来源：iNature（ID：Plant_ihuman）
有颌脊椎动物的适应性免疫依赖于重组激活基因 1 (RAG1)-RAG2（统称为 RAG）重组酶，在称为 V(D)J 重组的反应中组装抗原受体基因。广泛的生化和结构证据表明，RAG 和 V(D)J 重组是从 RAG 样 (RAGL) 转座元件的成分通过称为转座子分子驯化的过程进化而来的。
2021年10月21日，耶鲁大学David G. Schatz（耶鲁大学Liu Chang及上海交通大学张宇航为共同第一作者）团队在Nature Reviews Immunology（IF=53）在线发表题为“Structural insights into the evolution of the RAG recombinase”的综述文章，该综述描述了对RAG重组酶进化过程中发生的功能和结构转变的理解的最新进展。该综述使用 RAG 和 RAGL 酶的结构来追踪进化适应性，这些适应性产生了 RAG 重组酶，该酶具有精确调节的切割活性和多层机制来抑制转座。
该综述描述了 DNA 结合模式的变化、蛋白质-DNA 复合物动力学的改变、单个氨基酸突变和模块化设计如何可能使 RAG 家族酶能够在真核生物的基因组中存活和传播。这些进展突出了通过比较基因组分析结合结构生物学和生物化学的视角观察脊椎动物免疫进化可以获得的洞察力。
复杂的适应性免疫系统在脊椎动物进化过程中至少出现过两次：一次在无颌脊椎动物中（现在以七鳃鳗和盲鳗为代表），一次在有颌脊椎动物中（从鱼类和两栖动物到爬行动物、鸟类和哺乳动物）。在这两种情况下，进化都导致产生淋巴细胞的能力，这些淋巴细胞能够产生几乎无限的抗原受体阵列，以识别感染因子。
在有颚脊椎动物中，这一进化过程的核心参与者是一段自私的 DNA-转座子。凭借它们在基因组内和基因组之间移动的能力，转座子既是基因组进化的促进者又是对基因组稳定性的有力威胁。在这篇综述中，考虑了进化如何利用转座子来产生抗原受体多样性，同时抑制它对基因组完整性构成的危险。
在有颌脊椎动物中，编码抗原受体（免疫球蛋白和 T 细胞受体）的基因在 B 细胞和 T 细胞发育期间从可变 (V)、多样性 (D) 和连接 (J) 基因片段的阵列通过称为 V 的过程组装(D)J 重组。V(D)J 重组由淋巴限制性重组激活基因 (RAG) 重组酶启动，RAG 是由两个 RAG1 和两个 RAG2 亚基组成的异源四聚体。RAG 是一种序列特异性核酸内切酶，可在重组信号序列 (RSS) 处切割与 V、D 和 J 基因片段相邻的片段，该序列由保守的七聚体和九聚体元件组成，这些元件由间隔 DNA 的 12 或 23 bp（分别称为 12RSS 和 23RSS）隔开)。V(D)J 重组几乎只发生在 12RSS 和 23RSS 之间，这一限制称为 12/23 规则。
作为 RAG 复合物的催化活性成分，多结构域 RAG1 蛋白通过催化核心执行双链 DNA 的切割，催化核心在其氨基末端两侧是九聚体结合结构域 (NBD) 和一个长 N 末端区域(NTR)，并且在其羧基末端有一个短的 C 末端尾 (CTT)。RAG2 的基本核心区域协助 RAG1 进行 DNA 结合和切割。RAG2 的 C 端区域包括一个富含酸性氨基酸的柔性铰链（酸性铰链）和一个植物同源域（PHD），作为组蛋白代码的阅读器。RAG 由 DNA 弯曲辅因子 (HMGB1 或 HMGB2) 辅助，该辅助因子结合 RSS 间隔区，特别是强烈弯曲的 23RSS 间隔区。
四十多年前，有人提出下颌脊椎动物不寻常的“分裂”抗原受体基因是通过意外插入转座子到基因外显子中产生的，将其分裂成原始的“V”和“J”基因片段。十年后，RAG1 和 RAG2 的发现揭示了这两个基因在小鼠和人类基因组中以非常紧凑的尾对尾结构排列，这种结构在所有有颌脊椎动物的基因组中都观察到。这一观察结果与许多其他发现一起支持了一个模型，其中RAG1、RAG2、RSS 和分裂抗原受体基因是从 RAGL 转座子进化而来的。
HzTransib（缺少 RAG2L 亚基）（PDB：6PQX）、BbRAGL（PDB：6B40）和 RAG（PDB：6CG0）在其催化核心中有许多结构特征区域并结合密切相关的七聚体序列。然而，在底物裂解后，RAG 介导的重组途径与 HzTransib 和 BbRAGL 介导的转座途径不同。
在转座中，转座酶保留转座子的切除末端（形成转座子末端复合物）并以非共价方式捕获目标 DNA 以形成目标捕获复合物 (TCC)。随后转座子对捕获的目标 DNA 的攻击导致转座子的整合和链转移复合物 (STC) 的形成。相比之下，在 V(D)J 重组过程中，由 RAG 介导的 DNA 切割产生的编码末端和信号末端被处理并通过非同源末端连接 DNA 修复因子连接，分别产生编码接头和信号接头。RAG 进行转座的能力在无细胞反应中很容易检测到，但在体内却被抑制。
该综述描述了对RAG 进化过程中发生的功能和结构转变的理解的最新进展。该综述使用 RAG 和 RAGL 酶的结构来追踪进化适应性，这些适应性产生了 RAG 重组酶，该酶具有精确调节的切割活性和多层机制来抑制转座。
该综述描述了 DNA 结合模式的变化、蛋白质-DNA 复合物动力学的改变、单个氨基酸突变和模块化设计如何可能使 RAG 家族酶能够在真核生物的基因组中存活和传播。这些进展突出了通过比较基因组分析结合结构生物学和生物化学的视角观察脊椎动物免疫进化可以获得的洞察力。
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41577-021-00628-6
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