Gen activador de la recombinación

Los genes activadores de la recombinación (RAG) codifican partes de un complejo proteico que desempeña papeles importantes en la reorganización y recombinación de los genes que codifican las moléculas de inmunoglobulina y receptor de células T. Hay dos genes activadores de la recombinación RAG1 y RAG2 , cuya expresión celular está restringida a los linfocitos durante sus etapas de desarrollo. Las enzimas codificadas por estos genes, RAG-1 y RAG-2, son esenciales para la generación de células B y células T maduras , dos tipos de linfocitos que son componentes cruciales del sistema inmunológico adaptativo . ^[1]

En el sistema inmunitario de los vertebrados , cada anticuerpo está personalizado para atacar a un antígeno en particular (proteínas extrañas y carbohidratos) sin atacar al propio cuerpo. El genoma humano tiene como máximo 30.000 genes, y sin embargo genera millones de anticuerpos diferentes, lo que le permite responder a la invasión de millones de antígenos diferentes. El sistema inmunitario genera esta diversidad de anticuerpos al barajar, cortar y recombinar unos pocos cientos de genes (los genes VDJ) para crear millones de permutaciones, en un proceso llamado recombinación V(D)J . ^[1] RAG-1 y RAG-2 son proteínas en los extremos de los genes VDJ que separan, barajan y vuelven a unir los genes VDJ. Esta barajada tiene lugar dentro de las células B y las células T durante su maduración.

Las enzimas RAG funcionan como un complejo de múltiples subunidades para inducir la escisión de una molécula de ADN bicatenario simple (dsADN) entre el segmento codificante del receptor de antígeno y una secuencia de señal de recombinación (RSS) flanqueante. Lo hacen en dos pasos. Inicialmente introducen una "muesca" en el extremo 5' (corriente arriba) del heptámero RSS (una región conservada de 7 nucleótidos) que está adyacente a la secuencia codificante, dejando atrás una estructura bioquímica específica en esta región de ADN: un grupo hidroxilo (OH) 3' en el extremo codificante y un grupo fosfato (PO ₄ ) 5' en el extremo RSS. El siguiente paso acopla estos grupos químicos, uniendo el grupo OH (en el extremo codificante) al grupo PO ₄ (que se encuentra entre el RSS y el segmento génico en la cadena opuesta). Esto produce una rotura bicatenaria fosforilada en 5' en el RSS y una horquilla cerrada covalentemente en el extremo codificante. Las proteínas RAG permanecen en estas uniones hasta que otras enzimas (en particular, TDT) reparan las roturas del ADN.

Las proteínas RAG inician la recombinación V(D)J, que es esencial para la maduración de las células pre-B y pre-T. Las células B maduras activadas también poseen otros dos fenómenos notables, independientes de RAG, de manipulación de su propio ADN: la llamada recombinación de cambio de clase (también conocida como cambio de isotipo) y la hipermutación somática (también conocida como maduración de afinidad). ^[2] Los estudios actuales han indicado que RAG-1 y RAG-2 deben trabajar de manera sinérgica para activar la recombinación VDJ . Se demostró que RAG-1 induce de manera ineficiente la actividad de recombinación de los genes VDJ cuando se aísla y se transfecta en muestras de fibroblastos. Cuando RAG-1 se cotransfectó con RAG-2, la frecuencia de recombinación aumentó en 1000 veces. ^[3] Este hallazgo ha fomentado la teoría recientemente revisada de que los genes RAG no solo pueden ayudar en la recombinación VDJ, sino que, más bien, inducen directamente las recombinaciones de los genes VDJ.

Al igual que ocurre con muchas enzimas, las proteínas RAG son bastante grandes. Por ejemplo, la RAG-1 de ratón contiene 1040 aminoácidos y la RAG-2 de ratón contiene 527 aminoácidos. La actividad enzimática de las proteínas RAG se concentra principalmente en una región central; los residuos 384-1008 de RAG-1 y los residuos 1-387 de RAG-2 conservan la mayor parte de la actividad de escisión del ADN. El núcleo de RAG-1 contiene tres residuos ácidos (D ₆₀₀ , D ₇₀₈ y E ₉₆₂ ) en lo que se denomina motivo DDE , el principal sitio activo para la escisión del ADN. Estos residuos son fundamentales para cortar la cadena de ADN y formar la horquilla de ADN. Los residuos 384-454 de RAG-1 comprenden una región de unión a nonámero (NBR) que se une específicamente al nonámero conservado (9 nucleótidos ) del RSS y el dominio central (aminoácidos 528-760) de RAG-1 se une específicamente al heptámero del RSS. Se predice que la región central de RAG-2 formará una estructura de hélice beta de seis palas que parece menos específica que RAG-1 para su objetivo.

Las estructuras de microscopía crioelectrónica de los complejos RAG sinápticos revelan una conformación de dímero cerrado con generación de nuevas interacciones intermoleculares entre dos monómeros RAG1-RAG2 tras la unión al ADN, en comparación con el complejo Apo-RAG que constituye una conformación abierta. ^[4] Ambas moléculas RAG1 en el dímero cerrado están involucradas en la unión cooperativa de los intermediarios 12-RSS y 23-RSS con interacciones específicas de base en el heptámero del extremo señal. La primera base del heptámero en el extremo señal está invertida para evitar el choque en el centro activo. Cada extremo codificante del intermediario RSS mellado está estabilizado exclusivamente por un monómero RAG1-RAG2 con interacciones proteína-ADN no específicas. El extremo codificante está altamente distorsionado con una base invertida del dúplex de ADN en el centro activo, lo que facilita la formación de la horquilla mediante un posible mecanismo catalítico de dos iones metálicos. Los intermediarios 12-RSS y 23-RSS están altamente doblados y unidos asimétricamente al complejo RAG sináptico con el dímero del dominio de unión del nonámero inclinado hacia el nonámero del 12-RSS pero alejado del nonámero del 23-RSS, lo que enfatiza la regla 12/23. Dos moléculas HMGB1 se unen a cada lado del 12-RSS y el 23-RSS para estabilizar los RSS altamente doblados. Estas estructuras elaboran los mecanismos moleculares para el reconocimiento del ADN, la catálisis y la sinapsis única que subyace a la regla 12/23, brindan nuevos conocimientos sobre las enfermedades humanas asociadas con RAG y representan un conjunto más completo de complejos en las vías catalíticas de cualquier recombinasa, transposasa o integrasa de la familia DDE.

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Basándose en la homología de secuencias centrales, se cree que RAG1 evolucionó a partir de una transposasa de la superfamilia Transib ^{. [5]} Ningún miembro de la familia Transib incluye una secuencia N-terminal encontrada en RAG1, lo que sugiere que el N-terminal de RAG1 proviene de un elemento separado. La región N-terminal de RAG1 se ha encontrado en el elemento transponible N-RAG-TP en la babosa marina, Aplysia californica , que contiene el N-terminal de RAG1 completo. ^[6] Es probable que la estructura completa de RAG1 se haya derivado de la recombinación entre un Transib y el transposón N-RAG-TP . ^[7]

Se ha identificado un transposón con RAG2 dispuesto junto a RAG1 en el erizo de mar púrpura. ^[8] Se han descubierto transposones Transib activos con RAG1 y RAG2 ("ProtoRAG") en B. belcheri (lanceta china) y Psectrotarsia flava (una polilla). ^{[9] [10]} Las repeticiones invertidas terminales (TIR) ​​en ProtoRAG de la lanceta tienen una estructura de heptámero-espaciador-nonámero similar a la de RSS, pero el ProtoRAG de la polilla carece de un nonámero. Las regiones de unión al nonámero y las secuencias del nonámero del ProtoRAG de la lanceta y el RAG animal son lo suficientemente diferentes como para no reconocerse entre sí. ^[9] Se ha resuelto la estructura del protoRAG de la lanceta ( PDB : 6b40 ), lo que proporciona cierta comprensión sobre qué cambios conducen a la domesticación de los genes RAG. ^[11]

Aunque los orígenes de los transposones de estos genes están bien establecidos, todavía no hay consenso sobre cuándo el locus ancestral RAG1/2 se hizo presente en el genoma de los vertebrados. Debido a que los agnatos (una clase de peces sin mandíbula) carecen de un elemento central RAG1, tradicionalmente se asumió que RAG1 invadió después de la división agnatano/ gnatóstomo hace 1001 a 590 millones de años (MYA). ^[12] Sin embargo, la secuencia central de RAG1 se ha identificado en el equinodermo Strongylocentrotus purpuratus (erizo de mar púrpura), ^[13] el anfioxi Branchiostoma floridae (lanceta de Florida). ^[14] También se han identificado secuencias con homología con RAG1 en Lytechinus veriegatus (erizo de mar verde), Patiria minata (estrella de mar), ^[8] el molusco Aplysia californica, ^[15] y protóstomos que incluyen ostras, mejillones, gusanos cinta y los cnidarios no bilaterales . ^[16] Estos hallazgos indican que el transposón de la familia Transib invadió varias veces en especies no vertebradas e invadió el genoma ancestral de vertebrados con mandíbula hace unos 500 millones de años. ^[8] Se plantea la hipótesis de que la ausencia de genes similares a RAG en vertebrados sin mandíbula y urocordados ^[16] se debe a la transferencia horizontal de genes o pérdida de genes en ciertos grupos filogenéticos debido a la transmisión vertical convencional. ^[13] Un análisis reciente ha demostrado que la filogenia de RAG es gradual y direccional, lo que sugiere un camino evolutivo que se basa en la transmisión vertical. ^[16] Esta hipótesis sugiere que el par similar a RAG1/2 puede haber estado presente en su forma actual en la mayoría de los linajes de metazoos y se perdió en los linajes de vertebrados sin mandíbula y urocordados. ^[7] No hay evidencia de que el sistema de recombinación V(D)J surgiera antes que el linaje de vertebrados. ^{[7] Actualmente se plantea la hipótesis de que la invasión de RAG1/2 es el evento evolutivo más importante en términos de dar forma al} sistema inmunológico adaptativo del gnatóstomo frente al sistema de receptor de linfocitos variables del agnato .

Aún no está claro qué fuerzas llevaron al desarrollo de un sistema inmunológico mediado por RAG1/2 exclusivamente en vertebrados con mandíbulas y no en ninguna especie de invertebrado que también adquiriera el transposón que contenía RAG1/2. Las hipótesis actuales incluyen dos eventos de duplicación de todo el genoma en vertebrados, ^[17] que proporcionarían la materia prima genética para el desarrollo del sistema inmunológico adaptativo, y el desarrollo de tejido endotelial, mayor actividad metabólica y una menor relación entre el volumen sanguíneo y el peso corporal, todos los cuales son más especializados en vertebrados que en invertebrados y facilitan las respuestas inmunológicas adaptativas. ^[18]

• Síndrome de Omenn
• Inmunodeficiencia combinada grave

• Travis J (noviembre de 1998). "El sistema inmunológico accidental: hace mucho tiempo, un fragmento errante de ADN (quizás de un microbio) creó una estrategia clave" (PDF) . Science News . 154 (19): 302–303. doi :10.2307/4010948. JSTOR  4010948. Una explicación sencilla del gen activador de la recombinación para el lector general.