Gen aktivující rekombinaci - Recombination-activating gene

gen aktivující rekombinaci 1
Identifikátory
SymbolRAG1
Gen NCBI5896
HGNC9831
OMIM179615
RefSeqNM_000448
UniProtP15918
Další údaje
MístoChr. 11 p13
gen aktivující rekombinaci 2
Identifikátory
SymbolRAG2
Gen NCBI5897
HGNC9832
OMIM179616
RefSeqNM_000536
UniProtP55895
Další údaje
MístoChr. 11 p13
Protein aktivující rekombinaci 2
Identifikátory
SymbolRAG2
PfamPF03089
InterProIPR004321
Rekombinace aktivující protein 1
Identifikátory
SymbolRAG1
PfamPF12940
InterProIPR004321

The geny aktivující rekombinaci (RAG) kódují části a proteinový komplex který hraje důležitou roli při přeskupení a rekombinaci kódujících genů imunoglobulin a Receptor T buněk molekuly. Existují dva geny aktivující rekombinaci RAG1 a RAG2, jehož buněčná exprese je omezena na lymfocyty během jejich vývojových stádií. Enzymy kódované těmito geny, RAG-1 a RAG-2, jsou nezbytné pro generování dospělých B buňky a T buňky, dva typy lymfocytů, které jsou rozhodujícími složkami adaptivní imunitní systém.[1]

Funkce

V imunitním systému obratlovců je každá protilátka přizpůsobena tak, aby útočila na jednoho konkrétního antigen (cizí bílkoviny a sacharidy) bez napadení samotného těla. Lidský genom má nanejvýš 30 000 genů, a přesto generuje miliony různých protilátek, což mu umožňuje reagovat na invazi z milionů různých antigenů. Imunitní systém generuje tuto rozmanitost protilátek mícháním, řezáním a rekombinací několika stovek genů (geny VDJ), aby vytvořil miliony permutací, v procesu zvaném V (D) J rekombinace.[1] RAG-1 a RAG-2 jsou proteiny na koncích genů VDJ, které oddělují, zaměňují a znovu spojují geny VDJ. Toto míchání probíhá uvnitř B buněk a T buněk během jejich zrání.

Enzymy RAG fungují jako komplex více podjednotek k indukci štěpení jednoho dvouvlákna DNA (dsDNA) molekula mezi antigen receptor kódující segment a lemování sekvence signálního signálu (RSS). Dělají to ve dvou krocích. Zpočátku zavádějí „nick“ na 5 '(upstream) konci heptameru RSS (konzervovaná oblast 7 nukleotidů), který sousedí s kódující sekvencí a zanechává na této oblasti DNA specifickou biochemickou strukturu: a 3' -hydroxyl (OH) skupina na konci kódování a 5'-fosfát (PO4) skupina na konci RSS. Další krok spojuje tyto chemické skupiny a váže skupinu OH (na kódujícím konci) k PO4-skupina (která sedí mezi RSS a genovým segmentem na opačném řetězci). Tím se vytvoří 5'-fosforylovaný dvouvláknový zlom na RSS a a kovalentně uzavřená vlásenka na konci kódování. Proteiny RAG zůstávají na těchto spojích, dokud jiné enzymy (zejména TDT) neopraví DNA.

Proteiny RAG iniciují V (D) J rekombinaci, která je nezbytná pro zrání pre-B a pre-T buněk. Aktivované zralé B buňky mají také dva další pozoruhodné fenomény manipulace s vlastní DNA nezávislé na RAG: takzvanou rekombinaci třídního přepínače (přepínání izotypů AKA) a somatickou hypermutaci (zrání AKA afinity).[2] Současné studie ukázaly, že aktivace RAG-1 a RAG-2 musí probíhat synergicky VDJ rekombinace. Ukázalo se, že RAG-1 neefektivně indukuje rekombinační aktivitu genů VDJ, když jsou izolovány a transfektovány do vzorků fibroblastů. Když byla RAG-1 kotransfekována s RAG-2, frekvence rekombinace se zvýšila 1000krát.[3] Toto zjištění podpořilo nově revidovanou teorii, že geny RAG mohou nejen pomáhat při rekombinaci VDJ, ale spíše přímo indukovat rekombinace genů VDJ.

