V(D)J組み換え

主要酵素と構成要素編集

V(D)J組み換えのプロセスはVDJリコンビナーゼが媒介するが、その酵素は多様である。 主要な酵素は、組換え活性化遺伝子1および2(RAG)、ターミナルデオキシヌクレオチジルトランスフェラーゼ(TdT)、およびDNA修復のためのユビキタス非相同末端接合(NHEJ)経路のメンバーであるArtemis nucleaseなどである。 その他にも、DNA依存性プロテインキナーゼ(DNA-PK)、X線修復相互補完性タンパク質4(XRCC4)、DNAリガーゼIV、非相同末端接合因子1(NHEJ1;CernunnosまたはXRCC4様因子としても知られている)、最近発見されたXRCC4とXLFのパラログ(PAXX)、DNAポリメラーゼλとμなどがこの過程に関与していることが分かっている。

組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性(V)、多様性(D)、接合(J)の遺伝子セグメントに隣接する組換えシグナル配列 (RSS) を認識し結合している。 RSSは、7個の保存塩基からなる7量体、12または23塩基長のスペーサー領域、9個の保存塩基からなる非量体の3つの要素から構成されている。 多くのRSSは配列が異なるが、ヘプタマーとノナマーのコンセンサスはそれぞれCACAGTGとACAAAAACCであり、スペーサー領域の配列は保存状態が悪いが、その長さは高度に保存されている。 スペーサー領域の長さは、DNAらせんのおよそ1回転(12塩基対)または2回転(23塩基対)に相当する。 12/23ルールと呼ばれるものに従うと、組み替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に隣接している(すなわち、一方は「12RSS」、一方は「23RSS」である)。 これはV(D)J組み換えの制御における重要な特徴である。

ProcessEdit

V(D)J 組み換えは、コーディング遺伝子セグメント(V、D、またはJ)に隣接するRSSとV(D)J リコンビナーゼ(RAG1の活性を通じて)結合して、RSSの最初の塩基(七量体の直前)とコーディングセグメントの間でDNAに1本の鎖状のニック形成を行うことにより始まる。 これは本質的にエネルギー的に中立であり(ATP加水分解を必要としない)、同じ鎖上に遊離の3’水酸基と5’リン酸基を形成することになる。 反応性の水酸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位置にあり、コーディングセグメントにはヘアピン(ステムループ)、シグナルセグメントにはブラントエンドという2つのDNA末端が形成される。 現在のところ、DNAのニッキングとヘアピンの形成は、組換えセンターと呼ばれる複合体において両鎖同時に(あるいはほぼ同時に)行われると考えられている。 シグナルジョイントは本来、細胞分裂を繰り返すうちに失われると考えられていたが、ゲノムに再び入り込み、がん遺伝子を活性化したり、がん抑制遺伝子の機能を阻害することによって病態を引き起こす可能性があることが分かっている

コーディング末端は、結紮前にいくつかの事象によってさらに処理され、最終的に接合部の多様性につながる。 DNA-PKが切断されたDNA末端に結合し、Artemis、XRCC4、DNA ligase IV、Cernunnos、およびいくつかのDNAポリメラーゼを含む他のいくつかのタンパク質をリクルートするとき、処理が開始される。 DNA-PKは複合体を形成し、自己リン酸化され、Artemisが活性化される。 コーディングエンドヘアピンはArtemisの活性化によって開かれる。 しかし、多くの場合、開口部が中心からずれているため、片方の鎖に余分な塩基が残る(オーバーハング)。 これは、DNA修復酵素がオーバーハングを解消する際に生じる塩基配列が回文であることから、回文ヌクレオチド(P)と呼ばれる。 次に、XRCC4、Cernunnos、DNA-PKがDNA末端を揃え、テンプレートに依存しないDNAポリメラーゼであるターミナルデオキシヌクレオチジルトランスフェラーゼ(TdT)がコーディング末端に非鋳型的(N)ヌクレオチドを付加させる。 この付加はほとんどランダムであるが、TdTはG/Cヌクレオチドを好む傾向がある。 すべての既知のDNAポリメラーゼと同様に、TdTは5’から3’方向にヌクレオチドを一方の鎖に付加する。

最後に、エキソヌクレアーゼはコーディング末端から(形成されたかもしれない任意のPまたはNヌクレオチドを含む)塩基を除去できる。 その後、DNAポリメラーゼλおよびμは、必要に応じて追加のヌクレオチドを挿入し、2つの末端が結合できるようにする。 これは確率的なプロセスであるため、PおよびNヌクレオチドの付加と核外分解の組み合わせはどのようにでも起こりうる(あるいはまったく起こらない)。

これらの処理により、同じ遺伝子断片が組み合わされた場合でも、パラトープは非常に多様である。 V(D)J組み換えにより、生物もその祖先も過去に遭遇する必要のない抗原に対する免疫グロブリンやT細胞受容体が生成され、新規に発生する病原体や頻繁に変化する病原体(例えば季節性インフルエンザ)に対する適応免疫応答が可能となる。 しかし、このプロセスの大きな注意点は、最終的なタンパク質産物において正しいアミノ酸配列を維持するために、DNA配列がインフレームでなければならないことである。 もし、出来上がった配列が枠外であれば、細胞の発生は停止し、細胞は成熟するまで生き残ることはできない。 したがって、V(D)J組み換えは非常にコストのかかるプロセスであり、厳密に規制され管理されなければならない(そして現在も規制されている)

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