомбинацию V (D) J, которая необходима для созревания пре-В и пре-Т-клеток. Активированные зрелые В-клетки также обладают двумя другими замечательными, независимыми от RAG феноменами манипулирования своей собственной ДНК: так называемой рекомбинацией с переключением классов (переключение изотипа AKA) и соматической гипермутацией (созревание аффинности AKA).[2] Текущие исследования показали, что RAG-1 и RAG-2 должны работать синергетически, чтобы активировать VDJ рекомбинация. Было показано, что RAG-1 неэффективно индуцирует рекомбинационную активность генов VDJ при выделении и трансфекции в образцы фибробластов. Когда RAG-1 котрансфицировали с RAG-2, частота рекомбинации увеличивалась в 1000 раз.[3] Это открытие способствовало пересмотренной теории о том, что гены RAG могут не только способствовать рекомбинации VDJ, но, скорее, непосредственно индуцировать рекомбинации генов VDJ.

Структура

Как и многие ферменты, белки RAG довольно большие. Например, мышь РАГ-1 содержит 1040 аминокислоты а RAG-2 мыши содержит 527 аминокислот. Ферментативная активность белков RAG сосредоточена в основном в центральной области; Остатки 384–1008 RAG-1 и остатки 1–387 RAG-2 сохраняют большую часть активности расщепления ДНК. Ядро РАГ-1 содержит три кислый остатки (D600, D708, а E962) в так называемом DDE мотив, главный активный сайт расщепления ДНК. Эти остатки имеют решающее значение для разрезания нити ДНК и для образования шпильки ДНК. Остатки 384–454 RAG-1 содержат неамер-связывающую область (NBR), которая специфически связывает консервативный нономер (9 нуклеотиды ) RSS и центральный домен (аминокислоты 528-760) RAG-1 специфически связывается с гептамером RSS. Предполагается, что центральная часть RAG-2 будет образовывать шестилопастную бета-винт структура, которая кажется менее специфичной, чем RAG-1 для своей цели.

Крио-электронная микроскопия структуры синаптических комплексов RAG обнаруживают закрытую димерную конформацию с генерацией новых межмолекулярных взаимодействий между двумя мономерами RAG1-RAG2 при связывании ДНК, по сравнению с комплексом Apo-RAG, который представляет собой открытую конформацию.[4] Обе молекулы RAG1 в замкнутом димере участвуют в кооперативном связывании промежуточных продуктов 12-RSS и 23-RSS с основно-специфическими взаимодействиями в гептамере сигнального конца. Первое основание гептамера на сигнальном конце перевернуто, чтобы избежать столкновения в активном центре. Каждый кодирующий конец промежуточного звена с разрывом RSS стабилизируется исключительно одним мономером RAG1-RAG2 с неспецифическими взаимодействиями белок-ДНК. Кодирующий конец сильно искажен с одним основанием, оторванным от дуплекса ДНК в активном центре, что облегчает образование шпильки за счет потенциального каталитического механизма с двумя ионами металлов. Промежуточные продукты 12-RSS и 23-RSS сильно изогнуты и асимметрично связаны с синаптическим RAG-комплексом, при этом димер неамерного связывающего домена наклоняется в сторону нонамера 12-RSS, но от нонамера 23-RSS, что подчеркивает 12 / 23 правило. Две молекулы HMGB1 связываются с каждой стороны 12-RSS и 23-RSS, чтобы стабилизировать сильно изогнутые RSS. Эти структуры разрабатывают молекулярные механизмы для распознавания ДНК, катализа и уникальный синапс, лежащий в основе правила 12/23, обеспечивают новое понимание связанных с RAG заболеваний человека и представляют собой наиболее полный набор комплексов в каталитических путях любых рекомбиназ семейства DDE. , транспозазы или интегразы.