Struktura

Stejně jako u mnoha enzymů jsou proteiny RAG poměrně velké. Například myš RAG-1 obsahuje 1040 aminokyseliny a myší RAG-2 obsahuje 527 aminokyselin. Enzymatická aktivita proteinů RAG je soustředěna převážně v oblasti jádra; Zbytky 384–1008 RAG-1 a zbytky 1–387 RAG-2 si zachovávají většinu aktivity štěpení DNA. Jádro RAG-1 obsahuje tři kyselé zbytky (D600, D708a E.962) v tom, co se nazývá DDE motiv, hlavní aktivní místo pro štěpení DNA. Tyto zbytky jsou rozhodující pro prořezání řetězce DNA a pro vytvoření vlásenky DNA. Zbytky 384–454 RAG-1 obsahují nonamer-vazebnou oblast (NBR), která se specificky váže na konzervovaný nonomer (9 nukleotidy ) RSS a centrální doména (aminokyseliny 528–760) RAG-1 se specificky váže na heptamer RSS. Předpokládá se, že oblast jádra RAG-2 bude tvořit šest čepelí beta-vrtule struktura, která je pro svůj cíl méně specifická než RAG-1.

Kryoelektronová mikroskopie struktury synaptických komplexů RAG odhalují uzavřenou dimerní konformaci s generováním nových intermolekulárních interakcí mezi dvěma monomery RAG1-RAG2 po navázání DNA ve srovnání s komplexem Apo-RAG, který představuje otevřenou konformaci.[4] Obě molekuly RAG1 v uzavřeném dimeru jsou zapojeny do kooperativní vazby meziproduktů 12-RSS a 23-RSS s bázově specifickými interakcemi v heptameru signálního konce. První základna heptameru na konci signálu je vyklopena, aby se zabránilo střetu v aktivním středu. Každý kódující konec meziproduktu s vloženým RSS je stabilizován výhradně jedním monomerem RAG1-RAG2 s nespecifickými interakcemi protein-DNA. Konec kódování je vysoce zkreslený, přičemž jedna báze je vyklopena z duplexu DNA v aktivním centru, což usnadňuje tvorbu vlásenky potenciálním katalytickým mechanismem iontů dvou kovů. Meziprodukty 12-RSS a 23-RSS jsou vysoce ohnuté a asymetricky navázané na synaptický RAG komplex s nonamer vazebnou doménou dimer se naklání směrem k nonameru 12-RSS, ale od nonameru 23-RSS, což zdůrazňuje 12 / 23 pravidlo. Dvě molekuly HMGB1 se vážou na každou stranu 12-RSS a 23-RSS, aby stabilizovaly vysoce ohnuté RSS. Tyto struktury rozvíjejí molekulární mechanismy pro rozpoznávání DNA, katalýzu a jedinečnou synapsi, která je základem pravidla 12/23, poskytují nový pohled na lidské nemoci spojené s RAG a představují nejkompletnější sadu komplexů v katalytických drahách jakékoli rekombinázy rodiny DDE. , transpozázy nebo integrázy.

Vývoj

Na základě homologie základní sekvence se předpokládá, že RAG1 se vyvinul z a transposáza z Transib nadčeleď.[5] Transposon s RAG2 uspořádaný vedle RAG1 je později identifikován ve fialovém mořském ježkovi.[6] Aktivní Transib transpozony s oběma RAG1 a RAG2 ("ProtoRAG") byly objeveny v B. belcheri (Čínská kopí) a Psectrotarsia flava (můra).[7][8] Koncové invertované repetice (TIR) ​​v lancetu ProtoRAG mají strukturu heptamer-spacer-nonamer podobnou struktuře RSS, ale můra ProtoRAG postrádá nonamer. Nonamer-vazebné oblasti a nonamer sekvence lancetu ProtoRAG a zvířecího RAG jsou dostatečně odlišné, aby se navzájem nerozpoznaly.[7] Struktura lancet protoRAG byla vyřešena (PDB: 6b40), Poskytující určité znalosti o tom, jaké změny vedou k domestikaci genů RAG.[9]

Ačkoli jsou počátky transpozonů těchto genů dobře zavedené, stále neexistuje shoda ohledně toho, kdy se v genomu obratlovců stal přítomný lokus RAG1 / 2 předků. Protože agnathany (třída ryb bez čelistí) postrádají základní prvek RAG1, tradičně se předpokládalo, že RAG1 napadl po agnathanovi /gnathostome rozdělena před 1001 až 590 miliony let (MYA).[10] Základní sekvence RAG1 však byla identifikována v echinoderm Strongylocentrotus purpuratus (fialový mořský ježek),[11] the amphioxi Branchiostoma floridae (Florida kopí).[12] Sekvence s homologií k RAG1 byly také identifikovány v Lytechinus veriegatus (zelený mořský ježek), Patiria minata (mořská hvězda),[6] a měkkýš Aplysia californica.[13] Tato zjištění naznačují, že Transib rodinný transpozon napadl několikrát u druhů bez obratlovců a napadl genom obratlovců čelistí předků asi 500 MYA.[6] V současné době se předpokládá, že invaze RAG1 / 2 je nejdůležitější evoluční událostí z hlediska formování gnathostome adaptivní imunitní systém vs. agnathan variabilní lymfocytární receptor Systém.

Selektivní tlak

Stále není jasné, jaké síly vedly k vývoji imunitního systému zprostředkovaného RAG1 / 2 výhradně u čelistních obratlovců, a nikoli u žádného bezobratlého druhu, který také získal transpozon obsahující RAG1 / 2. Současné hypotézy zahrnují dva případy duplikace celého genomu u obratlovců,[14] které by poskytly genetickou surovinu pro vývoj adaptivního imunitního systému a vývoj endoteliální tkáně, větší metabolickou aktivitu a snížený poměr objemu krve k tělesné hmotnosti, které jsou všechny více specializovány na obratlovce než na bezobratlé a usnadňují adaptivní imunitní reakce.[15]

