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.

Al igual que muchas enzimas, las proteínas RAG son bastante grandes. Por ejemplo, la RAG-1 del ratón contiene 1040 aminoácidos y la RAG-2, 527. La actividad enzimática de las proteínas RAG se concentra principalmente en una región central; los residuos 384-1008 de la RAG-1 y los residuos 1-387 de la RAG-2 conservan la mayor parte de la actividad de escisión del ADN. El núcleo de la RAG-1 contiene tres residuos ácidos (D ₆₀₀ , D ₇₀₈ y E ₉₆₂ ) en lo que se denomina el motivo DDE , el principal sitio activo para la escisión del ADN. Estos residuos son cruciales para la rotura de la cadena de ADN y la formación de la horquilla de ADN. Los residuos 384–454 de RAG-1 comprenden una región de unión a nonámeros (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 RSS. Se predice que la región central de RAG-2 forma una estructura de hélice beta de seis aspas que parece menos específica que RAG-1 para su diana.

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 de RAG1 en el dímero cerrado participan en la unión cooperativa de los intermedios 12-RSS y 23-RSS con interacciones específicas de bases en el heptámero del extremo de señal. La primera base del heptámero en el extremo de señal se voltea hacia afuera para evitar el choque en el centro activo. Cada extremo codificante del intermedio RSS con muesca se estabiliza exclusivamente por un monómero RAG1-RAG2 con interacciones proteína-ADN no específicas. El extremo codificante está altamente distorsionado con una base volteada hacia afuera 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 presentan una marcada curvatura y se unen de forma asimétrica al complejo RAG sináptico. El dímero del dominio de unión al nonámero se inclina hacia el nonámero del 12-RSS, pero se aleja del nonámero del 23-RSS, lo que subraya la regla 12/23. Dos moléculas de HMGB1 se unen a cada lado del 12-RSS y del 23-RSS para estabilizar los RSS altamente curvados. Estas estructuras detallan los mecanismos moleculares de reconocimiento del ADN, catálisis y la sinapsis única que subyace a la regla 12/23. Proporcionan nuevos conocimientos sobre las enfermedades humanas asociadas a RAG y representan el conjunto más completo de complejos en las vías catalíticas de cualquier recombinasa, transposasa o integrasa de la familia DDE.

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 (noviembre de 1998). "El sistema inmunitario 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.