Эволюция

Основываясь на гомологии ядерных последовательностей, считается, что RAG1 произошел от транспозаза от Transib надсемейство.[5] Транспозон с RAG2, расположенный рядом с RAG1, позже идентифицируется у пурпурного морского ежа.[6] Активный Transib транспозоны с RAG1 и RAG2 («ProtoRAG») были обнаружены в Б. белчери (Китайский ланцетник) и Псектротарсия желтая (моль).[7][8] Конечные инвертированные повторы (TIR) ​​в ланцетном ProtoRAG имеют структуру гептамер-спейсер-нонамер, аналогичную структуре RSS, но у моли ProtoRAG отсутствует нонамер. Неамер-связывающие области и неамерные последовательности ланцетного ProtoRAG и RAG животного достаточно различаются, чтобы не узнавать друг друга.[7] Структура ланцета protoRAG решена (PDB: 6b40), Что дает некоторое представление о том, какие изменения приводят к одомашниванию генов RAG.[9]

Хотя происхождение транспозонов этих генов хорошо установлено, до сих пор нет единого мнения о том, когда предковый локус RAG1 / 2 стал присутствовать в геноме позвоночных. Потому что агнатаны (класс бесчелюстных рыб) не имеют основного элемента RAG1, традиционно считалось, что RAG1 вторгся после agnathan /гнатом раскол 1001-590 миллионов лет назад (MYA).[10] Однако основная последовательность RAG1 была идентифицирована в иглокожие Стронгилоцентротус пурпуратус (пурпурный морской еж),[11] то амфиокси Branchiostoma floridae (Флоридский ланцетник).[12] Последовательности, гомологичные RAG1, также были идентифицированы в Lytechinus veriegatus (зеленый морской еж), Патирия мината (морская звезда),[6] и моллюск Аплизия калифорнийская.[13] Эти данные показывают, что Transib транспозон семейства вторгался несколько раз у видов беспозвоночных и вторгался в геном предковых челюстных позвоночных примерно на 500 млн лет назад.[6] В настоящее время предполагается, что вторжение RAG1 / 2 является наиболее важным эволюционным событием с точки зрения формирования гнатостома. адаптивная иммунная система против агнатана вариабельный рецептор лимфоцитов система.