Viz také

Reference

  1. ^ A b Jones JM, Gellert M (srpen 2004). „Zkrocení transpozonu: rekombinace V (D) J a imunitní systém“. Imunologické recenze. 200: 233–48. doi:10.1111 / j.0105-2896.2004.00168.x. PMID  15242409. S2CID  12080467.
  2. ^ Notarangelo LD, Kim MS, Walter JE, Lee YN (březen 2016). „Lidské mutace RAG: biochemie a klinické důsledky“. Recenze přírody. Imunologie. 16 (4): 234–46. doi:10.1038 / nri.2016.28. PMC  5757527. PMID  26996199.
  3. ^ Oettinger MA, Schatz DG, Gorka C, Baltimore D (červen 1990). „RAG-1 a RAG-2, sousední geny, které synergicky aktivují rekombinaci V (D) J“. Věda. 248 (4962): 1517–23. doi:10.1126 / science.2360047. PMID  2360047.
  4. ^ Ru H, Chambers MG, Fu TM, Tong AB, Liao M, Wu H (listopad 2015). "Molekulární mechanismus V (D) J rekombinace ze synaptických komplexů RAG1-RAG2". Buňka. 163 (5): 1138–1152. doi:10.1016 / j.cell.2015.10.055. PMC  4690471. PMID  26548953.
  5. ^ Kapitonov VV, Jurka J (červen 2005). „Jádro RAG1 a V (D) J rekombinační signální sekvence byly odvozeny z transibonů Transib“. PLOS Biology. 3 (6): e181. doi:10.1371 / journal.pbio.0030181. PMC  1131882. PMID  15898832.
  6. ^ A b C Kapitonov VV, Koonin EV (2015-04-28). „Vývoj lokusu RAG1-RAG2: oba proteiny pocházejí ze stejného transposonu“. Biology Direct. 10 (1): 20. doi:10.1186 / s13062-015-0055-8. PMC  4411706. PMID  25928409.
  7. ^ A b Huang S, Tao X, Yuan S, Zhang Y, Li P, Beilinson HA, Zhang Y, Yu W, Pontarotti P, Escriva H, Le Petillon Y, Liu X, Chen S, Schatz DG, Xu A (červen 2016). „Objev aktivního RAG transposonu osvětluje počátky rekombinace V (D) J“. Buňka. 166 (1): 102–14. doi:10.1016 / j.cell.2016.05.032. PMC  5017859. PMID  27293192.
  8. ^ Morales Poole JR, Huang SF, Xu A, Bayet J, Pontarotti P (červen 2017). „RAG transposon je aktivní vývojem deuterostomu a domestikován u čelistních obratlovců“. Imunogenetika. 69 (6): 391–400. bioRxiv  10.1101/100735. doi:10.1007 / s00251-017-0979-5. PMID  28451741. S2CID  11192471.
  9. ^ Zhang Y, Cheng TC, Huang G, Lu Q, Surleac MD, Mandell JD, Pontarotti P, Petrescu AJ, Xu A, Xiong Y, Schatz DG (květen 2019). „Transposonová molekulární domestikace a vývoj RAG rekombinázy“. Příroda. 569 (7754): 79–84. doi:10.1038 / s41586-019-1093-7. PMC  6494689. PMID  30971819.
  10. ^ Kasahara M, Suzuki T, Pasquier LD (únor 2004). „O počátcích adaptivního imunitního systému: nové poznatky od bezobratlých a chladnokrevných obratlovců“. Trendy v imunologii. 25 (2): 105–11. doi:10.1016 / j.it.2003.11.005. PMID  15102370.
  11. ^ Fugmann SD, Messier C, Novack LA, Cameron RA, Rast JP (březen 2006). „Starověký evoluční původ lokusu genu Rag1 / 2“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 103 (10): 3728–33. doi:10.1073 / Pnas.0509720103. PMC  1450146. PMID  16505374.
  12. ^ Holland LZ, Albalat R, Azumi K, Benito-Gutiérrez E, Blow MJ, Bronner-Fraser M a kol. (Červenec 2008). „Genom amphioxus osvětluje původ obratlovců a biologii hlavonožců. Výzkum genomu. 18 (7): 1100–11. doi:10.1101 / gr.073676.107. PMC  2493399. PMID  18562680.
  13. ^ Panchin Y, Moroz LL (květen 2008). „Měkkýši mobilní prvky podobné genům aktivujícím rekombinaci obratlovců“. Sdělení o biochemickém a biofyzikálním výzkumu. 369 (3): 818–23. doi:10.1016 / j.bbrc.2008.02.097. PMC  2719772. PMID  18313399.
  14. ^ Kasahara M (říjen 2007). "Hypotéza 2R: aktualizace". Aktuální názor na imunologii. Smrt hemopoetických buněk / Imunogenetika / Transplantace. 19 (5): 547–52. doi:10.1016 / j.coi.2007.07.009. PMID  17707623.
  15. ^ van Niekerk G, Davis T, Engelbrecht AM (04.09.2015). „Byla evoluční cesta k adaptivní imunitě vydlážděna endotelem?“. Biology Direct. 10 (1): 47. doi:10.1186 / s13062-015-0079-0. PMC  4560925. PMID  26341882.

Další čtení

externí odkazy