Gen activador de la recombinación

Los genes activadores de la recombinación (RAG) codifican partes de un complejo proteico que desempeña funciones importantes en el reordenamiento y la recombinación de los genes que codifican las moléculas de inmunoglobulina y del receptor de células T. Existen dos genes activadores de la recombinación, RAG1 y RAG2 , cuya expresión celular se restringe 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 inmunitario adaptativo . ^{[ 1 ]}

En el sistema inmunitario de los vertebrados , cada anticuerpo está personalizado para atacar un antígeno específico (proteínas y carbohidratos extraños) sin atacar al propio organismo. A pesar de que el genoma humano solo contiene dos genes que codifican la región variable de los anticuerpos, las células B son capaces de generar millones de anticuerpos diferentes, lo que permite al sistema inmunitario responder a millones de antígenos distintos. El sistema inmunitario genera esta diversidad de anticuerpos mediante la recombinación, el corte y la modificación de unos cientos de genes (los genes VDJ) para crear millones de permutaciones, en un proceso denominado recombinación V(D)J . ^{[ 1 ]} RAG-1 y RAG-2 son proteínas situadas en los extremos de los genes VDJ que separan, recombinan y vuelven a unir dichos genes. Esta recombinación tiene lugar dentro de las células B y T durante su maduración.

Las enzimas RAG funcionan como un complejo multisubunitario para inducir la escisión de una molécula de ADN de doble cadena (dsDNA) entre el segmento codificante del receptor de antígeno y una secuencia de señal de recombinación (RSS) adyacente. Lo hacen en dos pasos. Inicialmente, introducen una muesca en el extremo 5' (corriente arriba) del heptámero RSS (una región conservada de 7 nucleótidos) adyacente a la secuencia codificante, dejando una estructura bioquímica específica en esta región del ADN: un grupo hidroxilo (OH) en el extremo codificante y un grupo fosfato (PO₄ ₎ en el extremo RSS. El siguiente paso acopla estos grupos químicos, uniendo el grupo OH (en el extremo codificante) al grupo PO₄ ₍ que se encuentra entre la RSS y el segmento génico en la cadena opuesta). Esto produce una ruptura de doble cadena fosforilada en el extremo 5' de la 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, 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 ]} Estudios recientes 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 1000 veces. ^{[ 3 ]} Este hallazgo ha impulsado 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.

As with many enzymes, RAG proteins are fairly large. For example, mouse RAG-1 contains 1040 amino acids and mouse RAG-2 contains 527 amino acids. The enzymatic activity of the RAG proteins is concentrated largely in a core region; Residues 384–1008 of RAG-1 and residues 1–387 of RAG-2 retain most of the DNA cleavage activity. The RAG-1 core contains three acidic residues (D₆₀₀, D₇₀₈, and E₉₆₂) in what is called the DDE motif, the major active site for DNA cleavage. These residues are critical for nicking the DNA strand and for forming the DNA hairpin. Residues 384–454 of RAG-1 comprise a nonamer-binding region (NBR) that specifically binds the conserved nonamer (9 nucleotides) of the RSS and the central domain (amino acids 528–760) of RAG-1 binds specifically to the RSS heptamer. The core region of RAG-2 is predicted to form a six-bladed beta-propeller structure that appears less specific than RAG-1 for its target.

Cryo-electron microscopy structures of the synaptic RAG complexes reveal a closed dimer conformation with generation of new intermolecular interactions between two RAG1-RAG2 monomers upon DNA binding, compared to the Apo-RAG complex which constitutes as an open conformation.^[4] Both RAG1 molecules in the closed dimer are involved in the cooperative binding of the 12-RSS and 23-RSS intermediates with base specific interactions in the heptamer of the signal end. The first base of the heptamer in the signal end is flipped out to avoid the clash in the active center. Each coding end of the nicked-RSS intermediate is stabilized exclusively by one RAG1-RAG2 monomer with non-specific protein-DNA interactions. The coding end is highly distorted with one base flipped out from the DNA duplex in the active center, which facilitates the hairpin formation by a potential two-metal ion catalytic mechanism. The 12-RSS and 23-RSS intermediates are highly bent and asymmetrically bound to the synaptic RAG complex with the nonamer binding domain dimer tilts towards the nonamer of the 12-RSS but away from the nonamer of the 23-RSS, which emphasizes the 12/23 rule. Two HMGB1 molecules bind at each side of 12-RSS and 23-RSS to stabilize the highly bent RSSs. These structures elaborate the molecular mechanisms for DNA recognition, catalysis and the unique synapsis underlying the 12/23 rule, provide new insights into the RAG-associated human diseases, and represent a most complete set of complexes in the catalytic pathways of any DDE family recombinases, transposases or integrases.

Basándose en la homología de la secuencia central, 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 extremo 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 todo el extremo N-terminal de RAG1. ^{[ 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 lanceta tienen una estructura heptámero-espaciador-nonámero similar a la de RSS, pero ProtoRAG de la polilla carece de nonámero. Las regiones de unión al nonámero y las secuencias del nonámero de ProtoRAG de lanceta y RAG animal son lo suficientemente diferentes como para no reconocerse entre sí. ^{[ 9 ]} Se ha resuelto la estructura de ProtoRAG de lanceta ( PDB : 6b40 ​) , lo que proporciona cierta comprensión de qué cambios conducen a la domesticación de los genes RAG. ^{[ 11 ]}

Aunque los orígenes transponibles 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 mandíbulas) carecen de un elemento RAG1 central, tradicionalmente se asumió que RAG1 invadió después de la separación de agnatos/ gnatostomados hace 1001 a 590 millones de años (MA). ^{[ 12 ]} Sin embargo, la secuencia central de RAG1 se ha identificado en el equinodermo Strongylocentrotus purpuratus (erizo de mar púrpura), ^{[ 13 ]} el anfioxo Branchiostoma floridae (lanceta de Florida). ^{[ 14 ]} También se han identificado secuencias con homología a RAG1 en Lytechinus veriegatus (erizo de mar verde), Patiria minata (estrella de mar), ^{[ 8 ]} el molusco Aplysia californica, ^{[ 15 ]} y protóstomos incluyendo ostras, mejillones, gusanos cinta y los cnidarios no bilaterales . ^{[ 16 ]} Estos hallazgos indican que el transposón de la familia Transib invadió múltiples veces en especies no vertebradas, e invadió el genoma ancestral de los vertebrados con mandíbulas hace aproximadamente 500 millones de años. ^{[ 8 ]} Se hipotetiza que la ausencia de genes similares a RAG en vertebrados sin mandíbulas y urocordados ^{[ 16 ]} se debe a la transferencia horizontal de genes o a la pérdida de genes en ciertos grupos filogenéticos debido a la transmisión vertical convencional. ^{[ 13 ]} Análisis recientes han demostrado que la filogenia de RAG es gradual y direccional, lo que sugiere una ruta evolutiva que depende de 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 mandíbulas 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 la configuración del sistema inmunitario adaptativo de los gnatostomados en comparación con el sistema de receptores de linfocitos variables de los agnatos .

Todavía no está claro qué fuerzas llevaron al desarrollo de un sistema inmunitario mediado por RAG1/2 exclusivamente en vertebrados con mandíbulas y no en ninguna especie de invertebrado que también adquirió el transposón que contiene RAG1/2. Las hipótesis actuales incluyen dos eventos de duplicación del genoma completo en vertebrados, ^{[ 17 ]} que proporcionarían la materia prima genética para el desarrollo del sistema inmunitario adaptativo, y el desarrollo de tejido endotelial, mayor actividad metabólica y una menor relación volumen sanguíneo/peso corporal, características más especializadas en vertebrados que en invertebrados y que facilitan las respuestas inmunitarias adaptativas. ^{[ 18 ]}

• Síndrome de Omenn
• Inmunodeficiencia combinada grave

• Travis J (November 1998). "The Accidental Immune System; Long ago, a wandering piece of DNA—perhaps from a microbe—created a key strategy"(PDF). Science News. 154 (19): 302–303. doi:10.2307/4010948. JSTOR 4010948. A simple explanation of recombination activating gene for the general reader.