Селективное давление

До сих пор неясно, какие силы привели к развитию RAG1 / 2-опосредованной иммунной системы исключительно у челюстных позвоночных, а не у каких-либо беспозвоночных, которые также приобрели RAG1 / 2-содержащий транспозон. Текущие гипотезы включают в себя два случая дупликации всего генома у позвоночных,[14] которые обеспечили бы генетическое сырье для развития адаптивной иммунной системы и развития эндотелиальной ткани, большей метаболической активности и уменьшенного отношения объема крови к массе тела, все из которых более специализированы у позвоночных, чем у беспозвоночных и облегчить адаптивные иммунные ответы.[15]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Джонс Дж. М., Геллерт М. (август 2004 г.). «Укрощение транспозона: рекомбинация V (D) J и иммунная система». Иммунологические обзоры. 200: 233–48. Дои:10.1111 / j.0105-2896.2004.00168.x. PMID  15242409. S2CID  12080467.
  2. ^ Нотаранджело Л.Д., Ким М.С., Уолтер Дж. Э., Ли Ю. Н. (март 2016 г.). «Мутации RAG человека: биохимия и клинические последствия». Обзоры природы. Иммунология. 16 (4): 234–46. Дои:10.1038 / нет.2016.28. ЧВК  5757527. PMID  26996199.
  3. ^ Эттингер М.А., Шац Д.Г., Горка С., Балтимор Д. (июнь 1990 г.). «RAG-1 и RAG-2, соседние гены, которые синергетически активируют рекомбинацию V (D) J». Наука. 248 (4962): 1517–23. Дои:10.1126 / science.2360047. PMID  2360047.
  4. ^ Ru H, Chambers MG, Fu TM, Tong AB, Liao M, Wu H (ноябрь 2015 г.). «Молекулярный механизм рекомбинации V (D) J из синаптических комплексных структур RAG1-RAG2». Клетка. 163 (5): 1138–1152. Дои:10.1016 / j.cell.2015.10.055. ЧВК  4690471. PMID  26548953.
  5. ^ Капитонов В.В., Юрка Дж. (Июнь 2005 г.). «Ядро RAG1 и сигнальные последовательности рекомбинации V (D) J были получены из транспозонов Transib». PLOS Биология. 3 (6): e181. Дои:10.1371 / journal.pbio.0030181. ЧВК  1131882. PMID  15898832.
  6. ^ а б c Капитонов В.В., Кунин Е.В. (28.04.2015). «Эволюция локуса RAG1-RAG2: оба белка произошли от одного транспозона». Биология Директ. 10 (1): 20. Дои:10.1186 / s13062-015-0055-8. ЧВК  4411706. PMID  25928409.
  7. ^ а б Хуанг С., Тао Х, Юань С., Чжан И, Ли П, Бейлинсон Х.А., Чжан И, Ю В, Понтаротти П., Эскрива Х, Ле Петийон И, Лю Х, Чен С., Шац Д. Г., Сюй А. (июнь 2016 г.). «Открытие активного транспозона RAG проливает свет на истоки рекомбинации V (D) J». Клетка. 166 (1): 102–14. Дои:10.1016 / j.cell.2016.05.032. ЧВК  5017859. PMID  27293192.
  8. ^ Моралес Пул-младший, Хуанг С.Ф., Сюй А., Байет Дж., Понтаротти П. (июнь 2017 г.). «Транспозон RAG активен в процессе развития дейтеростома и одомашнивается у челюстных позвоночных». Иммуногенетика. 69 (6): 391–400. bioRxiv  10.1101/100735. Дои:10.1007 / s00251-017-0979-5. PMID  28451741. S2CID  11192471.
  9. ^ Чжан Ю., Ченг Т.С., Хуанг Дж., Лу Кью, Сурлек, доктор медицины, Манделл Д.Д., Понтаротти П., Петреску А.Дж., Сюй А., Сюн Ю., Шац Д.Г. (май 2019 г.). «Молекулярное одомашнивание транспозонов и эволюция рекомбиназы RAG». Природа. 569 (7754): 79–84. Дои:10.1038 / s41586-019-1093-7. ЧВК  6494689. PMID  30971819.
  10. ^ Kasahara M, Suzuki T, Pasquier LD (февраль 2004 г.). «О происхождении адаптивной иммунной системы: новые открытия от беспозвоночных и хладнокровных позвоночных». Тенденции в иммунологии. 25 (2): 105–11. Дои:10.1016 / j.it.2003.11.005. PMID  15102370.
  11. ^ Fugmann SD, Messier C, Novack LA, Cameron RA, Rast JP (март 2006 г.). «Древнее эволюционное происхождение локуса гена Rag1 / 2». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 103 (10): 3728–33. Дои:10.1073 / Пнас.0509720103. ЧВК  1450146. PMID  16505374.
  12. ^ Холланд Л.З., Альбалат Р., Азуми К., Бенито-Гутьеррес Э., Блоу М.Дж., Броннер-Фрейзер М. и др. (Июль 2008 г.). «Геном амфиоксуса проливает свет на происхождение позвоночных и биологию головнохордовых». Геномные исследования. 18 (7): 1100–11. Дои:10.1101 / гр.073676.107. ЧВК  2493399. PMID  18562680.
  13. ^ Панчин Ю., Мороз Л.Л. (май 2008 г.). «Мобильные элементы моллюсков, похожие на гены, активирующие рекомбинацию позвоночных». Сообщения о биохимических и биофизических исследованиях. 369 (3): 818–23. Дои:10.1016 / j.bbrc.2008.02.097. ЧВК  2719772. PMID  18313399.
  14. ^ Kasahara M (октябрь 2007 г.). «Гипотеза 2R: обновление». Текущее мнение в иммунологии. Гибель гемопоэтических клеток / Иммуногенетика / Трансплантация. 19 (5): 547–52. Дои:10.1016 / j.coi.2007.07.009. PMID  17707623.
  15. ^ ван Никерк Г., Дэвис Т., Энгельбрехт А.М. (04.09.2015). «Был ли эндотелием вымощен эволюционный путь к адаптивному иммунитету?». Биология Директ. 10 (1): 47. Дои:10.1186 / s13062-015-0079-0. ЧВК  4560925. PMID  26341882.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка